光合细菌的资源开发与利用

光合细菌的资源开发与利用

学院：经济与管理学院 专业;国际经济与贸易 姓名：冀凯霞 学号：20111520

摘要：光合细菌作为一种厌氧菌，本身含有多种营养物质和生理活性物质，具有进行光合作用、发酵以及固氮、产氢等功能，近几十年来受到世界的广泛关注。 既有理论意义又具有实用价值，特别是它在废水处理、生物产氢、生物制药、水产养殖和农牧业的生产中的广泛应用，使其成为现代生物技术研究的热点之一。

关键词：光合细菌；应用；研究

光合细菌(photosynthetic bacteria,PSB)是自然界中的一类水圈微生物，广泛分布于湖泊、海洋、土壤中，是地球上最古老的生物之一。

人类对光合细菌的认识始于19世纪30年代。1836年，Ehrenberg发现两种能够使沼泽、湖泊等水体颜色变红的微生物，且其生长与光、H2S的存在有密切关系。1883年Engelmann根据此类“红色细菌”聚集生长在波长与细菌细胞内色素的吸收波长相一致的光线下这个事实，从而认为它们能进行光合作用。Van Niel于1931年提出光合作用的共同反应式，用生物化学统一性观点解释生物的光合成现象，为现代光合细菌研究工作奠定了坚实的基础。1987年，在中国上海成功召开了第一届中日光合细菌国际学术会议，大大推动了光合细菌的研究和应用的发展。

1 PSB的分类

根据《伯杰细菌鉴定手册》第8版，将PSB分为2大类：蓝细菌(门)和红螺菌(目)，其中可进行光合作用而不产氧的红螺菌又可分为3个科(红螺菌科、着色菌科和绿菌科)，18个属 。

2光合细菌的特性

光合细菌都富含菌绿素和类胡萝卜素,在光照下能利用硫化氢、硫代硫酸盐、分子氢或其他还原剂,把二氧化碳还原成有机物,经细菌型光合作用,将CO2还原成有机营养物,并能固定大气中的氮。目前所知,所有的厌氧性光合细菌都能光合自养生长。同时这些细菌也能利用有机物进行异养生长。

PSB含有较高的优良蛋白质，维生素和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。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Q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 。研究表明,光合细菌在环保、农业、水产养殖、医药等方面均有较高的应用价值。下面着重就光合细菌目前的开发应用动态作一概述 。 2.1利用光合细菌处理高浓度有机废水

光合细菌在污水处理中的应用始于1960年代。当时,日本科学家小林正泰等人发现高浓度有机废水在自然界的自净过程是不同营养级的微生物群生态演替的结果,光合细菌在此过程中起着十分重要的作用［1］,并首先开展了用光合细菌法处理有机废水的研究。近些年来发展起来的光合细菌处理法,则是一种以红假单胞菌为主,管理简单,降解率高的废水处理系统。

PSB能以不同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，并具有较强的分解和去除有机物的生理特性。与目前广泛应用的生物处理废水系统如活性污泥法、生物膜法和厌氧法相比，PSB在自然光照和微量好氧条件下，可以直接对各种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。具有节约电能、水源、设备及运转费用等优点，菌体污泥可综合利用，作为鱼和家畜的饵料，不造成二次污染。

2.2 在生产单细胞蛋白方面的应用

光合细菌的菌体无毒，营养丰富，蛋白质含量高达60％～65％，是一种优质蛋白源。还含有多种维生素,特别是维生素B2、叶酸、生物素的含量是酵母的几十倍［6］。此外，还含有许多活性物质，如辅酶Q10、抗病毒物质及促生长因子等。这些活性物质与核酸合成有密切关系，能参与有机体神经组织的代谢并促使血液的形成，促进动物生长发育。Shipman等［7］利用一株非硫光合细菌处理农副产品生产单细胞蛋白，处理后的光合细菌菌体约含有65.0％的粗蛋白和5.1％的核酸，且氨基酸含量可以和传统的动植物蛋白源相提并论，为工业化大生产提供了理论依据。邱宏端等［8］采用酿造酱渣培养光合细菌，3 d后测定酱渣光合细菌饲料中粗蛋白含量为21.3％～22.7%，较原料酱渣提高35％以上，氨基酸总量提高20％左右，而且用酱渣光合细菌蛋白饲料喂养鱼苗，鱼苗成活率提高，不仅充分利用了工农业生产的废渣废水，还开拓了新的蛋白源，为改善我国饲料严重短缺开辟了重要途径。

2.3光合细菌在食品、医药保健中的应用

一般而言食品着色剂广泛使用焦油类的合成色素,由于这类色素有微毒性和致癌性,世界各国控制该种合成色素的使用,并迫切希望以天然色素取而代之。光合细菌的色素无毒,易提取,色彩鲜艳,有光泽,且具有防水性。除黄色外,特别是红色素等则缺乏有用的色素资源。光合细菌富含类胡萝卜素,是天然红色素的重要来源,目前已经广泛用于油脂类、豆制品、蔬果类以及饮料等的着色。

