类球红细菌应用进展

陈 琳， 李祖明

(北京联合大学 应用文理学院，北京 100191)

类球红细菌应用进展

陈 琳， 李祖明*

(北京联合大学 应用文理学院，北京 100191)

类球红细菌(RhodobacterSphaeroides)属光合细菌，是目前研究最深入的光合微生物之一，具有多种代谢方式。不仅能够产生类胡萝卜素、辅酶Q10、超氧化物歧化酶、5-氨基乙酰丙酸和氢气，而且能够降解农药残留、有机废水和多环芳烃等有毒有害物质，应用领域十分广泛。本文综述了类球红细菌在食品、医药、农业、环境、氢气生产等领域中的应用进展，并对类球红细菌的应用前景进行展望。

类球红细菌；应用；进展

类球红细菌属于紫色非硫细菌，是目前研究最深入的光合微生物之一[1]，能在多种条件下生长，如有氧、无氧、黑暗等[2]。类球红细菌不仅可以产生辅酶Q10[3]、类胡萝卜素[4]、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)[5]、5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic, ALA)[6]、氢气[7]和D-阿洛酮糖[8]等，还能降解农药残留[9]、有机废水[10]和多环芳烃(Polyaromates aromatic hydrocarbons, PAHs)[11]等，还可以固定二氧化碳和氮气以及补救放射性污染[1]。可见，类球红细菌应用领域十分广泛，已经成为一种具有巨大的工业化开发潜力的微生物[12]。

1 类球红细菌在食品领域的应用

1.1 功能食品

辅酶Q10是一个内生酶辅助因子，在人类所有活细胞中都能产生，分布在细胞膜上，是一种强力的抗氧化膳食补充剂[13]。Kien等[3]筛选出一种生产辅酶Q10的类球红细菌突变株KACC 91339P，其辅酶Q10的产量达到8.12 mg/g DCW。SOD属于金属酶类，可以通过催化超氧阴离子自由基的歧化反应，有效地清除体内的超氧阴离子自由基，实现抗氧化的功能[14]，从而应用于功能食品中，如生产SOD功能苹果[15]。李祖明等[5]用类球红细菌3575生产SOD，其SOD的收率提高11.5%。类胡萝卜素作为维生素A原，具有抗氧化功能，可用于生产保健食品；Chen等[4]用类球红细菌生产类胡萝卜素，其产量达到17.245 mg/L。

1.2 食品添加剂

番茄红素属于类胡萝卜素，最早从番茄中分离制得，具有营养与着色双重作用，在许多国家被作为食品添加剂广泛应用于食品色素领域；李德和等[16]从类球红细菌中提取番茄红素并用响应面法对番茄红素的提取条件进行优化，使番茄红素提取量达到9 326.48 μg/g。D-阿洛酮糖属于D-果糖的差向异构体，可以作为甜味剂用于减肥食品中[17]。张龙涛等[8]筛选出生产D-阿洛酮糖的类球红细菌突变株SK011，其D-阿洛酮糖的产率达到6.54%。

1.3 食品安全

农药残留是食品安全问题的重要因素之一，如何解决农药残留问题以获得无农药残留的食品越来越受到人们的重视。研究发现，微生物降解是解决食品农药残留问题的有效措施之一[18]。类球红细菌作为一种农药残留降解菌，能有效地降低农药残留，有利于食品安全。它可以降低草莓表面残留的敌敌畏，使敌敌畏的安全间隔期缩短[9]。还可以在不产生有毒降解产物的条件下，快速降解水中敌敌畏，对斑马鱼起一定的保护作用[19]。

