光合細(xì)菌的培養(yǎng)及應(yīng)用 摘要 S 綜述了光合細(xì)菌的培養(yǎng)方法及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖、廢水處理、種植業(yè)、畜牧業(yè)、新能源和 醫(yī)藥保健中的應(yīng)用,并討論了光合細(xì)菌的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞 光合細(xì)菌；培養(yǎng)；應(yīng)用；
1 引言 光合細(xì)菌（photosynthetic bacteria,簡(jiǎn)稱 PSB） 是一群能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用有機(jī)物 作供氧體兼碳源，進(jìn)行不放氧光合作用的細(xì)菌，廣 泛分布于水田、湖沼、江河、海洋、活性污泥和土 壤中，依據(jù)《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》 （第九版）可分 為 6 個(gè)類群，27 個(gè)屬。不產(chǎn)氧光合作用的紅螺菌目 分為紫細(xì)菌（purple bacteria） 、綠細(xì)菌（Green bacteria）和日光桿菌屬（Heliobacteria） 、紅色桿菌 屬（Erybrobacter） 。其中紫細(xì)菌中包含有紅螺菌科 （Rhodolspirillaceae） 、著色菌科（Chromatiaceae） 、 外硫紅螺菌科（Eceothiorhodospiraceae） ，包含 16 屬 49 種。其中在生產(chǎn)上有意義的紅螺菌科包括紅螺菌 屬、紅假單胞菌屬和紅微菌屬 [1] 。PSB 均為革蘭氏 陰性細(xì)菌，一般為球型、卵形、桿形、弧形、螺旋 形、環(huán)形、半環(huán)形絲形，也可隨培養(yǎng)條件和生長(zhǎng)階 段而改變，大部分單個(gè)存在。 PSB 的一般菌體組成及營(yíng)養(yǎng)成分見(jiàn)表 1 [2] . 表 1 光合細(xì)菌菌體的組成與小球藻等比較 Tab. 1 Components comparison between photosynthetic bacteria and Chlorella P S B 含有較高的優(yōu)良蛋白質(zhì)，粗蛋白含量為 65.45%，含有 17 種氨基酸而且消化率較高；粗脂肪 約 7%；可溶性糖類約 20%；粗纖維約 3% [1] ；維生 素 B12 含量是酵母的 200 倍、小球藻的 4 倍 [2] ，生 物素含量也比較豐富；菌體的脂類成份含有大量的 葉綠素、類胡蘿卜素和輔酶 Q(泛醌),迄今已從 PSB 中 分離出 80 種以上的類胡蘿卜素。葉綠素和類胡蘿卜
素對(duì)養(yǎng)殖生物的健康生長(zhǎng)，增強(qiáng)對(duì)疾病的抵抗力有 很大的益處。輔酶 Q 4 是與生命活動(dòng)有重大關(guān)系的生 理活性物質(zhì)，PSB 中的含量特高，是酵母的 13 倍。 以上特點(diǎn)決定了 PSB 可做為畜禽、魚(yú)蝦的飼料。但 PSB 中缺乏 ω 3 系列 20 碳以上的高度不飽和脂肪酸， 單獨(dú)作為仔魚(yú)的初期餌料時(shí)，需與其它富含高度不 飽和脂肪酸的餌料同時(shí)使用。 2 光合細(xì)菌的培養(yǎng) 水產(chǎn)養(yǎng)殖市場(chǎng)對(duì) P S B 活體菌種的需求缺口很 大，為了滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì) PSB 活體菌種的需求，PSB 的生產(chǎn)方法有很多，但是到目前為止，還沒(méi)有進(jìn)行產(chǎn) 業(yè)化生產(chǎn) PSB 的報(bào)道。