李祎，聶荷，張惠科，牛文芳，李姍姍

(河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007)

近年來，由于人類活動的影響和自然條件的改變，水體接納過量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致眾多水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，加速了藍藻水華的暴發(fā)[1].藍藻水華目前已經(jīng)成為全球普遍存在的環(huán)境問題，水華防治已迫在眉睫[2].研究表明，微生物在水華生消過程中起重要作用，部分細菌能夠抑制藻類生長，利用細菌代謝產(chǎn)物多樣、生物安全性高和作用高效等優(yōu)勢，開展以菌控藻研究，成為防治水華的重要手段[3-4].細菌群體生長過程中某些特定基因的表達與種群密度有關(guān)，這種現(xiàn)象被稱為群體感應(yīng)(quorum sensing，QS).群體感應(yīng)系統(tǒng)是細菌之間進行交流的一種機制，它可以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)相關(guān)基因的表達，以此來調(diào)控其生理功能，例如生物發(fā)光現(xiàn)象、細胞毒力基因的表達、胞外多糖的合成、生物膜的形成以及DNA的交換和溶藻物質(zhì)的分泌等[5-8].部分溶藻細菌通過群體感應(yīng)調(diào)控其溶藻物質(zhì)的分泌，從而造成藍藻細胞的死亡.群體感應(yīng)在細菌溶藻過程中發(fā)揮重要作用，而其在藍藻水華防控治理中的研究還不夠深入，本文通過對溶藻菌群體感應(yīng)系統(tǒng)、藍藻自身的群體感應(yīng)及菌藻關(guān)系研究現(xiàn)狀的綜合分析，探討溶藻細菌群體感應(yīng)在藍藻水華治理中的作用，為藍藻水華的防控提供參考.

1 藍藻水華的危害與溶藻細菌

藍藻水華的暴發(fā)使水體中溶解氧含量下降，造成魚、蝦等生物的死亡，水體生物多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[9].水華暴發(fā)過程中覆蓋于水體表面的大量藻類以及死去的動物尸體等，破壞了原有的生態(tài)景觀，嚴重影響了養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展[10].一些藍藻釋放的次級代謝產(chǎn)物具有毒性，如作用于肝臟的微囊藻毒素和作用于神經(jīng)系統(tǒng)的魚腥藻毒素等嚴重威脅了人體健康[11].目前，關(guān)于藍藻水華的治理方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法(表1)，從生態(tài)環(huán)保的角度出發(fā)，生物法除藻是水華防治較為理想的方法，而其中的微生物控藻具有廣闊的前景.目前已報道的可用于控藻的微生物主要有真菌、病毒、細菌等.自CANTER首次證實了真菌能夠殺死藻細胞以來[12]，一些真菌分泌的具有溶藻作用的活性物質(zhì)如青霉素[13]、頭孢菌素[14]等也陸續(xù)被分離鑒定出來.SAFFERMAN和 MORRIS首次分離并純化到了能夠殺死藍藻的病毒[15]，病毒具有繁殖快、傳染性強的優(yōu)點，但是由于其易突變和易受周圍環(huán)境影響的特點，目前利用病毒治理藍藻水華還需要深入研究.相較于真菌與病毒，細菌對于藍藻水華的抑制具有優(yōu)勢，在暴發(fā)藍藻水華的水體中存在有大量的溶藻細菌，這類細菌可以通過直接或間接的方式抑制藻類生長或殺滅藻類并溶解藻細胞.溶藻細菌的溶藻方式分為直接溶藻和間接溶藻.

