光合细菌应用的研究进展

科技信息 高校理科研究 光合细菌应用明研究进展 南京农业大学生命科学学院 陈培林 [摘 要]光合细菌是 自然环境中一类能进行光合作用的特殊微生物，它含有丰富的营养，能产生各种活性物质，在人类生活的许多 方面发挥着重要的作用。本文从水产养殖、畜牧业、种植业、废水处理、新能源等方面介绍了其应用进展和前景，为光合细菌深入研 究和应用提供参考。 [关键词]光合细菌 应用 研究 光合细菌(Photosynthetic bacteria，PSB)是一类能进行光合作用而不 产氧的特殊生理类群的原核生物的总称，广泛存在于自然界的水田、湖 泊、江河、海洋、活性污泥及土壤中。光合细菌为革兰氏阴性细菌，不能 成芽孢，其形态非常多样 ，主要有球状、杆状、螺旋状和卵圆形。现已知 的光合细菌共分有着色杆菌科 、外硫红螺菌科、紫色非硫细菌、绿色硫 细菌、多细胞丝状绿细菌、螺旋杆菌科、含细菌叶绿素的专性好氧菌等 7 大群共约 50个属【¨，而且不断有新种发现。 光合细菌具有多样的生理类型，为细菌中最复杂的菌群之一。在不 同的自然环境下，它能表现出不同的生理生化功能 ，如固氮、固碳、脱 氢、硫化物氧化等，在自然界的物质循环中起着重要的作用。光合细菌 菌体无毒，含有丰富的蛋白质、氨基酸、生物必需的维生素、抗病毒活性 因子、辅酶 Q。。以及多种生理活性物质。这些微生物在其生长过程中能 够利用许多有机物，并能降解和利用化肥及农药产生有用分泌物质。它 独特的代谢方式和代谢产物使其广范应用于环境治理 、水产养殖业、种 植业 、畜牧业 、新能源开发利用 、医药等应用领域，具有十分广阔的前 景。 1光和细菌在环境治理中的应用 光合细菌在厌氧光照、好氧光照或好氧黑暗的条件下都能利用有 机酸、氨基酸及糖类等小分子有机物迅速增殖，使废水得以净化。光合 细菌能处理高浓度有机废水，具有适应性强、去除率高的效果。研究表 明，光合细菌不仅对多种有机物有较强的分解转化能力，而且还耐受紫 外线，对氯、盐分、及氰、酚毒物耐性较强，可在恶劣条件下处理有机废 水口。 目前，常用于有机废水处理的光合细菌主要有红螺菌科的胶质红 假单胞菌和球形红假单胞菌，研究主要集中在对有机物、营养盐、重金 属、含硫化合物和其它污染物如亚硝胺等的降解和转化等方面。郑卓辉 等【引对光合细菌净水剂及光合细菌菌肥菜心杀虫剂残留物的降解情况 进行了研究，结果发现光合细菌可使毒性残留期较长的三唑磷有效地 降解。艾翠玲 在传统的SBR反应器(Sequencing Batch Reactor)中加入 半软胜填料，研究了光合细菌的两种代谢方式对味精废水化学需氧量 (COD)的去除率的影响，并结合光合细菌的细胞结构特点和代谢方式 讨论了其对活性污泥絮凝性能的影响。研究结果表明，在黑暗系统中， 处理味精废水活性污泥絮凝性能较光照系统中的活性污泥絮凝性能相 对有较大的提高，有机物的去除率也有所提高。谢红刚等 研究了光合 细菌对啤酒废水的处理效果，当光合细菌投加量在 30mL／L时处理效果 最佳，温度控制在 2O一3O℃为宜，其 COD。的去除率高达 80％。 此外，光合细菌处理废水还可以与生产菌体蛋白及光合产氢及结 合起来 ，在处理废水和获得单细胞蛋白(scP)的同时，得到新能源，显示 出其较高的优越性和巨大的应用潜力。现在，光合细菌已广泛用于各种 工业废水的净化的处理研究，如对味精、淀粉废水的处理[61。同时光合细 菌也广泛应用于大型垃圾场和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 。 2光合细菌在水产养殖中的应用 光合细菌的菌体没有毒性，细胞中富含蛋白质和维生素 ，以及含有 大量的类胡萝 h素及辅酶 Q等生理活性物质，具有很高的营养价值 ，同 时，光合细菌具有个体小、营养价值高和易于消化吸收等特点，使其能 作为水产养殖生物的饲料和饲料添加剂，促进鱼类的生长，且具有明显 的增产效果。此外，PSB能改善养殖鱼类胃肠道有益菌群的组成，达到 生态防病的目的。目前光合细菌被广泛应用于鱼类、虾类及贝类等养殖 和育苗上。