2 类球红细菌在医药领域的应用

类胡萝卜素是一类生物活性物质，可以预防癌症以及一些与生活方式有关的疾病，如冠心病、老年黄斑变性[20]。李祖明等[21]从类球红细菌中提取类胡萝卜素并采用正交试验对其提取条件进行了优化，优化后提取率较优化前提高了74.8%。辅酶Q10是氧化磷酸化链的重要组成部分，能作为一种抗氧化物，防止脂质过氧化和清除超氧化物[22]；可以用来防止药物的副作用以及治疗心血管疾病、癌症、牙龈疾病和高血压[23]；还有助于预防和治疗线粒体疾病[24]。李祖明等[25]采用正交实验优化了酶法辅助超声波法提取类球红细菌辅酶Q10的提取条件，优化后提取率较优化前提高了91.9%。SOD作为一种生物体重要的细胞防御系统，具有抗衰老、抗肿瘤、抗辐射和消炎作用，已被用作药品添加剂，广泛应用于医学领域[26]。Kho等[27]已经证明类球红细菌中含有多种SOD，如铜超氧化物歧化酶和锌超氧化物歧化酶等。移位蛋白(Translocater protein, TSPO)是一种跨膜蛋白，存在于细菌、哺乳动物等多种生物中，可参与胆固醇运输、卟啉运输以及凋亡信号传导，具有神经保护作用，是防治癌症和神经炎症等疾病的关键性物质，能从类球红细菌中获得表达和纯化[28]。

3 类球红细菌在氢气生产领域的应用

氢气既能作为一种原材料生产其他化学物质，又是一种环境友好型燃料，即“绿色”氢气，供给能源[29]。目前，每年平均生产约5 000亿m3的氢气，其中96%的氢气是在化石原材料的基础上通过部分氧化来生产的[29]。然而，在未来的几十年里，化石资源将越来越稀缺。因此，开发更有效的方法来生产“绿色”氢气以满足人们对于这一重要物质的需求是目前研究的一个热点。“绿色”氢气可以通过一系列的方法生产，如使用可再生电力电解水、利用太阳能裂解水、生物质气化以及光发酵[30]。其中光发酵产氢速率快，可使氢气成为较便宜的能源载体，是一种有效的制氢方法[31]。大量研究发现，类球红细菌已经成为一种光发酵产氢的有效菌种[32]。Laocharoen等[7]发现类球红细菌KKU-PS5可以利用葡萄糖、苹果酸等物质生长和产氢；在以苹果酸作为碳源的条件下，该菌株产氢的最优条件为pH 7.0、FeSO44 mg/L、温度30 ℃、光照强度6 klux，在此最优条件下，最大产氢量可达1 330 mL H2/L。

4 类球红细菌在农业领域的应用

5-氨基乙酰丙酸(ALA)在吡咯生物合成中起到重要的作用，能被用作生物可降解除草剂、杀虫剂和植物生长促进剂[33]。类球红细菌生物合成ALA产率高，过程简单，工业化潜力巨大，已经受到国内外研究者及产业界极大关注[34]。Kars等[6]筛选出1株可以进行ALA合成的类球红细菌突变菌O.U.001，在添加维生素B12和乙酰丙酸的条件下，该突变株能使ALA产量达到67.4 μmol/L。Tanaka等[34]通过一系列诱变育种以及培养条件优化，最终筛选出1株可以进行ALA生物合成的类球红细菌突变菌CR-720，该菌株ALA的产量从2 mmol/L提高到了52 mmol/L。

类球红细菌可应用于水产养殖中。罗克汀(LycogenTM)是一种从类球红细菌突变株WLAPD911中提取的商业用类胡萝卜素[35]，含有链孢红素[36]、ξ-类萝卜素等物质，可以用作海水罗非鱼的饲料补充剂，提高海水罗非鱼的体液免疫，增加该鱼的肌肉重量、比生长速率和饲料转化率，改善其生长性能[35]。

