光合细菌

光能易获取、能量充足，是公认的未来人类最安全、最绿色、和最理想的替代能源之一。天然光合作用可以直接利用光能固定空气中的CO2合成有机物，但光合作用的效率较低（通常低于1%）。近年来发展的半导体材料-微生物人工杂合体系，同时结合了高效捕获光能的半导体材料和高特异性催化的微生物细胞，已经成功实现：（1）使不能利用光能的微生物能利用光能（从不能到能）；（2）提高天然光合作用效率（从低效到高效）。但目前，材料吸收光能产生的电子，仅有小部分被微生物细胞利用，因此杂合体系光能到化学能的转化，还远未发挥其潜在优势，其根本原因是材料-微生物界面能量和物质传递和转化机制不清、效率低。北京时间12月23日，南方科技大学机械与能源工程系陈熹翰课题组与中国科学院深圳先进技术研究院合成所材料合成生物学研究中心高翔课题组在ACS Energy Letters合作发表题为 “Ultrafast electron transfer in Au–Cyanobacteria Hybrid for Solar to Chemical Production” 的文章。该工作构建了金纳米颗粒-蓝细菌杂合体，将光能驱动CO2合成化学品的效率提高14%。通过瞬态吸收光谱直接观察到金纳米颗粒（Au）吸收光能产生的电子，可以直接被蓝细菌细胞快速吸收。为解析电子在材料-微生物界面传递机制提供基础。南方科技大学博士生胡秋实、深圳先进技术研究院研究助理胡海涛、博士后崔蕾为文章的共同第一作者。南方科技大学陈熹翰副教授和深圳先进技术研究院高翔副研究员为文章共同通讯作者。作者首先在蓝细菌中构建了甘油的合成通路，该途径以卡尔文循环（CBB）中间代谢物磷酸二羟丙酮（DHAP）为底物，消耗一分子的还原力合成甘油，该工程菌命名为XG608。在光照条件下，成功将CO2固定并转化为甘油。在此基础上，作者向培养体系中添加金纳米颗粒，利用共培养构建了金纳米颗粒-蓝细菌的杂合体，通过吸收光谱分析，观察到杂合体中同时具有金纳米颗粒和蓝细菌的特征吸收峰。此外，金纳米颗粒在525 nm附近吸收较强，与蓝细菌的吸收光谱性能互补，可以潜在提高杂合体的光能捕获效率。通过测试，在光照的条件下，与纯蓝细菌体系相比，杂合体生物量增长了10%，甘油产量增长了14.6%。进一步通过扫描透射电子显微镜 (STEM) 结合能谱(EDS) 分析，发现金纳米颗粒分布在蓝细菌细胞内，有利于材料光生电子向微生物细胞的传递。图1. 金纳米颗粒-蓝细菌杂合体提高光能驱动CO2固定合成甘油的效率随后作者对杂合体展开了原位瞬态光谱学分析（TA），当金纳米颗粒与工程菌XG608结合时，在2 ps内观察到更快的动力学衰减，而在4 ps后动力学衰减变慢，表明金纳米颗粒吸收光能产生的电子可以快速的被工程菌吸收。进一步研究发现，当加入光系统II抑制剂DCMU后，这种衰减特征消失（光系统II功能缺失突变体中也观察到相同结果）。有意思的是，金纳米颗粒电荷转移似乎只在活细胞中可行，黑暗条件，金纳米颗粒TA动力学特征不变，电荷转移过程停止。作者推测，只有活细胞才能作为电子受体来接收光激发的电子。图2. 金纳米颗粒-蓝细菌杂合体原位瞬态吸收光谱分析基于以上的研究，作者提出光激发金纳米颗粒提供了额外电子被光合电子传递链上潜在电子受体接收，进入光合电子传递链，提高光能利用效率，进而提高光能驱动CO2固定合成化学品的效率。图3.金纳米颗粒-蓝细菌杂合体界面电子传递该研究得到了科技部合成生物学重点研发计划、国自然重点项目和面上项目、深圳市基础研究专项重点项目和深圳合成生物学创新研究院的经费支持。

