微生物抑藻及其抑藻機(jī)制研究進(jìn)展

熊露露，梅齊誠，張鑫洋，劉天浩，孫好芬

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

近年來，由于工業(yè)化進(jìn)程的加快和人口的持續(xù)增長，水體富營養(yǎng)化已經(jīng)成為全球大范圍內(nèi)普遍現(xiàn)象[1]，微生物所需的氮、磷等營養(yǎng)元素大量進(jìn)入的湖泊水庫、海灣等水體，引起藻類及其他浮游生物迅速增殖，同時水華、赤潮中占優(yōu)勢的藻類可產(chǎn)生大量且毒性較強(qiáng)的毒素，破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與平衡，對人類生存環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖等構(gòu)成不可逆的威脅[2-3]。藍(lán)綠藻等有害藻類大量、快速滋生是水體富營養(yǎng)化的重要表征，其階段性暴發(fā)是水體富營養(yǎng)化最常見的現(xiàn)象[4]。因此，如何消除水華、赤潮中有害藻類的暴發(fā)性增長已經(jīng)成為了水處理中亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 生態(tài)控藻

目前，國內(nèi)外應(yīng)對赤潮、水華的常見生態(tài)控制方法主要分為三種，分別是物理控藻、化學(xué)控藻和生物控藻[5]。物理控藻方法主要有引水換水、底泥疏浚、遮光法、黏土絮凝沉降、超聲波控藻法等，但是因為不治本、造價高、操作復(fù)雜等因素而無法深入推廣?；瘜W(xué)控藻法是目前使用頻率最多且見效最直接的處理辦法[5]，包括化學(xué)藥劑法、電化學(xué)法、光催化降解法等，但因其副作用和高能耗也不能長期使用。

與化學(xué)和物理控藻相比，由于生物控藻具有成本低、無污染、低能耗、可持續(xù)性等優(yōu)點，現(xiàn)已成為防治赤潮和水華的新研究方向。華燁等[6]采用食藻蟲控藻引導(dǎo)無錫泰濱生態(tài)系統(tǒng)的成功修復(fù)；彭玉輔等[7]通過食藻原生動物和微生物的溶藻作用來防治有害藻類的爆發(fā)；劉學(xué)剛等[8]結(jié)合“水生植物浮床與濾食性魚類(如鰱魚、鳙魚)”聯(lián)合的生物調(diào)控法抑制藍(lán)藻；羅智偉等[9]從南美白對蝦中分離出的一株陶厄氏菌AB-3對水華束絲菌、魚腥藻等藍(lán)藻均有較強(qiáng)的抑藻作用，為抑藻菌控制養(yǎng)殖水體中水華提供菌種資源；李東等[10-11]篩選的海洋高效溶藻弧菌BSO2、BSO3對塔瑪亞歷山大藻的殺菌效果具有一定濃度效應(yīng)，在一定濃度梯度內(nèi)處理濃度越高，對應(yīng)的溶藻效果越佳；施麗麗等[12]采用黃花水龍這類可通過莖葉根系的牽連作用形成自然浮島的植物，在改善水質(zhì)的同時解決生態(tài)浮島技術(shù)的載體材料二次污染問題；洪喻等[13]分析和總結(jié)了水生植物分泌的化感物質(zhì)如簡單酚類、黃酮類、脂肪酸類等對藻類的抑制機(jī)理及研究重點；孫雪梅等[14]從狐尾藻中分離出的焦性沒食子酸在較低 (0.5mg/L)濃度下就可以產(chǎn)生氧化脅迫效應(yīng)，進(jìn)而抑藻。鄭寧寧[15]從海洋環(huán)境及陸地環(huán)境篩選分離出14株對米氏凱倫藻具有抑制作用的細(xì)菌，顯著抑制赤潮微藻生長。

2 微生物控藻技術(shù)

相較于植物競爭營養(yǎng)和食藻原生動物抑藻效果有限，微生物控藻技術(shù)因其效果明顯、種屬特異性高和環(huán)境友好等特征[16]而逐漸得到重視。利用微生物中的真菌、細(xì)菌及放線菌等進(jìn)行藻類控制，是調(diào)節(jié)有害藻類種群爆發(fā)的重要手段。