馮云等 [3] 用 50L 的塑料桶來(lái)厭 氧培養(yǎng) PSB，使培養(yǎng)密度達(dá)到 2.1× 10 9 個(gè) /ml；楊 紹斌 [4] 在塑料大棚內(nèi)建大小 2000～5000L 的水池使 其厭氧發(fā)酵富集擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)液中含 PSB 活菌數(shù) 可達(dá) 5×10 6 個(gè)／毫升；鄂春宇 [5] 用塑料薄膜袋培養(yǎng) PSB，培養(yǎng)密度達(dá)到 2.5～3×10 5 個(gè)/ml,12 個(gè)月生產(chǎn) 50 多噸，但是在 PSB 的密度檢測(cè)時(shí)，很容易染菌。由 中科院開(kāi)發(fā)的 PSB 大規(guī)模生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品含菌量達(dá) 到 5 × 10 10 個(gè)／毫升，保質(zhì)期 3 個(gè)月以上，并可根 據(jù)客戶要求，設(shè)計(jì)和建設(shè)不同規(guī)模的生產(chǎn)線 [6] 。 2.1 菌種 菌種可從采集的池塘底泥或海水中重復(fù)富集、分 離純化獲得.若用保存下來(lái)的菌種，在培養(yǎng)前必須提純復(fù)
壯，才能有效地進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。光合細(xì)菌的生產(chǎn)需要采 用優(yōu)良菌種，要求菌種活性高，菌液中菌體分布均勻、 無(wú)下沉現(xiàn)象，目前養(yǎng)殖中使用的 PSB 多為紅螺菌科和一 部分著色菌科的復(fù)合菌株 [7] 。 種類 ω % ω /(μ g.g-1) 粗蛋白 粗脂肪可溶性糖 粗纖維 灰分 VB1 VB2 VB6 VB12 煙酸 葉酸 維生素 光合細(xì)菌 65.15 7.18 20.31 2.78 4.28 12 50 5 21 125 30 65 小球藻 53.76 6.31 19.28 10.22 1.52 2.4 196 15 5.2 140 18 18-25 大豆 30.99 19.33 30.33 7.11 5.68 14.5 2.3 6.4 - 22 2.3 0.6 研究報(bào)告 28 生命科學(xué)儀器 2007 第 5 卷/ 3 月刊 研究報(bào)告 2.2 培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件 PSB 培養(yǎng)中除碳、氮、磷等主要營(yíng)養(yǎng)元素外，還 需要一定量的鎂、鈣、鈉和有關(guān)的微量元素，將所需的 營(yíng)養(yǎng)元素按一定的比例配成適于菌體生長(zhǎng)繁殖的培養(yǎng) 基。本實(shí)驗(yàn)室采用酵母膏、蛋白胨培養(yǎng)基，基本配方為: CaCL 2 0.3g，MgSO 4 ·7H 2 O0.5g，酵母膏 3g，蛋白胨 3g，蒸餾水 1000ml，pH: 6.8. 如需制固體培養(yǎng)基再加 2% 瓊脂。培養(yǎng)溫度：25℃～30℃最佳，光照強(qiáng)度：2000LX～ 5000LX，PH：7.5～8.5 最佳。 2.3 光合細(xì)菌的培養(yǎng) 把菌種接種到滅好菌的培養(yǎng)基中，在三角瓶中 進(jìn)行二級(jí)培養(yǎng)，每天搖晃幾次。把 40L 的反應(yīng)器中 加滿自來(lái)水，放入通氣管，蓋上保鮮膜一起用次氯 酸殺菌消毒 24 小時(shí)，用硫代硫酸鈉（1L 次氯酸需要 150g 硫代硫酸鈉）來(lái)中和。以 15%的接種量接入反 應(yīng)器中，用泵通氣培養(yǎng)，用分光光度計(jì)跟蹤測(cè)量菌 液的密度，得到菌液的密度較高，而且反應(yīng)器還可 以進(jìn)一步放大。 3 光合細(xì)菌的應(yīng)用 3.1 光合細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用 測(cè)定了池塘水中溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽氮 和 COD 的變化情況，池水中的 pH、溶氧不 受光合細(xì) 菌的影響；對(duì)水中氨氮、亞硝態(tài)氮有降低作用，降 級(jí)率分別為 45%-52%、33%-43%，對(duì)有機(jī)物（COD）