10月26日，中国疾病预防控制中心公布，在对既往收集保存的菌株进行监测中，发现了3株NDM-1基因阳性细菌(即超级细菌)。　　自从8月国外报道有患者感染携带NDM-1基因细菌以来，中国有没有“超级细菌”(Superbug)的问题就是公众的关注焦点，直到此次公布之前一星期，中国的官方说法还是，中国没有发现“超级细菌”。　　在国外广泛报道发现携带NDM-1耐药基因细菌之后，中国的卫生部组织了对既往收集保存的菌株进行NDM-1耐药基因检测，检出3株NDM-1基因阳性细菌。　　中国疾病预防控制中心发现的2株携带NDM-1耐药基因细菌来自今年3月宁夏回族自治区2名新生儿的粪便标本，是有NDM-1耐药基因的屎肠球菌。对该2名幼儿再次进行的NDM-1耐药细菌的检测，结果均为阴性。　　另一株携带NDM-1耐药基因的鲍曼不动杆菌，自福建省一名患肺癌的老年病例分离得出，该患者已死亡，其主要死亡原因为晚期肺癌。鲍曼不动杆菌是条件致病菌，可导致免疫功能低下的病人感染。其在该患者病程发展中的作用尚不明确。　　监测网络滞后　　此次发现的携带NDM-1基因细菌来自相距很远的宁夏和福建 且是完全不同的两类细菌 (一种是革兰氏阳性菌，一种是革兰氏阴性菌)，差别很大，不可能来自同一感染源 住院时间分别是3月和5月。因此，几乎可以完全排除境外传入的可能，携带NDM-1基因的超级细菌早已存在于中国，只是未被监测到而已。这就暴露了中国监测体系的滞后。　　8月份，国外出现了“超级细菌”的报道。中国开始加强印度等国外进入中国的旅客检疫。与此同时，卫生部与国家传染病重大专项平台，就开展了NDM-1耐药基因细菌的检测。　　“两名新生儿是3月份患病，住院时间是10天左右。当时还没出现‘超级细菌’。按此推断，当时医院肯定不是按‘超级细菌’治疗的，应该是按腹泻、肠道感染治疗的。”中国疾病预防控制中心传染病预防控制所所长、传染病预防控制国家重点实验室主任徐建国说。后来有专家调查过一次，由于治疗档案没提取到，无法得知治疗方式。据了解，两名新生儿是在一个县级医院治疗。按卫生政策有关要求，进入医院的患者都要留存档案。但有关专家表示，“县级医院，可能管理松散”。　　在军事医学科学院疾病预防控制所的实验室，从福建省一个医院报送的200多株菌株中检出1株NDM-1基因阳性鲍曼不动杆菌，经过表型鉴定、基因分析和测序，最后经过中国医学科学院实验室的平行检测，证实这株菌带有NDM-1基因。　　根据浙江大学医学院第一医院、传染病诊治国家重点实验室教授肖永红介绍，从这三名患者分离得到菌株来自“卫生部细菌耐药监测网”中的医院。　　在2005年，卫生部、国家中医药管理局和总后卫生部决定建立全国“抗菌药物临床应用监测网”和“细菌耐药监测网”。“卫生部细菌耐药监测网”由两大部分组成，第一部分为初级监测网，第二部分为中心监测网。　　到2010年，监测网已覆盖全国170余家三级甲等医院。其中，中心网包括全国不同地区20家医院，已开展3届中心网监测工作。基础网主要为各省市的三级甲等医院，目前已覆盖全国一百多家医院，每年分四个季度将临床分离菌株药敏结果上报。　　但从监测网建立之始就参与其中的肖永红介绍，现有的监测是被动监测，主要是获得细菌耐药性变化趋势和不同地区之间的比较等方面的信息，是对现在已经发生的耐药做一个常规的监测。