楊冰潔 向文洲 金雪潔 陳子碩 王靈 吳后波
(1.中國科學(xué)院南海海洋研究所 中國科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室,廣州 510301;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室,廣州 510301)
微藻是一類資源豐富、種類繁多、生長速度快、具有極大應(yīng)用價值的生物資源,其細胞內(nèi)富含各類生物活性成分,如藻多糖、脂類、藻膽蛋白、β-胡蘿卜素、氨基酸、蛋白質(zhì)等,在醫(yī)藥、保健、食品、化妝品、飼料和能源等諸多領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力,被譽為生物技術(shù)開發(fā)的“朝陽產(chǎn)業(yè)”[1]。
微藻的大規(guī)模養(yǎng)殖是微藻資源商業(yè)化應(yīng)用的必不可少的重要途徑之一,微藻的商業(yè)化大規(guī)模養(yǎng)殖通常于開放的水池或封閉的光生物反應(yīng)器中單一藻株高密度培養(yǎng)[2]。然而在微藻的大規(guī)模養(yǎng)殖過程中,無論是開放還是封閉式的系統(tǒng),環(huán)境中各種微生物如原生動物、其他雜藻、細菌、真菌和病毒等會通過各種途徑進入其中,這些微生物組成復(fù)雜,群落多變,一旦對養(yǎng)殖微藻有害的微生物進入養(yǎng)殖系統(tǒng),輕則影響微藻的產(chǎn)量,嚴重時甚至破壞整個微藻培養(yǎng)體系導(dǎo)致“顆?!睙o收[3],這是微藻資源大規(guī)模持續(xù)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。在微藻養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)中細菌豐富,通常能達到109個/mL,是藻細胞濃度的10-100倍[4],目前已知某些細菌菌株會降低微藻的產(chǎn)量[5-6]。細菌破壞微藻生產(chǎn)主要包括兩種方式,長期內(nèi)逐漸降低生產(chǎn)或?qū)е屡囵B(yǎng)物快速失效甚至突然“崩潰”。
從理論上講,細菌可能通過直接裂解藻細胞或分泌溶藻物質(zhì)而發(fā)揮有害作用[7]。近幾年來,有關(guān)藻菌互作特別是溶藻細菌的研究大部分集中于自然環(huán)境中有害赤潮或水華的生物防治等方面[8],而在微藻的工業(yè)化生產(chǎn)等方面的研究鮮有報道,隨著國際上對微藻廣泛應(yīng)用前景的高度關(guān)注,從微藻養(yǎng)殖的病害防治的角度開展溶藻細菌的研究將十分重要和迫切。
本研究在海南三亞的微藻室外培養(yǎng)的前期研究中,發(fā)現(xiàn)一株污染藍藻可以廣譜“溶解”幾乎所有處于不同擴種階段、具有商業(yè)潛力的真核微藻,通過實驗室對該藍藻進行分離和培養(yǎng)研究,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致溶藻作用的罪魁禍首不是其藍藻自身,而是源自于多株附生該藍藻的細菌,藍藻的爆發(fā)只是溶藻細菌的伴生現(xiàn)象。本研究將首次報道該藍藻(Cyanobacterium sp.SCSIO-45682)藻際環(huán)境中分離得到的、對鹽生杜氏藻具有極強溶藻作用的有害細菌CBA02,對其溶藻能力和方式作出闡釋,初步分析其溶藻特性,以期為微藻大規(guī)模養(yǎng)殖中溶藻菌生物污染的防治供理論依據(jù)與指導(dǎo)。
菌株CBA02從實驗室分離得到的藍藻(Cyanobacterium sp.SCSIO-45682)單種培養(yǎng)物的藻際環(huán)境中篩選獲得,該藍藻于2013年由本實驗室從海南省三亞市天涯鎮(zhèn)的被污染微藻開放養(yǎng)殖池中分離獲得。實驗藻種鹽生杜氏藻(Dunaliella salina,SCSIO-45153)藻種由中國科學(xué)院南海海洋研究所經(jīng)濟微藻種質(zhì)庫提供。
