[科普中国]-自养生物

名词解释

自养生物（autotroph）作为生态学用词也称独立营养生物，它的对应词为异养生物。其原义是指仅以无机化合物为营养进行生活、繁殖的生物，在这种古典概念中，并没有把获得能量的基质氧化和为了碳素同化而进行营养物质的还原这两大代谢系统加以区别。而今天这个概念已分为根据作为能源而被氧化的营养物质及其氧化形式来分类（化学合成生物、光合作用生物、无机氧化生物、有机氧化生物2），以及根据对碳源的营养素材的摄取方式及其在还原同化作用中所必需的有机代谢物质的合成方式来进行分类。而且只限定于后者的意义而被广泛的应用。

自养生物靠无机营养生活和繁殖的生物，是有机营养生物的对应词。由呼吸等的化学暗反应，或由光化学反应所获得的能量用于碳素同化的生物，分别称为化能自养生物（chemoautotroph）和光能自养生物（photoautotroph）。

自养生物种类能够从无机物合成有机物过程中，获得本身生命活动所需养料和能量的生物。绿色植物如藻类、苔藓、蕨类和种子植物，依靠本身特有的叶绿体，利用太阳光能，将CO2和水合成有机物质供养自己。某些化能合成细菌，如硝化细菌、硫细菌、铁细菌等，它们能氧化无机物，并借助于氧化所放出的能量，制造本身所需的营养物质。3

微生物自养性微生物其具有代表性的例子是红色无硫细菌、红色硫细菌、绿色硫细菌、硝化细菌、硫细菌、氢细菌、铁细菌、一氧化碳细菌等（反硝化细菌除外）。在自养性微生物中，一如氢细菌那样，随着可利用的电子供体的代换（例如由氢生成醋酸），有时可以看到以碳酸同化代换有机营养物（醋酸等）的还原同化。关于碳素固定循环与能量获得系统的共同机理，以及自养生物对有机物的适应机能的调节机制，正在与光合生物进行比较，以便在生物化学上进行阐明。从微生物所能利用的氮源种类来看，存在着一个明显的界限：一部分微 生物是不需要氨基酸作氮源的，它们能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简 单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，因而可称为氨基酸自养型生物;反之， 凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物，就是氨基酸异养型生物。 所有的动物和大量的异养微生物属于氨基酸异养型生物，而所有的绿色植物 和不少微生物都是氨基酸自养型生物。对微生物氮源作这种分类具有重要 的实践意义。因为人类和大量直接、间接地为人类服务的动物都需要从外界 提供现成的氨基酸和蛋白质，而这些营养成分往往又是在它们的食物或饲 料、饵料中较缺少的。为了充实人和动物的氨基酸营养，除了继续向绿色植 物索取外，还应更多地利用氨基酸自养型微生物，让它们将人或动物原先无 法利用的廉价氮源，包括尿素、铵盐、硝酸盐或氮气等转化成菌体蛋白(SCP 或食用菌等)或含氮的代谢产物(谷氨酸等氨基酸)，以丰富人类的营养和扩 大食物资源，这对于21世纪的人类生存和发展来说，更有特殊重要的意义。4

氨基酸自养生物几乎所有植物都是自养生物。(除菟丝子。菟丝子是异养生物）

生活方式自养生物，也称为生产者。主要包括绿色植物和许多微生物，它们可以利用阳光、空气中的二氧化碳5、水以及土壤中的无机盐等，通过光合作用等生物过程制造有机物，为生态系统中各种生物的生活提供物质和能量。生产者的物质通过被消费者消耗，而被转移至消费者身上，同时一部份能量亦会一并转移。

自养生物一般没有消化功能，因此不能吞食其他的生物（例如动物、菌类等）。因此，自养生物使用的是其他方法以维持生命，如植物使用的光合作用。但是植物在光合作用时仍然需要水、可见光以及二氧化碳，这并不说明植物为自养生物群不成立，因为其三样条件是生命的基本条件。

应用能源小球藻Chlorella protothecoides(C.protothecoides)是潜在的、可用于工业生产生物柴油的高产油微藻.本研究通过体外诱变的手段,获得了一株完全不能进行光合自养生长的突变体Al64.利用尼罗红染色和叶绿素自发荧光分析和电子显微镜分析细胞的亚显微结构,结果显示该突变体中叶绿体严重退化,其中类囊体膜结构缺失,导致该突变体缺乏叶绿素,无法进行光合自养生长.在富糖富氮的培养条件下,该光合自养缺陷型突变体的细胞密度和油脂含量比野生型细胞分别高5.54%和6.76%,分析还发现,该突变体产油能力为0.158 g L?1 h?1,比野生型提高12.8%.本文通过缺失光合作用突变体的构建,在异养高氮条件下实现了生物量及细胞内油脂含量的同步提高,为进一步提高微藻生产生物柴油的产量提供了新的研究平台.6

厌氧氨氧化污水处理厌氧氨氧化(Anammox)反应是指在厌氧或者缺氧条件下,厌氧氨氧化微生物以NO2--N为电子受体,氧化NH4+-N为氮气的生物过程。该过程是一种新型自养生物脱氮反应,反应无需外加有机碳源,且污泥产生量小,相对于传统硝化/反硝化脱氮工艺具有显著优势,对处理含高氨氮废水特别是低有机碳源废水具有重大的潜在实际应用价值。近年来,厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺已经在各种类型废水处理中得到成功应用,取得了显著的经济和环境效益。综述了厌氧氨氧化反应中常用的亚硝化-厌氧氨氧化工艺(Sharon-Anammox工艺)和完全自养脱氮工艺(CANON工艺)的作用原理、环境调控因子与功能性微生物种群动态分布等最新研究进展,且阐述了两工艺在垃圾渗滤液、厌氧消化液和猪场养殖废水等低碳氮比废水的处理应用效能和最优化控制参数等,为厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺的工程化应用提供了技术支撑。最后,总结并介绍了国内外厌氧氨氧化工艺现场规模化应用实例和控制参数,同时,对厌氧氨氧化污水处理工艺实际应用的研究前景及亟待解决的问题进行了展望,认为现场应用中Anammox菌的快速富集培养、有机碳源对Anammox菌的抑制效应以及厌氧氨氧化工艺的广谱适用性等将是厌氧氨氧化工艺大规模应用的难点和热点问题。为厌氧氨氧化工艺实际应用控制和推广提供了理论基础,具有重要的理论和现实意义。7