光合细菌在医学业中也具广泛应用前景。光合细菌内富含类胡萝卜素和B族维生素及活性物质，具有许多生理活性：抗氧化作用、调脂作用、抗肿瘤作用、免疫活性；光合细菌没有毒性,对生殖生长有促进作用。研究者对光合细菌制药方面进行了不少的研究。刘继彪等用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 。

2.4在生产食用色素方面的应用

随着科学的发展，人们逐渐认识到以煤焦油系列为主要成分的合成色素具有致癌性，因此天然色素的开发备受关注。光合细菌的色素无毒，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，目前已经广泛用于油脂类、豆制品、蔬果类以及饮料等的着色。光合细菌富含类胡萝卜素，是天然红色素的重要来源。蓝细菌、绿硫菌与植物产生类胡萝卜素的原理相似［14］，都是将八氢番茄红素转变为番茄红素，这是生物合成类胡萝卜素的一个初期步骤。类胡萝卜素可以隔离紫外线、防止化学致癌物诱发癌变，能清除体内超氧自由基，具有抗衰老的功效。我国在光合细菌产类胡萝卜素方面的研究涉及的菌种主要有球形红假单胞菌(RP. sphaeroides)和球形红杆菌(Rhodobacter sphaeroides) ［15］。顾青等［16］对光合细菌产类胡萝卜素的发酵条件进行了优化，初步确定了高产类胡萝卜素的最优培养条件。此条件下，光合细菌的培养成本低，菌体生长快，类胡萝卜素含量相对较高，可与法夫酵母产类胡萝卜素相媲美，具有极高的实用价值。

2.5 在能源开发方面的应用

氢能源具有清洁无污染、能量密度高等特点，被认为是未来经济发展的理想绿色能源之一。生物制氢因其具有低能耗、低成本、无污染和可再生性等优势，一直是国际研究的热点。光合细菌可以使有机物分解产生氢气，且产氢的能量转化率高，产氢的纯度也较高。其中研究较多的是深红红螺菌，它可以以有机废料作为原料进行光合产氢。1962年，Gest［17］首次证明了光合细菌具有在光照厌氧条件下转化有机物产生氢气的特性，并在Science上发表了相关研究论文，为后续光合细菌产氢的研究奠定了坚实的基础。2003年，杨素萍等［18］详细阐述了固氮酶催化的光合放氢和氢酶催化的黑暗厌氧产氢机制，描述了光合细菌原初反应的微观反应动力学以及电子定向转移和质子转位耦联驱动的三磷酸腺苷合成机制与固氮产氢过程。影响光合放氢的主要因素有光、氧气、菌株特性、氢供体和氮源等。据报道，只要在合适的底物和环境条件下，光合细菌就能进行光照放氢的代谢反应，由此，刘灵芝等［19］总结了环境因素对光照放氢反应的影响，对于光照放氢技术的实用化具有现实的指导意义。

3 PSB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。随着现代工业的发展，河流、湖泊、近海水域、池塘、养殖池等受污染的机会增加，人们的生活水平不断提高，对鱼、肉、虾产品需求量逐年增大，水域污染对水产养殖业造成巨大的危害，为解决这些问题，减少有机废物的排放并合理处理，有必要扩大光合细菌的养殖数量来满足需要，而选择合适的菌株以及适当的培养条件非常关键。所以光合细菌的优化培养技术还有待进一步的提高。光合细菌产氢虽早有报道，但是其研究水平仍然处于初级探索阶段，大多仍采用纯培养和细胞固定化的技术路线，规模大多局限于实验室水平，还有许多问题有待研究和解决，从而找到大规模生产绿色新能源的途径。光合细菌虽然是一个非常古老的微生物菌种，但在医药保健品方面的应用才刚刚起步。近年来，随着细胞分子生物学的应用与发展，生物技术为中药研究提供了全新的思路，在中药开发中具有很大的优势与广阔的应用前景。其中，中草药及其有效生物活性成分的发酵生产在具有中国特色的生物技术医药工业中应用最广泛。用光合细菌对中药进行生物技术处理是这一技术领域新的探索，为现代新药的研究开发，提供了一种全新的思路和方法，具有极大的研究价值。 人们从发现光合细菌到现在，只有100多年的历史，而从人们开始研究到现在也不过70年，人们对它的认识还很少研究在逐渐深入,其应用领域在逐渐拓宽。目前的研究表明,光合细菌的应用效果显著、确切,某些方面的应用研究已具有一定的推广价值。例如作为“微生物净化剂”在废水治理中的应用，作为饲料添加剂在养殖业中的应用等。但对光合细菌的开发利用还存在很大的余地，对它的应用技术和基础理论仍需要进一步深入研究。目前的研究已显示出光合细菌作为重要的微生物资源,有着广阔的开发前景，具有不可替代的应用市场,在人类活动中必将发挥越来越大的作用。

参考文献：

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non-sulfur

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