1.2.1 培養(yǎng)方法菌株CBA02采用2216E海洋細菌培養(yǎng)基[9],于溫度28℃,轉(zhuǎn)速200 r/min條件下培養(yǎng)。
實驗所用所有藻種均采用F/2培養(yǎng)基[10],于溫度25±1℃、光照強度60±5 μmol photons/m2/s、光暗比24 h∶0 h條件下培養(yǎng)。
1.2.2 菌株CBA02的分子鑒定 通過16S rRNA基因測序鑒定。DNA提取方法參照Englen等[11],PCR擴增引物選取27F(5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')和1492R(5'-TACGGYTACCTTGTTACGAC TT-3')[12]。PCR反應(yīng)體系:25 μL Premix rTaq(TAK ARA),2 μL正向引物(27F),2 μL反向引物(1492R),2 μL模版DNA,2 μL二甲基亞砜(DMSO),17 μL ddH2O。PCR反 應(yīng) 條 件:94℃ 4min;94℃ 45 s,50℃ 45 s,72℃ 95 s,36個循環(huán);72℃ 10 min。PCR產(chǎn)物送至廣州天一輝遠基因科技公司測序。測序結(jié)果用BLAST軟件與GenBank中己知的16SrDNA進行同源性比較分析,并構(gòu)建系統(tǒng)進化樹。選取與CBA02的16S rDNA 序列相似性較接近的菌株,用MEGA 6.0軟件以Neighbor Joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.2.3 菌株CBA02生長曲線的測定 將固體培養(yǎng)基上的菌株CBA02菌落接種于2216E液體培養(yǎng)基中,設(shè)3組平行;于 28℃、200 r/min振蕩培養(yǎng)。每12 h 取樣測定其在600 nm處的吸光度(OD600),持續(xù)120 h。以吸光度(OD600)為縱坐標,時間為橫坐標,繪制生長曲線,便于后續(xù)實驗取樣。
1.2.4 葉綠素含量和溶藻率的測定 葉綠素a測定方法采用丙酮法[13]。溶藻率計算方法為:溶藻率(%)=(C0-Ct)/C0×100%。其中,C0和Ct分別代表對照組和處理組的葉綠素a含量。
1.2.5 菌株CBA02的溶藻效應(yīng)研究
1.2.5.1 菌液不同發(fā)酵時間對溶藻活性的影響 取發(fā)酵時間為48 h、72 h、96 h和120 h的菌液按照20%(體積比)添加到100 mL處于對數(shù)生長期的初始葉綠素a濃度約為3.6 μg/mL(OD750=0.100±0.008)的藻液中,進行溶藻試驗;并以向相同藻液中加入等量2216E海洋細菌培養(yǎng)基作為對照,各設(shè) 3 組平行;共培養(yǎng)12 d,每隔2 d取樣,用于測定葉綠素a濃度,并計算溶藻率。
1.2.5.2 不同菌液添加量對溶藻活性的影響 取培養(yǎng)72 h的菌液(OD600=1.714±0.071)按照5%、10%、15%和 20%(體積比)分別加入到100 mL處于對數(shù)生長期的初始葉綠素a濃度約為3.6 μg/mL(OD750=0.100±0.008)的藻液中,進行溶藻試驗,各組中藻菌細胞數(shù)之比分別為1∶15、1∶30、1∶45和1∶60;并以向相同藻液中加入等量2216E海洋細菌培養(yǎng)基作為對照,各設(shè)3組平行;共培養(yǎng)12 d,每隔2 d取樣,用于測定葉綠素a 濃度,并計算溶藻率。
