什么是光合细菌？光合细菌有哪些特点？光语柱式反应器如何培养光合细菌？
光合细菌是一大类能利用光能作为能量来源进行生长的原核微生物的总称。它们是地球上最古老的生命形式之一，在生态系统和生物技术领域扮演着至关重要的角色。它是一个多样化、功能强大的微生物类群。它们凭借其独特的不产氧光合作用能力，在生命演化史和现代生态系统中占据了不可替代的生态位。同时，它们作为“细胞工厂”，在环境、农业、能源和医疗等领域的应用前景极其广阔，是合成生物学和绿色生物制造的重要研究对象。
一、核心特征：如何进行光合作用？
与植物、藻类的光合作用不同，光合细菌的光合作用有其独特之处：
1.不产生氧气：这是最根本的区别。它们进行的是“不产氧光合作用”。它们不以水作为电子供体，因此不会分解水并释放氧气。
2.光合系统简单：只包含一种类型的光合反应中心（I型或II型），而植物和藻类同时拥有PSI和PSII。
3.独特的色素系统：
·细菌叶绿素：不同于植物的叶绿素a和b，细菌叶绿素（主要有a,b,c,d,e等类型）的吸收光谱偏向于长波红光和近红外区（800-1100nm）。这就是为什么它们通常在透明玻璃瓶中呈现红、紫、绿、褐等颜色。
·类胡萝卜素：辅助色素，负责吸收蓝绿光，并将能量传递给细菌叶绿素，同时具有保护菌体免受强光伤害的作用。
4.电子供体多样：它们使用硫化氢（H₂S）、硫、氢气（H₂）、有机物等作为电子供体来还原二氧化碳。
基本反应通式：
CO₂+2H₂A+光能→[CH₂O]（有机物）+2A+H₂O
其中，H₂A代表各种电子供体，如H₂S、有机物等。
二、主要分类与特点
光合细菌主要根据其色素类型、光合作用机制和生理特性分为以下几大类：
1.紫色硫细菌
·特点：以硫化氢（H₂S）作为电子供体，并在细胞内以硫颗粒的形式储存单质硫（通常使细胞内部出现硫粒）。
·栖息地：通常生活在富含硫化氢的厌氧水域中，如湖泊、沼泽的停滞水体下层。
·颜色：通常为紫色、红色或棕色。
·举例：Chromatium（着色菌属）。
2.紫色非硫细菌
·特点：得名于早期发现它们不能在含高浓度H₂S的环境中生长。它们更偏爱使用有机物（如脂肪酸、醇类）作为电子供体，也可以使用氢气。代谢方式非常灵活，可以在有光无氧条件下进行光合异养或光能自养，也可以在无光条件下进行化能异养（好氧或厌氧）。
·栖息地：富含有机物的水域，如污水、池塘、稻田。
·颜色：通常为红色、粉红色或棕色。
·举例：Rhodobacter sphaeroides（球形红杆菌），Rhodopseudomonas palustris（沼泽红假单胞菌）。这类细菌是生物技术和科学研究中最常用的模式菌种。
3.绿色硫细菌
·特点：也是以H₂S为电子供体，但将硫颗粒储存在细胞外。它们拥有一个独特的捕光结构——绿小体，光合效率极高，能在极低的光照下生存。
·栖息地：最深层的厌氧水域，只需要微弱的光线就能生长。
·颜色：通常为绿色。
·举例：Chlorobium（绿菌属）。
4.绿色非硫细菌（丝状绿色细菌）
·特点：丝状、能滑行运动。代谢上与紫色非硫细菌类似，能进行光合异养。
·举例：Chloroflexus（绿屈挠菌属）。
5.其他（近年来发现的新类群）
·好氧不产氧光合细菌：如Roseobacter（玫瑰杆菌）类群，它们在有氧条件下也能合成细菌叶绿素并进行光合作用，补充能量。这在海洋中非常普遍。
·蓝细菌有时也被称为“产氧光合细菌”，但因为其产氧特性与真核生物更接近，通常被单独归类。
三、生态作用与意义
光合细菌是地球上物质循环的关键参与者。
1.碳循环：固定二氧化碳，转化为有机碳。
2.硫循环：紫色和绿色硫细菌将有毒的H₂S转化为无毒的硫或硫酸盐，净化了环境。
3.氮循环：许多光合细菌（如紫色非硫细菌）具有固氮能力，能将大气中的氮气（N₂）转化为氨（NH₃），供植物和其他生物利用。
4.食物链的基础：在水生生态系统中，它们是微型浮游动物等的重要食物来源。
5.生命的演化：被认为是地球上光合作用的起源，为后来产氧光合作用的出现奠定了基础。
四、实际应用（生物技术价值）
光合细菌由于其独特的代谢能力，在多个领域有广泛应用：
1.环境治理：
·废水处理：用于处理高浓度有机废水（如食品加工、养殖废水），能同时去除BOD、COD、氮、磷和硫化物。
·净化水产养殖水体：降解水体中的氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质，改善养殖环境。
·土壤修复：降解农药、化肥残留，改善土壤微生态。
2.农业：
·生物肥料：其固氮作用和为土壤提供氨基酸、维生素等物质，能促进植物生长，提高产量。
·生物农药：某些菌株对植物病原菌有抑制作用。
3.新能源与化学品生产：
·生物制氢：在特定条件下，光合细菌可以利用有机物和光能产生清洁能源——氢气。
·生产生物塑料：如聚羟基脂肪酸酯（PHA），是一种可降解的环保塑料。
·提取高价值产品：辅酶Q10、类胡萝卜素（天然色素）、细菌叶绿素、单细胞蛋白（饲料添加剂）等。
4.健康与医药：
·益生菌：用于调节人和动物的肠道菌群。
·医药原料：辅酶Q10是重要的心血管药物和抗氧化剂。
什么是光语柱式反应器？
光语柱式反应器是一种垂直放置的圆柱形透明容器，专门为光驱动生物过程（如光合细菌、微藻的培养）而设计。其核心特点是利用整个柱状表面来接收光照，为内部培养的细菌提供均匀、高效的光能。
主要优点：
1.高光照效率：圆柱形设计使光照可以360进入，比扁平式反应器有更大的比表面积（表面积与体积之比），光能利用率高。
2.良好的混合与传质：通常通过底部的通气实现混合，气泡在上升过程中既提供了二氧化碳，又搅动了培养基，使细菌受光均匀并促进营养吸收。
3.温度控制方便：冬季可用加热棒进行循环水控温。
4.减少污染操作容易：结构相对封闭，减少了污染的机会。
5.可放大性：模块化设计，可以通过增加反应器数量或体积进行规模化放大。
光语柱式反应器培养光合细菌的系统组成
一个完整的光语柱式反应器系统通常包括：
1.反应器主体：由有机玻璃制成。
2.光照系统：放置在反应器外部周围的LED灯带。LED可提供特定波长（如适合光合细菌吸收的近红外光）。
3.通气系统：
·气体混合器（可选）：如果需精确控制CO₂浓度。
5.采样与接种口：位于反应器顶部或下部，用于接种和定期取样监测。
6.监测系统（可选）：pH探头、溶氧探头、温度探头等，用于实时监测培养条件。
使用光语柱式反应器培养光合细菌是一个涉及生物学、工程学和过程控制的综合性技术。成功的关键在于对光照、温度、通气、营养和无菌这五大核心要素的精确控制和优化。通过精心设计和操作，光语柱式反应器能够实现光合细菌的高密度、高效率培养，在废水处理、生物能源、高价值化学品生产和农业生物肥料等领域具有广阔的应用前景。
