Photosynthetic bacteria

Photosynthetic Bacteria

(แบคทีเรียสังเคราะห์แสง)

1. บทนำ

        แบคทีเรียสังเคราะห์แสง (photosybthetic bacteria; PSB) พบกระจายทั่วไปในธรรมชาติ ตามแหล่งน้ำจืด น้ำเค็ม ทะเลสาบน้ำเค็ม น้ำทะเลสาบที่มีความเป็นด่าง น้ำที่มีความเป็นกรด น้ำพุร้อน น้ำทะเลบริเวณขั้วโลกเหนือ นอกจากนี้ยังพบตามแหล่งน้ำเสีย บ่อบำบัดน้ำเสีย (levett, 1990; Imhoff, 1992; Brock, 1994) บทบาทของแบคทีเรีย สังเคราะห์แสงมีความสำคัญในกระบวนการนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปใช้ (CO2 - assimilation) และการตรึงไนไตรเจน (nitrogen fixation) นอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญในห่วงโซ่อาหารซึ่งสัตว์ขนาดเล็ก ปลา กุ้ง หอย และปู สามารถนำแบคทีเรียสังเคราะห์แสงมาใช้เป็นอาหารได้ นอกจากนี้ในน้ำเสียจากบ้านเรือนและน้ำเสียจากการทำปศุสัตว์สามารถ บำบัดด้วยแบคทีเรียสังเคราะห์แสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ (Kobayashi, 2000)

2.

การจัดจำแนก ( Classification )

       โดยทั่วไปจะแบ่งแบคทีเรียสังเคราะห์แสงออกเป็น

2 กลุ่ม คือ แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วง (purplephotosynthetic bacteria) และ แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีเขียว (green photosynthetic bacteria) (Pfenning และ Truper,1989; Kobayashi, 2000)

2.1

แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วง (purple photosynthetic bacteria)

      แบคทีเรียสังเคราะห์แสงในวงศ์

Chromatiaceae ซึ่งเป็นแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วง พบว่าสามารถเจริญได้ดีในสภาพโฟโตออโตโทรฟ (photoautotroph) ซึ่งสามารถใช้สารประกอบซัลเฟอร์ ซัลไฟต์ และไทโอ

ซัลเฟตเป็นตัวรับอิเล็กตรอนเพื่อรีดิวซ์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นสารอาหารภายในเซลล์ได้

(Imhoff, 1992; VanNiel, 1944)
แสดงสมการดังนี้ และแบคทีเรียสังเคราะห์แสงในวงศ์ Chromatiaceae จะสะสมกำมะถันไว้ในเซลล์  

CO

2 +2H2S (CH2O)+H2O+2S

S+CO2+3H2O (CH2O)+H2SO4+H2

2CO

2 +Na2S2O3+3H2O 2(CH2O)+ Na2SO4 + H2SO4

       แบคทีเรียสังเคราะห์แสงในวงศ์

Rhodospirillaceae (ภาพที่ 2) เป็นแบคทีเรียในกลุ่มที่ไม่สามารถใช้ซัลไฟด์เป็นตัวให้อิเล็คตรอนเพื่อรีดิวซ์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นสารอาหารภายในเซลล์ได้ และมีการสันดาป (metabolism)ดีกว่าแบคทีเรียม่วงที่ใช้ซัลเฟอร์ เนื่องจากสามารถเจริญได้ทั้งแบบโฟโตเฮเทอโรโทรฟ และโฟโตออโตโทรฟ โดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นตัวให้อิเล็กตรอน ซึ่งส่วนใหญ่แบคทีเรียกลุ่มนี้จะทนต่อสภาพที่มีออกซิเจน จึงสามารถเจริญได้

ภายใต้สภาวะแบบเฮเทอโรโทรฟที่มีอากาศ-ไม่มีแสง มีแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ เอ และแคโรทีนอยด์ หลายชนิดในการสังเคราะห์แสง

2.2

แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีเขียว (green photosynthetic bacteria)