表1 藍藻水華治理措施優(yōu)缺點對比

直接溶藻的細菌與藻細胞直接接觸，從而使藻細胞裂解死亡或侵入藻細胞內(nèi)部使藻細胞裂解死亡.SHILO研究表明粘細菌能夠直接與藍藻細胞接觸進而溶解藍藻營養(yǎng)細胞[16].CAIOLA等[17]研究發(fā)現(xiàn)類蛭弧菌細菌能夠造成藍藻細胞的裂解.這類細菌侵入宿主細胞后主要停留在宿主細胞壁和細胞膜之間，隨后細胞膜部分增厚.隨著細胞結(jié)構(gòu)的破壞，藍藻細胞開始溶解，細胞壁的許多部位出現(xiàn)斷裂，最終藍藻細胞完全溶解.表明細菌對銅綠微囊藻的溶解可能是導(dǎo)致藍藻水華消亡的原因之一.

大部分的溶藻細菌都是通過分泌具有溶藻活性的胞外溶藻物質(zhì)使藻細胞裂解從而間接溶藻.LIU等[18]研究發(fā)現(xiàn)菌株Sp34主要通過釋放含有熱量和酸性物質(zhì)的化合物殺死銅綠微囊藻.LI等[19]發(fā)現(xiàn)微小桿菌h10通過分泌糖脂類物質(zhì)造成銅綠微囊藻的死亡，在其溶藻作用下藻細胞葉綠素a合成能力受到抑制，且細胞結(jié)構(gòu)和形態(tài)造成破壞，最終藻細胞溶解死亡.LUO等[20]報道鏈霉菌(Streptomycessp.)L74通過分泌胞外溶藻物質(zhì)對銅綠微囊藻的生長有抑制作用，并且確定溶藻物質(zhì)是2-羥基-12-油酸-3,28-O-D-吡喃葡萄糖基.LI等[21]從太湖分離到一株芽孢桿菌(Bacillussp.)Lzh-5通過分泌六氫吡咯[1,2-a]吡嗪-1,4-二酮和3-異丙基-六氫吡咯[1,2-a]吡嗪-1,4-二酮對銅綠微囊藻有溶藻效果.

由于大多數(shù)的溶藻細菌都是通過分泌溶藻物質(zhì)實現(xiàn)水華的控制，這些溶藻物質(zhì)的分泌通常由細菌的群體行為所調(diào)控.細菌群體行為是細菌之間的一種信息交流機制，通常稱為群體感應(yīng)，因此探究群體感應(yīng)與溶藻物質(zhì)分泌的關(guān)系有助于了解溶藻物質(zhì)的分泌機制，為藍藻水華的治理提供支撐.

2 細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)與溶藻細菌群體感應(yīng)

2.1 細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)

目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的細菌QS系統(tǒng)主要包括：(1)由革蘭氏陰性菌利用不同長度?；鶄?cè)鍵的高絲氨酸內(nèi)酯類(AHLs)所介導(dǎo)的AI-1型QS系統(tǒng)；(2)由呋喃硼酸二酯類(autoinducer-2，AI-2)介導(dǎo)的AI-2型QS系統(tǒng)；(3)由革蘭氏陽性菌利用寡肽(autoinducingpeptides，AIP)所介導(dǎo)的AI-3型QS系統(tǒng)[22].除此之外，還有由羥基-棕櫚酸甲酯(PAME)、假單胞菌喹諾酮類信號分子(PQS)、來源于金黃色葡萄球菌的自誘導(dǎo)肽I(AIP-1)、擴散信號因子(DSF)等介導(dǎo)的QS系統(tǒng)[23].

2.1.1AI-1型QS系統(tǒng)

AI-1型QS系統(tǒng)又被稱為 LuxR/I 型信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)由AHLs分子介導(dǎo)，首先發(fā)現(xiàn)于費氏弧菌的生物發(fā)光現(xiàn)象[5].革蘭氏陰性菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)包括LuxI和LuxR兩個最基本的調(diào)控蛋白，其中LuxI是自誘導(dǎo)劑的合成酶，可以產(chǎn)生AHLs的信號分子.AHLs是一類小分子水溶性化合物，可作為QS系統(tǒng)的自誘導(dǎo)劑，當(dāng)外界AHLs濃度達到一定閾值時，AHLs受體蛋白LuxR與AHLs結(jié)合形成的LuxR復(fù)合物能夠激活并調(diào)控某些生物學(xué)特性的基因表達[24-25].

