光合细菌应用的研究进展(综述)

1、光合细菌应用的研究进展（综述） 学院：生物工程 学号：142085238002372 姓名：赵文良光合细菌应用的研究进展（综述）（生物工程学院，赵文良，142085238002372）【摘要】光合细菌是自然环境中一类能进行光合作用的特殊微生物，它含有丰富的营养，能产生各种活性物质，在人类生活的许多方面发挥着重要的作用。本文综述了近年来从农业生产、水产养殖、畜牧业、废水处理、保护环境、新能源等方面介绍了其应用进展和前景,为光合细菌的综合开发和利用提供了应用参考。【关键词】光合细菌；应用；研究进展；综述引言光合细菌（Photosynthetic bacteria，PSB）是一类能进行光合作用而不产

2、氧的特殊生理类群的原核生物的总称1，是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物,在分类地位上,属于细菌门、真细菌纲、红螺菌目2。光合细菌为革兰氏阴性细菌，不能形成芽孢，其形态非常多样，主要有球状、杆状、螺旋状和卵圆形。在光合细菌中，许多菌种具有运动性，能运动的菌种，多数有极生菌毛，极少数有周生鞭毛，也有以滑行的方式运动的菌种。光合细菌含有类胡萝卜素和细菌叶绿素，细胞色素、泛醌和铁氧化还原型的非血红素铁蛋白。随光合细菌种类和数量的不同，菌体呈现不同的颜色。一般来说，每种光合细菌的颜色在固定培养的条件下具有特征性。因此，可以通过细菌细胞悬液的吸收光谱来鉴定菌种。现已知的光合

3、细菌共分有着色杆菌科、外硫红螺菌科、紫色非硫细菌、绿色硫细菌、多细胞丝状绿细菌、螺旋杆菌科、含细菌叶绿素的专性好氧菌等7大群共约50个属，而且不断有新种发现。光合细菌具有多样的生理类型，为细菌中最复杂的菌群之一。光合细菌广泛分布于海洋、湖泊、水田、污泥等环境中，在不同的自然环境下，它能表现出不同的生理生化功能，如固氮、固碳、脱氢、硫化物氧化等，在自然界的物质循环中起着重要的作用。光合细菌生命力强，容易培养，生长繁殖速度快，本身无毒，富含蛋白质、维他命、类胡萝卜素等3。PSB营养价值高、组分全，作为饲料、饵料、肥料，已经得到工业化应用4。20世纪60年代，研究者发现可以用多种废水生产光合细菌，在

4、处理污染物的同时低成本地获得光合细菌5。这些微生物在其生长过程中能够利用许多有机物，并能降解和利用化肥及农药产生有用分泌物质。它独特的代谢方式和代谢产物使其广范应用于环境治理、农业、水产养殖业、畜牧业、新能源开发利用、医药等应用领域，具有十分广阔的前景6。一、光合细菌在农业生产中的应用光合细菌是自然界中重要的微生物类群，它与其他光合生物一起构成了自然界生态系统中的原始生产者。在厌氧光照条件下，光合细菌以氢或有机物为供氢体，固定二氧化碳进行光合作用，也利用低级脂肪酸、醇及某些芳香族化合物作为碳源进行光合作用；同时光合细菌具有固氮、氧化分解硫化物和胺类等有毒物质的生理生态特性。光合细菌在其所处环境

5、的碳循环和物质的转化中起着重要作用，因此光合细菌在农业上的应用已成为近年研究利用微生物资源的重要内容。光合细菌在改善植物营养、增加土壤肥力和抑制病原微生物生长等方面均有重要作用。主要表现在：光合细菌所产生的许多促生长因子、维生素、辅酶Q和光合色素等，可激活植物细胞的活性，提高作物光合作用的能力；光合细菌在固氮酶的催化作用下，能固定分子氮，生成氨，而且还能与其它根瘤菌联合固氮，提高作物的固氮能力；光合细菌富含脯氨酸、尿嘧啶和胡萝卜素等营养物质，可以促进花芽形成、果实膨大和作物早熟；光合细菌能有效降解或氧化土壤中的残留农药、硫化氢和胺类等有毒化合物，对土壤起一定解毒作用，提高作物抗毒、抗病能力，保

6、证农副产品的质量。光合细菌还能促进作物对各种养分的吸收，从而使植物体中各种必需元素的含量增加，这些必需元素是植物体中各种酶的激活剂，它们的增加能促进蛋白质、纤维素等物质的合成，从而能提高作物的产量和抗病能力。光合细菌在农业生产中的应用对发展无公害生态农业生产具有重要意义，应在农业生产上大力提倡7。光合细菌是一种优质的微生物生物肥料。它具有固氮功能，能为植物提供氨基酸和核苷酸等物质，同时能提高植物抗病性和消除有害自由基及能改善土壤肥力的结构，并且含有能促进植物生长的物质，目前研究证明它在提高农作物产量、改善农产品品质、提高农作物抗病毒活性、延长果品储存期、改善土壤微生物群和促进作物对土壤养分的吸

