光合細(xì)菌的研究進(jìn)展

光合細(xì)菌的研究進(jìn)展

日本科學(xué)家小林正泰自1960年成功使用csb可用于食品加工、淀粉生產(chǎn)和食品加工帶來的有機(jī)廢水處理以來，許多科學(xué)家對生態(tài)機(jī)合花科廢水的處理進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明，光合菌可以在高有機(jī)負(fù)荷的廢水中正常生長，并通過處理光合環(huán)境而吸收許多有機(jī)物質(zhì)。它具有無毒性、低投資、低污染物去除率和資源回收的優(yōu)勢。因此,光合細(xì)菌對水污染治理的作用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。目前,國外在光合細(xì)菌處理生活污水及工業(yè)廢水方面的研究較多,而我國對光合細(xì)菌的研究則主要集中在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的作用(如凈化水質(zhì),作餌料添加劑等),關(guān)于光合細(xì)菌在景觀微污染水體治理方面的作用研究較少。本課題組研究發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌中的沼澤紅假單胞菌對西南大學(xué)景觀水中氨氮的去除率高達(dá)95%,暗示光合細(xì)菌能有效治理景觀水污染?；谝陨显?本文著重對光合細(xì)菌的分類、作用機(jī)理及其在水體污染治理中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,以期為進(jìn)一步系統(tǒng)研究光合細(xì)菌在景觀水污染治理中的應(yīng)用提供參考。1光緒年間基于體內(nèi)所含光合色素及電子供體不同可將光合細(xì)菌分為產(chǎn)氧光合細(xì)菌和不產(chǎn)氧光合細(xì)菌。1.1藍(lán)細(xì)菌的分布產(chǎn)氧光合細(xì)菌包括藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)和原綠菌(Phycobilisomes),體內(nèi)含葉綠素a,以水作為電子供體。藍(lán)細(xì)菌是一群能進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用的革蘭氏陰性菌,種類繁多,廣泛分布于海洋以及淡水中,其主要的光捕獲中心是藻膽體(phycobilisomes),通常發(fā)現(xiàn)還伴隨有光合反應(yīng)中心PSII。原綠菌是一群光捕獲系統(tǒng)中除含葉綠素a外還含有葉綠素b,能快速產(chǎn)氧的微生物。1.2綠色硫細(xì)菌和銅細(xì)菌不產(chǎn)氧光合細(xì)菌包括日光桿菌(Heliobacteria)、酸桿菌(Acidobacteria)、綠色硫細(xì)菌(GreenSulfurBacteria)和紫色細(xì)菌(PurpleBacteria),體內(nèi)含有菌綠素和類胡蘿卜素,以硫化物或硫酸鹽作電子供體。日光桿菌是唯一一類能進(jìn)行孢子生殖的革蘭氏陽性光合細(xì)菌,具有獨(dú)特的光合作用機(jī)制,屬于嚴(yán)格厭氧菌且不能利用反應(yīng)中心所得電子供體固定CO2。酸桿菌細(xì)胞內(nèi)含有一個(gè)FeS-type反應(yīng)中心、高速運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白(FMO-protein)、基質(zhì)蛋白(baseplateprotein)以及由菌葉綠素a(BChla)和甲基化菌葉綠素c(methylatedBChlc)組合成的酶。綠色硫細(xì)菌是唯一一類能夠通過反向三羧酸循環(huán)固定CO2的光合細(xì)菌,其細(xì)胞內(nèi)的泡囊結(jié)構(gòu)中,擁有菌葉綠素c和d、少許菌葉綠素a以及綠細(xì)菌葉綠素,且這兩種色素之間存在能量移動(dòng)。紫色細(xì)菌是一類能在好氧光照以及厭氧黑暗等條件下生長繁殖的原核微生物。2去除雜草和去除磷的原則2.1光合細(xì)菌的生化特性氮在污水中的存在形式主要有有機(jī)氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及亞硝態(tài)氮,污水除氮法主要有物理化學(xué)法和生物脫氮法兩大類。