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溶藻細(xì)菌及其溶藻活性物研究進(jìn)展*

2016-03-13 04:43
環(huán)境污染與防治 2016年9期
關(guān)鍵詞:溶藻微囊體細(xì)胞

劉 萍

(濱州學(xué)院資源環(huán)境系,山東 濱州 256600)

有害藻華(HABs)包括海洋赤潮和淡水水華,自20世紀(jì)70年代起,被公認(rèn)為是世界范圍的水生態(tài)污染問(wèn)題之一。當(dāng)HABs發(fā)生時(shí),水生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。由于大量藻類死亡,消耗水體氧氣,需氧生物因缺氧大量死亡,不僅嚴(yán)重危害到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),與水體相關(guān)的旅游行業(yè)也受到牽連。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)每年由于HABs造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾十億美元[1]。不僅如此,迅速繁殖的有毒藻類會(huì)向水環(huán)境釋放大量毒素,這些毒素可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,進(jìn)一步對(duì)人類健康造成威脅。

HABs在全球范圍內(nèi)的發(fā)生率仍然在持續(xù)增長(zhǎng),發(fā)生HABs的水域包括海洋、湖泊以及內(nèi)陸水庫(kù),比如非洲的維多利亞湖、北美洲的伊利湖、歐洲的波羅的海和亞洲的太湖等[2]。因此,迫切需要有效且環(huán)境友好的措施來(lái)治理HABs。早期的HABs治理主要采用物理方法,如利用絮凝劑、黏土等,或進(jìn)行人工打撈、挖掘[3-4],但是物理方法對(duì)HABs發(fā)生面積較大的區(qū)域適應(yīng)性不強(qiáng)。而采用化學(xué)方法,如使用硫酸銅制劑、表面活性劑等[5-6],會(huì)造成環(huán)境的二次污染。近年來(lái),考慮到生態(tài)環(huán)境等因素,環(huán)境工作者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至生態(tài)方法和生物方法,采用大型植物、浮游動(dòng)物或微生物去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素,達(dá)到預(yù)防及治理HABs的目的。溶藻細(xì)菌具有種類多、繁殖快、分布廣、代謝類型多樣等特點(diǎn),且專一性強(qiáng)、高效、二次污染低、環(huán)境友好、成本低廉,越來(lái)越受到環(huán)境工作者的重視;而其分泌的溶藻活性物也備受關(guān)注,越來(lái)越多的溶藻活性物被分離純化,為溶藻仿生制劑的研發(fā)提供了新的契機(jī)。本研究綜述了溶藻細(xì)菌類群、溶藻活性物、溶藻作用方式及溶藻機(jī)制的最新研究進(jìn)展,并對(duì)溶藻細(xì)菌的研究提出展望。

1 溶藻細(xì)菌類群

溶藻微生物是指能通過(guò)直接或間接的方式,抑制或溶解藻體細(xì)胞的一類微生物的統(tǒng)稱,包括細(xì)菌、真菌、病毒以及原生動(dòng)物等類群。其中,溶藻細(xì)菌包括真細(xì)菌、放線菌和螺旋體等3類。迄今為止,已報(bào)到的溶藻細(xì)菌包括交替單胞菌屬(Alteromonassp.)、芽孢桿菌屬(Bacillussp.)、黃桿菌屬(Flavobacteriumsp.)、微球菌屬(Micrococcussp.)、動(dòng)性微球菌屬(Planomicrobiumsp.)、假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonassp.)、假單胞菌屬(Pseudomonassp.)、噬纖維菌屬(Cellulophagasp.)、弧菌屬(Vibriosp.)[7]、分枝桿菌屬(Mycobacteriasp.)、鞘氨醇菌屬(Sphingomonassp.)、鏈霉菌屬(Streptomycessp.)、黃單胞菌屬(Xanthobactersp.)、腐生螺旋體屬(Saprospirasp.)[8]、噬細(xì)胞菌屬(Cytophagasp.)[9]、微桿菌屬(Exiguobacteriumsp.)[10]、氣單胞菌屬(Aeromonassp.)[11]、紅球菌屬(Rhodococcussp.)[12]等,目前仍在增加。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育,大部分已知的溶藻細(xì)菌分屬于噬細(xì)胞菌-黃桿菌-擬桿菌(Bacteroidessp.)類群(簡(jiǎn)稱CFB類群),或者分屬γ-變形菌(γ-proteobacterium),少部分是革蘭氏陽(yáng)性菌。利用溶藻細(xì)菌及其代謝產(chǎn)生的溶藻活性物控制HABs的發(fā)生與發(fā)展,在維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。

