แบคทีเรียสีม่วงคืออะไร? จุลินทรีย์เหล่านี้เป็นเม็ดสีที่มีแบคทีเรียคลอโรฟิลล์เอหรือบีร่วมกับแคโรทีนอยด์ต่างๆ ที่ให้สีตั้งแต่สีม่วง สีแดง สีน้ำตาลและสีส้ม เป็นกลุ่มที่ค่อนข้างหลากหลาย สามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงและแบคทีเรียสีม่วงธรรมดา (Rhodospirillaceae) เอกสารงานวิจัย Frontiers in Energy Research ปี 2018 เสนอให้ใช้เป็นทรัพยากรชีวภาพ
ชีววิทยา
แบคทีเรียสีม่วงส่วนใหญ่เป็น photoautotrophic แต่รู้จักชนิด chemoautotrophic และ photoheterotropic พวกมันอาจจะเป็นมิกซ์โซโทรฟที่สามารถหายใจและหมักแบบใช้ออกซิเจนได้
การสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียสีม่วงเกิดขึ้นในศูนย์ปฏิกิริยาบนเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีสารสีสังเคราะห์แสง (เช่น แบคทีเรียคลอโรฟิลล์, แคโรทีนอยด์) และโปรตีนที่จับกับเม็ดสีถูกนำเข้าสู่การกระตุ้นเพื่อสร้างถุงน้ำ หลอด หรือแผ่นลามิเนตคู่เดียวหรือซ้อนกัน แผ่น สิ่งนี้เรียกว่าเยื่อหุ้มเซลล์ภายใน (Intracytoplasmic membrane - ICM) ซึ่งมีการขยายตัวพื้นที่ผิวเพื่อการดูดกลืนแสงสูงสุด
ฟิสิกส์และเคมี
แบคทีเรียสีม่วงใช้การถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบวัฏจักรที่เกิดจากปฏิกิริยารีดอกซ์หลายชุด คอมเพล็กซ์เก็บเกี่ยวแสงรอบๆ ศูนย์ปฏิกิริยา (RC) จะรวบรวมโฟตอนในรูปของพลังงานเรโซแนนซ์ โดยจับเม็ดสีคลอโรฟิลล์ P870 หรือ P960 ที่อยู่ใน RC อิเล็กตรอนที่ตื่นเต้นจะหมุนเวียนจาก P870 ไปเป็น quinones QA และ QB จากนั้นไปที่ cytochrome bc1, cytochrome c2 และกลับไปที่ P870 quinone QB ที่ลดลงดึงดูดโปรตอนไซโตพลาสซึมสองตัวและกลายเป็น QH2 ในที่สุดก็ถูกออกซิไดซ์และปล่อยโปรตอนเพื่อสูบเข้าไปในปริพลาสซึมโดย cytochrome bc1 complex การแบ่งประจุที่เกิดขึ้นระหว่างไซโตพลาสซึมและเพอริพลาสซึมจะสร้างแรงผลักดันของโปรตอนที่ใช้โดย ATP synthase เพื่อสร้างพลังงาน ATP
แบคทีเรียสีม่วงยังถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากผู้บริจาคภายนอกโดยตรงไปยังไซโตโครม bc1 เพื่อสร้าง NADH หรือ NADPH ที่ใช้สำหรับแอแนบอลิซึม เป็นผลึกเดี่ยวเนื่องจากไม่ใช้น้ำเป็นผู้ให้อิเล็กตรอนเพื่อผลิตออกซิเจน แบคทีเรียสีม่วงชนิดหนึ่งที่เรียกว่าแบคทีเรียกำมะถันสีม่วง (PSB) ใช้ซัลไฟด์หรือกำมะถันเป็นผู้ให้อิเล็กตรอน อีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าแบคทีเรียที่ไม่ใช่กำมะถันสีม่วง มักใช้ไฮโดรเจนเป็นผู้ให้อิเล็กตรอน แต่ยังสามารถใช้ซัลไฟด์หรือสารประกอบอินทรีย์ที่ความเข้มข้นต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ PSB
แบคทีเรียสีม่วงมีตัวพาอิเล็กตรอนภายนอกไม่เพียงพอที่จะทำให้ NAD(P)+ เป็น NAD(P)H ได้เองตามธรรมชาติ ดังนั้นพวกมันจึงต้องใช้ควิโนนที่รีดิวซ์เพื่อลด NAD(P)+ อย่างน่ากลัว กระบวนการนี้ขับเคลื่อนโดยแรงขับเคลื่อนของโปรตอนและเรียกว่าการไหลย้อนกลับของอิเล็กตรอน
