光合细菌在环境修复中的研究进展

陈 莎，刘 勇

（1.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省植物保护研究所，湖南 长沙 410125）

光合细菌（photosynthetic bacteria，PSB）是一类能进行光合作用而又不会产生氧的特殊生理类群的原核生物总称，分布广泛。光合细菌为革兰氏阴性细菌，不能形成芽孢，形态多样，直径大小一般为0.5～5.0 μm。现已知的光合细菌分为着色菌科、外硫红螺菌科、紫色非硫细菌、绿硫细菌、多细胞绿丝菌、螺旋杆菌科、含细菌叶绿素的专性好氧菌等7大群共50个属[1]，而且不断有新品种被发现。

在不同的环境下，光合细菌具有放氢、固碳、固氮、硫化物氧化等多种功能，在自然界的碳、氮、硫循环中起着十分重要的作用。光合细菌独特的生理功能及丰富的代谢多样性，使得其在环境修复方面具有很大的潜力，对环境污染的治理和调控有着重要意义。

1 在治理土壤重金属污染方面的应用

目前对重金属废水处理，利用传统方法（化学沉淀法，电化学处理法）效果不理想，并且会产生有毒污泥，造成二次污染；而利用膜分离法、活性炭吸附法、离子交换法，则会产生高昂的费用。生物吸附法因其可以选择性去除重金属离子，具有节能高效，易操作，易分离回收等特点，受到普遍关注和应用[2]。对受重金属污染的土壤，已有研究表明光合细菌可以降低土壤中的重金属毒性，吸附积累重金属，改善环境。Youzhi Feng等[3]研究发现光合细菌Rhodobacter capsulatu吸附Au3+在最适pH值为1.0时，去除率达到了90%以上；白红娟等[4]研究发现pH值为7.0时，沼泽红假单胞菌对Pb2+的去除率为93.0%。

2 在有机废水处理方面的应用

光合细菌处理有机废水有诸多优势：①可直接处理生化需氧量高达10 000 mg/kg以上的高浓度有机废水，其所得到的副产品，即菌体污泥，富含蛋白质，可作为鱼虾饵料，不造成二次污染。②占地面积少，费用低。③易管理，不存在污泥处理问题。可利用光合细菌有效处理的有机废水包括羊毛洗涤加工、染料加工、淀粉加工、啤酒厂、豆腐加工、生活污水、油脂加工等各类废水。

最早利用光合细菌处理废水的国家是日本，到1995年日本已有至少10家利用光合细菌处理废水的工厂。韩国1981年建成了生化需氧量高达2×104～3×104mg/L、日处理 600 t的大型酒精废水处理厂，并投入市场运行。美国、澳大利亚等国家也相继开展了该方面的研究。国内科学工作者近年来也对此做了大量工作，并取得了一定的成绩。据毛雪慧等[5]报道，将光合细菌固定化能够显著提高油脂降解的效率，去油率达到74.95%。刘新建等[6]将沼泽红假单胞菌与处理化的餐饮废水共培养，认为在28.5℃，pH 值 6.8～7.2，光照强度 5 000 1x时，餐饮废水中有机物去除率达到36.4%～46.8%。

3 在降解有机磷农药方面的应用

有机磷农药（Organophosphorus pesticides，OPs）一般分为硫代磷酰胺类、硫代膦酸酯类、硫代磷酸酯类、磷酸酯类等四类。有机磷农药对于防治农业生产中的病虫害具有方便、高效等优点，被广泛生产和使用。有机磷农药残留问题直接威胁到人类的生存和可持续发展[7]，因此解决环境中存在的农药残留问题仍是世界各国的研究热点。近年来，利用光合细菌降解有机磷农药残留的研究取得了一定的成果。

3.1 有机磷农药高效降解菌株的获得

获得可降解农药的微生物的途径多种多样，主要是从农药厂的污水、处理曝汽池的污泥、受污染的土壤中等受农药污染的环境介质中富集、驯化、筛选分离，从而得到高效降解菌，这是比较普遍的方法。目前使用最多的一种方法是从受有机磷农药严重污染的环境中筛选分离得到高效降解菌，而后在此基础上进行诱变育种和构建工程菌。

3.2 降解有机磷农药的光合细菌及其降解特性

关于光合细菌对有机磷农药的降解，国内外已经进行了很多研究[8－12]。越来越多能高效降解有机磷农药的光合细菌被分离出来，刘勇等[8－11]在利用光合细菌降解有机磷农药残留方面做出了巨大贡献。一种有机磷农药往往会同时有多种光合细菌降解菌，同一光合细菌降解菌也会对多种有机磷农药具降解效应。张德咏等[8]分离到的一株能降解有机磷农药甲胺磷的光合细菌HP-1，在外加碳源时还能同时降解乐果、毒死蜱、三唑磷和辛硫磷。广谱降解菌是当前农药降解的研究热点。大部分光合细菌对有机磷农药降解的最佳条件是：30～35℃、pH值6～7、光照培养[8,12]。