1.1 海洋溶藻細(xì)菌

塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)是海洋赤潮的主要藻類,其產(chǎn)生的毒素對(duì)海洋貝類具有麻痹作用,是一種危害極為嚴(yán)重的海洋藻類。Mangrovimonasyunxiaonensis菌株LY01的無(wú)菌濾液能夠有效抑制塔瑪亞歷山大藻生長(zhǎng)[13]。短桿菌(Brevibacteriumsp.)的胞外分泌物能夠有效抑制包括塔瑪亞歷山大藻在內(nèi)的多種海洋赤潮藻類的生長(zhǎng)[14]。從中國(guó)東海分離到一株弧菌DHQ25,對(duì)塔瑪亞歷山大藻同樣具有溶藻活性[15]。YANG等[16]分離了一株新的細(xì)菌菌株,隸屬Joostellasp.,對(duì)塔瑪亞歷山大藻表現(xiàn)了很強(qiáng)的溶藻活性,為溶藻細(xì)菌增添了新成員。

鏈狀裸甲藻(Gymnodiniumcatenatum)是海洋赤潮的另一種有毒藻類,其產(chǎn)生的貝類麻痹性毒素可引起大批魚類死亡,還可通過(guò)食物鏈引起食用者中毒,甚至死亡。LIU等[17]從中國(guó)三亞紅沙海灣分離到一株嗜堿鹽單胞菌(Halomonassp.)菌株HSB07,該菌株除了明顯抑制鏈狀裸甲藻的生長(zhǎng)外,還對(duì)多種海洋赤潮藻類具有抑制效果,包括中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)、東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)和赤潮異灣藻(Heterosigmaakashiwo)等。

多環(huán)旋鉤藻(Cochlodiniumpolykrikoides)亦是有毒海洋赤潮藻類之一,在KIM等[18]分離的7株溶藻細(xì)菌菌株中,微球菌屬菌株在接種6 h后,即引起90%以上的多環(huán)旋鉤藻死亡。其他幾株溶藻細(xì)菌的溶藻效果也比較明顯,經(jīng)鑒定分別屬于芽孢桿菌屬、迪茨氏菌屬(Dietziasp.)與兩面神菌屬(Janibactersp.)。

在已報(bào)道的海洋溶藻細(xì)菌研究中,環(huán)境工作者多立足于其對(duì)海洋藻類的溶藻效果研究。筆者在對(duì)海洋溶藻細(xì)菌分離篩選過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)部分海洋溶藻細(xì)菌對(duì)淡水藻類銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)同樣具有溶藻效果,相關(guān)研究正在進(jìn)行。因海洋溶藻細(xì)菌本身具有耐受高鹽度等特點(diǎn),其研究前景可能比淡水溶藻細(xì)菌更加廣泛。