也有降低作用，但不明顯。由于水體中氨氮、亞硝酸鹽 氮等含量超過(guò)一定量時(shí)對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物產(chǎn)生毒害作用，并使 易受病原微生物的感染，而光合細(xì)菌對(duì)改善水質(zhì)起到一 定作用，維持水體生態(tài)平衡，使魚(yú)類能在優(yōu)良的環(huán)境中 生長(zhǎng)，提高了成活率 [8] ，無(wú)論是成活率還是產(chǎn)量和質(zhì)量 上都有顯著提高。 PSB 菌體無(wú)毒，營(yíng)養(yǎng)非常豐富，見(jiàn)表 1. PSB 是一 類營(yíng)養(yǎng)成分高且種類比較全的微生物，作為水產(chǎn)養(yǎng)殖生 物的飼料添加劑，具有明顯的增產(chǎn)效果 [9] 。 PSB 能夠防治病害，主要采取預(yù)防為主防治結(jié)合 的原則。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)向池塘中潑灑生石灰來(lái)消 毒（每 15～20 天一次） ，在餌料中要加拌土霉素進(jìn)行 預(yù)防 [11] ，化學(xué)品容易殘留在環(huán)境中，抗生素容易使 病原菌產(chǎn)生抗藥性。與化學(xué)藥品和抗生素相比，PSB 中含有 Q 10 和抗病毒物質(zhì)，能提高動(dòng)物的免疫力。 3.2 光合細(xì)菌在廢水處理中的應(yīng)用 由于光合細(xì)菌能利用光能和有機(jī)廢物合成自身菌 體蛋白和其他無(wú)害物質(zhì)（變有害物質(zhì)為無(wú)害物質(zhì)） ， 所以光合細(xì)菌是當(dāng)今世界上最具發(fā)展前景的凈化環(huán)境的 生物制劑?，F(xiàn)在，PSB 已廣泛用于大型垃圾場(chǎng)，生 活垃圾的現(xiàn)場(chǎng)處理及人糞尿、畜禽糞尿的集中處理和 綜合利用 [12] 。處理無(wú)毒有機(jī)廢水中的菌體可作為一種 天然色素的資源，淀粉廢水經(jīng) PSB 處理后 COD 去除率 大于 70%，同時(shí)菌體可用于提取類胡蘿卜素 [13] 。紅螺 菌對(duì)過(guò)渡金屬有較強(qiáng)的抗性，它能對(duì)廢水中的 Cu 2+ , Pb 2+ ，Ni 2+ 和 Cr
6+ 的吸附作用是有可能的 [14-18] 。所以光 合細(xì)菌是當(dāng)今世界上最具發(fā)展前景的凈化環(huán)境的生物制 劑。 3.3 光合細(xì)菌在種植業(yè)中的應(yīng)用 PSB 大多具有固氮能力，能提高土壤的氮素水 平，并促進(jìn)有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。其次，PSB 可葉面噴 施，能改善植物營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)植物生理功能和抗病能 力，從而起到增產(chǎn)和改善品質(zhì)的作用 [19] ?；诠夂?細(xì)菌具有抗病防病作用，現(xiàn)有研究者將其開(kāi)發(fā)為瓜 果等的保鮮劑。PSB 既是一種優(yōu)質(zhì)的生物肥料，又 能增強(qiáng)植物的抗病能力.光合細(xì)菌噴灑到蘋果樹(shù)、梨 樹(shù)和葡萄樹(shù)上，不僅果實(shí)鮮艷，而且坐果率和產(chǎn)量 大增，同時(shí)還提高了果實(shí)的糖分、維生素 B 和維生 素 C 的含量 [20-21] 。光合細(xì)菌作為生物肥料使用可以 提高番茄、黃瓜的產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，提高作物 葉綠素、VC 的含量，降低蔬菜中亞硝酸鹽的含量， 延長(zhǎng)作物的保存期 [22] 。 