一些真菌可以通過釋放維生素抑制赤潮微藻生長，例如，鄭寧寧[15]等發(fā)現(xiàn)青霉菌分泌的青霉素可抑制組囊藻的生長；方元奕[17]等發(fā)現(xiàn)乳酸菌對銅綠微囊藻具有良好抑藻效果，且抑藻率隨其濃度梯度的增加而增加。

由于細(xì)菌與水體中的藍(lán)藻關(guān)系密切，因此細(xì)菌抑制水華藻類的研究報道較多。細(xì)菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中，有一類溶藻細(xì)菌在調(diào)節(jié)藻類種群發(fā)揮極為重要作用[15]，此種溶藻細(xì)菌能夠以直接或間接途徑抑制藻類生長、或者殺死藻類甚至裂解藻細(xì)胞[18]。

除此之外，某些病毒能直接感染赤潮微藻，如絲狀藍(lán)藻被病毒感染后，病毒迅速復(fù)制并釋放大量病毒粒子，最后藻細(xì)胞被逐步瓦解[19]。放線菌屬中含有多種抑藻菌種，陳旭清等[20]發(fā)現(xiàn)放線菌在設(shè)置的濃度梯度中對銅綠微囊藻有良好的抑制效果。

3 微生物抑藻機(jī)制初探

微生物抑藻作用方式主要有兩種：直接溶藻指溶藻微生物直接與藻細(xì)胞接觸，釋放纖維素溶解酶而溶解藻細(xì)胞或入侵藻細(xì)胞，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞凋零死亡[21]，如李東[11]通過實驗表明海洋溶藻弧功能細(xì)菌可直接接觸藻細(xì)胞使得其結(jié)構(gòu)裂解死亡。間接溶藻即抑藻微生物通過分泌抑藻或溶藻物質(zhì)對藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，韓貝貝等[22]發(fā)現(xiàn)噬鹽桿菌上清液中的溶藻物質(zhì)可顯著抑制中肋骨條藻對細(xì)胞正常新陳代謝，最終藻細(xì)胞破裂而死。還有通過直接和間接途徑交替偶聯(lián)抑藻，喻融等[23]認(rèn)為類蛭弧菌Y對藍(lán)藻的抑藻機(jī)制是兩種方式的共同作用；喬鏡澄等[24]發(fā)現(xiàn)溶藻菌Q1在對數(shù)生長期開始分泌某種胞外產(chǎn)物，間接作用于水華魚腥藻和銅綠微囊藻等有害藍(lán)藻類。多數(shù)抑藻菌是通過與微藻競爭營養(yǎng)或向環(huán)境釋放抑藻活性物質(zhì)的間接溶藻方式抑制或殺死微藻，此種抑藻活性物質(zhì)為蛋白質(zhì)、多肽、脂肪酸、抗生素、吲哚醌等[25]。

目前微生物的活性物質(zhì)抑制微藻的機(jī)理大致可總結(jié)為以下幾類：

3.1 損害藻細(xì)胞細(xì)胞膜

微生物分泌的抑藻活性物質(zhì)可作用于藻細(xì)胞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，從而去除微藻[1，3]。呂意平等[26]用菌株LY01分泌的胞外活性物質(zhì)處理塔瑪亞歷山大藻細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在短時間內(nèi)即刻出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象，其細(xì)胞壁完整性遭破壞，藻體細(xì)胞逐步裂解死亡；吳黎明[27]從生防芽孢桿菌中篩選得到的解淀粉芽孢桿菌FZB42對銅綠微囊藻抑制效果最佳，其中關(guān)鍵抑藻活性物質(zhì)為bacilysin，通過電鏡觀察到該種活性物質(zhì)可破壞目標(biāo)藻細(xì)胞的細(xì)胞器膜系統(tǒng)。

3.2 破壞藻細(xì)胞的生理生態(tài)功能

微生物活性物質(zhì)易進(jìn)入目標(biāo)藻細(xì)胞內(nèi)部，破壞葉綠素和其他光合色素，抑制光合作用或阻礙電子傳遞，進(jìn)而破壞藻體正常的生理生態(tài)功能[28]。于曉娟等[29]發(fā)現(xiàn)酵母菌的胞外分泌物-芳香型腐殖酸及羧酸型腐殖酸主要是通過破壞葉綠素來抑制藻類光合作用；Dakhama等[30]發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌分泌的溶藻物質(zhì)為抗生素類色素物質(zhì)-1-羥基吩嗪(1-hydroxyphena-zine)和氧綠菌素(Oxychlorora- phine)，其活性物質(zhì)對試驗的藍(lán)、綠藻細(xì)胞內(nèi)電子傳遞有強(qiáng)烈的抑制作用。丁宏艷[21]發(fā)現(xiàn)從溶菌藻LY03中提取的殺藻活性物質(zhì)不僅使藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，而且大程度地破壞藻細(xì)胞的光合系統(tǒng)，導(dǎo)致其無法進(jìn)行光合作用。