       แบคทีเรียกลุ่มนี้จะอยู่ในวงศ์

Chlorobiaceae ซึ่งเป็นแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีเขียว มีลักษณะเซลล์เป็นแบบเส้นสาย ไม่มีระบบอินตราไซโตพลาสมิกเมมเบรน (intracytoplasmic membrane system) มีโครงสร้างพิเศษ คือ คลอโรเบียม (chlorobium vesicle) หรือ คลอโรโซม (chlorosome) จะพบอยู่ภายในไซโตพลาสมิกหรือ ติดอยู่ที่ผิวของไซโตพลาสมิกเมมเบรน คลอโรโซม มีขนาดใหญ่ประกอบด้วย แบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ ซี ดี และ อี และ มีโครงสร้างในการจับพลังงานแสง (light-harvesting) ศูนย์กลางของปฏิกิริยาของแบคทีเรียกลุ่มนี้จะพบอยู่ในไซโตพลาสมิกเมมเบรนอยู่ติดกับคลอโรโซม (Imhoff, 1992) และจะไม่สะสมกำมะถันไว้ในเซลล์ เช่น แบคทีเรียสังเคราะห์แสงในวงศ์ Chlorobiaceae

3. แบคทีเรียสังเคราะห์แสงกลุ่มไม่สะสมกำมะถัน

       Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology

เล่ม 9 ได้จำแนกแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถันไว้ใน กลุ่มที่ 10 (anoxygenic phototrophic bacteria) กลุ่มย่อย (subgroup) ที่ 3 (purple non-sulfur bacteria) มี 6 สกุล ดังนี้ (Staley และคณะ,1994)

     1.Rhodospirillum

     2.

Rhodopila

     3.

Rhodobacter

     4.

Rhodopseudomonas

     5.

Rhodomicrobium

     6.

Rhodocyclus

       แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถัน พบได้ทั่วไปตามแหล่งนํ้าธรรมชาติในชั้นนํ้าที่มีแสงสว่างส่องถึงมีสารอินทรีย์ และพบการรวมตัวกันเป็นกลุ่มในแหล่งนํ้าที่ไม่มีออกซิเจนมีแสงเล็กน้อย ในแหล่งนํ้าจืดที่มีซัลไฟด์อยู่จะพบน้อยมาก แต่บางชนิดก็อาศัยอยู่ได้ในที่ที่มีปริมาณซัลไฟด์อยู่สูง

(Imhoff, 1992) นอกจากนี้ยังพบได้ในพื้นดิน สระนํ้า คลอง หรือแหล่งนํ้าที่สกปรก เช่น บ่อบำบัดนํ้าเสีย ซึ่งมีปริมาณสารอินทรีย์สูง จึงเป็นแหล่งที่แบคทีเรียสังเคราะห์ แสงกลุ่มดังกล่าวเจริญได้ดี โดยทั่วไปจะพบการเจริญอย่างรวดเร็วของแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถัน (Pfenning และ Truper, 1992; Olliver และคณะ, 1994) เช่น การเจริญอย่างรวดเร็วที่พบในประเทศญี่ปุ่น

       เนื่องจากแบคทีเรียกลุ่มนี้มีการสันดาปดีกว่าแบคทีเรียม่วงที่ใช้ซัลเฟอร์ ซึ่งสามารถเจริญได้ทั้งแบบโฟโตเฮเทอโรโทรฟ และโฟโตออโตโทรฟ โดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นตัวให้อิเล็กตรอน ซึ่งส่วนใหญ่แบคทีเรียกลุ่มนี้จะทนต่อสภาพที่มีออกซิเจน จึงสามารถเจริญได้ภายใต้สภาวะแบบเฮเทอโรโทรฟที่มีอากาศ

-ไม่มีแสง มีแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ เอ และแคโรทีนอยด์ หลายชนิดในการสังเคราะห์แสง ทำให้ปัจจุบันแบคทีเรียสังเคราะห์แสงโดยเฉพาะอย่าง

ยิ่งแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถันได้รับความสนใจในด้านการศึกษาและวิจัยอย่างกว้างขวาง มีการนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพกันอย่างแพร่หลาย

(Sasikala และคณะ, 1993; Sasikalaและ Ramana, 1995)

การนำแบคทีเรียสังเคราะห์แสงกลุ่มไม่สะสมกำมะถันไปใช้เพื่อการเกษตรและสิ่งแวดล้อม

1.

