利用海洋微生物防治赤潮的初探

張 亮，張棟梁，王盡文，任榮珠，張紹萍，孫 濱

（1．山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266061；2．國家海洋局北海預(yù)報中心青島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 青島 266061）

利用海洋微生物防治赤潮的初探

張 亮1，2，張棟梁1，2，王盡文1，2，任榮珠1，2，張紹萍1，2，孫 濱1，2

（1．山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266061；2．國家海洋局北海預(yù)報中心青島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 青島 266061）

受海洋水體富營養(yǎng)化的影響，近海赤潮災(zāi)害頻繁暴發(fā)，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的破壞并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，赤潮同時也影響了人類自身的生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至威脅到人類的身體健康和生命安全。赤潮已經(jīng)成為世界上公認(rèn)的海洋災(zāi)害之一，如何有效防治赤潮，成為亟待解決的重大問題，目前治理赤潮的方法主要是物理法、化學(xué)法和生物法，其中生物法具有更廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛力。文章綜述了生物防治赤潮中微生物防治赤潮的微生物種類，并對微生物防治赤潮的作用方式及機理進(jìn)行了探討。

赤潮；海洋微生物；防治

赤潮是近岸海水中某些浮游藻類、原生物和細(xì)菌等在富營養(yǎng)條件下迅猛增繁或迅速聚集引起水體缺氧和變色的一種有危害的生態(tài)異?，F(xiàn)象［1］。近年來隨著人類活動的增加，海洋污染的加劇，沿海海域的赤潮發(fā)生日益頻繁，發(fā)生區(qū)域擴(kuò)大，危害加劇，對海洋水產(chǎn)和整個海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，赤潮作為一種嚴(yán)重的全球性海洋災(zāi)害，它的頻發(fā)使海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，海洋生物資源遭到破壞，并且某些赤潮生物能產(chǎn)生毒素，使得海洋貝類和魚類中毒死亡，給近海養(yǎng)殖業(yè)帶來嚴(yán)重的危害。另外赤潮毒素能通過魚和貝類傳遞而危害食用者，給海洋環(huán)境和人民生活造成重大危害［1］，可見，赤潮直接或間接地影響了人類自身的生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至威脅到人類的身體健康和生命安全［2］。

根據(jù)國家海洋局公布的《2012年中國海洋災(zāi)害公報》可知，2012年，我國沿海共發(fā)現(xiàn)赤潮73次，12次造成災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失20．15億元，其中，福建省赤潮災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失最大，為20．11億元［3］。赤潮已成為我國乃至全世界一種不可忽視的海洋災(zāi)害，如何減少赤潮帶來的危害，做好防災(zāi)減災(zāi)準(zhǔn)備，意義十分重大，如何有效防治赤潮成為亟待解決的重大問題。本文綜述了國內(nèi)外防治赤潮微生物的種類，并對微生物防治赤潮的作用方式及機理進(jìn)行了探討，為將來利用海洋微生物進(jìn)行赤潮的微生物防治提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 防治赤潮的方法

由于赤潮已經(jīng)成為世界上公認(rèn)的海洋災(zāi)害之一，其造成的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題日益嚴(yán)重，因此尋求有效的赤潮防治途徑勢在必行。目前對赤潮的防治，主要是采用物理方法，如利用黃土［4］、黏土［5］，雖然這種方法有一定的效果，但是黃土和黏土?xí)Φ讞镌斐啥斡绊懀?］；或采用化學(xué)方法，如利用硫酸銅［7］、過氧化氫［8］，雖這種方法可以短時間內(nèi)控制赤潮，但是化學(xué)試劑會對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的威脅［2］。與之相比，采用生物法對環(huán)境無二次污染，是最有發(fā)展前途，也是目前研究最為熱門的一種赤潮治理方法［9］，利用生物，特別是微生物防治赤潮得到了許多研究者的關(guān)注，利用溶赤潮藻或抑赤潮藻微生物來防治赤潮，“以菌治藻”在赤潮治理中具有巨大的潛力與廣闊的應(yīng)用前景。海洋微生物資源豐富，其中還有許多未被研究和發(fā)現(xiàn)，其中必有對赤潮具有防治作用的微生物，這些需要去探索。這種防治赤潮的微生物“來于海洋用于海洋”避免了外來生物入侵，可以實現(xiàn)海洋環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。篩選鑒定防治赤潮的微生物，對其防治特性和效果進(jìn)行初步研究，可為赤潮的微生物治理提供一定的科學(xué)依據(jù)及數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)健康、良性的可持續(xù)發(fā)展。

2 防治赤潮的微生物

目前防治赤潮的微生物主要是指溶藻細(xì)菌，溶藻細(xì)菌（algicidal bacteria）是一類以直接或間接方式抑制藻類生長，或殺死藻類、溶解藻細(xì)胞的細(xì)菌的統(tǒng)稱。目前已經(jīng)有許多溶藻細(xì)菌被分離出來，它們作為一種可能的赤潮終結(jié)者而備受關(guān)注［10］。

