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光合细菌应用的研究进展
大学毕业论文，可能对于临近毕业的同学们还是比较头疼的一件事情，那么小编话不多说，直接给大家带来自考医学专业论文一篇，希望能够帮助到毕业生们哦!
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[13]。
3.5 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[14]，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。类胡萝卜素可以隔离紫外线、防止化学致癌物诱发癌变，能清除体内超氧自由基，具有抗衰老的功效。我国在光合细菌产类胡萝卜素方面的研究涉及的菌种主要有球形红假单胞菌(RP. sphaeroides)和球形红杆菌(Rhodobacter sphaeroides) [15]。顾青等[16]对光合细菌产类胡萝卜素的发酵条件进行了优化，初步确定了高产类胡萝卜素的最优培养条件。此条件下，光合细菌的培养成本低，菌体生长快，类胡萝卜素含量相对较高，可与法夫酵母产类胡萝卜素相媲美，具有极高的实用价值。
3.6 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。1962年，Gest[17]首次证明了光合细菌具有在光照厌氧条件下转化有机物产生氢气的特性，并在Science上发表了相关研究论文，为后续光合细菌产氢的研究奠定了坚实的基础。2003年，杨素萍等[18]详细阐述了固氮酶催化的光合放氢和氢酶催化的黑暗厌氧产氢机制，描述了光合细菌原初反应的微观反应动力学以及电子定向转移和质子转位耦联驱动的三磷酸腺苷合成机制与固氮产氢过程。影响光合放氢的主要因素有光、氧气、菌株特性、氢供体和氮源等。据报道，只要在合适的底物和环境条件下，光合细菌就能进行光照放氢的代谢反应，由此，刘灵芝等[19]总结了环境因素对光照放氢反应的影响，对于光照放氢技术的实用化具有现实的指导意义。
3.7 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而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，经动物实验表明其具有延缓衰老、免疫调节的作用[20]。据美国商务部透露，仅1992年，美国保健品中约有5.5%～6.5%的品种加有不同比重的光合细菌菌液。美国太空署曾拨款3 200万美元，开发研制在宇宙飞船内制造光合细菌食品的新技术，为宇航员长期滞留太空提供食品保障。其中最具代表性的当属新奥尔良・贝鲁斯潘有限公司投产的PGH浓缩液，富含维生素、人体所需的微量元素、氨基酸等营养成分，可调节内分泌，提高机体自身的免疫力。还有一种叫“米格申”的含光合细菌菌液的饮料在健全中枢神经系统，预防老年痴呆等方面效果显著。在日本，光合细菌饮料也因具有延缓衰老的作用以及在防止心脏病、脑梗死、癌症等方面的神奇功效而备受青睐。日本生物化学工业公司生产的一种“紫色光合细菌保健食品”还申请了专利[21]。我国已经有人将光合细菌和其他益生菌一起制成EM(effective microorganisms,有益微生物群)菌剂，并进行了相关报道。由中国科学院研究生院与山西安泰生物工程公司共同研制开发的“安泰369口服液”就是利用光合细菌作为母液发酵制成的微生态保健饮品，经试验表明其具有延缓衰老、抑制肿瘤、免疫调节等多种功效。王梦亮等[22]于1995年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。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。
3.8 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国内外研究者的关注[23]。有研究表明[24]，在光合细菌培养基中添加一定浓度的木瓜、栝楼、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[25]。近年来，利用光合细菌的代谢作用对中药进行生物技术处理，又开辟一新的研究领域[26]。太原康强药业有限公司研究开发的一种以中草药为原料，利用现代生物工程技术研制而成的富硒光合细菌制剂，能够明显提高癌症患者的免疫功能，并且具有一定的抑瘤作用[27]。刘俊清等利用光合细菌，以还原态硒化物发酵合成了多种生物活性的有机硒化合物，并且制成了以硒蛋白、硒酸多糖和富硒卟啉色素为主要成分的“康强硒”制剂，此制剂能够辅助治疗恶性肿瘤，提高患者的免疫力等[28,29]。史国富等[30]对康强胶囊的应用进行了详细的报道，并高度评价了其采用中药复方与光合细菌发酵技术相结合的独特制备工艺技术，指出该技术是传统中药与现代生物技术的结合应用，对以后的中药研究、应用、开发作出了新的贡献。刘继彪等[31]用光合细菌菌液发酵中药，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。
4 PSB的发展前景
光合细菌作为一种营养丰富的光能自养菌，在人类生活的多方面都具有重要作用，并且已经在世界上许多国家得到广泛应用。随着现代工业的发展，河流、湖泊、近海水域、池塘、养殖池等受污染的机会增加，人们的生活水平不断提高，对鱼、肉、虾产品需求量逐年增大，水域污染对水产养殖业造成巨大的危害，为解决这些问题，减少有机废物的排放并合理处理，有必要扩大光合细菌的养殖数量来满足需要，而选择合适的菌株以及适当的培养条件非常关键。所以光合细菌的优化培养技术还有待进一步的提高。光合细菌产氢虽早有报道，但是其研究水平仍然处于初级探索阶段，大多仍采用纯培养和细胞固定化的技术路线，规模大多局限于实验室水平，还有许多问题有待研究和解决，从而找到大规模生产绿色新能源的途径。光合细菌虽然是一个非常古老的微生物菌种，但在医药保健品方面的应用才刚刚起步。近年来，随着细胞分子生物学的应用与发展，生物技术为中药研究提供了全新的思路，在中药开发中具有很大的优势与广阔的应用前景。其中，中草药及其有效生物活性成分的发酵生产在具有中国特色的生物技术医药工业中应用最广泛。用光合细菌对中药进行生物技术处理是这一技术领域新的探索，为现代新药的研究开发，提供了一种全新的思路和方法，具有极大的研究价值。
参考文献:
[1]刘如林,刁虎欣,梁凤来,等. 光合细菌及其应用[M]. 北京: 中国农业科技出版社,1991: 95.
[2]曾宇,秦松,梁明山. 光合细菌综合应用新进展[J]. 水产科学,2000,19(5): 34.
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