微生物抑藻及其抑藻機制研究進展

熊露露，梅齊誠，張鑫洋，劉天浩，孫好芬

(青島理工大學 環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

近年來，由于工業化進程的加快和人口的持續增長，水體富營養化已經成為全球大范圍內普遍現象[1]，微生物所需的氮、磷等營養元素大量進入的湖泊水庫、海灣等水體，引起藻類及其他浮游生物迅速增殖，同時水華、赤潮中占優勢的藻類可產生大量且毒性較強的毒素，破壞生態系統的結構與平衡，對人類生存環境、水產養殖等構成不可逆的威脅[2-3]。藍綠藻等有害藻類大量、快速滋生是水體富營養化的重要表征，其階段性暴發是水體富營養化最常見的現象[4]。因此，如何消除水華、赤潮中有害藻類的暴發性增長已經成為了水處理中亟待解決的關鍵問題。

1 生態控藻

目前，國內外應對赤潮、水華的常見生態控制方法主要分為三種，分別是物理控藻、化學控藻和生物控藻[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、操作復雜等因素而無法深入推廣。化學控藻法是目前使用頻率最多且見效最直接的處理辦法[5]，包括化學藥劑法、電化學法、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、可持續性等優點，現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無錫泰濱生態系統的成功修復；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；劉學剛等[8]結合“水生植物浮床與濾食性魚類(如鰱魚、鳙魚)”聯合的生物調控法抑制藍藻；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、魚腥藻等藍藻均有較強的抑藻作用，為抑藻菌控制養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，在一定濃度梯度內處理濃度越高，對應的溶藻效果越佳；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，在改善水質的同時解決生態浮島技術的載體材料二次污染問題；洪喻等[13]分析和總結了水生植物分泌的化感物質如簡單酚類、黃酮類、脂肪酸類等對藻類的抑制機理及研究重點；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)濃度下就可以產生氧化脅迫效應，進而抑藻。鄭寧寧[15]從海洋環境及陸地環境篩選分離出14株對米氏凱倫藻具有抑制作用的細菌，顯著抑制赤潮微藻生長。

2 微生物控藻技術

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

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]等發現青霉菌分泌的青霉素可抑制組囊藻的生長；方元奕[17]等發現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。

由于細菌與水體中的藍藻關系密切，因此細菌抑制水華藻類的研究報道較多。細菌在水生生態系統中，有一類溶藻細菌在調節藻類種群發揮極為重要作用[15]，此種溶藻細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胞[18]。

除此之外，某些病毒能直接感染赤潮微藻，如絲狀藍藻被病毒感染后，病毒迅速復制并釋放大量病毒粒子，最后藻細胞被逐步瓦解[19]。放線菌屬中含有多種抑藻菌種，陳旭清等[20]發現放線菌在設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胞接觸，釋放纖維素溶解酶而溶解藻細胞或入侵藻細胞，最終導致藻細胞凋零死亡[21]，如李東[11]通過實驗表明海洋溶藻弧功能細菌可直接接觸藻細胞使得其結構裂解死亡。間接溶藻即抑藻微生物通過分泌抑藻或溶藻物質對藻細胞結構進行破壞，韓貝貝等[22]發現噬鹽桿菌上清液中的溶藻物質可顯著抑制中肋骨條藻對細胞正常新陳代謝，最終藻細胞破裂而死。還有通過直接和間接途徑交替偶聯抑藻，喻融等[23]認為類蛭弧菌Y對藍藻的抑藻機制是兩種方式的共同作用；喬鏡澄等[24]發現溶藻菌Q1在對數生長期開始分泌某種胞外產物，間接作用于水華魚腥藻和銅綠微囊藻等有害藍藻類。多數抑藻菌是通過與微藻競爭營養或向環境釋放抑藻活性物質的間接溶藻方式抑制或殺死微藻，此種抑藻活性物質為蛋白質、多肽、脂肪酸、抗生素、吲哚醌等[25]。

目前微生物的活性物質抑制微藻的機理大致可總結為以下幾類：

3.1 損害藻細胞細胞膜

微生物分泌的抑藻活性物質可作用于藻細胞細胞膜結構，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處理塔瑪亞歷山大藻細胞，發現在短時間內即刻出現質壁分離現象，其細胞壁完整性遭破壞，藻體細胞逐步裂解死亡；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，其中關鍵抑藻活性物質為bacilysin，通過電鏡觀察到該種活性物質可破壞目標藻細胞的細胞器膜系統。

3.2 破壞藻細胞的生理生態功能

微生物活性物質易進入目標藻細胞內部，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，進而破壞藻體正常的生理生態功能[28]。于曉娟等[29]發現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]發現銅綠假單胞菌分泌的溶藻物質為抗生素類色素物質-1-羥基吩嗪(1-hydroxyphena-zine)和氧綠菌素(Oxychlorora- phine)，其活性物質對試驗的藍、綠藻細胞內電子傳遞有強烈的抑制作用。丁宏艷[21]發現從溶菌藻LY03中提取的殺藻活性物質不僅使藻細胞結構受損嚴重，而且大程度地破壞藻細胞的光合系統，導致其無法進行光合作用。

3.3 誘導細胞內活性氧

當藻細胞受到外界環境的干擾時，如營養缺乏、高溫缺水或滲透壓劇變時，胞內會產生大量的活性氧自由基(ROS)[21]。正常的藻細胞抗氧化系統會清除體內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會誘導藻細胞發生脂質過氧化反應，破壞細胞膜完整性的同時干擾胞內多種大分子物質如蛋白質、脂肪酸等的合成，最終導致目標藻細胞裂解死亡[31]。張維昊等[32]發現從菖蒲提取的活性物質降低了銅綠微囊藻胞內蛋白質含量，從而使超氧化物歧化酶SOD、膜脂過氧化產物MDA和過氧化氫酶CTA等抗氧化系統酶活性增加，造成藻細胞死亡。Liu[33]等發現掌狀紅皮藻在受到外界環境的刺激時，胞內ROS會顯著升高，過量ROS可能引起細胞質膜的氧化損傷，改變細胞膜的通透性而影響細胞的正常代謝和細胞內外的滲透壓。

3.4 阻礙藻細胞的基因表達

當藻細胞受到環境中某種不利因素脅迫時，活性物質會誘導藻細胞內的某些基因表達下調，破壞其DNA的復制和RNA的轉錄，從而阻礙藻細胞的遺傳表達和細胞分裂增殖。Wu等[34]在進行馬來眼子菜對銅綠微囊藻溶藻效果實驗中，發現得到的處理組與對照組蛋白質分析結果差別較大，一些蛋白有明顯下調現象。吳黎明等[27]用解淀粉芽孢桿菌FZB42的活性物質bacilysin處理銅綠微囊藻后，檢測發現構成細胞壁重要組分的基因glms連續發生下調表達，編碼光合作用系統Ⅱ的基因psb AI、參與細胞分裂過程的基因fts Z均在顯著性下調。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，發現短短芽孢桿菌B15分泌的小分子物質化合物會抑制目標藻細胞的光合作用，并遏制其細胞分裂增殖。

4 展望

用微生物控制藻類生長是目前解決水華、赤潮頻繁暴發的新興技術。但是目前活性物質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，鮮有高效應用于有害藻類暴發水域；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理和影響因素仍未淺顯，抑藻微生物分泌的活性物質其安全生態性能、遺傳信息的解析、化學結構等尚不清楚。研究微生物活性物質的性質結構、溶藻機理、抑藻效果及副作用等等對于治理水體藻類暴發式增長有著重要意義，將會成為未來研究的重點課題。