陳 莎，劉 勇

（1.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省植物保護(hù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

光合細(xì)菌（photosynthetic bacteria，PSB）是一類能進(jìn)行光合作用而又不會(huì)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(xì)菌為革蘭氏陰性細(xì)菌，不能形成芽孢，形態(tài)多樣，直徑大小一般為0.5～5.0 μm?，F(xiàn)已知的光合細(xì)菌分為著色菌科、外硫紅螺菌科、紫色非硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌、多細(xì)胞綠絲菌、螺旋桿菌科、含細(xì)菌葉綠素的專性好氧菌等7大群共50個(gè)屬[1]，而且不斷有新品種被發(fā)現(xiàn)。

在不同的環(huán)境下，光合細(xì)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(xì)菌獨(dú)特的生理功能及豐富的代謝多樣性，使得其在環(huán)境修復(fù)方面具有很大的潛力，對(duì)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(duì)重金屬?gòu)U水處理，利用傳統(tǒng)方法（化學(xué)沉淀法，電化學(xué)處理法）效果不理想，并且會(huì)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(huì)產(chǎn)生高昂的費(fèi)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(diǎn)，受到普遍關(guān)注和應(yīng)用[2]。對(duì)受重金屬污染的土壤，已有研究表明光合細(xì)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(xì)菌Rhodobacter capsulatu吸附Au3+在最適pH值為1.0時(shí)，去除率達(dá)到了90%以上；白紅娟等[4]研究發(fā)現(xiàn)pH值為7.0時(shí)，沼澤紅假單胞菌對(duì)Pb2+的去除率為93.0%。

2 在有機(jī)廢水處理方面的應(yīng)用

光合細(xì)菌處理有機(jī)廢水有諸多優(yōu)勢(shì)：①可直接處理生化需氧量高達(dá)10 000 mg/kg以上的高濃度有機(jī)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。②占地面積少，費(fèi)用低。③易管理，不存在污泥處理問(wèn)題?？衫霉夂霞?xì)菌有效處理的有機(jī)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(xì)菌處理廢水的國(guó)家是日本，到1995年日本已有至少10家利用光合細(xì)菌處理廢水的工廠。韓國(guó)1981年建成了生化需氧量高達(dá)2×104～3×104mg/L、日處理 600 t的大型酒精廢水處理廠，并投入市場(chǎng)運(yùn)行。美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家也相繼開展了該方面的研究。國(guó)內(nèi)科學(xué)工作者近年來(lái)也對(duì)此做了大量工作，并取得了一定的成績(jī)。據(jù)毛雪慧等[5]報(bào)道，將光合細(xì)菌固定化能夠顯著提高油脂降解的效率，去油率達(dá)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(rèn)為在28.5℃，pH 值 6.8～7.2，光照強(qiáng)度 5 000 1x時(shí)，餐飲廢水中有機(jī)物去除率達(dá)到36.4%～46.8%。

3 在降解有機(jī)磷農(nóng)藥方面的應(yīng)用

有機(jī)磷農(nóng)藥（Organophosphorus pesticides，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(jī)磷農(nóng)藥對(duì)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(diǎn)，被廣泛生產(chǎn)和使用。有機(jī)磷農(nóng)藥殘留問(wèn)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(wèn)題仍是世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，利用光合細(xì)菌降解有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的研究取得了一定的成果。

3.1 有機(jī)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。目前使用最多的一種方法是從受有機(jī)磷農(nóng)藥嚴(yán)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(jìn)行誘變育種和構(gòu)建工程菌。

3.2 降解有機(jī)磷農(nóng)藥的光合細(xì)菌及其降解特性

關(guān)于光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的降解，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了很多研究[8－12]。越來(lái)越多能高效降解有機(jī)磷農(nóng)藥的光合細(xì)菌被分離出來(lái)，劉勇等[8－11]在利用光合細(xì)菌降解有機(jī)磷農(nóng)藥殘留方面做出了巨大貢獻(xiàn)。一種有機(jī)磷農(nóng)藥往往會(huì)同時(shí)有多種光合細(xì)菌降解菌，同一光合細(xì)菌降解菌也會(huì)對(duì)多種有機(jī)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(jī)磷農(nóng)藥甲胺磷的光合細(xì)菌HP-1，在外加碳源時(shí)還能同時(shí)降解樂(lè)果、毒死蜱、三唑磷和辛硫磷。廣譜降解菌是當(dāng)前農(nóng)藥降解的研究熱點(diǎn)。大部分光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥降解的最佳條件是：30～35℃、pH值6～7、光照培養(yǎng)[8,12]。

