光合細菌的特性及其在廢水處理中的應用進展

李 冰

（邢臺學院生物科學與工程學院，河北 邢臺 054001）

1.光合細菌概述

光合細菌（Photosynthetic Bacteria，PSB）是地球上最早具有原始光能合成系統(tǒng)的原核生物，廣泛存在于土壤、湖泊、海洋等自然環(huán)境中。PSB以光為能量，以天然有機物、硫化物、氨等作為光合作用的氫供體和碳源。它們具有固氮、固碳、降解亞硝酸鹽、脫氫、硫化物氧化等多種生理生化功能，因此在自然界碳、氮、硫循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。

PSB在凈化養(yǎng)殖水、處理高濃度有機廢水、生物制氫方面具有優(yōu)于其他微生物的優(yōu)勢。20世紀60年代，日本研究人員發(fā)現(xiàn)PSB在高濃度有機廢水的自凈過程中起主要作用后，將其應用于高濃度有機廢水的處理。與常規(guī)廢水處理方法相比，利用PSB處理廢水的方法有很多優(yōu)點，如機負荷量高、投資成本低、能耗低、可產(chǎn)生附加產(chǎn)品等。因此，諸多學者及科研人員越來越多的關(guān)注 PSB在廢水處理中的應用。

2.光合細菌的特性

PSB除了可進行光合作用這一共性外，其在形態(tài)、生理及分子生物學特征上表現(xiàn)出非常強的異質(zhì)性，其形態(tài)多樣，有球形、半圓形、螺旋狀、桿狀、檸檬狀等。

2.1 光合細菌的分類

PSB類群眾多，可分為產(chǎn)氧與不產(chǎn)氧兩大類。不產(chǎn)氧PSB根據(jù)生理生態(tài)特征分為紫細菌、綠細菌、螺旋菌及好氧不產(chǎn)氧 PSB。紫細菌又分為紫硫細菌和紫非硫細菌，綠細菌可分為綠硫細菌和綠非硫細菌。

這些不產(chǎn)氧光養(yǎng)細菌含有多種類型的細菌葉綠素和多種類胡蘿卜素，因此其培養(yǎng)物呈現(xiàn)出不同的顏色，包括綠色、黃色、棕色、紅色、粉紅色、紫色等。此外，它們的光合膜系統(tǒng)也存在差異。紫細菌的光合膜系統(tǒng)為菌褶、微管或與質(zhì)膜連續(xù)的小泡，綠細菌的光合膜與質(zhì)膜附著但不連續(xù)，而螺旋桿菌其光合色素位于質(zhì)膜上，缺乏內(nèi)膜系統(tǒng)。

2.2 PSB的生理生態(tài)特性

PSB含有細菌葉綠素，有7種不同類型。雖然細菌葉綠素和葉綠素非常相似，但其能夠吸收更長波長的光，使得光合細菌更能適應水中生存環(huán)境。不產(chǎn)氧 PSB不同于藻類和綠色植物，他們在光合作用中不以水作為氫供體，而以硫化物、分子氫或有機物作為氫供體還原二氧化碳。因此，在光合作用中不發(fā)生水的裂解，不釋放氧氣，且大部分在厭氧條件下進行。

PSB的生理型多樣，有些為厭氧光能自養(yǎng)型，如紫硫細菌和綠硫細菌。有些是兼性菌，既能進行厭氧光能異養(yǎng)生長，亦可進行好氧化能自養(yǎng)生長。在光照厭氧條件下，以光為能源，以二氧化碳及簡單的有機物為碳源；在黑暗好氧條件下，以有機物為能源，二氧化碳為碳源。紫非硫細菌中的多數(shù)都屬于兼性菌。某些紫色非硫細菌還可以通過發(fā)酵或厭氧呼吸在黑暗缺氧條件下生長如深紅紅螺菌（Rhodospirillum（Rsp.） rubrum）和莢膜紅細菌（Rba.capsulatus）。綠非硫菌中的綠屈撓菌屬（Chloroflexus）可進行厭氧光能異養(yǎng)和好氧化能異養(yǎng)生長。

PSB可利用光能將二氧化碳同化，而且能固氮，其中紫硫和綠硫細菌需要H2S或其他無機硫化物作為電子供體在體內(nèi)儲存硫，能夠?qū)2S氧化為S單質(zhì)，進一步氧化為SO42-。因此，PSB在自然界物質(zhì)循環(huán)中起重要作用。

由于紫非硫菌生理代謝途徑的多樣性，因此在廢水處理中應用最廣泛。其中以紅假單胞菌屬（Rhodopseudomonas）應用最廣。與非硫細菌相比，硫細菌具有更好的硫氧化能力，它們生存所需的硫濃度會對其他微生物有高度抑制作用，因此對含硫廢水具有較強的適應性，可以用于含高濃度硫化合物的廢水處理。

