光合细菌的培养及应用技术

光合细菌的培养及应⽤技术

光合细菌的培养及应⽤技术

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（Greenbacteria）和⽇光杆菌属

（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1[2].表1 光合细菌菌体的组成

与⼩球藻等⽐较Tab. 1 Components comparison betweenphotosynthetic bacteria and ChlorellaP 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ω3 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PSB 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2000～5000L 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5 × 106 个／毫

升；鄂春宇[5]⽤塑料薄膜袋培养PSB，培养密度达到2.5～3×105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、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]。

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:CaCL2 0.3g，MgSO4·7H2O0.5g，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：25℃～30℃最佳，光照强度：2000LX～5000LX，PH：7.5～8.5 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 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，⽆论是成活率还是产量和质量上都有显著提⾼[8]。PSB 菌体⽆毒，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15～20 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。与化学药品和抗⽣素相⽐，PSB中含有Q 1 0 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，P S B 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+,Pb2+，Ni2+ 和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]。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；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Ⅰ，电⼦供体或氢供体是有机物或还原态硫化物，因此光合作⽤不产⽣O 2 ，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 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 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 现状讨论

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，已获得成功，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。