光合细菌 及其在农业中的应用,一、光合细菌（PSB）的主要特征 二、光合细菌在农业中的应用效果 三、使用方法 四、作用机理 五、光合细菌对残留农药的处理效果 六、应用光合细菌必须注意的技术要点 华东师范大学环境科学与技术系 史家樑,,由于光合细菌在物质转化循环中的重要作用，以及菌体含有的丰富营养，使这类古老的微生物成为近二、三十年来人们开发利用的一大热点大量的研究成果表明，光合细菌在农业、水产、污染治理与资源化等方面，有着巨大的实用价值，应用前景十分广阔一、光合细菌（PSB）的主要特征,1.光合细菌的类群 2.光合细菌的形态学特征 3.光合细菌的生态特征 4.光合细菌的生理特征 5.光合细菌菌体的营养成分,根据近年出版的“伯杰氏细菌鉴定手册”（第9版），不产氧型的光合细菌可分成以下6类，27属： 着色菌科（Chromatiaceae）（又称红色硫细菌、紫硫细菌），含9个属； 外硫红螺菌科（Ectothiorhodospiraceae），含1属； 红色非硫细菌（Purple nonsulfur bacteria），即原红螺菌科（Rhodospirillaceae），含6属； 绿硫细菌（Green sulfur bacteria）即原绿菌科（Chlorobiaceae），含5个属； 多细胞绿丝菌（Multicellular filamentous green bacteria），即原绿丝菌科（Chloroflexaceae），含4属； 盐杆菌（Heliobacterium），含2个属。
PSB的液体培养物： 酒色着色菌（Chromatium vinosum） 泥生绿菌（Chlorobium limicola） 褐色绿硫细菌（Chlorobium sp.）,PSB因含有光合色素（细菌叶绿素、类胡萝卜素）而呈现一定颜色 红螺菌科和着色菌科的培养物呈现由黄色到紫色的各种鲜艳的颜色，这是由类胡萝卜素高浓度蓄积并掩盖了细菌叶绿素的色调而形成的少数类胡萝卜素含量少的菌，或缺乏类胡萝卜素的变异株，便会显示细菌叶绿素的蓝绿色这是利用琼脂平板进行PSB分离培养，并经过进一步分离纯化得到的PSB红色菌落（Rsp. Rubrum，深红螺菌）PSB分离培养用的厌氧装置 内放吸氧剂，密闭、透光，可进行光照培养也可采用带抽气装置的干燥器（减压到1/3），内放吸氧剂（焦性没食子酸+NaCO3饱和溶液）吸氧，便可达到要求PSB菌体形态,PSB菌体形态极其多样，有球状、卵状、杆状、弧状、螺旋状、环状、丝状，以及链状、格子状、网篮状等等不同的菌种形态各异球形红菌（Rhodobacter sphaeroides)，细胞球状,原名球形红假单胞菌(Rhodopseudomonas sphaeroides），它是利用PSB处理高浓度有机废水和水产养殖水体中的主要菌种之一.,胶质红假单胞菌 （Rhdopseudomonas gelatinosa)，现改称Rhodocyclus gelatinosa．细胞杆状，较细长．为PSB处理系统和养殖水体中的常见种。
荚膜红假单胞菌（R. capsulata，现改称Rhodobacter capsulata），为PSB处理系统和养殖水体中的常见种沼泽红假单胞菌（R. palustris）也是PSB处理系统和养殖水体中的常见种芽殖，母细胞于鞭毛的相对极处产生纤细的管子，末端膨大形成芽体，又发育成与母细胞同样大小的细胞两者又发生不同步的分裂，形成玫瑰花饰状的细胞丛深红螺菌（Rsp.rubrum），菌体呈螺旋状，运动快是在污水中常见的种类度光红螺菌（Rsp. photometricum） 可见两根端生的鞭毛度光红螺菌（Rsp. photometricum）的鞭毛,在电镜下可见是由许多细长的鞭毛组成的束状物黄褐红螺菌（Rsp. fulvum）,纤细红螺菌（Rsp. tenue）,万尼氏红微菌（Rhodomicrobium vannielii）， 菌体卵球形，周毛，具菌柄，以出芽方式繁殖万尼氏红微菌（Rhodomicrobium vannielii）,酒色着色菌（Chromatium vinosum）， 年轻细胞内有硫粒,酒色着色菌（Chromatium vinosum），老细胞硫粒消失奥氏着色菌（Chromatium okenii）， 细胞内形成硫粒。
