摘要介绍了光合细菌的分类及特性,并综述了光合细菌在养殖业、农牧业以及生产食用色素、新能源开发、保健、医药等方面的应用。
关键词光合细菌;分类;特性;应用
中图分类号 Q939.1 文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)09-0011-02
TheStudyonCharacteristicsofPhotosyntheticBacteriaandApplicationofVariousIndustries
XU Cheng-bin 1MENG Xue-lian 2MA Xi-ping 1 *FU Bao-rong 1HUI Xiu-juan 1
(1 School of Environmental Science,Liaoning University,Shenyang Liaoning 110036; 2 School of Pharmacy,Liaoning University)
AbstractA brief narration about the photosynthetic bacteria’s category and identity were introduced,and the application developments on breeding industry and agriculture food colorant production,new energy sources exploitation,health,medicine,etc.
Key wordsphotosynthetic bacteria;category;identity;application
光合细菌(Photosynthetic Bacteria,简称PSB)是一种高科技微生物生化产品,是一类以光为能源,在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中有机物、硫化物、氨氮等为营养进行生长和繁殖的微生物[1]。水产养殖中使用较多的为红螺菌科的红假单胞菌属的混合菌株。目前,PSB以其独特的生理功能和菌体丰富的营养在水产养殖、畜禽生产、饲料添加剂和环境保护等诸多领域得到了广泛的应用。
1光合细菌的分类
光合细菌在分类上属于原核生物界(Procaryota)、真细菌亚界(Peubacteria)、薄壁菌门(Gracilicutes)、红螺菌目(Rhodospirillales)中的红螺菌亚目(Rhodospirillineae)和绿螺菌亚目(Chlorobineae),分为外硫红螺菌科、着色菌科、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和多细胞丝状绿细菌、螺旋杆菌科、含细菌叶绿素的专性好氧菌等7大类群,50个属[2],它们的主要分类学特征见表1。
2光合细菌的生态位
光合细菌生存于水域中的厌氧层上部,以下层的硫酸还原菌和细菌发酵生成的H2S、CO2为营养源,进行光合作用。这说明光合细菌利用光能和厌氧层下部生成的化合物,转换成其自身化合物,其中一部分又还原回到厌氧层[3]。从另一个角度讲,可以说光合细菌阻止在厌氧层生成的物质移向好氧层,光合细菌在此起着生物滤器的作用,可阻止厌氧层生成的毒性物质H2S扩散到好氧层,使生活于好氧层中的水生生物(水生动物和水生植物)得以正常生长繁殖。光合细菌在水中厌氧层进行物质的初级生产,表明在厌氧层也可与好氧层一样,维持光合生物的碳循环,硫的循环与碳的循环密切相关。而好氧层通过蓝细菌维持碳的循环,氧的循环与此也密切相联。
3光合细菌在水产养殖中的应用
3.1净化和改善养殖水体
近年来,很多学者对PSB净化水的效果进行了相关研究。王梦亮等[4]利用沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)和类球红细菌(Rhodopseudomonas sphaeroides)纯培养物1∶1的混合物(pH值7.5,活菌数1.6亿个/mL),按30 kg/hm2用量一次性洒入鱼塘,待PSB大量增殖并趋于稳定时,试验池水质比对照组有明显改善。其中溶解氧增加68%,COD下降21%,氨氮下降58.7%,硝酸氮下降29.4%,硫化物下降77.4%。施安辉等[5]分别用沼泽红假单胞菌、绿色红假单胞菌、胶质红假单胞菌、球形红假单胞菌(菌密度均在30亿个/mL以上)在室内净化污水,使用质量浓度10 mg/L,10 d后测定,COD分别下降了9.89%、2.85%、9.34%、11.51%;氨氮分别下降了34.51%、13.33%、28.97%、18.37%;亚硝酸盐下降了29.27%、13.19%、30.34%、16.25%。
