光合细菌及其在农业中的应用.docx

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光合细菌及其在农业中的应用

光合细菌及其在农业中的应用

光合细菌（PhotosyntheticBacteria，略作PSB）是一大类能进行光合作用的原核生物的总称。

除蓝细菌外，都能在厌氧光照条件下，进行不产氧的光合作用。

根据“伯杰氏细菌鉴定手册”（第9版），不产氧型的光合细菌可分成以下6类，27属：

●着色菌科（Chromatiaceae）（又称红色硫细菌、紫硫细菌），含9个属；

●外硫红螺菌科（Ectothiorhodospiraceae），含1属；

●红色非硫细菌（Purplenonsulfurbacteria），即原红螺菌科（Rhodospirillaceae），含6属；

●绿硫细菌（Greensulfurbacteria）即原绿菌科（Chlorobiaceae），含5个属；

●多细胞绿丝菌（Multicellularfilamentousgreenbacteria），即原绿丝菌科（Chloroflexaceae），含4属；

●盐杆菌（Heliobacterium），含2个属。

由于光合细菌在物质转化循环中的重要作用，以及菌体含有的丰富营养，使这类古老的微生物成为近二、三十年来人们开发利用的一大热点。

大量的研究成果表明，光合细菌在农业、水产、污染治理与资源化等方面，有着巨大的实用价值，应用前景十分广阔。

以下就光合细菌的主要性状、在农业等领域的应用、方法、作用原理等，作一简要介绍。

一、光合细菌的主要特征

1．光合细菌的形态学特征

PSB培养物的颜色

PSB因含有光合色素（细菌叶绿素、类胡萝卜素）而呈现一定颜色。

除少数例外，一般说来，红螺菌科和着色菌科的菌呈红、粉红、橙黄、紫色或茶褐色；绿菌科和绿色丝状菌科的菌呈绿色。

红螺菌科和着色菌科的的培养物之所以呈现有黄色到紫色的各种鲜艳的颜色，这是由类胡萝卜素高浓度蓄积并掩盖了细菌叶绿素的色调而形成的。

少数类胡萝卜素含量少的菌，或缺乏类胡萝卜素的变异株，便会显示细菌叶绿素的蓝绿色。

每个菌种各有自己的颜色，但由于培养条件的不同，其颜色会发生变化。

例如，球形红菌（Rhodobactersphaeroides）和荚膜红菌（Rhodobactercapsulatus）的厌氧液体培养物呈茶褐色，半好氧培养物呈红色。

这是由于氧的存在使细胞内类胡萝卜素组成发生变化的缘故。

PSB细胞形状与大小

PSB菌体形态极其多样，有球状、卵状、杆状、弧状、螺旋状、环状、半环状、丝状，以及链状、锯齿状、格子状、网篮状等等。

不仅不同的菌种有多种多样的形态，就是同一种类也往往由于培养条件和生长阶段等不同而使细胞形态发生变化。

尽管如此，许多菌种在细胞形态上仍然是各具特征的。

如球形红菌（Rhodobactersphaeroides）的细胞为球状；红微菌属（Rhodomicrobium）细菌的细胞丝相连；绿突菌属（Prosthecochloris）的细胞为具突起之球菌等等。

