光合細菌應用的研究進(jìn)展
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摘要:光合細菌作為一種厭氧菌，本身含有多種營(yíng)養物質(zhì)和生理活性物質(zhì)，具有進(jìn)行光合作用、發(fā)酵以及固氮、產(chǎn)氫等功能，近幾十年來(lái)受到世界的廣泛關(guān)注。本文簡(jiǎn)單介紹了光合細菌的分類(lèi)和特征、性質(zhì)，重點(diǎn)討論了光合細菌在廢水處理、生產(chǎn)單細胞蛋白、水產(chǎn)養殖、農牧業(yè)、生產(chǎn)食用色素以及其他等多方面的應用，尤其是將其用于中藥的生物技術(shù)處理，為新藥的研究開(kāi)發(fā)提供了一種全新的思路和方法。
關(guān)鍵詞:光合細菌;應用;研究
光合細菌(photosynthetic bacteria,PSB)是自然界中的一類(lèi)水圈微生物，廣泛分布于湖泊、海洋、土壤中，是地球上最古老的生物之一。
人類(lèi)對光合細菌的認識始于19世紀30年代。1836年，Ehrenberg發(fā)現兩種能夠使沼澤、湖泊等水體顏色變紅的微生物，且其生長(cháng)與光、H2S的存在有密切關(guān)系。1883年Engelmann根據此類(lèi)“紅色細菌”聚集生長(cháng)在波長(cháng)與細菌細胞內色素的吸收波長(cháng)相一致的光線(xiàn)下這個(gè)事實(shí)，從而認為它們能進(jìn)行光合作用。Van Niel于1931年提出光合作用的共同反應式，用生物化學(xué)統一性觀(guān)點(diǎn)解釋生物的光合成現象，為現代光合細菌研究工作奠定了堅實(shí)的基礎。1987年，在中國上海成功召開(kāi)了第一屆中日光合細菌國際學(xué)術(shù)會(huì )議，大大推動(dòng)了光合細菌的研究和應用的發(fā)展。
1 PSB的分類(lèi)
根據《伯杰細菌鑒定手冊》第8版，將PSB分為2大類(lèi)：藍細菌(門(mén))和紅螺菌(目)，其中可進(jìn)行光合作用而不產(chǎn)氧的紅螺菌又可分為3個(gè)科(紅螺菌科、著(zhù)色菌科和綠菌科)，18個(gè)屬，見(jiàn)下表。表1 PSB的分類(lèi)(略)
2 PSB的特征和性質(zhì)
光合細菌屬革蘭氏陰性細菌，主要有球狀、桿狀、螺旋狀和卵圓形，一般細胞直徑大小為0.5 ~5 μm。主要以二分分裂方式進(jìn)行繁殖，少數為出芽生殖。光合細菌菌體內含有菌綠素和類(lèi)胡蘿卜素，細菌的種類(lèi)和數量不同，菌體可以呈現不同的顏色。
光合細菌能以光作為能源，以CO2或有機物作為營(yíng)養碳源進(jìn)行繁殖，能利用太陽(yáng)能同化CO2，在不同的自然條件下具有不同的功能，如固氮、固碳、放氫等，在自然界的物質(zhì)循環(huán)中起著(zhù)重要的作用。
光合細菌菌體細胞除了含有大量水分外，還含有20%左右的干物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類(lèi)和礦物鹽等。如莢膜紅假單胞菌菌體的蛋白質(zhì)含量為57.95%，脂類(lèi)7.91%，灰分4.40%，纖維2.92%[1]。此外，光合細菌菌體還含有豐富的維生素，如胡蘿卜素、B族維生素以及人體必需的多種氨基酸，因此可以作為飼料添加劑[2]。
3 PSB的應用
光合細菌菌體含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、生物必需的維生素、抗病毒活性因子、輔酶Q10以及多種生理活性物質(zhì)，能夠提供生物體所必需的營(yíng)養，促進(jìn)動(dòng)植物生長(cháng)，增強其抗病機能，減少疾病的發(fā)生，提高生物存活率。它還可以通過(guò)光合作用，維持物質(zhì)循環(huán)，降解廢棄有毒物，起到凈化水質(zhì)和環(huán)境的作用，確保人類(lèi)的健康，所以已經(jīng)在許多科學(xué)領(lǐng)域內引起了人們的高度重視。