7、收、减轻农药对农作物的毒害和降解残留农药等诸多方面具有良好的作用。另外，它具有抗病抗逆性，具有明显的增产、提质、增效的作用。目前国内外近年来对光合细菌在农业上的应用范围颇为广泛，并已取得许多喜人的成果。二、光合细菌在水产养殖中的作用光合细菌的菌体没有毒性，细胞中富含蛋白质和维生素，以及含有大量的类胡萝卜素及辅酶Q等生理活性物质，具有很高的营养价值，同时，光合细菌具有个体小、营养价值高和易于消化吸收等特点，使其能作为水产养殖生物的饲料和饲料添加剂，促进鱼类的生长，且具有明显的增产效果。此外，PSB 能改善养殖鱼类胃肠道有益菌群的组成，达到生态防病的目的。目前光合细菌被广泛应用于鱼类、虾类及贝类等

8、养殖和育苗上。值得注意的是，光合细菌中相对缺乏W3系列的二十碳以上的高度不饱和脂肪酸，若单独作为鱼、虾、贝等幼体的初期饵料时，最好与其他富含高度不饱和脂肪酸的饵料同时使用，可以增加生物的存活率和产量8。光合细菌能有效利用养殖水体的有机物作为自身繁殖的营养源通过各种代谢途径，能有效地降低养殖水体中的NH4+、NO3-、H2S 等有害物质的浓度，增加水体溶氧量，同时还能分解水产动物的饵料及粪便，促进藻类和浮游动物数量的增加，起到保护和净化水体水质的作用，以稳定养殖环境9。目前，光合细菌作为养殖水质净化剂，已普遍地投放于养虾池和养鱼池中，以改善水质，并取得了明显效果。光能异养菌不能分解利用水环境中的

9、大分子有机物，在净化水质时应与能降解有机大分子物质的异养菌混合使用。此外，光合细菌因其适应力和繁殖力很强，能竞争性抑制并代替了病原菌，同时含有抗病毒因子等多种免疫促进因子，可活化机体的免疫系统，使机体表现出抵抗疾病能力的功能。光合细菌不宜与化学消毒剂同时使用，以免化学消毒剂将光合细菌也杀灭10。三、光合细菌在畜牧业中的应用光合细菌菌体是一种优质蛋白源：含有多种氨基酸，同时含有丰富的维生素、辅酶Q、抗病毒物质和生长促进因子，能促进动物的生长发育；光合细菌还含有多种免疫因子和促生长因子，能提高动物的免疫力；它还能分泌多种消化酶，促进饲料的消化和吸收，提高饲料利用率。作为畜禽饲料的添加剂，光合细菌不

10、仅能够提高产品的产量，而且能够提高产品的质量。曾有研究表明光合细菌作为饲料添加剂饲喂奶牛有很好的增产效果11。光合细菌中的荚膜红假单胞细胞壁中含有的多糖类物质，能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。光合细菌还具有很强的抑制有害菌生物的功能，进入肠道后可改善菌群平衡状态，并可刺激肠道蠕动,提高消化吸收率，促进废物毒物排泄。光合细菌还可以将非蛋白氮合成氨基酸和菌体蛋白，同时还可产生分解硫化氢的酶类，降低粪便中的氨和硫化氢等有害气体浓度，用于处理畜禽的粪尿，净化环境12。四、光合细菌在废水处理中的应用光合细菌以其无毒、繁殖快、易人工培养、适应能力强且对环境不产生二次污染等优点而在水

11、污染治理中受到重视13。光合细菌处理有机废水有诸多优势：可直接处理生化需氧量高达10000mg/kg以上的高浓度有机废水，其所得到的副产品，即菌体污泥，富含蛋白质，可作为鱼虾饵料，不造成二次污染。占地面积少，费用低。易管理，不存在污泥处理问题。可利用光合细菌有效处理的有机废水包括羊毛洗涤加工、染料加工、淀粉加工、啤酒厂、豆腐加工、生活污水、油脂加工等各类废水14。光合细菌在废水处理中的应用始于1960年，但大多数研究者都是利用光合细菌处理有机废水，在重金属废水治理方面的研究还相对较少，考虑到光合细菌是一种自养生物，繁殖速度快、易于人工培养，同时其适应能力很强，即使在恶劣环境也能生长繁殖，因此利

12、用光合细菌治理营养条件较为缺乏的重金属废水对于实现重金属废水生物处理过程的连续化无疑是一种不错的选择。光合细菌是一种普遍存在的且去除废水中重金属能力较强的微生物。研究光合细菌富集重金属离子的作用机制，利用现代分子生物学手段对光合细菌进行分子改造以获得对重金属离子具高富集容量、高选择性的高性能菌株，并以此为基础开发优化合理的重金属废水生物处理工艺，必将促使光合细菌在重金属废水生物处理领域中获得更广泛的应用。五、光合细菌在保护环境中的应用在不同的环境下，光合细菌具有放氢、固碳、固氮、硫化物氧化等多种功能，在自然界的碳、氮、硫循环中起着十分重要的作用。光合细菌独特的生理功能及丰富的代谢多样性，使得其

