光合细菌及其在农业中的应用

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1、光合细菌及其在农业中的应用 光合细菌及其在农业中的应用 光合细菌（Photosynthetic Bacteria，略作PSB）是一大类能进行光合作用的原核生物的总称。除蓝细菌外，都能在厌氧光照条件下，进行不产氧的光合作用。 根据“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（Gr

2、een 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。 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。以下就光合细菌的主要性状、在农业等领域的应用、方法、作用原理等，作一

3、简要介绍。 一、光合细菌的主要特征 1光合细菌的形态学特征 PSB培养物的颜色 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。除少数例外，一般说来，红螺菌科和着色菌科的菌呈红、粉红、橙黄、紫色或茶褐色；绿菌科和绿色丝状菌科的菌呈绿色。 红螺菌科和着色菌科的的培养物之所以呈现有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。 每个菌种各有自己的颜色，但由于培养条件的不同，其颜色会发生变化。例如，球形红菌（Rhodobacter sphaeroides）和荚膜红菌

4、（Rhodobacter capsulatus）的厌氧液体培养物呈茶褐色，半好氧培养物呈红色。这是由于氧的存在使细胞内类胡萝卜素组成发生变化的缘故。 PSB细胞形状与大小 PSB菌体形态极其多样，有球状、卵状、杆状、弧状、螺旋状、环状、半环状、丝状，以及链状、锯齿状、格子状、网篮状等等。不仅不同的菌种有多种多样的形态，就是同一种类也往往由于培养条件和生长阶段等不同而使细胞形态发生变化。尽管如此，许多菌种在细胞形态上仍然是各具特征的。如球形红菌（Rhodobacter sphaeroides）的细胞为球状；红微菌属（Rhodomicrobium）细菌的细胞丝相连；绿突菌属（Prosthecoch

5、loris）的细胞为具突起之球菌等等。 细胞的大小因种类不同而变化很大。如Rhodocyclus gelatinosus在0.40.5*12微米，Chromatium okenii的细胞则大得多，大体在4.56.0*310微米。一般说来，红螺菌科细胞的大小为0.60.7*110微米；着色菌科细胞大小为13*215微米；绿菌科细胞大小为 0.71*12微米。 光合作用器官 PSB的细胞内存在着载色体（chromatopheres）或绿菌泡囊（chlorobium vesicles），光合色素是它们的基本组成部分。它们是光合细菌吸收光能并转变成化能，即进行光合磷酸化作用的所在部位。 载色体由细胞膜

6、陷入细胞质内而形成，与细胞膜成连续的状态。在红螺菌科和着色菌科 的细菌体内，载色体因菌种不同而分别呈小胞状体、薄片状或管状。绿菌泡囊是绿菌科和绿丝菌科的菌种细胞内的光合作用器官，它分散地附着于细胞膜下，是由一层膜包起来的、独立存在于细胞内的小胞状体。 运动方式 红螺菌科与绿丝菌科的菌具运动性，绿菌科的菌为非运动性，着色菌科中的菌种两者都有。那些具有运动性的菌种往往由于温度、光照强度、pH等等培养条件的变化而可成为非运动性的。 大多数菌的运动都由鞭毛运动而产生。多数为极生鞭毛，如度光红螺菌（Rhodospirillum photometricum）和奥氏着色菌（Chromatium okenii

7、）等具有较粗的囊状的极生鞭毛。也有少数为周毛，如红微菌属（Rhodomicrobium）的新生细胞即以周生鞭毛运动。此外，还有滑走运动和痉挛式（jerky movement）运动类型。如绿丝菌（Chloroflexus）即以滑行运动方式进行运动。 分裂方式 PSB的绝大多数种类都以2分裂进行繁殖，仅有少数例外。一种例外是出芽分裂方式，子细胞与母细胞之间有柄相连。如范尼氏红微菌（Rhodomicrobium Vannielii）和沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）等菌种。后者进行出芽繁殖时，其母细胞于鞭毛的相对极处产生纤细的管子，管子末端膨大形成芽体，子细胞与

8、母细胞同样大小，两者又发生不同步的分裂，结果形成玫瑰花饰的细胞丛。还有一种例外的分裂方式是进行极性伸长分裂（polar clongation），可见于绿菌科的暗网菌属（Pelodictyon）。 2光合细菌的生理特征 PSB的色素及其作用 PSB在自然界生态系统中，与其他光合生物一样是初级生产者，具有固定太阳能、同化CO2、制造有机物的本领。这是一个通过光合磷酸化作用将光能变成化能的过程。该过程需要光合色素作媒介。与蓝细菌和真核光合生物不同，光合细菌的光合色素包括细菌叶绿素和类胡萝卜素两大类。 细菌叶绿素（Bchl） Bchl是PSB中主要的光合色素，它不仅是光合反应中心的主要成分，而且与类胡

