淺談光合細菌的應(yīng)用

　　［摘要］光合細菌作為一種厭氧菌,本身含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和生理活性物質(zhì),具有進行光合作用、發(fā)酵以及固氮、產(chǎn)氫等功能，既有理論意義又具有實用價值，特別是它在廢水處理、生物產(chǎn)氫、生物制藥、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)牧業(yè)的生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，使其成為現(xiàn)代生物技術(shù)研究的熱點之一。

　　［關(guān)鍵詞］光合細菌廢水處理光合產(chǎn)氫水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用

　　光合細菌((photosynthetic bacteria, PSB)是一類以光為能源,以CO2或有機物為碳源，通過光合作用而進行營養(yǎng)繁殖的水圈微生物。廣泛存在于自然界中，在腐爛有機物質(zhì)濃度高的水域中更為常見。光合細菌是厭氧菌,本身含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和生理活性物質(zhì),具有進行光合作用、發(fā)酵以及固氮、產(chǎn)氫等功能。Van Nile于1931年提出了光合作用的共同反應(yīng)式，用生物化學統(tǒng)一性的觀點解釋了光合成現(xiàn)象，為現(xiàn)代光和細菌的研究奠定了基礎(chǔ)。

　　1光合細菌的特性

　　光合細菌都富含菌綠素和類胡蘿卜素,在光照下能利用硫化氫、硫代硫酸鹽、分子氫或其他還原劑,把二氧化碳還原成有機物,經(jīng)細菌型光合作用,將CO2還原成有機營養(yǎng)物,并能固定大氣中的氮。目前所知,所有的厭氧性光合細菌都能光合自養(yǎng)生長。同時這些細菌也能利用有機物進行異養(yǎng)生長。

　　PSB含有較高的優(yōu)良蛋白質(zhì)，維生素和生物素含量也比較豐富；菌體的脂類成份含有大量的葉綠素、類胡蘿卜素和輔酶Q。葉綠素和類胡蘿卜素對養(yǎng)殖生物的健康生長，增強對疾病的抵抗力有很大的益處。輔酶Q是與生命活動有重大關(guān)系的生理活性物質(zhì)，PSB中的含量特高，是酵母的13倍。

　　2光合細菌應(yīng)用現(xiàn)狀

　　光合細菌由于其生理類群的多樣性,碳、氮代謝途徑和光合作用機制的獨特性而受到人們的關(guān)注。多年來,光合細菌被作為研究光合作用以及生物固氮作用機理的重要材料。近一二十年中,對光合細菌的應(yīng)用研究也獲得了很大的進展。研究表明,光合細菌在環(huán)保、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)藥等方面均有較高的應(yīng)用價值。下面著重就光合細菌目前的開發(fā)應(yīng)用動態(tài)作一概述。

　　2.1利用光合細菌處理高濃度有機廢水

　　光合細菌在污水處理中的'應(yīng)用始于1960年代。當時,日本科學家小林正泰等人發(fā)現(xiàn)高濃度有機廢水在自然界的自凈過程是不同營養(yǎng)級的微生物群生態(tài)演替的結(jié)果,光合細菌在此過程中起著十分重要的作用［1］,并首先開展了用光合細菌法處理有機廢水的研究。近些年來發(fā)展起來的光合細菌處理法,則是一種以紅假單胞菌為主,管理簡單,降解率高的廢水處理系統(tǒng)。

　　PSB能以不同的有機酸和醇類等有機化合物作為光合作用的供氫體和碳源，并具有較強的分解和去除有機物的生理特性。與目前廣泛應(yīng)用的生物處理廢水系統(tǒng)如活性污泥法、生物膜法和厭氧法相比，PSB在自然光照和微量好氧條件下，可以直接對各種高濃度有機廢水進行高效率的處理,并且在處理前不需對廢水進行稀釋。具有節(jié)約電能、水源、設(shè)備及運轉(zhuǎn)費用等優(yōu)點，菌體污泥可綜合利用，作為魚和家畜的餌料，不造成二次污染。

　　2.2光合細菌在食品、醫(yī)藥保健中的應(yīng)用

　　一般而言食品著色劑廣泛使用焦油類的合成色素,由于這類色素有微毒性和致癌性,世界各國控制該種合成色素的使用,并迫切希望以天然色素取而代之。光合細菌的色素無毒,易提取,色彩鮮艷,有光澤,且具有防水性。除黃色外,特別是紅色素等則缺乏有用的色素資源。光合細菌富含類胡蘿卜素,是天然紅色素的重要來源,目前已經(jīng)廣泛用于油脂類、豆制品、蔬果類以及飲料等的著色。

