溶藻细菌控制蓝藻藻华的研究进展

杨秋婵，曾玉林

（1.广东中微环保生物科技有限公司，广东 东莞 523000；2.广东东日环保股份有限公司，广东 东莞 523000）

蓝藻，又名蓝细菌，是一种最原始、最古老的藻类植物，是光能自养型原核生物[1]。随着城市化进程的不断加快，水中富集了大量的营养元素（尤其是氮和磷），导致水体出现富营养状态，发生蓝藻藻华[2]。为了有效控制蓝藻，目前国内外主要采用的方法有物理法、化学法和生物法[3]。物理法是采用物理手段将藻与水体分离或者直接杀死藻类的方法。化学法是通过投加化学药剂如硫酸铜、过氧化氢、表面活性剂、次氯酸钠等杀死藻体细胞。生物法是利用细菌、病毒、浮游动物、水生植物等杀死藻细胞。由于生物法具有高效、专一、无二次污染等优点，成为国内外学者的研究热点。本文利用分析溶藻细菌控制蓝藻藻华的研究进展及应用过程中存在的问题，对溶藻细菌今后的研究方向和工程应用提出了建议。

1 溶藻细菌

溶藻细菌是指可以抑制藻细胞生长或者溶解藻细胞的一类细菌。目前，研究报告显示出溶藻细菌有黏细菌（Myxobacter）、交替假单胞菌（Pseudoalteromonas）、嗜胞菌属（Cytophaga）、鞘广醇单胞菌（Sphingomonas）、纤维弧菌属（Cellvibrio）、反消化产碱杆菌（Alcaligenes denitrificans）、结杆菌属（Arthobacter）、屈挠细菌属（Flexibacter）、交替单胞菌（Alterononas）、蛭弧菌（Bdellovibrio bacterious）、弧菌（Vibrio）复生螺旋体属（Saprospira）杆菌（Bacillus）、黄杆菌属（Flavobacterium）等。这些细菌大部分为革兰氏阴性菌，既可以对蓝藻起到促进作用，也可抑制硅藻和甲藻的生长，还可以调节微型藻的种群密度。

2 溶藻方式

溶藻细菌的溶藻方式为：（1）直接溶藻，溶藻细菌直接接触藻体细胞导致藻细胞溶解而死亡；（2）间接溶藻，是指溶藻细菌通过释放某种化学物质导致藻细胞死亡。

直接溶藻是基于溶藻细菌和藻类之间的接触。其方式为：SHILO M[4]分离得到一株黏细菌在与支原体紧密接触的前提下杀死单细胞和丝状支原体。例如，细菌MY-1就是通过直接溶藻方式溶解鱼腥藻（包括异细胞和静息孢子）。

间接溶藻是通过分泌多肽、酶、蛋白质、抗生素、氨基酸等胞外活性物质来溶解藻体细胞，目前发现的的多数溶藻细菌都是通过间接方式来杀死藻细胞的，现已报道的溶藻细菌及其作用方式详见表1。

表1 溶藻细菌种类及溶藻方式

3 溶藻机理

溶藻细菌抑制藻细胞的生长主要方式是：破坏藻细胞结构、竞争营养物质、抑制藻细胞进行光合作用，其作用机理详见图1[2]。

图1 溶藻细菌作用机理

3.1 破坏藻细胞结构

研究表明，部分溶藻细菌可以破坏藻细胞的结构，如损伤叶绿体、固缩染色体、从而使线粒体液泡化，破坏细胞膜的完整性，最终导致藻体细胞死亡。李蔷[5]研究发现B1芽孢杆菌可通过分泌胞外活性物质对球形棕囊藻细胞壁产生侵蚀，使其出现漏洞，进一步对细胞质进行消融，达到破坏细胞质的结构。韩贝贝[6]等发现噬盐杆菌作用于中肋骨条藻时，可使细胞链状结构发生断裂，然后使细胞以单细胞形态存在且增加其单细胞长度，最终导致细胞原生质体在细胞一端形成泡状后逐渐膨胀破裂。

3.2 竞争营养物质

溶藻细菌可以吸收转化水体中的氮、磷营养物质，促使自己快速繁殖等，从而降低水体中的氮、磷浓度，导致藻体因缺少营养而死亡。有研究表明，变形杆菌数量在共生环境中增加一倍，甲藻对营养元素的获取能力会降低三分之一。Su等[7]研究表明，不动杆菌J25在去除硝酸盐氮的同时，对铜绿微囊藻叶绿素a 的去除率为87.86%。

3.3 抑制光合作用

在溶藻细菌的胁迫下，藻细胞会产生大量的过氧化氢、羟基自由基、超氧阴离子自由基等活性氧机团（ROS），这些有害活性氧自由基可破坏藻细胞的完整性，诱导细胞发生过氧化反应，使细胞受到损伤。例如，ROS也会干扰细胞内多种物质的合成，包括糖类、色素、脂类、蛋白质、DNA等。其中，色素是藻细胞进行光合作用的保障。而叶绿素a和类胡萝卜素是与光合作用密切相关的色素：①叶绿素a可通过吸收光能，将CO2转化为碳水化合物，作为藻细胞生长的必需生长因子；②类胡萝卜素具有传递光能的功能，在藻细胞光合作用中发挥着重要作用。