3.3 光合细菌降解有机磷农药的机理

有机磷农药降解可以通过各种途径进行，包括化学降解、物理降解和微生物降解。与化学降解和物理降解相比，微生物降解具有反应速度快、反应条件温和、反应专一性强和不产生二次污染等特点。光合细菌对有机磷农药的降解属于微生物降解，其作用方式大致可以分为两大类：一类是光合细菌直接作用于有机磷农药，通过一系列的酶促反应降解有机磷农药，主要有合成、脱氢、氧化、还原等反应类型，这也是微生物降解有机磷农药比较普遍的作用方式。另一类是通过光合细菌的活动改变物理和化学的环境而间接的作用于有机磷农药。微生物间接作用于有机磷农药一般是通过矿化作用、生物浓缩作用或累积作用、共代谢作用或其他的间接作用[13]。目前光合细菌对有机磷农药的间接降解研究得比较多的是共代谢作用。共代谢作用是指微生物在有其可利用的碳源存在时，对原来不能利用的物质也可分解代谢的现象。

3.4 降解有机磷农药的光合细菌降解酶和降解基因的研究

微生物对有机磷农药的直接降解主要通过其分泌酶来完成。常见的降解酶类主要有氧化还原酶类（多酚氧化酶、过氧化物酶）及水解酶类（包括硫基酰胺酶、裂解酶、磷酸酶、酯酶、对硫磷水解酶等）。目前对光合细菌有机磷农药降解酶的研究大多停留在比较基础的阶段，但也成功克隆出部分降解酶。尹乐斌等[11]成功分离纯化到光合细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，这为进一步深入探讨光合细菌对有机磷农药降解的机理做出了重要贡献。

4 在净化养殖水体环境方面的应用

水产养殖以塘养和池养为主，其水体更换频率低、流动性差，因此大量水产动物的排泄物及残留饵料集于池底，常年累计产生大量有毒、有害物质，使得养殖水水质恶化，水产动物生长受到影响，严重时会发生病变或死亡[14]。由于光合细菌具有改良水质的作用，且无毒副作用，因此在水产养殖中得到广泛应用。

光合细菌可以利用水中的 NO3-、NH4+、H2S、酸类等物质，通过氧化、硫化、氮化、反硝化、固氮等反应，把动物的排泄物、残饵、残骸等有机物迅速分解为硝酸盐，磷酸盐等，降低水体中的化学需氧量和生物需氧量，从而有效减少水中有害物质的含量，增加水体溶氧量，起到净化水体、改善水质的作用。施安辉等[15]使用沼泽红假单胞菌、绿色红假单胞菌、胶质红假单胞菌、球形红假单胞菌分别对污水进行处理，发现水体中的化学需氧量、氨氮和亚硝酸盐都有不同程度的下降。Hargreaves[16]利用光合细菌的氧化、硝化和反硝化作用，有效地消除水体中的氨氮和有机物含量，并增加水体的溶氧量，显著减少水产养殖中的水体污染。有研究表明，光合细菌对核燃料加工、化工等行业中产生的严重污染环境的有毒物质也有很好的降解作用[17]。

5 面临的问题与前景展望

光合细菌作为一种非常古老的光能自养菌，在人们的生活生产方面都具有重要作用，且逐渐被人们所熟知并广泛应用。随着现代工业的大力发展与人类生活水平的提高，各种生活垃圾、工业废料对人们的生活环境也产生越来越大的影响。池塘、河流、湖泊、地下水等受污染程度增加，随之而来的便是对水产养殖业的巨大危害。因此，在减少污染物排放的同时，充分利用光合细菌对废水的处理作用也显得意义更加重大。此外，菌种的分离以及培养条件的优化成为了限制光合细菌利用的关键点，如何大规模的培养光合细菌是光合细菌利用的一个制约因素。近些年来，随着分子生物学的应用与发展以及人们对光合细菌基因组的进一步研究，利用菌株的相容性，将降解不同污染物的高效专一的质粒组合到一个菌株，组建成一个多质粒的可同时降解多种不同污染物或能够同时完成某一污染物降解过程的多个环节的新菌株，将是目前研究光合细菌对环境修复的主要发展方向。相信通过科研人员的努力，在不久的将来光合细菌将在更广泛的领域为人们所开发及深度利用。

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