光合菌

自然 | 生物 | 微生物 | 具有原始光能合成體系的細菌

光合菌,全稱光合細菌(Photosynthetic Bacteria ,簡稱PSB)是地球上出現最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成體系的原核生物,是在厭氧條件下進行不放氧光合作用的細菌的總稱,是一類沒有形成 芽孢 能力的 革蘭氏陰性菌 ,是一類以光作為能源、能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機物、 硫化物 、氨等作為 供氫體 兼碳源進行光合作用的微生物。光合細菌廣泛分布于自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊、江海等處,主要分布于水生環境中光線能透射到的缺氧區。

概述

光合菌,是在厭氧條件下進行不放氧光合作用的細菌的總稱。光合菌廣泛分布于自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊、江海等處,主要分布于水生環境中光線能透射到的缺氧區。

生長環境

在水產養殖中,能夠降解水體中的 亞硝酸鹽 、硫化物等有毒物質,實現充當餌料、凈化水質、預防疾病、作為飼料添加劑等功能。光合菌適應性強,能忍耐高濃度的 有機廢水 ,對酚、 氰 等毒物有一定有忍受和分解能力,具有較強的分解轉化能力。它的諸多特性,使其在無公害水產養殖中具有巨大的應用價值。

作用原理

光合菌在有光照缺氧的環境中能進行光合作用,利用光能進行光合作用,利用光能同化二氧化碳或其他有機物,與綠色植物不同的是,它們的光合作用是不產氧的。光合菌細胞內只有一個光系統,即PSI,光合作用的原始供氫體不是水,而是H2S (或一些有機物),這樣它進行光合作用的結果是產生了H2,分解有機物,同時還能固定空氣的分子氮生氨。光合菌在自身的同化代謝過程中,又完成了產氫、固氮、分解有機物三個自然界物質循環中極為重要的化學過程。這些獨特的生理特性使它們在生態系統中的地位顯得極為重要。

除此之外,細胞內還含有 碳素 儲存物質 糖原 和聚β一 羥 基丁酸、輔酶Q、抗病毒物質和 生長促進因子 ,具有很高的飼料價值,在養殖業上有廣闊的應用前景。 PSB在厭氧光照條件下,能利用低級 脂肪酸 、多種二羧酸、 醇類 、糖類、 芳香族化合物 等低分子有機物作為光合作用的電子受體,進行光能異養生長。在黑暗條件下能利用有機物作為呼吸基質進行好氧或異養生長。光合菌不僅能在厭氧光照下利用光能同化CO2,而且還能在某些條件下進行固氮作用和在固氮酶作用下產氫。另外,有些菌種在黑暗厭氧條件下經丙 酮 酸代謝系統作用也可產氫。光合菌還能利用許多有機物質如有機酸。醇、糖類轉化某些有毒物質如 H2S和某些芳香族化合物等。 PSB通過生物轉化,可合成無毒、無副作用且富含各類營養物質的菌體蛋白,不僅改善了生態環境,還為養殖業提供了高質量的飼料原料。 PSB菌體中對動物生長有促進作用的 維生素B12生物素泛酸 、類胡蘿卜素、 葉綠素 以及與造血、 血紅蛋白 形成有關的 葉酸 的含量遠高于一般微生物,尤其含有人工不能合成的生物素D一異構體。這些物質在動物機體內都具有顯著生理活性 在水產養殖中,養殖池按水中 溶解氧含量 的大小由表層向底部可分為好氧區和 厭氧區 。表層生物繁殖旺盛,水質一般較好;底層則積累了魚蝦的排泄物和未消耗盡的食物殘料,有機質豐富,造成微生物的大量繁殖,消耗了水中大量的氧氣,導致地底層形成無氧環境, 硫酸鹽還原菌 大量繁殖,產生對魚蝦有毒害作用的 硫化氫 、酸性物質等。養殖地底層的這種環境正好是適于光合菌生存的條件一是具有厭氧條件,二是光線通過上面覆蓋的有氧水層這個光線過濾器,使光合菌可以吸收到適宜生長的450-550nm波長光。光合菌利用地底的魚蝦排泄物、食物殘料以及有毒有害的硫化氫、酸性物質作為基質大量繁殖,提高水體中溶解氧含量,調節pH,并使 氨氮 、亞硝酸態氮、硝酸態氮含量降低,池底淤泥蓄積量減少,有益于藻類和微型生物數量的增加,使水體得以凈化。 PSB可進行光合成、有氧呼吸、固氮、固碳等生理機能,且富含蛋白質、維生素、 促生長因子 、免疫因子等營養成分,在功能上可與 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領域之一。光合菌制劑還具有獨特的抗病、促生長功能,大大提高了生產性能,在應用方面顯示了越來越巨大的潛力。其它在凈化水質、魚蝦養殖、畜禽飼養、有機肥料及新能源的開發方面有著廣闊的應用前景。

