生物法治理藍藻水華研究進展

王敏，劉浩，王江南，邱雨，馬增嶺*

1.溫州大學生命與環境科學學院

2.溫州大學城鎮水污染生態治理技術國家地方聯合工程研究中心

隨著氣候變化和富營養化的不斷加劇，藍藻水華已成為全球性的水環境問題之一[1-2]。近年來，我國眾多淡水湖庫均有不同程度的藍藻水華發生，長江中下游地區尤為嚴重[3]。水華藍藻主要有微囊藻(Microcystis)、束絲藻(Aphanizomenon)、長孢藻(Dolichospermum)、顫藻(Oscillatoria)、擬柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii)等[4]。在營養鹽充足的水體中，當溫度適宜、光照充足時，藍藻可在短時間內繁殖達到足夠多的生物量，并在生物（浮游動物攝食、微囊藻毒素等）或非生物（溫度、營養鹽、金屬離子等）因素的影響下聚集形成群體細胞，大量上浮堆積于水體表面，形成水華[5]。藍藻水華具有顯著的生態效應：一方面，藍藻的單一優勢生長降低了水體中藻類多樣性；另一方面，水華引發的溶解氧濃度及水體透明度下降，嚴重破壞了底層水體中生物的生存環境，導致魚、蝦的大量死亡[6]。更為嚴重的是，產毒藍藻產生的藻毒素能對鳥類和哺乳類動物造成肝臟、消化道和神經系統的損傷，并通過食物鏈富集到人體，間接對人體健康產生威脅[7]。

當前，防治藍藻水華的治理技術分為物理法、化學法和生物法3 類。物理法主要通過機械設備或者工程方法處理水華，如清淤、換水、超聲波法和紫外照射法等。物理法消除藍藻水華不引起二次污染且不會引起外來生物入侵，但該方法對處理設備要求嚴格，耗時耗力，經濟成本較高[8]。化學法主要通過投加篩選或合成的化學藥劑來達到除藻目的，主要包括除藻劑和絮凝劑2 類，除藻劑是利用化學試劑對藍藻生理代謝活動的影響來抑制其生長或者直接將其殺死，絮凝劑則通過某些材料的絮凝作用將藍藻凝聚在一起后打撈去除。化學法除藻省時高效、立竿見影，但易引起二次污染，且化學試劑往往會對水域的其他生物產生一定的毒性[9-10]。生物法治理藍藻水華主要基于水生生物間的營養競爭和牧食關系，通過調節水生生物群落結構，建立健全的生態食物鏈，維持整個水生態系統的平衡及良性循環[11]。與物理和化學方法相比，生物法治理水華因其環境友好性、高效性、專一性、低成本，以及對細胞粒徑微小的藍藻去除率高的特點，受到水環境領域學者的高度關注，具有廣闊的應用前景。筆者綜述了目前生物控藻的3 種主要方法：微生物法、植物法和水生動物法，闡述了各種方法的控藻機理，并分析其優缺點，以期為湖庫藍藻水華管控提供參考。

1 微生物法

微生物控藻的機理可分為3 類：1）微生物直接作用于藍藻，攻擊藍藻細胞或分泌胞外物質破壞藍藻細胞，部分微生物還能抑制藍藻細胞的光合作用，最終影響藍藻生物量[12]；2）利用微生物吸收降解水體中過量的營養物質，實現對水體的凈化從而達到降低藍藻水華生物量的目的[13]；3）通過生物絮凝技術降低水體中的藻細胞生物量[14]。目前研究發現的可用于控藻的微生物主要包括噬藻體、原生動物、細菌、真菌以及放線菌（圖1）。

圖1 生物法治理藍藻水華示意Fig.1 Schematic diagram of the biological control of cyanobacteria blooms