泥生绿菌（Chlorobium limicola）， 细胞外形成硫粒板硫菌属（Thiopedia） 细胞聚集成网篮状PSB在生态系统中的地位和作用,PSB的分布 PSB是水域中重要的初级生产者 PSB与自然界硫素转化循环 PSB在氮素循环中的作用 PSB对高浓度磷酸盐的耐受性,这是有PSB生长的污水沟， 其中红色—PSB，绿色—藻类这是有红螺菌（Rhodospirillum） 大量生长的污水沟从上述水沟采取的污水样品， 可见有红螺菌的大量生长Chromatium（着色菌，红硫细菌） 大量生长的污水沟小林达治曾报道了不同生态环境中红螺菌科光合细菌的数量,可见它们的生存量随生境中有机物含量的增加而相应地增多各种试样中的红螺菌科光合细菌数 （每克样品） 水沟（BOD 250ppm） 106~107 湖泊（BOD 10ppm） 102~103 河流（BOD 1.0ppm） +~10 污水厂（活性污泥） 106~107 水田土壤 105~106 海岸上 103~104,我们在1978年和1979年曾从小河淤泥、菜场水沟、稻田、芋艿田、慈姑田、养猪场垃圾堆，乃至污水处理厂的污水、污泥，豆制品厂、淀粉厂的阴沟污泥，中药厂下水道污泥等多种生境条件采取24种样品，进行光合细菌的分离。
结果，除中药厂某一样品外，均观察到了光合细菌的生长，检出率达96%进而从中分离得到光合细菌纯培养27株，其中多株对豆制品、淀粉等工厂的高浓度有机废水显示了较强的去除COD的能力在具有分层特征的湖泊中PSB的分布: 湖水的上层为好氧层，且有较多的太阳光射入，那里生长着绿藻、蓝细菌等产氧型光合生物；下层为厌氧层，在微生物作用下，湖底堆积物发生着厌氧分解，常有多量H2S产生就在有微弱光线到达的好氧层与厌氧层的交界处，发育着不产氧型的光合生物—PSBPSB是水域中重要的初级生产者. 从下图可知,光合细菌能在厌气和光照条件下，以多种硫化物或有机物作供氢体固定CO2根据调查,Green湖（1969）和Medicine湖（1972）的PSB层中，每年被同化的碳素量分别为240g/m2.年，和30g/m2.年，各占初级生产总量的85%和55%已知Green湖和Medicine湖具有光合作用活性的区域面积，分别为0.25Km2和0.125Km2，则它们每年由PSB同化的碳素量分别为60吨和3.75吨PSB在自然界硫素循环中占有重要地位,有人研究了在Belovod湖中Chromatium的垂直分布与各种环境因子的关系。
结果显示，该湖的湖底常有多量H2S产生，而Chromatium能利用H2S作为供氢体合成有机物，同时把H2S转变成S于是在水深14m处，氧分压很低的情况下，Chromatium大量生长，成层状分布，起着防止H2S向上层扩散的作用 据报道，主要由于红硫细菌和绿硫细菌的作用，能在20Km2的湖中，每年生成100吨硫磺在土壤中，光合细菌氧化分解硫化物的本领也对陆生植物起着解毒作用或保护作用例如，当水稻从营养生长进入生殖生长时，水稻根部的氧化力增强，使根圈呈厌氧状态这时硫酸还原菌迅速增殖，在水稻根际发生H2S以及腐胺、尸胺等的积累，从而使水稻根受到伤害如果此时光合细菌大量生长，便能除去上述毒物，对水稻生长发生十分有利的影响下图显示了R. capsulata在尸胺、腐胺培养基中的生长和尸胺、腐胺的消除Chromatium在Na2S培养基中的生长和H2S的消除PSB在水域N循环中的作用: 1.N素的同化作用, 2.有机N化物的分解作用, 3.固N作用, 4.反硝化作用,光合细菌的生理特征,光合细菌的色素及其作用 光合细菌的获能形式 光合细菌对碳源的利用 光合细菌对生长因子的要求,PSB的色素及其作用:,光合细菌的光合色素包括细菌叶绿素（BChl）和类胡萝卜素两大类。
