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1、光合细菌(PSB)的应用研究进展 光合细菌（PSB）的应用研究进展 The progress in application research on photosynthetic bacteria 李福枝刘飞曾晓希李小龙张凤琴 LI Fu-zhi LIU Fei ZENG Xiao-xi LI Xiao-long ZHANG Feng-qin （湖南工业大学绿色包装与生物纳米技术应用省重点实验室，湖南株洲412022）(The Green Packing and Biology Nanometer Technology Application Laboratory,Hunan Universit
2、y of Technology,Zhuzhou,Hunan412022，China) 摘要：着重阐述光合细菌的分类、结构形态、菌体营养组成及在有机废水处理、光合产氢、生物制药、类胡萝卜素提取、辅酶Q提取、单细胞蛋白和水产、禽蓄养殖等方面的应用研究现状及前景。 关键词：光合细菌；废水处理；类胡萝卜素；光合产氢；单细胞蛋白；水产养殖 Abstract:The classification,morphological structure and triphic component of the photosynthetic bacteria were reviewed.And the current
3、 application of photosynthetic bacteria was reviewed in seven aspects of treatment of organic wastewater,hydrogen photo production,medicament biologic production,carotenoids extraction,coenzyme Q extraction,single cell protein(SCP)production,fishery culture and livestock culture. Keywords:Photosynth
4、etic bacteria；Treatment of organic wastewater；Carotenoids； Hydrogen photo production；Single cell protein；Fishery culture 基金项目：湖南省教育厅资助项目（项目编号：06C258） 作者简介：李福枝（1978-），女，湖南工业大学绿色包装与生物纳米技术应用省重点实验室讲师。 E-mail:li-fu-zhi 通讯作者：刘飞 收稿日期：2022-09-28 光合细菌(Photosynthetic Bacteria，PSB)是自然界中重要的微生物类群，广泛存在于自然界的水田、湖泊、
5、江河、海洋、活性污泥及土壤中，因其具有固氮、产氢、固碳、脱硫、可氧化分解硫化氢、胺类及多种毒物的能力，而且具有生命力极强、营养要求低、生长繁殖快、无毒害性、富含蛋白质、类胡萝卜素、维生素、能净化水质等特点，被广泛应用到水产养殖、禽蓄养殖、污水处理、生物产氢、生物制药、生物色素提取等方面，成为现代生物技 术研究的热点之一。 1光合细菌的定义和分类 光合细菌(Photosynthetic bacteria，PSB)是一类能进行光合作用而不产氧的特殊生理类群的原核生物的总称。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，广泛存在于自然界中，在腐败有机物质浓度高的水域中更为常见。 根据在光合作用
6、过程中是否有氧气产生，可以把光合细菌分为产氧光合细菌(oxygenic photosynthetic bacteria)和不产氧光合细菌(non-oxygenic photosynthetic bacteria)2大类群。蓝细菌为产氧光合细菌的典型代表；不产氧光合细菌是一个形态、生理和系统上多样化的类群例,主要包括着色杆菌（Chromatiaceae）、外硫红螺菌(Ectothiorhodospiraceae)、紫色非硫细菌(Purple nonsulfur bacteria)、绿色硫细菌(green sulfur bacteria)、多细胞丝状绿细菌(multicellular filame
7、ntous green bacteria)、螺旋杆菌(Helicobacteraceae)、含细菌叶绿素的专性好氧菌等7大类群1。 光合细菌最初由Ehrenberg于1836年发现，并注意到有2种光合微生物的生长与光、H 2 S的存在有关，其次是1883年En-Gellman证实该菌进行光合作用。Van Nile于1931年提出了光合作用的共同反应式，用生物化学统一性的观点解释了光合成现象。2O世纪6O年代科学家开始大力研究光合细菌在废水处理、饲料添加业方面的应用，从而大大推动了光合细菌的研究进展24。 2光合细菌的形态结构 光合细菌都是革兰氏阴性菌,其形态多样：有单细胞和多细胞；有半环状、杆
