張奕妍，黃蘭蘭，王夕予，丁士明，劉子鶴，童銀棟

(1：天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350) (2：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (3：北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

近幾十年來(lái)，全球不同類型水體(近海、河口、湖庫(kù)等)均面臨著嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化威脅，藍(lán)藻水華頻發(fā)嚴(yán)重影響著全球公共衛(wèi)生安全和水生態(tài)系統(tǒng)健康[1]. 目前，全球范圍內(nèi)大約有60%的湖泊處于不同程度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[2]. 在我國(guó)，2018年監(jiān)測(cè)的不同地區(qū)107個(gè)淡水湖泊中，富營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和貧營(yíng)養(yǎng)湖泊的比例分別為29%、61.7%和9.3%[3]. 水體中部分藍(lán)藻(例如微囊藻、魚(yú)腥藻、念珠藻、節(jié)球藻等)會(huì)生成有害次生代謝物，向水體釋放微囊藻毒素(microcystin)、節(jié)球藻毒素(nodularin)、柱胞藻毒素(cylindrospermopsin)等大分子有毒物質(zhì). 這些毒素可以在水生生物體內(nèi)累積，并隨著水生食物鏈遷移，最終作用于人體肝臟、皮膚、神經(jīng)系統(tǒng)等靶器官，從而嚴(yán)重威脅人類健康[4-5]. 考慮到藍(lán)藻水華對(duì)水生態(tài)影響和人群健康威脅，如何降低水體中藍(lán)藻的豐度、控制藍(lán)藻水華發(fā)生頻率一直是水生態(tài)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn).

噬藻體(cyanophage)是一類以藍(lán)藻為宿主的病毒，廣泛分布在全球不同的水體中(湖泊、海洋、魚(yú)塘、河流等)[6]. 現(xiàn)階段，已經(jīng)從淡水和海水中分離出數(shù)百株裂解微囊藻、聚球藻、魚(yú)腥藻、節(jié)球藻等的噬藻體. 噬藻體在水環(huán)境中適應(yīng)能力強(qiáng)，在北極等極端環(huán)境中也檢測(cè)到了不同種類的噬藻體[7]. 微囊藻屬(銅綠微囊藻、水華微囊藻)是導(dǎo)致藍(lán)藻水華暴發(fā)的主要浮游生物類型，但其生長(zhǎng)、繁殖和凋亡會(huì)受到水體中噬藻體的顯著影響[8]. 現(xiàn)有研究已詳細(xì)報(bào)道了能夠裂解8種微囊藻的噬藻體信息[9]. 自然水體中噬藻體濃度較高，淡水中能夠感染銅綠微囊藻的噬藻體濃度約為5.6×104pfu/mL[10]，水體中每天有超過(guò)51%的藍(lán)藻被噬藻體裂解死亡[11]；海水中侵染聚球藻、原綠球藻的噬藻體濃度為104～105pfu/mL[12]，導(dǎo)致聚球藻的日致死率可達(dá)到5%～14%，降低海洋中78%的初級(jí)生產(chǎn)力[12].

噬藻體作為水體中浮游病毒的重要組成部分，其在控制藍(lán)藻種群密度、減少藍(lán)藻水華發(fā)生頻率等方面具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值. 浮游動(dòng)物捕食和病毒裂解是控制自然水體中藻類消長(zhǎng)的主要因素，且有研究發(fā)現(xiàn)捕食作用和病毒裂解對(duì)藍(lán)藻的致死率相當(dāng)[13-14]. 噬藻體在適宜的環(huán)境中可快速侵染藍(lán)藻、導(dǎo)致宿主藻細(xì)胞裂解死亡，改變水體中優(yōu)勢(shì)藻種、降低宿主細(xì)胞豐度，最終改變水體生物群落結(jié)構(gòu)[15-18]. 噬藻體侵染藍(lán)藻后向水體中釋放大量的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了水體有機(jī)物質(zhì)循環(huán)，減少其向更高營(yíng)養(yǎng)水平的轉(zhuǎn)移，增加水體的初級(jí)生產(chǎn)力. 噬藻體裂解藍(lán)藻釋放顆粒性有機(jī)碳(POC)到水體中，在細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)碳(DOC)，增加水體中初級(jí)生產(chǎn)力，可重新被浮游生物利用[19]. 噬藻體與藍(lán)藻相互作用過(guò)程對(duì)水環(huán)境中生物化學(xué)循環(huán)的相關(guān)研究仍較為薄弱；但噬藻體感染、裂解藍(lán)藻過(guò)程是否會(huì)造成藻毒素在短時(shí)間內(nèi)大量釋放到自然水體的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍需要進(jìn)行評(píng)估.

