1、 光合細菌在環(huán)境修復中的研究進展 摘 要：光合細菌是在自然界中能進行光合作用的一類特殊厭氧微生物，其獨特的生理生化 特性，使得其在環(huán)境修復中發(fā)揮著十分重要的作用。對近年來光合細菌在處理高濃度有機廢 水、土壤重金屬污染治理、有機磷農(nóng)藥降解及養(yǎng)殖水體的凈化等方面的應(yīng)用進行了綜述，最 后對光合細菌在環(huán)境修復中的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進行了展望。 關(guān)鍵詞：光合細菌；環(huán)境修復；有機廢水；重金屬污染；降解 Progresses in Applicationof Photosynthetic Bacteriain Environmental Remediation Abstract: A photosynthe

2、ticbacterium is a class of special anaerobic microorganism which can carry on photosynthesis,and it has played a very important role in environmental remediation due to its unique physiological and biochemical bacteria inthe treatments heavy metal contamination, characteristics. The applications of

3、photosynthetic for high-concentration of organic wastewater,soil degradation of organophosphorus pesticide, etc. in recent years were reviewed. In theend, the application prospect and developmental direction of photosynthetic bacteria in environmental remediation areforecasted. Key words: photosynth

4、etic bacterium 。 environmental remediation 。 organic wastewater 。 heavy metal contamination 。 degradation 光合細菌vphotosynthetic bacteria, PSB是一類能進行光合作用而又不會產(chǎn)生氧的特殊 生理類群的原核生物總稱，分布廣泛。光合細菌為革蘭氏陰性細菌，不能形成芽孢，形態(tài)多 樣，直徑大小一般為 0.55. 0卩m現(xiàn)已知的光合細菌分為著色菌科、外硫紅螺菌科、紫 色非硫細菌、綠硫細菌、多細胞綠絲菌、螺旋桿菌科、含細菌葉綠素的專性好氧菌等7 大群共 50 個屬 1 ，而且不斷

5、有新品種被發(fā)現(xiàn)。 在不同的環(huán)境下，光合細菌具有放氫、固碳、固 氮 、硫化物氧化等多種功能，在自然界的碳、氮、硫 循環(huán)中起著十分重要的作用。光合細菌獨特的生理 功能及豐富的代謝多樣性，使得其在環(huán)境修復方面 具有很大的潛力，對環(huán)境污染的治理和調(diào)控有著重 要意義。 1 在治理土壤重金屬污染方面的應(yīng)用 目前對重金屬廢水處理，利用傳統(tǒng)方法化學 沉淀法，電化學處理法）效果不理想，并且會產(chǎn)生有 毒污泥，造成二次污染；而利用膜分離法、活性炭吸 附法 、離子交換法，則會產(chǎn)生高昂的費用。生物吸附 法因其可以選擇性去除重金屬離子，具有節(jié)能高 效，易操作，易分離回收等特點，受到普遍關(guān)注和應(yīng) 用2 。 對受重金屬污染的

6、土壤，已有研究表明光合細 菌可以降低土壤中的重金屬毒性，吸附積累重金 屬，改善環(huán)境。 Youzhi Feng 等 3 研究發(fā)現(xiàn)光合細菌 Rhodobacter capsulatu 吸附 Au 3+ 在最適 pH 值為 1.0 時，去除率達到了 90% 以上；白紅娟等 4 研究發(fā)現(xiàn) pH 值為 7.0 時，沼澤紅假單胞菌對 Pb 2+ 的去除率為 93.0%。 2 在有機廢水處理方面的應(yīng)用 光合細菌處理有機廢水有諸多優(yōu)勢： 可直接 處理生化需氧量高達 10 000 mg/kg 以上的高濃度 有機廢水，其所得到的副產(chǎn)品，即菌體污泥，富含蛋 白質(zhì)，可作為魚蝦餌料，不造成二次污染。占地面 積少，費用低

7、 。 易管理，不存在污泥處理問題 。可 收稿日期： 2018-02-20 基金工程：國家自然科學基金 31071753 ） 作者簡介：陳 莎 1985- ），女，湖南株洲市人，碩士研究生， 主要從事植物病理方面研究 通訊作者：劉 勇 湖南農(nóng)業(yè)科學 2018 ， 07 ）： 2022 Hunan Agricultural Sciences 利用光合細菌有效處理的有機廢水包括羊毛洗滌 加工、染料加工、淀粉加工、啤酒廠、豆腐加工、生活 污水、油脂加工等各類廢水。 最早利用光合細菌處理廢水的國家是日本，到 1995 年日本已有至少 10 家利用光合細菌處理廢 水的工廠。韓國 1981 年建成了生化需氧

