光养菌对鱼类养殖的影响

光合细菌又称光养细菌，是一种具有光合色素，能在无氧条件下进行光合作用的一类微生物，广泛分布于海洋、江河、湖泊、沼泽、池塘及活性污泥和土壤中，在富含有机质的污水中生物量一般可达105～107cfu／mL。 光 合 细 菌 于1836年 由Ehrenberg发现，1883年被Engellman证实能进行光合作用，1931年由美国微生物学家完成了近代光合细菌的基础研究。1960年日本小林正泰开始光合细菌的培养技术的研究，基本完善了光合细菌规模培养的生产工艺，使光合细菌大规模运用成为现实。20世纪60年代起，在废水处理以及饲料添加剂中的应用，光合细菌逐渐成为科学家研究的热点［1－3］。

1　分类

光合细菌一直是全世界生物学者研究生物产氢、生物光合作用和固氮作用的良好生物模型。光合细菌研究较早，随着研究的深入，很多新的种类不断被发现，使得原有的分类变得较为混乱，因此光合细菌的分类研究也在不断的更新和细化。总的来说，依据1974年的《伯杰鉴定手册》，按照光合作用中是否有氧气产生，将光合细菌分为两类，即分为产氧光合细菌和不产氧光合细菌。其中产氧光合细菌的主要代表为蓝细菌。不产氧光合细菌是一个形态上、生理和系统上多样化的类群例。近年来，不产氧光合细菌资源研究发展迅速，在2007年国际微生物系统与进化学杂志上报道了19个光合细菌的新种，有的还定为新模式种［4－5］，我国近8年报道4个新种［6－9］。不产氧光合细菌主要可以分为7大类群，分别为色杆菌（Chromatiaceae）、外硫红螺 菌 （Ectothiorhodospiraceae）、紫 色 非 硫 细 菌（Purple　nonsulfur　bacteria）、绿色硫细菌（Greensulfur　bacteria）、多细胞丝状绿细菌（Muhicellularfilamentous　green　bacteria）、螺 旋 杆 菌 （Helico－bacteraceae）、含细菌叶绿素的专性好氧菌［10］。

2　培养方法

光合细菌分布广泛，一般可从其分布的水体、淤泥和土壤中富集、分离、纯化得到。培养基成分一般含有C、N、P、Mg、Ca、Na和微量元素［11］。光合细菌通常在厌氧条件下培养，光照度为800～1500lx，温度30 ℃。生产上光合细菌的培养主要有2种方法：三级培养法和工厂化大规模培养。

2．1　三级培养法

三级培养法就是使用3种体积级别的培养容器，分三步来进行光合细菌的扩大培养。一级培养可采用试管或200mL锥形瓶；二级培养时取10％～20％的一级培养物（V／V）加入到500～2000mL的锥形瓶；三级培养时取20％～30％的二级培养物（V／V）加入到25～50kg的塑料桶中扩大培养。

2．2　工厂化大规模培养

工厂化大规模培养即使用工业用有机废水，废渣或农副产品、动物粪便等物质作为培养基，进行大规模的发酵培养。以麦麸作培养基为例，其工艺流程包括麦麸水解、清除固体残渣、水解液中和、光合细菌接种、细菌回收、纯化，最后制成干品［12］。

3　在鱼类养殖上的应用效果

光合细菌在水产养殖上的研究和应用主要集中在改善和稳定养殖水质，防治疾病及利用光合细菌菌体作为饵料原料。光合细菌中种类繁多，生态生理特性各不相同，在水产养殖上发挥的主要功能也有相应的差别和不同的侧重点。