1.2 淡水溶藻細(xì)菌

相比海洋溶藻細(xì)菌的研究,針對(duì)藍(lán)藻(Cyanobacteria)的溶藻細(xì)菌相對(duì)較少。分析原因可能是溶藻細(xì)菌分離篩選過(guò)程中,多采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基或LB培養(yǎng)基,導(dǎo)致某些貧營(yíng)養(yǎng)菌難以培養(yǎng)。在我國(guó)南方,引起淡水水華的有害藍(lán)藻類群主要來(lái)自微囊藻屬(Microcystissp.)、魚腥藻屬(Anabaenasp.)、念珠藻屬(Nostocsp.)以及束絲藻屬(Aphanizomenonsp.)等[19],這些藍(lán)藻皆可釋放有毒代謝物。LIAO等[20]分離了一株新的細(xì)菌,隸屬于腸桿菌屬(Enterobactersp.),對(duì)銅綠微囊藻和柵藻(Scenedesmus)均具有抑制作用。SOMDEE等[21]對(duì)灰橙鏈霉菌(Streptomycesaurantiogriseus)的最佳溶藻時(shí)期進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)溶藻效果依賴于溶藻細(xì)菌的生長(zhǎng)期,而銅綠微囊藻的生長(zhǎng)期對(duì)溶藻效果基本沒(méi)有影響。冠盤藻(Stephanodiscushantzschii)和多甲藻(Peridiniumbipes)多在低溫季節(jié)引發(fā)水庫(kù)和湖泊等小范圍水華,是導(dǎo)致飲水污染的原因之一。JUNG等[22]在由冠盤藻引起水華的水域中分離到一株熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)。而KANG等[23]在低溫水域分離到5株溶藻細(xì)菌,其中兩株為徳氏嗜酸菌(Acidovoraxdelafieldii),而其他3株分別與爭(zhēng)論產(chǎn)堿菌(Variovoraxparadoxus)、變形假單胞菌(Pseudomonasplecoglossicida)和帕氏氫噬胞菌(Hydrogenophagapalleronii)分類地位相近,皆能夠分泌溶藻活性物,對(duì)冠盤藻和多甲藻表現(xiàn)了較強(qiáng)的溶藻活性。這些研究為控制冬季淡水藻華發(fā)生提供了有效的生物方法,也為淡水溶藻細(xì)菌的分離篩選提供了新思路。

1.3 微囊藻毒素降解菌

HABs消退后,水生環(huán)境中可能仍存在微囊藻毒素,引起水體生物大量死亡,給海洋漁業(yè)和淡水養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)重大損失。微囊藻毒素是藍(lán)藻產(chǎn)生的一種具有生物毒性的環(huán)狀七肽化合物,在魚類和哺乳動(dòng)物體內(nèi)均檢測(cè)到該物質(zhì)的存在。大部分微囊藻毒素非常穩(wěn)定,即使藻類死亡后,也會(huì)在水體中穩(wěn)定存在較長(zhǎng)時(shí)間,通過(guò)物理方法或化學(xué)方法也較難去除。微囊藻毒素是一種較強(qiáng)的致癌劑,常表現(xiàn)為對(duì)肝臟的毒害作用,能夠強(qiáng)烈抑制蛋白磷酸酶的活性。過(guò)去的研究報(bào)道多關(guān)注溶藻細(xì)菌對(duì)引起HABs的藻類的去除作用,近年來(lái)環(huán)境工作者開(kāi)始關(guān)注對(duì)微囊藻毒素具有降解作用的溶藻細(xì)菌的研究。KANG等[24]分離到一株銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa),它不僅能誘導(dǎo)銅綠微囊藻死亡,同時(shí)能降解其產(chǎn)生的微囊藻毒素,種屬專一性強(qiáng)。JING等[25]分離獲得一株蒼白桿菌(Ochrobactrumsp.),在室內(nèi)培養(yǎng)能夠有效降解微囊藻毒素-LR。不動(dòng)桿菌(Acinetobacterguillouiae)產(chǎn)生的溶藻活性物同樣對(duì)微囊藻毒素有降解效果[26]。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)溶藻細(xì)菌的研究仍處于初級(jí)階段,主要集中在對(duì)溶藻細(xì)菌菌株分離鑒定、溶藻效果描述以及溶藻活性物特性的研究,大多關(guān)注單一溶藻細(xì)菌溶藻效果的研究,對(duì)混合溶藻細(xì)菌的溶藻效果報(bào)道較少。在自然環(huán)境中,藻類生活環(huán)境比較復(fù)雜,某些細(xì)菌可促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)與繁殖。在促生細(xì)菌存在的條件下,溶藻細(xì)菌的溶藻效果還未有報(bào)道,但對(duì)溶藻細(xì)菌的分離篩選工作仍然是目前溶藻細(xì)菌研究的基礎(chǔ)。