5 类球红细菌在环境领域的应用

多环芳烃(PAHs)是一类对环境有严重污染的有机物，到目前为止，已有200多种PAHs被发现[37]。类球红细菌菌肥施用于被PAHs污染的农田土壤中，可以促使土壤微生物生态系统活化，进而去除土壤中的PAHs，为修复被PAHs污染的土壤提供技术借鉴。焦海华等[11]研究发现，在麦田土壤中分别喷施和根施类球红细菌的菌肥后，该土壤中总PAHs的浓度分别降低21.1%和27.1%。

甘薯是一种世界上最重要的主食作物之一，可用于工业化生产淀粉制品。1吨甘薯经过淀粉提取、分离和干燥后，平均产生6 m3甘薯淀粉废水；大量的甘薯淀粉废水已经在一些亚洲国家产生了严重的环境问题[38]。甘薯淀粉废水属于高浓度有机废水，含有蛋白质、维生素和无机盐等物质，可以为类球红细菌的生长提供所需的营养物质[10，38]。韩庆莉等[10]通过正交试验优化，得到较优的类球红细菌的培养条件为pH 7.0、转速200 r/min、接种量7.5%、温度35 ℃、甘薯淀粉废水稀释度60%，在此条件下培养24 h，类球红细菌浓度可达到6.7 × 109cfu/mL，与LB 培养液(6.9×109cfu/mL) 相比，没有显著性差异。表明类球红细菌可以利用甘薯淀粉废水进行生长繁殖，实现废水资源化，进而改善环境。

6 类球红细菌在其他领域的应用

类球红细菌可以用来生产聚羟基丁酸酯，该物质是生产可降解塑料的必需原料；类球红细菌还可以产生吸光物质，用于构建光子捕获模型，也可以用来补救放射性污染[1]。从类球红细菌突变株WLAPD911中提取的罗克汀可以作为一种抗增色作用的物质，改善由α-促黑激素引起的色素沉着，应用于化妆品中[39]。

7 展 望

类球红细菌是一种多功能的兼性紫色非硫细菌，具有在多种环境条件下生长的能力，可以产生多种有益物质如类胡萝卜素、SOD、ALA和辅酶Q10等，还可以降解农药残留、有机废水和PAHs等，因此类球红细菌已被广泛应用于食品、医药、农业和环境等多个领域。类球红细菌也是高效产氢的有效菌种。目前，大多数研究者对类球红细菌的研究主要集中在改善氢气生产、光合作用机制以及生物活性物质如类胡萝卜素、辅酶Q10、SOD和ALA等的制备及功能。随着对类球红细菌的深入研究，其生物活性物质的功能将进一步被挖掘，光发酵产氢机制将进一步解析，其在食品安全领域的应用将不断拓展，具有更广阔的应用前景。

[1] Imam S, Noguera DR, Donohue TJ. Global insights into energetic and metabolic networks inRhodobactersphaeroides[J]. BMC Systems Biology, 2013, 7(89):1-16.

[2] Lee HJ, Park JY, Yoo KS, et al. Activity and characterization of mixed organic compounds extracted fromRhodobactersphaeroidesasalternative materials to serum for mammalian cell growth[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2013, 97:9561-9567.

[3] Kien NB, Kong I, Lee M, et al. Coenzyme Q10 production in a 150-l reactor by a mutant strain ofRhodobactersphaeroides[J].J Ind Microbiol.Biotechnol, 2010, 37:521-529.

[4] Chen DM, Han YB, Gu ZX. Application of statistical methodology to the optimization of fermentative medium for carotenoids production byRhodobactersphaeroides[J]. Process Biochemistry, 2006,41:1773-1778.

[5] 李祖明, 冯斯雯, 季越, 等. 类球红细菌3757产辅酶Q10和SOD的提取与稳定性研究[J]. 食品科技, 2013,38(4):1-6.

[6] Kars G, Ceylan A. Biohydrogen and 5-aminolevulinic acid production from waste barley byRhodobactersphaeroidesO.U.001 in a biorefinery concept[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38:5573-5579.

