光合细菌的培养及应用

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1、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（photosynthetic bacteria,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（purple bacteria） 、绿细菌（Green bacteria）和日光杆菌属

2、（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 12 . 表 1 光合细菌菌体的组成与小球藻等比较Tab. 1 C

3、omponents comparison between photosynthetic bacteria and Chlorella P S B 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

4、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 3 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 P S B 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 2000500

5、0L 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 5106 个毫升；鄂春宇5 用塑料薄膜袋培养 PSB，培养密度达到 2.53105 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

6、、 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 % /(g.g-1) 粗蛋白 粗脂肪可溶性糖 粗纤维 灰分 VB1 VB2 VB6 VB12 烟酸 叶酸 维生素 光合细菌 65.15 7.18 20.31 2.78 4.28 12 50 5 21 125 30 65 小球藻 53.76 6.31 19.28 10.22 1.52 2.4 196 15 5.2 140 18 18-25 大豆 30.99 19.33 30.33 7.11 5.68 14.5 2.3 6.4 - 22 2.3 0.6 研究报告 28 生命科学仪器 2007 第 5 卷

7、/ 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:CaCL 2 0.3g，MgSO4 7H 2 O0.5g，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：2530最佳，光照强度：2000LX 5000LX，PH：7.58.5 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

8、 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

9、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 1520 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

10、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+ , Pb 2+ ，Ni2+ 和

11、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

12、。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

13、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， 电子供体或氢供体是有机物或还原态硫化物，因此光合 2 9 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

14、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

15、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

16、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