2 溶藻方式

溶藻細(xì)菌的溶藻方式分為直接溶藻和間接溶藻。直接溶藻是通過(guò)溶藻細(xì)菌與藻體細(xì)胞直接接觸,破壞藻體的生長(zhǎng),導(dǎo)致藻體裂解死亡;間接溶藻指溶藻細(xì)菌不直接與藻體接觸,但其向環(huán)境釋放活性物質(zhì)抑制藻體生長(zhǎng)。除報(bào)道的噬細(xì)胞菌屬、黃桿菌屬、擬桿菌屬以及Aquimarinasp.溶藻細(xì)菌同時(shí)具有直接和間接溶藻特性,大部分溶藻細(xì)菌均通過(guò)分泌溶藻活性物,以間接溶藻方式抑制藻類生長(zhǎng)。近幾年文獻(xiàn)報(bào)道的主要溶藻細(xì)菌及其作用方式見(jiàn)表1。

2.1 直接溶藻

采取直接溶藻方式的細(xì)菌,菌體與藻體細(xì)胞直接接觸是溶解藻體的關(guān)鍵,否則會(huì)影響溶藻效果[38]。這種接觸可能通過(guò)纖毛的擺動(dòng)或其他結(jié)構(gòu)使細(xì)菌能快速靠近藻體細(xì)胞,腐敗螺旋菌屬(Saprospirasp.)正是依靠纖毛的擺動(dòng)向藻體靠近[39]。日本學(xué)者在超薄電子顯微照片中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可通過(guò)類微管結(jié)構(gòu)主動(dòng)靠近藻體細(xì)胞[34],CAIOLA等[40]分離到一株蛭弧菌(Bdellovibrio),它通過(guò)一種由纖維多糖蛋白質(zhì)復(fù)合體形成的橋狀結(jié)構(gòu),侵入銅綠微囊藻細(xì)胞并將其溶解。

2.2 間接溶藻

大多數(shù)溶藻細(xì)菌通過(guò)分泌某種胞外活性物溶解藻體或抑制藻體生長(zhǎng)。溶藻細(xì)菌分泌的溶藻活性物主要包括蛋白質(zhì)、多肽、酶、氨基酸、抗生素、吲哚醌、色素等。報(bào)到的大多數(shù)溶藻細(xì)菌通過(guò)間接溶藻方式進(jìn)行溶藻,常見(jiàn)的具有間接溶藻性能的細(xì)菌有假單胞菌、假交替單胞菌、黃桿菌、交替單胞菌等。

盡管越來(lái)越多的溶藻細(xì)菌被分離,但是溶藻活性物的研究還相當(dāng)落后。由于溶藻活性物在分離、純化以及富集等方面比較困難,僅有少量的溶藻活性物被鑒定[41-44]。

國(guó)外對(duì)于溶藻活性物的研究在21世紀(jì)初期展開(kāi),我國(guó)研究學(xué)者對(duì)溶藻活性物的研究在最近幾年也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。LI等[29]從中國(guó)太湖分離到一株希瓦氏菌屬(Shewanellasp.)的菌株Lzh-2,該菌株可分泌溶藻活性物S-2A和S-2B,抑制多數(shù)淡水藍(lán)藻的生長(zhǎng)。其中,S-2B對(duì)聚球藻屬(Synechococcussp.)及銅綠微囊藻都表現(xiàn)了良好的溶藻活性,其半數(shù)致死量(LD50)分別為34.2、12.5 μg/mL。在對(duì)銅綠微囊藻的溶藻過(guò)程中發(fā)現(xiàn),S-2B能夠抑制銅綠微囊藻的分裂,這一點(diǎn)同報(bào)道的靈桿菌素的溶藻機(jī)制相似[45]。LI等[46]還發(fā)現(xiàn)一株芽孢桿菌分泌的溶藻活性物S-5A和S-5B同樣可抑制銅綠微囊藻的增殖與生長(zhǎng)。ZHENG等[47]在福建云霄紅樹(shù)林濕地公園分離篩選到一株馬來(lái)西亞鏈霉菌(Streptomycesmalaysiensis)菌株O4-6,該菌株具有熱穩(wěn)定性、酸堿耐受能力強(qiáng)等特點(diǎn),其分泌的溶藻活性物NIG355分子式為C40H68O11,經(jīng)鑒定為尼日利亞菌素的一種立體異構(gòu)體。NIG355能明顯抑制球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)和塔瑪亞歷山大藻的生長(zhǎng),對(duì)小球藻幾乎無(wú)影響。NIG355種屬特異性強(qiáng),有望開(kāi)發(fā)為高效生物殺藻劑。芽孢桿菌屬菌株 B1分泌4種氨基酸類的溶藻活性物[48],分別是L-組氨酸、O-酪氨酸、N-乙酰組胺和尿刊酸,均具有較強(qiáng)的pH耐受度和熱穩(wěn)定。利用氨基酸控制HABs也有類似報(bào)道,L-賴氨酸和L-焦谷氨酸能夠抑制銅綠微囊藻的生長(zhǎng)[49]。但是,在氨基酸控藻過(guò)程中需要考慮環(huán)境安全問(wèn)題。據(jù)報(bào)道,組胺和尿刊酸能夠引起魚類和其他生物的病理性病變[50-51]。但REN等[52]發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌濾液及乙酸乙酯提取物對(duì)小鼠無(wú)毒。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束,小鼠飲食及行為正常,組織切片無(wú)病理反應(yīng)。

