微生物抑藻及其抑藻机制研究进展

熊露露，梅齐诚，张鑫洋，刘天浩，孙好芬

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

近年来，由于工业化进程的加快和人口的持续增长，水体富营养化已经成为全球大范围内普遍现象[1]，微生物所需的氮、磷等营养元素大量进入的湖泊水库、海湾等水体，引起藻类及其他浮游生物迅速增殖，同时水华、赤潮中占优势的藻类可产生大量且毒性较强的毒素，破坏生态系统的结构与平衡，对人类生存环境、水产养殖等构成不可逆的威胁[2-3]。蓝绿藻等有害藻类大量、快速滋生是水体富营养化的重要表征，其阶段性暴发是水体富营养化最常见的现象[4]。因此，如何消除水华、赤潮中有害藻类的暴发性增长已经成为了水处理中亟待解决的关键问题。

1 生态控藻

目前，国内外应对赤潮、水华的常见生态控制方法主要分为三种，分别是物理控藻、化学控藻和生物控藻[5]。物理控藻方法主要有引水换水、底泥疏浚、遮光法、黏土絮凝沉降、超声波控藻法等，但是因为不治本、造价高、操作复杂等因素而无法深入推广。化学控藻法是目前使用频率最多且见效最直接的处理办法[5]，包括化学药剂法、电化学法、光催化降解法等，但因其副作用和高能耗也不能长期使用。

与化学和物理控藻相比，由于生物控藻具有成本低、无污染、低能耗、可持续性等优点，现已成为防治赤潮和水华的新研究方向。华烨等[6]采用食藻虫控藻引导无锡泰滨生态系统的成功修复；彭玉辅等[7]通过食藻原生动物和微生物的溶藻作用来防治有害藻类的爆发；刘学刚等[8]结合“水生植物浮床与滤食性鱼类(如鲢鱼、鳙鱼)”联合的生物调控法抑制蓝藻；罗智伟等[9]从南美白对虾中分离出的一株陶厄氏菌AB-3对水华束丝菌、鱼腥藻等蓝藻均有较强的抑藻作用，为抑藻菌控制养殖水体中水华提供菌种资源；李东等[10-11]筛选的海洋高效溶藻弧菌BSO2、BSO3对塔玛亚历山大藻的杀菌效果具有一定浓度效应，在一定浓度梯度内处理浓度越高，对应的溶藻效果越佳；施丽丽等[12]采用黄花水龙这类可通过茎叶根系的牵连作用形成自然浮岛的植物，在改善水质的同时解决生态浮岛技术的载体材料二次污染问题；洪喻等[13]分析和总结了水生植物分泌的化感物质如简单酚类、黄酮类、脂肪酸类等对藻类的抑制机理及研究重点；孙雪梅等[14]从狐尾藻中分离出的焦性没食子酸在较低 (0.5mg/L)浓度下就可以产生氧化胁迫效应，进而抑藻。郑宁宁[15]从海洋环境及陆地环境筛选分离出14株对米氏凯伦藻具有抑制作用的细菌，显著抑制赤潮微藻生长。

2 微生物控藻技术

相较于植物竞争营养和食藻原生动物抑藻效果有限，微生物控藻技术因其效果明显、种属特异性高和环境友好等特征[16]而逐渐得到重视。利用微生物中的真菌、细菌及放线菌等进行藻类控制，是调节有害藻类种群爆发的重要手段。

一些真菌可以通过释放维生素抑制赤潮微藻生长，例如，郑宁宁[15]等发现青霉菌分泌的青霉素可抑制组囊藻的生长；方元奕[17]等发现乳酸菌对铜绿微囊藻具有良好抑藻效果，且抑藻率随其浓度梯度的增加而增加。

由于细菌与水体中的蓝藻关系密切，因此细菌抑制水华藻类的研究报道较多。细菌在水生生态系统中，有一类溶藻细菌在调节藻类种群发挥极为重要作用[15]，此种溶藻细菌能够以直接或间接途径抑制藻类生长、或者杀死藻类甚至裂解藻细胞[18]。

除此之外，某些病毒能直接感染赤潮微藻，如丝状蓝藻被病毒感染后，病毒迅速复制并释放大量病毒粒子，最后藻细胞被逐步瓦解[19]。放线菌属中含有多种抑藻菌种，陈旭清等[20]发现放线菌在设置的浓度梯度中对铜绿微囊藻有良好的抑制效果。

3 微生物抑藻机制初探

微生物抑藻作用方式主要有两种：直接溶藻指溶藻微生物直接与藻细胞接触，释放纤维素溶解酶而溶解藻细胞或入侵藻细胞，最终导致藻细胞凋零死亡[21]，如李东[11]通过实验表明海洋溶藻弧功能细菌可直接接触藻细胞使得其结构裂解死亡。间接溶藻即抑藻微生物通过分泌抑藻或溶藻物质对藻细胞结构进行破坏，韩贝贝等[22]发现噬盐杆菌上清液中的溶藻物质可显著抑制中肋骨条藻对细胞正常新陈代谢，最终藻细胞破裂而死。还有通过直接和间接途径交替偶联抑藻，喻融等[23]认为类蛭弧菌Y对蓝藻的抑藻机制是两种方式的共同作用；乔镜澄等[24]发现溶藻菌Q1在对数生长期开始分泌某种胞外产物，间接作用于水华鱼腥藻和铜绿微囊藻等有害蓝藻类。多数抑藻菌是通过与微藻竞争营养或向环境释放抑藻活性物质的间接溶藻方式抑制或杀死微藻，此种抑藻活性物质为蛋白质、多肽、脂肪酸、抗生素、吲哚醌等[25]。