1.2.5.3 藻液初始濃度對溶藻活性的影響 利用F/2培養(yǎng)基將處于對數(shù)生長期的鹽生杜氏藻藻液(OD750= 1.200)稀釋成OD750分別為 0.1、0.2、0.3、0.4和0.5,各組中取100 mL藻液并按照 20%(體積比)加入培養(yǎng)72 h的菌株CBA02的菌液(OD600=1.714±0.071),各組中藻菌細胞數(shù)之比分別為1∶15、2∶15、1∶5和4∶15,進行溶藻試驗;并以向各組相同藻液中加入等量2216E海洋細菌培養(yǎng)基作為對照,各設(shè)3組平行;共培養(yǎng)12 d,每隔2 d取樣,用于測定葉綠素a濃度,并計算溶藻率。
1.2.5.4 細菌的溶藻方式分析及高溫影響 取培養(yǎng)72 h的菌液(OD600=1.714±0.071)分別按以下方式處理:無菌水洗滌3次并以2216E重懸的菌體、原菌液、用0.22 μm濾膜過濾的無菌上清液及高溫處理(121℃)的無菌上清液,處理后的各組分別按照20%(體積比)添加100 mL對數(shù)生長期的初始葉綠素a濃度約為3.6 μg/mL(OD750=0.100±0.008)的藻液中共培養(yǎng),并以向相同藻液中加入等量2216E海洋細菌培養(yǎng)基作為對照,各設(shè)3組平行,于第10天測定葉綠素a濃度。
1.2.5.5 pH對無菌上清液溶藻活性的影響 取培養(yǎng)72 h的菌液(OD600=1.714±0.071)經(jīng)離心后用0.22 μm濾膜過濾,得到無菌上清液,之后將其pH用4 mol/L HCl 溶液和4 mol/L NaOH溶液分別調(diào)成2.0、4.0、6.0、8.0和10.0,在室溫下過夜處理12 h后調(diào)回原pH,按照 20%(體積比)添加到100 mL對數(shù)生長期的初始葉綠素a濃度約為3.6 μg/mL(OD750=0.100±0.008)的藻液中共培養(yǎng),并以向相同藻液中加入相同處理等量2216E海洋細菌培養(yǎng)基作為對照,各設(shè) 3 組平行,共培養(yǎng)12 d,每隔2 d取樣,用于測定葉綠素a濃度,并計算溶藻率。
1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 本試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用Graphpad Prism 5.0軟件,用One-way ANOVA 分析,選用Duncan’s 法進行多重比較,進行單因素方差分析,所有數(shù)據(jù)用平均值±標準誤差表示,P<0.05表示差異性顯著。
從藍藻(Cyanobacterium sp.SCSIO-45682)的藻際環(huán)境中分離出一株具有高效溶藻能力的細菌CBA02。擴增菌株CBA02的16S rDNA序列,獲得1 377 bp的DNA序列片段。將CBA02的16S rDNA基因序列于GenBank數(shù)據(jù)庫中已登錄的16S rDNA基因序列進行同源性檢索,并構(gòu)建系統(tǒng)進化樹(圖1)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),CBA02與多株P(guān)onticoccus的相似性達 99%以上,其中與一株P(guān)onticoccus alexandrii 的相似性最高,達100%。
將菌株CBA02接種在液體2216E中培養(yǎng),每隔12 h取樣,測定其600 nm處吸光度(OD600),繪制生長曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,CBA02生長延滯期為0-12 h,對數(shù)生長期為12-72 h,72 h后進入穩(wěn)定期。后續(xù)選取細菌濃度較高的穩(wěn)定期進行溶藻相關(guān)試驗。