表1 近幾年已報(bào)道的溶藻細(xì)菌及其溶藻作用方式

赤潮異灣藻和海洋卡盾藻(Chattonellamarina)是引起海洋赤潮常見(jiàn)的有毒藻類,對(duì)海洋魚類毒性較強(qiáng),噻唑烷二酮對(duì)這兩種藻類的溶藻效果較好,并且能夠增加海洋浮游生物的數(shù)量,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾作用也較小[53]。而且,噻唑生物堿在外加色胺的情況下,對(duì)淡水藍(lán)藻同樣具有毒性[54]。分屬γ-變形菌類群的溶藻細(xì)菌多數(shù)能夠產(chǎn)生紅色的靈桿菌素類色素,對(duì)赤潮中多種浮游藻類具有抑制作用。異常球菌屬(Deinococcussp.)細(xì)菌Deinococcusxianganensis的菌株Y35可產(chǎn)生紅色的類胡蘿卜色素[55],用該色素處理塔瑪亞歷山大藻30 min后,可引起藻體細(xì)胞活性氧(ROS)水平極大提高,最終造成藻體死亡。

3 溶藻機(jī)制

溶藻細(xì)菌主要通過(guò)以下幾種方式破壞藻體,包括破壞藻體細(xì)胞結(jié)構(gòu)、影響藻類的光合系統(tǒng)、影響呼吸和電子傳遞或氧化應(yīng)急系統(tǒng)等。

3.1 對(duì)藻體細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞

大部分溶藻細(xì)菌都能夠破壞藻體細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu),通過(guò)引起葉綠體損傷、線粒體液泡化、核膜裂解、染色體固縮和細(xì)胞膜完整性破壞,最終導(dǎo)致藻體細(xì)胞溶解死亡。用Mangrovimonasyunxiaonensis的無(wú)菌濾液處理塔瑪亞歷山大藻細(xì)胞后,塔瑪亞歷山大藻出現(xiàn)藻體細(xì)胞胞質(zhì)分離現(xiàn)象,隨后細(xì)胞壁逐漸失去完整性,細(xì)胞膜破裂,最終藻體細(xì)胞裂解死亡。高媛[56]的研究結(jié)果表明,小葉滿江紅共生藍(lán)藻細(xì)胞死亡過(guò)程中具有凋亡細(xì)胞最主要的特征,即DNA片段化,據(jù)此認(rèn)為在藍(lán)藻細(xì)胞中可能存在類凋亡和類自溶途徑。在溶藻細(xì)菌脅迫下,藻體細(xì)胞的死亡是否也經(jīng)歷了細(xì)胞凋亡或自溶等過(guò)程還需要在細(xì)胞水平上作進(jìn)一步研究。