1.1 噬藻體

噬藻體是一類可以參與宿主光合作用的特殊病毒，廣泛存在于海洋和淡水中，數量巨大，且具有豐富的遺傳多樣性，是水生態系統的重要組成部分[15]。噬藻體多隸屬于有尾噬菌體目(Caudovirales)，為基因組大小18～500 kb、編碼27～600 個基因的線形雙鏈DNA 病毒[16]，能通過吸附接觸的方式進入藻細胞并在宿主內進行生化合成從而完成自身增殖過程，當噬藻體數量達到一定程度時，藍藻細胞發生裂解，生物量下降，釋放到胞外的噬藻體繼續作用于其他完整的藻細胞[17]。1963 年，Safferman 等[18]通過分離得到了世界首株噬藻體LPP，它能同時感染鞘絲藻(Lynbya)、織線藻(Plectonema)和席藻(Phormidium)；2002 年，趙以軍等[19]分離得到我國第一株能夠特異性感染織線藻和席藻的淡水噬藻體PP。隨著對噬藻體研究的不斷深入，新分離鑒定的噬藻體逐年增加，眾多噬藻體感染相關基因的功能不斷被揭示[20-22]。在當前階段，雖然噬藻體能夠在實驗室起到良好的控藻效果，但由于其作用過程受到陽離子、光照及宿主生長狀態等諸多條件的影響[23-26]，在實際操作中具有極大的不穩定性，很難將其應用于湖庫藍藻水華控制中。隨著近年來對噬藻體基因的不斷探索，有望未來從基因層面對噬藻體進行改良，加強其對水體不穩定環境的抗性，開發其應用潛能。

1.2 原生動物

原生動物是水生食物鏈的重要環節，多種原生動物以藻類為食，以滿足自身生長繁殖的能量和物質需求。在藍藻水華控制方面，原生動物具有以下優點：1）攝食范圍廣泛。目前已經分離到取食席藻、魚腥藻、織線藻和微囊藻等藻種的原生動物，如美洲赭纖蟲(Blepharisma americanum)，能夠攝食微囊藻，在一定程度上控制水華的發生[27]。2）攝食量大。當水體中原生動物數量達到一定閾值時，能迅速去除水體中的藻細胞[28]。王進等[29]從發生水華的池塘中分離得到一種鞭毛蟲(Kinetoplastida)，可以通過胞吞作用快速捕食微囊藻，單次可吞入10 余個藻細胞，并且可以在適宜微囊藻生長的環境條件下迅速繁殖，大量吞食藻細胞，抑制其生物量增加。3）具有較強的抗逆性。當水體中藻類較少時，原生動物可以通過形成包囊來度過食物缺乏期，而當水體中藻類增多時，蟲體復蘇破囊而出，繼續攝食藻細胞。英國Cubria 湖中水華的暴發和消退與藍環蟲數量及形態有密切關系，當水華消退時，藍環蟲就會形成包囊沉入水底，當水華再次暴發的時候，這些包囊又會變成營養體重新回到湖面進行攝食[30]。4）繁殖容易。原生動物易于在室內大量培養。

1.3 細菌

1942 年，Geitler 首次發現了可以殺死剛毛藻(Cladophora)的溶藻黏細菌 (Polyangium parasiticum)[31]；隨后，國內外相繼報道了多種溶藻細菌，主要有黏細菌 (Myxobacter)、芽孢桿菌(Bacillus)、交替單胞菌(Alteromonas)、假單胞菌(Pseudomonas)、交替假單胞菌(Pseudoalteromonas)和弧菌(Vibrio)等[32]。溶藻細菌多數為分離自水華或赤潮水域的革蘭氏陰性菌，少量分離自土壤，其發揮作用的途徑分為直接作用和間接作用。

溶藻細菌的直接作用途徑包括接觸溶藻和寄生溶藻。接觸溶藻嚴格依賴于溶藻細菌與藻類的接觸，隨后細菌分泌相關水解酶類破壞藻細胞壁，導致其裂解死亡。Li 等[33]在廈門水域分離到一株溶藻細菌Chitinimonas prasinaLY03，該菌株可通過鞭毛接觸黏附于Thalassiosira pseudonana藻細胞上，隨后產生幾丁質酶溶解藻細胞壁，導致藻細胞裂解死亡。部分細菌可以通過寄生于藻細胞內將其殺死，Burnham 等[34]發現蛭弧菌能夠寄生在席藻體內，攝食席藻體內的營養物質，并影響其正常的生理代謝，最終導致席藻的裂解。