细胞的大小因种类不同而变化很大。

如Rhodocyclusgelatinosus在0.4~0.5*1~2微米，Chromatiumokenii的细胞则大得多，大体在4.5~6.0*3~10微米。

一般说来，红螺菌科细胞的大小为0.6~0.7*1~10微米；着色菌科细胞大小为1~3*2~15微米；绿菌科细胞大小为0.7~1*1~2微米。

光合作用器官

PSB的细胞内存在着载色体（chromatopheres）或绿菌泡囊（chlorobiumvesicles），光合色素是它们的基本组成部分。

它们是光合细菌吸收光能并转变成化能，即进行光合磷酸化作用的所在部位。

载色体由细胞膜陷入细胞质内而形成，与细胞膜成连续的状态。

在红螺菌科和着色菌科的细菌体内，载色体因菌种不同而分别呈小胞状体、薄片状或管状。

绿菌泡囊是绿菌科和绿丝菌科的菌种细胞内的光合作用器官，它分散地附着于细胞膜下，是由一层膜包起来的、独立存在于细胞内的小胞状体。

运动方式

红螺菌科与绿丝菌科的菌具运动性，绿菌科的菌为非运动性，着色菌科中的菌种两者都有。

那些具有运动性的菌种往往由于温度、光照强度、pH等等培养条件的变化而可成为非运动性的。

大多数菌的运动都由鞭毛运动而产生。

多数为极生鞭毛，如度光红螺菌（Rhodospirillumphotometricum）和奥氏着色菌（Chromatiumokenii）等具有较粗的囊状的极生鞭毛。

也有少数为周毛，如红微菌属（Rhodomicrobium）的新生细胞即以周生鞭毛运动。

此外，还有滑走运动和痉挛式（jerkymovement）运动类型。

如绿丝菌（Chloroflexus）即以滑行运动方式进行运动。

分裂方式

PSB的绝大多数种类都以2分裂进行繁殖，仅有少数例外。

一种例外是出芽分裂方式，子细胞与母细胞之间有柄相连。

如范尼氏红微菌（RhodomicrobiumVannielii）和沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）等菌种。

后者进行出芽繁殖时，其母细胞于鞭毛的相对极处产生纤细的管子，管子末端膨大形成芽体，子细胞与母细胞同样大小，两者又发生不同步的分裂，结果形成玫瑰花饰的细胞丛。

还有一种例外的分裂方式是进行极性伸长分裂（polarclongation），可见于绿菌科的暗网菌属（Pelodictyon）。

2．光合细菌的生理特征

PSB的色素及其作用

PSB在自然界生态系统中，与其他光合生物一样是初级生产者，具有固定太阳能、同化CO2、制造有机物的本领。

这是一个通过光合磷酸化作用将光能变成化能的过程。

该过程需要光合色素作媒介。

与蓝细菌和真核光合生物不同，光合细菌的光合色素包括细菌叶绿素和类胡萝卜素两大类。

细菌叶绿素（Bchl）

Bchl是PSB中主要的光合色素，它不仅是光合反应中心的主要成分，而且与类胡萝卜素等共同构成天线色素复合物。

当天线色素复合物吸收光并传递到光合作用中心时，那里的Bchl分子便吸收光子处于激发状态，进而放出具有高能水平的电子，通过电子传递系统的传递，最终又由Bchl*接受而回复至基态。

在电子传递过程中与磷酸化作用相偶连而产生ATP。

（见图）

迄今为止，分离到的Bchl有5种（Bchl.a、b、c、d、e），它们都是含镁的卟啉衍生物。

各种Bchl都具有一定的吸收波长。

（见表）已知红螺菌科和着色菌科的菌大多数含有Bchl.a，少数为Bchl.b；绿菌科的菌除含有Bchl.a外，还含有Bchl.c、d、e中的一种；绿丝菌科的菌则含有Bchl.a和Bchl.c。