8、量高達 2X 10 4 3X 10 4 mg/L、 日處理 600 t 的大型酒精廢水處 理廠，并投入市場運行。美國、澳大利亞等國家也相 繼開展了該方面的研究。國內(nèi)科學工作者近年來也 對此做了大量工作，并取得了一定的成績。據(jù)毛雪 慧等 5 報道，將光合細菌固定化能夠顯著提高油脂 降解的效率，去油率達到 74.95 。 劉新建等 6 將沼 澤紅假單胞菌與處理化的餐飲廢水共培養(yǎng)，認為在 28.5 C pH 值 6.87.2 ，光照強度 5 000 1x 時，餐飲 廢水中有機物去除率達到 36.4%46.8 。 3 在降解有機磷農(nóng)藥方面的應(yīng)用 有機磷農(nóng)藥 Organophosphorus pesti

9、cides OPs ) 一般分為硫代磷酰胺類、硫代膦酸酯類、硫代磷酸 酯類、磷酸酯類等四類。有機磷農(nóng)藥對于防治農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)中的病蟲害具有方便、高效等優(yōu)點，被廣泛生 產(chǎn)和使用。有機磷農(nóng)藥殘留問題直接威脅到人類的 生存和可持續(xù)發(fā)展 7 ，因此解決環(huán)境中存在的農(nóng)藥 殘留問題仍是世界各國的研究熱點 。近年來，利用 光合細菌降解有機磷農(nóng)藥殘留的研究取得了一定 的成果。 3.1 有機磷農(nóng)藥高效降解菌株的獲得 獲得可降解農(nóng)藥的微生物的途徑多種多樣，主 要是從農(nóng)藥廠的污水、處理曝汽池的污泥、受污染 的土壤中等受農(nóng)藥污染的環(huán)境介質(zhì)中富集、馴化、 篩選分離，從而得到高效降解菌，這是比較普遍的 方法。目前使用最多的一

10、種方法是從受有機磷農(nóng)藥 嚴重污染的環(huán)境中篩選分離得到高效降解菌，而后 在此基礎(chǔ)上進行誘變育種和構(gòu)建工程菌。 3.2 降解有機磷農(nóng)藥的光合細菌及其降解 特性 關(guān)于光合細菌對有機磷農(nóng)藥的降解，國內(nèi)外已 經(jīng)進行了很多研究 8 12 。越來越多能高效降解有機 磷農(nóng)藥的光合細菌被分離出來，劉勇等8 11 在利用 光合細菌降解有機磷農(nóng)藥殘留方面做出了巨大貢 獻 。一種有機磷農(nóng)藥往往會同時有多種光合細菌降 解菌，同一光合細菌降解菌也會對多種有機磷農(nóng)藥 具降解效應(yīng) 。張德詠等 8 分離到的一株能降解有機 磷農(nóng)藥甲胺磷的光合細菌 HP-1 ，在外加碳源時還 能同時降解樂果 、 毒死蜱 、 三唑磷和辛硫磷 。 廣

11、譜降 解菌是當前農(nóng)藥降解的研究熱點。大部分光合細菌 對有機磷農(nóng)藥降解的最佳條件是： 3035C、pH 值 67、 光照培養(yǎng) 8,12 。 3.3 光合細菌降解有機磷農(nóng)藥的機理 有機磷農(nóng)藥降解可以通過各種途徑進行，包括 化學降解、物理降解和微生物降解。與化學降解和 物理降解相比，微生物降解具有反應(yīng)速度快、反應(yīng) 條件溫和 、反應(yīng)專一性強和不產(chǎn)生二次污染等特 點。光合細菌對有機磷農(nóng)藥的降解屬于微生物降 解，其作用方式大致可以分為兩大類：一類是光合 細菌直接作用于有機磷農(nóng)藥，通過一系列的酶促反 應(yīng)降解有機磷農(nóng)藥，主要有合成、脫氫、氧化、還原 等反應(yīng)類型，這也是微生物降解有機磷農(nóng)藥比較普 遍的作用方式。