有關(guān)溶藻細(xì)菌報道最早的是黏細(xì)菌屬（My xobacter）［11］；假單胞菌屬（Pseudomonas）是研究較多的一種溶藻細(xì)菌［12］；Skerratt等發(fā)現(xiàn)弧菌（Vibrio）也是一種可以殺死赤潮藻的微生物［13］；Sohn等從日本海域和韓國海域分離出具有溶藻效應(yīng)的黃桿菌屬（Flavobacteriumsp．）［14］；對有毒赤潮藻類塔馬亞歷山大藻（Alexandrium tamarense）有明顯不同的抑制作用的鞘氯醇單胞菌屬（Shplngomonas）、巨大芽孢桿菌（Bacillus megateriura）和鹽敏芽孢桿菌（Bacillus halmapalus）也有相關(guān)報道［15］；汪輝等發(fā)現(xiàn)能強烈抑制銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）生長的黃單胞菌（Xanthomonassp．）［16］；另外，具有溶藻作用的還有噬纖維菌（Cytophaga）、屈撓桿菌（Flexibacter）和類桿菌（Bacteroides）［10］等。

這些研究主要集中在細(xì)菌方面，但海洋微生物極其豐富，其中還有很多種類未被研究和發(fā)現(xiàn)，且對赤潮藻有抑制作用的海洋真菌的研究較少［9］，對真菌防治赤潮研究報道只有很少的資料。海洋面積占到地球總面積的71%，是一個巨大的資源寶庫，海洋微生物是海洋中重要的生物資源，這些微生物因生存在海洋高鹽、高壓、低溫、低營養(yǎng)和無光照等極端環(huán)境條件下而具有特殊的生理性狀和遺傳背景，具有許多特殊功能，那么海洋環(huán)境中是否存在能夠防治赤潮的真菌？它們的作用機理如何？在防治赤潮方面是否比細(xì)菌更具有優(yōu)勢？這些都需要我們?nèi)ヌ剿骱脱芯俊?/p>

3 微生物防治赤潮的作用方式及機理

微生物防治赤潮主要指溶藻菌對赤潮藻的抑制作用以及產(chǎn)生生物絮凝劑去除赤潮生物，溶藻菌對赤潮藻的抑制作用方式和可能機理主要有：釋放殺死藻的物質(zhì)、釋放酶類溶解藻、進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi)殺死藻細(xì)胞、微生物與赤潮藻類競爭營養(yǎng)物質(zhì)、形成菌膠膜。

3.1 利用微生物絮凝劑去除赤潮生物

龔良玉等利用一株假單胞菌（Pseudomonassp．）的發(fā)酵液研究了該細(xì)菌產(chǎn)絮凝劑對東海原甲藻和裸甲藻的絮凝去除作用，結(jié)果表明，該微生物絮凝劑可有效絮凝去除實驗所選兩種赤潮生物，并且隨絮凝劑用量的增加以及作用時間的延長，去除效果逐漸增加至最大，然后基本保持恒定，該菌株產(chǎn)絮凝劑的周期短（大約72 h），絮凝活性較好，其培養(yǎng)條件以及所用的原料簡單易得，且微生物絮凝劑本身具有生物可降解性，是一種新型、高效、安全、無二次污染的絮凝劑，展現(xiàn)了其在赤潮治理中具有一定的應(yīng)用前景［17］。

3.2 釋放殺死藻的物質(zhì)

細(xì)菌可以通過釋放特異性或非特異性的胞外物質(zhì)殺死藻細(xì)胞，目前報道的細(xì)菌殺藻物質(zhì)主要有蛋白質(zhì)、多肽類物質(zhì)，如Mitsutani等發(fā)現(xiàn)靜止培養(yǎng)的一株海洋細(xì)菌交替假單胞菌（Pseudoalteromonas）A25可以產(chǎn)生殺死骨條藻的蛋白酶［12］；抗生素類物質(zhì)，如銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）可產(chǎn)生大量的抗生素類物質(zhì)如擴(kuò)散性吩嗪色素物質(zhì)，對藻類的生長都有抑制作用［18］；很多微生物的溶藻和殺藻物質(zhì)還沒有確定，Mitsutani等研究表明，噬胞菌（Cytophagasp．）菌株A5Y的培養(yǎng)物對中肋骨條藻（Skeletonema costatuma）的生長有抑制作用［12］；鄭天凌等從廈門西海域表層海底沉積物分離篩選到三株細(xì)菌，分別為鞘氯醇單胞菌屬（Shplngomonas）的一新種，巨大芽孢桿菌（Bacillus megateriura）和鹽敏芽孢桿菌（Bacillus halmapalus），其培養(yǎng)上清液對有毒赤潮藻類塔馬亞歷山大藻（Alexandrium tamarense）有明顯不同的抑制作用［19］。