杨绍斌等 向培育草鱼的池塘投喂红螺菌科光合细菌，结果 试验池比对照池成活率提高27．5％，提高产量 360kg／rn2。杨鸢劫等 研 究发现以轮虫 25 mL和 25mg／L的光合细菌为开口饵料投喂河鲍，因 增加了外源性的营养物质，结果河纯初孵仔鱼的成活率比只投喂轮虫 的成活率提高l2％。值得注意的是，光合细菌中相对缺乏W3系列的二 十碳以上的高度不饱和脂肪酸，若单独作为鱼、虾 、贝等幼体的初期饵 料时，最好与其他富含高度不饱和脂肪酸的饵料同时使用。 光合细菌能有效利用养殖水体的有机物作为自身繁殖的营养源， 通过各种代谢途径，能有效地降低养殖水体中的 N}P、NO3-H2s等有害 物质的浓度，增加水体溶氧量，同时还能分解水产动物的饵料及粪便， 促进藻类和浮游动物数量的增加，起到保护和净化水体水质的作用，以 稳定养殖环境。目前，光合细菌作为养殖水质净化剂，已普遍地投放于 养虾池和养鱼池中，以改善水质，并取得了明显效果。付军等 从养猪 场排污池中分离出的一株莫氏褐螺菌 (Phaeospirillummolischianum)，在 实验室条件下，该菌株对灭菌污水的 COD去除率高达 55．2％。张鹏【ll 等 经过复合培养，从高溶氧(DO)、氨氮、pH、COD4个方面研究了光合细菌 对观赏鱼养殖水体的影响。研究表明，在养殖水体中施用光合细菌，能 够有效降低水体的氨氮和有机物含量，可以增加水体的DO值。需要注 意的是，光能异养菌不能分解利用水环境中的大分子有机物，在净化水 质时应与能降解有机大分子物质的异养菌混合使用。 此外，光合细菌因其适应力和繁殖力很强，能竞争性抑制并代替了 病原菌，同时含有抗病毒因子等多种免疫促进因子，可活化机体的免疫 系统，使机体表现出抵抗疾病能力的功能。张信娣 等研究光合细菌球 形红假单胞菌 X3(R．spheroids x3)对鱼病原细菌生长的影响时发现，光 合细菌是通过生长和代谢优势进行空间和营养物质的争夺来阻止病原 细菌的增殖。张梁等『1 研究发现光合细菌在饲料中的添加水平为 2．5％ 时，草鱼的生长发育能够显著加快，并且草鱼肝脏及血清中碱性磷酸酶 (AKP)、酸性磷酸酶(ACP)和超氧化物歧化酶(SOD)等三种免疫酶的活性 有明显提高。Wan 一41发现在凡纳滨对虾中添加光合细菌和芽孢杆菌能 促进对虾生长，有效地抑制了对虾疾病的发生，显著提高了对虾的产出 率。需要注意的是，光合细菌不宜与化学消毒剂同时使用 ，以免化学消 毒剂将光合细菌也杀灭。 3光合细菌在种植业中的应用 光合细菌是一种优质的微生物生物肥料。它具有固氮功能，能为植 物提供氨基酸和核苷酸等物质，同时能提高植物抗病性和消除有害自 由基及能改善土壤肥力的结构，并且含有能促进植物生长的物质 ，目前 研究证明它在提高农作物产量、改善农产品品质、提高农作物抗病毒活 性、延长果品储存期、改善土壤微生物群和促进作物对土壤养分的吸 收、减轻农药对农作物的毒害和降解残留农药等诸多方面具有良好的 作用。研究发现，在水稻种植上使用光合细菌，通过菌液沾根处理 ，水稻 的穗数份 蘖数)、穗粒数、产量均高于对照组_】51。采用臭氧配合的复合光 合细菌还可以降解棚菜残留农药，促进蔬菜生长『l61。齐树杰㈣等研究发 现，应用光合菌肥有利于花椰菜的培育壮苗 ，以稀释 200倍液的灌根处 理对提高幼苗的叶绿素含量、根系活力和硝酸还原酶活性效果最好。另 据报道，在烟草上应用光合菌肥 ，能有效改善烟草的生物 、经济性状，提 高烟株的抗病抗逆性，具有明显的增产、提质、增效的作用。目前国内外 近年来对光合细菌在农业上的应用范围颇为广泛 ，并已取得许多喜人 的成果。 4光合细菌在畜牧业中的应用 光合细菌菌体是一种优质蛋白源：含有多种氨基酸，同时含有丰富 的维生素、辅酶 O、抗病毒物质和生长促进因子，能促进动物的生长发 育；光合细菌还含有多种免疫因子和促生长因子，能提高动物的免疫 力；它还能分泌多种消化酶，促进饲料的消化和吸收，提高饲料利用率。 作为畜禽饲料的添加剂，光合细菌不仅能够提高产品的产量，而且能够 提高产品的质量。