光合细菌在生猪养殖中的应用

 

　　光合细菌（PSB）是一类具有原始光能合成体系的原核生物的统称。PSB的种类很多，根据国际上常用的伯杰氏分类手册（第9版）的分类标准，PSB可分为着色杆菌科、外硫红螺菌科、紫色非硫细菌、绿色硫细菌、多细胞丝状绿细菌、螺旋杆菌科和含叶绿素a的专性好氧菌，7类共25个属，66个种，近年来还陆续有新种的报道。而紫色非硫PSB是不产氧PSB中种属最多、分布最广、形态生理生化特征最为多样和系统发育最为复杂的一群。紫色非硫PSB也称红螺菌科PSB,属于兼性厌气菌和光能利用菌。其细胞富含蛋白质、氨基酸及胡萝卜素等多种生物活性成分，并且具有固碳、固氮、脱氢和氧化硫化物等多种生理功能。PSB在自然界中分布十分广泛，凡是光能之处均可发现它们的踪迹。PSB的形态多样，大小差异也大，但它们均具有一个共同的特点，就是都含有光合色素，只是不同PSB因其所含色素的种类和组成的差异而显示不同的菌体颜色。对PSB的研究主要从2个方面入手，即理论意义和应用价值。理论上它是研究光合作用、固氮作用、探索生命起源及生物进化的理想试验材料；在实际应用上，可用来制造氢气、作为降解塑料的生物材料、制作生物杀虫剂和生物肥料，还可用来净化有机污染、处理高质量浓度有机废水和进行生物脱氮。而且在水产养殖中也有很广泛的应用，但对生猪的养殖中报道很少。

　　1 PSB的形态结构

　　从培养要求及形态特征来看，PSB都是革兰阴性菌，其个体有单细胞和多细胞；形态有圆形、卵形、杆形、螺旋形及各种不规则的形状，有些菌具有其独特的营养生长周期，而且不同时期有不同的细胞形态。在运动方面也是多种多样，通过鞭毛运动的、滑行运动的和不运动的。一般细胞直径大小为0.5-5μm，主要的繁殖方式是二分分裂，少数为出芽生殖。一般都不形成芽孢。PSB体内不存在叶绿体和类囊体，却具有双层膜的类似于叶绿体的结构，在此结构中有光合色素--细菌叶绿素，有的还有大量的类胡萝卜素，因而产生不同的颜色。细菌叶绿素和类胡萝卜素的光谱吸收处分别为715-1050和450-550nm。

　　2 PSB的理化特性和作用机制

　　PSB具有丰富的营养成分，蛋白质含量高达65%；含有丰富的维生素，是动物幼体发育所必需的B族维生素，如：B12、叶酸和生物素，含量相当高，是啤酒酵母和小球藻的20-60倍，此外还含有多种微量元素、促生长因子、促免疫因子和辅酶Q等生理活性物质，是一类高营养的微生态制剂的主要成分。微生态制剂，是利用一种或几种正常微生物或促进微生物生长的物质制成的活的微生物制剂。一切能促进正常微生物群生长繁殖且抑制致病菌生长繁殖的制剂都可以被称为微生态制剂。

　　PSB的生理代谢功能复杂多样，自养、异养和兼性营养，好氧、厌养和兼性厌氧等多种类型都可见。PSB在有光照缺氧的环境中利用光能进行光合作用，同化二氧化碳。与绿色植物光合作用不同的是,它们的光合作用不产生氧气。PSB细胞内只有一个光系统，即光系统I（PSI），光合作用的原始供氢体不是水，而是H2S（或一些有机物），这样它进行光合作用的结果是产生了H2，分解有机物，同时还能固定空气的分子氮生成氨。PSB在自身的同化代谢过程中，同时完成了产氢、固氮和分解有机物3个自然界物质循环中极为重要的化学过程。这些独特的生理特性使它们在生态系统中的地位极为重要。