8、状、球状、螺旋状和卵圆形。在运动方面有通过鞭毛运动的，有滑行运动的，或者不运动的。一般细胞直径大小为0.55m,主要以二分分裂方式进行繁殖,少数为出芽生殖。一般没有形成芽孢的能力。 光合细菌体内没有叶绿体和类囊体，但是具有双层膜的类似叶绿体的结构，在此结构中有类似于植物叶绿素a的光合色素，即细菌叶绿素，有的还有大量的类胡萝卜素。细菌叶绿素和类胡萝卜素的光谱吸收分别为7151050nm和450550nm。 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，绿色植物和藻类的光 合作用一般是将CO 2转化为葡萄糖并放出O 2 ，光合细菌一般没有O 2 产生，有时会产生H 2 。大部分 光合细
9、菌还能以厌气的硫还原菌所产生的H 2S、CO 2 为营养源进行光合生长。光合细菌在自然水 域的厌气层和好气层都发生碳素循环；在厌气层中光合细菌除参与碳素循环外,还参与硫循环5。 3光合细菌菌体的营养成分 光合细菌营养成分十分丰富,见图1和图2。从图1可看出，PSB菌体含有65.45%蛋白质, 7.18%脂肪,2.78%粗纤维,20.31%可溶性糖,4.28%灰分。PSB蛋白水解后氨基酸含量丰富，其中Asp、Thr、Ser、Glu、Gly、Ala、,Val、Met、Ile、Lue、Phe、Lys、His、Arg、Pro、Tyr含量分别在2.5%12.5%之间6 。从图2可看出，PSB菌体含有丰富
10、的B族维生素,其中维生素B 12含量为21ug/g，是酵母的200倍7。PSB菌体还含有辅酶Q 10、类胡萝卜素,其中辅酶Q 10的含量分别为酵母、菠菜叶和玉米幼芽辅酶Q 10的含量的13、94和82倍。PSB菌体光合色素由细菌 叶绿素(Bch1)和类胡萝卜素（Carotenoids）组成,现已发现的细菌叶绿素有a、b、c、d、e 5种,每种都有固定的光吸收波长；迄今已发现PSB菌体的类胡萝卜素有80多种,其中包括螺菌黄素、玫红品、球形烯、番茄红素、叶黄素等。PSB中不同的菌株所含的类胡萝卜素的种类不同,俞吉安等8研究发现从浑球红假单胞菌中提取的类胡萝素主要是-胡萝卜素,而从夹膜红假单胞菌中提
11、取的主要是番茄红素。 图1菌体成分含量图2菌体维生素含量 4光合细菌的应用 4.1利用光合细菌来处理有机废水 光合细菌可在黑暗好氧和光照厌氧条件下合成与代谢,所以利用光合细菌来处理高浓度有机废水,比生物好氧法和厌氧发酵法有以下优势:可直接用来处理高浓度有机废水、不存在污泥处理问题、可综合利用作饵料和肥料、所需场地少费用低。研究表明9：光合细菌不仅对多种有机物有较强的分解转化能力,而且还耐受紫外线，对氯、盐分、及氰、酚毒物耐性较强,可在恶劣条件下处理有机废水。郭养浩等10采用固定化光合细菌转盘式生物反应器，在预酸化厌氧好氧串并联工艺条件下处理味精废水，COD去除率达92%。俞吉安11发现：光合细
12、菌对生产柠檬酸的废水有很强的降解能力。试验研究表明12：光合细菌对化学需氧量（COD） 为52840mg/L的豆制品废水处理12h后，去除率达92.7%；对COD为3860mg/L的淀粉废水处理72h后，去除率达99.5%。黄宝兴等13以海藻酸钠为固定化基质,蒙脱石纳米材料为基质添加剂，将海洋光合细菌固定，研究它对生活污水的降解情况。结果发现生活污水中的氨氮、总氮和总磷的处理率最高分别为87.68%,70.95%和71.90%。郑卓辉等14对光合细菌净水剂及光合细菌菌肥菜心杀虫剂残留物的降解情况进行了研究，结果发现当菜心喷施杀虫剂23d 后,喷施光合细菌净水剂60倍,可使毒性残留期较长的三唑磷
13、有效地降解；喷施光合细菌菌肥60120倍,可使杀虫剂明显降解散。 目前废水治理系统常用活性污泥法、生物膜法和厌氧法。活性污泥法和生物膜法所需的机械化程度高,维护管理复杂,占地面积大,而且只能用于处理低浓度有机废水。厌氧法虽能处理高浓度有机废水,但处理时启动慢,对温度要求也高15。光合细菌能以多种的有机酸和醇类等有机化合物作为光合作用的供氢体和碳源,而且能耐受高浓度有机物,并具有较强的分解和去除有机物的生理特性。因此,在自然光照和微好氧条件下,能对许多高浓度有机废水进行高效率的处理,并且在处理前不需对废水进行稀释。与活性污泥法、生物膜法和厌氧法相比,光合细菌处理法具有节约电能、水源、设备及运转费
14、用等优点,而所得的副产品菌体污泥可综合利用,作为鱼和家畜的饵料,或做为种植业肥料，不造成二次污染。王剑秋16等采用序批式紫色非硫光合细菌法(PNSB-SBR)处理高浓淀粉废水，在进水淀粉废水化学需氧量(CODcr)浓度为5000mg/L,运行周期为48h,微好氧、恒温30光照条件下,出水CODcr浓度为5001000mg/L,其去除率达到70%90%。污泥产率约为每kgCOD可产出0.4kg可挥发性悬浮颗粒物(VSS),菌体蛋白含量达到30%50%,同时蛋白质产率约为每千克COD可产出0.20.4kg菌体蛋白(SCP)。周树礼17以光合细菌(PSB)为主要材料，并配合投加鱼类，对水生态系统生物
15、修复提出了“PSB+受损水生态+鱼类+水生植物”修复模式，结果发现在PSB的作用下，相对封闭的水体可在短时间内有效地分解消耗水体中有机污染物质、提高溶解氧、促进水生植物的生长，修复水体食物链及生态系统平衡系统。另外,光合细菌处理废水还可以与光合产氢结合起来,以便在处理废水和获得单细胞蛋白(SCP)的同时,得到新能源18。 目前,利用光合细菌处理有机废水的行业中已成功投产的有：豆腐加工、水产品加工、制氨工业和酵母工业的工业废水的处理,试验中取得显著成效的有养猪业、羊毛洗涤业、淀粉工业、柠檬酸工业、罐头工业、豆腐工厂、啤酒厂、生活污水、屠宰场、油脂工厂等的废水的处理19。国内应用光合细菌法最多的是华东地区如上海豆制品厂、浙江轻工研究所及上海交通大学在这方面有较多的研究。 用光合细菌法处理高浓度有机
