光合細菌應用研究綜述

王占誠+張明++黃雅楠+馬杰

摘 要：光合細菌是一類特殊的微生物，可以利用光能進行生長代謝。該文系統地介紹了光合細菌的特性和分類，并綜述了光合細菌在廢水處理、生物制氫、生產單細胞蛋白、動物飼料等相關領域的研究和應用進展，為今后光合細菌得到更好地應用、發展提供參考。

關鍵字：光合細菌；廢水處理；生物制氫；單細胞蛋白；飼料

中圖分類號 S816 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）10-0036-03

光合細菌（Photosynthetic bacteria）是指可以在光照下進行光合作用的厭氧或兼氧生長的一類細菌。光合細菌在自然界的分布非常廣泛，從土壤到江河湖海等各類型水體中均有分布，對自然界有非常重要的作用。早在19世紀，人們就知道光合細菌的存在，對其進行了長期的研究。目前，光合細菌已經被廣泛運用到廢水處理、資源化生產、預防魚蝦類、家畜類疾病等各個領域。

1 光合細菌簡介

光合細菌屬革蘭氏陰性菌，形狀各異，顏色一般為紅色、粉色、橙色、綠色等，主要通過二分裂、出芽等形式進行繁殖。光合細菌既可以作為原始的生產者固定太陽能，吸收CO2，也可以作為分解者通過太陽能分解其他物質。

光合細菌分為有產氧的光合細菌和不產氧的光合細菌，其中前者主要主要指藍細菌目（Cyanobacteria）中的各種細菌。不產氧的光合細菌（Anoxygenic phototrophic bacteria）的種類非常多，主要包括以下4類：綠硫細菌（Green sulfur bacteria）、綠色非硫細菌（Green non-sulfur bacteria）、紫細菌（Purple bacteria）[1]。

2 光合細菌的研究現狀

日本科學家M.Kobayashi于1960年發現光合細菌可以凈化水質，由此引起了人們的廣泛關注[2]。1987年，在上海召開的“第一屆中日光合細菌國際學術會議”有力地推進了光合細菌的研究進程[3]。當前，光合細菌的研究大致分為以下4個方面：

2.1 光合細菌處理有機廢水的研究 光合細菌在厭氧、光照環境時，能夠發生光合磷酸化及相關反應，分解有機物營光能異養生長；如果是好氧環境，它又能利用有機物進行三羧酸循環。這種根據環境轉變代謝類型、適應力極強的特點，使光合細菌成為處理有機廢水的優良生物材料。光合細菌處理有機廢水有節約土地和經費、可資源化、二次污染少等特點。20世紀70年代，小林正泰便嘗試在有機廢水的處理過程中添加光合細菌以提高處理效效率，并取得了不錯的結果[4]。有研究指出，紅假單胞菌（Rhodopseudomonas）具有耐毒性，它的細胞蛋白能吸收濃度較高的有機廢水中難降解的有機大分子毒物，進而達到消除毒害的目的[5]。盧玉鳳發現，通過提前馴化球形紅假單胞菌并加入一定量的蘋果酸，可以有效處理制糖業、乳制品、大豆加工、檸檬酸廢水等[6]。董姍研究了添加球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）到啤酒廢水中進行處理時，在F/M=5.0、且不另加P、N源、保持在光照和厭氧環境中靜置，并同另一種菌，莢膜紅細菌（Rhodopseudomona scapsulata）以1∶1的比例混合在一起的條件下去除COD的比率、菌體產量與沉降的效率均達到了最優值，依次為92.5%、1413mg/L、65%[7]。已有研究還展示了通過PSB方法來處理水產養殖池廢水、生活污水、剩余污泥和海岸污染泥等。