PSB细胞内，光反应中心主要由BChl构成迄今为止分离到的BChl有5种，即BChl a、 b、c、d、e，它们都是含Mg的卟啉衍生物,都具有一定的吸收波长PSB的BChl及其吸收波长 BChl 吸收波长 （微米） BChl a 805，850~890 BChl b 835~850，1020~1040 BChl c 745~760 BChl d 725~745 BChl e 715~725 (把菌体分散在60%蔗糖溶液中测定),各种PSB都含有一定种类的BChl, 测定PSB细胞悬液的吸收光谱，分析该菌所含有BChl种类，可作为PSB分类鉴定的一种辅助手段 如一种着色菌含有BChl a，绿色红假单胞菌含有BChl b， 一种绿硫细菌含有BChl c，另一种绿硫细菌含有BChl d类胡萝卜素是PSB色素系统中的重要成分,类胡萝卜素的作用： 1.作为光合反应的辅助色素,把吸收的光能传递给细菌叶绿素； 2.光氧化的保护剂作用，即保护光合作用器官及BChl，使它们免受强光的伤害； 3.类胡萝卜素对菌体呈现的颜色起决定作用 迄今已分离的类胡萝卜素有30种以上这些色素的生物合成途径和影响因素大都已搞清，有可能成为一种十分理想的天然色素资源而得到开发利用。
光合细菌的获能形式多样,通过光合磷酸化作用产生ATP 通过氧化磷酸化作用产生ATP 通过发酵作用产生ATP 通过脱氮作用产生ATP,PSB主要通过光合磷酸化作用产生ATP 由天线色素复合物（含BChl和类胡萝卜素）吸收光并传递到作用中心作用中心的BChl（P890）在吸收光子后处于激发态，放出一个具有高能水平的电子该电子通过电子传递系统最终又由BChl+接受, BChl回复至基态在电子传递过程中与磷酸化偶联，产生ATP不同类型的光合细菌其获能形式有很大差异,其中仅有红螺菌科的菌兼有上述多种类型，也即它们既能在厌氧、光照条件下由光合磷酸化取得能量，又能在好氧黑暗条件下由氧化磷酸化取得能量，还有部分种类能在厌氧、黑暗条件下以发酵或脱氮的方式获得能量红螺菌科的菌（俗称红色非硫细菌）在进行光能异养生长时，它们细胞物质的碳素，大部分来自有机碳化物，其中醋酸盐是最大量地被利用的有机物所有的红色非硫细菌都能通过TCA循环进行醋酸的厌氧氧化而生成还原力：整个过程可概括为以下反应式： 9nCH3COOH —→ 4（C4H6O2）n +2n CO2 + 6nH2O 从该反应式可知，有机基质的近90 %被转变成了细胞的贮蒇物质。
红色非硫细菌在醋酸盐代谢中显示的碳素同化效率之高是惊人的其效率之所以高，是因为由醋酸生成乙酰~COA这一醋酸活化反应所需要的ATP，能通过环式光合磷酸化作用不断地得到供给光合细菌的环式光合磷酸化过程中既没有还原力NADH2（二磷酸吡啶核苷酸，CoI）产生，也没有分子氧放出PSB主要是从一些还原态的化合物如H2S, S2O3=或简单的有机化合物中获得还原力.同时要消耗ATP.因此PSB的生长比一般的异养细菌慢.,,红螺菌科的菌对有机物的利用范围因种而异，各具特征，利用这一点可进行分离菌株的简易鉴定 红螺菌科的菌要求生长因子的种较多对生长因子的要求因种而异如Rhodobacter sphaeroides要求硫胺素、烟酸和生物素；Rhodopseudomonas palustris要求对氨基苯甲酸PSB的碳源利用性和生长因子要求性,光合细菌菌体的营养成分,由于PSB富含多种营养物质和生理活性物质，可。