光合细菌的研究和应用

光合细菌的研究和应用
专业：土木工程姓名：景宝学号200803129 指导老师:温建新
摘要：光合细菌作为一种厌氧菌,本身含有多种营养物质和生理活性物质,具有进行光合作用、发酵以及固氮、产氢等功能，既有理论意义又具有实用价值，特别是它在废水处理、生物产氢、生物制药、水产养殖和农牧业的生产中的广泛应用，使其成为现代生物技术研究的热点之一。

关键词：光合细菌厌氧研究进展生长环境应用
英文名：Photosynthetic Bacteria Abbr. name: PSB 光合细菌(简称PSB)是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在厌氧条件下进行不放氧光合作用的细菌的总称，是一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌，是一类以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。

光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处，主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。

光合细菌的适宜水温为15℃—400℃，最适水温为28℃—360℃。

在水产养殖中，能够降解水体中的亚硝酸盐、硫化物等有毒物质，实现充当饵料、净化水质、预防疾病、作为饲料添加剂等功能，光合细菌适应性强，能忍耐高深度的有机废水和较强的分解转化能力，对酚、氰等毒物有一定有忍受和分解能力等特点，它的诸多特性，使其在无公害水产养殖中具有巨大的应用价值。

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，同时还能固定空气的分子氮生氨。

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。

在自然界淡、海水中通常每毫升含有近百个PSB菌，光合细菌的菌体以有机酸、氨基酸、氨和醣类等有机物和硫化氢作为供氧体，通过光合磷酸化获得能量，在水中光照条件下可直接利用降解有机质和硫化氢并使自身得以增殖，同进净化了水体。

除此之外，细胞内还含有碳素储存物质糖原和聚β一羟基丁酸、辅酶Q、抗病毒物质和生长促进因子，具有很高的饲料价值，在养殖业上有广阔的应用前景。

PSB在厌氧光照条件下，能利用低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、糖类、芳香族化合物等低分子有机物作为光合作用的电子受体，进行光能异养生长。

在黑暗条件下能利用有机物作为呼吸基质进行好氧或异养生长。

光合细菌不仅能在厌氧光照下利用光能同化CO2，而且还能在某些条件下进行固氮作用和在固氮酶作用下产氢。

另外，有些菌种在黑暗厌氧条件下经丙酮酸代谢系统作用也可产氢。

光合细菌还能利用许多有机物质如有机酸。

醇、糖类转化某些有毒物质如H2S 和某些芳香族化合物等。

PSB通过生物转化，可合成无毒、无副作用且富含各类营养物质的菌体蛋白，不仅改善了生态环境，还为养殖业提供了高质量的饲料原料。

PSB菌体中对动物生长有促进作用的维生素B12、生物素、泛酸、类胡
萝卜素、叶绿素以及与造血、血红蛋白形成有关的叶酸的含量远高于一般微生物，尤其含有人工不能合成的生物素D一异构体。

这些物质在动物机体内都具有显著生理活性在水产养殖中，养殖池按水中溶解氧含量的大小由表层向底部可分为好氧区和厌氧区。

表层生物繁殖旺盛，水质一般较好；底层则积累了鱼虾的排泄物和未消耗尽的食物残料，有机质丰富，造成微生物的大量繁殖，消耗了水中大量的氧气，导致地底层形成无氧环境，硫酸盐还原菌大量繁殖，产生对鱼虾有毒害作用的硫化氢、酸性物质等。

养殖地底层的这种环境正好是适于光合细菌生存的条件一是具有厌氧条件，二是光线通过上面覆盖的有氧水层这个光线过滤器，使光合细菌可以吸收到适宜生长的450－550μm波长光。

光合细菌利用地底的鱼虾排泄物、食物残料以及有毒有害的硫化氢、酸性物质作为基质大量繁殖，提高水体中溶解氧含量，调节pH，并使氨氮。

亚硝酸态氮、硝酸态氮含量降低，池底淤泥蓄积量减少，有益于藻类和微型生物数量的增加，使水体得以净化。

PSB可进行光合成、有氧呼吸、固氮、固碳等生理机能，且富含蛋白质、维生素、促生长因子、免疫因子等营养成分，在功能上可与抗生素相媲美，并且更具有安全性，是生物工程具有前景的研究领域之一。

