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光合细菌应用的研究进展

时间:2006-11-26栏目:医药卫生论文

  光合细菌应用的研究进展
  
  【关键词】  光合细菌
  
  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。本文简单介绍了光合细菌的分类和特征、性质,重点讨论了光合细菌在废水处理、生产单细胞蛋白、水产养殖、农牧业、生产食用色素以及其他等多方面的应用,尤其是将其用于中药的生物技术处理,为新药的研究开发提供了一种全新的思路和方法。
  
  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,见下表。表1  PSB的分类(略)
  
  2  PSB的特征和性质
  
  光合细菌属革兰氏阴性细菌,主要有球状、杆状、螺旋状和卵圆形,一般细胞直径大小为0.5 ——5 μm.主要以二分分裂方式进行繁殖,少数为出芽生殖。光合细菌菌体内含有菌绿素和类胡萝卜素,细菌的种类和数量不同,菌体可以呈现不同的颜色。
  
  光合细菌能以光作为能源,以CO2或有机物作为营养碳源进行繁殖,能利用太阳能同化CO2,在不同的自然条件下具有不同的功能,如固氮、固碳、放氢等,在自然界的物质循环中起着重要的作用。
  
  光合细菌菌体细胞除了含有大量水分外,还含有20%左右的干物质,包括蛋白质、碳水化合物、脂类和矿物盐等。如荚膜红假单胞菌菌体的蛋白质含量为57.95%,脂类7.91%,灰分4.40%,纤维2.92%[1].此外,光合细菌菌体还含有丰富的维生素,如胡萝卜素、B族维生素以及人体必需的多种氨基酸,因此可以作为饲料添加剂[2].
  
  3  PSB的应用
  
  光合细菌菌体含有丰富的蛋白质、氨基酸、生物必需的维生素、抗病毒活性因子、辅酶Q10以及多种生理活性物质,能够提供生物体所必需的营养,促进动植物生长,增强其抗病机能,减少疾病的发生,提高生物存活率。它还可以通过光合作用,维持物质循环,降解废弃有毒物,起到净化水质和环境的作用,确保人类的健康,所以已经在许多科学领域内引起了人们的高度重视。
  
  3.1  在废水处理方面的应用
  
  PSB能够利用日光为能源,通过新陈代谢降解高浓度的有机废水,能够显著降低有机废水中的生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)和化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)值。此法管理简单,降解率高,而且可以节约能源,不造成污染。目前应用的光合细菌菌种以红假单胞菌为主。1978年,小林正泰等最早提出了用光合细菌处理有机废水的工艺和设想,先后成功地对粪尿、食品、淀粉、皮革和豆制品加工的废水进行了处理,并建立了一批日处理几十至几千吨高浓度有机废水的系统,效果良好。Young等[3]从猪的污水池中分离得到一株紫色非硫菌株,此菌株通过光合作用能够使污水池中不稳定的有机化合物减少80%——93%,能够显著改善垃圾池的气味。郑耀通等[4]对光合细菌处理高浓度黄泔水进行了研究,对环境条件进行了优化,发现在此条件下用光合细菌对预先经过24 h曝气COD质量浓度为25.820 mg/L的黄泔水处理96 h,去除率达98.7%,为大规模应用提供了理论依据和工艺参数。崔双科等[5]研究了从炼焦废水生物处理系统中分离出的PSB对炼焦有机废水的静态及动态处理试验,表明在pH为7及有氧条件下,炼焦有机废水中有机物去除效率基本都在90%以上。
  
  3.2  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。
  
  3.3  在水产养殖方面的应用
  
  光合细菌含有丰富的氨基酸,特别是含有大量的维生素B12和维生素H,可作为饲料添加剂,具有很高的饵料价值,而且菌体无毒,安全可靠。因此,可以用于孵化鱼虾幼仔的初期饵料及喂养饵料的蛋白源。据报道,光合细菌对鱼类具有明显的促进生长的作用,并且还具有防治鱼虾疾病、净化养殖水质等多方面的功能,某些光合细菌还可以对水产养殖中的病害细菌产生拮抗作用,因而受到水产养殖专家们的高度重视。在养虾池中洒入一定量的光合细菌,可以净化水质,增加水中的溶解氧,提高水体透明度,还可以预防虾类疾病,提高虾苗成活率及成品虾产量[9].这种方法减少了消毒药物以及抗生素的使用,安全有效,是现代水产养殖的必然趋势。赵玲等[10]将PSB用于稚鳖养殖,结果表明光合细菌能够明显增加稚、幼鳖的体质量,提高稚鳖的成活率,并且对于高密度养殖,能够净化水体水质,维持水体微生物的生态平衡。
  
  3.4  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,提高抗病能力。据报道,健康奶牛饲喂光合细菌后,平均每天多产奶2.5 ——3 kg,且体型匀称丰满,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%.Varga[11]等人研究表明,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。谷军等[12]将光合细菌应用于种植番茄和黄瓜,结果表明光合细菌作为生物肥料使用可以提高番茄、黄瓜的产量,改善作物的品质,还可以提高作物叶绿素和维生素C的含量,降低蔬菜中亚硝酸盐的含量,延长作物的保存期。此方法所用光合细菌菌肥易得,具有很大的资源潜力。采用臭氧配合的复合光合细菌还可以降解棚菜残留农药,促进蔬菜生长

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