กำมะถันแทนออกซิเจน
แบคทีเรียที่ไม่ใช่กำมะถันสีม่วงเป็นแบคทีเรียชนิดแรกที่มีการสังเคราะห์แสงโดยปราศจากออกซิเจนเป็นผลพลอยได้ แต่ผลพลอยได้ของพวกมันคือกำมะถัน สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์เมื่อมีการสร้างปฏิกิริยาของแบคทีเรียต่อความเข้มข้นของออกซิเจนที่แตกต่างกัน พบว่าแบคทีเรียเคลื่อนตัวออกห่างจากออกซิเจนเพียงเล็กน้อยอย่างรวดเร็ว จากนั้นพวกเขาก็ทำการทดลองโดยใช้จานแบคทีเรีย และแสงก็พุ่งไปที่ส่วนหนึ่งของมัน และอีกส่วนหนึ่งก็ถูกทิ้งไว้ในความมืด เนื่องจากแบคทีเรียไม่สามารถดำรงอยู่ได้โดยปราศจากแสง พวกมันจึงเคลื่อนเข้าสู่วงกลมแห่งแสง หากผลพลอยได้ในชีวิตของพวกเขาคือออกซิเจน ระยะห่างระหว่างบุคคลจะมากขึ้นเมื่อปริมาณออกซิเจนเพิ่มขึ้น แต่เนื่องจากพฤติกรรมของแบคทีเรียสีม่วงและสีเขียวในแสงที่เน้น จึงสรุปได้ว่าผลพลอยได้จากการสังเคราะห์แสงของแบคทีเรียไม่สามารถเป็นออกซิเจนได้
นักวิจัยได้แนะนำว่าแบคทีเรียสีม่วงบางชนิดในปัจจุบันมีความเกี่ยวข้องกับไมโทคอนเดรีย แบคทีเรียที่พึ่งพาอาศัยกันในเซลล์พืชและสัตว์ที่ทำหน้าที่เป็นออร์แกเนลล์ การเปรียบเทียบโครงสร้างโปรตีนแสดงให้เห็นว่ามีบรรพบุรุษร่วมกันของโครงสร้างเหล่านี้ แบคทีเรียสีเขียวสีม่วงและเฮลิโอแบคทีเรียก็มีโครงสร้างคล้ายกัน
แบคทีเรียกำมะถัน (แบคทีเรียกำมะถัน)
แบคทีเรียกำมะถันสีม่วง (PSB) เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่ม Proteobacteria ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ ซึ่งเรียกรวมกันว่าแบคทีเรียสีม่วง พวกมันเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือแบบไมโครแอโรฟิล และมักพบในสภาพแวดล้อมทางน้ำแบบแบ่งชั้น ซึ่งรวมถึงน้ำพุร้อน แอ่งน้ำนิ่ง และการรวมตัวของจุลินทรีย์ในพื้นที่ที่มีน้ำสูง แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงต่างจากพืช สาหร่าย และไซยาโนแบคทีเรีย ไม่ใช้น้ำเป็นตัวรีดิวซ์ ดังนั้นจึงไม่ผลิตออกซิเจน แต่พวกมันอาจใช้กำมะถันในรูปของซัลไฟด์หรือไธโอซัลเฟต (และบางชนิดอาจใช้ H2, Fe2+ หรือ NO2-) เป็นผู้ให้อิเล็กตรอนในวิถีการสังเคราะห์แสง กำมะถันถูกออกซิไดซ์เพื่อผลิตเม็ดกำมะถันของธาตุ ในที่สุดก็สามารถออกซิไดซ์ให้กลายเป็นกรดซัลฟิวริกได้
การจำแนก
กลุ่มแบคทีเรียสีม่วงแบ่งออกเป็นสองตระกูล: Chromatiaceae และ Ectothiorhodospiraceae ซึ่งผลิตเม็ดกำมะถันภายในและภายนอกตามลำดับและแสดงความแตกต่างในโครงสร้างของเยื่อหุ้มภายใน พวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของลำดับ Chromatiales รวมอยู่ใน Proteobacteria หมวดแกมมา สกุล Halothiobacillus ยังรวมอยู่ใน Chromatiales ในตระกูลของมันด้วย แต่มันไม่ได้สังเคราะห์ด้วยแสง
ที่อยู่อาศัย
แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงมักพบในบริเวณที่เป็นพิษในทะเลสาบและแหล่งที่อยู่อาศัยในน้ำอื่นๆ ที่สะสมไฮโดรเจนซัลไฟด์และใน "น้ำพุกำมะถัน" ซึ่งไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่ผลิตได้ทางธรณีเคมีหรือทางชีววิทยาสามารถทำให้แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงบานได้ การสังเคราะห์ด้วยแสงต้องมีสภาวะที่เป็นพิษ แบคทีเรียเหล่านี้ไม่สามารถเจริญเติบโตได้ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจน
ทะเลสาบเมโรมิกติก (แบ่งชั้นถาวร) เป็นที่นิยมมากที่สุดสำหรับการพัฒนาแบคทีเรียกำมะถันสีม่วง พวกมันแบ่งชั้นเพราะมีน้ำหนาแน่น (โดยปกติคือทางสรีรวิทยา) ที่ด้านล่างและมีความหนาแน่นน้อยกว่า (โดยปกติคือน้ำจืด) ใกล้กับพื้นผิว การเจริญเติบโตของแบคทีเรียกำมะถันสีม่วงยังได้รับการสนับสนุนโดยการแบ่งชั้นในทะเลสาบโฮโลมิกติก พวกมันถูกแบ่งชั้นด้วยความร้อน: ในช่วงฤดูใบไม้ผลิและฤดูร้อน น้ำผิวดินจะร้อนขึ้น ทำให้น้ำด้านบนมีความหนาแน่นน้อยกว่าด้านล่าง ซึ่งให้การแบ่งชั้นที่ค่อนข้างคงที่สำหรับการเจริญเติบโตของแบคทีเรียกำมะถันสีม่วง หากมีซัลเฟตเพียงพอเพื่อรองรับการเกิดซัลเฟต ซัลไฟด์ที่ก่อตัวในตะกอนจะกระจายตัวขึ้นไปในน่านน้ำด้านล่างที่เป็นพิษ ซึ่งแบคทีเรียกำมะถันสีม่วงสามารถก่อตัวเป็นเซลล์หนาแน่นได้
คลัสเตอร์
แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงยังสามารถพบได้และเป็นส่วนประกอบที่โดดเด่นในการรวมตัวของจุลินทรีย์ระดับกลาง กลุ่มเช่นพรมจุลินทรีย์ Sippewisset มีสภาพแวดล้อมแบบไดนามิกเนื่องจากการไหลของกระแสน้ำและน้ำจืดที่เข้ามา ส่งผลให้เกิดสภาพแวดล้อมที่แบ่งชั้นในทำนองเดียวกันเป็นทะเลสาบ Meromictic การเจริญเติบโตของแบคทีเรียกำมะถันสีม่วงถูกกระตุ้นเมื่อมีการจ่ายกำมะถันเนื่องจากการตายและการสลายตัวของจุลินทรีย์ที่อยู่เหนือพวกมัน การแบ่งชั้นและแหล่งที่มาของกำมะถันช่วยให้ PSB เติบโตในแอ่งน้ำขึ้นน้ำลงซึ่งมีการรวมตัวเกิดขึ้น PSB สามารถช่วยรักษาเสถียรภาพของตะกอนจุลินทรีย์ผ่านการหลั่งสารโพลีเมอร์นอกเซลล์ที่สามารถจับตะกอนในแหล่งต้นน้ำได้
นิเวศวิทยา
แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงสามารถมีอิทธิพลต่อสิ่งแวดล้อมโดยส่งเสริมการหมุนเวียนสารอาหาร โดยใช้การเผาผลาญของพวกมันเพื่อเปลี่ยนสิ่งแวดล้อม พวกเขาอาจมีบทบาทสำคัญในการผลิตขั้นต้นโดยมีอิทธิพลต่อวัฏจักรคาร์บอนผ่านการตรึงคาร์บอน แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงยังมีส่วนช่วยในการผลิตฟอสฟอรัสในที่อยู่อาศัย โดยผ่านกิจกรรมที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ ฟอสฟอรัสซึ่งจำกัดสารอาหารในชั้นที่เป็นพิษของทะเลสาบ จะถูกนำกลับมาใช้ใหม่และให้แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกเพื่อการใช้งาน สิ่งนี้บ่งชี้ว่าถึงแม้แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงจะพบได้ในชั้นอะโนซิกของที่อยู่อาศัย แต่ก็สามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกันโดยการให้สารอาหารอนินทรีย์ไปยังชั้นออกไซด์ดังกล่าว