3.2预防水产动物疾病
施入水环境中的PSB大量繁殖时能分泌抗生素,可抑制病原菌的繁殖;荚膜红假单胞菌细胞壁中含有的多糖类为非特异性免疫激活剂,水生动物摄食后可增强免疫力和抗病力,从而减少疾病的发生[6]。赵亮等[7]报道,向人工半咸水河蟹全封闭育苗系统中投放PSB,每隔5 d投喂1次,弧菌数量下降了11.1%,气单胞菌下降了8.3%,硝化细菌数量提高了5倍。孙舰军等[8]报道,利用光合细菌喂平均体长7.5 cm的中国对虾,投喂量占饵料质量的0.5%,经22 d,试验组虾体酚氧化酶(PO)、超氧化歧化酶(SOD)、溶菌活力和抗菌活力分别比对照组高102.2%、22.1%、53.4%和14.0%,血细胞数目高67.2%。
3.3作为辅助饲料
光合细菌的营养成分见表2,作为辅助饵料,PSB起补充营养、改善代谢机能、提高饵料转化率的作用。因此,用PSB作鱼虾贝类幼体开口饵料时,大大提高了幼体成活率,将PSB菌体加入饵料有效提高了饲料效率。
3.4作为浮游动物的饵料
养殖水体中含有一些浮游生物,这些浮游生物能以光合细菌为食,光合细菌的增殖可促进浮游生物的大量繁殖,从而为花鲢、白鲢等水产动物提供了丰富的饵料,促进其快速生长,可以说光合细菌促进了有机物向浮游生物转化,进而向鱼的生长方面转化,使养殖综合成本显著降低。
4光合细菌在其他方面的应用
4.1在农牧业方面的应用
光合细菌具有固碳、固氮的功能,且在自然界的硫循环中担任重要角色,因此能够改善植物营养、增加土壤肥力、抑制病原微生物的生长。光合细菌还富含辅酶Q10,辅酶Q10具有增强心肌功能、抗休克、提高免疫力、改善细胞内呼吸等多种生理功能,能够促进动物的生长。据报道,健康奶牛饲喂光合细菌后,平均每天多产奶2.5~3.0 kg,且体型均匀丰满,屠宰后肌肉鲜红、有光泽,肉质鲜嫩多汁;饲喂光合细菌的肉牛平均日增重多0.2 kg,净肉率提高0.7%[9]。Varga等[10]研究表明,向发酵牛奶中加入蓝细菌,不仅可以保护双歧杆菌及其他有机体,还增加了牛奶中氨基酸和维他命的含量,提高了脂肪酸的组成。从现代营养学观点来看,光合细菌为生产功能性牛奶食品开辟了崭新的途径。
4.2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,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[11]。
4.3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。
4.4在保健方面的应用
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,因其含有丰富的营养成分和生物活性物质被开发成多种保健食品。光合细菌能够增强动物的抗氧化能力,经动物试验表明其具有延缓衰老、免疫调节的作用[12]。王梦亮等开发了一种经过微生物发酵而形成的含有光合细菌菌体蛋白及其代谢分泌物、有机硒化合物和中草药发酵物的混合物,并申请了中国专利[13]。此光合细菌制剂能够减少X射线引起的白细胞减少及染色体变异,能够增加小鼠的巨噬细胞吞噬量,具有非常明显的保健治疗作用。
4.5在医药方面的应用
由于光合细菌含有丰富的营养成分和生物活性物质,对人体具有保健作用,因此其在医药保健品方面的应用越来越受到关注。有研究表明,在光合细菌培养基中添加一定浓度的木瓜、女贞子、郁金等中草药的浸提液,不仅可以明显促进光合细菌的生长,还可以提高其抑菌作用。且光合细菌本身能够完全或部分对抗免疫抑制剂的免疫有抑制作用,对小鼠的免疫器官与免疫功能有一定的保护作用[14]。
5结语
随着对光合细菌研究日益深入,光合细菌在现代养殖业、农业、环保等产业中应用越来越广泛。同时,关于光合细菌的开发应用还存在着光合细菌种类繁多,进行具体研究的却是少数的几种光合细菌,这就会影响限制对光合细菌的利用;对已知作用结果的光合细菌未能及时投入生产创造效益或投入生产后不能充分发挥其作用等问题。因此,需要科研人员对其不断深入研究,尤其是在工艺路线以及高效菌种的分离筛选与菌种改造方面不断完善,光合细菌的应用才能更加广泛,对人类的作用有着深远意义。
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