2.1.2AI-2型QS系統(tǒng)

通常將利用AI-2進行信息交流的系統(tǒng)稱為LuxS/AI-2型群體感應(yīng)系統(tǒng)， AI-2類信號分子是呋喃硼酸二酯類化合物，該信號分子廣泛存在于革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌中.其合成主要依賴于細菌中的保守序列LuxS基因編碼的S-核糖同型半胱氨酸酶(S-ribosylhomocysteinase，LuxS)和S-腺苷同型半胱氨酸核苷酶(S-adenosylhomocysteine nucleosidase，Pfs)的作用[26].研究表明AI-2信號分子的受體蛋白主要有哈維氏弧菌中的 LuxP 蛋白以及大腸埃希氏菌和沙門氏菌中的 LsrB 蛋白，其中，LuxP蛋白不是與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)直接作用，而是通過調(diào)節(jié)跨膜傳感蛋白LuxQ，使它與AI-2結(jié)合[27].

2.1.3AI-3型QS系統(tǒng)

革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)主要是用小分子多肽(oligopeptide)作為自誘導(dǎo)物(autoinducter peptide，AIP)，AIP分子由體內(nèi)產(chǎn)生前導(dǎo)肽AgrD蛋白加工，不能自由穿透細胞壁，需通過ABC轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(ATP-bind-ing-cassette)或其他膜通道蛋白作用才能到達胞外被AgrCTCSTS識別，從而引起毒性因子的表達[28].

2.2 溶藻細菌群體感應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)在藍藻水華暴發(fā)以及消亡的過程中，溶藻細菌的數(shù)量隨著藻細胞數(shù)量的升高而增多.但是溶藻細菌增長有一個閾值，在細菌數(shù)量未達到閾值以前，并不表現(xiàn)出溶藻活性，只有當(dāng)細菌數(shù)量達到閾值后才表現(xiàn)出溶藻作用，這表明在溶藻細菌中存在群體感應(yīng)現(xiàn)象.這些細菌通過群體感應(yīng)分泌胞外溶藻物質(zhì)進行間接溶藻，目前，已發(fā)現(xiàn)具有群體感應(yīng)現(xiàn)象的細菌主要有γ-蛋白細菌、氣單胞菌、枯草芽孢桿菌、靈桿菌等.

