光合细菌的开发应用进展

1.光合细菌的主要类群

光合细菌是能进行光合作用的一类细菌。它是地球上最早出现的具有原始光能合成体系的原核生物。目前,主要根据光合细菌所具有的光合色素体系和光合作用中是否能以硫为电子供体将其划分为4个科:Rhodospirillaceae(红色无硫细菌)、Chromatiaceae(红色硫细菌)、Chlorobiaceae(绿色硫细菌)和Chloroflexaceae(滑行丝状绿色硫细菌)。进一步可分为22个属,61个种。

2.光合细菌的主要生理生态学特征

光合细菌生理类型的多样性使它成为细菌中最为复杂的菌群之一。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。这使得光合细菌在自然界的碳、氮、硫循环中发挥着重要作用。光合细菌广布于自然界的土壤、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。

光合细菌的光合色素由细菌叶绿素(BChl)和类胡萝卜素组成。现已发现的细菌叶绿素有a、b、c、d、e5种,每种都有固定的光吸收波长。细菌叶绿素和类胡萝卜素的光吸收波长分别为715~1050nm和450~550nm。因而类胡萝卜素也是捕获光能的主要色素,它扩大了可供光合细菌利用的光谱范围。

光合细菌的光合作用与绿色植物和藻类的光合作用机制有所不同。主要表现在:光合细菌的光合作用过程基本上是一种厌氧过程;由于不存在光化学反应系统II,所以光合作用过程不以水作供氢体,不发生水的光解,也不释放分子氧;还原CO2的供氢体是硫化物、分子氢或有机物。

光合细菌不仅能进行光合作用,也能进行呼吸和发酵,能适应环境条件的变化而改变其获得能量的方式。

3.光合细菌的开发应用

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,光合细菌在农业、环保、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。

3.1 光合细菌在养殖业中的应用

3.l.l 光合细菌的营养价值

光合细菌营养丰富。细胞干物质中蛋白质含量高达60%以上,比目前生产的单细胞蛋白酵母的含量高。与牛奶、鸡蛋蛋白相比,其蛋白质氨基酸组成齐全,因而被认为是一种优质蛋白源。光合细菌还含有多种维生素,尤其是B族维生素极为丰富,VB12、叶酸、泛酸、生物素的含量远高于酵母。此外,还含有大量的类胡萝卜素、辅酶Q等生理活性物质。因此,光合细菌具有很高的营养价值,在水产和畜禽养殖上有着很高的应用价值。

3.1.2 光合细菌在水产、禽畜养殖中的应用

在水产养殖中,光合细菌可被用于鱼虾以及特种水产品如贝类、蟹、蛙类等的饵料或饲料添加剂。光合细菌在促进鱼虾等的生长,提高成活率,提高产量等方面,所有的报道均给出了肯定的结果,无论是成活率或是产量的提高均可达10%~40%以上。而且还具有防治鱼虾疾病,净化养殖池水质等方面的功能。

光合细菌具有上述作用的确切原因尚待进一步研究。但与以下几方面因素不无关系:(l)光合细菌的营养丰富,含有大量类胡萝卜素、辅酶Q、抗病毒物质和生长促进因子。(2)光合细菌在水产养殖水域的物质循环中起重要作用,能将被异养微生物分解活动形成的有机物如有机酸、氨基酸等作为基质加以利用,促进养殖池底有机物的循环,使水质得到净化,病原菌难以发展,改善养殖环境。许多试验表明,光合细菌能使水产养殖池水体中的氨、氮、硫化氢下降50%以上,溶氧提高14%~85%。(3)施用光合细菌的池塘,其放线菌/细菌的比例会明显增大,推测其原因认为是由于光合细菌促进了放线菌的生长,而放线菌抑制了病菌的活动,从而达到防病的目的。(4)光合细菌在水中繁殖时,能释放出一种具有抗病性的酵素──胰凝乳蛋白分解酶,该酶能防止疾病的发生。(5)由于光合细菌能分泌大量的叶酸,长期使用光合细菌也可避免鱼类贫血症的发生。

光合细菌的营养价值极高,消化率好,作为禽畜饲料的营养添加剂已有20余年的历史。有研究认为,饲料中光合细菌含量达10-4便可充分发挥效果。它在提高禽畜产品的产量、质量方面同样具明显作用。例如,使用光合细菌的家禽,成活率提高5%~7%,肉鸡增重15%~17%,料肉比降低33%左右,产蛋率提高12.7%且所产蛋的蛋黄颜色明显趋红、亮泽,卵黄中类胡萝卜素和维生素C含量提高20%左右。

光合细菌在养殖业中的使用方法有:直接作为饵料投喂,或作为添加剂拌于饲料中,或混于饮水中饲喂。

3.2 光合细菌在种植业中的应用

由于大量无机肥料与化学农药的使用,造成土壤残留农药的毒害,土壤盐化、板结严重,土壤肥力趋于衰竭。因此,有识之士都大力提倡使用有机肥料和“生物农药”。而光合细菌已被证明既是一种优质的有机肥料,又能增强植物的抗病能力。光合细菌可作为底肥、或以拌种和叶面喷施等方式应用。

