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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/(μg.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
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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。
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The Culture and Application of the Photosynthetic Bacteria (PSB)
Yuli Wei ,Ning Zou
(Dept.oflifescience,LudongUniversity,Yantai,264025)
Abstract　Inthispaper,theculturalmethodsandapplicationofthePBSweresummarizedinaquiculture、wastewaterdisposal、
stockraising、agriculturenewenergysourcesandmedicalhealthBesides,theapplieddirectionofthePBSwasdiscussed.
keywords　photosyntheticbacteria(PSB);culture;application
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