溶藻細(xì)菌控制藍(lán)藻藻華的研究進(jìn)展

楊秋嬋，曾玉林

（1.廣東中微環(huán)保生物科技有限公司，廣東 東莞 523000；2.廣東東日環(huán)保股份有限公司，廣東 東莞 523000）

藍(lán)藻，又名藍(lán)細(xì)菌，是一種最原始、最古老的藻類植物，是光能自養(yǎng)型原核生物[1]。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，水中富集了大量的營(yíng)養(yǎng)元素（尤其是氮和磷），導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，發(fā)生藍(lán)藻藻華[2]。為了有效控制藍(lán)藻，目前國(guó)內(nèi)外主要采用的方法有物理法、化學(xué)法和生物法[3]。物理法是采用物理手段將藻與水體分離或者直接殺死藻類的方法。化學(xué)法是通過(guò)投加化學(xué)藥劑如硫酸銅、過(guò)氧化氫、表面活性劑、次氯酸鈉等殺死藻體細(xì)胞。生物法是利用細(xì)菌、病毒、浮游動(dòng)物、水生植物等殺死藻細(xì)胞。由于生物法具有高效、專一、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文利用分析溶藻細(xì)菌控制藍(lán)藻藻華的研究進(jìn)展及應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)溶藻細(xì)菌今后的研究方向和工程應(yīng)用提出了建議。

1 溶藻細(xì)菌

溶藻細(xì)菌是指可以抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)或者溶解藻細(xì)胞的一類細(xì)菌。目前，研究報(bào)告顯示出溶藻細(xì)菌有黏細(xì)菌（Myxobacter）、交替假單胞菌（Pseudoalteromonas）、嗜胞菌屬（Cytophaga）、鞘廣醇單胞菌（Sphingomonas）、纖維弧菌屬（Cellvibrio）、反消化產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes denitrificans）、結(jié)桿菌屬（Arthobacter）、屈撓細(xì)菌屬（Flexibacter）、交替單胞菌（Alterononas）、蛭弧菌（Bdellovibrio bacterious）、弧菌（Vibrio）復(fù)生螺旋體屬（Saprospira）桿菌（Bacillus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）等。這些細(xì)菌大部分為革蘭氏陰性菌，既可以對(duì)藍(lán)藻起到促進(jìn)作用，也可抑制硅藻和甲藻的生長(zhǎng)，還可以調(diào)節(jié)微型藻的種群密度。

2 溶藻方式

溶藻細(xì)菌的溶藻方式為：（1）直接溶藻，溶藻細(xì)菌直接接觸藻體細(xì)胞導(dǎo)致藻細(xì)胞溶解而死亡；（2）間接溶藻，是指溶藻細(xì)菌通過(guò)釋放某種化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

直接溶藻是基于溶藻細(xì)菌和藻類之間的接觸。其方式為：SHILO M[4]分離得到一株黏細(xì)菌在與支原體緊密接觸的前提下殺死單細(xì)胞和絲狀支原體。例如，細(xì)菌MY-1就是通過(guò)直接溶藻方式溶解魚腥藻（包括異細(xì)胞和靜息孢子）。

間接溶藻是通過(guò)分泌多肽、酶、蛋白質(zhì)、抗生素、氨基酸等胞外活性物質(zhì)來(lái)溶解藻體細(xì)胞，目前發(fā)現(xiàn)的的多數(shù)溶藻細(xì)菌都是通過(guò)間接方式來(lái)殺死藻細(xì)胞的，現(xiàn)已報(bào)道的溶藻細(xì)菌及其作用方式詳見表1。

表1 溶藻細(xì)菌種類及溶藻方式

3 溶藻機(jī)理

溶藻細(xì)菌抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)主要方式是：破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)、競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、抑制藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用，其作用機(jī)理詳見圖1[2]。

圖1 溶藻細(xì)菌作用機(jī)理

3.1 破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)