本文從噬藻體基本形態(tài)入手，回顧了噬藻體發(fā)現(xiàn)史，總結(jié)其與宿主藻的侵染機(jī)制與過(guò)程，詳細(xì)介紹噬藻體對(duì)藍(lán)藻種群密度調(diào)節(jié)作用，探討應(yīng)用噬藻體裂解藍(lán)藻對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、浮游生物群落結(jié)構(gòu)變化、產(chǎn)毒藍(lán)藻的藻毒素釋放的潛在影響，這可以為后續(xù)噬藻體在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理中的潛在應(yīng)用提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù).

1 噬藻體的發(fā)現(xiàn)及侵染機(jī)制

1.1 噬藻體發(fā)現(xiàn)及分類

噬藻體是一類能夠特異性感染藍(lán)藻(如微囊藻、聚球藻、念珠藻等)的病毒. 根據(jù)噬藻體形態(tài)差異(主要是其尾部特征)，國(guó)際病毒學(xué)分類委員會(huì)細(xì)菌病毒分會(huì)最初將噬藻體主要分為肌病毒科(Moyviidrae)、短尾病毒科(Podoviirdae)、長(zhǎng)尾病毒科(Siphovirdae)3大類[20-21]，3種類型噬藻體的形態(tài)特征如圖1所示. 但近年來(lái)國(guó)際病毒學(xué)分類委員會(huì)對(duì)細(xì)菌病毒進(jìn)行了更細(xì)致的劃分，主要分為肌病毒科、短尾病毒科、長(zhǎng)尾病毒科、雙尾噬菌體科、球狀噬菌體科、原體噬菌體科等十幾類[22]. 常見(jiàn)的T4型噬藻體屬于肌病毒科，T7型噬藻體屬于短尾病毒科，已報(bào)道的噬藻體大多為肌病毒科，長(zhǎng)尾病毒科和短尾病毒科則較少見(jiàn). 根據(jù)噬藻體侵染的宿主藻的形態(tài)差異，可分為以侵染顫藻、魚(yú)腥藻、念珠藻等為主的絲狀藍(lán)藻噬藻體，和以侵染微囊藻、聚球藻、組囊藻為主的單細(xì)胞藍(lán)藻噬藻體，這兩類噬藻體侵染宿主細(xì)胞機(jī)制存在一定的差異.

圖1 透射電子顯微鏡下3類噬藻體典型形態(tài)特征[23]Fig.1 Typical morphology characteristics of three types of cyanophage under transmission microscope