这样的监测网络时间上会滞后，不适于监测新发的耐药现象，或者一些耐药率比较低的情况。　　“其次，现在的监测网络只覆盖到了省会城市和三甲医院，其广度和深度都有限 而且是年度监测，一年一个报告，时效性差，”肖永红说，“监测的发展方向，在深度、广度和时效性方面都应该提高，获得技术，采取措施及时加以研究。”　　药高一尺，菌高一丈　　抗生素与细菌之间的战争始于1929年弗莱明 (Fleming)的伟大发现——青霉素。抗生素首战大胜。　　1943年，发现了链霉素，并在1947年投入了市场。人类战胜了结核病。抗生素再下一城。　　抗生素日益发展，建立了庞大的抗菌素制药工业。在1971年至1975年达至巅峰，5年间共有52种新抗生素问世。　　但形势随之逆转，从1980年代开始，每年新上市的抗生素逐年递减。一方面的原因是开发新抗生素越来越难，另一方面则是细菌快速形成的耐药性。　　细菌对抗生素形成耐药性，实际上只是一种“被选择”。在数量惊人庞大的细菌群体中，细菌个体并不完全相同，彼此之间总是存在一些差异。这些差异产生的原因在于突变。突变在漫长的生命演化过程中一直就存在，只是偶然，一些突变改变了细菌的基因，使之获得了耐药性。　　在抗生素出现之前，这些产生耐药性的突变会在细菌群体中逐渐消失。但抗生素出现后，这些突变有了新的意义。抗生素对细菌进行了“选择”，没有耐药性的细菌被杀灭了，而有耐药性的基因生存了下来，菌群的结构发生了变化：非耐药菌越来越少，耐药菌越来越多。　　耐药性对于抗生素如影相随，只要使用抗生素就会形成耐药性，使用抗生素越多，形成耐药性也就越快。　　此次的“超级细菌”实际上就是对几乎全部已有抗生素都具有耐药性的“泛耐药菌(pan-resistantbacteria)”在9月28日，卫生部下发的《产NDM-1泛耐药肠杆菌科细菌感染诊疗指南(试行版)》中，“超级细菌”的正式名称也是泛耐药菌。　　卫生部抗菌药物临床应用监测中心顾问专家、复旦大学附属华山医院抗生素研究所的张永信教授告诉本报记者，感染了泛耐药菌并不是不可治愈，采用多粘菌素或多种抗生素联合用药的方式可以治疗泛耐药菌感染。　　国外的资料显示，某些临床疾病已经治愈的出院患者仍可携带NDM-1耐药基因细菌，但由于这类耐药菌多为条件致病菌或人体正常菌群细菌，通常不会在社区环境内普通人群中传播。在中国检出的两类细菌都是条件致病菌。　　在卫生部的《诊疗指南》中写道，“超级细菌”的“传播方式尚无研究报道，但根据患者感染情况以及细菌本身特点，可能主要通过密切接触，如污染的手和物品等方式感染。”易感人群为：“疾病危重、入住重症监护室、长期使用抗菌药物、插管、机械通气等。”　　张永信认为，一般公众不会轻易感染“超级细菌”，因为这些细菌是还局限在医院的特定环境中。“医生和护士天天与之打交道”，应该注意的是具有危险因素的人，如“开了大刀的人、老人、新生儿、进行化疗免疫功能下降的肿瘤病人等”。　　但这次欧美国家发现的病例已经表明，“超级细菌”可以通过接受医疗服务的人体进行洲际传播。“健康人一般不会感染‘超级细菌’。即便在医院等地有接触到，回到社区一段时间后，就消失了。目前的感染还局限在特殊人群，但值得关注的是，一旦耐药性基因传到了致病性强的细菌中，情况就会变得严重。”肖永红说。　　抗生素使用大国　　弗莱明自微生物之间的 “抗生现象”中发现了青霉素之后，人类已经开发了超过130种抗生素，是人类医疗健康无与伦比的福音。