3.3 釋放酶類溶解藻類

某些溶藻菌直接與藻細(xì)胞接觸，釋放可溶解纖維素的酶類，如纖維素酶等，進(jìn)而消化藻類細(xì)胞的細(xì)胞壁，逐漸溶解整個藻細(xì)胞，從而殺死藻細(xì)胞。噬胞菌屬（J18．M01）和腐生螺旋體屬（SS98．5）能夠特異性地與橫裂甲藻和硅藻接觸溶解藻細(xì)胞［20］。日本學(xué)者從Kagoshima海灣分離到一株海洋細(xì)菌（Saprospira sp．）菌株SS98-5能殺死和溶解硅藻（Chaetoceros ceratosporum），這種絲狀的細(xì)胞能捕獲藻細(xì)胞，形成細(xì)胞團(tuán)聚體，并溶解藻細(xì)胞［21］。

3.4 進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi)殺死藻細(xì)胞

這種溶藻方式極其少見，有研究者從銅綠微囊藻中分離出一種類似蛭弧菌的細(xì)菌，這種細(xì)菌能夠進(jìn)入銅綠微囊藻的細(xì)胞并使藻細(xì)胞溶解，它首先分泌一種可溶解粘膚層的外毒素，消化掉宿主細(xì)胞壁的某些特定部位，隨后細(xì)菌的纖維多糖蛋白質(zhì)復(fù)合體向外延伸，形成一種功能類似“橋”的結(jié)構(gòu)，把細(xì)菌黏合到被消化掉的細(xì)胞壁部位上，細(xì)菌再經(jīng)由這種“橋”結(jié)構(gòu)進(jìn)入到宿主細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而使宿主細(xì)胞的周質(zhì)空間膨脹，質(zhì)膜增厚，原生質(zhì)收縮，細(xì)胞結(jié)構(gòu)崩潰，質(zhì)膜變薄斷裂。溶解細(xì)胞的原生質(zhì)中只剩下偽空泡，但不久也破裂，有的收縮為薄膜狀物質(zhì)，最后僅殘存破碎的細(xì)胞壁，偽空泡及質(zhì)膜碎片。宿主被溶解的過程中，細(xì)菌立刻以多價裂殖方式在其周質(zhì)空間繁殖大量的后代細(xì)菌，釋放出來迅速感染其他健康細(xì)胞。其侵染過程與噬菌體感染細(xì)菌在某種程度上有相似之處［22］。

3.5 微生物與赤潮藻類競爭營養(yǎng)物質(zhì)

已有不少研究表明，細(xì)菌對維持藻類生物量的平衡有著非常重要的作用，它能與藻競爭營養(yǎng)物質(zhì)［23］。有些細(xì)菌通過與赤潮藻類競爭C、N、P、K等物質(zhì)，從而達(dá)到抑制赤潮藻類生長，乃至死亡的目的。有報導(dǎo)在養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)投入光合細(xì)菌進(jìn)行繁殖，消耗水中營養(yǎng)鹽，可控制富營養(yǎng)化和赤潮的發(fā)生［24］，如芽孢桿菌的生長需要氮磷等物質(zhì)的營養(yǎng)支持，從而會使水體中的氮磷含量下降，進(jìn)而使水體無法滿足微囊藻的生長需要。另外部分真菌和放線菌也會同藻類搶奪有限的營養(yǎng)物質(zhì)，抑制藻類的生長［25］。

3.6 形成菌膠膜

腐敗菌、亞硝酸菌、大腸桿菌、枯草桿菌等大量出現(xiàn)時，可在靜止的水面集結(jié)形成菌膠膜，有礙氣體交換和光線的透射，導(dǎo)致水環(huán)境惡化，致使藻類死亡。

4 防治赤潮藻效果評價

研究防治赤潮的微生物，那么如何對防治效果進(jìn)行評價呢，對于防治赤潮藻效果的評價，目前主要的參考指標(biāo)有：固體培養(yǎng)溶藻試驗中檢測溶藻斑的大小，液體溶藻試驗中檢測藻類數(shù)目和藻細(xì)胞形態(tài)的改變、葉綠素含量的變化以及加菌前后藻種丙二醛含量的變化等［26］。

5 結(jié)束語

從海洋環(huán)境中分離出對赤潮藻類有特殊抑制作用或能夠溶解、殺死赤潮藻的微生物，特別是海洋真菌，并通過形態(tài)、生理生化實驗和分子生物學(xué)分析對其進(jìn)行鑒定，一方面可以豐富海洋環(huán)境中殺藻或抑藻微生物的種類，為將來防治赤潮的微生物儲備寶貴的菌種資源；另一方面對微生物溶藻特性的研究為研究微生物防除赤潮災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，為其應(yīng)用到實踐當(dāng)中提供有力的理論依據(jù)。利用海洋微生物防治赤潮，可使海洋環(huán)境保持生態(tài)平衡，具有很高的潛在利用價值，但在以菌治藻的工程實施之前還需要大量的研究工作。

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