在1963年，Safferman和Morris[24]分離出第一株能夠同時(shí)感染鞘絲藻(Lyngbya)、織線藻(Plectonema)、席藻(Phormidium)的噬藻體，并將其命名為“LPP”噬藻體. 在之后60年的研究中，陸續(xù)報(bào)道了從全球不同水體中分離出能夠感染魚(yú)腥藻、微囊藻、節(jié)球藻、聚球藻等的噬藻體(表1). 在1989和1990年，Bergh、Suttle、Proctor等[7,12,20]分別在Nature上發(fā)表論文，首次指出噬藻體在海洋中廣泛存在，并闡述了其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生物功能和環(huán)境意義. 在1992年9月，Wilson等[25]從3個(gè)不同海洋中分離出5株感染聚球藻的噬藻體，根據(jù)形態(tài)被鑒定為肌病毒科和長(zhǎng)尾病毒科. 在1993年，Waterbury等從近海和遠(yuǎn)洋水體中分離了75株能夠感染聚球藻的噬藻體[26]，這些噬藻體表現(xiàn)出顯著的形態(tài)差異，包括肌病毒科、長(zhǎng)尾病毒科和短尾病毒科3個(gè)類別，且大多數(shù)分離物種為帶有收縮尾的肌病毒. 在2002年，我國(guó)科學(xué)家趙以軍等[27]在武漢市一處富營(yíng)養(yǎng)化池塘中分離能夠特異性感染織線藻和席藻的淡水噬藻體PP，該噬藻體為在我國(guó)分離的第一株淡水噬藻體. 在2006年，Jenkins等[28]在波羅的海分離出17株能夠裂解節(jié)球藻的噬藻體，并通過(guò)電鏡觀察噬藻體形態(tài)，主要分為肌病毒科和長(zhǎng)尾病毒科. 在2008年，Deng等[29]在瑞士蘇黎世湖和英國(guó)科茨沃爾德水上公園分離出35株可成功侵染微囊藻、魚(yú)腥藻和浮絲藻的噬藻體. 在后續(xù)的研究中，諸多學(xué)者分別從海洋、湖泊、池塘、沼澤等水體中分離出多株噬藻體，分析其與宿主的關(guān)系并探究了其侵染機(jī)制[30]. 截至2019年，已有文獻(xiàn)記載了318株聚球藻肌病毒科噬藻體，9株聚球藻短尾噬藻體和13株聚球藻長(zhǎng)尾噬藻體，并記錄了完整的基因組序列. 迄今為止，已報(bào)道了9株侵染微囊藻的噬藻體的相關(guān)信息，但僅對(duì)4株噬藻體(MaMV-DC、Ma-LMM01、Mic1和PhiMa05)進(jìn)行了完整的基因組測(cè)定，表1給出了全球已經(jīng)分離、鑒定完的部分淡水和海水噬藻體.

表1 現(xiàn)有研究已報(bào)道的部分噬藻體基本特征Tab.1 Basic information on some reported cyanophage in existing studies

續(xù)表1

1.2 噬藻體主要侵染機(jī)制

噬藻體的增殖機(jī)制由基因表達(dá)控制，其與宿主細(xì)胞的侵染作用主要分為裂解性循環(huán)和溶源性循環(huán)[60-61]. 裂解性循環(huán)通常被認(rèn)為是噬藻體的遺傳物質(zhì)在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并合成蛋白質(zhì)，宿主細(xì)胞生理功能被破壞，裂解并釋放子代噬藻體. 溶源性循環(huán)是指噬藻體進(jìn)入藍(lán)藻，其DNA結(jié)合在宿主藻染色體，并隨其一起復(fù)制且長(zhǎng)期共存. 在外界環(huán)境因素刺激下如光照、溫度及其他生物因素，噬藻體從溶源性轉(zhuǎn)化為裂解性完成增殖作用并使宿主藻裂解死亡. 噬藻體裂解性循環(huán)和溶源性循環(huán)如圖2所示. 本部分主要介紹噬藻體的裂解性增殖機(jī)制及環(huán)境因素對(duì)該過(guò)程的影響.

