光合細菌在環境修復中的研究進展

陳 莎，劉 勇

（1.中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省植物保護研究所，湖南 長沙 410125）

光合細菌（photosynthetic bacteria，PSB）是一類能進行光合作用而又不會產生氧的特殊生理類群的原核生物總稱，分布廣泛。光合細菌為革蘭氏陰性細菌，不能形成芽孢，形態多樣，直徑大小一般為0.5～5.0 μm。現已知的光合細菌分為著色菌科、外硫紅螺菌科、紫色非硫細菌、綠硫細菌、多細胞綠絲菌、螺旋桿菌科、含細菌葉綠素的專性好氧菌等7大群共50個屬[1]，而且不斷有新品種被發現。

在不同的環境下，光合細菌具有放氫、固碳、固氮、硫化物氧化等多種功能，在自然界的碳、氮、硫循環中起著十分重要的作用。光合細菌獨特的生理功能及豐富的代謝多樣性，使得其在環境修復方面具有很大的潛力，對環境污染的治理和調控有著重要意義。

1 在治理土壤重金屬污染方面的應用

目前對重金屬廢水處理，利用傳統方法（化學沉淀法，電化學處理法）效果不理想，并且會產生有毒污泥，造成二次污染；而利用膜分離法、活性炭吸附法、離子交換法，則會產生高昂的費用。生物吸附法因其可以選擇性去除重金屬離子，具有節能高效，易操作，易分離回收等特點，受到普遍關注和應用[2]。對受重金屬污染的土壤，已有研究表明光合細菌可以降低土壤中的重金屬毒性，吸附積累重金屬，改善環境。Youzhi Feng等[3]研究發現光合細菌Rhodobacter capsulatu吸附Au3+在最適pH值為1.0時，去除率達到了90%以上；白紅娟等[4]研究發現pH值為7.0時，沼澤紅假單胞菌對Pb2+的去除率為93.0%。

2 在有機廢水處理方面的應用

光合細菌處理有機廢水有諸多優勢：①可直接處理生化需氧量高達10 000 mg/kg以上的高濃度有機廢水，其所得到的副產品，即菌體污泥，富含蛋白質，可作為魚蝦餌料，不造成二次污染。②占地面積少，費用低。③易管理，不存在污泥處理問題。可利用光合細菌有效處理的有機廢水包括羊毛洗滌加工、染料加工、淀粉加工、啤酒廠、豆腐加工、生活污水、油脂加工等各類廢水。

最早利用光合細菌處理廢水的國家是日本，到1995年日本已有至少10家利用光合細菌處理廢水的工廠。韓國1981年建成了生化需氧量高達2×104～3×104mg/L、日處理 600 t的大型酒精廢水處理廠，并投入市場運行。美國、澳大利亞等國家也相繼開展了該方面的研究。國內科學工作者近年來也對此做了大量工作，并取得了一定的成績。據毛雪慧等[5]報道，將光合細菌固定化能夠顯著提高油脂降解的效率，去油率達到74.95%。劉新建等[6]將沼澤紅假單胞菌與處理化的餐飲廢水共培養，認為在28.5℃，pH 值 6.8～7.2，光照強度 5 000 1x時，餐飲廢水中有機物去除率達到36.4%～46.8%。

3 在降解有機磷農藥方面的應用

有機磷農藥（Organophosphorus pesticides，OPs）一般分為硫代磷酰胺類、硫代膦酸酯類、硫代磷酸酯類、磷酸酯類等四類。有機磷農藥對于防治農業生產中的病蟲害具有方便、高效等優點，被廣泛生產和使用。有機磷農藥殘留問題直接威脅到人類的生存和可持續發展[7]，因此解決環境中存在的農藥殘留問題仍是世界各國的研究熱點。近年來，利用光合細菌降解有機磷農藥殘留的研究取得了一定的成果。

3.1 有機磷農藥高效降解菌株的獲得

獲得可降解農藥的微生物的途徑多種多樣，主要是從農藥廠的污水、處理曝汽池的污泥、受污染的土壤中等受農藥污染的環境介質中富集、馴化、篩選分離，從而得到高效降解菌，這是比較普遍的方法。目前使用最多的一種方法是從受有機磷農藥嚴重污染的環境中篩選分離得到高效降解菌，而后在此基礎上進行誘變育種和構建工程菌。

3.2 降解有機磷農藥的光合細菌及其降解特性

關于光合細菌對有機磷農藥的降解，國內外已經進行了很多研究[8－12]。越來越多能高效降解有機磷農藥的光合細菌被分離出來，劉勇等[8－11]在利用光合細菌降解有機磷農藥殘留方面做出了巨大貢獻。一種有機磷農藥往往會同時有多種光合細菌降解菌，同一光合細菌降解菌也會對多種有機磷農藥具降解效應。張德詠等[8]分離到的一株能降解有機磷農藥甲胺磷的光合細菌HP-1，在外加碳源時還能同時降解樂果、毒死蜱、三唑磷和辛硫磷。廣譜降解菌是當前農藥降解的研究熱點。大部分光合細菌對有機磷農藥降解的最佳條件是：30～35℃、pH值6～7、光照培養[8,12]。