在群體感應(yīng)參與的溶藻過程中，一般都是由群體感應(yīng)信號分子AHLs介導(dǎo)的群體感應(yīng)調(diào)控溶藻細菌的溶藻物質(zhì)分泌.根據(jù)所分泌的溶藻物質(zhì)不同，群體感應(yīng)調(diào)控的溶藻細菌可分為溶藻色素型、溶藻蛋白型及溶藻化合物型(圖1).細菌所產(chǎn)天然色素被應(yīng)用為溶藻物質(zhì)的重要優(yōu)勢就是細菌色素產(chǎn)量高、成本低且安全性高，有更大的潛力應(yīng)用于水華防治，并且溶藻色素的產(chǎn)生由細菌的群體感應(yīng)所調(diào)控.NAKASHIMA 等[29]發(fā)現(xiàn)從日本長崎沿海地區(qū)分離出的γ-蛋白細菌菌株MS-02-063可以通過群體感應(yīng)系統(tǒng)控制合成紅色色素PG-L-1來抑制藻類的活動，即該菌株密度達到一定值時，才可以產(chǎn)生抑藻物質(zhì)PG-L-1，同時推測群體感應(yīng)參與其他類型抑藻色素的合成.THOMSON等[30]研究發(fā)現(xiàn)Serratiasp.ATCC 39006通過群體感應(yīng)系統(tǒng)smaIR調(diào)控其抑藻色素的生物合成，SmaI可以直接合成群體感應(yīng)信號分子AHLs.TAO等[31]研究表明靈桿菌通過群體感應(yīng)系統(tǒng)SmaI/SmaR調(diào)控其抑藻物質(zhì)靈菌紅素的合成，即只有當(dāng)細胞密度增大到一定閾值時，靈桿菌才開始合成靈菌紅素.溶藻細菌可以通過分泌胞外蛋白造成藻細胞壁的溶解，從而實現(xiàn)藻細胞的溶解，部分溶藻蛋白的分泌也是由群體感應(yīng)調(diào)控的.ZHANG等[32]對鮑曼不動桿菌(Acinetobacterbaumanni)J1進行全基因組測序分析發(fā)現(xiàn)，該菌株包含的編碼LuxI類似蛋白的假定基因具有通過AHLs信號分子操縱細胞密度的潛在能力，并且在LuxI的下游發(fā)現(xiàn)Chi基因編碼的蛋白質(zhì)有利于菌株溶解藻細胞，因此證明該菌株通過群體感應(yīng)調(diào)控其抑藻效果.文獻[33]研究證明溶藻菌株Kordiaalgicida可以通過群體感應(yīng)系統(tǒng)釋放可擴散的活性蛋白酶進而抑制硅藻的生長.溶藻細菌除了可以通過群體感應(yīng)調(diào)控溶藻色素和溶藻蛋白的分泌外，還有其他細菌通過群體感應(yīng)調(diào)控其溶藻化合物的合成.GUO等[34]研究表明從太湖分離出的氣單胞菌菌株GLY-2107能夠通過AHLs介導(dǎo)的群體感應(yīng)釋放兩種熱穩(wěn)定的胞外堿性化合物3-芐基哌嗪-2,5-二酮和3-甲基吲哚進行溶藻.文獻[35]發(fā)現(xiàn)細胞噬菌體菌株41-DBG-2的菌株密度只有在達到106個細胞/mL閾值之后，才能表現(xiàn)出抑藻活性.WU等[36]研究發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌(Bacillussp.)S51107通過NprR-NprX 群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控高分子量抑藻物質(zhì)的合成.

在LuxS/AI-2群體感應(yīng)系統(tǒng)中，信號分子AI-2是由LuxS酶催化合成4,5-二羥基-2,3-戊二酮(DPD)的衍生物，在革蘭氏陽性、陰性菌都存在，是可用于細菌種間交流的信息系統(tǒng).ZHANG等[37]對枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)JA進行全基因組測序分析發(fā)現(xiàn)，該菌株包含的編碼LuxS基因的假定基因具有通過AI-2信號分子調(diào)控細胞密度的潛在能力，同時在LuxS基因的下游發(fā)現(xiàn)多個蛋白酶編碼基因，該基因編碼的蛋白質(zhì)有利于藻細胞的溶解，因此表明該菌株的抑藻效果也受群體感應(yīng)調(diào)控.

3 藍藻水華自身的群體感應(yīng)