但因为放肆随意地使用抗生素，耐药菌越来越多，耐药性的形成也越来越快。在对细菌的战斗中，人类正在失去最重要的，几乎是唯一的依靠。　　在中国，抗生素不合理、不规范的使用一直普遍存在。　　据2006-2007年度卫生部全国细菌耐药监测结果显示，全国医院抗菌药物年使用率高达74%。在美、英等发达国家，医院的抗生素使用率仅为22%～25%。而中国的住院患者中，抗生素的使用率则高达70%，其中外科患者几乎人人都用抗生素，比例高达97%。　　抗生素在养殖业中也大量使用。这些药物一是用于预防动物生病 二是在饲料中添加抗生素，可以促进动物生长，这已是养殖业内通行的做法。这类做法的后果就是抗生素弥漫到整个环境中，可以通过各种途径，在人体内蓄积。　　不惜用抗生素后果严重。中国耐药菌的分离率远高于抗生素使用受到严格控制的国家，耐药菌的形成速度也远远快于这些国家。以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA)为例，“在印度和中国，MRSA在菌群中已经占到50%-70%，而在瑞典、丹麦、芬兰等北欧国家，还不到5%，”肖永红告诉记者，“而且2000年之后，增加的速度非常快。细菌产生突变速度相同，是抗生素泛滥的环境加快了耐药菌的形成。”　　金黄色葡萄球菌是一种常见的病菌，可引起皮肤、肺部、血液、关节感染。最开始，青霉素对之有效，但很快失效。后来采用了甲氧西林(半合成青霉素)，仅两年就出现了耐药菌，形成了难以杀灭的MRSA。　　在2004年，卫生部等部门颁行了《抗菌药物临床应用指导原则》，对抗生素的使用作出了详尽的规定，随后又有2008年的48号文和2009年的38号文强化抗生素药物的使用规范。力度不可谓不大。　　然而，情况虽有所改善，但执行仍旧不力。“不是每一所医院和每一位医生都能做到。”肖永红叹道。参与了《指导原则》制定的卫生部合理用药专家委员会副主任委员吴永佩也表示，不规范使用抗生素是耐药菌急剧形成的原因之一。对于在养殖业中使用抗生素，至今仍无明确的法规。　　抗生素的不合理使用其实只是中国医疗体系中药物不合理使用的一个层面。影响药物合理使用的所有因素也都影响到了抗生素的使用。例如，因“医患关系”和“举证责任倒置”产生的“保护性医疗”反映在抗生素的使用上就是多用抗生素，用好抗生素。“以药养医”的困境投射到抗生素使用上，也大大增加了其用量。

植物光合作用测定仪是一种用于测量植物光合作用速率的科学仪器。光合作用是植物、藻类和一些细菌利用光能将二氧化碳和水转化为有机物和氧气的过程，是植物生命活动的基本过程之一。通过植物光合作用测定仪，我们可以了解植物在特定条件下的光合作用速率，进而帮助我们更好地了解植物的生长环境、生长状况以及与植物光合作用有关的生理生化特性。 植物光合作用测定仪的主要功能是测量植物叶片或其他部位的净光合速率和蒸腾速率，同时也可以测量气体交换参数，如二氧化碳浓度、湿度和温度等。通过这些参数，我们可以了解植物的光合作用效率和水分利用效率，进而为植物生长提供更好的环境和条件。 植物光合作用测定仪的应用范围非常广泛，可以应用于植物生理生态、农业科学、环境科学等领域的研究。例如，在农业生产中，我们可以利用植物光合作用测定仪来了解不同品种作物在不同环境条件下的光合作用状况，为农业生产提供理论依据和指导。在植物生理生态研究中，我们可以利用植物光合作用测定仪来研究植物的光合作用和环境因子的关系，探讨植物的适应机制和生态习性。