3.2 對(duì)藻類光合系統(tǒng)的影響

在溶藻細(xì)菌脅迫下,藻體細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的ROS,誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),破壞細(xì)胞膜的完整性,造成細(xì)胞損傷,甚至死亡,同時(shí)導(dǎo)致丙二醛(MDA)含量增加。研究表明,含有溶藻活性物的細(xì)菌培養(yǎng)液能顯著提高ROS水平和MDA含量,且ROS水平與MDA含量呈正相關(guān)。另外,ROS不僅會(huì)破壞藻體細(xì)胞膜,也會(huì)干擾細(xì)胞內(nèi)多種物質(zhì)的合成,包括脂類、DNA、蛋白質(zhì)、糖類、多不飽和脂肪酸及氨基酸等。ROS是否干擾了藻體細(xì)胞色素合成,還未有直接證據(jù)。色素是藻體細(xì)胞進(jìn)行正常光合作用的保障,與光合作用密切相關(guān)的色素包括葉綠素a和類胡蘿卜素。葉綠素a吸收光能,將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物供給藻體細(xì)胞生長(zhǎng)。類胡蘿卜素在光合作用中能傳遞光能量。很多研究結(jié)果間接表明,溶藻活性物可降低藻體內(nèi)色素含量,抑制光合作用,導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)功能異常。于海濤等[57]從廣州某富營(yíng)養(yǎng)化池塘分離了蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus),其溶藻活性物能使水華魚腥藻(Anabaenaflos-aquae)中的類胡蘿卜素、藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白的含量顯著升高,但葉綠素a含量卻明顯下降,可見(jiàn)該溶藻活性物改變了水華魚腥藻光合色素的相對(duì)含量,進(jìn)而影響了光能在水華魚腥藻光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)和PSⅡ中的分配,最終降低光合作用效率。而在塔瑪亞歷山大藻溶藻試驗(yàn)中,也發(fā)現(xiàn)溶藻細(xì)菌分泌的溶藻活性物在48 h后能降低葉綠素a和類胡蘿卜素的含量,PSⅡ光化學(xué)效率和光合電子傳遞的相對(duì)速率也明顯下降。雖然大量證據(jù)顯示溶藻細(xì)菌能夠有效抑制藻體細(xì)胞的光合效率和PSⅡ,但這一過(guò)程的分子機(jī)制仍然有待進(jìn)一步闡釋。

3.3 對(duì)抗氧化酶系統(tǒng)的影響

溶藻活性物可誘導(dǎo)藻體細(xì)胞抗氧化酶活性的提高,減輕ROS引起的損傷。盡管ROS水平由于抗氧化酶系統(tǒng)的作用,在起始階段會(huì)有所降低,但MDA含量持續(xù)升高,對(duì)細(xì)胞的損傷是持久的。目前,對(duì)溶藻細(xì)菌抗氧化酶系統(tǒng)的研究主要集中在超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)等抗氧化酶上,非酶抗氧化劑主要是谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)[58]。當(dāng)藻體細(xì)胞受到溶藻細(xì)菌或溶藻活性物威脅后,藻體產(chǎn)生大量ROS,誘導(dǎo)藻體細(xì)胞抗氧化酶系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)。SOD活性最先被誘導(dǎo),隨后是CAT和POD。在這3種抗氧化酶的共同作用下,ROS水平降低,減緩了ROS引起的藻體細(xì)胞損傷。GSH和AsA還可清除體內(nèi)過(guò)量的ROS。但是當(dāng)ROS水平超出了抗氧化酶系統(tǒng)的清除能力時(shí),最終引起氧化損傷,抑制了藻體細(xì)胞的生長(zhǎng),甚至導(dǎo)致藻體細(xì)胞死亡。門多薩假單胞菌(Pseudomonasmendocina)能夠誘導(dǎo)水華束絲藻(Aphanizomenonflos-aquae)的氧化應(yīng)急反應(yīng)[59]。與CAT、POD活性相比較,SOD活性最先被誘導(dǎo);但隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),ROS水平不斷提高,破壞了水華束絲藻的抗氧化酶系統(tǒng),最終導(dǎo)致抗氧化酶系統(tǒng)癱瘓,藻體細(xì)胞死亡。

