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光合细菌的特性和实际应用

2016-05-06 15:21:56      点击:

光合细菌(简称PSB)是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物,是在厌氧条件下进行不放氧光合作用的细菌的总称,是一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌,是一类以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处,主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。


1.生长环境


    在水产养殖中,能够降解水体中的亚硝酸盐、硫化物等有毒物质,实现充当饵料、净化水质、预防疾病、作为饲料添加剂等功能。光合细菌适应性强,能忍耐高浓度的有机废水,对酚、氰等毒物有一定有忍受和分解能力,具有较强的分解转化能力。它的诸多特性,使其在无公害水产养殖中具有巨大的应用价值。
2.作用原理


    光合细菌在有光照缺氧的环境中能进行光合作用,利用光能进行光合作用,利用光能同化二氧化碳或其他有机物,与绿色植物不同的是,它们的光合作用是不产氧的。光合细菌细胞内只有一个光系统,即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氨。光合细菌在自身的同化代谢过程中,又完成了产氢、固氮、分解有机物三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显得极为重要。
蓝细菌(Cyanobacteria)的光合作用与传统的光合细菌不同,而与绿色植物更为相近。首先蓝细菌是产氧型光合细菌,碳源只有二氧化碳。它具有两个光系统,PSI及PSII,光合作用的原始供氢体是水,光合作用的结果是产生氧气。
    在水产养殖中运用的光合细菌主要是光能异养型红螺菌科(Rhodospirillaceae)中的一些品种,例如沼泽红假单胞菌(Rhodop seudanonas palustris);
在自然界淡、海水中通常每毫升含有近百个PSB菌,光合细菌的菌体以有机酸、氨基酸、氨和醣类等有机物和硫化氢作为供氧体,通过光合磷酸化获得能量,在水中光照条件下可直接利用降解有机质和硫化氢并使自身得以增殖,同时净化了水体。
    除此之外,细胞内还含有碳素储存物质糖原和聚β一羟基丁酸、辅酶Q、抗病毒物质和生长促进因子,具有很高的饲料价值,在养殖业上有广阔的应用前景。 PSB在厌氧光照条件下,能利用低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、糖类、芳香族化合物等低分子有机物作为光合作用的电子受体,进行光能异养生长。在黑暗条件下能利用有机物作为呼吸基质进行好氧或异养生长。光合细菌不仅能在厌氧光照下利用光能同化CO2,而且还能在某些条件下进行固氮作用和在固氮酶作用下产氢。另外,有些菌种在黑暗厌氧条件下经丙酮酸代谢系统作用也可产氢。光合细菌还能利用许多有机物质如有机酸。醇、糖类转化某些有毒物质如 H2S和某些芳香族化合物等。 PSB通过生物转化,可合成无毒、无副作用且富含各类营养物质的菌体蛋白,不仅改善了生态环境,还为养殖业提供了高质量的饲料原料。 PSB菌体中对动物生长有促进作用的维生素B12、生物素、泛酸、类胡萝卜素、叶绿素以及与造血、血红蛋白形成有关的叶酸的含量远高于一般微生物,尤其含有人工不能合成的生物素D一异构体。这些物质在动物机体内都具有显著生理活性 在水产养殖中,养殖池按水中溶解氧含量的大小由表层向底部可分为好氧区和厌氧区。表层生物繁殖旺盛,水质一般较好;底层则积累了鱼虾的排泄物和未消耗尽的食物残料,有机质丰富,造成微生物的大量繁殖,消耗了水中大量的氧气,导致地底层形成无氧环境,硫酸盐还原菌大量繁殖,产生对鱼虾有毒害作用的硫化氢、酸性物质等。养殖地底层的这种环境正好是适于光合细菌生存的条件一是具有厌氧条件,二是光线通过上面覆盖的有氧水层这个光线过滤器,使光合细菌可以吸收到适宜生长的450-550nm波长光。光合细菌利用地底的鱼虾排泄物、食物残料以及有毒有害的硫化氢、酸性物质作为基质大量繁殖,提高水体中溶解氧含量,调节pH,并使氨氮、亚硝酸态氮、硝酸态氮含量降低,池底淤泥蓄积量减少,有益于藻类和微型生物数量的增加,使水体得以净化。 PSB可进行光合成、有氧呼吸、固氮、固碳等生理机能,且富含蛋白质、维生素、促生长因子、免疫因子等营养成分,在功能上可与抗生素相媲美,并且更具有安全性,是生物工程具有前景的研究领域之一。
    光合细菌制剂还具有独特的抗病、促生长功能,大大提高了生产性能,在应用方面显示了越来越巨大的潜力。其它在净化水质、鱼虾养殖、畜禽饲养、有机肥料及新能源的开发方面有着广阔的应用前景。
3.特性


    值得注意的是,光合细菌有叶绿素等光合色素,但无叶绿体.
    光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处,主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。光合细菌的适宜水温为15—40℃,最适水温为28—36℃。它的细胞干物质中蛋白质含量高达到60%以上,其蛋白质氨基酸组成比较齐全,细胞中还含有多种维生素,尤其是B族维生素极为丰富,Vb2、叶酸、泛酸、生物素的含量也较高,同时还含有大量的类胡萝卜素、辅酶Q等生理活性物质。因此,光合细菌具有很高的营养价值,这正是它在水产养殖中作为培水饵料及作为饲料添加成分物质基础。
4.分类