光合细菌在种植业中的应用研究也有许多报道。河北晋州利用光合细菌进行试验取得的各种数据颇能说明问题:小麦平均亩产提高16%,玉米提高13%,棉花提高14%,甘蔗、大白菜提高40%,甜瓜增产15%~24%。

光合细菌能使农作物增产增质的原因,似可归纳为以下2个主要方面:(l)光合细菌能促进土壤物质转化,改善土壤结构,提高土壤肥力,促进作物生长。光合细菌大都具固氮能力,能提高土壤氮素水平,通过其代谢活动能有效地提高土壤中某些有机成分、硫化物、氨态氮,并促进有害污染物(如农药、化肥)的转化。同时能促进有益微生物的增殖,使共同参与土壤生态的物质循环。此外,光合细菌产生的丰富的生理活性物质如脯氨酸、尿嘧啶、胞嘧啶、维生素、辅酶Q、类胡萝卜素等都能被植物直接吸收,有助于改善作物营养,激活植物细胞的活性,促进根系发育,提高光合作用和生殖生长能力。(2)光合细菌能增强作物抗病防病能力。光合细菌含有抗细菌、抗病毒的物质,这些物质能钝化病原体的致病力以及抑制病原体生长。同时光合细菌的活动能促进放线菌等有益微生物增殖,抑制丝状真菌等有害菌群生长,从而有效地抑制某些植病的发生与蔓延。由于光合细菌具有抗病防病作用,有人还试验将其作为瓜果等保鲜剂。

3.3 光合细菌在有机废水处理中的应用

20世纪70年代日本小林正泰等提出了用光合细菌处理有机废水的工艺,并成功地对粪尿和食品、淀粉、皮革、豆制品加工的废水进行处理。南朝鲜已建成了日处理600t的酒精废水处理场。近年来,澳大利亚、美国等也相继进行了这方面的开发研究。国内这几年在光合细菌处理废水研究方面也取得了一些成绩。对高浓度合成脂肪酸废水、肉类废水、豆制品、洗毛、牛粪尿废水以及柠檬酸废水的处理均取得了良好效果。例如,有试验表明,用光合细菌对CODcr为52800mg/L的豆制品废水进行12h处理,去除率达92.7%;CODcr为3 864 mg/L的淀粉废水进行72h处理,去除率达99.5%;处理柠檬酸二次有机废水,CODcr、BOD5总去除率分别达到97%和99%。

高浓度有机废水在自然净化过程中会出现以下微生物群落的生长演势:有机营养型微生物群落的生长繁殖→光合细菌的生长繁殖→藻类的生长繁殖。为使高浓度有机废水尽快达到净化,可用人工模拟方法,加入光合细菌。综合各方面来看,光合细菌处理法应是目前环保治理的一个最经济、最有效的手段。其优点在于:(1)有机物负荷高,可以处理高浓度有机废水。(2)设备规模小,动力消耗低,投资费用少。(3)易管理,受季节影响小,在10~40 ℃温度范围内均可处理。(4)产生的菌体可综合利用,在养殖业与种植业中作为饲料或肥料。

3.4 光合细菌在食品、化妆品、医药保健业中的应用

光合细菌富含类胡萝卜素,为重要的微生物来源的天然红色素。迄今已发现光合细菌的类胡萝卜素有80多种,该色素无毒,色彩鲜艳、亮泽,并具防水性,因而很适用于食品、化妆品等工业中作为着色剂,在医学业中也具广泛应用前景。利用光合细菌发酵生产类胡萝卜素的研究已普遍引起重视。日本学者用球形红杆菌(Rhodobacter spHaeroides)发酵生产高浓度红色素作为食品添加剂,色素含量为干菌体的6%,新鲜菌体的1.5%左右。国内也有用球形红杆菌发酵生产类胡萝卜素,每升发酵液可提取色素312mg左右的报道。

光合细菌微生态制剂的异军突起更引人注意。经动物试验表明,光合细菌保健食品具有延缓衰老、抑制肿瘤、免疫调节、调节血脂的显著功效。这与其细胞内富含类胡萝卜素是分不开的。类胡萝卜素的抗氧化能力、抗感染作用以及抗癌变作用已有许多研究报道和专门评述。光合细菌细胞中富含的B族维生素及活性物质,也成为提取天然药物的良好素材之一。据报道,我国已成功研制出了光合细菌抗癌药。

3.5 光合细菌在开发新能源中的应用

氢作为一种理想而无污染的未来能源日益受到人们的关注。生物制氢是开发新能源的一个方向,欧美、日本等均在研究和开发生物制氢技术。我国近几年也有这方面的报道。

光合细菌的许多种类在代谢过程中都能释放氢气。目前研究较多的是深红红螺菌(Rho-dospirillum rubrum),其产氢量高达65ml/h.L(培养液),比蓝细菌产氢量高1倍多。利用该菌固定化细胞产氢量高达20ml/g.h,气体组成中H2占70%~75%。可见光合细菌具有产氢速率高、产生的氢气纯度高等特点。

对光合细菌的研究在逐渐深入,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。例如作为饲料添加剂在养殖业中的应用,作为“微生物净化剂”在废水治理中的应用等。但在许多方面的应用研究,还只能说处在初级阶段,还有大量的、深入的研究工作要做。但是,目前的研究已显示出光合细菌作为重要的微生物资源,其开发应用的前景是广阔的,必将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。

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