3．1　改善水质，维持养殖水体稳定。

某些光合细菌生理特性独特，其自身的新陈代谢可以降解水中有机物，降低水体硫化氢、氨氮、亚硝酸盐等有害物质含量，降低水体化学需氧量，增加溶解氧量，有效改善养殖水体理化性质，防止水质恶化。紫色非硫细菌可以进行非放氧型光合作用，去除水体中的氨态氮，而红硫细菌和绿硫细菌则可以去除水体H2S。Lu等［13］光合细菌使人工大豆废水中的化学需氧量降低了95．7％，大分子有机物减少了75．4％，而这些大分子物质分解成的小分子物质中有79．8％具有利用价值。Yong等［14］发现一株新的光合细菌对化学需氧量的去除可超过80％。沈锦玉等［15］将光合细菌泼洒到养殖水体中，降低了养殖水体的氨氮、亚硝态氮、化学需氧量，使水体透明度明显增大，大田试验也得到了较好的效果。张鹏等［16］的研究表明，在养殖水体中施用光合细菌能够有效降低水体中的氨氮和有机物含量。吴向华等［17］研究了施加不同质量浓度光合细菌在暗纹东方鲀（Fugu　obscurus）养殖中的效果，试验表明添加光合细菌质量浓度超过50μg／L时能有效地改善养殖水环境，使化学需氧量、生化耗氧量、氨态氮、亚硝态氮浓度下降并保持在正常范围。杨绍斌［18］将由绿硫细菌和红螺细菌组成的复合光合细菌去除H2S，结果发现，当使用量为2％时去除H2S效果最好，其主要作用的是绿硫细菌，红螺细菌起辅助作用。张维柱等［19］研究了光合细菌对斑点叉尾鱼回（Ietalurus　punetaus）鱼苗培育水体水质因子的调控作用，发现施加光合细菌后，pH值保持稳定，溶解氧 含 量 有 所 升 高，比 对 照 组 高 出2 mg／L［19］。Hargreaves［20］利用光合细菌和藻类有效的清除水体中的氨氮、有机物，增加了水体中的溶氧量，显著减少水产养殖中的水体污染。

3．2　促进鱼类生长

光合细菌的营养价值相当高，含有丰富的氨基酸、叶酸、B族维生素等营养物质，可作为一种营养性的饲料添加剂，饲喂养殖水产动物，为养殖鱼类提供生长所需的多种营养物质，调节鱼体肠道菌群，提高消化酶活性，增强鱼类的消化能力，促进鱼类生 长，提 高 饲 料 消 化 率。光 合 细 菌 菌 体 含 有65．45％蛋 白 质，7．18％脂 肪，2．78％粗 纤 维，20．31％可溶性糖，4．28％灰分。光合细菌蛋白水解后富含氨基酸，其中天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、脯氨酸、酪氨酸含量变化为2．5％～12．5％［21］。张梁等［22］用添加光合细菌的饲料喂养草鱼（Ctenopha－ryngoclon　iclels），42 d内 相 对 生 长 率 提 高 了61．7％，饵料系数下降15．0％。俞吉安等［23］研究发现，使 用 光 合 细 菌 后 鱼 的 亩 产 可 提 高15％ ～30％，饵料系数下降20％～23％。王梦亮等［24］观察光合细菌对鲤鱼（Cyprinus　carpio）肠道中5种菌群［气单胞菌（Aeromonas）、大肠杆菌（Escherich－ia　coli）、乳 酸 杆 菌 （Lactobacillus）、双 歧 杆 菌（Bifidobacterium）、拟杆菌（Bacteroids）］及肠道中淀粉酶和蛋白酶活性的影响，发现光合细菌饲料添加剂不仅能增加鲤鱼肠道中的益生菌数量，而且能提高肠道微生态中的种群数量，增强该系统的稳定性和自身调节能力，使肠道中的淀粉酶和蛋白酶活性分别比对照组提高2．68倍和2．94倍。

3．3　提高鱼体免疫能力，防治疾病

疾病频发一直是困扰鱼类养殖者的重要问题。各类疾病严重危害养殖鱼类的健康和生命，经常导致鱼类大规模死亡，产量下降，严重影响经济收益。为预防、治疗疾病，养殖户往往会使用抗生素，滥用抗生素又带来了严重的食品安全问题。因此，开发绿色安全的饲料添加剂来替代抗生素迫在眉睫，而光合细菌正是这样一种有效的替代品。光合细菌分泌的代谢产物，可以有效地在鱼体内发挥作用，增强鱼体免疫和抗氧化能力，提高鱼体抵御疾病的能力。此外，光合细菌还可以直接或间接的作用于治病因子，达到治疗鱼类疾病的效果。使用光合细菌，可以预防鱼、虾疾病，如烂鳃病、烂口病等［25］。杨绍斌等［26］将光合细菌培养液（活菌数超过5．0×106）投入到观赏鱼鱼缸中，发现其对观赏鱼病害特别是烂尾病、水霉病防治效果显著，当使用量分别为3％和4％时可以使患水霉病和烂尾病的病鱼痊愈，用量为1％能有效预防这2种疾病。利用光合细菌可治疗鲤鱼穿孔病、金鱼绵头病、鳗鱼水霉病和赤鳍病及南方黑鲷（Sparus　macrocephalus）擦伤病等。将病鱼放在稀释10倍的光合细菌培养液中浸洗10～15min，再放入投施适量光合细菌的池中饲养，15d后病鱼康复［27］。