3.1 在廢水處理方面的應用
PSB能夠利用日光為能源，通過(guò)新陳代謝降解高濃度的有機廢水，能夠顯著(zhù)降低有機廢水中的生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)和化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)值。此法管理簡(jiǎn)單，降解率高，而且可以節約能源，不造成污染。目前應用的光合細菌菌種以紅假單胞菌為主。1978年，小林正泰等最早提出了用光合細菌處理有機廢水的工藝和設想，先后成功地對糞尿、食品、淀粉、皮革和豆制品加工的廢水進(jìn)行了處理，并建立了一批日處理幾十至幾千噸高濃度有機廢水的系統，效果良好。Young等[3]從豬的污水池中分離得到一株紫色非硫菌株，此菌株通過(guò)光合作用能夠使污水池中不穩定的有機化合物減少80%～93%，能夠顯著(zhù)改善垃圾池的氣味。鄭耀通等[4]對光合細菌處理高濃度黃泔水進(jìn)行了研究，對環(huán)境條件進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現在此條件下用光合細菌對預先經(jīng)過(guò)24 h曝氣COD質(zhì)量濃度為25.820 mg/L的黃泔水處理96 h，去除率達98.7%，為大規模應用提供了理論依據和工藝參數。崔雙科等[5]研究了從煉焦廢水生物處理系統中分離出的PSB對煉焦有機廢水的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)處理試驗，表明在pH為7及有氧條件下，煉焦有機廢水中有機物去除效率基本都在90%以上。
3.2 在生產(chǎn)單細胞蛋白方面的應用
光合細菌的菌體無(wú)毒，營(yíng)養豐富，蛋白質(zhì)含量高達60%～65%，是一種優(yōu)質(zhì)蛋白源。還含有多種維生素,特別是維生素B2、葉酸、生物素的含量是酵母的幾十倍[6]。此外，還含有許多活性物質(zhì)，如輔酶Q10、抗病毒物質(zhì)及促生長(cháng)因子等。這些活性物質(zhì)與核酸合成有密切關(guān)系，能參與有機體神經(jīng)組織的代謝并促使血液的形成，促進(jìn)動(dòng)物生長(cháng)發(fā)育。Shipman等[7]利用一株非硫光合細菌處理農副產(chǎn)品生產(chǎn)單細胞蛋白，處理后的光合細菌菌體約含有65.0%的粗蛋白和5.1%的核酸，且氨基酸含量可以和傳統的動(dòng)植物蛋白源相提并論，為工業(yè)化大生產(chǎn)提供了理論依據。邱宏端等[8]采用釀造醬渣培養光合細菌，3 d后測定醬渣光合細菌飼料中粗蛋白含量為21.3%～22.7%，較原料醬渣提高35%以上，氨基酸總量提高20%左右，而且用醬渣光合細菌蛋白飼料喂養魚(yú)苗，魚(yú)苗成活率提高，不僅充分利用了工農業(yè)生產(chǎn)的廢渣廢水，還開(kāi)拓了新的蛋白源，為改善我國飼料嚴重短缺開(kāi)辟了重要途徑。
3.3 在水產(chǎn)養殖方面的應用