圖2 噬藻體增殖的裂解性循環(huán)和溶源性循環(huán)[62] Fig.2 Lytic and lysogenic cycles of cyanophage proliferation[62]

1.2.1 吸附 噬藻體與宿主細(xì)胞充分接觸，吸附是感染宿主的關(guān)鍵環(huán)節(jié). 水體中宿主細(xì)胞濃度和噬藻體濃度影響二者接觸率，進(jìn)而影響吸附效果. 噬藻體對(duì)宿主細(xì)胞的吸附率還會(huì)隨光照強(qiáng)度、水體中二價(jià)陽(yáng)離子濃度、Na+濃度等因素而改變[63-64]. 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，裂解原綠球藻的噬藻體P-HM2、P-SSM2在光照條件下的吸附率比黑暗條件下高，光暗循環(huán)對(duì)噬藻體吸附、增殖具有顯著的影響[65]. 水體中Na+對(duì)噬藻體吸附宿主細(xì)胞具有促進(jìn)作用，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因可能是光照和Na+均會(huì)使藻細(xì)胞表面容易發(fā)生電中和、促進(jìn)噬藻體吸附[66].

1.2.2 增殖 噬藻體吸附到宿主細(xì)胞表面，將DNA注入宿主細(xì)胞后，利用宿主細(xì)胞物質(zhì)和能量進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，合成自身需要的DNA和蛋白質(zhì). 但噬藻體對(duì)單細(xì)胞藍(lán)藻和絲狀藍(lán)藻的感染機(jī)制不同[31]，感染絲狀藍(lán)藻的噬藻體通?？梢栽谇秩境晒罅⒓唇K止宿主光合作用，后續(xù)噬藻體增殖所需的能量主要通過(guò)氧化磷酸化獲得[67]. 然而，在感染單細(xì)胞藍(lán)藻過(guò)程中，被感染的宿主細(xì)胞的光合速率可以一直保持，直到宿主細(xì)胞完全裂解[68].

光照強(qiáng)度會(huì)影響宿主細(xì)胞的光合作用，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)ATP生成，間接影響噬藻體增殖. Puxty等[69]探究了光照強(qiáng)度對(duì)噬藻體增殖的影響，在黑暗條件下噬藻體潛伏期會(huì)延長(zhǎng)，釋放量減少，甚至?xí)Ｖ蛊湓谒拗骷?xì)胞內(nèi)的復(fù)制. 由于噬藻體進(jìn)入宿主細(xì)胞后的生命活動(dòng)依賴于宿主的生長(zhǎng)狀態(tài)，因此水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度均會(huì)影響噬藻體增殖；氮磷濃度充足時(shí)促進(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)、加速噬藻體增殖. CO2濃度和溫度升高會(huì)加快宿主裂解和噬藻體釋放，Cheng等[70]發(fā)現(xiàn)在高濃度CO2條件下，噬藻體PP感染鮑氏織線藻的潛伏期縮短但子代噬藻體釋放量減少，而溫度升高導(dǎo)致噬藻體PP潛伏期縮短，釋放量增加. 溫度和CO2濃度的變化會(huì)影響宿主細(xì)胞內(nèi)部分酶的活性，提高蛋白質(zhì)、核酸等大分子合成效率，加快宿主細(xì)胞裂解[71].

1.2.3 裂解和釋放 宿主細(xì)胞裂解和噬藻體釋放速率與宿主生長(zhǎng)狀態(tài)、細(xì)胞分裂以及宿主細(xì)胞內(nèi)酶活性等密切相關(guān). 處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的宿主藻極易被噬藻體裂解，并釋放新合成的子代噬藻體，而噬藻體侵入處于穩(wěn)定期宿主細(xì)胞則不能導(dǎo)致宿主的快速裂解，當(dāng)其恢復(fù)生長(zhǎng)后才能釋放子代噬藻體[72]. 噬菌體F116L侵染銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)的研究證明，宿主細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)導(dǎo)致噬菌體潛伏期顯著增加，且子代噬藻體釋放量減少[73-74]. 宿主細(xì)胞與噬藻體存在的相互作用機(jī)制，既能使噬藻體自身的種群得以維持，又能夠?qū)λ拗鞯臄?shù)量進(jìn)行有效控制.