研究表明，部分溶藻細(xì)菌可以破壞藻細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，如損傷葉綠體、固縮染色體、從而使線粒體液泡化，破壞細(xì)胞膜的完整性，最終導(dǎo)致藻體細(xì)胞死亡。李薔[5]研究發(fā)現(xiàn)B1芽孢桿菌可通過(guò)分泌胞外活性物質(zhì)對(duì)球形棕囊藻細(xì)胞壁產(chǎn)生侵蝕，使其出現(xiàn)漏洞，進(jìn)一步對(duì)細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行消融，達(dá)到破壞細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)。韓貝貝[6]等發(fā)現(xiàn)噬鹽桿菌作用于中肋骨條藻時(shí)，可使細(xì)胞鏈狀結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，然后使細(xì)胞以單細(xì)胞形態(tài)存在且增加其單細(xì)胞長(zhǎng)度，最終導(dǎo)致細(xì)胞原生質(zhì)體在細(xì)胞一端形成泡狀后逐漸膨脹破裂。

3.2 競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

溶藻細(xì)菌可以吸收轉(zhuǎn)化水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促使自己快速繁殖等，從而降低水體中的氮、磷濃度，導(dǎo)致藻體因缺少營(yíng)養(yǎng)而死亡。有研究表明，變形桿菌數(shù)量在共生環(huán)境中增加一倍，甲藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的獲取能力會(huì)降低三分之一。Su等[7]研究表明，不動(dòng)桿菌J25在去除硝酸鹽氮的同時(shí)，對(duì)銅綠微囊藻葉綠素a 的去除率為87.86%。

3.3 抑制光合作用

在溶藻細(xì)菌的脅迫下，藻細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的過(guò)氧化氫、羥基自由基、超氧陰離子自由基等活性氧機(jī)團(tuán)（ROS），這些有害活性氧自由基可破壞藻細(xì)胞的完整性，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，使細(xì)胞受到損傷。例如，ROS也會(huì)干擾細(xì)胞內(nèi)多種物質(zhì)的合成，包括糖類、色素、脂類、蛋白質(zhì)、DNA等。其中，色素是藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用的保障。而葉綠素a和類胡蘿卜素是與光合作用密切相關(guān)的色素：①葉綠素a可通過(guò)吸收光能，將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，作為藻細(xì)胞生長(zhǎng)的必需生長(zhǎng)因子；②類胡蘿卜素具有傳遞光能的功能，在藻細(xì)胞光合作用中發(fā)揮著重要作用。

有研究表明，在溶藻細(xì)菌的作用下，藻細(xì)胞內(nèi)色素含量會(huì)降低，由此，藻細(xì)胞光合作用受到限制。于海濤等[8]研究表明，蠟樣芽孢桿菌（Bacilluscerus）的胞外活性物質(zhì)可改變水華魚腥藻光合色素的相對(duì)含量，降低其葉綠素a，增加類胡蘿卜素和藻藍(lán)蛋白，從而影響光系統(tǒng)Ⅰ（PS?）和PSП中的分配，導(dǎo)致光合作用效率降低。

4 溶藻物質(zhì)

大多數(shù)溶藻細(xì)菌通過(guò)分泌胞外活性物質(zhì)來(lái)間接溶解藻細(xì)胞。截止目前，已經(jīng)分離得到的溶藻活性物質(zhì)有抗生素、多肽、氨基酸、蛋白質(zhì)、表面活性劑等。

4.1 抗生素

Nakashima[9]等發(fā)現(xiàn)γ-變形桿菌MS-02-063可分泌靈菌紅素，對(duì)赤潮異彎藻有強(qiáng)烈的溶藻作用。銅綠假單胞菌可產(chǎn)生一系列抗生素物質(zhì)，如吩嗪色素、糖脂類、PYO（膿化合物），有研究表明，銅綠假單胞菌通過(guò)釋放瓊脂擴(kuò)散性吩嗪色素抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。Qian[10]等研究發(fā)現(xiàn)0.28 μg/mL的鏈霉素能有效抑制綠藻的生長(zhǎng)，低濃度的鏈霉素可促進(jìn)藻體細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧，增加抗氧化物酶的合成，增加丙二醛含量，導(dǎo)致細(xì)胞膜破壞而引起細(xì)胞的死亡。此外，鏈霉素也會(huì)對(duì)藻類的呼吸作用產(chǎn)生影響，妨礙藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用。

