海洋微生物在環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)展

王超

（國(guó)家海洋局第一研究所，山東 青島 266061）

海洋中蘊(yùn)藏著巨大的微生物資源，并以其廣闊的應(yīng)用前景，吸引了世界各國(guó)大量財(cái)力和物力的投入。海洋環(huán)境比較特殊，具有高鹽、高壓、低溫、低營(yíng)養(yǎng)或無(wú)光照等特殊生態(tài)環(huán)境，這些特殊環(huán)境導(dǎo)致了海洋微生物種類的多樣性和特殊性[1]，如抗逆性(耐鹽、耐高壓、耐寒等)，生物降解特性(對(duì)石油等有機(jī)污染物及重金屬離子的降解)和其他優(yōu)良的生物特性(殺蟲、殺菌)。研究海洋微生物與環(huán)境之間的關(guān)系，有助于我們深入了解其在整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)中的功能與作用，對(duì)開展海洋生態(tài)環(huán)境研究具有重要意義。

1 海洋微生物

隨著陸地微生物資源的大量開發(fā)和應(yīng)用，陸地微生物資源日益匱乏，人們把研究開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向海洋微生物資源。海洋生態(tài)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)成分的缺乏，迫使海洋微生物的代謝途徑以及方式發(fā)生變化，導(dǎo)致很多海洋微生物的次生代謝產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、生物活性均與陸地微生物有著明顯的不同?，F(xiàn)在我們已經(jīng)用特殊方法篩選出來(lái)一些海洋微生物，然后加以馴化，根據(jù)特性的不同讓其在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮其特有的功能。

2 海洋微生物在環(huán)境中的應(yīng)用

海洋微生物影響著其生存的生態(tài)系統(tǒng)大環(huán)境，同樣的環(huán)境對(duì)海洋微生物也有作用，二者相互依存，相互影響。海洋微生物作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的基本組分，履行著主要分解者的作用，是物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)的關(guān)鍵，推動(dòng)著自然界養(yǎng)分元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，是大自然元素的平衡者。與此同時(shí)，環(huán)境對(duì)海洋微生物也有著不同的作用，例如在污染嚴(yán)重的區(qū)域，大多數(shù)海洋微生物都不能存活，也總有一些海洋微生物能繼續(xù)生長(zhǎng)甚至喜好這種環(huán)境，海洋微生物的這兩種情況也反映了其在環(huán)境中擔(dān)任的角色不同。其實(shí)在生態(tài)環(huán)境中，由于海洋微生物與環(huán)境關(guān)系的不同，微生物能在各個(gè)方面發(fā)揮作用。

2.1 海洋微生物對(duì)病蟲害的生物防治

近年來(lái)，隨著化學(xué)農(nóng)藥的過渡使用，化學(xué)農(nóng)藥的殘留成為環(huán)境的另一殺手，并影響人們的身體健康。為了保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡和人類健康安全，開發(fā)和使用微生物農(nóng)藥成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向[1]。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)蟲害的相關(guān)研究較多，日本東京微生物化學(xué)研究所的Takahashi等[2]分離了200株放線菌，從中篩選得到1株放線菌Streptomycessioyaensis，它所產(chǎn)生的生物堿具有很強(qiáng)的殺螨蟲活性。

廈門大學(xué)的胡志鈺等[3]利用自己建立的快速篩選模型從1240株分離于廈門海洋潮間帶的放線菌的殺線蟲作用進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)有7株放線菌的殺線蟲活性達(dá)到90%以上。Xiong L等[4]從海洋中分離得到331種菌株，研究發(fā)現(xiàn)有40株有潛在的殺蟲活性，并從331株菌株中篩選到海洋鏈霉菌173株，它們的發(fā)酵代謝產(chǎn)物具有殺鹵蟲和棉鈴蟲的活性。

徐守建[5]采用活體昆蟲浸漬法和細(xì)胞毒性測(cè)定法對(duì)海洋微生物發(fā)酵液進(jìn)行了殺蟲活性比較，從294株海洋微生物供試菌株中篩選獲得7株活性較好的菌株。鄧燚杰[6、7]采用鹵蟲生物檢測(cè)法(Brine Shrimp Bioassay)對(duì)59株來(lái)源于深海海泥和繁茂膜海綿的放線菌的發(fā)酵提取物進(jìn)行生物活性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)放線菌S19具有較強(qiáng)的殺鹵蟲活性，進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)S19還具有殺線蟲和殺甜菜夜蛾的生物活性。

這些有價(jià)值的成果，為今后我國(guó)海洋微生物源生物農(nóng)藥的研究發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

2.2 海洋微生物在海洋石油污染生物修復(fù)

海洋生態(tài)環(huán)境中，海洋石油及其附屬產(chǎn)品的污染是目前一種世界性的海洋污染現(xiàn)象。其對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重而且對(duì)人類生命健康影響大，此外石油烴比較難降解。因此，石油污染修復(fù)一直以來(lái)是各國(guó)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

能夠降解石油的微生物分屬于70多個(gè)屬，大約200多種。海洋微生物生長(zhǎng)速度快，可有效去除多種的石油污染物，而且去除成本低，因此利用海洋微生物對(duì)海洋石油污染進(jìn)行生物修復(fù)成為了治理石油污染的趨勢(shì)。