光合細菌含有豐富的氨基酸，特別是含有大量的維生素B12和維生素H，可作為飼料添加劑，具有很高的餌料價(jià)值，而且菌體無(wú)毒，安全可靠。因此，可以用于孵化魚(yú)蝦幼仔的初期餌料及喂養餌料的蛋白源。據報道，光合細菌對魚(yú)類(lèi)具有明顯的促進(jìn)生長(cháng)的作用，并且還具有防治魚(yú)蝦疾病、凈化養殖水質(zhì)等多方面的功能，某些光合細菌還可以對水產(chǎn)養殖中的病害細菌產(chǎn)生拮抗作用，因而受到水產(chǎn)養殖專(zhuān)家們的高度重視。在養蝦池中灑入一定量的光合細菌，可以?xún)艋|(zhì)，增加水中的溶解氧，提高水體透明度，還可以預防蝦類(lèi)疾病，提高蝦苗成活率及成品蝦產(chǎn)量[9]。這種方法減少了消毒藥物以及抗生素的使用，安全有效，是現代水產(chǎn)養殖的必然趨勢。趙玲等[10]將PSB用于稚鱉養殖，結果表明光合細菌能夠明顯增加稚、幼鱉的體質(zhì)量，提高稚鱉的成活率，并且對于高密度養殖，能夠凈化水體水質(zhì)，維持水體微生物的生態(tài)平衡。
3.4 在農牧業(yè)方面的應用
光合細菌具有固碳、固氮的功能，且在自然界的硫循環(huán)中擔任重要角色，因此能夠改善植物營(yíng)養、增加土壤肥力、抑制病原微生物的生長(cháng)。光合細菌還富含輔酶Q10，輔酶Q10具有增強心肌功能、抗休克、提高免疫力、改善細胞內呼吸等多種生理功能，能夠促進(jìn)動(dòng)物的生長(cháng)，提高抗病能力。據報道，健康奶牛飼喂光合細菌后，平均每天多產(chǎn)奶2.5 ～3 kg，且體型勻稱(chēng)豐滿(mǎn)，屠宰后肌肉鮮紅、有光澤，肉質(zhì)鮮嫩多汁;飼喂光合細菌的肉牛平均日增重多0.2 kg，凈肉率提高0.7%。Varga[11]等人研究表明，向發(fā)酵牛奶中加入藍細菌，不僅可以保護雙歧桿菌及其他有機體，還增加了牛奶中氨基酸和維他命的含量，提高了脂肪酸的組成。從現代營(yíng)養學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，光合細菌為生產(chǎn)功能性牛奶食品開(kāi)辟了嶄新的途徑。谷軍等[12]將光合細菌應用于種植番茄和黃瓜，結果表明光合細菌作為生物肥料使用可以提高番茄、黃瓜的產(chǎn)量，改善作物的品質(zhì)，還可以提高作物葉綠素和維生素C的含量，降低蔬菜中亞硝酸鹽的含量，延長(cháng)作物的保存期。此方法所用光合細菌菌肥易得，具有很大的資源潛力。采用臭氧配合的復合光合細菌還可以降解棚菜殘留農藥,促進(jìn)蔬菜生長(cháng)[13]。
3.5 在生產(chǎn)食用色素方面的應用
隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認識到以煤焦油系列為主要成分的合成色素具有致癌性，因此天然色素的開(kāi)發(fā)備受關(guān)注。光合細菌的色素無(wú)毒，易提取，色彩鮮艷，有光澤，且具有防水性，可作為食品著(zhù)色劑和添加劑，目前已經(jīng)廣泛用于油脂類(lèi)、豆制品、蔬果類(lèi)以及飲料等的著(zhù)色。光合細菌富含類(lèi)胡蘿卜素，是天然紅色素的重要來(lái)源。藍細菌、綠硫菌與植物產(chǎn)生類(lèi)胡蘿卜素的原理相似[14]，都是將八氫番茄紅素轉變?yōu)榉鸭t素，這是生物合成類(lèi)胡蘿卜素的一個(gè)初期步驟。類(lèi)胡蘿卜素可以隔離紫外線(xiàn)、防止化學(xué)致癌物誘發(fā)癌變，能清除體內超氧自由基，具有抗衰老的功效。我國在光合細菌產(chǎn)類(lèi)胡蘿卜素方面的研究涉及的菌種主要有球形紅假單胞菌(RP. sphaeroides)和球形紅桿菌(Rhodobacter sphaeroides) [15]。顧青等[16]對光合細菌產(chǎn)類(lèi)胡蘿卜素的發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化，初步確定了高產(chǎn)類(lèi)胡蘿卜素的最優(yōu)培養條件。此條件下，光合細菌的培養成本低，菌體生長(cháng)快，類(lèi)胡蘿卜素含量相對較高，可與法夫酵母產(chǎn)類(lèi)胡蘿卜素相媲美，具有極高的實(shí)用價(jià)值。
3.6 在能源開(kāi)發(fā)方面的應用