目前微生物的活性物质抑制微藻的机理大致可总结为以下几类：

3.1 损害藻细胞细胞膜

微生物分泌的抑藻活性物质可作用于藻细胞细胞膜结构，从而去除微藻[1，3]。吕意平等[26]用菌株LY01分泌的胞外活性物质处理塔玛亚历山大藻细胞，发现在短时间内即刻出现质壁分离现象，其细胞壁完整性遭破坏，藻体细胞逐步裂解死亡；吴黎明[27]从生防芽孢杆菌中筛选得到的解淀粉芽孢杆菌FZB42对铜绿微囊藻抑制效果最佳，其中关键抑藻活性物质为bacilysin，通过电镜观察到该种活性物质可破坏目标藻细胞的细胞器膜系统。

3.2 破坏藻细胞的生理生态功能

微生物活性物质易进入目标藻细胞内部，破坏叶绿素和其他光合色素，抑制光合作用或阻碍电子传递，进而破坏藻体正常的生理生态功能[28]。于晓娟等[29]发现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过破坏叶绿素来抑制藻类光合作用；Dakhama等[30]发现铜绿假单胞菌分泌的溶藻物质为抗生素类色素物质-1-羟基吩嗪(1-hydroxyphena-zine)和氧绿菌素(Oxychlorora- phine)，其活性物质对试验的蓝、绿藻细胞内电子传递有强烈的抑制作用。丁宏艳[21]发现从溶菌藻LY03中提取的杀藻活性物质不仅使藻细胞结构受损严重，而且大程度地破坏藻细胞的光合系统，导致其无法进行光合作用。

3.3 诱导细胞内活性氧

当藻细胞受到外界环境的干扰时，如营养缺乏、高温缺水或渗透压剧变时，胞内会产生大量的活性氧自由基(ROS)[21]。正常的藻细胞抗氧化系统会清除体内多余的活性氧以保证光合作用和活性作用的生理生化活动，而过量的ROS会诱导藻细胞发生脂质过氧化反应，破坏细胞膜完整性的同时干扰胞内多种大分子物质如蛋白质、脂肪酸等的合成，最终导致目标藻细胞裂解死亡[31]。张维昊等[32]发现从菖蒲提取的活性物质降低了铜绿微囊藻胞内蛋白质含量，从而使超氧化物歧化酶SOD、膜脂过氧化产物MDA和过氧化氢酶CTA等抗氧化系统酶活性增加，造成藻细胞死亡。Liu[33]等发现掌状红皮藻在受到外界环境的刺激时，胞内ROS会显著升高，过量ROS可能引起细胞质膜的氧化损伤，改变细胞膜的通透性而影响细胞的正常代谢和细胞内外的渗透压。

3.4 阻碍藻细胞的基因表达

当藻细胞受到环境中某种不利因素胁迫时，活性物质会诱导藻细胞内的某些基因表达下调，破坏其DNA的复制和RNA的转录，从而阻碍藻细胞的遗传表达和细胞分裂增殖。Wu等[34]在进行马来眼子菜对铜绿微囊藻溶藻效果实验中，发现得到的处理组与对照组蛋白质分析结果差别较大，一些蛋白有明显下调现象。吴黎明等[27]用解淀粉芽孢杆菌FZB42的活性物质bacilysin处理铜绿微囊藻后，检测发现构成细胞壁重要组分的基因glms连续发生下调表达，编码光合作用系统Ⅱ的基因psb AI、参与细胞分裂过程的基因fts Z均在显著性下调。张小倩等[35]研究短短芽孢杆菌的无菌液对铜绿微囊藻的抑藻活性时，发现短短芽孢杆菌B15分泌的小分子物质化合物会抑制目标藻细胞的光合作用，并遏制其细胞分裂增殖。

4 展望

用微生物控制藻类生长是目前解决水华、赤潮频繁暴发的新兴技术。但是目前活性物质抑藻的研究多针对如铜绿微囊藻、塔玛亚历山大藻等单一藻类，且抑藻菌多停留在模拟阶段，鲜有高效应用于有害藻类暴发水域；对真菌、放线菌等的微生物抑藻研究甚少；大部分微生物抑制微藻的机理和影响因素仍未浅显，抑藻微生物分泌的活性物质其安全生态性能、遗传信息的解析、化学结构等尚不清楚。研究微生物活性物质的性质结构、溶藻机理、抑藻效果及副作用等等对于治理水体藻类暴发式增长有着重要意义，将会成为未来研究的重点课题。