有研究表明，在溶藻细菌的作用下，藻细胞内色素含量会降低，由此，藻细胞光合作用受到限制。于海涛等[8]研究表明，蜡样芽孢杆菌（Bacilluscerus）的胞外活性物质可改变水华鱼腥藻光合色素的相对含量，降低其叶绿素a，增加类胡萝卜素和藻蓝蛋白，从而影响光系统Ⅰ（PSІ）和PSП中的分配，导致光合作用效率降低。

4 溶藻物质

大多数溶藻细菌通过分泌胞外活性物质来间接溶解藻细胞。截止目前，已经分离得到的溶藻活性物质有抗生素、多肽、氨基酸、蛋白质、表面活性剂等。

4.1 抗生素

Nakashima[9]等发现γ-变形杆菌MS-02-063可分泌灵菌红素，对赤潮异弯藻有强烈的溶藻作用。铜绿假单胞菌可产生一系列抗生素物质，如吩嗪色素、糖脂类、PYO（脓化合物），有研究表明，铜绿假单胞菌通过释放琼脂扩散性吩嗪色素抑制藻细胞的生长。Qian[10]等研究发现0.28 μg/mL的链霉素能有效抑制绿藻的生长，低浓度的链霉素可促进藻体细胞产生大量活性氧，增加抗氧化物酶的合成，增加丙二醛含量，导致细胞膜破坏而引起细胞的死亡。此外，链霉素也会对藻类的呼吸作用产生影响，妨碍藻细胞进行光合作用。

4.2 多肽

Seong-Yun Jeong等[11]提取芽孢杆菌SY-1分泌的胞外活性物质，再通过二维NMR技术进行分析，最后鉴定为一种多肽，该物质对环旋沟藻有显著的溶藻效果。而Imamura[12]分离出一株鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas sp.），该菌株通过分泌一种五肽（C32H62N12O8）来溶解微囊藻细胞，它在12 ng/mL和100 ng/ mL时对绿色微囊藻和铜绿微囊藻具有很强的溶藻活力。

4.3 蛋白质

卢露[13]等从广州流花湖分离获得一株肠杆菌属，该菌株是通过分泌胞外活性而间接溶藻。三维荧光光谱表明，活性物质为类腐殖酸、类富里酸和类蛋白类物质，在该活性物质作用下，藻细胞膜脂过氧化损伤严重，SOD、CAT、APX活性先上升后下降。而Lee等[14]分离得到的细菌A28是一株假交替单胞菌，能抑制骨条藻的生长，其上清液经过10000 MW超滤、加热、离子交换层析和制备凝胶电泳等技术方法获得均一的蛋白酶，分子量为50 KDa，并经鉴定是一种胞外丝氨酸蛋白酶。

4.4 氨基酸

Zhao等[15]从B1芽孢杆菌胞外活性物质中分离得到四种氨基酸：邻酪氨酸、尿氨酸、N-乙酰组胺酸和L-组氨酸，这四种氨基酸对中肋骨条藻、东海原甲藻、球形棕囊藻、赤潮异弯藻等具有很强的溶藻活性。K.Yoshikawa等[16]从日本西南的海域水样中分离出一株弧菌C-979，其菌株胞外活性物质经质谱、红外光谱及核磁共振光谱（NMR）等鉴定分析，确定这种活性物质为亲水性的B-氰基-L-丙氨酸。

4.5 生物碱

Kodani[17]等从假单胞菌（Pseudomonas sp K 44-1）分泌的胞外活性物质中提取出胞外活性物质，经紫外、核磁共振等手段鉴定为哈尔满碱（Harmane），该物质能够特异性杀死多种蓝藻。Nodularia harveyana 和 Nostoc insulare可分泌出溶藻活性物质生物碱9H-吡啶（3，4-b）吲哚和4，4’-二羟基联苯，能有效溶解螺旋藻 Laxissima细胞[18]。

4.6 含氮化合物

Paul等[19]分离获得的一株溶藻细菌硝化细菌—节杆菌（Arthrobacter sp.），该细菌通过氧化胺或其它还原性的含氮化合物时释放羟胺对小球藻起抑制作用。

5 总结

近年来，国内外对溶藻细菌、溶藻方式、胞外活性物质等研究更加深入，但在试验阶段能起到很好的溶藻效果，可在实际应用中却效果欠佳。为推动溶藻细菌在实际工程中的应用特此提出几点建议：（1）力争通过诱变筛选、高通量筛选等技术获得效果高、环境耐受力更强的菌种；（2）增强菌株发酵产能，充分利用发酵工程技术，提高发酵过程微生物量及活性物质的含量；（3）利用固定化技术来提高菌种的浓度，提升菌种在环境中的抗冲击能力。