การใช้แหล่งอาหารเสริมของสัตว์

       เซลล์ของแบคทีเรียสังเคราะห์แสง อาทิเช่น แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสายพันธุ์

Rhodopseudomonas capsulateเป็นเซลล์ที่มีปริมาณโปรตีนสูงถึงร้อยละ 60-65 ซึ่งโปรตีนเหล่านี้ประกอบด้วยกรดอะมิโนที่จำเป็นครบถ้วน และยังมีวิตามินและแร่ธาตุ เช่น วิตามินบี 1 วิตามินบี 2 วิตามินบี 6 กรดฟอลิค วิตามินบี 12 วิตามินซี วิตามินดี และวิตามินอีเป็นต้น ดังแสดงในตารางที่ 3 นอกจากนี้ยังมีรงควัตถุ สารโคแฟคเตอร์เช่น ยูบิควิโนน (Ubiquinone) โคเอนไซม์คิว(Coenzyme-Q) ประกอบอยู่ด้วย จึงเหมาะที่จะใช้เป็นแหล่งอาหาร

2.

การใช้ในทางการแพทย์

       แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสามารถสังเคราะห์ยูบิควิโนน

(ubiquinone ; UQ10) ขึ้นภายในเซลล์ได้ โดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสงที่นิยมนำมาใช้ผลิต เช่น Rhodocyclus gelatinosus Rhodobacter capsulatus Rhodospirillumrubrum ฯลฯ ซึ่งยูบิควิโนนที่สกัดจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสงนำมาเป็นอาหารเสริมในผู้ป่วยโรคเกี่ยวกับหัวใจและหลอดเลือด นอกเหนือจากการนำ UQ10 มาเป็นอาหารเสริมแล้วยังมีผู้สนใจในฤทธิ์เป็นสารต้านออกซิเดชั่น (antioxidant) และ เป็นสารธรรมชาติที่ร่างกายมนุษย์สามารถสังเคราะห์ขึ้นได้เองของ UQ10 มาใช้ในทางเครื่องสำอางสำหรับลดการเกิดริ้วรอย ชะลอการเสื่อมของเซลล์ผิวหนังจากแสงแดด (photo aging)

3.

การใช้ในการบำบัดน้ำเสียและของเสีย

       เนื่องจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถัน สามารถย่อยสลายสารประกอบภายในสภาพที่ไม่มีออกซิเจนและมีออกซิเจนจึงสามารถนำไปบำบัดน้ำเสียและของเสียกลับมาใช้ได้อีก ฉะนั้นแหล่งนํ้าเสียสามารถใช้แบคทีเรียสังเคราะห์แสงกลุ่มนี้บำบัดได้จึงมีมากมาย โดยทั่วๆไปจะเป็นนํ้าเสียที่มีสารอินทรีย์ นํ้าเสียทางการเกษตร นํ้าเสียจากอุตสาหรรมอาหาร นํ้าเสียจากอาคารบ้านเรือน นํ้าเสียจากอุตสาหกรรมการใช้จุลินทรีย์ เช่น ผลิตเบียร์ ยาปฏิชีวนะ ฯลฯ นํ้าเสียจากอุตสาหกรรมทางเคมีและปิโตเลียม และอุตสาหกรรมของเสียในรูปก๊าซต่างๆ เป็นต้น

ซึ่งแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถันที่นิยมนำมาให้ในการบำบัดของเสียต่างๆจะอยู่ในสกุล

Rhodopseudumonas Rhodobacter Rhodospirillum และ Rhodocyclus โดยที่แบคทีเรียสังเคราะห์กลุ่มไม่สะสมกำมะถันดังกล่าว จะทำให้นํ้าเสีย มีคุณภาพดีขึ้นได้โดย

       1.

ช่วยลดค่า BOD, COD และ TOC (totalorganic carbon) สามารถลดได้ถึง 20-99 เปอร์เซ็นต์

       2.