　　光合細菌在醫(yī)學業(yè)中也具廣泛應(yīng)用前景。光合細菌內(nèi)富含類胡蘿卜素和B族維生素及活性物質(zhì)，具有許多生理活性：抗氧化作用、調(diào)脂作用、抗腫瘤作用、免疫活性；光合細菌沒有毒性,對生殖生長有促進作用。研究者對光合細菌制藥方面進行了不少的研究。劉繼彪等用PSB菌液發(fā)酵中藥,制成了口服液、冷凍干燥產(chǎn)品等中藥制劑,該制劑能夠糾正機體內(nèi)環(huán)境微量元素平衡紊亂,促使癌細胞向正常細胞轉(zhuǎn)化并最終全部恢復(fù)成正常細胞,對惡性腫瘤治療有較顯著的療效,并申請了國家專利［2］。

　　2.3光合細菌應(yīng)用于水產(chǎn)畜牧養(yǎng)殖

　　日本是最早將光合細菌應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的國家。由于光合細菌的菌體無毒,營養(yǎng)豐富，具有固碳、固氮的功能,且在自然界的硫循環(huán)中擔任重要角色,因此在農(nóng)業(yè)上,能夠改善植物根基土壤的營養(yǎng),提高土壤肥力,增強植物的抗病力。夏清等人研究指出光合細菌菌液可增強甜椒光合速率和過氧化氫酶活性,增加葉綠素含量,進而增產(chǎn)［3］。

　　在禽畜飼養(yǎng)上, 光合細菌富含輔酶Q10, 能夠促進動物的生長，可提高畜禽出肉率和產(chǎn)蛋率,以及強健體質(zhì)、提高抗病能力。薛志成等通過添加光合細菌使不同生理時期及患胃腸病奶牛癥狀消失，恢復(fù)產(chǎn)奶，經(jīng)濟效益明顯［4］。光合細菌還可以提升種子發(fā)芽率、成苗率；改良作物品質(zhì)、修復(fù)土壤；防治病蟲害等。

　　在水產(chǎn)養(yǎng)殖上，光合細菌可作為養(yǎng)魚飼料添加劑，作為養(yǎng)魚和小型甲殼動物的餌料，防治魚病、凈化養(yǎng)殖水質(zhì)。光合細菌作為養(yǎng)殖水質(zhì)凈化劑在國內(nèi)外已經(jīng)進入生產(chǎn)性應(yīng)用階段。付保榮等研究表明鯉魚養(yǎng)殖水中投放一定量的光合細菌，能明顯去除水中有機物和NH4+-N，增加DO的含量，穩(wěn)定pH值，同時使雜藻和有害菌含量減少［5］。若將光合細菌固定，則抑制水體富營養(yǎng)化效果更好。

　　2.4光合細菌應(yīng)用于新能源

　　早在1937年,Nakamura最早報道了PSB在黑暗中釋放氫氣的現(xiàn)象。1949年, Gest在“Science”上首次報道了光合細菌具有在光照厭氧條件下轉(zhuǎn)化有機物產(chǎn)生氫氣的特性。目前研究較多的是深紅螺菌,它可用有機廢料作原料進行光合產(chǎn)氫,又由于其細胞含有大約65%的蛋白質(zhì)和大量必需的氨基酸和維生素,所以在光合產(chǎn)氫的同時,還可以得到單細胞蛋白,也可結(jié)合有機廢水的處理,所以,可謂一舉三得,具有重要的經(jīng)濟價值。隨著能源危機的進一步持續(xù),美、德和日等國相繼制訂了氫能發(fā)展規(guī)劃。我國也把光合生物產(chǎn)氫研究納入國家“863”計劃和“973”計劃。隨著其研究及相關(guān)學科的迅速發(fā)展,光合生物產(chǎn)氫技術(shù)作為一種極具潛力的生物產(chǎn)氫技術(shù)必將走向應(yīng)用化［6］。

　　3光合細菌應(yīng)用的前景

　　人們從發(fā)現(xiàn)光合細菌到現(xiàn)在，只有100多年的歷史，而從人們開始研究到現(xiàn)在也不過70年，人們對它的認識還很少研究在逐漸深入,其應(yīng)用領(lǐng)域在逐漸拓寬。目前的研究表明,光合細菌的應(yīng)用效果顯著、確切,某些方面的應(yīng)用研究已具有一定的推廣價值。例如作為“微生物凈化劑”在廢水治理中的應(yīng)用，作為飼料添加劑在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用等。但對光合細菌的開發(fā)利用還存在很大的余地，對它的應(yīng)用技術(shù)和基礎(chǔ)理論仍需要進一步深入研究。目前的研究已顯示出光合細菌作為重要的微生物資源,有著廣闊的開發(fā)前景，具有不可替代的應(yīng)用市場,在人類活動中必將發(fā)揮越來越大的作用。