從20世紀(jì)70年代開始，美國(guó)首先開始了利用細(xì)菌消除油污染的研究，隨后世界各國(guó)也相繼利用各種微生物開展了這方面的工作[8，9]。我國(guó)對(duì)于海洋微生物生物修復(fù)的研究發(fā)展的也很快。林鳳翱等[10，11]從近海岸油污染海洋環(huán)境中分離到4株降解石油烴的絲狀真菌，通過研究發(fā)現(xiàn)，該絲狀真菌降解速率高；適應(yīng)油種、油量和油組分的范圍廣；而且降解不受氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽和含氧量的限制。丁明宇等[12]利用從青島近海岸海水中篩選到的73株細(xì)菌和10株真菌進(jìn)行了降解石油的研究，研究結(jié)果表明多數(shù)菌株具有明顯的降解石油的能力，其中真菌F-37的降解率為58.35%，細(xì)菌SJ-27B對(duì)石油的降解率達(dá)到62.75%，真菌F-38的石油降解率高達(dá)71.06%。

另外，史君賢[13]利用氣相色譜測(cè)定了石油烴降解細(xì)菌對(duì)柴油的正烷烴的降解作用，測(cè)定結(jié)果表明石油烴降解細(xì)菌對(duì)正烷烴有降解作用，混合菌株的石油降解率明顯比單菌株的高。陳碧娥等[14]研究了從湄洲灣海域分離得到4株絲狀真菌，研究了其轉(zhuǎn)化石油烴的過程，指出在絲狀真菌去除原油的過程中，存在著生物吸附與生物降解兩種生物轉(zhuǎn)化方式，降解過程中這兩種方式相結(jié)合共同進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。

2.3 海洋微生物對(duì)重金屬的降解作用

許多重金屬是生命活動(dòng)中必需的物質(zhì)，但是當(dāng)它們?cè)诃h(huán)境中的濃度過高就變成了污染物，微生物可以通過固定、移動(dòng)或轉(zhuǎn)化的方式，改變它們?cè)诃h(huán)境中的環(huán)境化學(xué)行為，降低環(huán)境中的重金屬含量，從而達(dá)到生物修復(fù)的目的。

重金屬污染的微生物修復(fù)原理主要包括生物吸附和生物轉(zhuǎn)化這兩個(gè)方面。

真菌和細(xì)菌的生物吸附作用有所不同。真菌對(duì)重金屬的吸附方式主要有2種：一是真菌細(xì)胞壁上的活性基團(tuán)與重金屬離子發(fā)生定量化合反應(yīng) (如離子交換、配位結(jié)合或絡(luò)合等)，達(dá)到吸收的目的；第二種是將重金屬污染物沉積在真菌自身細(xì)胞壁上，這種吸附方式是通過形成無(wú)機(jī)沉淀或物理性吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

細(xì)菌的吸附方式比較多，首先細(xì)菌的細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷，使整個(gè)細(xì)菌表面呈現(xiàn)陰離子特性，可以吸附帶有正電荷的重金屬離子。另外細(xì)菌中某些基團(tuán)的陰離子作用也可以增加重金屬離子的吸附，比如羰基或磷?；然鶊F(tuán)[15，16]。此外，重金屬還能夠被具有特殊活性的分子結(jié)構(gòu)螯合，細(xì)菌細(xì)胞壁中的分子結(jié)構(gòu)具有這種螯合活性。

海洋微生物對(duì)重金屬的生物轉(zhuǎn)化作用。海洋微生物對(duì)重金屬進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化主要作用機(jī)理包括海洋微生物對(duì)重金屬的生物氧化和還原、甲基化與去甲基化，在這些方式的作用下，重金屬毒性發(fā)生改變，從而形成海洋微生物對(duì)重金屬的解毒機(jī)制[17，18]。海洋微生物也可通過改變重金屬的氧化還原狀態(tài)，使重金屬化合價(jià)發(fā)生變化，從而改變重金屬的穩(wěn)定性達(dá)到降低毒性的目的。海洋微生物能夠氧化多種重金屬元素，降低重金屬的活性。比如某些自養(yǎng)細(xì)菌如硫-鐵桿菌類能氧化As、Cu、Mo和Fe等，假單孢桿菌屬能使As、Fe和Mn等發(fā)生生物氧化。另外，通過這種作用使重金屬的價(jià)態(tài)改變后，金屬離子可與一些海洋微生物的分泌物發(fā)生絡(luò)合作用，降低重金屬毒性[19]。

3 海洋微生物的不良影響和危害

海洋微生物在發(fā)揮著好的作用的同時(shí)，也會(huì)有一些不良的影響。例如在海洋微生物對(duì)重金屬降解時(shí)，海洋微生物通過分泌或呼吸作用排放有機(jī)金屬，被排放的金屬化合物可能會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生更大的危害[20]。

再比如氮元素循環(huán)的硝化和反硝化過程中，由于海洋微生物的作用，導(dǎo)致亞硝酸、亞硝胺和硝酸、氮氧化物、羧胺、硫化氫和酸性礦水的形成，造成局部和全球性的環(huán)境污染問題，如環(huán)境的酸化腐蝕、水體的富營(yíng)養(yǎng)化、臭氧層的破壞等[20]。同時(shí)亞硝酸（鹽）、硝酸等會(huì)給人體的呼吸器官產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激和腐蝕作用，亞硝酸進(jìn)入血液后，與血紅蛋白結(jié)合產(chǎn)生中毒反應(yīng)和致癌作用，給人類健康造成極大的危害。

4 展望

海洋微生物在環(huán)境中的應(yīng)用不止于此，有些海洋微生物的代謝產(chǎn)物還可以在植物病防治過程中發(fā)揮作用，有些海洋微生物能夠分泌有抑制藻類的生長(zhǎng)作用的胞外物質(zhì)，可用于赤潮的防治。海洋微生物在農(nóng)業(yè)、環(huán)境污染治理方面的應(yīng)用日趨成熟，海洋微生物資源的優(yōu)勢(shì)暫露頭角。

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，自然環(huán)境的不斷變化，海洋微生物資源的進(jìn)一步開發(fā)和利用將在改善人類生存環(huán)境，提高人們生活質(zhì)量等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

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