光合细菌的特性及其在废水处理中的应用进展

李 冰

（邢台学院生物科学与工程学院，河北 邢台 054001）

1.光合细菌概述

光合细菌（Photosynthetic Bacteria，PSB）是地球上最早具有原始光能合成系统的原核生物，广泛存在于土壤、湖泊、海洋等自然环境中。PSB以光为能量，以天然有机物、硫化物、氨等作为光合作用的氢供体和碳源。它们具有固氮、固碳、降解亚硝酸盐、脱氢、硫化物氧化等多种生理生化功能，因此在自然界碳、氮、硫循环过程中发挥着重要作用。

PSB在净化养殖水、处理高浓度有机废水、生物制氢方面具有优于其他微生物的优势。20世纪60年代，日本研究人员发现PSB在高浓度有机废水的自净过程中起主要作用后，将其应用于高浓度有机废水的处理。与常规废水处理方法相比，利用PSB处理废水的方法有很多优点，如机负荷量高、投资成本低、能耗低、可产生附加产品等。因此，诸多学者及科研人员越来越多的关注 PSB在废水处理中的应用。

2.光合细菌的特性

PSB除了可进行光合作用这一共性外，其在形态、生理及分子生物学特征上表现出非常强的异质性，其形态多样，有球形、半圆形、螺旋状、杆状、柠檬状等。

2.1 光合细菌的分类

PSB类群众多，可分为产氧与不产氧两大类。不产氧PSB根据生理生态特征分为紫细菌、绿细菌、螺旋菌及好氧不产氧 PSB。紫细菌又分为紫硫细菌和紫非硫细菌，绿细菌可分为绿硫细菌和绿非硫细菌。

这些不产氧光养细菌含有多种类型的细菌叶绿素和多种类胡萝卜素，因此其培养物呈现出不同的颜色，包括绿色、黄色、棕色、红色、粉红色、紫色等。此外，它们的光合膜系统也存在差异。紫细菌的光合膜系统为菌褶、微管或与质膜连续的小泡，绿细菌的光合膜与质膜附着但不连续，而螺旋杆菌其光合色素位于质膜上，缺乏内膜系统。

2.2 PSB的生理生态特性

PSB含有细菌叶绿素，有7种不同类型。虽然细菌叶绿素和叶绿素非常相似，但其能够吸收更长波长的光，使得光合细菌更能适应水中生存环境。不产氧 PSB不同于藻类和绿色植物，他们在光合作用中不以水作为氢供体，而以硫化物、分子氢或有机物作为氢供体还原二氧化碳。因此，在光合作用中不发生水的裂解，不释放氧气，且大部分在厌氧条件下进行。

PSB的生理型多样，有些为厌氧光能自养型，如紫硫细菌和绿硫细菌。有些是兼性菌，既能进行厌氧光能异养生长，亦可进行好氧化能自养生长。在光照厌氧条件下，以光为能源，以二氧化碳及简单的有机物为碳源；在黑暗好氧条件下，以有机物为能源，二氧化碳为碳源。紫非硫细菌中的多数都属于兼性菌。某些紫色非硫细菌还可以通过发酵或厌氧呼吸在黑暗缺氧条件下生长如深红红螺菌（Rhodospirillum（Rsp.） rubrum）和荚膜红细菌（Rba.capsulatus）。绿非硫菌中的绿屈挠菌属（Chloroflexus）可进行厌氧光能异养和好氧化能异养生长。

PSB可利用光能将二氧化碳同化，而且能固氮，其中紫硫和绿硫细菌需要H2S或其他无机硫化物作为电子供体在体内储存硫，能够将H2S氧化为S单质，进一步氧化为SO42-。因此，PSB在自然界物质循环中起重要作用。

由于紫非硫菌生理代谢途径的多样性，因此在废水处理中应用最广泛。其中以红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）应用最广。与非硫细菌相比，硫细菌具有更好的硫氧化能力，它们生存所需的硫浓度会对其他微生物有高度抑制作用，因此对含硫废水具有较强的适应性，可以用于含高浓度硫化合物的废水处理。