氫能源具有清潔無(wú)污染、能量密度高等特點(diǎn)，被認為是未來(lái)經(jīng)濟發(fā)展的理想綠色能源之一。生物制氫因其具有低能耗、低成本、無(wú)污染和可再生性等優(yōu)勢，一直是國際研究的熱點(diǎn)。光合細菌可以使有機物分解產(chǎn)生氫氣，且產(chǎn)氫的能量轉化率高，產(chǎn)氫的純度也較高。其中研究較多的是深紅紅螺菌，它可以以有機廢料作為原料進(jìn)行光合產(chǎn)氫。1962年，Gest[17]首次證明了光合細菌具有在光照厭氧條件下轉化有機物產(chǎn)生氫氣的特性，并在Science上發(fā)表了相關(guān)研究論文，為后續光合細菌產(chǎn)氫的研究奠定了堅實(shí)的基礎。2003年，楊素萍等[18]詳細闡述了固氮酶催化的光合放氫和氫酶催化的黑暗厭氧產(chǎn)氫機制，描述了光合細菌原初反應的微觀(guān)反應動(dòng)力學(xué)以及電子定向轉移和質(zhì)子轉位耦聯(lián)驅動(dòng)的三磷酸腺苷合成機制與固氮產(chǎn)氫過(guò)程。影響光合放氫的主要因素有光、氧氣、菌株特性、氫供體和氮源等。據報道，只要在合適的底物和環(huán)境條件下，光合細菌就能進(jìn)行光照放氫的代謝反應，由此，劉靈芝等[19]總結了環(huán)境因素對光照放氫反應的影響，對于光照放氫技術(shù)的實(shí)用化具有現實(shí)的指導意義。
3.7 在保健方面的應用
自20世紀70年代以來(lái)，日本、美國、德國、英國等廣泛開(kāi)展了光合細菌的研究開(kāi)發(fā)，因其含有豐富的營(yíng)養成分和生物活性物質(zhì)而被開(kāi)發(fā)成多種保健食品。光合細菌能夠增強動(dòng)物的抗氧化能力，經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗表明其具有延緩衰老、免疫調節的作用[20]。據美國商務(wù)部透露，僅1992年，美國保健品中約有5.5%～6.5%的品種加有不同比重的光合細菌菌液。美國太空署曾撥款3 200萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)研制在宇宙飛船內制造光合細菌食品的新技術(shù)，為宇航員長(cháng)期滯留太空提供食品保障。其中最具代表性的當屬新奧爾良・貝魯斯潘有限公司投產(chǎn)的PGH濃縮液，富含維生素、人體所需的微量元素、氨基酸等營(yíng)養成分，可調節內分泌，提高機體自身的免疫力。還有一種叫“米格申”的含光合細菌菌液的飲料在健全中樞神經(jīng)系統，預防老年癡呆等方面效果顯著(zhù)。在日本，光合細菌飲料也因具有延緩衰老的作用以及在防止心臟病、腦梗死、癌癥等方面的神奇功效而備受青睞。日本生物化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的一種“紫色光合細菌保健食品”還申請了專(zhuān)利[21]。我國已經(jīng)有人將光合細菌和其他益生菌一起制成EM(effective microorganisms,有益微生物群)菌劑，并進(jìn)行了相關(guān)報道。由中國科學(xué)院研究生院與山西安泰生物工程公司共同研制開(kāi)發(fā)的“安泰369口服液”就是利用光合細菌作為母液發(fā)酵制成的微生態(tài)保健飲品，經(jīng)試驗表明其具有延緩衰老、抑制腫瘤、免疫調節等多種功效。王夢(mèng)亮等[22]于1995年開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵而形成的含有光合細菌菌體蛋白及其代謝分泌物、有機硒化合物和中草藥發(fā)酵物的混合物，并申請了中國專(zhuān)利。此光合細菌制劑能夠減少X射線(xiàn)引起的白細胞減少及染色體變異，能夠增加小鼠的巨噬細胞吞噬量，具有非常明顯的保健治療作用。
