光合菌及培養

光合菌概論

光合菌（Photosynthetic bacteria，簡稱PSB）是廣泛分布於水田、河
川、海洋和土壤中的一大類細菌，為革蘭氏陰性細菌。在厭氣環境下可利用
光能進行光合作用，以H₂S和有機物作為供氫體，以CO₂或有機物作為碳源
。在不同的環境條件下，也可能有多樣的異營功能（固氮、脫氮、固碳、氧
化硫化物等），在自淨過程中，有著不同的角色。

除了淨化水質外，進一步的研究發現光合菌對魚、蝦、蟹、貝類幼體具有
促進生長，提高存活率的作用。這可能是因為光合菌菌體富含營養物質，
其蛋白質含量超過大豆，維生素B群種類與含量超過酵母，特別是維生素B12
、葉酸和生物素等含量豐富。另外，重要生理活性物質的輔酶Q在光合菌
中含量遠超過其他生物。

光合菌應用在水產養殖上，主要在五個方面上

•   作為水質淨化劑
•   作為飼料添加劑
•   用於水產動物幼體培育
•   作為動物性生物餌料的餌料
•   防治魚病

光合菌生物學

光合菌是地球上最早出現的具有原始光能合成體系的原核生物，光合菌根據
光合作用是否產氧，可分為不產氧光合菌和產氧光合菌；又可根據所利
用碳源的不同，將其分為光能自養和光能異養型，前者是以硫化氫為光合作
用供氫體的紫硫細菌和綠硫細菌，後者是以各種有機物為供氫體和主要碳源
的紫色非硫細菌。目前根據光合菌所具有的光合色素體系和光合作用中是
否能以硫為電子供體將其劃分為4個科：

1. Rhodospirillaceae（紅螺菌科或稱紅色非硫菌科）
2. Chromatiaceae（紅硫菌科）
3. Chlorobiaceae（綠硫菌科）
4. Chloroflexaceae（滑行絲狀綠硫菌科）

綠硫細菌、紅硫細菌（過去叫做紫硫細菌）和紅螺細菌（過去叫做紫色非硫
細菌）等，都是能夠進行光合作用的細菌，大多數都不能夠運動。這些細菌
的菌體內含有類似於葉綠素的光合色素，這種光合色素叫做細菌葉綠素。有
的光合菌還含有大量的類胡蘿蔔素，而使菌體呈現出紅色。

光合菌中，目前生產的主要種類為紅螺菌科的屬、種，如莢膜紅假單胞菌
（Rhodopseudomonas capsulatus）、球形紅假單胞菌（Rps.globiformis）
、沼澤紅假單胞菌（Rps.palustris）、嗜硫紅假單胞菌 （Rps.sulfi-dophila）
、深紅紅螺菌（Rhodospirillum. rubrum）、黃褐紅螺菌（Rhodospirillum.fulvum）等。

培養物顏色

光合菌具有光合色素，包括細菌葉綠素和類胡蘿蔔素等。

紅螺菌科和著色菌科的菌體顏色來自於類胡蘿蔔素較高，掩蓋了細菌葉綠素。
根據體內含有的細菌葉綠素和類胡蘿蔔素的種類和數量不同，因而呈現不同的
顏色。另外，由於培養條件的不同，顏色也有所變化，這是由於氧的存在會抑
制光合菌色素合成。

光合菌的菌種分離和菌種保存技術

菌種的分離，是從它生活的環境中，與混雜的微生物群分離出來。這是獲得優
良菌株最基本且必要的手段。

菌種大量培養

目前應用於有機廢水淨化和水產養殖業上的光合菌，主要是紅螺菌科中稱為
紫色非硫細菌中的一些種類，包括紅螺菌屬（Rhodosirillum）、紅假單胞菌
屬（Rhodopseudomonas）、和紅微菌屬（Rhodomicrobium）在內的三
個屬，共同特徵是具鞭毛有運動性，不產生氣泡，細胞內不積累硫化
物。

採樣：

        光合菌生長條件，主要有水、有機質和厭氧環境。因此，在河底、
海底的泥土及水田、溝渠等經常含有有機物的泥土上，有著呈橙黃色、粉紅
色塊狀沉積物的泥土，都可以採取分離光合菌的樣品。

培養方式：

        目前在水產養殖上應用的光合菌，主要是光合異營型紅螺菌科，其
中以紅假單胞菌屬（Rhodopseudomonas）為主。採用的養殖方法有兩種，
全封閉的厭氣光照培養方式，開放式的微氣光照培養方式。

1. 全封閉式的厭氣光照培養
   採用無色透光的容器，消毒後裝入培養液，接入20~50%的菌種母液，將
   容器中灌滿培養液，加蓋造成厭氣的培養環境。，置於有陽光的地方或用
   人工光源進行培養，達到指數生長期高峰時，可作為菌種器液接種。
2. 開放試微氣光照培養
   可採用100-200L容量的的塑膠桶或500L容量的豐年蝦孵化桶為培養容器
   。在底部裝打氣石，培養時微充氣，使桶內光合菌上下緩緩翻動。在
   桶的正上方約30cm左右加裝人工光源，使液面照度達2000lux。容器消
   毒後裝入培養液，接入20~50%的菌種母液，照明，微充氣培養。

