光合细菌应用研究综述

王占诚+张明++黄雅楠+马杰

摘 要：光合细菌是一类特殊的微生物，可以利用光能进行生长代谢。该文系统地介绍了光合细菌的特性和分类，并综述了光合细菌在废水处理、生物制氢、生产单细胞蛋白、动物饲料等相关领域的研究和应用进展，为今后光合细菌得到更好地应用、发展提供参考。

关键字：光合细菌；废水处理；生物制氢；单细胞蛋白；饲料

中图分类号 S816 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）10-0036-03

光合细菌（Photosynthetic bacteria）是指可以在光照下进行光合作用的厌氧或兼氧生长的一类细菌。光合细菌在自然界的分布非常广泛，从土壤到江河湖海等各类型水体中均有分布，对自然界有非常重要的作用。早在19世纪，人们就知道光合细菌的存在，对其进行了长期的研究。目前，光合细菌已经被广泛运用到废水处理、资源化生产、预防鱼蝦类、家畜类疾病等各个领域。

1 光合细菌简介

光合细菌属革兰氏阴性菌，形状各异，颜色一般为红色、粉色、橙色、绿色等，主要通过二分裂、出芽等形式进行繁殖。光合细菌既可以作为原始的生产者固定太阳能，吸收CO2，也可以作为分解者通过太阳能分解其他物质。

光合细菌分为有产氧的光合细菌和不产氧的光合细菌，其中前者主要主要指蓝细菌目（Cyanobacteria）中的各种细菌。不产氧的光合细菌（Anoxygenic phototrophic bacteria）的种类非常多，主要包括以下4类：绿硫细菌（Green sulfur bacteria）、绿色非硫细菌（Green non-sulfur bacteria）、紫细菌（Purple bacteria）[1]。

2 光合细菌的研究现状

日本科学家M.Kobayashi于1960年发现光合细菌可以净化水质，由此引起了人们的广泛关注[2]。1987年，在上海召开的“第一届中日光合细菌国际学术会议”有力地推进了光合细菌的研究进程[3]。当前，光合细菌的研究大致分为以下4个方面：

2.1 光合细菌处理有机废水的研究 光合细菌在厌氧、光照环境时，能够发生光合磷酸化及相关反应，分解有机物营光能异养生长；如果是好氧环境，它又能利用有机物进行三羧酸循环。这种根据环境转变代谢类型、适应力极强的特点，使光合细菌成为处理有机废水的优良生物材料。光合细菌处理有机废水有节约土地和经费、可资源化、二次污染少等特点。20世纪70年代，小林正泰便尝试在有机废水的处理过程中添加光合细菌以提高处理效效率，并取得了不错的结果[4]。有研究指出，红假单胞菌（Rhodopseudomonas）具有耐毒性，它的细胞蛋白能吸收浓度较高的有机废水中难降解的有机大分子毒物，进而达到消除毒害的目的[5]。卢玉凤发现，通过提前驯化球形红假单胞菌并加入一定量的苹果酸，可以有效处理制糖业、乳制品、大豆加工、柠檬酸废水等[6]。董姗研究了添加球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）到啤酒废水中进行处理时，在F/M=5.0、且不另加P、N源、保持在光照和厌氧环境中静置，并同另一种菌，荚膜红细菌（Rhodopseudomona scapsulata）以1∶1的比例混合在一起的条件下去除COD的比率、菌体产量与沉降的效率均达到了最优值，依次为92.5%、1413mg/L、65%[7]。已有研究还展示了通过PSB方法来处理水产养殖池废水、生活污水、剩余污泥和海岸污染泥等。

2.2 光合细菌制氢的研究 氢能源作为二次能源具备许多优势，例如节能环保和可再生等。利用光合细菌产氢，能极高效地利用相应能量，并且能够同消除有机物和废水资源化结合起来，具有很大的发展潜力。Pandey通过研究揭示了[8]球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）在C/N=13时，制氢量能达到2000cm3/（m3·h），制氢最大速度为11.8cm3/（m3·h）。Hashesh研究发现连续流培养下的荚膜红假单胞菌（Rhodopseudomona scapsulata）在48h的水利停留时间下，每1mol葡萄糖可产生2.5mol氢气[9]。光合细菌产氢的原理为：光合细菌通过消耗ATP，在酶的参与下进行固氮作用，将NADPH中的氢还原，利用黄素蛋白（FAD/FMN，多肽与辅酶基结合形成的酶）、铁氧化还原蛋白（FD，一种氢酶）将电子传送到固氮酶中的铁蛋白（SF），进而传送到钼铁蛋白（MoFd），接着钼铁蛋白会将将氢和氮还原成氢气和氨，期间不产生氧气。李季伦提出N2在伴随固氮酶的催化、还原反应产生NH3过程中，其双位点会释放氢气[10]。当前对光合细菌的关注大多为如何筛选高效菌种。Masukawa等研究得出最优产氢条件下Anabaena吸氢酶缺失（hoxL-）变异株的产氢效率达到野生菌株的4～7倍[11]。Vignais研究了改造后的Rs.Capsulatus中Aut基因变异体，发现其制氢量比最初菌种相对增加81.94%[12]。刘颖将沼泽红假单胞菌和丁酸梭菌混合培养，在光-暗两步法下产氢，研究表明，在接种比例为5∶3、光强7500lx下，制氢性能最佳，此时的制氢量可以达到每1L菌液产2460mL氢气，其中每1mol葡萄糖可制4.9mol氢气[13]。