溶藻細菌主要通過分泌胞外活性物質發揮間接控藻作用[35]。部分芽孢桿菌、弧菌、鞘氨醇單胞菌、交替單胞菌和假交替單胞菌等可以分泌胞外活性物質（蛋白質、氨基酸、多肽、抗生素、生物堿等），這些物質可以通過影響藻細胞光合作用、抑制色素合成、引起氧化損傷、擾亂胞內正常離子代謝等多種途徑作用于藻類，促使其溶解死亡[36]。王瓊[37]從富營養化的養殖水體中分離得到一株側孢芽孢桿菌(Bacillus laterosporus)SK-1，其菌體細胞對銅綠微囊藻的抑制效果不顯著，而無菌上清濾液則有極強的抑藻作用，隨后對無菌濾液進行了成分分析，發現該菌株發揮溶藻作用的胞外活性物質為親水性蛋白質。此外，不動桿菌屬部分細菌可以通過吸收水體中營養物質與藻類形成競爭關系，在沒有外源營養物補給的情況下，藻類因營養鹽不足而死亡[38]。

1.4 真菌

真菌主要通過分泌胞外化合物溶解藻類，如枝頂孢屬(Acremonium)和翅孢殼屬(Emericellopsis)能分泌頭孢菌素C，通過抑制藍藻細胞壁中肽聚糖的形成發揮溶藻作用[39]。左進城等[40]從28 株大型海藻的共生真菌中篩選出了4 株菌株，其粗提物均能顯著抑制水華魚腥藻和銅綠微囊藻的生長，并從其次生代謝產物中分離到32 種具有抑藻活性的單體化合物。Jia 等[41]的研究發現，真菌也可以通過與藻細胞的接觸直接將其溶解，冷杉附毛孔菌(Trichaptum abietinum) 1302BG 可以通過菌絲接觸多種銅綠微囊藻和水華微囊藻，48 h 內即可在其細胞外形成黏膜將其包裹溶解。

1.5 放線菌

放線菌是一類廣泛分布的有分枝傾向，或可能形成分枝菌絲和分生孢子的好氣菌。目前發現部分鏈霉菌屬(Streptomyces)有良好的抑藻效果[42-44]，如細黃鏈霉菌(S.microflavus)、球孢鏈霉菌(S.globisporus)、滅癌素鏈霉菌(S.gancidicus)和灰霉素鏈霉菌(S.griseinus)。放線菌可以通過釋放胞外化合物來抑制藻類的生長或直接導致藻類死亡。Choi 等[45]從韓國Juam 湖的沉積物中分離得到一株鏈霉菌(Streptomyces neyagawaensis)，該菌株可以通過分泌胞外化合物有效抑制水華微囊藻的生長，抑制率高達84.5%，同時，該菌株對水華魚腥藻和顫藻的生長均有一定程度的抑制作用。徐耀波等[46]從某富營養化景觀池塘岸邊的土壤中分離得到了一株馬來西亞鏈霉菌(Streptomyces malaysiensisF913)，發現該菌株的發酵液能夠顯著抑制銅綠微囊藻FACHB-905 的生長。

2 植物法

植物法控制藍藻水華主要有化感作用和競爭作用2 種方式（圖1）。化感作用是指通過與周圍生物群落穩固的化學作用關系抑制水體中有害藻類的生長；競爭作用主要通過利用水生植物與有害藻類爭奪營養鹽、陽光、氧氣等，限制有害藻類的生長。