光合细菌制剂还具有独特的抗病、促生长功能，大大提高了生产性能，在应用方面显示了越来越巨大的潜力。

其它在净化水质、鱼虾养殖、畜禽饲养、有机肥料及新能源的开发方面有着广阔的应用前景
光合细菌的特性很多。

光合细菌都富含菌绿素和类胡萝卜素,在光照下能利用硫化氢、硫代硫酸盐、分子氢或其他还原剂,把二氧化碳还原成有机物,经细菌型光合作用,将CO2还原成有机营养物,并能固定大气中的氮。

目前所知,所有的厌氧性光合细菌都能光合自养生长。

同时这些细菌也能利用有机物进行异养生长。

PSB含有较高的优良蛋白质，维生素和生物素含量也比较丰富；菌体的脂类成份含有大量的叶绿素、类胡萝卜素和辅酶Q。

叶绿素和类胡萝卜素对养殖生物的健康生长，增强对疾病的抵抗力有很大的益处。

辅酶Q是与生命活动有重大关系的生理活性物质，PSB中的含量特高，是酵母的13倍。

光合细菌由于其生理类群的多样性,碳、氮代谢途径和光合作用机制的独特性而受到人们的关注。

多年来,光合细菌被作为研究光合作用以及生物固氮作用机理的重要材料。

近一二十年中,对光合细菌的应用研究也获得了很大的进展。

研究表明,光合细菌在环保、农业、水产养殖、医药等方面均有较高的应用价值。

下面着重就光合细菌目前的开发应用动态作一概述。

1利用光合细菌处理高浓度有机废水
光合细菌在污水处理中的应用始于1960年代。

当时,日本科学家小林正泰等人发现高浓度有机废水在自然界的自净过程是不同营养级的微生物群生态演替的结果,光合细菌在此过程中起着十分重要的作用,并首先开展了用光合细菌法处理有机废水的研究。

近些年来发展起来的光合细菌处理法,则是一种以红假单胞菌为主,管理简单,降解率高的废水处理系统。

PSB能以不同的有机酸和醇类等有机化合物作为光合作用的供氢体和碳源，并具有较强的分解和去除有机物的生理特性。

与目前广泛应用的生物处理废水系统如活性污泥法、生物膜法和厌氧法相比，PSB在自然光照和微量好氧条件下，可以直接对各种高浓度有机废水进行高效率的处理,并且在处理前不需对废水进行稀释。

具有节约电能、水源、设备及运转费用等优点，菌体污泥可综合利用，作为鱼和家畜的饵料，不造成二次污染。

2光合细菌在食品、医药保健中的应用
一般而言食品着色剂广泛使用焦油类的合成色素,由于这类色素有微毒性和致癌性,世界各国控制该种合成色素的使用,并迫切希望以天然色素取而代之。

光合细菌的色素无毒,易提取,色彩鲜艳,有光泽,且具有防水性。

除黄色外,特别是红色素等则缺乏有用的色素资源。

光合细菌富含类胡萝卜素,是天然红色素的重要来源,目前已经广泛用于油脂类、豆制品、蔬果类以及饮料等的着色。

光合细菌在医学业中也具广泛应用前景。

光合细菌内富含类胡萝卜素和B族维生素及活性物质，具有许多生理活性：抗氧化作用、调脂作用、抗肿瘤作用、免疫活性；光合细菌没有毒性,对生殖生长有促进作用。

研究者对光合细菌制药方面进行了不少的研究。

刘继彪等用PSB菌液发酵中药,制成了口服液、冷冻干燥产品等中药制剂,该制剂能够纠正机体内环境微量元素平衡紊乱,促使癌细胞向正常细胞转化并最终全部恢复成正常细胞,对恶性肿瘤治疗有较显著的疗效,并申请了国家专利。

