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的原核生物，廣泛存在于土壤、湖泊、海洋等自然環境中。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、硫循環過程中發揮著重要作用。

PSB在凈化養殖水、處理高濃度有機廢水、生物制氫方面具有優于其他微生物的優勢。20世紀60年代，日本研究人員發現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。與常規廢水處理方法相比，利用PSB處理廢水的方法有很多優點，如機負荷量高、投資成本低、能耗低、可產生附加產品等。因此，諸多學者及科研人員越來越多的關注 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、生理及分子生物學特征上表現出非常強的異質性，其形態多樣，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，可分為產氧與不產氧兩大類。不產氧PSB根據生理生態特征分為紫細菌、綠細菌、螺旋菌及好氧不產氧 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。

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

2.2 PSB的生理生態特性

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境。不產氧 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生長，亦可進行好氧化能自養生長。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都屬于兼性菌。某些紫色非硫細菌還可以通過發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和好氧化能異養生長。

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儲存硫，能夠將H2S氧化為S單質，進一步氧化為SO42-。因此，PSB在自然界物質循環中起重要作用。

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生高值附加產品，具有環境和經濟的雙重效益。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、農業、水產養殖、食品、化工和制藥等行業的廢水處理過程。

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），直接排放到環境中易導致水體富營養化。PSB物質能量代謝途徑多樣，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），實驗結果驗證了 PSB 在連續處理生活廢水方面的可行性。

食品加工業、畜牧業、水產養殖行業常會產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，根據生產工藝的不同，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微生物生長需求的合適的C/N/P，但大多數異養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%。養殖業常產生大量高氮廢水，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的蛋白質含量。PSB蛋白質含量甚至可以達到90%（一般為30～65%）。高氨為 PSB提供了足夠的蛋白質合成原料，導致功能性蛋白質增加。

還有些研究將PSB與其他微生物或動植物聯用以處理有機廢水，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蝦廢水中去除總磷、總氮、COD、氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽。研究結果表明，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廢水重要污染源之一，其含有大量生物毒性物質，還會導致水體透光率降低從而影響水體生態系統。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構簡單的偶氮染料，較易進入細胞，被優先降解。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，發現PSB選擇優先降解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生的芳香胺，很難被常規的厭氧-好氧染料廢水處理工藝所去除。Wang等利用光生物轉盤研究了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%，該研究結果為染料的徹底處理提供了思路，以避免脫色產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

隨著現代工業發展，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注。有以下優點：（1）PSB能夠在高濃度重金屬的廢水中生長，（2）PSB能夠在營養有限的極端環境中生存。

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，結果證明周質空間和膜分別占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被廣泛應用于環境廢物治理、生態修復、畜牧業、農業、水產養殖、化工和制藥行業。其在廢水處理中具有諸多優勢，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、模型和關鍵參數的深入研究，以便為工業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（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，同時會產生多種高附加值生物質，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、維生素B12、生物柴油和聚-β-羥基丁酸酯。這些高價值產品廣泛用于各種用途。簡單的養殖過程、低成本和高經濟值賦予了PSB 技術無限的潛力，開發從 PSB生物質中獲得增值產品的新方法，發揮其在循環經濟中的潛力，將會是未來的研究熱點。