3.光合细菌在废水处理中的应用

PSB在废水处理中主要有以下优点：（1）机负荷量高；（2）可用于多种不同类型废水的处理，适应性广；（3）在污水处理同时可产生高值附加产品，具有环境和经济的双重效益。随着人们对PSB的研究越来越深入，PSB已被广泛应用于畜牧业、农业、水产养殖、食品、化工和制药等行业的废水处理过程。

3.1 光合细菌在有机废水处理中的应用

有机废水通常有较高的化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD），直接排放到环境中易导致水体富营养化。PSB物质能量代谢途径多样，这是其能够高效净化有机废水的原因。

生活污水最易处理，Hülsen 等在光厌氧封闭反应器中用PSB降解生活污水中的有机物时，可同时对污水进行脱氮、除磷。这个过程可以连续处理生活污水达到排放 限 值（COD＜50 mg·L-1，N＜ 5 mg·L-1，，P＜1.0 mg·L-1），实验结果验证了 PSB 在连续处理生活废水方面的可行性。

食品加工业、畜牧业、水产养殖行业常会产生大量高浓度有机废水，有些废水的C/N比偏离适合适的生物降解范围，不利于微生物的生长。有些尽管C/N合适，但有机物浓度过高往往导致处理效果不佳。以大豆废水为例，根据生产工艺的不同，大豆废水的COD和BOD分别在8000～20000 mg·L-1和 5000～8000 mg·L-1。尽管具有高生物降解性及符合大多数微生物生长需求的合适的C/N/P，但大多数异养细菌和微藻在处理这类高浓度有机废水时，效率仍较低。因此，需要在处理前对废水进行稀释。但PSB的处理效果要好的多，多项研究表明，PSB可以耐受高浓度的大豆废水，直接投加可以达到更高的降解效率。在适宜条件控制下，最高COD去除率甚至达到96.2%。养殖业常产生大量高氮废水，与大豆废水或啤酒废水相比，这些废水中产生的氨浓度较高。高浓度的氮会严重影响 C/N 比，使其偏低。目前的研究证明，将PSB应用于NH3-N浓度高、C/N比低的难降解废水不仅可行，而且可以增加生物量和PSB的蛋白质含量。PSB蛋白质含量甚至可以达到90%（一般为30～65%）。高氨为 PSB提供了足够的蛋白质合成原料，导致功能性蛋白质增加。

还有些研究将PSB与其他微生物或动植物联用以处理有机废水，Mujtaba等使用悬浮的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida） 和 固 定 化 的 小 球 藻（Chlorella vulgaris）共培养获得了高效的氮、磷和 COD 去除效果。Luo等使用沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）和番薯、鸦胆子、莴苣和白菜进行组合从养虾废水中去除总磷、总氮、COD、氨、硝酸盐和亚硝酸盐。研究结果表明，所有污染物的去除率都随着PSB浓度的增加而增加。他们还报道了浓度为4.0× 106CFU·mL-1的沼泽红假单胞菌、密度为1kg·m-2的番薯和密度为0.75 kg·m-3的鲢鱼的组合，能够很好地去除养虾场废水中的总磷、总氮、COD、氨、硝酸盐和亚硝酸盐。

3.2 光合细菌在染料废水处理中的应用

染料废水是我国工业废水重要污染源之一，其含有大量生物毒性物质，还会导致水体透光率降低从而影响水体生态系统。偶氮染料是纺织品印染工艺中应用最广的一类合成染料，在染料废水中占比较大。在特殊条件下，偶氮化合物能分解产生多种致癌芳香胺，其具有毒性大、生物降解性低的特点。

能参与偶氮染料降解的微生物必须有两个方面的特性：一是体内有偶氮还原酶，二是厌氧代谢，因为只有在无O2条件下，偶氮染料才能在微生物呼吸中起到末端电子受体的作用。PSB这两点都具备。研究表明分子量较小或分子结构简单的偶氮染料，较易进入细胞，被优先降解。Wang等用沼泽红假单胞菌处理酸性红1（AR1）和活性黑5（RB5）的混合偶氮染料时，发现PSB选择优先降解RB5，随后再降解AR1。AR1的脱色率在加入RB5后从62.9%提高到91.0%，这是由于偶氮化合物的代谢产物能促进其降解。