3光合细菌应用于种植业
把光合细菌作为有机肥施入烟草、萝卜、大豆、地瓜等试验田中,结果显示:光合细菌能改善土壤微生物区系,促进土壤中固氮菌、根瘤菌、放线菌、细菌等的生长,抑制土壤中真菌的生长;能增加大豆根瘤数;能促进作物对土壤中各养分的吸收,增加植株叶绿素含量,促进植物生长,使各植株的株高、根长、根重等都比对照有显著增加;光合细菌还能增加作物产量,改善作物品质,尤其对地瓜的产量增加明显,其增幅达78.5%,有一定的推广价值。

4光合细菌应用于水产畜牧养殖
日本是最早将光合细菌应用于水产养殖的国家。

由于光合细菌的菌体无毒,营养丰富，具有固碳、固氮的功能,且在自然界的硫循环中担任重要角色,因此在农业上,能够改善植物根基土壤的营养,提高土壤肥力,增强植物的抗病力。

夏清等人研究指出光合细菌菌液可增强甜椒光合速率和过氧化氢酶活性,增加叶绿素含量,进而增产。

在禽畜饲养上, 光合细菌富含辅酶Q10, 能够促进动物的生长，可提高畜禽出肉率和产蛋率,以及强健体质、提高抗病能力。

薛志成等通过添加光合细菌使不同生理时期及患胃肠病奶牛症状消失，恢复产奶，经济效益明显。

光合细菌还可以提升种子发芽率、成苗率；改良作物品质、修复土壤；防治病虫害等。

在水产养殖上，光合细菌可作为养鱼饲料添加剂，作为养鱼和小型甲壳动物的饵料，防治鱼病、净化养殖水质。

光合细菌作为养殖水质净化剂在国内外已经进入生产性应用阶段。

付保荣等研究表明鲤鱼养殖水中投放一定量的光合细菌，能明显去除水中有机物和NH4+-N，增加DO的含量，稳定pH值，同时使杂藻和有害菌含量减少。

若将光合细菌固定，则抑制水体富营养化效果更好。

5光合细菌应用于新能源
早在1937年,Nakamura最早报道了PSB在黑暗中释放氢气的现象。

1949年, “Science”上首次报道了光合细菌具有在光照厌氧条件下转化有机物产生氢气的特性。

目前研究较多的是深红螺菌,它可用有机废料作原料进行光合产氢,又由于其细胞含有大约65%的蛋白质和大量必需的氨基酸和维生素,所以在光合产氢的同时,还可以得到单细胞蛋白,也可结合有机废水的处理,所以,可谓一举三得,具有重要的经济价值。

随着能源危机的进一步持续,美、德和日等国相继制订了氢能发展规划。

我国也把光合生物产氢研究纳入国家“863”计划和“973”计划。

随着其研究及相关学科的迅速发展,光合生物产氢技术作为一种极具潜力的生物产氢
技术必将走向应用化。

6光合细菌应用的前景
人们从发现光合细菌到现在，只有100多年的历史，而从人们开始研究到现在也不过70年，人们对它的认识还很少研究在逐渐深入,其应用领域在逐渐拓宽。

目前的研究表明,光合细菌的应用效果显著、确切,某些方面的应用研究已具有一定的推广价值。

例如作为“微生物净化剂”在废水治理中的应用，作为饲料添加剂在养殖业中的应用等。

但对光合细菌的开发利用还存在很大的余地，对它的应用技术和基础理论仍需要进一步深入研究。

目前的研究已显示出光合细菌作为重要的微生物资源,有着广阔的开发前景，具有不可替代的应用市场,在人类活动中必将发挥越来越大的作用。

参考文献
1 徐婧《浅谈光合细菌的应用》
2 2004-06-17 自生物学通报，1998年11期
3农博网
4光合细菌在种植业上的应用研究--《江西农业大学学报(自然科学版)》
5 中国期刊网。