[7]Laocharoen S, Reungsang A. Isolation, characterization and optimization of photo-hydrogen production conditions by newly isolatedRhodobactersphaeroidesKKU-PS5[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39:10870-10882.

[8] 张龙涛, 沐万孟, 江波, 等. 生物转化生成D-阿洛酮糖的类球红细菌的筛选[J]. 食品与发酵工业, 2008, 38(9): 40-43.

[9] 韩庆莉, 王军民, 韩祯, 等. 类球红细菌对草莓敌敌畏残留的降解效果[J]. 江苏农业科学, 2013, 41(5):286-287, 292.

[10]韩庆莉, 赵志瑞, 周永双, 等. 甘薯淀粉废水培养类球红细菌条件优化[J]. 安徽农学通报, 2012, 18(13): 35-38.

[11]焦海华, 徐圣君, 王凯, 等. 类球红细菌菌肥对多环芳烃污染土壤致癌风险的影响[J]. 中国农学通报, 2014, 30(23):177-183.

[12]赵凯, 于影, 姜丹, 等. 1株类球红细菌及其降解敌敌畏的特性[J]. 环境科学, 2009, 30(4): 1199-1204.

[13]Tian YT, Yue TL, Yuan YH, et al. Improvement of cultivation medium for enhanced production of coenzyme Q10 by photosyntheticRhodospirillumrubrum[J].Biochemical Engineering Journal,2010,51:160-166.

[14]赵建, 李想, 鲁政, 等. 影响超氧化物歧化酶活性测定的因素[J]. 食品科学, 2010, 31(9): 216-218.

[15]李向东. SOD功能苹果生产技术及发展思路[J]. 农业技术与装备, 2014,290:50-53.

[16]李德和, 王君为, 赵越. 响应曲面法优化类球红细菌中番茄红素提取工艺[J]. 食品科学, 2015, 1(6):1-9.

[17]Matsuo T, Suzuki H ,Hashiguchi M, et al. D-Psicose is a rare sugar that provides no energy to growing rats [J]. J Nutr Sci Vitaminol, 2002, 48: 77-80.

[18]Zhang JL, Qiao CL. Novel approaches for remediation of pesticide pollutants[J]. International Journal of Environment Pollution, 2002,18(5): 423-433.

[19]韩庆莉, 赵志瑞, 李元, 等. 类球红细菌对敌敌畏暴露中斑马鱼的保护作用[J]. 应用与环境生物学报, 2010, 16(3): 358-362.

[20]Gu ZX, Chen DM, Han YB, et al. Optimization of carotenoids extraction fromRhodobactersphaeroides[J]. LWT, 2008, 41:1082-1088.

[21]李祖明, 张猛, 张静, 等. 酶溶辅助超声波法提取类球红细菌类胡萝卜素条件优化[J]. 微生物学杂志, 2014, 34(3):19-24.

[22]Wu HS, Tsai JJ. Separation and purification of coenzyme Q10 fromRhodobactersphaeroides[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2013, 44: 872-878.

[23]Jeya M, Moon HJ, Lee JL, et al. Current state of coenzyme Q10 production and its applications[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 85(6):1653-1663.

[24]Mikhin VP, Kharchenko AV, Roslyakova EA, et al. Application of coenzyme Q10 in combination therapy of arterial hypertension[J]. Kardiologiya ,2011,51(6):26-31.

[25]李祖明, 常平, 高丽萍, 等. 酶法辅助超声波法提取类球红细菌辅酶Q10条件优化[J]. 微生物学杂志, 2014, 34(1):47-52.

[26]李祖明, 霍笑靓, 高丽萍, 等. 酶法辅助超声波法提取类球红细菌SOD工艺研究[J]. 沈阳农业大学学报, 2014, 45(1): 47-51.

[27]Kho DH, Yoo SB, Kim JS, et al. Characterization of Cu-and Zn-containing superoxide dismutase ofRhodobactersphaeroides[J]. FEMS Microbiology Letters, 2004, 234: 261-267.