物理化學(xué)脫氮法成本較高,且不利于管理,而生物脫氮法是目前污水處理中常用的一種比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。在厭氧條件下,光合細(xì)菌通過胞外蛋白酶(extracellularprotease,ECP)水解,將污水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨基酸(aminoacids),之后經(jīng)脫氨基作用(deamination)生成氨態(tài)氮,生成的氨氮以及污水中原有的氨氮均被同化進(jìn)入光合細(xì)菌菌體中,供菌株生長繁殖。同時(shí)具有反硝化活性的光合細(xì)菌依靠硝酸鹽還原酶(nitratereductase,NaR)、亞硝酸鹽還原酶(nitritereductase,NiR)、一氧化氮還原酶(nitricoxidereductase,NOR)以及一氧化二氮還原酶(nitrousoxidereductase,N2OR),以污水中的硝酸鹽或亞硝酸鹽作為最終電子受體,利用外界簡單有機(jī)物(如乙酸,氨基酸,糖類等)為供氫體進(jìn)行反硝化作用。反硝化作用又分為同化作用和異化作用,在同化作用下,硝酸鹽和亞硝酸鹽被轉(zhuǎn)化為氨氮,可被菌體同化利用;在異化作用下,硝酸鹽和亞硝酸鹽被還原成氣態(tài)氮,排出水體,其中異化作用是除氮的主要途徑,其反應(yīng)過程如圖1所示。光合細(xì)菌體內(nèi)的脫氮酶系都是可溶性酶且存在于周質(zhì)空間中,因而脫氮過程都在膜的外側(cè)進(jìn)行,氮氧化物可在胞外直接參與反應(yīng),因此利用光合細(xì)菌脫氮具有反應(yīng)速度快,不易受外界影響等優(yōu)點(diǎn)。目前發(fā)現(xiàn)的具有反硝化能力的光合細(xì)菌主要為紫色非硫細(xì)菌,如Nagadomi等從鯉魚池中分離到的Rhodobactersphaeroides(球型紅假單胞菌)以及陳慧等從浙江寧波奉化某對蝦養(yǎng)殖塘中分離得到的Rhodopseudomonas(紅假單胞菌)屬的一個(gè)新種等。有氧氣存在的情況下,由于沒有氨氧化菌(ammoniaoxidizingbacteria,AOB)和亞硝酸氧化菌(nitriteoxidizingbacteria,NOB)參與反硝化作用,因此光合細(xì)菌的脫氮作用會(huì)受到抑制,為了維持自身的生命活動(dòng),光合細(xì)菌直接吸收消耗污水中的氨氮合成細(xì)胞原生質(zhì),從而降低污水中氨氮的含量。2.2polyyn吸收磷酸鈉的方法污水中的磷(以聚磷酸鹽、正磷酸鹽和有機(jī)磷等形式存在)無論是氧化態(tài)還是還原態(tài)都不能變成氣態(tài)進(jìn)入空氣中,一般只能運(yùn)用生物學(xué)或者化學(xué)的方法將其沉降后分離除去?；瘜W(xué)沉淀法所使用的藥劑費(fèi)用較高,產(chǎn)生的沉淀量大,不易處理,且可能產(chǎn)生二次污染。生物除磷法是廢水除磷工藝中最常用也是最為有效的技術(shù),不易產(chǎn)生二次污染。在好氧條件下,光合細(xì)菌利用O2為電子受體進(jìn)行有氧呼吸,不斷氧化胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚羥基烷酸(polyhydroxyalkanesacid,PHAs),同時(shí)不斷從外界環(huán)境攝取乙酸、甲酸甲酯以及氨氮等作為有機(jī)底物進(jìn)行氧化分解,獲得能量,并利用產(chǎn)生的能量超量吸收廢水中的磷,以聚磷酸鹽(poly-P)的形式貯存在細(xì)胞體內(nèi)。當(dāng)處于厭氧條件時(shí),光合細(xì)菌吸收污水中短鏈脂肪酸(shortchainfattyacids,SCFAs)以及揮發(fā)性脂肪酸(volatilefattyacids,VFAs)等易降解的有機(jī)物,再由SCFAs通過三羧酸(tricarboxylicacid,TCA)循環(huán)或由糖原(glycogen)經(jīng)糖酵解途徑(embden-meyerhofparnas,EMP)或2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖(2-keto-3-DNA-6-phosphateglucosepathway,KDPG)途徑提供的還原型輔酶Ⅰ(NADH2)的作用下合成PHAs,在此過程中主要通過光合細(xì)菌體內(nèi)聚磷酸鹽(poly-P)的釋放以及三磷酸腺苷(ATP)的水解提供能量,因而污水中的溶解性磷酸鹽(solubilityorthophosphate,SOP)會(huì)不斷增加,其反應(yīng)過程如圖2。