光合细菌的培养及应用技术

光合细菌的培养及应用技术

1 引言

光合细菌（photosynthetic bacteria,简称PSB）是一群能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用有机物作供氧体兼碳源，进行不放氧光合作用的细菌，广泛分布于水田、湖沼、江河、海洋、活性污泥和土壤中，依据《伯杰细菌鉴定手册》（第九版）可分为6 个类群，27 个属。不产氧光合作用的红螺菌目分为紫细菌（purple bacteria）、绿细菌（Greenbacteria）和日光杆菌属（Heliobacteria）、红色杆菌属（Erybrobacter）。其中紫细菌中包含有红螺菌科（Rhodolspirillaceae）、着色菌科（Chromatiaceae）、外硫红螺菌科（Eceothiorhodospiraceae），包含16属49种。其中在生产上有意义的红螺菌科包括红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属[1]。PSB 均为革兰氏阴性细菌，一般为球型、卵形、杆形、弧形、螺旋形、环形、半环形丝形，也可随培养条件和生长阶段而改变，大部分单个存在。PSB的一般菌体组成及营养成分见表1[2].表1 光合细菌菌体的组成与小球藻等比较Tab. 1 Components comparison betweenphotosynthetic bacteria and ChlorellaP S B 含有较高的优良蛋白质，粗蛋白含量为

65.45%，含有17 种氨基酸而且消化率较高；粗脂肪约7%；可溶性糖类约20%；粗纤维约3%[1]；维生素B12 含量是酵母的200 倍、小球藻的4 倍[2]，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(泛醌),迄今已从PSB中分离出80 种以上的类胡萝卜素。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Q4 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。以上特点决定了PSB 可做为畜禽、鱼虾的饲料。但PSB 中缺乏ω3 系列20 碳以上的高度不饱和脂肪酸，单独作为仔鱼的初期饵料时，需与其它富含高度不饱和脂肪酸的饵料同时使用。

2 光合细菌的培养

水产养殖市场对PSB 活体菌种的需求缺口很大，为了满足水产养殖对PSB 活体菌种的需求，PSB的生产方法有很多，但是到目前为止，还没有进行产业化生产PSB的报道。冯云等[3]用50L的塑料桶来厌氧培养PSB，使培养密度达到2.1 × 109 个/ml；杨绍斌[4]在塑料大棚内建大小2000～5000L 的水池使其厌氧发酵富集扩大培养，培养液中含PSB 活菌数可达5 × 106 个／毫升；鄂春宇[5]用塑料薄膜袋培养PSB，培养密度达到2.5～3×105个/ml,12个月生产50 多吨，但是在PSB的密度检测时，很容易染菌。由中科院开发的PSB 大规模生产工艺，产品含菌量达到5 × 1010个／毫升，保质期3 个月以上，并可根据客户要求，设计和建设不同规模的生产线[6]。

2.1 菌种

菌种可从采集的池塘底泥或海水中重复富集、分离纯化获得.若用保存下来的菌种，在培养前必须提纯复壮，才能有效地进行扩大培养。光合细菌的生产需要采用优良菌种，要求菌种活性高，菌液中菌体分布均匀、无下沉现象，目前养殖中使用的PSB多为红螺菌科和一部分着色菌科的复合菌株[7]。

2.2 培养基及培养条件

PSB 培养中除碳、氮、磷等主要营养元素外，还需要一定量的镁、钙、钠和有关的微量元素，将所需的营养元素按一定的比例配成适于菌体生长繁殖的培养基。本实验室采用酵母膏、蛋白胨培养基，基本配方为:CaCL2 0.3g，MgSO4·7H2O0.5g，酵母膏3g，蛋白胨3g，蒸馏水1000ml，pH: 6.8. 如需制固体培养基再加2%琼脂。培养温度：25℃～30℃最佳，光照强度：2000LX～5000LX，PH：7.5～8.5 最佳。