3.8 在醫藥方面的應用
由于光合細菌含有豐富的營(yíng)養成分和生物活性物質(zhì)，對人體具有保健作用，因此，其在醫藥保健品方面的應用越來(lái)越受到國內外研究者的關(guān)注[23]。有研究表明[24]，在光合細菌培養基中添加一定濃度的木瓜、栝樓、女貞子、郁金等中草藥的浸提液，不僅可以明顯促進(jìn)光合細菌的生長(cháng)，還可以提高其抑菌作用。且光合細菌本身能夠完全或部分對抗免疫抑制劑的免疫抑制作用，對小鼠的免疫器官與免疫功能有一定的保護作用[25]。近年來(lái)，利用光合細菌的代謝作用對中藥進(jìn)行生物技術(shù)處理，又開(kāi)辟一新的研究領(lǐng)域[26]。太原康強藥業(yè)有限公司研究開(kāi)發(fā)的一種以中草藥為原料，利用現代生物工程技術(shù)研制而成的富硒光合細菌制劑，能夠明顯提高癌癥患者的免疫功能，并且具有一定的抑瘤作用[27]。劉俊清等利用光合細菌，以還原態(tài)硒化物發(fā)酵合成了多種生物活性的有機硒化合物，并且制成了以硒蛋白、硒酸多糖和富硒卟啉色素為主要成分的“康強硒”制劑，此制劑能夠輔助治療惡性腫瘤，提高患者的免疫力等[28,29]。史國富等[30]對康強膠囊的應用進(jìn)行了詳細的報道，并高度評價(jià)了其采用中藥復方與光合細菌發(fā)酵技術(shù)相結合的獨特制備工藝技術(shù)，指出該技術(shù)是傳統中藥與現代生物技術(shù)的結合應用，對以后的中藥研究、應用、開(kāi)發(fā)作出了新的貢獻。劉繼彪等[31]用光合細菌菌液發(fā)酵中藥，制成了口服液、冷凍干燥產(chǎn)品等中藥制劑，該制劑能夠糾正機體內環(huán)境微量元素平衡紊亂，促使癌細胞向正常細胞轉化并最終全部恢復成正常細胞，對惡性腫瘤治療有較顯著(zhù)的療效，并申請了國家專(zhuān)利。
4 PSB的發(fā)展前景
光合細菌作為一種營(yíng)養豐富的光能自養菌，在人類(lèi)生活的多方面都具有重要作用，并且已經(jīng)在世界上許多國家得到廣泛應用。隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展，河流、湖泊、近海水域、池塘、養殖池等受污染的機會(huì )增加，人們的生活水平不斷提高，對魚(yú)、肉、蝦產(chǎn)品需求量逐年增大，水域污染對水產(chǎn)養殖業(yè)造成巨大的危害，為解決這些問(wèn)題，減少有機廢物的排放并合理處理，有必要擴大光合細菌的養殖數量來(lái)滿(mǎn)足需要，而選擇合適的菌株以及適當的培養條件非常關(guān)鍵。所以光合細菌的優(yōu)化培養技術(shù)還有待進(jìn)一步的提高。光合細菌產(chǎn)氫雖早有報道，但是其研究水平仍然處于初級探索階段，大多仍采用純培養和細胞固定化的技術(shù)路線(xiàn)，規模大多局限于實(shí)驗室水平，還有許多問(wèn)題有待研究和解決，從而找到大規模生產(chǎn)綠色新能源的途徑。光合細菌雖然是一個(gè)非常古老的微生物菌種，但在醫藥保健品方面的應用才剛剛起步。近年來(lái)，隨著(zhù)細胞分子生物學(xué)的應用與發(fā)展，生物技術(shù)為中藥研究提供了全新的思路，在中藥開(kāi)發(fā)中具有很大的優(yōu)勢與廣闊的應用前景。其中，中草藥及其有效生物活性成分的發(fā)酵生產(chǎn)在具有中國特色的生物技術(shù)醫藥工業(yè)中應用最廣泛。用光合細菌對中藥進(jìn)行生物技術(shù)處理是這一技術(shù)領(lǐng)域新的探索，為現代新藥的研究開(kāi)發(fā)，提供了一種全新的思路和方法，具有極大的研究?jì)r(jià)值。
參考文獻:
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