紫色硫细菌是不产氧光合细菌中的一个生境独特的类群,大约出现在3.5Ga年前,是深入理解生命起源、自然界碳氮硫在物质循环中的作用、以及揭示不产氧光合作用机理的良好模型生物,在去除污染水体有机物、氮和磷以及有毒物质硫化物中也具有重要的应用价值。因该类群大多数种类生境特殊,较难获得纯培养物、菌种生长不良易于丢失,因此对其研究远不如紫色非硫细菌深入和广泛。奥氏酮(Okenone)类胡萝卜素是迄今发现的最古老的生物标志之一,已被用作研究地球进化和环境适应机制的一个有效工具,目前发现它仅出现在紫色硫细菌的15个种类中。本课题组从青岛东风盐场分离获得一株含有独特光合色素-奥氏酮的嗜盐紫色硫细菌Marichromatium sp.283-1。本文对该菌株的生物学特性、耐盐特性和耐盐机制、光合色素组份分析、环境因子对色素合成的影响、尤其是Okenone的特性和理化性质进行了系统研究,研究结果显示出Okenone类胡萝卜素性能稳定,耐热性、抗光性良好,高色价且色泽鲜艳,具有良好的特性,因此本文又进一步对Okenone的产量进行了优化。主要研究结果如下：1.生物学特性研究结果表明,紫色硫细菌Marichromatium sp.283-1对氧气敏感,最高能够耐受150g/L NaCl,1.8g/L Na2S.9H2O,7.7g/L NaNO2,能在pH6-9,温度15～45℃,光照强度100-8000Lux的范围内生长。不同的碳源、氮源、盐度、pH、光照、温度对菌体形态和胞内硫粒数量都有影响。高盐胁迫下细胞形态多样,体积增大,比表面积减小；在碱性和低温环境中细胞呈棒状而且体积较大,胞内积累较多的硫粒；高温下,细胞呈长杆状,体积变大,胞内积累较多硫粒。2. Marichromatiun sp.283-1是一株厌氧中度嗜盐紫色硫细菌,对其耐盐特性和耐盐机制进行了初步研究。结果表明随着盐度增加菌株283-1生长的延滞期延长,对Na+有专一依赖性,而对C1-依赖性较弱；它主要通过在胞内积累相容性溶质甜菜碱来对抗胞外渗透压力,胞内甜菜碱的含量随培养基NaCl浓度的增加而增加,2.0mol/L NaCl浓度时胞内甜菜碱含量可达到156.4mg/g细胞干重。外源添加甜菜碱可以明显提高菌株283-1耐盐生长的能力。因此,菌株283-1是通过胞内积累甜菜碱来调节细胞内外渗透压平衡,外源添加甜菜碱可以明显提高该菌株对盐的耐受能力。3.为了解决紫色硫细菌生物量普遍较低的问题,对其生长培养基进行了优化。采用单因子试验、Plackett-Burman设计、最陡爬坡试验及中心组合设计响应面分析,研究了乙酸钠、碳酸氢钠、氯化铵、硫化钠、硫酸镁和无机盐6个因子对菌株283-1生物量的影响。结果表明,乙酸钠和硫化钠是影响该菌株生物量的主要因素,并获得了最佳培养基配方。优化后菌株生长速率提高,延迟期缩短,生物量提高了6倍,并且结果与理论预测值相近。4.采用丙酮甲醇法提取菌体色素,通过UV-VIS、TLC、HPLC、MS和图像灰度分析等方法全面分析了该菌株的光合色素。结果表明：光照厌氧条件下,菌株283-1主要积累8种光合色素,包括BChl aGG、BChl aDHGG、BChl aTHGG和BChl ap4种细菌叶绿素,1种BPhe和OH-R.g-ketoⅠ、R.g-ketoⅢ和Okenone3种类胡萝卜素,其中细菌叶绿素BChl aP和类胡萝卜素Okenone含量最高,分别占总色素含量的39.6%和47.4%。同时建立了菌株283-1全色素的TLC和HPLC指纹图谱,这两种指纹图谱分析方法均能进行光合色素的快速分析,适合于紫色硫细菌Okenone系合成途径中和BChl a合成途径中主要积累色素组分和含量变化规律的研究。5.利用构建的指纹图谱研究了环境因子光照、温度和盐度对菌株色素合成的影响,结果表明：光照强度的变化主要影响类胡萝卜素和细菌叶绿素单位细胞的含量,对色素组份影响不明显；温度的对色素组份影响较大,低温(20℃)时,积累的类胡萝卜素主要是Okenone,TLC指纹图谱未检测到另外两种类胡萝卜素。在30℃,2000Lux时,细菌叶绿素和类胡萝卜素单位细胞含量最高；而在45℃,5000Lux时,细菌叶绿素和类胡萝卜素单位细胞含量最低。盐度变化不影响菌株的色素组份,但对各组分的相对含量影响较大。高盐(11%NaCl)下,BChl ap和BPhe的积累量明显增加,尤其是BChl ap的相对含量增加约70%；但是,OH-R.g-ketoI的积累量下调了40%。低盐(1%NaCl)下,BPhe和Okenone的相对含量明显上调。6. Okenone类胡萝卜素作为地球进化过程一种重要的生物标志物。菌株283-1胞内可积累大量的Okenone系类胡萝卜素。在紫色硫细菌Marichromatium sp.283-1光合色素组成分析的基础上,通过丙酮甲醇提取、皂化、TLC和HPLC分析、制备得到纯化的Okenone类胡萝卜素,并研究了光(包括紫外线)、温度、pH、金属离子、氧化剂、还原剂、自由基和食品添加剂等对Okenone类胡萝卜素稳定性的影响。结果表明,在暗处、1000Lux光照强度和4℃、30℃、50℃的条件下,Okenone具有很好的稳定性,有很高的耐光和耐热能力；强酸和强碱对Okenone破坏较大；对食品添加剂和多数金属离子稳定,但是Fe3+、Mg2+、Al3+和Cu2+的影响较大,尤其是Fe3+,因此,Okenone存放时应避免与这些物质接触。Okenone类胡萝卜素吸收光谱形状和精细结构受到有机溶剂极性的影响,当溶剂由非极性转变为极性时,其精细结构减弱或消失,吸收峰趋于平滑。Okenone在石油醚溶液中呈鲜艳的橙红色,色价为40000。Okenone对紫外辐射具有较强的吸收作用,因此它可通过牺牲自己起到防护作用。以[DPPH·]作为自由基检测试剂,测定了该类胡萝卜素清除[DPPH·]自由基能力,结果表明它具有抗氧化生物活性,EC50=0.022mg/mL。7.在优化了生物量的基础上,继续通过响应面分析法研究了培养基中5种无机盐和微量元素对菌株283-1Okenone类胡萝卜素积累的影响。结果表明：培养基中微量元素、碳酸氢钠和磷酸二氢钾显著影响Okenone类胡萝卜素在胞内的积累,通过Behnken Box试验设计,得到了最佳培养基配方。在优化培养基中,Okenone产量由原来的1.454mg/L提高到了2.926mg/L,提高了101.2%