利用溶藻菌控制危害性藍(lán)藻的研究進(jìn)展

杜青波　崔昊　蒲紅宇

摘要 危害性藍(lán)藻的治理一直是水域生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容。近年來(lái)，溶藻菌作為一種控藻微生物受到了廣泛的關(guān)注，其控藻作用的機(jī)理與研究應(yīng)用取得了豐富的成果。本文系統(tǒng)綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于溶藻菌種類(lèi)、特性、作用機(jī)理等方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了利用溶藻菌進(jìn)行危害性藍(lán)藻生物控制的最新研究應(yīng)用成果，對(duì)未來(lái)溶藻菌研究的方向與前景進(jìn)行了分析展望。

關(guān)鍵詞 溶藻菌；功能；危害性藍(lán)藻；生物控制

中圖分類(lèi)號(hào) X172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）04-0168-02

Abstract The control of harmful cyanobacteria in environment has always been an important part of the study of aquatic ecology. In recent years，algicidal bacteria，as the cyanobacteria controlled microorganism，has received widely concerned in the world. Its mechanism and application had achieved great results.The domestic and international researches about the species，characteristics and mechanism of algicidal bacteria were systematically reviewed in this paper. The latest research results on controlling cyanobacteria bloom by algicidal bacteria and research prospect on algicidal bacteria were also expounded in this paper.

Key words algicidal bacteria；function；harmful cyanobacteria；biological control

1 溶藻菌及其主要功能

1.1 溶藻菌的定義

溶藻菌（algicidal bacteria）是指可以通過(guò)直接或間接方式抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)、溶解殺死藻細(xì)胞的一類(lèi)細(xì)菌。早在1942年，Gietler就發(fā)現(xiàn)一種粘細(xì)菌（Myxobacteria），可以寄生在剛毛藻（Cladophora）上導(dǎo)致剛毛藻細(xì)胞裂解死亡。此后類(lèi)似的報(bào)道不斷出現(xiàn)，溶藻菌逐漸為人們所了解。20世紀(jì)末，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)水華或赤潮的突然消亡與水環(huán)境中細(xì)菌數(shù)量有極大的相關(guān)性，在藻華生長(zhǎng)與消亡過(guò)程中，環(huán)境中細(xì)菌豐度有顯著的變動(dòng)，說(shuō)明藻華消亡確與某些功能細(xì)菌有著密切的關(guān)系[1-3]。近年來(lái)，隨著對(duì)溶藻菌應(yīng)用研究的開(kāi)展，細(xì)菌控藻逐漸成為防治水域環(huán)境中藻類(lèi)危害的重要途徑[4]。

1.2 溶藻菌的主要功能

溶藻菌的主要功能表現(xiàn)在對(duì)水域環(huán)境中藻類(lèi)生物的抑制與殺滅。與通常采用的化學(xué)藥物抑藻技術(shù)比較，溶藻菌技術(shù)具有安全、無(wú)藥殘等諸多優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)境藻類(lèi)污染控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。通常一種溶藻菌可能同時(shí)具有多種抑藻作用。關(guān)于溶藻菌抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的作用機(jī)理，可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：①與藻類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制藻體生長(zhǎng)；②接觸藻體，破壞藻體結(jié)構(gòu)；③大量增殖形成菌膠膜，惡化藻類(lèi)生長(zhǎng)環(huán)境；④向水環(huán)境中釋放抑藻物質(zhì)，抑制藻類(lèi)正常生理活動(dòng)；⑤細(xì)菌進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi)，殺死藻細(xì)胞。

2 利用溶藻菌控制危害性藍(lán)藻的研究

藍(lán)藻為原核生物，可快速增殖形成藻類(lèi)聚集體，外表面裹有膠質(zhì)膜，因其獨(dú)特的生理生態(tài)特征和生態(tài)策略，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，種群數(shù)量容易在水域環(huán)境中出現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)并形成危害性藻華，及時(shí)抑制和殺滅危害性藍(lán)藻可以預(yù)防藻華出現(xiàn)。水域環(huán)境的危害性藍(lán)藻主要包括微囊藻屬（Microcystis）、魚(yú)腥藻屬（Anabaena sp.）、束絲屬（Aphanizom-enon）、顫藻屬（Oscillatoria）等種類(lèi)[5]，其中微囊藻屬是最為普遍的危害性藍(lán)藻，對(duì)其相關(guān)的研究也較多。