12、另一類是通過光合細菌的活動改變 物理和化學的環(huán)境而間接的作用于有機磷農(nóng)藥。微 生物間接作用于有機磷農(nóng)藥一般是通過礦化作用 、 生物濃縮作用或累積作用、共代謝作用或其他的間 接作用 13 。目前光合細菌對有機磷農(nóng)藥的間接降解 研究得比較多的是共代謝作用。共代謝作用是指微 生物在有其可利用的碳源存在時，對原來不能利用 的物質(zhì)也可分解代謝的現(xiàn)象。 3.3 降解有機磷農(nóng)藥的光合細菌降解酶和 降解基因的研究 微生物對有機磷農(nóng)藥的直接降解主要通過其 分泌酶來完成。常見的降解酶類主要有氧化還原酶 類 多酚氧化酶、過氧化物酶）及水解酶類 包括硫 基酰胺酶、裂解酶、磷酸酶、酯酶、對硫磷水解酶 等）。目前對光合細

13、菌有機磷農(nóng)藥降解酶的研究大 多停留在比較基礎(chǔ)的階段，但也成功克隆出部分降 解酶。尹樂斌等 11 成功分離純化到光合細菌降解吡 嘧磺隆的降解酶乙酰乳酸合成酶 Acetolactate Synthase ALS ），并成功克隆到 ALS 基因，這為進一 步深入探討光合細菌對有機磷農(nóng)藥降解的機理做 出了重要貢獻。 4 在凈化養(yǎng)殖水體環(huán)境方面的應(yīng)用 水產(chǎn)養(yǎng)殖以塘養(yǎng)和池養(yǎng)為主，其水體更換頻率 低 、流動性差，因此大量水產(chǎn)動物的排泄物及殘留 餌料集于池底，常年累計產(chǎn)生大量有毒 、有害物質(zhì)， 使得養(yǎng)殖水水質(zhì)惡化，水產(chǎn)動物生長受到影響，嚴 重時會發(fā)生病變或死亡 14 。由于光合細菌具有改良 水質(zhì)的作用，且無毒

14、副作用，因此在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得 到廣泛應(yīng)用。 第 07 期 陳 莎等：光合細菌在環(huán)境修復中的研究進展 21 光合細菌可以利用水中的 NO 3 、NH 4 + 、H 2 S、 酸 類等物質(zhì)，通過氧化、硫化、氮化、反硝化、固氮等反 應(yīng)，把動物的排泄物、殘餌、殘骸等有機物迅速分解 為硝酸鹽，磷酸鹽等，降低水體中的化學需氧量和 生物需氧量，從而有效減少水中有害物質(zhì)的含量， 增加水體溶氧量，起到凈化水體、改善水質(zhì)的作用。 施安輝等 15 使用沼澤紅假單胞菌、綠色紅假單胞 菌、膠質(zhì)紅假單胞菌、球形紅假單胞菌分別對污水 進行處理，發(fā)現(xiàn)水體中的化學需氧量、氨氮和亞硝 酸鹽都有不同程度的下降。 Hargreaves

15、 16 利用光合 細菌的氧化、硝化和反硝化作用，有效地消除水體 中的氨氮和有機物含量，并增加水體的溶氧量，顯 著減少水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水體污染 。有研究表明，光合 細菌對核燃料加工、化工等行業(yè)中產(chǎn)生的嚴重污染 環(huán)境的有毒物質(zhì)也有很好的降解作用 17 。 5 面臨的問題與前景展望 光合細菌作為一種非常古老的光能自養(yǎng)菌，在 人們的生活生產(chǎn)方面都具有重要作用，且逐漸被人 們所熟知并廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的大力發(fā)展與 人類生活水平的提高，各種生活垃圾、工業(yè)廢料對 人們的生活環(huán)境也產(chǎn)生越來越大的影響。池塘、河 流、湖泊、地下水等受污染程度增加，隨之而來的便 是對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的巨大危害。因此，在減少污染物 排放的

16、同時，充分利用光合細菌對廢水的處理作用 也顯得意義更加重大。此外，菌種的分離以及培養(yǎng) 條件的優(yōu)化成為了限制光合細菌利用的關(guān)鍵點，如 何大規(guī)模的培養(yǎng)光合細菌是光合細菌利用的一個 制約因素。近些年來，隨著分子生物學的應(yīng)用與發(fā) 展以及人們對光合細菌基因組的進一步研究，利用 菌株的相容性，將降解不同污染物的高效專一的質(zhì) 粒組合到一個菌株，組建成一個多質(zhì)粒的可同時降 解多種不同污染物或能夠同時完成某一污染物降 解過程的多個環(huán)節(jié)的新菌株，將是目前研究光合細 菌對環(huán)境修復的主要發(fā)展方向。相信通過科研人員 的努力，在不久的將來光合細菌將在更廣泛的領(lǐng)域 為人們所開發(fā)及深度利用。 參考文獻： 1 東秀珠，蔡妙英

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