特性

值得注意的是,光合菌有葉綠素等 光合色素 ,但無 葉綠體 。光合菌廣泛分布于自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊、江海等處,主要分布于水生環境中光線能透射到的缺氧區。光合菌的適宜水溫為15—40℃,最適水溫為28—36℃。它的細胞干物質中蛋白質含量高達到60%以上,其蛋白質氨基酸組成比較齊全,細胞中還含有多種維生素,尤其是B族維生素極為豐富,VB2、葉酸、泛酸、生物素的含量也較高,同時還含有大量的類胡蘿卜素、輔酶Q等生理活性物質。因此,光合菌具有很高的營養價值,這正是它在水產養殖中作為培水餌料及作為飼料添加成分物質基礎。

分類

自然界中能以光合作用產能的細菌根據它們所含光合色素和電子供體的不同而分為產氧光合菌( 藍細菌 、原綠菌)和不產氧光合菌( 紫色細菌 和綠色細菌)。

藍細菌

藍細菌(Cyanobacteria)的光合作用與傳統的光合菌不同,而與綠色植物更為相近。首先藍細菌是產氧型光合菌,碳源只有二氧化碳。它具有兩個光系統,PSI及PSII,光合作用的原始供氫體是水,光合作用的結果是產生氧氣。

這是一類含有葉綠素 a 、以水作為供氫體和電子供體、通過光合作用將光能轉變成化學能、同化CO2為有機物質的光合菌。由于它們具有與植物相同的光合作用系統,歷史上曾被藻類學家歸為藻類,稱為 藍藻 。對藍細菌 細胞結構 的研究表明,藍細菌的細胞核不具有核膜,沒有 有絲分裂器 ,細胞壁由含有二氨基庚二酸的 肽聚糖脂多糖 層構成, 革蘭氏染色陰性 ,分泌粘液層、莢膜或形成鞘衣,細胞內含有70S核糖體,雖具有葉綠素的光合色素,但不形成葉綠體,進行光合作用的部位是含有葉綠素a、β-胡蘿卜素、類胡蘿卜素、 藻膽素 (包括 藻藍素藻紅素 )的 類囊體 (thylakoids)。

藍細菌的這些與原核生物相近的特征,使它們成為細菌家族的一員。以藻藍素占優勢的色素使細胞呈現特殊的藍色,故而得名為藍細菌。按形態可分為5大類群,包括29個屬。藍細菌的細胞大小差異懸殊,最小的聚球藍細菌屬( Synechococcus )其直徑僅為 0.5 -1μ m, 而大顫藍菌屬( Oscillatoria )可超過60 μ m 。藍細菌在自然界中的分布極廣,河流、湖泊和海水等水域中常見。藍細菌的營養極為簡單,不需要維生素,以 硝酸鹽 或氨作為氮源,多數能固氮,在水稻田中培養藍細菌可保持和提高土壤肥力。一些實驗證明將藍細菌作為食物和輔助營養物,可用于治療 肝硬化 、貧血、 白內障青光眼胰腺炎 等疾病。對糖尿病、肝炎也有一定的療效。藍細菌有別于 真核生物 的放氧光合作用,可能是地球上生命進化過程中第一個產氧的光合生物,對地球上從無氧到有氧的轉變、真核生物的進化起著里程碑式的作用。

