光合细菌的培养及应用

光合细菌的培养及应用 摘要 S 综述了光合细菌的培养方法及其在水产养殖、废水处理、种植业、畜牧业、新能源和 医药保健中的应用,并讨论了光合细菌的应用前景。 关键词 光合细菌；培养；应用；

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（Green bacteria）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 between photosynthetic bacteria and Chlorella P 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 Q 4 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 ω 3 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 P S B 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× 10 9 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 5×10 6 个／毫升；鄂春宇 [5] 用塑料薄膜袋培养 PSB，培养密度达到 2.5～3×10 5 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 × 10 10 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] 。 种类 ω % ω /(μ g.g-1) 粗蛋白 粗脂肪可溶性糖 粗纤维 灰分 VB1 VB2 VB6 VB12 烟酸 叶酸 维生素 光合细菌 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 研究报告 28 生命科学仪器 2007 第 5 卷/ 3 月刊 研究报告 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: CaCL 2 0.3g，MgSO 4 ·7H 2 O0.5g，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 测定了池塘水中溶氧、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，提高了成活率 [8] ，无论是成活率还是产量和质量 上都有显著提高。 PSB 菌体无毒，营养非常丰富，见表 1. PSB 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 10 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，PSB 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 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 [2] ；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 2 9 生命科学仪器 2007 第 5 卷/ 3 月刊 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 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，已基本取得成功。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。 现在水产应用的 PSB 多数是菌体和培养基的混合 物，产品中的培养基和代谢物有可能抑制水产养殖生 物，在养殖水体中投加 PSB，会加剧水体缺氧，PSB 的质量亟待提高。PSB 在处理有机废水时，废水的成 分很复杂，利用单一的菌种难以达到废水处理的要 求。因此，在菌种的分离和混合菌种处理方面还有待 于进一步的研究。 参考文献 [1] 何振平,王秀云,孙学文,等.光合细菌的研究进展(综述)(J).河 北职业技术师范学院学报, 2000,14(1):70-73. [2] 李彦芹,阚振荣,穆淑梅,等.光合细菌研究进展(J).河北大学 学报,2005,25(5):554-560. [3] 冯云,刘学迅.光合细菌的培养与应用(J).北京水产,1997,Z2: 26-27. [4] 杨绍斌,廉大海,祝莹,等.光合细菌简易富集培养技术及在 北方养鱼中的作用(J).水产养殖,2005,26(1):22-23. [5] 鄂春宇.塑料薄膜袋培养光合细菌技术(J).科学养鱼,2005, 8:68. [6] 赵引德,贾志伟.光合细菌饲料添加剂有规模化技术(J).中国 化工报,2005,2. [7] 梅志平,章宗涉.红螺菌(Rhodospirillumsp.)的生长及其饥饿

存活的研究(J).生态学报,2000,20(1):118-123. [8] 王桂文,周兴,李海鹰.光合细菌的应用现状与前景(J).广西 科学院学报,1995,11(1):16-20. [9] 崔战利.光合细菌的基本特性及应用价值(J).黑龙江八一农 垦大学学报,1999,11(1):20-25. [10] 郭晨,刘春朝.光合细菌的培养及应用(J).中国饲料,1998,12: 18. [11] 沈修俊.光合细菌在水产养殖中的应用试验(J).渔业致富指 南,2005,1:57-58. [12] WANG You-zhi, WANG Feng-jun, BAO Li. Treatment of ChineseTraditionalMedicineWastewaterbyPhotosynthetic Bacteria.JournalofNortheastAgriculturalUniversity2005, 12(1):37-41. [13] 席淑淇,成玮,刘培富.利用废水生产光合细菌提取天然色 素的研究(J).污染防治技术,1997,10(2):65-67. [14] 黄富荣,尹华,彭辉,等.红螺菌对 Cu2+的吸附研究(J).工业微 生物,2005,35(1):16-20. [15] 刘大岭,林伟雄,梁郁强.红螺菌对铅离子吸附作用的初步 研究报告 30 生命科学仪器 2007 第 5 卷/ 3 月刊 研究报告 研究(J).粮食与饲料工业,2005,4:38-40. [16] 尹华,黄富荣,彭辉,等.红螺菌 R-04 吸附多种重金属的研究 (J).环境污染治理技术与设备,2004,5(6):24-26. [17] 王虹,李君.光合细菌降解 3 种有机废水的实验研究[J].西北 大学学报,1994,24(3):237-240. [18] 于明,周云龙.从浮游植物的变化看光合细菌在治理富营养 化水体中的作用[J].北京师范大学学报(自然科学版),2001, 37(5):680-685 [19] 李娟萍,张优良.psb 新产品在蔬菜作物上的试验、示范效 果(J).青海农技推广,2002,1:61-62. [20] 夏宏,夏青.光合细菌在梨树上的应用(J).山西果树,2001,1: 45-46. [21] 夏宏,夏青,张清元,等.光合细菌在苹果上的应用(J).山西农 业科学,1998,26(2):95. [22] 谷军,杨旭.光合细菌菌肥在番茄、黄瓜上的应用(J).安徽 农业科学,2002,30(4):592-593. [23] 王俊卿,张肇铭.光合细菌对鸡蛋产量及抗氧化活性的影响 (J).中国家禽,2002,24(11):13-14. [24] 李建鑫.光合细菌的培养及其在畜牧业上的应用(J).湖南畜 牧兽医,1997,3:5-6. [25] YANG Su-ping, WANG Zheng-wu, ZHAO Chun-gui, QU Yin-bo, QIAN Xin-min. Generation of Hydrogen from PhotolysisofOrganicAcidsbyPhotosyntheticBacteria.Chinese

