光合细菌的应用

清风明月

光合细菌的应用
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摘要：光合细菌能够利用进行光合作用，同时固氮产氢，在自然界的碳、氮、硫循环中起着重要作用近期研究表明，它在净化水质、鱼虾养殖、禽畜饲养、生物肥料、人类保健及新能源开发方面也有重要用途，成为世界微生物学界关注的热点。
关键词：光合细菌 产氢  固氮


      光合细菌，简称PSB(photosynthetic bacteria)是水圈微生物的一类，广泛分布在海洋、湖泊、江河、水田、污泥、土壤等各个角落，分布于水的厌气层中，进行不产氧的光合作用而合成自身营养物质。至今分离得到的已知PSB涉及到7个亚群、28个属、80多个品种。在不同的自然环境下，光合细菌具有多种不同的功能(固氮、产氢、固碳、氧化硫化物等)，在自然界的碳、氮、硫循环中起着重要作用。
       光合细菌个体极小，约为小球藻的5%左右，但营养成份却非常丰富。经分析，菌体含蛋白质63.8%、脂肪8 .2%、可溶糖类20.8%、粗纤维2.8%、灰分4.4%。各类维生素的含量也很丰富，如胡萝卜素含量约为0.56mg/g、B族维生素88 mg/g及全套氨基酸，因而被称为营养食品和饲料添加剂的新载体，应用范围十分广泛，大有开发价值。
       由于光合细菌具有上述独特的生理生态学特性，使它在净化水质、鱼虾养殖、禽畜饲养、生物肥料、人类保健及新能源开发方面的应用越来越被科学界看重，成为世界微生物学界关注的热点。
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9 g) r: J" m8 D/ |0 JPSB的生理特性
       光合细菌在有光照缺氧的环境中能进行光合作用，利用光能同化二氧化碳。与绿色植物不同的是，它们的光合作用是不产氧的。光合细菌细胞内只有一个光系统，即PSⅠ，光合作用的原始供氢体不是水，而是H2S（或一些有机物），这样它进行光合作用的结果是产生了H2 ，分解有机物，同时还能固定空气中的分子氮生成氨。光合细菌在自身的同化代谢过程中，又完成了产氢、固氮、分解有机物三个自然界物质循环中极为重要的化学过程。这些独特的生理特性使它们在生态系统中的地位显得极为重要。
       光合细菌的应用与开发
3 n: ?' X0 ]: ?, H# Q+ h       放氢与能源开发
      光合细菌光合机构的核心是色素蛋白复合体，它包括捕光色素蛋白复合体(LHⅠ和LHⅡ)以及反应中心蛋白复合体(RC)。LHⅠ和LHⅡ主要进行光能的吸收和传递，而RC是光能转化的最重要反应场所。LHⅡ吸收光子后通过LHⅠ传递给RC，RC利用光能进行电子传递和质子转位耦联，从而建立起的跨膜的质子梯度，驱动ATP的合成，使光能转变成化学能。电子传递固的最终受体是Fd，固氮酶在ATP提供能量条件下，接受Fd传递的电子，将H+还原为H2，完成固氮和放氢功能。
4 c3 {$ e# L8 Q  d* |       在自然界，很多生物过程不是由单一菌株所完成的，必须依靠2种或多种微生物共同完成。光合细菌可与多种生物组建形成良好微生态产氢体系，使其在转化可再生生物质资源(例如纤维素和有机废水)生产氢能方面具有显著优势。例如，利用Rb.capsulata野生型和吸氢酶缺陷变异株分别和纤维素降解菌ATCC21399共培养，进行纤维素产氢研究，结果野生型产氢量只有12 — 43mol/mol葡萄糖，而变异株产氢量达46 — 62mol/mol葡萄糖。混合培养产氢技术不仅可显著提高产氢量，而且可彻底降解大分子有机物为CO2和H2O。但现有混合培养产氢研究常采用两步转化法，即将大分子有机物的厌氧降解和小分子有机物的光合放氢过程分两步完成，工艺较复杂。如采用一步转化法可简化工艺，可降低成本，但缺乏控制发酵参数的有效手段。山东大学建立了光合细菌ERIC-PCR新方法，该方法是用在肠杆菌基因间的重复保守序列引物对基因组DNA进行PCR扩增。研究表明，不同种属光合细菌的ERIC-PCRDNA指纹图谱具有特征性，可在分子水平上进行快速归类和鉴别，有望应用于混合培养产氢研究。
( [/ Q# A0 z4 g      在现有制氢技术中，化石燃料和电解水制氢技术的工艺已基本成熟，但却面临着矿产能源枯竭和生产成本高、环境污染的难题。21世纪能源从化石型逐步转化为生物质型已成为不可逆转的发展趋势，而光合细菌产氢是目前研究得最多、最深入的一个方向，生物制氢技术走向成熟，能源开发就会迈上一个全新的台阶。