2.1 化感作用

植物可以通過在自身生長發育過程中，經由莖葉揮發、莖葉淋溶、根系分泌及植物殘株的腐解等途徑，向環境中釋放化感物質來影響周圍藻類的生長和代謝。利用植物的化感作用治理藍藻水華主要有3 個途徑：1）將活體水生植物栽培到待處理的水體中，利用活體植物釋放的酚類、低分子有機酸、脂肪酸和萜類等化感物質來抑制有害藻類的生長[47]。Nakai 等[48]發現，在營養和光照充足的條件下，狐尾藻(Myriophyllum)釋放的化感物質能有效抑制與其共培養的銅綠微囊藻的生長。此外，也有研究表明，水生植物產生的化感物質可以破壞藻細胞的細胞膜，影響其光合活性，甚至影響其體內某些酶的活性，最終抑制其生物量的增加[49]。2）將植物干燥后放入水體中，利用其浸泡后產生的物質選擇性抑制某些藍藻的生長。蘇文等[50]發現，水稻秸稈浸泡液可以選擇性抑制產毒銅綠微囊藻FACHB-912、非產毒銅綠微囊藻FACHB-469、產毒水華魚腥藻FACHB-245 和魚害微囊藻FACHB-1 294 的生長，并且發現產毒藍藻對水稻秸稈浸泡液的敏感性高于非產毒藍藻。3）從水生植物中提取化感物質，將其投放到藍藻水華水體中。何連生等[51]發現，白洋淀荷花莖和葉的水浸提液可以抑制銅綠微囊藻的生長，且荷花葉水浸提液的抑藻效果優于莖水浸提液。然而，目前由于提取的物質活性不穩定、不持久以及提取成本偏高，該類方法在實際應用中難以普遍推廣[52]。

2.2 競爭作用

大型水生植物與有害藻類共生于同一個水生態系統中，彼此間存在著對營養、光照等生存條件的競爭。一方面，通過大型水生植物對營養元素的強勢占有，可以達到降低水體富營養化、抑制浮游藻類生長和凈化水質的目的[53]；另一方面，大型水生植物可以通過自身的新陳代謝改變水體的透明度、pH 和堿度等，調節水生生態系統的結構，從而達到控制藻類生長、抑制水華的目的[54]。現階段，利用競爭作用治理水華的重要方式是植物浮床，該方法是水污染治理與水生態修復中的一種常見技術，自20 世紀80 年代以來，已在歐美國家推廣應用并取得了良好的效果。植物浮床通常選擇根系發達、適應性強并具有一定經濟價值的植物[55]，常用種類有香根草(Vetiveria zizanioides)、黃菖蒲(Iris pseudacorus)和西芹(Apium graveolens)等。目前，我國部分水華水體中已引入植物浮床技術，如三峽庫區的部分富營養化支流[56]。植物浮床對水體中的氮、磷營養鹽有良好的去除作用，可降低藻類生長的營養供給，同時促進水體中魚類的生長，增加藻類捕食者的數量，抑制水華的發生[55]。

3 水生動物法

水生動物控藻主要是利用魚類、浮游動物、底棲動物等水生動物的攝食行為來直接或間接控制藍藻水華，主要包括經典生物操縱法和非經典生物操縱法（圖1）。

3.1 經典生物操縱法

經典生物操縱法由Shapiro 等[57]于1976 年提出，指通過放養肉食性魚類或者直接捕殺水體中以浮游動物為食的魚類，調整魚類種群結構，以此減少牧食性浮游動物的天敵，增加水體中牧食性浮游動物的生物量，從而增加藻類的生存壓力，降低藻類的生物量。該方法通過發揮浮游動物的生態功能來達到消除藍藻水華的目的，即通過調節食物鏈上層，對下層藻類產生影響，因此被稱為“下行效應”。目前，該法已經成為歐美地區許多湖泊水質管理的日常辦法。盡管經典生物操縱法在控制湖庫水體浮游植物總量方面具有一定的效果，但也存在諸多弊端。首先，浮游動物種群數量一般不大，對浮游植物的攝食能力有限；同時，浮游動物攝食藻類具有選擇性，未被攝食的藻類可能再次誘發水華的暴發。劉建康等[58]發現，浮游動物難以攝食絲狀藻類和群體藻類（如微囊藻群體），一段時間后，未被牧食的藻類生物量會急速增加。此外，水生食物網的營養關系復雜，“下行效應”假說認為，隨著營養級的遞減，下行作用逐漸減弱，據McQueen[59]報道，在魚食性魚類與浮游動物食性魚類之間存在的下行作用占100%，在浮游動物食性魚類與浮游動物之間存在的下行作用占88%，而在浮游動物與浮游植物之間存在的顯著下行作用占64%，因此，通過下行作用控制浮游植物的種群規模往往無法如期實現。