3.3 誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧

當(dāng)藻細(xì)胞受到外界環(huán)境的干擾時，如營養(yǎng)缺乏、高溫缺水或滲透壓劇變時，胞內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧自由基(ROS)[21]。正常的藻細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)會清除體內(nèi)多余的活性氧以保證光合作用和活性作用的生理生化活動，而過量的ROS會誘導(dǎo)藻細(xì)胞發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，破壞細(xì)胞膜完整性的同時干擾胞內(nèi)多種大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、脂肪酸等的合成，最終導(dǎo)致目標(biāo)藻細(xì)胞裂解死亡[31]。張維昊等[32]發(fā)現(xiàn)從菖蒲提取的活性物質(zhì)降低了銅綠微囊藻胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量，從而使超氧化物歧化酶SOD、膜脂過氧化產(chǎn)物MDA和過氧化氫酶CTA等抗氧化系統(tǒng)酶活性增加，造成藻細(xì)胞死亡。Liu[33]等發(fā)現(xiàn)掌狀紅皮藻在受到外界環(huán)境的刺激時，胞內(nèi)ROS會顯著升高，過量ROS可能引起細(xì)胞質(zhì)膜的氧化損傷，改變細(xì)胞膜的通透性而影響細(xì)胞的正常代謝和細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓。

3.4 阻礙藻細(xì)胞的基因表達(dá)

當(dāng)藻細(xì)胞受到環(huán)境中某種不利因素脅迫時，活性物質(zhì)會誘導(dǎo)藻細(xì)胞內(nèi)的某些基因表達(dá)下調(diào)，破壞其DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄，從而阻礙藻細(xì)胞的遺傳表達(dá)和細(xì)胞分裂增殖。Wu等[34]在進(jìn)行馬來眼子菜對銅綠微囊藻溶藻效果實驗中，發(fā)現(xiàn)得到的處理組與對照組蛋白質(zhì)分析結(jié)果差別較大，一些蛋白有明顯下調(diào)現(xiàn)象。吳黎明等[27]用解淀粉芽孢桿菌FZB42的活性物質(zhì)bacilysin處理銅綠微囊藻后，檢測發(fā)現(xiàn)構(gòu)成細(xì)胞壁重要組分的基因glms連續(xù)發(fā)生下調(diào)表達(dá)，編碼光合作用系統(tǒng)Ⅱ的基因psb AI、參與細(xì)胞分裂過程的基因fts Z均在顯著性下調(diào)。張小倩等[35]研究短短芽孢桿菌的無菌液對銅綠微囊藻的抑藻活性時，發(fā)現(xiàn)短短芽孢桿菌B15分泌的小分子物質(zhì)化合物會抑制目標(biāo)藻細(xì)胞的光合作用，并遏制其細(xì)胞分裂增殖。

4 展望

用微生物控制藻類生長是目前解決水華、赤潮頻繁暴發(fā)的新興技術(shù)。但是目前活性物質(zhì)抑藻的研究多針對如銅綠微囊藻、塔瑪亞歷山大藻等單一藻類，且抑藻菌多停留在模擬階段，鮮有高效應(yīng)用于有害藻類暴發(fā)水域；對真菌、放線菌等的微生物抑藻研究甚少；大部分微生物抑制微藻的機(jī)理和影響因素仍未淺顯，抑藻微生物分泌的活性物質(zhì)其安全生態(tài)性能、遺傳信息的解析、化學(xué)結(jié)構(gòu)等尚不清楚。研究微生物活性物質(zhì)的性質(zhì)結(jié)構(gòu)、溶藻機(jī)理、抑藻效果及副作用等等對于治理水體藻類暴發(fā)式增長有著重要意義，將會成為未來研究的重點課題。