藍藻群體形成的關(guān)鍵是藍藻胞外多糖的合成，與群體感應(yīng)存在一定的聯(lián)系.藍藻水華的優(yōu)勢種類微囊藻會產(chǎn)生胞外多糖形成膠被，促使單細胞藻類形成群體，在細胞密度達到閾值后上浮形成水華.這表明水華暴發(fā)具有跟其他細菌類似的群體感應(yīng)調(diào)控機制，而藍藻又稱為藍細菌，屬于革蘭氏陰性菌，此類群體感應(yīng)信號分子為高絲氨酸內(nèi)酯類(AHLs)物質(zhì)[38].BRAUN等[39]對水華暴發(fā)水體中藍藻的藻毒素和AHLs含量進行測定，發(fā)現(xiàn)所有的水華中均出現(xiàn)藻毒素，同時大部分的水體中檢測到AHLs，表明藍藻中存在AHLs，但是AHLs與藻毒素之間的直接關(guān)聯(lián)并沒有被證實.為了探究群體感應(yīng)與藍藻水華之間的直接關(guān)系，SHARIF等[40]對黏桿藻中的群體感應(yīng)分子進行檢測，發(fā)現(xiàn)隨著藻細胞密度升高，培養(yǎng)基中C8-AHL的含量增加.經(jīng)過C8-AHL處理后的藻細胞中有43個蛋白表達上調(diào)，這些蛋白與碳水化合物及氨基酸代謝、黏桿藻生物膜合成密切相關(guān)，表明C8-AHL的積累還可以促進藍藻代謝和生物被膜的形成，從而有利于水華的發(fā)生(圖2).同時ZHAI等[41]研究也發(fā)現(xiàn)在銅綠微囊藻7820的無菌代謝物中存在AHLs，并且AHLs的濃度跟藻細胞的密度呈正相關(guān)，AHLs在藍藻水華形成過程中起一定作用.藍藻細胞通過群體感應(yīng)調(diào)控其生理功能和代謝水平，從而影響其細胞密度，最終對能否形成水華造成一定程度的影響.因此，群體感應(yīng)對于藍藻細胞自身的群體形成和維持有重要作用，通過對藍藻群體感應(yīng)的調(diào)控從而實現(xiàn)藍藻水華的防控具有一定研究價值.

4 菌藻關(guān)系

近年來，研究人員對微生物和藻類如何調(diào)節(jié)自身行為以適應(yīng)或維持共生環(huán)境進行了許多研究.藻類和細菌之間的復(fù)雜關(guān)系可能是由群體感應(yīng)信號分子介導(dǎo)的，它可以影響藻類和細菌的種間關(guān)系，實現(xiàn)跨界交流，共同維持共生環(huán)境的平衡和穩(wěn)定[42].在藍藻-溶藻細菌體系中，兩者是相互作用的，一些溶藻細菌通過釋放胞外溶藻物質(zhì)進行間接溶藻，而胞外溶藻物質(zhì)的釋放又依賴于溶藻細菌自身的群體感應(yīng)，同樣藻類也可以通過干擾細菌QS系統(tǒng)抑制溶藻細菌的數(shù)量來減少對自身的傷害[43].有研究表明，藍藻門魚腥藻屬能夠合成群體感應(yīng)淬滅酶，從而抑制群體感應(yīng)[44]，一些藍藻細菌也具有群體感應(yīng)抑制劑活性并且含有大量QS淬滅基因[45].林升欽等[46]研究發(fā)現(xiàn)聚球藻 BN60 和具有溶藻作用的短波單胞菌 J4 共培養(yǎng)的上清液中存在抑菌類物質(zhì)可以導(dǎo)致短波單胞菌J4濃度下降，且這些抑菌類物質(zhì)是聚球藻 BN60 在短波單胞菌 J4 對其表現(xiàn)出溶藻效果時誘導(dǎo)性分泌的.說明藍藻與溶藻細菌之間不只有單方面溶藻作用，某些藍藻對于溶藻細菌也具有化學(xué)防御作用.

5 展 望

目前，群體感應(yīng)在農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景.利用群體感應(yīng)治理藍藻水華，將為藍藻水華的治理提出新方向，從而減少人力投入和化學(xué)藥品的使用，為發(fā)展綠色治理方法提供理論和技術(shù)保障.利用群體感應(yīng)治理藍藻水華可以從以下兩個方面入手：首先，可以通過添加外源AHLs或其結(jié)構(gòu)類似物來調(diào)控藍藻自身的群體感應(yīng)，從而使藍藻自身不能形成水華，從根源上解決問題；其次，可以對溶藻細菌的群體感應(yīng)進行調(diào)控，通過提高溶藻菌溶藻基因的表達能力，促進溶藻物質(zhì)的產(chǎn)生，增強溶藻能力，達到治理藍藻水華的目的，為有效治理藍藻水華提供參考.