3.2 非經典生物操縱法

鑒于經典生物操縱法在我國湖庫水華治理過程中的局限性，劉建康等[58]提出了利用食浮游植物的魚類和軟體動物直接控制藻類的非經典生物操縱法，并在武漢東湖成功應用。相比于經典生物操縱法，該方法可以濾食毫米級的藻類，同時，利用的操縱生物往往可以被打撈出水體，實現水體中氮、磷等營養鹽的移出，從而改善水質。目前，該方法使用較多的操縱生物包括各種濾食性的魚類和貝類生物。

3.2.1濾食性魚類

目前，在控制藍藻水華方面研究最多的濾食性魚類是鰱魚和鳙魚。在武漢東湖進行的圍隔試驗結果表明，放養鰱、鳙的密度達到50 g/m3時，就能控制藍藻水華的發生[58]。鄭君等[60]在于橋水庫開展的生物操縱控藻工程表明，在投放鰱魚、鳙魚和草魚的比例為2:2:1 且魚類密度≥10 g/m3時，可以顯著控制夏季高溫期水庫中的優勢種屬微囊藻，去除率可達45%～50%。與其他魚類相比，鰱魚和鳙魚具有鰓耙、鰓耙網、鰓耙管和腭皺等特殊的濾食器官，能夠攔截大于鰓孔的藻類并將其送入消化道中。同時，相比于大型浮游動物只能濾食40 μm 以下的浮游植物，鰱魚和鳙魚能濾食水環境中10 μm 至數mm 的浮游植物[61]。此外，鰱魚和鳙魚對藻毒素具有耐受性，Xie 等[62]的研究表明，鰱魚對微囊藻毒素MCRR 和MC-LR 的日攝食量分別為1 202～4 807 和681～726 μg/kg，且在此種攝食情況下，鰱魚能至少存活80 d。盡管鰱魚和鳙魚等魚類可通過濾食方式在一定程度上控制藍藻水華，但其并不能完全消化攝入的藍藻細胞，未被消化的藻細胞會隨糞便排出體外，回到水環境中。張國華等[63]的研究表明，鰱魚和鳙魚對微囊藻的消化利用率僅為25%～30%；王銀平等[64]認為，鰱魚和鳙魚單次濾食未對微囊藻造成生理上的致命損傷，隨糞便排泄而再次進入水體的藻細胞由于超補償生長，其光合活性及生長速率能夠在短期恢復甚至顯著增強，有加速水華發生的潛在可能。

3.2.2濾食性貝類

近年來，操縱貝類生物控制藍藻等浮游藻類水華的報道屢見不鮮。其中，歐美國家利用斑馬貽貝（Dreissena rostriformis bugensis）等調控內陸水體藍藻水華，并取得了良好的效果。如Waajen 等[65]在荷蘭布雷達市一個富營養化池塘中開展了為期14 d 的試驗，結果表明：投加斑馬貽貝后水體總葉綠素a 和藍藻葉綠素a 濃度（分別為2.4 和1.0 μg/L）均顯著低于未投加斑馬貽貝的對照組（分別為84.1 和7.3 μg/L）；水體透明度顯著提升，處理組達到0.8 m以上，而對照組僅為0.57 m；斑馬貽貝的加入有效改善了水體環境，抑制了水華的發展。

我國研究得較多的貝類控藻生物包括椎實螺(Lymnaeasp.)、銅銹環棱螺(Bellamya aeruginosa)、河艦(Corbicula fluminea)和三角帆蚌(Hyriopsis cumingii Lea)等。歐陽珊等[66]指出瓣鰓類軟體動物可以直接濾食水體中的藻類，如三角帆蚌可以通過濾食作用，攝食富營養化池塘中的大部分藻類。潘建林等[67]在太湖梅梁灣設置了20 個圍隔，分別研究了太湖土著貝類褶紋冠蚌(Cristaria plicata)、三角帆蚌和湖螺(Bellamya dispiralis)的控藻作用，結果表明：3 種貝類均能顯著降低水體的葉綠素a 濃度；試驗開始108 h 后，各試驗組水體透明度平均提高至對照組的2.3 倍，且試驗組未出現水華，對照組約有1/10 的水面出現了水華；褶紋冠蚌處理組藍藻特別是微囊藻的生物量極顯著下降，水華被顯著抑制。