简介


    自然界中能以光合作用产能的细菌根据它们所含光合色素和电子供体的不同而分为产氧光合细菌(蓝细菌、原绿菌)和不产氧光合细菌(紫色细菌和绿色细菌)。
蓝细菌




    这是一类含有叶绿素 a 、以水作为供氢体和电子供体、通过光合作用将光能转变成化学能、同化CO2为有机物质的光合细菌。由于它们具有与植物相同的光合作用系统,历史上曾被藻类学家归为藻类,称为蓝藻。对蓝细菌细胞结构的研究表明,蓝细菌的细胞核不具有核膜,没有有丝分裂器,细胞壁由含有二氨基庚二酸的肽聚糖和脂多糖层构成,革兰氏染色阴性,分泌粘液层、荚膜或形成鞘衣,细胞内含有70S核糖体,虽具有叶绿素的光合色素,但不形成叶绿体,进行光合作用的部位是含有叶绿素a、β-胡萝卜素、类胡萝卜素、藻胆素(包括藻蓝素和藻红素)的类囊体(thylakoids)。 蓝细菌的这些与原核生物相近的特征,使它们成为细菌家族的一员。以藻蓝素占优势的色素使细胞呈现特殊的蓝色,故而得名为蓝细菌。按形态可分为5大类群,包括29个属。蓝细菌的细胞大小差异悬殊,最小的聚球蓝细菌(Synechococcus)其直径仅为 0.5 -1μ m, 而大颤蓝菌属(Oscillatoria)可超过60 μ m 。蓝细菌在自然界中的分布极广,河流、湖泊和海水等水域中常见。蓝细菌的营养极为简单,不需要维生素,以硝酸盐或氨作为氮源,多数能固氮,在水稻田中培养蓝细菌可保持和提高土壤肥力。一些实验证明将蓝细菌作为食物和辅助营养物,可用于治疗肝硬化、贫血、白内障、青光眼、胰腺炎等疾病。对糖尿病、肝炎也有一定的疗效。蓝细菌有别于真核生物的放氧光合作用,可能是地球上生命进化过程中第一个产氧的光合生物,对地球上从无氧到有氧的转变、真核生物的进化起着里程碑式的作用。


紫色细菌




    这是一群含有菌绿素和类胡萝卜素、能进行光合作用、光合内膜多样、以硫化物或硫酸盐作为电子供体、沉积硫的光能自养型细菌。因含有不同类型的类胡萝卜素,细胞培养液呈紫色、红色、橙褐色、黄褐色,故称为紫色细菌。红螺菌属(Rhodospirillum)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)和红微菌属(Rhodomicrobium),曾被认为不能利用硫化物作为电子供体以还原CO2构成细胞物质,所以一直称它们为非硫紫色细菌。后来发现,这些细菌的大多数尚可以利用低浓度的硫化物,现归为紫色硫细菌。多分布在淡水、海水和高盐等含有可溶性有机物和低氧压的水生环境中,也常见于潮湿的土壤和水稻田中。
5.生产应用


净化水质


随着水产养殖业的发展,水产养殖单位产量大幅度提高,但水质污染严重,特别是饲养后期,水中有机物、氨及亚硝酸盐含量偏高,严重影响了鱼的生长。光合细菌施入水体后,它可降解水体中的残存饲料、鱼类的粪便及其它有机物;同时,还能吸收利用水体中的氨、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质。施用光合细菌,能有效避免固体有机物和有害物质的积累,起到净化水质的作用。
饲料添加剂


光合细菌是一种营养丰富、营养价值高的细菌,菌体含有丰富的氨基酸、叶酸、b族维生素,尤其是维生素b12和生物素含量较高,还有生理活性物质辅酶Q。光合细菌的体积为小球藻的二十分之一,特别适合作为刚孵出仔鱼的开口饵料。使用光合细菌作为开口饵料,可大幅度提高鱼苗成活率。光合细菌还可作为饲料添加剂添加在饲料中,光合细菌所含的酶类,可以促进鱼类对饲料的消化吸收,提高饲料利用率,降低饵料系数,同时还可显著提高鱼的生长速度。
减少鱼类病害


光合细菌施入水体后,迅速繁殖成为水体中的优势细菌种群,既改善了水质,又抑制了有害病菌的生长和繁殖,降低了有害病菌数量,从而减少了鱼类病害的发生。光合细菌的防病效果非常有效。
培养有益藻类


水体中施入光合细菌后,硅藻、小球藻等鱼类喜欢摄食的藻类成为优势藻类,而蓝藻等有害藻类受到抑制。光合细菌能大量利用水中的氨氮,能有效避免“水华”的产生,如蓝藻的大量繁生。
6.使用方法


水体喷洒


水体喷洒适合改良水质、防治鱼病和培养优良藻类时使用。选择晴天上午或下午,将光合细菌用池水稀释后,全池均匀泼洒。因本品含菌量高,每毫升菌液应含光合细菌的数量为100亿以上,所以每亩施用量为1.5公斤-3公斤。施光合细菌的次数根据水质情况确定,水质好可每隔15天施一次;水质较肥,水质较差,特别是饲养后期的高产池,应每隔7—10天施一次。
饲料添加


光合细菌作为饲料添加剂使用时,可将光合细菌菌液喷洒于饲料中拌匀即可,菌液用量为投喂饲料量的1%,现配现用。
7.注意事项


(一)光合细菌可在鱼苗池、鱼种池、成鱼池、亲鱼池、垂钓池和越冬池使用。除养鱼池可以使用外,养虾池使用更是事半功倍。
(二)如果水体已使用消毒剂,应在48小时以后再使用光合细菌。实际上,坚持使用光合细菌,比频繁使用消毒剂效果要好得多。
(三)光合细菌与粪肥配合使用效果更直接、更明显,特别是在鱼苗、鱼种培育池使用,增产增效特别显著。
(四)扩繁好的光合细菌应尽早使用,常温贮存不宜超6个月。
(五)光合细菌禁止使用金属容器存放。