3.光合細菌在廢水處理中的應用

PSB在廢水處理中主要有以下優(yōu)點：（1）機負荷量高；（2）可用于多種不同類型廢水的處理，適應性廣；（3）在污水處理同時可產(chǎn)生高值附加產(chǎn)品，具有環(huán)境和經(jīng)濟的雙重效益。隨著人們對PSB的研究越來越深入，PSB已被廣泛應用于畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、食品、化工和制藥等行業(yè)的廢水處理過程。

3.1 光合細菌在有機廢水處理中的應用

有機廢水通常有較高的化學需氧量（COD）和生物需氧量（BOD），直接排放到環(huán)境中易導致水體富營養(yǎng)化。PSB物質(zhì)能量代謝途徑多樣，這是其能夠高效凈化有機廢水的原因。

生活污水最易處理，Hülsen 等在光厭氧封閉反應器中用PSB降解生活污水中的有機物時，可同時對污水進行脫氮、除磷。這個過程可以連續(xù)處理生活污水達到排放 限 值（COD＜50 mg·L-1，N＜ 5 mg·L-1，，P＜1.0 mg·L-1），實驗結(jié)果驗證了 PSB 在連續(xù)處理生活廢水方面的可行性。

食品加工業(yè)、畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)常會產(chǎn)生大量高濃度有機廢水，有些廢水的C/N比偏離適合適的生物降解范圍，不利于微生物的生長。有些盡管C/N合適，但有機物濃度過高往往導致處理效果不佳。以大豆廢水為例，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，大豆廢水的COD和BOD分別在8000～20000 mg·L-1和 5000～8000 mg·L-1。盡管具有高生物降解性及符合大多數(shù)微生物生長需求的合適的C/N/P，但大多數(shù)異養(yǎng)細菌和微藻在處理這類高濃度有機廢水時，效率仍較低。因此，需要在處理前對廢水進行稀釋。但PSB的處理效果要好的多，多項研究表明，PSB可以耐受高濃度的大豆廢水，直接投加可以達到更高的降解效率。在適宜條件控制下，最高COD去除率甚至達到96.2%。養(yǎng)殖業(yè)常產(chǎn)生大量高氮廢水，與大豆廢水或啤酒廢水相比，這些廢水中產(chǎn)生的氨濃度較高。高濃度的氮會嚴重影響 C/N 比，使其偏低。目前的研究證明，將PSB應用于NH3-N濃度高、C/N比低的難降解廢水不僅可行，而且可以增加生物量和PSB的蛋白質(zhì)含量。PSB蛋白質(zhì)含量甚至可以達到90%（一般為30～65%）。高氨為 PSB提供了足夠的蛋白質(zhì)合成原料，導致功能性蛋白質(zhì)增加。

還有些研究將PSB與其他微生物或動植物聯(lián)用以處理有機廢水，Mujtaba等使用懸浮的惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida） 和 固 定 化 的 小 球 藻（Chlorella vulgaris）共培養(yǎng)獲得了高效的氮、磷和 COD 去除效果。Luo等使用沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）和番薯、鴉膽子、萵苣和白菜進行組合從養(yǎng)蝦廢水中去除總磷、總氮、COD、氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽。研究結(jié)果表明，所有污染物的去除率都隨著PSB濃度的增加而增加。他們還報道了濃度為4.0× 106CFU·mL-1的沼澤紅假單胞菌、密度為1kg·m-2的番薯和密度為0.75 kg·m-3的鰱魚的組合，能夠很好地去除養(yǎng)蝦場廢水中的總磷、總氮、COD、氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽。

3.2 光合細菌在染料廢水處理中的應用

染料廢水是我國工業(yè)廢水重要污染源之一，其含有大量生物毒性物質(zhì)，還會導致水體透光率降低從而影響水體生態(tài)系統(tǒng)。偶氮染料是紡織品印染工藝中應用最廣的一類合成染料，在染料廢水中占比較大。在特殊條件下，偶氮化合物能分解產(chǎn)生多種致癌芳香胺，其具有毒性大、生物降解性低的特點。

能參與偶氮染料降解的微生物必須有兩個方面的特性：一是體內(nèi)有偶氮還原酶，二是厭氧代謝，因為只有在無O2條件下，偶氮染料才能在微生物呼吸中起到末端電子受體的作用。PSB這兩點都具備。研究表明分子量較小或分子結(jié)構(gòu)簡單的偶氮染料，較易進入細胞，被優(yōu)先降解。Wang等用沼澤紅假單胞菌處理酸性紅1（AR1）和活性黑5（RB5）的混合偶氮染料時，發(fā)現(xiàn)PSB選擇優(yōu)先降解RB5，隨后再降解AR1。AR1的脫色率在加入RB5后從62.9%提高到91.0%，這是由于偶氮化合物的代謝產(chǎn)物能促進其降解。