2.2 光合細菌制氫的研究 氫能源作為二次能源具備許多優勢，例如節能環保和可再生等。利用光合細菌產氫，能極高效地利用相應能量，并且能夠同消除有機物和廢水資源化結合起來，具有很大的發展潛力。Pandey通過研究揭示了[8]球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）在C/N=13時，制氫量能達到2000cm3/（m3·h），制氫最大速度為11.8cm3/（m3·h）。Hashesh研究發現連續流培養下的莢膜紅假單胞菌（Rhodopseudomona scapsulata）在48h的水利停留時間下，每1mol葡萄糖可產生2.5mol氫氣[9]。光合細菌產氫的原理為：光合細菌通過消耗ATP，在酶的參與下進行固氮作用，將NADPH中的氫還原，利用黃素蛋白（FAD/FMN，多肽與輔酶基結合形成的酶）、鐵氧化還原蛋白（FD，一種氫酶）將電子傳送到固氮酶中的鐵蛋白（SF），進而傳送到鉬鐵蛋白（MoFd），接著鉬鐵蛋白會將將氫和氮還原成氫氣和氨，期間不產生氧氣。李季倫提出N2在伴隨固氮酶的催化、還原反應產生NH3過程中，其雙位點會釋放氫氣[10]。當前對光合細菌的關注大多為如何篩選高效菌種。Masukawa等研究得出最優產氫條件下Anabaena吸氫酶缺失（hoxL-）變異株的產氫效率達到野生菌株的4～7倍[11]。Vignais研究了改造后的Rs.Capsulatus中Aut基因變異體，發現其制氫量比最初菌種相對增加81.94%[12]。劉穎將沼澤紅假單胞菌和丁酸梭菌混合培養，在光-暗兩步法下產氫，研究表明，在接種比例為5∶3、光強7500lx下，制氫性能最佳，此時的制氫量可以達到每1L菌液產2460mL氫氣，其中每1mol葡萄糖可制4.9mol氫氣[13]。

2.3 光合細菌生產高性價比有機物的研究 光合細菌能產生很多有價值的有機物，比如單細胞蛋白（又稱微生物蛋白）、類胡蘿卜素、維生素B、氨基酸等。微生物蛋白是一種細胞質團，因為含有大量的蛋白質、核酸、碳水化合物和脂肪等，富含維生素、泛醌、抗病毒的相關物質等，價值極高。王劍秋利用淀粉廢水培養光合細菌[14]，結果表明，2d之內，在溫度和光照不變，以及微好氧的環境中，進水COD為5g/L，每1kgCOD產出SCP（菌體蛋白）0.2～0.4kg，占菌體干重比例的30%～50%。類胡蘿卜素不僅可作為天然色素，還可以提高視力，預防眼部疾病，抵抗衰老等。光合細菌由于光合作用的需要富含大量類胡蘿卜素，種類豐富而且容易獲取，是優質類胡蘿卜素來源。李福枝等系統地研究了菌體收集、預處理、萃取，皂化、回收溶劑等得到類胡蘿卜素的最佳提取工藝，并且可以與細胞葉綠素分離[15]。

2.4 光合細菌在動物飼養領域的研究 隨著科技的發展，養殖業不斷壯大，養殖密度和養殖產量也不斷加大，飼料和動物糞便增多，導致養殖環境惡化，誘發疾病，同時也加大了養殖廢水的污染程度。光合細菌由于其獨特的生理特性，可以有效解決上述問題，受到了廣泛關注。光合細菌在養殖中的運用主要有：（1）凈化養殖環境。王艷錦發現光合細菌可以分解畜禽糞便，并且產生氫氣，既環保又經濟，應用前景非常樂觀[16]。付保榮將光合細菌加入飼養鯉魚的池塘中，發現它能明顯地減小池里的游離態的氨及有機物濃度，同時提高溶解氧的濃度，穩定pH值[17]。（2）預防疾病。光合細菌可以抑制水中病原菌的生長，產生促免疫物質，有效預防疾病的爆發。楊紹斌發現將培養光合細菌的營養液加入魚缸中能有效提高觀賞魚類水霉病和爛尾病的治愈率[18]，劉慧玲在羅非魚養殖水體中加入光合細菌后，水中氨氮和亞硝氮含量顯著下降，羅非魚的抗病力也增強，表現為魚體內各種酶的活性及抗菌能力均比對照組要高，其魚苗存活率明顯增加6.67%[19]。（3）作為飼料的添加劑。權小芳研究發現光合細菌有利于提高被養殖動物的體重和產量，對動物的各種疾病（特別是胃腸道疾病）也有很好的預防效果[20]。劉磊等發現將光合細菌添加劑放入豬飼料中，能增強其腸道內的定植能力，從而提高了養殖效率[21]。

3 展望

綜上所述，光合細菌在廢水處理、生物制氫、生產單細胞蛋白、動物飼料的各領域已經得到了廣泛的關注和利用。但仍有一些不足之處，如：菌液易隨廢水流失，不適合處理大分子廢水，生物產氫還沒有得到大規模運用等。由于光合細菌具有獨特的生理生化特性，雖然光合細菌的研究還存在一些不足，但仍將是環保、能源、養殖業等領域的研究重點，并隨著科技的進步而不斷發展。

參考文獻

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（責編：張宏民）