13、在环境修复方面具有很大的潜力，对环境污染的治理和调控有着重要意义。对受重金属污染的土壤，已有研究表明光合细菌可以降低土壤中的重金属毒性，吸附积累重金属，改善环境。目前有机磷农药对于防治农业生产中的病虫害具有方便、高效等优点，被广泛生产和使用，但是有机磷农药残留问题直接威胁到人类的生存和可持续发展15，因此解决环境中存在的农药残留一直是国内外关注的焦点。近年来，利用光合细菌降解有机磷农药残留的研究取得了一定的成果。光合细菌对有机磷农药的降解属于微生物降解，其作用方式大致可以分为两大类：一类是光合细菌直接作用于有机磷农药，通过一系列的酶促反应降解有机磷农药，这也是微生物降解有机磷农药比较普遍的作用

14、方式。另一类是通过光合细菌的活动改变物理和化学的环境而间接的作用于有机磷农药。微生物间接作用于有机磷农药一般是通过矿化作用、生物浓缩作用或累积作用、共代谢作用或其他的间接作用。目前光合细菌对降解有机磷农药残留、保护环境方面做出了巨大贡献。六、光合细菌在新能源开发中的应用随着人们环保意识的增强以及现有资源的日益短缺，氢能作为一种清洁高效的能源越来越受到人们的重视。氢能源由于清洁、高效、可再生，被认为是未来经济发展的理想绿色能源之一。目前,获取氢气的主要方法是化石燃料重整制氢、电解水制氢和生物产氢。生物产氢技术因具有低能耗、低成本、无污染和可再生等突出优势而引起广泛关注16。近年来，利用微生物生产

15、清洁的氢能源已成为研究的热点。光合细菌可降解有机物转化太阳能为氢能，且具有产氢不放氧、产氢效率高、产氢纯度高，对太阳光谱有宽的响应范围等优点，而且还可以将光合细菌与其他微生物形成共同体系，增加产氢量，延长产氢时间，提高产氢效率16，并且该技术能够将光能利用、氢能制备和有机物去除有效地结合在一起,是一种极具发展潜力的氢能生产技术。到目前为止,人们在利用光合细菌产氢的理论和技术方面取得了很大进展,建立了许多重要理论和相关实用技术。然而,光合细菌产氢的研究仍然处于初级探索阶段,大多研究仍采用纯培养和细胞固定化的技术方法,研究规模处于实验室水平。七、光合细菌在其它方面的应用光合细菌含有丰富的营养成分和

16、生物活性物质，使其具有延缓衰老，抑制肿瘤，抗氧化，免疫调节及调节血脂的等显著功效，在医药保健业中被开发成多种保健食品。光合细菌菌体细胞含有丰富的菌绿素和类胡萝卜素，是天然色素的新资源。这些色素无毒，易提取，色彩鲜艳，有光泽，且具有防水性，可作为食品着色剂和添加剂，亦可用于化妆品的生产。八、光合细菌应用的发展前景光合细菌作为一种营养丰富的光能自养菌，在人类生活的许多方面都具有重要作用，并且已经在世界上许多国家得到广泛应用。光合细菌已成为现代生物技术研究的重点，在诸多方面得到了一定的应用，如农业生产、水产养殖、畜牧业、废水处理、环境保护、生物制氢等。随着生物技术的飞速发展及人们对光合细菌基因组、功

17、能基因组等方面的进一步研究，对光合细菌重要基因功能的掌握，将使光合细菌在多领域产品研发和应用上取得巨大进展，从而更大程度地为人类服务。参考文献1张光明,赵微.光合细菌内高价值物质研究进展J.东北农业大学学报,2013,(7): 156-160.2唐雅琴,黄兵,刘仪柯.光合细菌微生物产氢研究进展J.安徽农业科学,2009,(2): 466-468.3 Zhao Z，Hu Z，NieX，etalA novel Rhodobactersphaeroides expression system for real-time evaluation of heterologous protein expre

18、ssion levelsJ ProteinPept Lett，2011，18( 6) : 568-5724Shukla Y R, Thakur A K, Joshi A. Effect of inorganic and bio-fertilizers on yield and horticultural traits in tomato J. Indian Journal of Horticulture, 2009(1): 285-287.5Dai X, Zhang G M. Brewery wastewater treatment and resource recovery by photosynthetic bacteria Z08 J. Journal of Harbin Institute of Technology, 2010(1): 937-940.6陈培林.光合细菌应用的研究进展J.科技信息,2009,(22):71-72.7王慧娟,付小兰,刘祥丽.光合细菌在农业生产上的应用研究进展J.安徽农学通报, 2013,(4): 26-27,42.8杨绍斌,张永红.光合细茵简易富集技术及在北方养鱼中的应用J.水产养殖,2005，26(1):22-239张鹏,陈玉春,刘敏等.光合细菌对观赏鱼养殖水体净化作用的研究J.水产养殖,2008(5):31-33.10Wang Y B