1.3 噬藻體與宿主間的關(guān)系

噬藻體在自然水體中廣泛存在，尤其是在富營(yíng)養(yǎng)化水體中濃度更高. 野外監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，季節(jié)變化對(duì)噬藻體豐度和藍(lán)藻種群密度具有顯著的影響. 夏秋季水溫較高時(shí)，水體中藍(lán)藻種類豐富且濃度較高，而此時(shí)水體中噬藻體數(shù)量也達(dá)到峰值，二者保持動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程[75]. Sandaa等[76]發(fā)現(xiàn)挪威沿海水域的聚球藻密度和噬藻體濃度變化趨勢(shì)一致，均在水溫最高的8月下旬和9月其種群數(shù)量達(dá)到最大值. 聚球藻爆發(fā)性繁殖導(dǎo)致的藍(lán)藻水華發(fā)生在噬藻體數(shù)量達(dá)到峰值之前；隨后，水體中噬藻體的豐度和多樣性均增加，這表明噬藻體對(duì)水體中聚球藻種群的季節(jié)性演替具有重要調(diào)節(jié)作用. 然而在自然界中盡管噬藻體濃度較高，但藍(lán)藻水華卻沒(méi)有得到較好的控制，可能是由于噬藻體對(duì)易感的宿主細(xì)胞具有致死作用，但長(zhǎng)期接觸導(dǎo)致藻細(xì)胞對(duì)噬藻體產(chǎn)生抗性. 研究發(fā)現(xiàn)，海洋中的噬藻體-原綠球藻的相互作用，使得一些宿主藻由易感細(xì)胞向抗性細(xì)胞轉(zhuǎn)化，對(duì)噬藻體產(chǎn)生抗性的原綠球藻生長(zhǎng)速率不斷增加，抗性宿主藻的快速生長(zhǎng)使其在環(huán)境中占主導(dǎo)地位，并實(shí)現(xiàn)與噬藻體長(zhǎng)期共存[77-79].

噬藻體與宿主藻間存在水平基因轉(zhuǎn)移，早期研究發(fā)現(xiàn)在噬藻體基因組中檢測(cè)到藍(lán)藻細(xì)胞中的一些重要基因，如光合基因(psbA、psbD)、輔助代謝基因(auxiliary metabolic genes,AMGs)等. 在武漢東湖分離的噬藻體PaV-LD和云南滇池分離的以微囊藻為宿主的噬藻體MaMV-DC的基因組中均發(fā)現(xiàn)了nblA基因，其與藍(lán)藻NblA基因具有相似的生物學(xué)功能，均可降解宿主的藻膽蛋白，這一現(xiàn)象證實(shí)了噬藻體和宿主細(xì)胞間存在水平基因轉(zhuǎn)移[80]. 噬藻體基因組中攜帶藍(lán)藻的光合基因及代謝基因，使其在侵染宿主藻后，通過(guò)增加藍(lán)藻的光合作用提高宿主代謝速率為噬藻體的復(fù)制和衣殼蛋白的合成提供能量. 噬藻體誘導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移不僅存在病毒與宿主之間，還會(huì)導(dǎo)致不同藍(lán)藻間的基因轉(zhuǎn)移、促進(jìn)藍(lán)藻與噬藻體協(xié)同進(jìn)化[81-83]. 因此，噬藻體通過(guò)抗性選擇、水平基因轉(zhuǎn)移和操縱細(xì)菌代謝來(lái)影響宿主，從而維持或增強(qiáng)宿主遺傳多樣性，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期共存[84-85].

2 噬藻體對(duì)環(huán)境中藍(lán)藻種群密度的調(diào)節(jié)作用

水體中噬藻體種類較多、分布廣泛，對(duì)藻細(xì)胞具有特異性致死作用，且對(duì)部分微囊藻、聚球藻等具有較高的日致死率. 因此，在理論上，噬藻體的存在會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻豐度降低、減少藍(lán)藻水華發(fā)生頻率. 實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)充分證實(shí)，噬藻體可以快速裂解宿主藻細(xì)胞、調(diào)控培養(yǎng)體系的藍(lán)藻豐度. 近年來(lái)，一些學(xué)者在紅海[86]、夏威夷海域[87]、切薩皮克灣[88]等自然水體中發(fā)現(xiàn)較高濃度的噬藻體，其對(duì)水體中宿主藻密度具有一定的調(diào)控作用, 影響原有藍(lán)藻群落構(gòu)成. 此部分內(nèi)容總結(jié)了近年來(lái)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)報(bào)道的噬藻體對(duì)藍(lán)藻裂解效果，以及噬藻體在湖泊、海洋等水體中對(duì)藍(lán)藻豐度的調(diào)控規(guī)律.