3.3 光合細菌降解有機磷農藥的機理

有機磷農藥降解可以通過各種途徑進行，包括化學降解、物理降解和微生物降解。與化學降解和物理降解相比，微生物降解具有反應速度快、反應條件溫和、反應專一性強和不產生二次污染等特點。光合細菌對有機磷農藥的降解屬于微生物降解，其作用方式大致可以分為兩大類：一類是光合細菌直接作用于有機磷農藥，通過一系列的酶促反應降解有機磷農藥，主要有合成、脫氫、氧化、還原等反應類型，這也是微生物降解有機磷農藥比較普遍的作用方式。另一類是通過光合細菌的活動改變物理和化學的環境而間接的作用于有機磷農藥。微生物間接作用于有機磷農藥一般是通過礦化作用、生物濃縮作用或累積作用、共代謝作用或其他的間接作用[13]。目前光合細菌對有機磷農藥的間接降解研究得比較多的是共代謝作用。共代謝作用是指微生物在有其可利用的碳源存在時，對原來不能利用的物質也可分解代謝的現象。

3.4 降解有機磷農藥的光合細菌降解酶和降解基因的研究

微生物對有機磷農藥的直接降解主要通過其分泌酶來完成。常見的降解酶類主要有氧化還原酶類（多酚氧化酶、過氧化物酶）及水解酶類（包括硫基酰胺酶、裂解酶、磷酸酶、酯酶、對硫磷水解酶等）。目前對光合細菌有機磷農藥降解酶的研究大多停留在比較基礎的階段，但也成功克隆出部分降解酶。尹樂斌等[11]成功分離純化到光合細菌降解吡嘧磺隆的降解酶——乙酰乳酸合成酶（Acetolactate Synthase，ALS），并成功克隆到ALS基因，這為進一步深入探討光合細菌對有機磷農藥降解的機理做出了重要貢獻。

4 在凈化養殖水體環境方面的應用

水產養殖以塘養和池養為主，其水體更換頻率低、流動性差，因此大量水產動物的排泄物及殘留餌料集于池底，常年累計產生大量有毒、有害物質，使得養殖水水質惡化，水產動物生長受到影響，嚴重時會發生病變或死亡[14]。由于光合細菌具有改良水質的作用，且無毒副作用，因此在水產養殖中得到廣泛應用。

光合細菌可以利用水中的 NO3-、NH4+、H2S、酸類等物質，通過氧化、硫化、氮化、反硝化、固氮等反應，把動物的排泄物、殘餌、殘骸等有機物迅速分解為硝酸鹽，磷酸鹽等，降低水體中的化學需氧量和生物需氧量，從而有效減少水中有害物質的含量，增加水體溶氧量，起到凈化水體、改善水質的作用。施安輝等[15]使用沼澤紅假單胞菌、綠色紅假單胞菌、膠質紅假單胞菌、球形紅假單胞菌分別對污水進行處理，發現水體中的化學需氧量、氨氮和亞硝酸鹽都有不同程度的下降。Hargreaves[16]利用光合細菌的氧化、硝化和反硝化作用，有效地消除水體中的氨氮和有機物含量，并增加水體的溶氧量，顯著減少水產養殖中的水體污染。有研究表明，光合細菌對核燃料加工、化工等行業中產生的嚴重污染環境的有毒物質也有很好的降解作用[17]。

5 面臨的問題與前景展望

光合細菌作為一種非常古老的光能自養菌，在人們的生活生產方面都具有重要作用，且逐漸被人們所熟知并廣泛應用。隨著現代工業的大力發展與人類生活水平的提高，各種生活垃圾、工業廢料對人們的生活環境也產生越來越大的影響。池塘、河流、湖泊、地下水等受污染程度增加，隨之而來的便是對水產養殖業的巨大危害。因此，在減少污染物排放的同時，充分利用光合細菌對廢水的處理作用也顯得意義更加重大。此外，菌種的分離以及培養條件的優化成為了限制光合細菌利用的關鍵點，如何大規模的培養光合細菌是光合細菌利用的一個制約因素。近些年來，隨著分子生物學的應用與發展以及人們對光合細菌基因組的進一步研究，利用菌株的相容性，將降解不同污染物的高效專一的質粒組合到一個菌株，組建成一個多質粒的可同時降解多種不同污染物或能夠同時完成某一污染物降解過程的多個環節的新菌株，將是目前研究光合細菌對環境修復的主要發展方向。相信通過科研人員的努力，在不久的將來光合細菌將在更廣泛的領域為人們所開發及深度利用。

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