光合细菌的培养及应用

光合细菌的培养及应用摘要S综述了光合细菌的培养方法及其在水产养殖、废水处理、种植业、畜牧业、新能源和医药保健中的应用,并讨论了光合细菌的应用前景。关键词光合细菌；培养；应用；1引言光合细菌（photosyntheticbacteria,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（purplebacteria）、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.1ComponentscomparisonbetweenphotosyntheticbacteriaandChlorellaPSB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]。种类ω%ω/(μg.g-1)粗蛋白粗脂肪可溶性糖粗纤维灰分VB1VB2VB6VB12烟酸叶酸维生素光合细菌65.157.1820.312.784.2812505211253065小球藻53.766.3119.2810.221.522.4196155.21401818-25大豆30.9919.3330.337.115.6814.52.36.4-222.30.6研究报告28生命科学仪器2007第5卷/3月刊研究报告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:CaCL20.3g，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了池塘水中溶氧、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，提高了成活率[8]，无论是成活率还是产量和质量上都有显著提高。PSB菌体无毒，营养非常丰富，见表1.PSB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Q10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，PSB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[2]；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]。3.5光合细菌在新能源生产中的应用能源问题已成为全球性问题，世界各国都在研究开发新能源，氢作为一种理想而又无污染的新能源，日益受到关注。生物制氢是开发新能源的一个方向，许多PSB在代谢过程中都能释放氢气，且具有产氢速率高、产氢纯度高等特点[25]。PSB只含有光合色素系统Ⅰ，电子供体或氢供体是有机物或还原态硫化物，因此光合29生命科学仪器2007第5卷/3月刊作用不产生O2，故工艺简单。它可利用太阳能，降解转化有机物或有机污染物生产氢，且副产物可进一步开发为诸如生物可降解塑料等高附加值产品，不会造成二次污染[26]。3.6光合细菌在其它方面的应用医药保健方面，日本成功研制了具有延缓衰老的作用的PSB饮料，而且这种饮料还能有效防止心脏病、脑梗死、癌症等疾病的发生。国内，也已经研制出了多种富硒PSB制剂,并申请了国家专利，通过试验表明，富硒PSB制剂具有延缓衰老、抑制肿瘤、免疫调节等多种功效[27-29]。刘继彪等[30]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。随着人们认识到合成色素具有致癌性，天然色素的开发已备受关注。PSB菌体细胞含有丰富的菌绿素和类胡萝卜素，这两类色素无毒，容易提取，是天然色素的新资源，提取的色素可用于食品工业。PSB可以作为生物的开口饵料，广泛应用于水产养殖，也可以作为饲料添加剂来增强生物的抗病性。PSB和微藻混合培养轮虫,可见轮虫增殖率明显高于藻类、酵母单独培养轮虫的速度；PSB可提高丰年虫卵的孵化率；用PSB培养的水蚤、轮虫，其氨基酸、蛋白质的含量都明显提高[31]。4光合细菌的应用展望在生产实践方面，自20世纪70年代以来,日本、美国、德国、英国等广泛开展了光合细菌的研究开发,由于PSB的安全无毒且其中的有效成分对超氧阴离子具有良好的猝灭活性，近年来人们还利用其特性开发具有免疫调节[32]，抗衰老，抗辐射等多种功能的医药、保健品[33]。在理论研究方面，PSB是实验模型的理想材料，瑞典生物学家Huber.H.Michel以光合细菌为材料，研究细菌细胞膜的光合作用反应中心三维结构而获得1988年的诺贝尔奖。我国学者张纯喜等利用光合细菌对光合作用的原初反应提出了新模型，并利用该模型对动力学和定点突变结果给予了解释。5讨论目前，大规模培养PSB是制约PSB应用的瓶颈问题。多数PSB是一种不放氧的厌氧菌，能进行光合作用，多采用低密度培养。这种方法很容易染菌，且菌液的浓度比较低，给PSB的保存和运输很麻烦。高密度培养PSB是大规模生产PSB的必然趋势，国内有的实验室采用厌氧发酵罐进行高密度培养已取得成功，但是生产成本比较高。我们实验室采用自制的玻璃反应器对PSB进行半开放式培养，已基本取得成功。这种方法具有菌液浓度高，设备简单，生产周期短，生产成本低等优点。现在水产应用的PSB多数是菌体和培养基的混合物，产品中的培养基和代谢物有可能抑制水产养殖生物，在养殖水体中投加PSB，会加剧水体缺氧，PSB的质量亟待提高。PSB在处理有机废水时，废水的成分很复杂，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。参考文献[1]何振平,王秀云,孙学文,等.光合细菌的研究进展(综述)(J).河北职业技术师范学院学报,2000,14(1):70-73.[2]李彦芹,阚振荣,穆淑梅,等.光合细菌研究进展(J).河北大学学报,2005,25(5):554-560.[3]冯云,刘学迅.光合细菌的培养与应用(J).北京水产,1997,Z2:26-27.[4]杨绍斌,廉大海,祝莹,等.光合细菌简易富集培养技术及在北方养鱼中的作用(J).水产养殖,2005,26(1):22-23.[5]鄂春宇.塑料薄膜袋培养光合细菌技术(J).科学养鱼,2005,8:68.[6]赵引德,贾志伟.光合细菌饲料添加剂有规模化技术(J).中国化工报,2005,2.[7]梅志平,章宗涉.红螺菌(Rhodospirillumsp.)的生长及其饥饿存活的研究(J).生态学报,2000,20(1):118