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光合細菌應用的研究進展
大學畢業論文，可能對于臨近畢業的同學們還是比較頭疼的一件事情，那么小編話不多說，直接給大家帶來自考醫學專業論文一篇，希望能夠幫助到畢業生們哦!
摘要:光合細菌作為一種厭氧菌，本身含有多種營養物質和生理活性物質，具有進行光合作用、發酵以及固氮、產氫等功能，近幾十年來受到世界的廣泛關注。本文簡單介紹了光合細菌的分類和特征、性質，重點討論了光合細菌在廢水處理、生產單細胞蛋白、水產養殖、農牧業、生產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處理，為新藥的研究開發提供了一種全新的思路和方法。
關鍵詞: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。
人類對光合細菌的認識始于19世紀30年代。1836年，Ehrenberg發現兩種能夠使沼澤、湖泊等水體顏色變紅的微生物，且其生長與光、H2S的存在有密切關系。1883年Engelmann根據此類“紅色細菌”聚集生長在波長與細菌細胞內色素的吸收波長相一致的光線下這個事實，從而認為它們能進行光合作用。Van Niel于1931年提出光合作用的共同反應式，用生物化學統一性觀點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的基礎。1987年，在中國上海成功召開了第一屆中日光合細菌國際學術會議，大大推動了光合細菌的研究和應用的發展。
1 PSB的分類
根據《伯杰細菌鑒定手冊》第8版，將PSB分為2大類：藍細菌(門)和紅螺菌(目)，其中可進行光合作用而不產氧的紅螺菌又可分為3個科(紅螺菌科、著色菌科和綠菌科)，18個屬，見下表。表1 PSB的分類(略)
2 PSB的特征和性質
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行繁殖，少數為出芽生殖。光合細菌菌體內含有菌綠素和類胡蘿卜素，細菌的種類和數量不同，菌體可以呈現不同的顏色。
光合細菌能以光作為能源，以CO2或有機物作為營養碳源進行繁殖，能利用太陽能同化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，在自然界的物質循環中起著重要的作用。
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，包括蛋白質、碳水化合物、脂類和礦物鹽等。如莢膜紅假單胞菌菌體的蛋白質含量為57.95%，脂類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、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，能夠提供生物體所必需的營養，促進動植物生長，增強其抗病機能，減少疾病的發生，提高生物存活率。它還可以通過光合作用，維持物質循環，降解廢棄有毒物，起到凈化水質和環境的作用，確保人類的健康，所以已經在許多科學領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，通過新陳代謝降解高濃度的有機廢水，能夠顯著降低有機廢水中的生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)和化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)值。此法管理簡單，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行了研究，對環境條件進行了優化，發現在此條件下用光合細菌對預先經過24 h曝氣COD質量濃度為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及動態處理試驗，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 在生產單細胞蛋白方面的應用
光合細菌的菌體無毒，營養豐富，蛋白質含量高達60%～65%，是一種優質蛋白源。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，如輔酶Q10、抗病毒物質及促生長因子等。這些活性物質與核酸合成有密切關系，能參與有機體神經組織的代謝并促使血液的形成，促進動物生長發育。Shipman等[7]利用一株非硫光合細菌處理農副產品生產單細胞蛋白，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植物蛋白源相提并論，為工業化大生產提供了理論依據。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苗，魚苗成活率提高，不僅充分利用了工農業生產的廢渣廢水，還開拓了新的蛋白源，為改善我國飼料嚴重短缺開辟了重要途徑。
3.3 在水產養殖方面的應用
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，具有很高的餌料價值，而且菌體無毒，安全可靠。因此，可以用于孵化魚蝦幼仔的初期餌料及喂養餌料的蛋白源。據報道，光合細菌對魚類具有明顯的促進生長的作用，并且還具有防治魚蝦疾病、凈化養殖水質等多方面的功能，某些光合細菌還可以對水產養殖中的病害細菌產生拮抗作用，因而受到水產養殖專家們的高度重視。在養蝦池中灑入一定量的光合細菌，可以凈化水質，增加水中的溶解氧，提高水體透明度，還可以預防蝦類疾病，提高蝦苗成活率及成品蝦產量[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，維持水體微生物的生態平衡。
3.4 在農牧業方面的應用
光合細菌具有固碳、固氮的功能，且在自然界的硫循環中擔任重要角色，因此能夠改善植物營養、增加土壤肥力、抑制病原微生物的生長。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，能夠促進動物的生長，提高抗病能力。據報道，健康奶牛飼喂光合細菌后，平均每天多產奶2.5 ～3 kg，且體型勻稱豐滿，屠宰后肌肉鮮紅、有光澤，肉質鮮嫩多汁;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。從現代營養學觀點來看，光合細菌為生產功能性牛奶食品開辟了嶄新的途徑。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、黃瓜的產量，改善作物的品質，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,促進蔬菜生長[13]。
3.5 在生產食用色素方面的應用