薛志成㈣研究表明光合细菌作为饲料添加剂饲喂奶 牛有很好的增产效果。光合细菌中的荚膜红假单胞细胞壁中含有的多 糖类物质，能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 。光合细菌还具有很强的抑制有害菌生物的功能，进入肠道后可改 善菌群平衡状态，并可刺激肠道蠕动，提高消化吸收率，促进废物毒物排 泄。光合细菌还可以将非蛋白氮合成氨基酸和菌体蛋白，同时还可产生 分解硫化氢的酶类，降低粪便中的氨和硫化氢等有害气体浓度，用于理 畜禽的粪尿，净化环境[201。 5光合细菌在能源开发中的应用 氢能源由于清洁、高效、可再生 ，被认为是未来经济发展的理想绿 色能源之一。近年来，利用微生物生产清洁的氢能源已成为研究的热 科技信息 高校理科研究 点。光合细菌对氢的代谢特性可以用来利用废水中的高浓度有机物产 氢，且产氢的能量转化率高，产氢的纯度也较高，现在已越来越受到重 视。其中研究较多的是深红红螺菌。目前对光合细菌产能的研究主要集 中在产氢理论的研究、菌株的筛选和改造以及固定化技术的应用、光生 物反应和混合培养技术等技术的开发方面[21]。 6光合细菌在其它方面的应用 光合细菌含有丰富的营养成分和生物活性物质，使其具有延缓衰 老，抑制肿瘤 ，抗氧化，免疫调节及调节血脂的等显著功效，在医药保健 业中被开发成多种保健食品。光合细菌菌体细胞含有丰富的菌绿素和 类胡萝 h素，是天然色素的新资源。这些色素无毒，易提取，色彩鲜艳， 有光泽，且具有防水性，可作为食品着色剂和添加剂 ，亦可用于化妆品 的生产。 7光合细菌应用的发展前景 光合细菌作为一种营养丰富的光能自养菌 ，在人类生活的许多方 面都具有重要作用 ，并且已经在世界上许多国家得到广泛应用。随着生 活垃圾、工业废水以及其它的环境污染物的的逐年增加，人类的生活受 到了严重的干扰 ，在环境治理方面，微生物所起到的作用逐渐受到重 视，光合细菌菌体无毒，在这方面表现出很大的优越性，但是光合细菌 在处理有机废水时，利用单一的菌种难以达到废水处理的要求，因此 ， 在菌种的分离和混合菌种处理方面还有待于进一步的研究。虽然光合 细菌在水产业、畜牧养殖业及种植业种已得到广泛地应用，但还是存在 不少问题，比如大规模培养光合细菌是目前制约它应用的瓶颈问题。在 产能方面，虽然研究的比较早 ，但是目前利用光合细菌大规模制氢的成 功例子很少。这些遇到的问题都急待解决，这样才能使光合细菌得到更 为广泛地应用。随着生物技术的飞速发展及人们对光合细菌基因组、功 能基因组等方面的进一步研究 ，对光合细菌重要基因功能的掌握，将使 光合细菌在多领域产品研发和应用上取得巨大进展，从而更大程度地 为人类服务。 参考文献 [1]东秀珠，蔡妙英．常见细茵系统鉴定手册[M]．北京：科学出版社 2001． [2]李彦芹，阚振荣，穆淑梅．光合细茵研究进展[J]．河北大学学报， 2005，25(5)：554-559． [3]郑卓辉，梁文健．光合细菌对菜心农药残留的降解效果[J]．广东 农业科学，2007(7)：76-77． [4]艾翠玲．光合细茵对高浓度味精废水处理效果的影响[J]．环境 科学与管理，2008，33(10)：123-126． [5]谢红剐，王三反，褚润．光合细菌对啤酒废水处理的研究[J]．工 业用水与废水，2006，37(5)：38-40． [6]韩磊，黄成彬，王春刚．光合细茵在废水处理上的应用综述[J]．潍 坊高等职业教育，2008，4(1)：45-48． [7]WANG You—zhi，WANG Feng-jun，BAO Li．Treatment of Chi— nese Traditional Medicine Wastewater by Photosynthetic Bacteria．Journal 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[22]魏玉利．光合细茵的培养及应用[J]．生命科学仪器，2007，5(3)： 27—30 (上接第 70页) 积，进而增大信噪比，以满足探测深度要求。