ย่อยสลายสารประกอบที่เป็นพิษต่าง ๆ มากมาย

       3.

ย่อยสลายสารประกอบ อะโรมาติค (aromatic)

         4. เคลื่อนย้ายพวกคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO)

         5.  เกิดกระบวนการ denitrification และ deammonification ทำให้ช่วยลดแอมโมเนียและไนเตรทที่เป็นปัญหาในการบำบัดนํ้าเสียได้

4. 

การใช้ในการเกษตร

       การผลิตฮอร์โมนพืชแบคทีเรียสังเคราะห์แสงเช่น ไซโตไคนิน

(cytokinin) ผลิตจาก Rhodospirillum rubrum, ไคเนติน (kinetin) และ ซีเอติน (zeatin) ซึ่งผลิตโดย Rhodobacter sphaeroides นอกจากนี้ยังมี ออกซิน (auxin), กรดอินโดล-3- อะซิติก (indole-3-acetic acid ; IAA) และกรดอินโดล-3-บิวทีริก (indole-3-butyric acid ; IBA) ผลิตจาก Rhodobacter sphaeroides

       สารกำจัดวัชพืช และยาฆ่าแมลงชีวภาพเช่น

5-aminolevulinic acid (ALA) ซึ่งแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงกลุ่มไม่สะสมกำมะถันที่ผลิตสารนี้ เช่น Rhodobacter palustris (ได้ ALA 750 nmol) , Rhodobacter sphaeroides(ได้ ALA 2,000-4,000 nmol)

        การนำแบคทีเรียสังเคราะห์แสงไปใช้สำหรับการเพาะปลูกข้าว

Maki (2004) ได้รายงานว่า ดินในบริเวณรากข้าวในระยะข้าวตั้งท้องจะมีสภาวะแบบไม่มีออกซิเจนทำให้แบคทีเรียที่ในกลุ่มแอนแอโรบิกแบคทีเรียเจริญได้ดี สร้างก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ขึ้นมา ทำให้มีผลไปยับยั้งกระบวนการสร้างเมตาโบลิซึมของรากข้าวซึ่งเป็นพิษต่อราก แต่เมื่อนำแบคทีเรียสังเคราะห์แสงมาใส่ลงในดินในระยะเวลาดังกล่าว แบคทีเรียสังเคราะห์แสงจะเปลี่ยนไฮโดรเจนซัลไฟด์ให้อยู่

ในรูปสารประกอบซัลเฟอร์ที่ไม่เป็นพิษต่อราก จึงมีผลให้รากของต้นข้าวเจริญงอกงามมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัดและลักษณะของต้นข้าวก็มีความแข็งแรง

       ปุ๋ยอินทรีย์ชีวภาพที่ผลิตจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสงที่มีรงควัตถุ

(pigment) ประเภทแคโรทีนอยด์(carotenoid ) เป็นส่วนประกอบภายในเซลล์ เมื่อนำมาใช้จะช่วยเพิ่มปริมาณแคโรทีนในพืชเช่นต้นส้มจีน (tangerinetrees) ต้นพลัม (persimmon tree) ต้นมะเขือเทศ และ ต้นข้าวโพด ซึ่ง Kabayashi (2000) มีการศึกษาใช้เซลล์แบคทีเรียสังเคราะห์แสงผลิตปุ๋ยอินทรีย์ชีวภาพใส่ในต้นพลัม เมื่อศึกษาดูองค์ประกอบของผลและเปลือก พบว่าไม่เพียงแต่ผลผลิตจะเพิ่มขึ้นเท่านั้นยังทำให้ลูกพลัมมีความหวานและความมันวาวด้วยเมื่อเทียบกับที่ใช้เพียงปุ๋ยอนินทรีย์เพียงชนิดเดียว นอกจากนี้ยังพบว่าปริมาณไลโคปีน (lycopene) ในลูกพลัมจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากรงควัตถุที่อยู่ในเซลล์แบคทีเรียสังเคราะห์แสงจะถูกย่อยกลายเป็นโมเลกุลเล็กๆ ทำให้รากพืชสามารถดูดไปใช้สร้างรงควัตถุให้กับผลได้