* j1 m$ C, Y! W2 N' t+ pPsB在高浓度有机废水处理中的应用
       pSB普遍具有降解卤代化合物和芳香化合物的能力。研究发现其降解这类化合物的途径与其他细菌有类似之处。这有利于进一步阐明这类化合物的降解机理，为开发出高效降解该类化合物的工程菌奠定基础。
卤代化合物虽然是工业生产过程中形成的一大类重要的化学物质，但其毒性和难降解性又使其成为环境中的主要污染源之一。自然界中能够有效降解这类化合物的微生物很少。解这类化合物的微生物很少。近年来，Mcgrath和Harfoot初步研究发现光合细菌Rhodospirillum和Rhodospeudomonas能够在厌氧光照条件下，去除卤代羧酸化合物中的卤素，生成相对应的脂肪酸，然后被菌体利用作为碳源。
       而在降解芳香化合物方面则有研究表明，R.palustrisCGA001能够在好氧、厌氧和微好氧3种不同条件下降解约27种芳香族羧酸化合物，其中大部分化合物在厌氧条件下降解的较好。
9 q' h4 |  ~; `3 w6 N0 ?+ D另外PSB也能降解芳香族硝基化合物。Blasco和Castillo报道Rhodobacter capsulatusElF1能够在光照条件下，降解硝基酚。
      虽然PSB能够降解的有机污染物的范围较广，但其对难降解的有机污染物的降解范围和降解能力仍然有待于深入研究，以期为今后的实际废水处理给予理论上的指导。随着PSB降解有机污染物的机理的进一步阐明，利用基因工程技术，构建高效降解有机污染物和具有新的降解途径的PSB工程菌，将会提高其应用价值，使其得到广泛的应用。

! s" }1 {5 M+ j" \9 D- K/ A) R5 f% ?PSB作为饲(饵)料添加剂在畜禽、水产业上的应用
       日本是最早将光合细菌应用于水产养殖的国家，在我国南方，PSB在60年代也开始被应用于水产养殖上。目前PSB被广泛应用于海水、淡水鱿类、虾类、贝类等的养殖、育苗，以及轮虫等饵料生物培养，对水产养殖的作用主要表现在：净化水体、作为饵料添加剂和防治鱼病等。
1、净化水体：
       PSB的水中清污功能和其独特的光合作用有关。与藻类及其它水生植物的光合作用利用CO2和H2O不同，PSB的光合作用能在量消耗水中有机物、氨态氮，很多种类还可利用硫化物，而正是这些物质构成了水中的主要污染物。因此PSB的光合作用可减少水体中的污染物、改善水质。同时还可间接提高水体中溶解氧含量。崔竞进等到在实验室用多株PSB混合菌液处理废水，COD去除率达90%以上，极大地提高了水体中溶解氧的含量。
7 W3 K/ m8 y9 x8 I; H. g2、作为饵料或饵料添加剂
0 m: n/ r1 Z; h* P       光合细菌的营养成分丰富，其粗蛋白含量远高于玉米、大豆、蚕豆、蚕蛹、豆饼、豆渣、花生饼、菜籽饼等，甚至高于国产鱼粉，而且其它营养成分含量也较高，在饲料中少量添加，可以提高饲料效率，增加脂肪含量，提高鱼类生殖率和抗病力，改善色泽。
      另外，在提高育苗成活率方面，光合细菌的作用已经得到承认，只是在用其作为鱼苗开口饵料还是作为饵料添加剂方面尚未达成一致的意见。这可能与鱼苗的种间差异性和投喂方法有关。
8 l- }. b% g% y3、防治鱼病
9 b/ o% b4 c- |* E" @6 ], b$ d       在鱼池中少量使用光合细菌，能促进鱼类摄食，并能通过鱼鳃进入体内，补充鱼类营养，使鱼更健壮，对疾病抵抗力更强；同时，光合细菌又能改善水质，消除鱼类患病的条件，从内外两方面预防鱼病，这已经为许多研究所证明。小林正泰另辟蹊径，利用光合细菌对鲤鱼穿孔病，金鱼绵头病、鳗鱼水霉病及南方黑鲷擦伤病等进行治疗。将病鱼放在光合细菌培养液稀释10倍的菌液中浸洗10~15分钟，再放于投施适量光合细菌的池中饲养，15天后病鱼康复。