培養基

        對培養光合自營型細菌，一般用無機鹽為基礎培養基，加入適量的碳
酸氫鹽作為二氧化碳的來源，用磷酸調整pH 7.0~8.0，然後加入0.05~0.1%
的Na₂S．9H₂O作為電子供體和供氫體，在光照厭氣環境，20~30℃培養。
培養光合異營型的細菌則需在無機鹽培養基中再加入0.2%酵母膏、0.25%
乙酸鈉、0.02%丙酸鈉和5%NaHCO₃，調整其pH至7.0-8.0，根據環境需求
而定。

培養方法

        光合菌的培養，按次序分為容器、工具的消毒，培養基的製備，接
種和培養管理四個步驟。

（一）容器、工具的消毒，參考微藻培養方法部分。

（二）培養基的製備

1. 淡水種光合菌使用消毒過的淡水製備，生產培養可用消毒的自來水
   （或井水）配製。如果培養海水種光合菌則用天然海水配製培養基，
   在海水中加入磷元素時，不能用K₂HPO₄，應用KH₂PO₄，不然會產生
   大量沉澱。
2. 滅菌和消毒菌種培養用的培養基應連同培養容器用高壓蒸氣滅菌鍋滅菌
   。大型生產性培養則把經沉澱砂濾後的水用漂白液消毒後使用。
3. 培養基配製根據所培養種類的營養需要選擇合適的培養基配方。按培養
   基配方把所需物質稱量，逐一溶解，混合，配成培養基。也可先配成母
   液，使用時按比例加入一定的量即可。

（三）接種培養基配好後，應立即進行接種。光合菌生產性培養的接種量
需求較高，一般為20％～50％，即菌種母液量和新配培養液雖之比為1：4
～1：1，不應低於20％，尤其是微氣培養，接種量更應高些，否則光合菌
在培養液中很難佔絕對優勢，影響最終產量和質量。

（四）培養管理

        光合菌的培養過程中，管理工作包括日常管理操作和測試，生長情
況的觀察、檢查以及出現問題的分析處理等三個方面。

• 日常管理和測試
  1. 攪拌和打氣：光合菌培養過程中必須幫助沉澱的光合菌上浮獲
     得光照，保持菌細胞的良好生長。大型厭氣培養則用機械攪拌或使
     用小型沉水馬達使水緩慢循環，保持菌體懸浮。
     微氣培養是通過打氣幫助菌體上浮，因為打氣會使溶氧含量增加，
     光合菌繁殖受到抑制，所以必須嚴格控制供氣量。一般採用定時
     斷續充氣，充氣量控制在1～1.5L／（L*hr）之間，溶解氧量保持在
     1ppm以下。
  2. 調節光照度：培養光合菌需要連續進行照明。白天可利用日光培
     養，晚上則使用人工光源，或完全利用人工光源培養。一般培養光
     照強度應控制在2000～5000 lx之間。如果光合菌細胞密度高，則
     光照強度應提高到5000～10000 lx。
  3. 調節溫度：光合菌對溫度的適應範圍在23～39℃內，均能正常生
     長繁殖，可不必調整溫度。 常溫下培養也可通過調整，將溫度控制
     在光合菌生長繁殖最適宜的範圍。
  4. 酸鹼度的測定和調整：培養光合菌必須注意酸鹼度的變化。 光合
     細菌大量繁殖時，菌液pH值上升，此時為指數生長期。但當pH 值
     超過生長的適應範圍時，光合菌生長下降。 如果能及時調整，使
     pH值保持在最適範圍，則光合菌能繼續生長繁殖。測定和調整pH
     值，可以讓光合菌保持在指數生長期。一般採用加酸的辦法來降
     低酸鹼值。醋酸、乳酸和鹽酸均可使用，最常用的是醋酸。日常管
     理工作中，必須每天或隔天測定pH值，當pH值上升超出最適範圍，
     即加酸調整。
• 生長情況的觀察和檢查
  光合菌生長情況的好壞是培養成敗的標準。在培養過程中，可以通過
  觀察菌液的顏色及其變化來了解光合菌生長繁殖的大體情況，菌液的
  顏色是否正常，接種後顏色是否由淺變深，均反映光合菌是否正常生
  長繁殖以及繁殖速度的快慢。 必要時可通過顯微鏡檢查，了解情況。
• 問題的分析和處理
  通過日常管理、檢測、檢查，了解光合菌的生長情況，就可以結合當
  時環境條件的變化進行分析，找出影響光合菌生長繁殖的原因，採取
  相應的措施。

        影響光合菌生長的原因很多，內因是菌種是否優良，外因是光照、
溫度、營養、敵害和厭氣程度等。溫度、光照和pH值都能影響著光合菌
的生長，而且溫度、光照和pH值之間是互相制約的，溫度與光照的強弱是
對立統一的，所以光合菌生長的最適條件應是互應的，即溫度高，光照
應弱；溫度低，光照應強。 如果是溫度高，光照強，pH值就會迅速升高，
培養基產生沉澱，抑制光台細菌的生長；如果溫度低，光照弱，光合菌
得不到最佳能源，生長速度也慢。

經試驗得出光合菌生長的最適條件是：

1. 溫度15～20℃時，光照30000～50000 lx，培養基pH值為7.0
2. 溫度25～30℃時，光照為3000～5000 lx，培養基的pH值為7. 0。