一般认为，细菌在厌氧条件下无法使偶氮化合物完全降解，因为裂解产生的芳香胺需在加氧酶的作用下才能彻底降解。因此，脱色后还需额外的好氧处理，才使染料完全矿化。而PSB可以在连续光厌氧反应器中使偶氮化合物彻底降解。1-2-7-三氨基-8-羟基-3-6-萘二磺酸（TAHNDS）作为偶氮染料的脱色过程中产生的芳香胺，很难被常规的厌氧-好氧染料废水处理工艺所去除。Wang等利用光生物转盘研究了PSB对偶氮废水的降解，在光照12h·d-1和水力停留时间（HRT）15h的条件下，TAHNDS的去除效率高达99%，该研究结果为染料的彻底处理提供了思路，以避免脱色产生的芳香胺的诱变和致癌危害。

3.3 光合细菌在重金属废水处理中的应用

随着现代工业发展，大量的重金属废水被排入水体中，各种重金属如砷、铬、汞、铅、铜、镍具有很强的生物毒性。这些重金属在自然环境中不可降解的，并且有生物累积的趋势，因此，必须在废水排放前去除其中的重金属。传统的方法如化学沉淀、电化学法在处理重金属废水的同时，会造成二次污染，膜分离法及离子交换等处理方法成本较高，近年来 PSB处理重金属废水得到了广泛关注。有以下优点：（1）PSB能够在高浓度重金属的废水中生长，（2）PSB能够在营养有限的极端环境中生存。

PSB是革兰氏阴性菌，细胞表面带负电的配体基团可以与大部分带正电的金属紧密结合，这是其用于重金属废水处理的基础。PSB分泌的胞外聚合物（EPS）具有很强的生物吸附能力，可以达到90%以上的吸附效果，增强了PSB对废水中游离重金属离子的吸附能力。生物累积、生物沉淀也是PSB去除水环境中重金属的主要机制。Gao等研究了沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）在废水中悬浮45 h后Co2+的分布，结果证明周质空间和膜分别占Co2+吸收的 57.37%和27.95%。Bai等的研究表明，生长在Cd2+溶液中的类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）通过生物吸附去除了约14%的Cd2+，大多数Cd2+通过生物沉淀在细胞壁上形成致密的CdS 沉淀。Feng等筛选出对Au（III）具有较强吸附能力的PSB，荚膜红杆菌（Rhodobacter capsulatus）。在对数期，活细胞对四氯金酸（HAuCl4）的最大摄取量超过92.43mg·g-1。Deng和Jia应用重组沼泽红假单胞菌去除废水中的汞。结果表明，重组菌株对Hg2+的去除能力比野生型提高3倍。

4.问题及展望

PSB被广泛应用于环境废物治理、生态修复、畜牧业、农业、水产养殖、化工和制药行业。其在废水处理中具有诸多优势，但同时也面临一些问题：（1）废水成分复杂，使用单一菌种进行处理，难以达到排放要求；（2）污水处理后，菌体沉降困难，通过离心和絮凝剂回收无疑会增加处理成本；（3）目前的研究主要集中在 PSB处理废水的可行性及影响因素研究上，关于模型和机制的研究较少；（4）目前研究主要集中在PSB对无毒废水的生物转化，对一些有害污染物的降解可行性虽得以证明，但仅限于实验室或小型中试规模。针对以上存在的问题今后的研究可集中在以下几点：（1）对PSB废水处理的机理、模型和关键参数的深入研究，以便为工业化应用提供更好的指导；（2）加强PSB废水处理过程和下游处理技术（包括分离、提取和净化）的研究；（3）筛选能够在更广泛和更极端条件下生长的有效菌株；（4）同时将PSB与其他生物联用进行废水处理，以提高废水处理效果。

此外，在废水处理过程中，PSB菌体大量繁殖，同时会产生多种高附加值生物质，例如用于治疗癌症的氨基乙酰丙酸，清洁能源H2，类胡萝卜素、维生素、蛋白质、维生素B12、生物柴油和聚-β-羟基丁酸酯。这些高价值产品广泛用于各种用途。简单的养殖过程、低成本和高经济值赋予了PSB 技术无限的潜力，开发从 PSB生物质中获得增值产品的新方法，发挥其在循环经济中的潜力，将会是未来的研究热点。