ChemicalLetters2002,13(11):1111-1114. [26] 杨素萍,曲音波.光合细菌生物制氢(J).现代化工,2003,9:1924. [27] 史国富,张肖洪.光合细菌与中药制药结合(康强胶囊)的应 用研究(J).山西中医学院学报,2003,4(3):15-16. [28] 王锦,刘清俊,张肖渺.康强硒在恶性肿瘤治疗中的作用(J). 山西医药杂志,1998,27(1):76-77. [29] 刘俊清,王梦亮,齐延兵,等.康强硒(CONSE)对恶性肿瘤辅助 治疗的临床观察(J).山西医科大学学报,1997,28(1):48-50. [30] 刘继彪, 俞汝龙. 一种治疗恶性肿瘤的中药制剂及制备方 法(J).2001. [31] 朱励华,韩茵,陈勃,等.光合细菌的培养及其在水产养殖中 的应用(J).水产养殖,1997，2:25-27. [32] 王新宇,钱新民,李淑贞,等.光合细菌对小鼠免疫功能的影 响(J).潍坊医学院学报,1994,16(4):277-278. [33] 俞吉安,张承康,陈峰,等.光合细菌的抗氧化作用机理探讨 (J).发光学报,2000,21(3):219-223. The Culture and Application of the Photosynthetic Bacteria (PSB) Yuli Wei ,Ning Zou (Dept.oflifescience,LudongUniversity,Yantai,264025) Abstract Inthispaper,theculturalmethodsandapplicationofthePBSweresummarizedinaquiculture、 wastewaterdisposal、 stockraising 、 agriculturenewenergysourcesandmedicalhealthBesides,theapplieddirectionofthePBSwa sdiscussed. keywords photosyntheticbacteria(PSB);culture;application 新闻动态 Bruker AXS 发布革命性超高亮度 X 射线源 在 PITTCON 2007 上，Bruker AXS 展出了该公司一款用于结构生物学的超高亮度 X 射线源 —— MICROSTAR ULTRA（TM） 。在亮度方面，MICROSTAR ULTRA 可与当前许多第二代同步加速器的 束 线流相媲美，是目前市场上可见到的强度最高的 X 射线源。由于采用了先进的电子光学以及 具有革命 性的 Hypercool（TM）阳极冷却设计（正在申请专利） ，MICROSTAR ULTRA 所产生的 X 射线 强度是无 与伦比的，可达到 8x1010 X-rays/mm2/sec，远远高于任何传统的旋转阳极发生器。而这一 性能方面的 显著提高，对于实验室结晶学研究的各个方面，包括从高通量晶体筛选到结构鉴定，均十分 有益。同 时，即使是对于最小晶体的分析，MICROSTAR ULTRA 也是一款非常理想的工具。 尽管性能出色，但 MICROSTAR ULTRA 的体积却非常紧凑，同时对于维护的要求也很低。据 Bruker

AXS 有关人士介绍，该公司现有的 MICROSTAR 发生器升级到 MICROSTAR ULTRA 的费用也是 用户可 接受的。