4.2 多肽

Seong-Yun Jeong等[11]提取芽孢桿菌SY-1分泌的胞外活性物質(zhì)，再通過(guò)二維NMR技術(shù)進(jìn)行分析，最后鑒定為一種多肽，該物質(zhì)對(duì)環(huán)旋溝藻有顯著的溶藻效果。而Imamura[12]分離出一株鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas sp.），該菌株通過(guò)分泌一種五肽（C32H62N12O8）來(lái)溶解微囊藻細(xì)胞，它在12 ng/mL和100 ng/ mL時(shí)對(duì)綠色微囊藻和銅綠微囊藻具有很強(qiáng)的溶藻活力。

4.3 蛋白質(zhì)

盧露[13]等從廣州流花湖分離獲得一株腸桿菌屬，該菌株是通過(guò)分泌胞外活性而間接溶藻。三維熒光光譜表明，活性物質(zhì)為類腐殖酸、類富里酸和類蛋白類物質(zhì)，在該活性物質(zhì)作用下，藻細(xì)胞膜脂過(guò)氧化損傷嚴(yán)重，SOD、CAT、APX活性先上升后下降。而Lee等[14]分離得到的細(xì)菌A28是一株假交替單胞菌，能抑制骨條藻的生長(zhǎng)，其上清液經(jīng)過(guò)10000 MW超濾、加熱、離子交換層析和制備凝膠電泳等技術(shù)方法獲得均一的蛋白酶，分子量為50 KDa，并經(jīng)鑒定是一種胞外絲氨酸蛋白酶。

4.4 氨基酸

Zhao等[15]從B1芽孢桿菌胞外活性物質(zhì)中分離得到四種氨基酸：鄰酪氨酸、尿氨酸、N-乙酰組胺酸和L-組氨酸，這四種氨基酸對(duì)中肋骨條藻、東海原甲藻、球形棕囊藻、赤潮異彎藻等具有很強(qiáng)的溶藻活性。K.Yoshikawa等[16]從日本西南的海域水樣中分離出一株弧菌C-979，其菌株胞外活性物質(zhì)經(jīng)質(zhì)譜、紅外光譜及核磁共振光譜（NMR）等鑒定分析，確定這種活性物質(zhì)為親水性的B-氰基-L-丙氨酸。

4.5 生物堿

Kodani[17]等從假單胞菌（Pseudomonas sp K 44-1）分泌的胞外活性物質(zhì)中提取出胞外活性物質(zhì)，經(jīng)紫外、核磁共振等手段鑒定為哈爾滿堿（Harmane），該物質(zhì)能夠特異性殺死多種藍(lán)藻。Nodularia harveyana 和 Nostoc insulare可分泌出溶藻活性物質(zhì)生物堿9H-吡啶（3，4-b）吲哚和4，4’-二羥基聯(lián)苯，能有效溶解螺旋藻 Laxissima細(xì)胞[18]。

4.6 含氮化合物

Paul等[19]分離獲得的一株溶藻細(xì)菌硝化細(xì)菌—節(jié)桿菌（Arthrobacter sp.），該細(xì)菌通過(guò)氧化胺或其它還原性的含氮化合物時(shí)釋放羥胺對(duì)小球藻起抑制作用。

5 總結(jié)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)溶藻細(xì)菌、溶藻方式、胞外活性物質(zhì)等研究更加深入，但在試驗(yàn)階段能起到很好的溶藻效果，可在實(shí)際應(yīng)用中卻效果欠佳。為推動(dòng)溶藻細(xì)菌在實(shí)際工程中的應(yīng)用特此提出幾點(diǎn)建議：（1）力爭(zhēng)通過(guò)誘變篩選、高通量篩選等技術(shù)獲得效果高、環(huán)境耐受力更強(qiáng)的菌種；（2）增強(qiáng)菌株發(fā)酵產(chǎn)能，充分利用發(fā)酵工程技術(shù)，提高發(fā)酵過(guò)程微生物量及活性物質(zhì)的含量；（3）利用固定化技術(shù)來(lái)提高菌種的濃度，提升菌種在環(huán)境中的抗沖擊能力。