通过测定PSB的吸收光谱，可以分析出该菌所含Bchl的种类，为菌种鉴定提供一定依据。

.类胡萝卜素

类胡萝卜素是PSB色素系统中的重要成分。

它的作用有三：

其一，是作为光合反应的辅助色素，把吸收的光能传递给Bchl。

其二，是起光氧化的保护剂作用，即保护光合作用器官及Bchl，使它们免受强光的伤害。

第三，类胡萝卜素的组成成分和数量多少，影响吸收光谱波长，对菌体呈现的颜色起决定作用。

迄今已分离的类胡萝卜素有30种以上。

这些色素的生物合成途径和影响因素大多已搞清，有可能成为一种十分理想的天然色素资源而得到开发利用。

PSB的环式光合磷酸化

XUQ

Cyt.b

ADP+Pi

光e-ATP

Cyt.C

天线色素

复合物

BChl*

光反应中心

P890

PSB的BChl及其吸收波长

BChl

吸收波长（微米）

a

805，850~890

b

835~850，1020~1040

c

745~760

d

725~745

e

715~725

（把菌体分散在60%蔗糖溶液中测定）

PSB的获能形式

PSB的获能形式有以下几种类型：

通过光合作用获得能量

只要供氢体和碳源合适，所有的PSB都能在光照厌氧条件下，通过光合磷酸化过程获得能量。

通过脱氮或发酵获得能量

这是红螺菌科的某些种所具有的一种获能方式。

通过好氧呼吸作用获得能量

这是在有氧条件下进行的，从有机物的氧化磷酸化中取得的能量。

不同类型的PSB其获能形式有很大差异，其中仅有红螺菌科的菌兼有上述三种类型。

另外，PSB在利用光能进行光合反应时，由于用以还原CO2的供氢体的不同，可把它们的光合反应归纳为三类：

一类以H2S为还原CO2的供氢体；另一类以硫代硫酸盐为还原CO2供氢体；再一类以有机物为供氢体。

光合细菌供氢体的差别，乃是分类上的重要特征。

红螺菌科的菌尽管在H2S浓度很低时也能利用H2S，但总的说来它们是利用有机物作为供氢体的；着色菌科和绿菌科的菌则只能利用H2S和其他硫化物作为供氢体；绿丝菌科光合反应的供氢体，既可利用有机物，又可利用硫化物。

光合细菌对碳源的利用

着色菌科和绿菌科的菌能在光照厌氧条件下，利用CO2为主要碳源，以还原态的无机化合物（如H2S）作为电子供体，固定CO2，进行光能自养生长。

红螺菌科的菌则主要以各种有机物，尤其是还原性的低分子有机物作为供氢体，在光照厌氧条件下进行光能异养生长。

绿丝菌科的菌为兼性营养型，它们对CO2和有机物都能很好地利用。

红螺菌科的菌在进行光能异养生长时，它们细胞物质的碳素大部分来自有机碳化物，其中醋酸盐是最大量地被利用的有机物。

但当被同化的有机物比细胞物质处于更低的还原态时，必须同时发生CO2的还原同化，以吸收来自有机质的过剩电子，否则就不能保持氧化还原的平衡。

这从红螺菌科的菌对醋酸与丁酸的代谢中得到证明。

一般说来，红螺菌科的菌在光照厌氧条件下同化CO2，而在黑暗好氧条件下则通过有机物的氧化进行异养生活。

以醋酸为例，在光照下进行光合作用时，它是光合反应的供氢体：

CH3COONa+H2O+CO2—→2（CH2O）+NaHCO3

在暗处进行异养生长时，醋酸盐则为氧化同化作用的基质：

CH3COONa+O2—→（CH2O）+NaHCO3

红螺菌科的菌对有机物的利用范围，因种而异，各具特征。

利用这一点可进行分离菌株的简易鉴定。

PSB对生长因子的要求

红螺菌科的菌要求生长因子的种较多，它们对生长因子的要求因种而异。

如球形红菌（Rhodobactersphaeroides）要求硫胺素、烟酸和生物素；沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）要求对氨基苯甲酸。

着色菌科和绿菌科的菌不要求生长因子。

但也有例外，如奥氏着色菌（ChromatiumOkenii）需要维生素B12，培养基中缺少这种生长因子，它就不能生长。

3．PSB在生态系统中的地位和作用：

PSB的分布

PSB的分布非常广泛，无论在土壤，还是淡水、海水中都有它的分布，甚至在高大900C的温泉中，在终年冰封的南极海岸上，在含盐量达30%的盐湖里，也都曾找到它们的踪迹。