3.3 光合細(xì)菌降解有機(jī)磷農(nóng)藥的機(jī)理

有機(jī)磷農(nóng)藥降解可以通過(guò)各種途徑進(jìn)行，包括化學(xué)降解、物理降解和微生物降解。與化學(xué)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(qiáng)和不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)。光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)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(xì)菌直接作用于有機(jī)磷農(nóng)藥，通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)降解有機(jī)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(jī)磷農(nóng)藥比較普遍的作用方式。另一類是通過(guò)光合細(xì)菌的活動(dòng)改變物理和化學(xué)的環(huán)境而間接的作用于有機(jī)磷農(nóng)藥。微生物間接作用于有機(jī)磷農(nóng)藥一般是通過(guò)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(xì)菌對(duì)有機(jī)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(shí)，對(duì)原來(lái)不能利用的物質(zhì)也可分解代謝的現(xiàn)象。

3.4 降解有機(jī)磷農(nóng)藥的光合細(xì)菌降解酶和降解基因的研究

微生物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的直接降解主要通過(guò)其分泌酶來(lái)完成。常見(jiàn)的降解酶類主要有氧化還原酶類（多酚氧化酶、過(guò)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(duì)硫磷水解酶等）。目前對(duì)光合細(xì)菌有機(jī)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(lè)斌等[11]成功分離純化到光合細(xì)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(jìn)一步深入探討光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥降解的機(jī)理做出了重要貢獻(xiàn)。

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(dòng)性差，因此大量水產(chǎn)動(dòng)物的排泄物及殘留餌料集于池底，常年累計(jì)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(dòng)物生長(zhǎng)受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生病變或死亡[14]。由于光合細(xì)菌具有改良水質(zhì)的作用，且無(wú)毒副作用，因此在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到廣泛應(yīng)用。

光合細(xì)菌可以利用水中的 NO3-、NH4+、H2S、酸類等物質(zhì)，通過(guò)氧化、硫化、氮化、反硝化、固氮等反應(yīng)，把動(dòng)物的排泄物、殘餌、殘骸等有機(jī)物迅速分解為硝酸鹽，磷酸鹽等，降低水體中的化學(xué)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(duì)污水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)水體中的化學(xué)需氧量、氨氮和亞硝酸鹽都有不同程度的下降。Hargreaves[16]利用光合細(xì)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(jī)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(xì)菌對(duì)核燃料加工、化工等行業(yè)中產(chǎn)生的嚴(yán)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(wèn)題與前景展望

光合細(xì)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(duì)人們的生活環(huán)境也產(chǎn)生越來(lái)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(lái)的便是對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的巨大危害。因此，在減少污染物排放的同時(shí)，充分利用光合細(xì)菌對(duì)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(xì)菌利用的關(guān)鍵點(diǎn)，如何大規(guī)模的培養(yǎng)光合細(xì)菌是光合細(xì)菌利用的一個(gè)制約因素。近些年來(lái)，隨著分子生物學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展以及人們對(duì)光合細(xì)菌基因組的進(jìn)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(gè)菌株，組建成一個(gè)多質(zhì)粒的可同時(shí)降解多種不同污染物或能夠同時(shí)完成某一污染物降解過(guò)程的多個(gè)環(huán)節(jié)的新菌株，將是目前研究光合細(xì)菌對(duì)環(huán)境修復(fù)的主要發(fā)展方向。相信通過(guò)科研人員的努力，在不久的將來(lái)光合細(xì)菌將在更廣泛的領(lǐng)域?yàn)槿藗兯_發(fā)及深度利用。

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