2.1 直接作用抑藻

利用溶藻菌直接吸附于藍(lán)藻細(xì)胞，入侵并寄生到藻細(xì)胞內(nèi)，最終導(dǎo)致藍(lán)藻細(xì)胞破壞死亡。孔赟[6]發(fā)現(xiàn)溶藻菌Streptomyces sp.HJC-D1分泌溶藻活性物質(zhì)液使銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）細(xì)胞壁受到大幅破壞，細(xì)胞膜通透性增大，胞內(nèi)K+和Ca2+離子外滲；抗氧化酶SOD、POD和CAT活力增加，活性氧ROS水平顯著提升導(dǎo)致藻細(xì)胞氧化損傷、細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化，從而破壞細(xì)胞質(zhì)膜，導(dǎo)致藻細(xì)胞破裂，藻細(xì)胞類(lèi)囊體等細(xì)胞器釋放，同時(shí)抑制光合作用電子傳遞過(guò)程，最終引起藻細(xì)胞衰亡。史順玉等[7]發(fā)現(xiàn)從滇池分離的溶藻菌DC23的原培養(yǎng)液對(duì)于微囊藻具有很強(qiáng)的溶解作用，顯微鏡下觀察到藻細(xì)胞的凝聚現(xiàn)象，凝聚處細(xì)菌菌體附在藻細(xì)胞上，而該藻細(xì)胞周?chē)霈F(xiàn)若干細(xì)胞碎片，推測(cè)是由于細(xì)菌直接侵入藻細(xì)胞，導(dǎo)致藻細(xì)胞發(fā)生破碎。溶藻菌DC23的菌體>0.2 μm，用0.2 μm的針頭過(guò)濾器過(guò)濾菌液后，在平板上測(cè)試無(wú)活菌生長(zhǎng)。利用過(guò)濾菌液重復(fù)溶藻試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)溶藻現(xiàn)象，進(jìn)一步支持了該細(xì)菌是通過(guò)與宿主直接接觸的方式來(lái)完成溶藻的推斷；Imai等[8]研究發(fā)現(xiàn)2株交替單胞菌能夠?qū)δ承┿~綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）進(jìn)行直接溶藻，觀察可見(jiàn)，當(dāng)細(xì)菌吸附到宿主藻細(xì)胞后，藻細(xì)胞會(huì)明確出現(xiàn)溶解現(xiàn)象。楊麗麗等[9]利用光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察了受到蠟狀芽孢桿菌L7侵蝕的魚(yú)腥藻細(xì)胞形態(tài)，魚(yú)腥藻首先出現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)空化、細(xì)胞基質(zhì)外泄、類(lèi)囊體結(jié)構(gòu)消失，然后是核物質(zhì)潰散，最終細(xì)胞收縮變形直至消亡。

2.2 間接作用抑藻

利用溶藻菌分泌釋放胞外物質(zhì)或者通過(guò)細(xì)菌與藻類(lèi)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)而達(dá)到抑藻目的。趙傳鵬等[10]分離出1株溶藻細(xì)菌，用0.22 μm纖維濾膜對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)液過(guò)濾后，分別按照菌藻體積比為10%、20%和30%進(jìn)行細(xì)菌-銅綠微囊藻（Micro-cystis aeruginosa）混合培養(yǎng)，測(cè)定其溶藻作用。3個(gè)試驗(yàn)組的藍(lán)藻細(xì)胞濃度均呈明顯下降趨勢(shì)，不同的細(xì)菌濾液體積分?jǐn)?shù)對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)有不同的抑制效果，當(dāng)細(xì)菌比例為10%和20%時(shí)，藍(lán)藻細(xì)胞數(shù)量在最初的24 h內(nèi)下降較為明顯，隨后的時(shí)間內(nèi)下降速度漸漸變慢；當(dāng)其為30%時(shí)，24 h時(shí)已檢測(cè)不出藍(lán)藻細(xì)胞。由此推測(cè)，該菌株能夠通過(guò)分泌某種細(xì)胞外物質(zhì)進(jìn)行間接溶藻；晉 利等[11]從富營(yíng)養(yǎng)化池塘中分離得到1株具有溶藻作用的菌株J1并研究了其對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果。試驗(yàn)將初始濃度為6×10-7 cfu/mL的菌液加入銅綠微囊藻液，共培養(yǎng)第9天后，銅綠微囊藻的去除率達(dá)87%以上，證明了溶藻菌J1通過(guò)分泌溶藻物質(zhì)抑制了銅綠微囊藻的生長(zhǎng)。根據(jù)生理生化及16S rDNA序列分析鑒定，菌株J1屬于芽胞桿菌屬（Bacillus）；劉 晶等[12]利用同樣方法篩選分離出2株溶藻細(xì)菌L7和L18并對(duì)其去除銅綠微囊藻、水華魚(yú)腥藻（Anabaena flosaquae）的效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明：衰減期的細(xì)菌濾液溶藻效果好于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期菌液，說(shuō)明不同生長(zhǎng)時(shí)期細(xì)菌分泌的胞外物質(zhì)進(jìn)行溶藻的效果存在差異，這是因?yàn)殡S著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，菌株分泌的胞外物質(zhì)增多，溶藻效果越明顯。試驗(yàn)鑒定菌株L7為蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus），菌株L18為短小芽孢桿菌（Bacillus pumilus）。Oshikawa等[13]利用甲醇提取的2 594株細(xì)菌菌株與顫藻共培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)了37種殺藻分泌物，從殺藻活性最高的菌株C-979中純化和鑒定出來(lái)殺藻物為β-氰基-L-丙氨酸。Imamura等[14]發(fā)現(xiàn)1株鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas sp.）能夠分泌一種五肽類(lèi)物質(zhì)argimicin A，這種五肽物質(zhì)添加量為12 μg/L和100 μg/L時(shí)對(duì)綠色微囊藻（Microcystis viridis）和銅綠微囊藻（M.aeruginosa）具有強(qiáng)烈的抑制作用，后經(jīng)純化后鑒定分子式為C32H62N12O8。田川[15]發(fā)現(xiàn)微小桿菌A27能夠分泌至少3種胞外活性物質(zhì)抑制銅綠微囊藻，通過(guò)質(zhì)譜、核磁共振和紅外光譜等檢測(cè)結(jié)果證明包括其中一種分子量為1188.5Da的化合物和胸腺嘧啶。