3.4 光合細(xì)菌在畜養(yǎng)業(yè)中的應(yīng)用 PSB 可作為畜禽飼料的添加劑，不僅能夠提高產(chǎn) 品的產(chǎn)量，而且能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量 [23] ；PSB 可處理畜 禽的糞尿，凈化環(huán)境 [2] ；PSB 中的莢膜紅假單胞細(xì)胞壁 中含有的多糖類物質(zhì)，是廣譜的非特異性免疫激活劑， 能提高畜禽血清中免疫球蛋白的含量，增強(qiáng)畜禽對(duì)外來(lái) 病源侵?jǐn)_的應(yīng)答反應(yīng)，起到防治病害的作用 [24] 。 3.5 光合細(xì)菌在新能源生產(chǎn)中的應(yīng)用 能源問(wèn)題已成為全球性問(wèn)題，世界各國(guó)都在研究 開(kāi)發(fā)新能源，氫作為一種理想而又無(wú)污染的新能源，日 益受到關(guān)注。生物制氫是開(kāi)發(fā)新能源的一個(gè)方向，許多 PSB 在代謝過(guò)程中都能釋放氫氣，且具有產(chǎn)氫速率高、
產(chǎn)氫純度高等特點(diǎn) [25] 。PSB 只含有光合色素系統(tǒng)Ⅰ， 電子供體或氫供體是有機(jī)物或還原態(tài)硫化物，因此光合 2 9 生命科學(xué)儀器 2007 第 5 卷/ 3 月刊 作用不產(chǎn)生 O 2 ，故工藝簡(jiǎn)單。它可利用太陽(yáng)能，降 解轉(zhuǎn)化有機(jī)物或有機(jī)污染物生產(chǎn)氫，且副產(chǎn)物可進(jìn)一 步開(kāi)發(fā)為諸如生物可降解塑料等高附加值產(chǎn)品，不會(huì) 造成二次污染 [26] 。 3.6 光合細(xì)菌在其它方面的應(yīng)用 醫(yī)藥保健方面，日本成功研制了具有延緩衰老的 作用的 PSB 飲料，而且這種飲料還能有效防止心臟病、 腦梗死、癌癥等疾病的發(fā)生。國(guó)內(nèi)，也已經(jīng)研制出了多 種富硒 PSB 制劑,并申請(qǐng)了國(guó)家專利，通過(guò)試驗(yàn)表明，富 硒 PSB 制劑具有延緩衰老、抑制腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等多種 功效 [27-29] 。劉繼彪等 [30] 用 PSB 菌液發(fā)酵中藥,制成了口服 液、冷凍干燥產(chǎn)品等中藥制劑,該制劑能夠糾正機(jī)體內(nèi)環(huán) 境微量元素平衡紊亂,促使癌細(xì)胞向正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化并最終 全部恢復(fù)成正常細(xì)胞,對(duì)惡性腫瘤治療有較顯著的療效, 并申請(qǐng)了國(guó)家專利。 隨著人們認(rèn)識(shí)到合成色素具有致癌性，天然色素 的開(kāi)發(fā)已備受關(guān)注。PSB 菌體細(xì)胞含有豐富的菌綠素 和類胡蘿卜素，這兩類色素?zé)o毒，容易提取，是天 然色素的新資源，提取的色素可用于食品工業(yè)。 PSB 可以作為生物的開(kāi)口餌料，廣泛應(yīng)用于水產(chǎn) 養(yǎng)殖，也可以作為飼料添加劑來(lái)增強(qiáng)生物的抗病性。 PSB 和微藻混合培養(yǎng)輪蟲(chóng),可見(jiàn)輪蟲(chóng)增殖率明顯高于藻 類、酵母單獨(dú)培養(yǎng)輪蟲(chóng)的速度；PSB 可提高豐年蟲(chóng)卵的 孵化率；用 PSB 培養(yǎng)的水蚤、輪蟲(chóng)，其氨基酸、蛋白質(zhì) 的含量都明顯提高 [31] 。 4 光合細(xì)菌的應(yīng)用展望 在生產(chǎn)實(shí)踐方面，自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái),日本、 美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等廣泛開(kāi)展了光合細(xì)菌的研究開(kāi)發(fā),由 于 PSB 的安全無(wú)毒且其中的有效成分對(duì)超氧陰離子具有