下表是从各种生境取样测定得到的每克样品中的PSB（主要为红色非硫细菌）数。

由表可知，PSB的生存量与生境中有机物含量的多少密切相关。

在BOD<1ppm的河流里，PSB数在10个或10个以下；在BOD高达250ppm的水沟及活性污泥法的污水处理系统中，PSB数量可达到106~107/g。

可见随着环境中有机物浓度的增加，PSB数量也可能相应地增多。

各种试样中的红螺菌科光合细菌数（每克样品）

水沟（BOD250ppm）106~107

湖泊（BOD10ppm）102~103

河流（BOD1.0ppm）+~10

污水厂（活性污泥）106~107

水田土壤105~106

海岸上103~104

我们在1978年和1979年曾从小河淤泥、菜场水沟、稻田、芋艿田、慈姑田、养猪场垃圾堆，乃至污水处理厂的污水、污泥，豆制品厂、淀粉厂的阴沟污泥，中药厂下水道污泥等多种生境条件采取24种样品，进行光合细菌的分离。

富集培养中，除中药厂某一样品外，均观察到了光合细菌的生长，检出率达96%。

进而从中分离得到光合细菌纯培养27株，其中多株对豆制品、淀粉等工厂的高浓度有机废水显示了较强的去除COD的能力。

PSB是水域中重要的初级生产者

根据Green湖（1969）和Medicine湖（1972）的调查，这两个湖泊的PSB层中，被同化的碳素量分别为240g/m2.年，和30g/m2.年，各占初级生产总量的85%和55%。

已知Green湖和Medicine湖具有光合作用活性的区域面积，分别为0.25Km2和0.125Km2，则它们每年由PSB同化的碳素量分别为60吨和3.75吨。

PSB与自然界硫素转化循环

PSB能利用太阳能，固定CO2，合成有机物，是重要的初级生产者，这已如上所述。

不仅如此，它还能把H2S、硫代硫酸盐等氧化成元素硫或硫酸，在自然界硫素循环中占有重要地位。

据报道，主要由于红硫细菌和绿硫细菌的作用，能在20Km2的湖中，每年生成100吨硫磺。

有人研究了在Belovod湖中Chromatium的垂直分布与各种环境因子的关系。

结果显示，该湖的湖底常有多量H2S产生，而Chromatium能利用H2S作为供氢体合成有机物，同时把H2S转变成S。

于是在水深14m处，氧分压很低的情况下，Chromatium大量生长，成层状分布，起着防止H2S向上层扩散的作用。

在土壤中，光合细菌氧化分解硫化物的本领也对陆生植物起着解毒作用或保护作用。

例如，当水稻从营养生长进入生殖生长时，水稻根部的氧化力增强，使根圈呈厌氧状态。

这时硫酸还原菌迅速增殖，在水稻根际发生H2S以及腐胺、尸胺等的积累，从而使水稻根受到伤害。

如果此时光合细菌大量生长，便能除去上述毒物，对水稻生长发生十分有利的影响。

PSB在氮素循环中的作用

光合细菌的大多数种类因能产生固氮酶，而具有固氮能力。

近年来，还发现光合细菌中有的种具有脱氮活性。

如球形红假单胞菌（R.sphaeroides）S株和R.sphaeroidesIL106株等，在有硝酸盐存在时，能把它作为电子受体，而不是N源，通过硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的作用，把NO3转变成NO2→NO→N2O最终还原成N2。