3．4　饵料生物和苗种培育

在养鱼生产中，幼鱼培育是饲养时间短、密度高、摄食量和投饵量较多、受外界环境影响较大的阶段。其间，使用光合细菌可以提高鱼苗存活率和鱼苗品质。光合细菌可以被浮游动物所吞食，促进水体中桡足类、轮虫等浮游动物的生长，为幼鱼提供动物性活饵料。光合细菌还可以通过幼鱼的摄食与呼吸进入由于体内，为幼鱼提供丰富的营养物质，促进幼鱼的生长。陈万光等［28］将光合细菌用于草鱼种池塘中，产量明显高于对照组，成活率较对照组高26％。南春华等［29］在鳞鲤鱼苗饲养试验中每日向水族箱内投光合细菌菌液3．3×10－6，日质量增加率提高0．15％，鱼苗成活率提高18％。王育锋等［30］用光合细菌菌液进行鲢鱼（Hypophthal－michthys　molitrix）、鳙鱼（Aristichthys　nobilis）、草鱼、团头鲂（Magalobrame　amblycephala）夏花的池塘育种并育成约11．8cm的大规格鱼种，发现用光合细菌的池浮游动物生物量比较照池高28．2％。

3．5　其他

除了以上功能外，光合细菌还能在水产品的养殖、加工上发挥一些其他的作用。日本成功利用光合细菌处理水产罐头的加工废水，净化废水中的有机物，处理后得到的副产物光合细菌菌体可用作养鱼饵料。徐立蒲等［31］发现，施用光合细菌4周后，可降低或消除团头鲂、草鱼和淡水白鲨（Pangasiussutchi）的土腥味。

4　作用机理

4．1　调节养殖水体水质

4．1．1　去除水体多余有机物和H2S光合细菌体内没有叶绿体和类囊体，而具有双层膜的类似叶绿体的结构，在此结构中有类似于植物叶绿素a的光合色素，即细菌叶绿素，有的还有大量的类胡萝卜素，因此光合细菌可以利用这些色素进行光合作用。不产氧光合细菌的光合作用与绿色植物和藻类的光合作用机制有所不同，一般没有O2产生，有时会产生H2。通过光合作用，光合细菌可以利用水体中的有机物、H2S等合成自身所需营养物质，减少水体中这些物质的效果。（1）去除H2S光合细菌中的一类光能无机自养型有色硫细菌（绿硫菌、红硫细菌）可以利用H2S为供氢体，还原CO2，起到去除H2S的作用。其反应式为：2H2S＋ CO2（CH2O）（菌体）＋ H2O ＋2S（2）去除多余有机物光合细菌中的另一类光能有机异养型的红螺菌科的光合细菌可以利用水体中的有机物为供氢体，还原CO2，去除水体多余有机物，防止水体有机富营养化。其反应式为：2H2A（有机物）＋ CO2（CH2O）（菌体）＋ H2O ＋2A水体中 多 余 有 机 物 减 少、去 除，水 体COD、BOD降低，水体中由多余有机物分解产生的氨氮的含量也将降低。