2.3.1 菌液CBA02不同發(fā)酵時間對溶藻活性的影響 菌株CBA02不同發(fā)酵時間對鹽生杜氏藻溶藻活性的影響如圖3所示。發(fā)酵時間為48-120 h的菌液均有一定的溶藻活性,且溶藻率隨菌液的發(fā)酵時間和共培養(yǎng)時間的增加而增加,其中發(fā)酵時間為48 h時溶藻率最低,在共培養(yǎng)至第4天時溶藻率沒有明顯變化,第4天之后溶藻率隨共培養(yǎng)時間的增加而有所上升,到第12天溶藻率達到最大為(9.98±0.14)%;其余各組中溶藻率變化趨勢類似,隨共培養(yǎng)時間的增加而增加,到第12天溶藻率達到最大,分別為(78.24±0.17)%、(98.69±0.27)%和(99.34±0.05)%。
圖1 菌株CBA02的16S rDNA序列與相關(guān)菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹
圖2 菌株P(guān)onticoccus sp.CBA02的生長曲線
圖3 Ponticoccus sp.CBA02菌液不同發(fā)酵時間對溶藻活性的影響
2.3.2 菌液不同添加添加量對溶藻活性的影響 菌株CBA02菌液不同添加量對鹽生杜氏藻溶藻活性的影響如圖4所示。各組中溶藻率隨體積比的增加而增加,其中菌液體積比為5%時溶藻率隨共培養(yǎng)時間的增加而有所上升,至第8天達到最大(33.49±0.54)%,第8天之后呈下降趨勢;其余各組中溶藻率變化趨勢相近,隨體積比和共培養(yǎng)時間的增加而增加,到第12天溶藻率達到最大,分別為(62.99±0.28)%、(82.79±0.24)%和(98.69±0.14)%。
圖4 Ponticoccus sp.CBA02菌液不同添加添加量對溶藻活性的影響
2.3.3 藻液初始濃度對溶藻活性的影響 鹽生杜氏藻的藻液初始濃度對菌株CBA02溶藻活性的影響如圖5所示。各組中溶藻率隨藻液初始濃度的增加而降低,藻液初始OD750為0.1時,溶藻率隨共培養(yǎng)時間的增加而上升,至第12天達到最大值(98.68±0.24)%;藻液初始OD750為0.2、0.3和0.4時,共培養(yǎng)至第2天時溶藻率有所增加,第2-8天溶藻率變化幅度并不明顯,但第8天后溶藻率隨共培養(yǎng)時間的增加而大幅提升,第12天達到最大,分別為(73.99±2.27)%、(53.44±1.24)%和(41.76±0.96)%,最終溶藻活性隨初始OD750的增加而降低;藻液初始OD750為0.5時,溶藻率于第2天達到最大為(10.64±0.77)%,之后隨共培養(yǎng)時間的增加而降低,到第12天溶藻率為(2.53±0.23)%。
圖5 鹽生杜氏藻不同藻液初始濃度對溶藻活性的影響
2.3.4 菌液CBA02的溶藻方式分析與高溫處理影響 為了研究菌株CBA02對鹽生杜氏藻SCSIO-45153的作用方式,將Ponticoccus sp.CBA02的菌體、菌液、無菌上清液及高溫處理無菌上清液分別接入藻液進行共培養(yǎng),結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明,與對照組相比,菌液、無菌上清液及高溫處理無菌上清液組中葉綠素含量顯著性降低(P<0.05),葉綠素a含量分別為0.28 μg/mL、1.42 μg/mL和0.29 μg/mL,溶藻率分別為96.69%、83.23%和96.58%;菌體組中葉綠素a含量僅有小幅度降低,其溶藻率為12.40%,其中,高溫處理的無菌上清液和菌液的溶菌活性也明顯高于無菌上清液(P<0.05)。
圖6 Ponticoccus sp.CBA02菌液不同處理對溶藻活性的影響
2.3.5 pH對菌株CBA02無菌上清液的溶藻活性影響 調(diào)節(jié)菌株CBA02無菌上清液pH對其溶藻活性的影響如圖7所示。各組中溶藻率隨pH的增加而增加,上清濾液pH為2時,培養(yǎng)至第2天時溶藻率有所增加,第2-6天溶藻率大致處于平衡狀態(tài),到第6-8天溶藻率隨培養(yǎng)時間的增加而降低,第8-12天溶藻率大致沒有變化;上清濾液pH為4和6時,第6天之前溶藻率變化趨勢與pH為2大致相同,第6天之后溶藻率隨共培養(yǎng)時間的增加而上升,到第12天達到最大,分別為(27.28±2.27)%和(48.74±2.27)%;上清濾液pH為8和10時,溶藻活性隨共培養(yǎng)時間的增加而增加,到第12天溶藻率達到最大分別為(85.63±0.33)%和(99.02±0.17)%。