由于这类光合细菌具有脱氮能力，因此在利用它处理高浓度有机废水时，不仅能高效地去除BOD，同时也兼有去除N的效果。

4．光合细菌菌体的营养成分和生理活性物质

由于PSB富含多种营养物质和生理活性物质，可利用作饵料、饲料和肥料，在农业、水产和畜禽饲养等方面都得到了成功的应用。

光合细菌菌体的营养组成

PSB菌体富含营养物质：

其蛋白质含量超过大豆；

光合细菌菌体的营养组成

粗蛋白质

（%）

粗脂肪

（%）

可溶性糖类

（%）

粗纤维

（%）

灰分

（%）

红色非硫

细菌

65.45

7.18

20.31

2.73

4.28

小球藻

53.76

6.31

19.28

10.33

1.52

米

7.43

0.94

90.60

0.35

0.72

大豆

39.99

19.33

30.93

7.11

5.68

光合细菌的B族维生素组成

光合细菌的B族维生素种类丰富，尤其是B12、叶酸、生物素等酵母中几乎不含有的维生素种类在PSB中含量较多。

PSB的B族维生素组成（微克/克）

红色非硫细菌

圆酵母

啤酒酵母

Vit.B1

12

2~20

50~360

Vit.B2

50

30~60

30~42

Vit.B6

5

40~50

25~100

Vit.B12

21

—

—

烟酸

125

200~500

310~1000

泛酸

30

30~200

100

叶酸

60

—

3

生物素

65

—

—

光合细菌的氨基酸组成

从氨基酸的种类与组成来看，除了含S氨基酸的量较少外，其他各类氨基酸含量都不少，尤其是赖氨酸含量较为丰富。

各种培养基培养的球形红假单胞菌（Rp.Sphaeroides）氨基酸组成（mol%）

A

B

C

D

E

F

赖氨酸

4.3~5.1

5.3

5.0~6.6

5.2

6.3

6.7

组氨酸

1.8

1.3

1.3~2.1

1.4

2.2

2.0

精氨酸

4.5~5.3

4.7

4.4~5.5

4.0

4.8

2.1

天冬氨酸

9.7~11.1

10.8

9.8~13.8

10.8

9.1

8.0

苏氨酸

6.6~7.4

6.5

4.2~6.2

6.0

5.1

4.5

丝氨酸

5.2~5.5

5.8

3.1~5.5

5.4

8.9

6.4

谷氨酸

10.7~12.8

7.5

6.9~12.0

11.8

11.4

19.4

脯氨酸

5.2~5.3

4.9

3.2~5.2

4.7

4.6

10.5

甘氨酸

9.0~10.1

10.5

6.7~10.9

10.0

5.7

3.0

丙氨酸

11.0~13.1

12.2

8.1~14.8

11.9

8.3

5.0

半胱氨酸

+

+

+

+

1.5

0.4

缬氨酸

6.2~6.8

7.3

5.2~9.6

6.3

7.4

7.2

甲硫氨酸

0.8~2.8

2.4

2.2~4.0

2.6

3.0

2.1

异亮氨酸

3.7~4.7

5.0

4.3~6.4

4.8

5.3

5.1

亮氨酸

8.5~8.8

8.7

7.8~11.3

8.3

8.5

9.2

酪氨酸

2.4~2.9

3.0

2.5~4.0

2.7

2.8

3.9

苯丙氨酸

3.9~4.5

4.1

3.1~5.4

3.4

4.1

3.5

色氨酸

++

++

++

++

1.0

0.9

A:

纯培养基，B：

豆浆，C：

豆制品废水，D：

猪粪尿，E、F是作为比较的鸡蛋和牛乳蛋白

（引自：

北村博等编著“光合成细菌”，日本学会出版センタ–）

光合细菌含有丰富的辅酶Q

作为生物体内的一种重要生理活性物质—辅酶Q，在PSB中的含量远远超过其他生物。

PSB菌体中的辅酶Q和Vit.K（微克/克）

辅酶Q

Vit.K

深红螺菌

UQ102069

球形红假单胞菌

UQ103399

沼泽红假单胞菌

UQ101774

着色菌D菌株

UQ72143

588

酵母

UQ6259

菠菜叶

UQ1036

10

玉米幼芽

UQ1041

12

二、光合细菌在农业中的应用效果

由于PSB具有的种种生理、生态特性及其菌体所含有的丰富营养物质和生理活性物质，使其在生态系统的能量流动和物质的转化循环中具有重要的作用，与环境中的各种有益生物显示了很好的相容性。

经过人们数十年的研究、开发，光合细菌已在农业、水产、畜禽饲养、环境保护等等领域得到成功的应用。

业已证明，PSB能固氮、能防止过量N肥对作物的危害、有利于防止连作障碍；有利于果实的着色、保鲜、增加甜味和维生素含量；因含有脯氨酸、尿嘧啶、胞嘧啶等物质，能增加水稻和多种经济作物的产量等等。