　　其反应式：

　　以H2S为供氢体

　　CO2+H2S→（CH2O）+H2O+2S

　　以硫代硫酸盐为供氢体

　　2CO2+Na2S2O3→2（CH2O）+H2SO4+Na2SO4

　　以有机物为供氢体

　　CO2+2H2A→（CH2O）+H2O+2A

　　由于PSB的生理类群的多样性,才使其在生物圈的能量转化中及在C、N、S、P和O等生命重要元素的循环中成为一类具有重要作用的微生物。

　　3 PSB的应用

　　3.1利用PSB处理有机废水

　　PSB能在黑暗有氧和光照无氧的条件下完成合成与代谢。这样就可以利用PSB来处理高质量浓度有机废水。PSB能以多种有机酸和醇类等有机化合物作为光合作用的供氢体和原料，还能耐受高质量浓度有机物，并具有较强的分解和去除有机物的生理特性。因此，在自然光照和微好氧条件下，能对许多高质量浓度的有机废水进行高效率的处理，并且在处理前不需对废水进行稀释。与常规的生物好氧法和厌氧发酵法处理有机废水相比，具有明显的优势。首先不存在污泥处理问题，可直接用来处理高质量浓度有机废水；其次所得的副产品—菌体污泥还可进行利用，作为鱼和家畜的饵料，或种植业的肥料，不造成二次污染而得以综合利用；另外所需场地少，费用低，从而节约了废水处理的开支，降低了成本。而且PSB处理废水还可以与光合产氢结合起来，在处理废水和获得单细胞蛋白（SCP）的同时，得到新能源。目前，利用PSB处理有机废水，已在很多行业中成功投产。

　　3.2利用PSB制造氢能源

　　氢能源清洁、高效并可再生，是一种可替代化石燃料的新型能源，利用生物制氢与热化学和电化学制氢相比较，有能耗低和污染少的特点。近年来，用微生物生产清洁的氢能源更是成为了研究的热点。PSB在固氮和产氢的过程中皆由固氮酶所催化，而且产氢条件和固氮条件相同。其产氢的机制为在固氮过程中，在固氮酶的催化下，消耗能量物质三磷酸腺苷（ATP），同时还原NAD（P）H中的2个H+，释放的电子通过铁氧还蛋白或黄素蛋白传递到固氮酶的铁蛋白，然后再传递给钼铁蛋白，在钼铁蛋白上将分子氮和H分别还原为NH3和H2。在正常情况下，PSB的固氮和产氢同步进行，但在氮气饥饿时NAD（P）H中的H+几乎全部在固氮酶的作用下被还原成H2，从而提供更多的氢能源。目前许多国家正在开发此项研究。

　　3.3利用PSB制造药物

　　研究表明：PSB有许多生理活性，包括抗氧化作用、调脂作用、抗肿瘤作用和免疫活性等，而且PSB没有毒性，能促进生殖生长。其有效成分对超氧阴离子有很好的淬灭作用。通过试验证实，PSB制剂可促进小鼠脾及胸腺增殖并提高腹腔巨噬细胞的吞噬功能，抑瘤率平均显著提高。且对小鼠生殖生长影响及毒性测试中，其对小鼠的生长发育无不良影响，没有致毒和致病作用，不具有潜在的危害。所以，有人提出，PSB可用于人的食用蛋白、食用色素和医药等方面的开发研究。目前，已有国外公司将PSB制成微生态制剂，如：在我国市场推销的有效微生物群（EM）菌剂等。EM菌剂是由PSB、乳酸菌群、酵母菌群、放线菌群和丝状菌群5种10属80余种微生物组成的混合菌剂。其中不含任何化学有害物质，无毒不良反应，不污染环境，在促进动植物生长、防病治病、提高农畜产品品质、改良土壤和改善环境等方面，有着独特和综合的功能，其中PSB起着主导的作用。