然而，該方法也存在與以濾食性魚類為操控生物相同的問題，即貝類無法完全消化藍藻細胞。屈銘志等[68]指出，銅銹環棱螺將未消化的藻細胞以被糞便包裹的方式排出體外，經檢測，其中具有典型生理結構和活性的微囊藻占據了糞便量的93%，當糞便解體后，未死亡的微囊藻會重新進入水體，引起水華的二次暴發。但是，如果水體中存在一定量的泥沙，泥沙會對糞便進行包裹，由于泥沙的包裹性較強，70 h 后才會出現半數糞便解體，此時，糞便中的微囊藻大部分已經死亡或者失去活性，不容易引起二次水華。同時，三角帆蚌也無法完全消化攝入的藻類，其對微囊藻、隱藻、裸藻的消化率分別為63.8%、41.1%和46.5%[69]。

4 結語與展望

（1）微生物法治理水華特異性強且對于環境友好，通常不會引起二次污染；且微生物繁殖能力強，可以大量培養獲得。然而，由于不同微生物對不良環境的抗性差異很大，目前仍無法在天然水體中大規模應用微生物法控制藍藻水華。基于目前的試驗技術和手段，可以從以下幾個方面著手開展研究：1）盡量使用從本地污染水體中分離出的抑藻微生物，其對環境的良好適應性有利于提高控藻效果；2）對實驗室培養出的微生物進行一段時間馴化，使其適應實際水環境后再投入自然水體；3）可以通過基因工程的方法定向誘變，不斷地培育和優化抑藻微生物，提高其對環境的適應性，使其可以更好地應對實際水華治理中的各種惡劣環境，發揮抑藻作用。

（2）植物法治理水華一方面通過植物的生理活動消耗水體中的營養鹽，限制藻類生長；另一方面通過分泌化感物質抑制藻類的生長。對于化感作用途徑來說，水華抑制效果與植物排放化感物質的效率、水體中化感物質的濃度、化感物質的化學性質、化感物質的具體毒理機制以及目標藍藻的種類息息相關；而對于競爭作用途徑，目前常用的植物浮床載體容易損壞，無法長期支撐植物吸收水中的營養物質，載體的分離、降解或者腐敗會導致其失去作用。基于目前存在的具體問題，未來針對植物法控制藍藻水華的研究可聚焦于以下幾個方面：1）如何提高植物釋放化感物質的速率；2）如何提高自然水體中化感物質的濃度；3）研究化感物質的生化和毒理性質；4）研究化感物質與目標藍藻的作用機制；5）開發植物浮床的新載體。

（3）浮游動物、魚類和貝類生物控制藍藻水華的方法有相似之處，它們都可以通過攝食作用消除轉化水體中的藍藻細胞，然而卻都不能完全消化藻細胞；它們均需在水體中達到一定的生物量，才能起到明顯控制藍藻水華的作用。但不同操控生物由于其自身大小和食性的差別，對藍藻細胞的濾食范圍和種類有所不同，此外，在我國通過操控浮游動物有效控制藍藻水華的報道較為鮮見，而使用貝類和魚類控制水華的報道眾多。鑒于目前各類操縱生物均不能完全消化藻細胞的困境，未來應該著力研究如何處理未被生物消化的藻細胞，并開發和利用新的控藻動物，特別是土著水生動物資源的開發，將有利于穩定水生動物除藻的效果，也能一定程度上避免生物入侵。

此外，單一運用某一種生物方法治理水華的效果往往是有限的，未來研究可聚焦于多種生物方法聯用，提出能夠徹底清除藍藻水華的方法。