4．1．2　水体中亚硝酸盐和硝酸盐的去除光合细菌中，有部分种类可以像兼性厌氧细菌一样进行脱氮作用。Taniguchi等［32］报道了深红红螺菌（Rhodospirillum　rubrum）能在好氧及光照厌氧条件下利用硝酸盐。Toshio等［33］分离得到了脱氮光合细菌，鉴定为球形红假单胞菌的一个亚种（Rhodopseudo　monas　sphaeroides　forma　sp．deni－trificans），从此，光合细菌的脱氮作用得到了肯定。这类脱氮光合细菌的脱氮作用主要依靠硝酸盐、亚硝酸盐、一氧化氮、一氧化二氮的还原酶等一系列还原酶，利用H＋来进行还原反应。Akira等［34］分离得到一株红螺菌，其含有硝酸盐还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化二氮还原酶等一系列反硝化酶。光合细菌可以利用苹果酸、琥珀酸、丙酮酸等三羧酸循环的中间产物作为碳源的H＋供体，将NO－3还原为N2，并且不受光的影响［35］。这些脱氮反应酶均为周质空间中的可溶性酶，因而氮氧化物不需进入细胞就可直接在膜的外侧参加脱氮反应，反应速度快，受外界影响较小［36］。

4．2　提高机体抗病能力，防治鱼病

4．2．1　抢夺优势地位，抑制病原菌

光合细菌在养殖水体中能够快速生长繁殖，有效地占优势地位。光合细菌将大分子有机物分解，使病原菌失去碳源和能源而停止生长和繁殖，达到抑制病原微生物生长的效果，并不是杀死病原菌。

4．2．2　提高机体免疫

光合细菌体内含有丰富的维生素、氨基酸、辅酶Q、多糖等营养物质。这些物质中有很多是鱼体内很多酶、激素及生物活性物的激活剂或辅酶。因此，光合细菌可以有效提高鱼体内免疫相关酶的活性。刘慧玲等［37］向罗非鱼（Tilapia　mossambica）鱼苗的养殖水体中投入密度为4．5×104　cfu／mL的光合细菌时，鱼苗体内的组织过氧化物酶、碱性磷酸酶、超氧化物歧化酶、溶菌酶和抗菌活力均显著高于对照组，存活率也提高了6．67％。王有基等［38］报道，光合细菌制剂可以提高鲤鱼白细胞的吞噬活性，增强血清溶菌酶活力。鲤鱼的非特异性免疫功能随着光合细菌制剂密度的增加和泼洒时间的延长呈增强趋势。同时，光合细菌在生长、繁殖时会分泌许多抗病毒因子和酶类，可以有效抑制、消灭水体及鱼体中的致病因子。光合细菌细胞内含有多种有效的自由基清除物质，如细菌色素、卟啉类化合物、超氧岐化酶等，可以猝灭鱼体内超氧阴离子，提高鱼体的抗氧化能力［39］。

5　发展方向

5．1　加强基础研究，选育优质菌种，开发新菌种

光合细菌种类繁多，许多种类的特性还缺乏了解，具体作用机制研究还不够深入。因此，应加强光合细菌的基础理论和作用机制的研究，开展对优质菌株的选育和应用，向工程菌领域发展，加强新菌种的开发。

5．2　寻找复配

不同光合细菌对物质的优先利用顺序不同，所以导致不同种类光合细菌对不同的污染物质的去除效果不同，因此寻求光合细菌的种间复配十分重要。部分光能异养菌不能利用水环境中的大分子有机物（如蛋白质、脂肪、糖），这些物质必须先由一般异养菌（如枯草杆菌、芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌、硫化菌等）分解成小分子有机物（如氨基酸、低级脂肪酸、小分子糖等）后才能被光能异养菌分解利用，因此寻求光合细菌与其他异养益生菌之间的复配势在必行。

5．3　优化使用方法

目前在使用光合细菌时，通常只是单一地添加在饲料中或直接泼洒于水体中，这限制了光合细菌的最大作用，在流水条件下易被水流冲走，静水条件下也易被其他生物所食，难以长期稳定地发挥作用。因此，可以考虑多种方式使用光合细菌。试验表明，加压底施、全池泼洒和饲料添加同时使用的“综合施用”方法效果好于其他单一的使用方法［40］。同时，光合细菌菌体小，自然沉降能力较差，限制了其处理池水下层和池底有机物及转化毒性物质的能力，因此，在使用中应考虑如何提高其沉降性。目前较好的方法为使用固定化光合细菌，即将光合细菌包埋于海藻酸钠与氯化钙或壳聚糖等制成的微胶囊内。这样不仅提高光合细菌的沉降性，还提高了其抗环境因子影响的能力。研究发现，相对于游离态光合细菌，固定化光合细菌可以有效提高其改善养殖水体水质的能力［41－44］。