紫色細菌

紫色細菌是一群含有菌綠素和類胡蘿卜素、能進行光合作用、 光合內膜 多樣、以硫化物或 硫酸鹽 作為電子供體、沉積硫的光能自養型細菌。因含有不同類型的類胡蘿卜素,細胞培養液呈紫色、紅色、橙褐色、黃褐色,故稱為紫色細菌。紅螺菌屬( Rhodospirillum )、 紅假單胞菌屬 ( Rhodopseudomonas )和紅微菌屬( Rhodomicrobium ),曾被認為不能利用硫化物作為電子供體以還原CO2構成細胞物質,所以一直稱它們為非硫紫色細菌。后來發現,這些細菌的大多數尚可以利用低濃度的硫化物,現歸為 紫色硫細菌 。多分布在淡水、海水和高鹽等含有可溶性有機物和低氧壓的水生環境中,也常見于潮濕的土壤和水稻田中。

生產應用

凈化水質

隨著水產養殖業的發展,水產養殖單位產量大幅度提高,但水質污染嚴重,特別是飼養后期,水中有機物、氨及亞硝酸鹽含量偏高,嚴重影響了魚的生長。光合菌施入水體后,它可降解水體中的殘存飼料、魚類的糞便及其它有機物;同時,還能吸收利用水體中的氨、亞硝酸鹽、硫化氫等有害物質。施用光合菌,能有效避免固體有機物和有害物質的積累,起到凈化水質的作用。

在水產養殖中運用的光合菌主要是 光能異養紅螺菌科 (Rhodospirillaceae)中的一些品種,例如沼澤紅假單胞菌(Rhodop seudanonas palustris);

在自然界淡、海水中通常每毫升含有近百個PSB菌,光合菌的菌體以有機酸、 氨基酸 、氨和醣類等有機物和硫化氫作為供氧體,通過 光合磷酸化 獲得能量,在水中光照條件下可直接利用降解有機質和硫化氫并使自身得以增殖,同時凈化了水體。

飼料添加劑

光合菌是一種營養豐富、營養價值高的細菌,菌體含有豐富的氨基酸、葉酸、b族維生素,尤其是維生素b12和生物素含量較高,還有生理活性物質輔酶Q。光合菌的體積為 小球藻 的二十分之一,特別適合作為剛孵出仔魚的開口餌料。使用光合菌作為開口餌料,可大幅度提高魚苗成活率。光合菌還可作為飼料添加劑添加在飼料中,光合菌所含的酶類,可以促進魚類對飼料的消化吸收,提高飼料利用率,降低餌料系數,同時還可顯著提高魚的生長速度。

減少魚類病害

光合菌施入水體后,迅速繁殖成為水體中的優勢細菌種群,既改善了水質,又抑制了有害病菌的生長和繁殖,降低了有害病菌數量,從而減少了魚類病害的發生。光合菌的防病效果非常有效。

培養有益藻類

水體中施入光合菌后, 硅藻 、小球藻等魚類喜歡攝食的藻類成為優勢藻類,而藍藻等有害藻類受到抑制。光合菌能大量利用水中的氨氮,能有效避免“水華”的產生,如藍藻的大量繁生。

使用方法

水體噴灑

水體噴灑適合改良水質、防治魚病和培養優良藻類時使用。選擇晴天上午或下午,將光合菌用池水稀釋后,全池均勻潑灑。因本品含菌量高,每毫升菌液應含光合菌的數量為100億以上,所以每畝施用量為1.5公斤-3公斤。施光合菌的次數根據水質情況確定,水質好可每隔15天施一次;水質較肥,水質較差,特別是飼養后期的高產池,應每隔7—10天施一次。

飼料添加

光合菌作為飼料添加劑使用時,可將光合菌菌液噴灑于飼料中拌勻即可,菌液用量為投喂飼料量的1%,現配現用。

注意事項

(一)光合菌可在魚苗池、魚種池、成魚池、親魚池、垂釣池和越冬池使用。除養魚池可以使用外,養蝦池使用更是事半功倍。

(二)如果水體已使用消毒劑,應在48小時以后再使用光合菌。實際上,堅持使用光合菌,比頻繁使用消毒劑效果要好得多。

(三)光合菌與糞肥配合使用效果更直接、更明顯,特別是在魚苗、魚種培育池使用,增產增效特別顯著。

(四)擴繁好的光合菌應盡早使用,常溫貯存不宜超6個月。

(五)光合菌禁止使用金屬容器存放。

中文名
光合菌
外文名
Photosynthetic Bacteria
細菌界
分布區域
自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊、江海等水生環境中光線能透射到的缺氧區
全稱
光合細菌
特點
具有原始光能合成體系
英文簡稱
PSB