[28]Li F, Xia Y, Meiler J, et al. Characterization and modeling of the oligomeric state and ligand binding behavior of purified translocator protein 18 kDa fromRhodobactersphaeroides[J]. Biochemistry, 2013, 52:5884-5899.

[29]Ray I, Chakraborty T, Roy D, et al. Production, storage and properties of hydrogen as internal combustion engine fuel: a critical review[J]. Int.J. Eng. Technol. Adv. Eng,2013, 3:119-125.

[30]Holladay JD, Hu J, King DL, et al.An overview of hydrogen production technologies [J]. Catal, 2009, 139: 244-260.

[31]Basak N, Jana AK, Das D. Optimization of molecular hydrogen production byRhodobactersphaeroidesO.U.001 in the annular photobioreactor using response surfacemethodology[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39:11889-11901.

[32]Yang HH, Zhang J, Wang XQ, et al. A newly isolatedRhodobactersphaeroidesHY01 with high hydrogen production performance[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39: 10051-10060.

[33]Tangprasittipap A, Prasertsan P. 5-Aminolevulinic acid from photosynthetic bacteria and its applications[J]. Songklanakarin J Sci Technol, 2002, 24(4):717-25.

[34]Tanaka T, Nishikawa N, Watanabe K, et al. Industrial production of 5-aminolevulinic acid by a mutant photosynthetic bacteriaRhodobacterSphaeroidesstrain CR-720 cultured under optimal conditions[J]. Seibutsu-Kogaku, 2010, 88: 455-462.

[35]Chiu KH, Liu WS. Dietary administration of the extract ofRhodobactersphaeroidesWL-APD911 enhances the growth performance and innate immune responses of seawater red tilapia[J]. Aquaculture, 2014, 418(10):32-38.

[36]Wu WT, Liu WS. Anti-inflammatory property of biomaterial carotenoids production byRhodobactersphaeroidesWL-APD911[J]. Adv. Mater. Res, 2011, 287(7): 2028-2031.

[38]Xu SJ, Bai ZH, Jin B, et al. Bioconversion of wastewater from sweet potato starch production toPaenibacilluspolymyxabiofertilizerfor tea plants[J]. Scientific Reports, 2014, 4:1-7.

[39]Liu WS, Kuan YD, Chiu KH, et al. The extract ofRhodobactersphaeroidesinhibits melanogenesis through the MEK/ERK signaling pathway[J]. Mar. Drugs, 2013, 11:1899-1908.

Advances in Application ofRhodobactersphaeroides

CHEN Lin, LI Zu-ming

(Coll.ofArts&Sci.ofBeijingUnionUni.,Beijing100191)

Rhodobactersphaeroidesbelongs to photosynthetic bacteria, it is one of the most intensively studied photosynthetic microorganisms, and has a variety of metabolic ways. Its application fields are very wide. It is not only capable of producing a variety of beneficial substances including carotenoids, coenzyme Q10, superoxide dismutase, 5-aminolevulinic acid, and hydrogen, but also could degrade many poisonous and harmful substances, such as pesticide residues, organic waste water, and polycyclic aromatic hydrocarbons. In this paper,R.sphaeroideswas briefly introduced. The application progress ofR.sphaeroidsin foods, medicine, agriculture, environment, and hydrogen production were summarized. Finally, the wide application outlook ofR.sphaeroidesalso was prospected.

Rhodobactersphaeroides; application; advances

北京市教委面上项目(KM201311417007)

陈琳 男，硕士研究生。研究方向为食品资源贮藏与加工中营养与活性成分稳定性研究。E-mail:443629709@qq.com

* 通讯作者。男，教授，硕士生导师。主要从事食品科学与安全方面的教学与科研工作。E-mail:zmli20130522@163.com

2015-07-04；

2015-08-19

Q939.9

A

1005-7021(2016)03-0105-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.03.020