圖7 Ponticoccus sp.CBA02無菌濾液經(jīng)不同pH處理后對鹽生杜氏藻的溶藻效率的影響
目前,已規(guī)模化培養(yǎng)的具有應(yīng)用價值的常用微藻主要包括螺旋藻、鹽生杜氏藻、小球藻和雨生紅球藻等[12],在微藻的大規(guī)模養(yǎng)殖中,細菌、其他浮游生物的入侵污染會降低微藻的產(chǎn)量,造成巨大的經(jīng)濟損失,是急需解決的重要問題。Scott等[15]從生長狀況不佳的微擬球藻中分離出一株芽孢桿菌(Bacillus pumilus),該菌株對微擬球藻的生長具有極大的抑制作用。Ding等[16]從含油微藻(Graesiella sp.WBG-1)的開放養(yǎng)殖跑道池中分離出一株該藻的體內(nèi)寄生真菌Amoeboaphelidium protococcarum,該真菌能引起含油微藻(Graesiella sp.WBG-1)的種群崩潰。本研究從海南省三亞市天涯鎮(zhèn)被污染微藻開放養(yǎng)殖池中分離獲得一株藍藻(Cyanobacterium sp.SCSIO-45682)的藻際環(huán)境中分離得到1株細菌CBA02,對鹽生杜氏藻具有極強的溶藻能力,經(jīng)分子鑒定屬于紅桿菌科(Rhodobacteraceae)的Ponticoccus屬,雖然該菌株與P.alexandrii的16S rDNA的相似度達到100%,但由于尚未開展生理生化和其它分子序列的比較分類研究,尚不能肯定CBA02與P.alexandrii為同一物種,因此目前僅能定名為Ponticoccus sp.CBA02。
鹽生杜氏藻(Dunaliella salina)是一種極具商業(yè)價值的微藻之一,富含大量的生物活性物質(zhì),如甘油、胡蘿卜素、蛋白質(zhì)、多糖和各種微量元素等,在食品,醫(yī)藥,保健,化學(xué)和水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有獨特的經(jīng)濟價值[17]。由于鹽生杜氏藻的培養(yǎng)基采用高鹽度這一避免微生物污染的策略進行商業(yè)化培養(yǎng),尚無有關(guān)細菌對鹽生杜氏藻產(chǎn)生溶解效應(yīng)的報道,但過高的鹽度同時也限制了鹽藻的快速生長,因此,開展溶藻機制對于降低其培養(yǎng)鹽度、提高產(chǎn)率和減少高鹽極端條件控制所須的成本將均有裨益。而且正是由于微藻受制于細菌等微生物的污染及其導(dǎo)致的溶藻、噬藻或攝食微藻等敵害行為,目前僅有數(shù)種類似鹽藻具有極端適應(yīng)性的微藻實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā),豐富多樣的微藻資源和生物活性物質(zhì)還未能深入挖掘。以鹽藻的溶藻細菌為模式,開展溶藻機制和溶藻防控技術(shù),對更好地開發(fā)微藻種質(zhì)資源具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。
本研究發(fā)現(xiàn),溶藻菌作用活性隨菌液發(fā)酵時間的增長而提高;溶藻菌Ponticoccus sp.CBA02的溶藻活性與其添加量有關(guān),菌液濃度越高,溶藻活性越好,菌液添加濃度與溶藻活性呈現(xiàn)正相關(guān)的量效關(guān)系,在溶藻菌濃度較低時,其對藻細胞抑制作用不佳;溶藻菌作用活性與藻細胞初始濃度密切相關(guān),藻細胞初始濃度越高,溶藻菌溶藻活性越差。CBA02溶藻的量效關(guān)系等特性與前人的報道類似,已有研究表明,溶藻菌的溶藻特性受到菌濃度、藻細胞初始濃度、光照強度、溫度、pH等多種因素影響。Shao等[18]研究表明當(dāng)Bacillus sp.B50的細胞濃度達到 1.9×106CFU/mL時才有溶藻活性,而細胞濃度低于1.9×105CFU/mL時沒有溶藻活性,陳慶麗等[19]發(fā)現(xiàn)溶藻菌Pseudomonas aeruginosa JM1 的溶藻效率隨藻細胞濃度的增加而降低。