隨著科學的發展，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，因此天然色素的開發備受關注。光合細菌的色素無毒，易提取，色彩鮮艷，有光澤，且具有防水性，可作為食品著色劑和添加劑，目前已經廣泛用于油脂類、豆制品、蔬果類以及飲料等的著色。光合細菌富含類胡蘿卜素，是天然紅色素的重要來源。藍細菌、綠硫菌與植物產生類胡蘿卜素的原理相似[14]，都是將八氫番茄紅素轉變為番茄紅素，這是生物合成類胡蘿卜素的一個初期步驟。類胡蘿卜素可以隔離紫外線、防止化學致癌物誘發癌變，能清除體內超氧自由基，具有抗衰老的功效。我國在光合細菌產類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]對光合細菌產類胡蘿卜素的發酵條件進行了優化，初步確定了高產類胡蘿卜素的最優培養條件。此條件下，光合細菌的培養成本低，菌體生長快，類胡蘿卜素含量相對較高，可與法夫酵母產類胡蘿卜素相媲美，具有極高的實用價值。
3.6 在能源開發方面的應用
氫能源具有清潔無污染、能量密度高等特點，被認為是未來經濟發展的理想綠色能源之一。生物制氫因其具有低能耗、低成本、無污染和可再生性等優勢，一直是國際研究的熱點。光合細菌可以使有機物分解產生氫氣，且產氫的能量轉化率高，產氫的純度也較高。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行光合產氫。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生氫氣的特性，并在Science上發表了相關研究論文，為后續光合細菌產氫的研究奠定了堅實的基礎。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氫機制，描述了光合細菌原初反應的微觀反應動力學以及電子定向轉移和質子轉位耦聯驅動的三磷酸腺苷合成機制與固氮產氫過程。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境條件下，光合細菌就能進行光照放氫的代謝反應，由此，劉靈芝等[19]總結了環境因素對光照放氫反應的影響，對于光照放氫技術的實用化具有現實的指導意義。
3.7 在保健方面的應用
自20世紀70年代以來，日本、美國、德國、英國等廣泛開展了光合細菌的研究開發，因其含有豐富的營養成分和生物活性物質而被開發成多種保健食品。光合細菌能夠增強動物的抗氧化能力，經動物實驗表明其具有延緩衰老、免疫調節的作用[20]。據美國商務部透露，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3 200萬美元，開發研制在宇宙飛船內制造光合細菌食品的新技術，為宇航員長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的PGH濃縮液，富含維生素、人體所需的微量元素、氨基酸等營養成分，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系統，預防老年癡呆等方面效果顯著。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。日本生物化學工業公司生產的一種“紫色光合細菌保健食品”還申請了專利[21]。我國已經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，并進行了相關報道。由中國科學院研究生院與山西安泰生物工程公司共同研制開發的“安泰369口服液”就是利用光合細菌作為母液發酵制成的微生態保健飲品，經試驗表明其具有延緩衰老、抑制腫瘤、免疫調節等多種功效。王夢亮等[22]于1995年開發了一種經過微生物發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酵物的混合物，并申請了中國專利。此光合細菌制劑能夠減少X射線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養成分和生物活性物質，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越受到國內外研究者的關注[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，不僅可以明顯促進光合細菌的生長，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，利用光合細菌的代謝作用對中藥進行生物技術處理，又開辟一新的研究領域[26]。太原康強藥業有限公司研究開發的一種以中草藥為原料，利用現代生物工程技術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，以還原態硒化物發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行了詳細的報道，并高度評價了其采用中藥復方與光合細菌發酵技術相結合的獨特制備工藝技術，指出該技術是傳統中藥與現代生物技術的結合應用，對以后的中藥研究、應用、開發作出了新的貢獻。劉繼彪等[31]用光合細菌菌液發酵中藥，制成了口服液、冷凍干燥產品等中藥制劑，該制劑能夠糾正機體內環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的療效，并申請了國家專利。
4 PSB的發展前景
光合細菌作為一種營養豐富的光能自養菌，在人類生活的多方面都具有重要作用，并且已經在世界上許多國家得到廣泛應用。隨著現代工業的發展，河流、湖泊、近海水域、池塘、養殖池等受污染的機會增加，人們的生活水平不斷提高，對魚、肉、蝦產品需求量逐年增大，水域污染對水產養殖業造成巨大的危害，為解決這些問題，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滿足需要，而選擇合適的菌株以及適當的培養條件非常關鍵。所以光合細菌的優化培養技術還有待進一步的提高。光合細菌產氫雖早有報道，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路線，規模大多局限于實驗室水平，還有許多問題有待研究和解決，從而找到大規模生產綠色新能源的途徑。光合細菌雖然是一個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，隨著細胞分子生物學的應用與發展，生物技術為中藥研究提供了全新的思路，在中藥開發中具有很大的優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酵生產在具有中國特色的生物技術醫藥工業中應用最廣泛。用光合細菌對中藥進行生物技術處理是這一技術領域新的探索，為現代新藥的研究開發，提供了一種全新的思路和方法，具有極大的研究價值。
參考文獻:
[1]劉如林,刁虎欣,梁鳳來,等. 光合細菌及其應用[M]. 北京: 中國農業科技出版社,1991: 95.
[2]曾宇,秦松,梁明山. 光合細菌綜合應用新進展[J]. 水產科學,2000,19(5): 34.
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