但總的來說,光合細(xì)菌好氧吸磷量遠(yuǎn)大于厭氧放磷量,因此,能用于去除污水中的磷,起到凈化水質(zhì)的作用。尤其是景觀水體淺,通常是處于好氧狀態(tài)。3有機(jī)廢水及重金屬廢水處理目前,國內(nèi)外對光合細(xì)菌在廢水中的應(yīng)用已有較多研究,主要包括以下三方面:(1)處理有機(jī)廢水;(2)處理重金屬廢水;(3)處理養(yǎng)殖污水。3.1光合細(xì)菌對在廢水中的處理效果如今,處理高濃度難降解有機(jī)廢水是污水處理的難題之一。光合細(xì)菌可在有氧及無氧條件下進(jìn)行代謝,將廢水中有毒害的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為水生生物生長所需的養(yǎng)料,凈化水質(zhì),促進(jìn)水體的物質(zhì)循環(huán)。綠色硫細(xì)菌(greensulfurbacteria)和紫色硫細(xì)菌(purplesulfurbacteria)能有效去除污水中的含硫化合物,紫色非硫細(xì)菌(purplenon-sulfurbacteria)則能高效去除廢水中的有機(jī)物。日本最早利用光合細(xì)菌處理有機(jī)廢水,隨后韓國、美國、澳大利亞等國也相繼展開了這方面的研究。Madukasi,E.I.等分離得到一種新的非能動(dòng)的桿狀革蘭氏陰性菌———光合細(xì)菌Z08。通過16SrDNA技術(shù)鑒定其為紅假單胞菌(Rhodopseudomonas),并研究了Z08菌株對環(huán)境中較為關(guān)注的兩種廢水———大豆制品廢水和制藥廢水的生物降解作用,氣相—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析表明,廢水中的高分子難分解化合物可通過生物降解轉(zhuǎn)化為毒性較低的和對環(huán)境危害較小的低分子量物質(zhì)。研究表明,Z08菌株有一定的耐毒性,在高濃度有機(jī)廢水中,通過其細(xì)胞蛋白吸收這些難降解有機(jī)毒物來解除毒害。Lu等研究表明類球紅細(xì)菌(Rhodobactersphaeroides)在沒有額外光照以及氧氣供應(yīng)的自然條件下能有效降解豆制品廢水中的高分子化合物,起到凈化水質(zhì)的作用。我國科學(xué)家近幾年也在這方面展開了大量的研究,并取得了一定的成就。毛雪慧等報(bào)導(dǎo),固定化光合細(xì)菌對含油廢水中油脂以及脂肪酸的去除率高達(dá)74.95%。劉新建等研究發(fā)現(xiàn)在28.5℃,pH中性,光照強(qiáng)度50001x條件下,沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)對餐飲廢水中有機(jī)物的去除率可達(dá)36.4%~46.8%?？仔闱俚劝l(fā)現(xiàn)通過馴化得到的耐鹽能力強(qiáng),降解活性高的光合細(xì)菌菌群能夠正常生存在高含鹽有機(jī)廢水中,且能降解有機(jī)廢水中的高分子化合物,保證出水水質(zhì)。3.2重金屬污染檢測及治理現(xiàn)狀隨著工業(yè)化、城市化、化工產(chǎn)品的普遍使用以及礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用,重金屬廢水污染日益嚴(yán)重。污染物在作物體內(nèi)累積,并通過食物鏈轉(zhuǎn)移到動(dòng)物和人體中,其中的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能吸收有毒非必要的金屬離子與過量的必需金屬離子,這兩者都可以產(chǎn)生不利影響的重要代謝過程,危害人類和動(dòng)物的健康,引發(fā)疾病。據(jù)了解,重金屬污染在中國局部地區(qū)已十分嚴(yán)重。2010年12月安徽懷寧因附近電源廠污染導(dǎo)致100余名兒童血鉛超標(biāo);2011年3月,浙江德清縣因當(dāng)?shù)仉姵仄髽I(yè)污染導(dǎo)致300余人血鉛超標(biāo);2012年1月15日,廣西龍江河發(fā)生嚴(yán)重的重金屬鎘污染事件;2013年8月,環(huán)保部在檢測中發(fā)現(xiàn)有12個(gè)國控地表水監(jiān)測斷面(點(diǎn)位)共出現(xiàn)了22次重金屬超標(biāo)現(xiàn)象,主要分布在天津、山西等省份。