9、萝卜素等共同构成天线色素复合物。当天线色素复合物吸收光并传递到光合作用中心时，那里的Bchl分子便吸收光子处于激发状态，进而放出具有高能水平的电子，通过电子传递系统的传递，最终又由Bchl*接受而回复至基态。在电子传递过程中与磷酸化作用相偶连而产生ATP。（见图） 迄今为止，分离到的Bchl有5种（Bchl.a、b、c、d、e），它们都是含镁的卟啉衍生物。各种Bchl都具有一定的吸收波长。（见表）已知红螺菌科和着色菌科的菌大多数含有Bchl.a，少数为Bchl.b；绿菌科的菌除含有Bchl.a外，还含有Bchl.c、d、e中的一种；绿丝菌科的菌则含有Bchl.a和Bchl.c。通过测定PSB的

10、吸收光谱，可以分析出该菌所含Bchl的种类，为菌种鉴定提供一定依据。 .类胡萝卜素 类胡萝卜素是PSB色素系统中的重要成分。它的作用有三：其一，是作为光合反应的辅助色素，把吸收的光能传递给Bchl。其二，是起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。第三，类胡萝卜素的组成成分和数量多少，影响吸收光谱波长，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多已搞清，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。 PSB的环式光合磷酸化 Cyt.b ADP+Pi 光ATP （把菌体分散在60%蔗糖溶液中测定） P

11、SB的获能形式 PSB的获能形式有以下几种类型： 通过光合作用获得能量 只要供氢体和碳源合适，所有的PSB都能在光照厌氧条件下，通过光合磷酸化过程获得能量。 通过脱氮或发酵获得能量 这是红螺菌科的某些种所具有的一种获能方式。 通过好氧呼吸作用获得能量 这是在有氧条件下进行的，从有机物的氧化磷酸化中取得的能量。 不同类型的PSB其获能形式有很大差异，其中仅有红螺菌科的菌兼有上述三种类型。 另外，PSB在利用光能进行光合反应时，由于用以还原CO2的供氢体的不同，可把它们的光合反应归纳为三类：一类以H2S为还原CO2的供氢体；另一类以硫代硫酸盐为还原CO2供氢体；再一类以有机物为供氢体。 光合细菌供

12、氢体的差别，乃是分类上的重要特征。红螺菌科的菌尽管在H2S浓度很低时也能利用H2S，但总的说来它们是利用有机物作为供氢体的；着色菌科和绿菌科的菌则只能利用H2S和其他硫化物作为供氢体；绿丝菌科光合反应的供氢体，既可利用有机物，又可利用硫化物。 光合细菌对碳源的利用 着色菌科和绿菌科的菌能在光照厌氧条件下，利用CO2为主要碳源，以还原态的无机化合物（如H2S）作为电子供体，固定CO2，进行光能自养生长。红螺菌科的菌则主要以各种有机物，尤其是还原性的低分子有机物作为供氢体，在光照厌氧条件下进行光能异养生长。绿丝菌科的菌为兼性营养型，它们对CO2和有机物都能很好地利用。 红螺菌科的菌在进行光能异养生

13、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。但当被同化的有机物比细胞物质处于更低的还原态时，必须同时发生CO2的还原同化，以吸收来自有机质的过剩电子，否则就不能保持氧化还原的平衡。这从红螺菌科的菌对醋酸与丁酸的代谢中得到证明。 一般说来，红螺菌科的菌在光照厌氧条件下同化CO2，而在黑暗好氧条件下则通过有机物的氧化进行异养生活。以醋酸为例，在光照下进行光合作用时，它是光合反应的供氢体：CH3COONa+H2O+CO22（CH2O）+NaHCO3 在暗处进行异养生长时，醋酸盐则为氧化同化作用的基质： CH3COONa+O2（CH2O）+NaHCO3 红螺菌科的

14、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。 PSB对生长因子的要求 红螺菌科的菌要求生长因子的种较多，它们对生长因子的要求因种而异。如球形红菌（Rhodobacter sphaeroides）要求硫胺素、烟酸和生物素；沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）要求对氨基苯甲酸。着色菌科和绿菌科的菌不要求生长因子。但也有例外，如奥氏着色菌（Chromatium Okenii）需要维生素B12，培养基中缺少这种生长因子，它就不能生长。 3PSB在生态系统中的地位和作用： PSB的分布 PSB的分布非常广泛，无论在土壤，还是淡水、海水中

15、都有它的分布，甚至在高大900C 的温泉中，在终年冰封的南极海岸上，在含盐量达30%的盐湖里，也都曾找到它们的踪迹。下表是从各种生境取样测定得到的每克样品中的PSB（主要为红色非硫细菌）数。由表可知，PSB的生存量与生境中有机物含量的多少密切相关。在BOD1ppm的河流里，PSB数在10个或10个以下；在BOD高达250ppm的水沟及活性污泥法的污水处理系统中，PSB数量可达到106107/g。可见随着环境中有机物浓度的增加，PSB数量也可能相应地增多。 各种试样中的红螺菌科光合细菌数（每克样品） 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