PSB作为生物肥料在农业上的应用
* x6 A' K4 }. N( p/ M% n# p      光合细菌是生物圈中仅次于高等植物的初级生产者,在碳、氮固定及土壤中的硫循环中都是重要角色。它能利用可见红外等较长波长的光能,将土壤中的硫氢化物和碳氢化物中的氢分离出来,与CO2,Ｎ2等混合在一起合成糖类、氨基酸类、维生素类、生物活性物质等。光合细菌的生产力是非常高的,Culver和Brunskil报道,在Fayetteville Green Lake中,Chlorobium的生产力达1600mg/m3·d,而一般微生物的生产量仅有100～200 mg/m3·d,这是土壤中有机质增加的主要原因。光合细菌有很强的固氮能力,与其他固氮菌相比,其最大的特点是能量来源于最廉价的光能,而且波长正好同植物吸收的波长不同,二者呈互补关系。光合细菌在固氮、固碳的同时,将植物不能吸收的光能导入土壤生态系统之中。把光合细菌与其他异养微生物一起培养,固氮活性增加。光合细菌能产生许多促生长因子、维生素、辅酶Q和光合色素等,可激活植物细胞的活性,提高作物光合作用的能力。光合细菌能有效地降解或转化土壤中的残留农药、硫化氢和胺类等有毒化合物,对土壤起一定解毒作用,从而避免或减少上述毒物在农作物中的积累。光合细菌能促进土壤微生物的增殖,而细菌的显著增殖可增加土壤中可给性氮素和磷素的含量;固氮菌的增加则能促进生物固氮作用,增加土壤含氮量,提高土壤肥力;放线菌含量的增高有利于分解土壤中有机质,并产生抗生素和激素类物质,有效抑制某些病原菌的生长,对各种病害起一定防治作用。由于光合细菌在土壤中的无机光能代谢增殖,大大刺激了固氮菌和放线菌等异养微生物的增加,使土壤中微生物总量增加;土壤中有机肥的施入,是这些异养微生物增殖的物质基础,因此,二者合用效果最佳。由于土壤中微生物总量的增加,加速了土壤团粒结构的形成及土壤养分的再生和有效化,从而为植物生长创造了良好的环境,这就是光合细菌增产的主要理论依据。
       光合细菌的研究应用，在日本、东南亚等国已相当普及。应用领域涉及水产、畜牧、花卉、果蔬、环保等诸多方面，并已被作为改善生态环境，增产增效益的重要措施。但是在我国，对光合细菌的研究较晚，在水产养殖生产中的应用也是近几年才有的事。所幸的是，光合细菌的应用价值正被越来越多的人们所认识，国内现在已经有了以生产光合细菌为主的生物技术厂家。放眼将来，PSB的应用必将为生物技术产业的发展添上光辉一笔。

tiny1

不错的资料，现在微生物技术在生态和环境保护领域的应用日益广泛，光和细菌是一种很不错的选择。

bcsnow

微生物·高科技·大产业

shajj

细菌可是相当于潘多拉魔盒一样的存在，就像达摩克利斯之剑一样悬在我们头上