以下就各种试验、应用的实际效果作一概要介绍。

1.PSB用于柿子，使产量增加，果色鲜艳，含糖量增加，味美。

施用PSB对富有柿的果重与成分的影响

对照区

处理区

果数

32

43

果重（Kg）

7.1

8.2

每果平均重（g）

222

191

果色

橙黄色

朱橙色

水分

84.7

83.3

糖度（Brix度）

14.7

16.4

还原糖量（占鲜重之%）

10.82

12.56

非还原糖量（占鲜重%）

2.34

2.57

全糖量（占鲜重之%）

13.16

15.13

2.用于柑橘，不仅使果重和含糖量增加，而且使储藏时间延长。

某年12月10日采收的果实，对照的到下一年2月中即自然腐败，处理的则到第二年4月还没有全部腐败。

PSB肥料对柑橘产量和品质的影响

对照区

处理区

每棵柑橘平均果数

44

48

平均果重（g）

96

112

总果重（g）

4224

5376

糖平均含量（%）

8.38

8.87

果皮中胡萝卜素

平均含量（mg）

1.91

2.20

3.用于番茄，使总果实数和重量比对照区增加10~34%，Vit.B1和Vit.C的含量也比对照的增加8~33%。

施用PSB对番茄生长的影响

茎叶重（干重g）根重（干重g）茎叶/根比

砂耕对照57.715.03.85

处理51.320.52.50

土耕对照58.222.12.63

处理55.130.31.82

施用PSB对番茄产量的影响

总果数总果重（鲜重g）平均果重（鲜重g）

砂耕对照14729（100）52.0

处理16805（110）50.3

土耕对照161049（100）65.5

处理221408（134）64.0

施用PSB对番茄果实中VB1和VC含量的影响

VB1（mg，%）VC（mg，%）

砂耕对照0.09（100）25.6（100）

处理0.12（133）28.6（111）

土耕对照0.16（100）30.2（100）

处理0.18（112）32.6（108）

4.用作水稻穗肥，有增加粒数和穗重的效果。

水稻幼穗形成期施用PSB的效果

每穗粒数

每穗重（g）

全穗重（g）

对照

（用NH4Cl追肥）

66.6

1.54

43.1

处理

（用PSB追肥）

87.9

2.04

46.9

5.PSB肥料施用后，使土壤中放线菌数量增加，从而对病原性丝状菌生长发生一定的抑制作用。

研究表明，PSB可转化为供土壤放线菌很好利用的营养基质，能促进农业有益菌Streptomycesfradiae的增殖。

这种放线菌对Fusariumoxysporum（一种危害性很大的植物病原菌）具有很强的抑制作用。

因此通过对土壤施用PSB，将有利于防止由植物病原性丝状菌引起的连作障碍。

PSB的施用不仅有利于改善土壤菌群结构组成，而且具有防止土壤酸化、降低导电度的作用，有利于防止温室栽培中过高盐类浓度及硝酸态氮的危害。

施用PSB肥料的番茄栽培3个月后土壤微生物的变化（对照为施用无机肥）（检测数/g）

细菌放线菌丝状菌放线菌/丝状菌比

砂耕对照3.8*1051.0*10518.0*1040.56

处理9.0*1051.2*1054.0*1043.0

土耕对照8.5*1065.2*1055.0*1051.0

处理16.3*10623.0*10515.0*1051.5

6.叶菜类作物紫角叶和蕹菜，喷施PSB后显示出叶绿素浓度增加的效果，前者平均增加15.5%，后者平均增加27.8%。

PSB液肥对紫角叶、蕹菜叶绿素的影响

材料组别叶绿素总量（mg/gFW）平均（mg/gFW）

紫角叶对照0.88630.8991

（Basellarubra）对照0.9124

处理1.08811.0372

处理0.9862

蕹菜对照1.68441.7523

（Ipomoeaaquatica）对照1.8202

处理2.40612.2399

处理2.0736

7.PSB喷施于茶