2.3 光合细菌生产高性价比有机物的研究 光合细菌能产生很多有价值的有机物，比如单细胞蛋白（又称微生物蛋白）、类胡萝卜素、维生素B、氨基酸等。微生物蛋白是一种细胞质团，因为含有大量的蛋白质、核酸、碳水化合物和脂肪等，富含维生素、泛醌、抗病毒的相关物质等，价值极高。王剑秋利用淀粉废水培养光合细菌[14]，结果表明，2d之内，在温度和光照不变，以及微好氧的环境中，进水COD为5g/L，每1kgCOD产出SCP（菌体蛋白）0.2～0.4kg，占菌体干重比例的30%～50%。类胡萝卜素不仅可作为天然色素，还可以提高视力，预防眼部疾病，抵抗衰老等。光合细菌由于光合作用的需要富含大量类胡萝卜素，种类丰富而且容易获取，是优质类胡萝卜素来源。李福枝等系统地研究了菌体收集、预处理、萃取，皂化、回收溶剂等得到类胡萝卜素的最佳提取工艺，并且可以与细胞叶绿素分离[15]。

2.4 光合细菌在动物饲养领域的研究 随着科技的发展，养殖业不断壮大，养殖密度和养殖产量也不断加大，饲料和动物粪便增多，导致养殖环境恶化，诱发疾病，同时也加大了养殖废水的污染程度。光合细菌由于其独特的生理特性，可以有效解决上述问题，受到了广泛关注。光合细菌在养殖中的运用主要有：（1）净化养殖环境。王艳锦发现光合细菌可以分解畜禽粪便，并且产生氢气，既环保又经济，应用前景非常乐观[16]。付保荣将光合细菌加入饲养鲤鱼的池塘中，发现它能明显地减小池里的游离态的氨及有机物浓度，同时提高溶解氧的浓度，稳定pH值[17]。（2）预防疾病。光合细菌可以抑制水中病原菌的生长，产生促免疫物质，有效预防疾病的爆发。杨绍斌发现将培养光合细菌的营养液加入鱼缸中能有效提高观赏鱼类水霉病和烂尾病的治愈率[18]，刘慧玲在罗非鱼养殖水体中加入光合细菌后，水中氨氮和亚硝氮含量显著下降，罗非鱼的抗病力也增强，表现为鱼体内各种酶的活性及抗菌能力均比对照组要高，其鱼苗存活率明显增加6.67%[19]。（3）作为饲料的添加剂。权小芳研究发现光合细菌有利于提高被养殖动物的体重和产量，对动物的各种疾病（特别是胃肠道疾病）也有很好的预防效果[20]。刘磊等发现将光合细菌添加剂放入猪饲料中，能增强其肠道内的定植能力，从而提高了养殖效率[21]。

3 展望

综上所述，光合细菌在废水处理、生物制氢、生产单细胞蛋白、动物饲料的各领域已经得到了广泛的关注和利用。但仍有一些不足之处，如：菌液易随废水流失，不适合处理大分子废水，生物产氢还没有得到大规模运用等。由于光合细菌具有独特的生理生化特性，虽然光合细菌的研究还存在一些不足，但仍将是环保、能源、养殖业等领域的研究重点，并随着科技的进步而不断发展。

参考文献

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[20]权小芳，马晓丰，田维熙.光合细菌对动物的营养作用及对动物疾病的防治作用[J].中国动物保健，2011（02）：27-30.

[21]刘磊，金梅，许波，等.全价饲料中添加有益光合细菌在仔猪生产中的应用[J].中國农学通报，2011，27（20）：45-50.

（责编：张宏民）