良好的猝滅活性，近年來(lái)人們還利用其特性開(kāi)發(fā)具有免 疫調(diào)節(jié) [32] ，抗衰老，抗輻射等多種功能的醫(yī)藥、保 健品 [33] 。在理論研究方面，PSB 是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦硐氩?料，瑞典生物學(xué)家 Huber. H. Michel 以光合細(xì)菌為材料， 研究細(xì)菌細(xì)胞膜的光合作用反應(yīng)中心三維結(jié)構(gòu)而獲得 1988 年的諾貝爾獎(jiǎng)。我國(guó)學(xué)者張純喜等利用光合細(xì)菌對(duì) 光合作用的原初反應(yīng)提出了新模型，并利用該模型對(duì)動(dòng) 力學(xué)和定點(diǎn)突變結(jié)果給予了解釋。 5 討論 目前，大規(guī)模培養(yǎng) PSB 是制約 PSB 應(yīng)用的瓶頸問(wèn) 題。多數(shù) PSB 是一種不放氧的厭氧菌，能進(jìn)行光合作 用，多采用低密度培養(yǎng)。這種方法很容易染菌，且 菌液的濃度比較低，給 PSB 的保存和運(yùn)輸很麻煩。高 密度培養(yǎng) PSB 是大規(guī)模生產(chǎn) PSB 的必然趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)有 的實(shí)驗(yàn)室采用厭氧發(fā)酵罐進(jìn)行高密度培養(yǎng)已取得成功， 但是生產(chǎn)成本比較高。我們實(shí)驗(yàn)室采用自制的玻璃反 應(yīng)器對(duì) PSB 進(jìn)行半開(kāi)放式培養(yǎng)，已基本取得成功。這 種方法具有菌液濃度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn) 成本低等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在水產(chǎn)應(yīng)用的 PSB 多數(shù)是菌體和培養(yǎng)基的混合 物，產(chǎn)品中的培養(yǎng)基和代謝物有可能抑制水產(chǎn)養(yǎng)殖生 物，在養(yǎng)殖水體中投加 PSB，會(huì)加劇水體缺氧，PSB 的質(zhì)量亟待提高。PSB 在處理有機(jī)廢水時(shí)，廢水的成 分很復(fù)雜，利用單一的菌種難以達(dá)到廢水處理的要 求。因此，在菌種的分離和混合菌種處理方面還有待 于進(jìn)一步的研究。 參考文獻(xiàn) [1] 何振平,王秀云,孫學(xué)文,等.光合細(xì)菌的研究進(jìn)展(綜述)(J).河 北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2000,14(1):70-73. [2] 李彥芹,闞振榮,穆淑梅,等.光合細(xì)菌研究進(jìn)展(J).河北大學(xué) 學(xué)報(bào),2005,25(5):554-560. [3] 馮云,劉學(xué)迅.光合細(xì)菌的培養(yǎng)與應(yīng)用(J).北京水產(chǎn),1997,Z2: 26-27. [4] 楊紹斌,廉大海,?，?等.光合細(xì)菌簡(jiǎn)易富集培養(yǎng)技術(shù)及在 北方養(yǎng)魚(yú)中的作用(J).水產(chǎn)養(yǎng)殖,2005,26(1):22-23. [5] 鄂春宇.塑料薄膜袋培養(yǎng)光合細(xì)菌技術(shù)(J).科學(xué)養(yǎng)魚(yú),2005, 8:68. [6] 趙引德,賈志偉.光合細(xì)菌飼料添加劑有規(guī)?；夹g(shù)(J).中國(guó) 化工報(bào),2005,2. [7] 梅志平,章宗涉.紅螺菌(Rhodospirillumsp.)的生長(zhǎng)及其饑餓
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AXS 有關(guān)人士介紹，該公司現(xiàn)有的 MICROSTAR 發(fā)生器升級(jí)到 MICROSTAR ULTRA 的費(fèi)用也是 用戶可 接受的。
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