线圈的 法线方向可视为探测方向，由于采用了小回线装置形式，其探测更具方 向性。在井下施工过程中，根据探测任务要求，可以通过调整线圈与巷 道底板之间的角度改变线圈法线的指向，来获取巷道掘进头前方不同 水平层位上的地电信息，而后对采集数据进行处理 ，进行视电阻率转 换、时深转换 ，绘制视电阻率等值线剖面图，最后结合已有地质资料对 异常做出解释。当线圈以仰视角度架设时(图2一a1，探测方向指向顶板 ， 即顶板探测，可以超前探测顶板一定深度范围内含水异常体分布规律 ； 当线圈直立于巷道时(图2一b1，即顺层探测，可以超前探测掘进头正前 方含水体的发育位置；当线圈以俯视角度架设时(图2一c)，探测方向指 向底板，即底板探测，可以超前探测底板一定深度范围内含水异常体的 分布规律。 向 (a)顶板探测 (b)顺层探测 (c)底板探测 图 2探测方向示意图 3_3矿井瞬变电磁法地球物理基础 由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性 特征在纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当煤层顶 底板岩层内断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否， 都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。如果构造不含水，则其 导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当 于存在局部低电阻率值地质异常体。这种变化规律的存在，为矿井瞬变 电磁法探测提供了良好的地质条件。 3．4矿井瞬变电磁法特点 (1)井下瞬变电磁法采用边长为 2m的多匝小线圈，数据采集工作 量小，工作效率高，成本低； 一 72 一 (2)由于采用小线圈测量，点距更密(一般为2-10m)，降低体积效应 的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；测量装置靠近目标体，异 常体感应信号较强 ，具有较高的探测灵敏度； (3)通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术 应用，提高信噪比； (4)井下施工时，测量数据容易受到金属物的干扰，需要在资料处 理解释中进行校正或剔除。 4．结语 矿井物探技术具有探测能力强、效果高、成本低等优点，越来越多 地被用于煤矿水害的探测。针对施工过程中的实际情况，应采用有效的 综合物探的探测方法，选用多种有效物探技术 ，彼此互相补充，以便减 少或避免因单一物探方法的多解性造成的解释误差。此外，在探测中需 要结合地质、水文、钻探等方面资料进行综合分析，才能取得更好的探 测效果，以适应煤矿安全生产的需要。 参考文献 [1]刘志新，刘树才，于景村．综合矿井物探技术在探测陷落柱中的应 用l P 1．物探与化探，2008，32(2)：212-215． [2]刘志新，岳建华，刘仰光．矿井物探技术在突水预测中的应用[P]． 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 地球物理学报，2007，4(1)：9-14． [3]姜志海，岳建华，刘志新．矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的 应用[P]．工程地球物理学报，2007，4(4)：291-294． [4]刘衍高．矿井瞬变电磁法探测底板导(含)水构造[T]．煤矿开采， 2008．13(4)：88—9O． [5]雷贵生，韩得品．矿井电法探测工作面底板潜在突水构造的应用 [P]媒炭科学技术，2007，35(6)：24-26． [6]岳建华．矿井直流电法及在煤层底板探测中的应用[P]．中国矿 业大学学报，1997，26(1)：94-98． [7]徐宏武．矿井无线电波透视技术在煤矿地质中的应用．矿井地质， 1997，6(1)：53—55