溶藻細菌主要通過直接溶藻和間接溶藻兩種方式進行,前者直接進攻藻細胞,與藻細胞表面直接接觸,甚至侵入藻細胞內(nèi)而引起藻細胞裂解死亡,后者主要都是通過分泌抑制藻類生長或者溶解藻細胞的胞外物質(zhì)來間接攻擊藻類[20]。本研究表明,CBA02的菌體只有微弱的溶藻活性,遠遠低于菌液和無菌上清液處理組,表明菌株CBA02的溶藻方式是間接溶藻,直接溶藻方式的可能性不大,推測該菌株通過釋放某些溶藻活性物質(zhì)殺死鹽生杜氏藻SCSIO-45153。CBA02的菌體也具有微弱的溶藻性可能由于藻菌共培養(yǎng)時菌體已生長至對數(shù)生長末期和環(huán)境的突然改變導(dǎo)致菌體仍會分泌少量的溶藻活性物質(zhì)。
與本研究類似,目前已在生態(tài)學(xué)研究中報道了多種間接溶藻菌的存在,如Li等[20]發(fā)現(xiàn)溶藻菌LY03通過分泌幾丁質(zhì)酶溶解細胞壁使其裂解死亡。Yi等[21]報道了Acinetobacter sp.A2通過分泌殺藻物質(zhì)4-羥基苯乙胺高效殺死銅綠微囊藻。Harvey等[22]報道Pseudoalteromonas piscida通過分泌群體感應(yīng)信號分子前體改變菌藻互作關(guān)系,誘導(dǎo)赫氏圓石藻(Emiliania huxleyi)死亡。有關(guān)經(jīng)濟微藻養(yǎng)殖中溶藻細菌的鑒定、溶藻方式的確定及其溶藻特性的研究并不多見。
從圖5中同時還可以看出,這些推定的溶藻物質(zhì)具有較強的熱穩(wěn)定性,無菌過濾液經(jīng)高溫處理,其活性甚至高于未處理的無菌過濾液,一方面說明溶藻物質(zhì)可能主要為耐高溫的非蛋白結(jié)構(gòu)成分,另一方面,說明過濾上清液中可能存在熱敏、可抑制溶藻物質(zhì)溶藻活性的成分,在高溫處理后其抑制活性被解除,溶藻物質(zhì)的溶藻活性得以提高。
由圖7可見,酸堿條件對溶藻物質(zhì)的活性具有顯著的影響,較強酸性條件(pH2)時的溶藻活性非常低,但當(dāng)pH 逐漸升高溶藻物質(zhì)的溶藻活性也隨之增強,高堿(pH10)時表現(xiàn)極強的溶藻活性,說明酸堿條件可能改變?nèi)茉寤钚晕镔|(zhì)的穩(wěn)定性、化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)及其與藻細胞的相互作用關(guān)系,從而改變其溶藻活性。
綜上所述,菌株CBA02通過分泌溶藻物質(zhì)間接方式殺死鹽生杜氏藻SCSIO-45153,溶藻物質(zhì)的主要成分可能為非蛋白成分,其溶藻特性受發(fā)酵時間、添加量、藻細胞初始濃度和pH的影響,同時具有熱穩(wěn)定性,高pH條件更適宜其溶藻作用,溶藻活性隨著pH的降低逐步降低。這些特性對更好的追蹤、闡明溶藻物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、特性與作用機制,以及針對微藻養(yǎng)殖的溶藻現(xiàn)象建立適宜的防控技術(shù),提供了重要的科學(xué)線索和實驗基礎(chǔ),相關(guān)工作有待更進一步的探索。
本研究從經(jīng)濟微藻開放池養(yǎng)殖池污染的藍藻(Cyanobacterium sp.SCSIO-45682)中分離出1株溶藻菌CBA02,經(jīng)16S rRNA 基因鑒定為Ponticoccus sp.CBA02。該菌對鹽生杜氏藻SCSIO-45153具有極強的溶藻作用,胞外產(chǎn)生水溶性、熱穩(wěn)定、適宜較高pH的溶藻物質(zhì)是溶藻現(xiàn)象發(fā)生的主要原因,其溶藻活性受菌液發(fā)酵時間、添加量、藻細胞初始濃度和pH等因素的影響。