3.4 溶藻分子機(jī)制

相較于溶藻形態(tài)學(xué)和生理特性的研究,溶藻分子機(jī)制的研究顯得相對(duì)落后,目前的研究主要集中于對(duì)藻體細(xì)胞光系統(tǒng)以及毒素相關(guān)基因的表達(dá)。在PSⅡ中,中心蛋白D1和D2分別由psbA、psbD基因表達(dá),rbcL基因負(fù)責(zé)CO2的固定。溶藻活性物能夠抑制光合作用和呼吸作用相關(guān)基因的表達(dá)。但是由于藻體細(xì)胞PSⅡ具有自我修復(fù)的能力,在溶藻起始階段對(duì)psbA基因的研究結(jié)果可能截然相反。研究表明,在處理前期,psbA基因在菌藻比1∶100(體積比,下同)處理組中表達(dá)受到顯著抑制,在菌藻比2∶100處理組卻與對(duì)照組無(wú)差異;但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),psbA基因最終受到抑制。NISHIYAMA等[60]認(rèn)為藍(lán)藻受到脅迫時(shí),體內(nèi)ROS水平提高,而ROS可通過(guò)抑制psbA基因的翻譯表達(dá),從而抑制PSⅡ的損傷修復(fù),導(dǎo)致PSⅡ老化。溶藻細(xì)菌如何調(diào)控psbA基因的表達(dá),還需要進(jìn)一步研究。

微囊藻毒素是藍(lán)藻消退后引起淡水生態(tài)環(huán)境惡化的另一因素,很多研究工作者在篩選溶藻細(xì)菌的同時(shí),也會(huì)關(guān)注對(duì)微囊藻毒素的降解。微囊藻毒素的合成包括聚酮合酶和非核糖體的肽合酶。mcyA基因編碼肽合酶,mcyD編碼聚酮合酶,mcyH基因是一個(gè)三磷酸腺苷結(jié)合盒(ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)體,負(fù)責(zé)毒素的轉(zhuǎn)運(yùn)。不動(dòng)桿菌產(chǎn)生的對(duì)羥基苯乙胺能有效抑制微囊藻毒素相關(guān)基因mcyA、mcyD和mcyH的表達(dá),降低毒素含量。

4 展 望

溶藻細(xì)菌由于其生態(tài)安全及可靠性,在防治水體富營(yíng)養(yǎng)化、控制HABs方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景,是未來(lái)新型殺藻制劑研發(fā)的理想資源。目前仍側(cè)重于溶藻細(xì)菌的分離與溶藻特性的研究,溶藻活性物與溶藻機(jī)制的研究仍不夠系統(tǒng)深入,具體的溶藻機(jī)制仍未闡明,導(dǎo)致溶藻細(xì)菌在HABs控制的實(shí)際應(yīng)用中未有突破性進(jìn)展。近年來(lái),科研工作越來(lái)越熱衷藻體細(xì)胞裂解的分子機(jī)制研究,并開(kāi)始關(guān)注溶藻基因的克隆。但目前在溶藻細(xì)菌的研究方面仍然存在以下問(wèn)題:

(1) 對(duì)溶藻細(xì)菌溶藻效果研究主要側(cè)重于單一溶藻細(xì)菌與單一藻類的關(guān)系。但HABs發(fā)生過(guò)程中,常常是多種藻類共同作用的結(jié)果,單一溶藻細(xì)菌難以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用,因此高效復(fù)合溶藻細(xì)菌的富集與篩選更加具有應(yīng)用價(jià)值。

(2) 自然界水體中,各種生物關(guān)系較為復(fù)雜,如果存在促進(jìn)藻類生長(zhǎng)與繁殖的細(xì)菌,可能影響溶藻細(xì)菌的溶藻效果。存在藻類促生細(xì)菌的條件下,溶藻細(xì)菌的篩選更有實(shí)際意義。

(3) 關(guān)于溶藻分子機(jī)制的研究還不夠深入。如何篩選或構(gòu)建既能溶藻、又能降解藻體細(xì)胞毒素的雙效菌株將是HABs防治領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道表明,溶藻細(xì)菌及其溶藻活性物對(duì)藻類的生長(zhǎng)繁殖具有調(diào)控作用,在控制HABs方面表現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。但目前的研究離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距,尤其在高效安全及具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的溶藻細(xì)菌的篩選、溶藻活性物的分離純化、溶藻的分子機(jī)制以及溶藻基因的分子克隆等方面還有待進(jìn)一步研究。值得注意的是,在將溶藻細(xì)菌或溶藻活性物應(yīng)用于自然水環(huán)境的治理工程之前,中型生態(tài)實(shí)驗(yàn),載體、菌劑制備,菌種引入水體的方式、安全性評(píng)價(jià)都需要作進(jìn)一步研究。

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