因此,治理重金屬污染的任務(wù)十分緊迫。諸多研究表明,治理重金屬廢水的傳統(tǒng)方法如電化學(xué)處理、化學(xué)沉淀等在治理低濃度(1~10mg/L)重金屬廢水時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒污泥,易造成二次污染。而活性炭吸附、膜分離和離子交換等方法用于處理濃度較低的重金屬廢水時(shí)成本較高。生物吸附法可以選擇性去除重金屬離子,且具有易操作,節(jié)能高效,易分離回收等特點(diǎn),因此得到廣泛應(yīng)用。已有研究表明光合細(xì)菌是一種可以在養(yǎng)分較為缺乏的條件下能有效治理重金屬廢水的微生物。Feng等發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為1.0時(shí)莢膜紅細(xì)菌(Rhodobactercapsulatus)對Au3+的去除率大于90%。Chojnack等研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌(Spirulinasp.(L))對Cu2+的富集能力較強(qiáng)。郭凌發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌球形紅細(xì)菌(Rhodobactersphaeroides)可以緩解Cu2+對盆栽油菜幼苗生長的抑制作用;減少油菜及小麥幼苗體內(nèi)銅離子的含量;并能減緩鎘對油菜及小麥幼苗生長的抑制作用。3.3光合細(xì)菌系統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要包括池養(yǎng)和塘養(yǎng),其水體流動(dòng)性差、更換頻率低,因而大量殘留餌料及水產(chǎn)動(dòng)物的排泄物、尸體沉于池底,提高了水中氨氮的濃度,使水質(zhì)惡化,抑制水產(chǎn)動(dòng)物的生長,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生病變或死亡。常通過換水、循環(huán)過濾等辦法處理,但這些方法既浪費(fèi)能源,又破壞水中的生物群落。光合細(xì)菌施入水體后,能有效吸收利用水中的有害物質(zhì)(如亞硝酸鹽、氨、硫化氫等),增加水體溶氧量,還可分解水中的殘存餌料及魚類糞便,起到凈化水體水質(zhì)的作用,有利于水生動(dòng)物的生長繁殖。國際上,光合細(xì)菌已被普遍用于治理養(yǎng)殖水體污染。Hargreaves根據(jù)光合細(xì)菌的特性,利用光合細(xì)菌及藻類組合有效降低了水中的有機(jī)物和氨氮的含量,并增加了水體溶氧量,有效解決了水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水污染問題。Jeong等設(shè)計(jì)了四種不同類型的養(yǎng)魚池系統(tǒng)進(jìn)行長期循環(huán)金魚飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),固定化光合細(xì)菌系統(tǒng)中硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總磷以及氨態(tài)氮的含量均是四個(gè)系統(tǒng)中最低的,從而得出了固定化光合細(xì)菌系統(tǒng)可用作循環(huán)過濾設(shè)備,用于凈化水質(zhì)的結(jié)論。在中國,光合細(xì)菌已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)中,1960年之后更是被應(yīng)用于污水處理行業(yè)。張信娣等在三角帆蚌養(yǎng)殖水體中施用紅假單胞菌(Rhodopseudomonas),發(fā)現(xiàn)其可穩(wěn)定養(yǎng)殖水體pH,去除營養(yǎng)物質(zhì),降低COD,有效控制有害細(xì)菌的數(shù)量,防止水質(zhì)惡化。劉芳等從杭州養(yǎng)魚塘中富集分離得到HZ-3,HZ-4,HZ-5共3株紫色非硫光合細(xì)菌(Purplenon-sulfurbacteria),從中篩選出凈化水質(zhì)能力較強(qiáng)的菌株HZ-5,通過研究發(fā)現(xiàn),施入該菌株后,