2.3 協(xié)同作用抑藻

有些溶藻菌同時(shí)具有直接和間接的作用，這種抑藻方式可以稱(chēng)為協(xié)同抑藻。裴海燕等[16]對(duì)分離的溶藻細(xì)菌P15進(jìn)行溶藻特性解析試驗(yàn)表明，添加經(jīng)過(guò)熱處理滅菌的P15菌液以及未經(jīng)任何處理的P15菌液對(duì)銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）、柵藻（Scenedesmus）、小球藻（Chlorella）3種藻類(lèi)均有明顯的溶解作用。試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，直接添加P15菌液時(shí)產(chǎn)生了藻細(xì)胞的凝聚現(xiàn)象，而添加經(jīng)處理的P15菌液則沒(méi)有出現(xiàn)此現(xiàn)象，分析藻細(xì)胞的凝聚可能是由于P15直接接觸藻細(xì)胞所致。研究結(jié)果說(shuō)明，P15可以同時(shí)通過(guò)分泌胞外物質(zhì)和接觸藻細(xì)胞實(shí)現(xiàn)抑制藻類(lèi)的效果，即同時(shí)具有直接和間接抑藻功能；盧蘭蘭等[17]從滇池藍(lán)藻水華集聚區(qū)分離獲得1株短小芽孢桿菌DC-L5，發(fā)現(xiàn)沉淀菌體和無(wú)菌上清液對(duì)銅綠微囊藻都有顯著的溶藻效果，但效果不及原菌液明顯，推測(cè)DC-L5可能是通過(guò)直接接觸藻細(xì)胞使其凝聚下沉并降解，同時(shí)釋放抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)的菌株分泌物。王善龍[18]在對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘連續(xù)施用濃度為6×103 CFU/mL溶藻細(xì)菌CZBC1，結(jié)果有效抑制了微囊藻水華爆發(fā)。

3 溶藻菌研究發(fā)展趨勢(shì)

（1）對(duì)溶藻活性物質(zhì)進(jìn)行分離、純化、鑒定及理化特性等方面的詳細(xì)分析，從分子水平明確溶藻菌活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能特性，探明其作用機(jī)理。

（2）針對(duì)引起藻類(lèi)抑制和死亡的環(huán)境微生物進(jìn)行系統(tǒng)的菌株篩選與分離，尋求具有顯著專(zhuān)性抑藻功能的菌株并進(jìn)行培養(yǎng)和應(yīng)用。

（3）高效復(fù)合溶藻菌群的組合篩選與應(yīng)用。在對(duì)單一菌株作用機(jī)制尚不明確時(shí)，篩選應(yīng)用組合型溶藻菌對(duì)于控制藻類(lèi)數(shù)量具有更明顯的應(yīng)用價(jià)值。

（4）系統(tǒng)研究細(xì)菌溶藻過(guò)程的伴生作用，充分開(kāi)發(fā)利用溶藻菌的生物效用。研究表明，有些細(xì)菌在抑藻過(guò)程中能夠同時(shí)產(chǎn)生凈化水質(zhì)和降解藻毒的伴生作用，研究溶藻菌的伴生作用將會(huì)從新的角度了解和開(kāi)發(fā)微生物的水質(zhì)凈化功能。

（5）深入研究溶藻菌作用的時(shí)間與劑量效應(yīng)關(guān)系，建立合理有效的應(yīng)用方法。

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