一般認為，細菌在厭氧條件下無法使偶氮化合物完全降解，因為裂解產(chǎn)生的芳香胺需在加氧酶的作用下才能徹底降解。因此，脫色后還需額外的好氧處理，才使染料完全礦化。而PSB可以在連續(xù)光厭氧反應器中使偶氮化合物徹底降解。1-2-7-三氨基-8-羥基-3-6-萘二磺酸（TAHNDS）作為偶氮染料的脫色過程中產(chǎn)生的芳香胺，很難被常規(guī)的厭氧-好氧染料廢水處理工藝所去除。Wang等利用光生物轉(zhuǎn)盤研究了PSB對偶氮廢水的降解，在光照12h·d-1和水力停留時間（HRT）15h的條件下，TAHNDS的去除效率高達99%，該研究結(jié)果為染料的徹底處理提供了思路，以避免脫色產(chǎn)生的芳香胺的誘變和致癌危害。

3.3 光合細菌在重金屬廢水處理中的應用

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，大量的重金屬廢水被排入水體中，各種重金屬如砷、鉻、汞、鉛、銅、鎳具有很強的生物毒性。這些重金屬在自然環(huán)境中不可降解的，并且有生物累積的趨勢，因此，必須在廢水排放前去除其中的重金屬。傳統(tǒng)的方法如化學沉淀、電化學法在處理重金屬廢水的同時，會造成二次污染，膜分離法及離子交換等處理方法成本較高，近年來 PSB處理重金屬廢水得到了廣泛關(guān)注。有以下優(yōu)點：（1）PSB能夠在高濃度重金屬的廢水中生長，（2）PSB能夠在營養(yǎng)有限的極端環(huán)境中生存。

PSB是革蘭氏陰性菌，細胞表面帶負電的配體基團可以與大部分帶正電的金屬緊密結(jié)合，這是其用于重金屬廢水處理的基礎。PSB分泌的胞外聚合物（EPS）具有很強的生物吸附能力，可以達到90%以上的吸附效果，增強了PSB對廢水中游離重金屬離子的吸附能力。生物累積、生物沉淀也是PSB去除水環(huán)境中重金屬的主要機制。Gao等研究了沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）在廢水中懸浮45 h后Co2+的分布，結(jié)果證明周質(zhì)空間和膜分別占Co2+吸收的 57.37%和27.95%。Bai等的研究表明，生長在Cd2+溶液中的類球紅桿菌（Rhodobacter sphaeroides）通過生物吸附去除了約14%的Cd2+，大多數(shù)Cd2+通過生物沉淀在細胞壁上形成致密的CdS 沉淀。Feng等篩選出對Au（III）具有較強吸附能力的PSB，莢膜紅桿菌（Rhodobacter capsulatus）。在對數(shù)期，活細胞對四氯金酸（HAuCl4）的最大攝取量超過92.43mg·g-1。Deng和Jia應用重組沼澤紅假單胞菌去除廢水中的汞。結(jié)果表明，重組菌株對Hg2+的去除能力比野生型提高3倍。

4.問題及展望

PSB被廣泛應用于環(huán)境廢物治理、生態(tài)修復、畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工和制藥行業(yè)。其在廢水處理中具有諸多優(yōu)勢，但同時也面臨一些問題：（1）廢水成分復雜，使用單一菌種進行處理，難以達到排放要求；（2）污水處理后，菌體沉降困難，通過離心和絮凝劑回收無疑會增加處理成本；（3）目前的研究主要集中在 PSB處理廢水的可行性及影響因素研究上，關(guān)于模型和機制的研究較少；（4）目前研究主要集中在PSB對無毒廢水的生物轉(zhuǎn)化，對一些有害污染物的降解可行性雖得以證明，但僅限于實驗室或小型中試規(guī)模。針對以上存在的問題今后的研究可集中在以下幾點：（1）對PSB廢水處理的機理、模型和關(guān)鍵參數(shù)的深入研究，以便為工業(yè)化應用提供更好的指導；（2）加強PSB廢水處理過程和下游處理技術(shù)（包括分離、提取和凈化）的研究；（3）篩選能夠在更廣泛和更極端條件下生長的有效菌株；（4）同時將PSB與其他生物聯(lián)用進行廢水處理，以提高廢水處理效果。

此外，在廢水處理過程中，PSB菌體大量繁殖，同時會產(chǎn)生多種高附加值生物質(zhì)，例如用于治療癌癥的氨基乙酰丙酸，清潔能源H2，類胡蘿卜素、維生素、蛋白質(zhì)、維生素B12、生物柴油和聚-β-羥基丁酸酯。這些高價值產(chǎn)品廣泛用于各種用途。簡單的養(yǎng)殖過程、低成本和高經(jīng)濟值賦予了PSB 技術(shù)無限的潛力，開發(fā)從 PSB生物質(zhì)中獲得增值產(chǎn)品的新方法，發(fā)揮其在循環(huán)經(jīng)濟中的潛力，將會是未來的研究熱點。