2.3 光合细菌的培养

把菌种接种到灭好菌的培养基中，在三角瓶中进行二级培养，每天摇晃几次。把40L 的反应器中加满自来水，放入通气管，盖上保鲜膜一起用次氯酸杀菌消毒24小时，用硫代硫酸钠（1L次氯酸需要150g 硫代硫酸钠）来中和。以15% 的接种量接入反应器中，用泵通气培养，用分光光度计跟踪测量菌液的密度，得到菌液的密度较高，而且反应器还可以进一步放大。

3 光合细菌的应用

3.1 光合细菌在水产养殖中的应用

测定池塘水中溶氧、pH 、氨氮、亚硝酸盐氮和COD 的变化情况，池水中的pH、溶氧不受光合细菌的影响；对水中氨氮、亚硝态氮有降低作用，降级率分别为45%-52%、33%-43%，对有机物（COD）也有降低作用，但不明显。由于水体中氨氮、亚硝酸盐氮等含量超过一定量时对养殖动物产生毒害作用，并使易受病原微生物的感染，而光合细菌对改善水质起到一定作用，维持水体生态平衡，使鱼类能在优良的环境中生长，无论是成活率还是产量和质量上都有显著提高[8]。PSB 菌体无毒，是一类营养成分高且种类比较全的微生物，作为水产养殖生物的饲料添加剂，具有明显的增产效果[9]。PSB 能够防治病害，主要采取预防为主防治结合的原则。传统的方法是通过向池塘中泼洒生石灰来消毒（每15～20 天一次），在饵料中要加拌土霉素进行预防[11]，化学品容易残留在环境中，抗生素容易使病原菌产生抗药性。与化学药品和抗生素相比，PSB中含有Q 1 0 和抗病毒物质，能提高动物的免疫力。

3.2 光合细菌在废水处理中的应用

由于光合细菌能利用光能和有机废物合成自身菌体蛋白和其他无害物质（变有害物质为无害物质），所以光合细菌是当今世界上最具发展前景的净化环境的生物制剂。现在，P S B 已广泛用于大型垃圾场，生活垃圾的现场处理及人粪尿、畜禽粪尿的集中处理和综合利用[12]。处理无毒有机废水中的菌体可作为一种天然色素的资源，淀粉废水经PSB 处理后COD 去除率大于70%，同时菌体可用于提取类胡萝卜素[13]。红螺菌对过渡金属有较强的抗性，它能对废水中的Cu2+,Pb2+，Ni2+ 和Cr6+ 的吸附作用是有可能的[14-18]。所以光合细菌是当今世界上最具发展前景的净化环境的生物制剂。

3.3 光合细菌在种植业中的应用

PSB 大多具有固氮能力，能提高土壤的氮素水平，并促进有害物质的转化。其次，PSB 可叶面喷施，能改善植物营养，增强植物生理功能和抗病能力，从而起到增产和改善品质的作用[19]。基于光合细菌具有抗病防病作用，现有研究者将其开发为瓜果等的保鲜剂。PSB 既是一种优质的生物肥料，又能增强植物的抗病能力.光合细菌喷洒到苹果树、梨树和葡萄树上，不仅果实鲜艳，而且坐果率和产量大增，同时还提高了果实的糖分、维生素B 和维生素C 的含量[20-21]。光合细菌作为生物肥料使用可以提高番茄、黄瓜的产量，改善作物品质，提高作物叶绿素、VC 的含量，降低蔬菜中亚硝酸盐的含量，延长作物的保存期[22]。

3.4 光合细菌在畜养业中的应用

PSB 可作为畜禽饲料的添加剂，不仅能够提高产品的产量，而且能够提高产品的质量[23]；PSB 可处理畜禽的粪尿，净化环境；PSB 中的荚膜红假单胞细胞壁中含有的多糖类物质，是广谱的非特异性免疫激活剂，能提高畜禽血清中免疫球蛋白的含量，增强畜禽对外来病源侵扰的应答反应，起到防治病害的作用[24]。