2.1 實(shí)驗(yàn)室條件下噬藻體對(duì)藍(lán)藻的裂解效果

近十年來(lái)，研究人員開(kāi)始關(guān)注噬藻體對(duì)藍(lán)藻的侵染效果及其在調(diào)節(jié)種群密度中的作用. 利用從自然水體中分離的噬藻體，一些學(xué)者在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行侵染試驗(yàn)，探究噬藻體對(duì)宿主藻豐度的影響規(guī)律. Wang等[89]探究從滇池分離的肌病毒科噬藻體MaMV-DC對(duì)8種微囊藻的裂解效果，噬藻體與宿主藻以1∶1比例混合培養(yǎng)7 d后，部分藻液出現(xiàn)了黃化. 噬藻斑實(shí)驗(yàn)證明，噬藻體MaMV-DC能夠裂解銅綠微囊藻 FACHB524、水華微囊藻TF09、銅綠微囊藻TA09、惠氏微囊藻DW09 4種微囊藻. 與未添加噬藻體的對(duì)照組相比，4種微囊藻濃度分別降低了75%、61.5%、71.4%和61.2%；而培養(yǎng)體系中噬藻體濃度由7.7×106pfu/mL分別增加到3.1×108、1.41×108、1.57×108和1.08×108pfu/mL. 噬藻體MaMV-DC可以有效抑制易感微囊藻生長(zhǎng)、控制宿主藻種群數(shù)量. 2005年Tucker等[10]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探究了從澳大利亞巴羅翁湖分離的噬藻體Ma-LBP對(duì)產(chǎn)毒銅綠微囊藻密度的影響. 培養(yǎng)初期噬藻體與宿主藻比例分別為0.1∶1、1∶1、10∶1和100∶1，在培養(yǎng)第6天添加噬藻體的實(shí)驗(yàn)組銅綠微囊藻密度顯著降低. 噬藻體-宿主藻比例為100∶1的實(shí)驗(yàn)組，宿主藻的豐度降低了95%；而噬藻體的濃度增加了9.2×105pfu/mL. 然而，在含有存活藻細(xì)胞的培養(yǎng)體系重新添加噬藻體，宿主細(xì)胞在培養(yǎng)3周后種群密度快速增加，這可能由于宿主藻細(xì)胞對(duì)噬藻體產(chǎn)生了一定的抗性.

噬藻體PP是趙以軍等分離出裂解織線藻和席藻的淡水噬藻體. 2013年Zhou等[90]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析了噬藻體PP對(duì)23種藍(lán)藻侵染效果. 將0.5 mL濃度為108pfu/mL的噬藻體分別加入處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的23株藻液中進(jìn)行初次篩選，發(fā)現(xiàn)15株藻液顏色由綠轉(zhuǎn)化為不同程度的黃. 在篩選出的15株藍(lán)藻中添加噬藻體進(jìn)行二次篩選，鮑氏織線藻(IU594、FACHB-402、FACHB-246、FACHB-240)、席藻(FACHB-238、FACHB-239、FACHB-161)7株不同類型宿主藻在培養(yǎng)12 h內(nèi)出現(xiàn)裂解、黃化，說(shuō)明噬藻體PP宿主范圍較廣，可裂解不同種類藍(lán)藻宿主. 在2019年，You等[52]在中國(guó)黃海分離出一株新型短尾病毒科噬藻體S-B64，根據(jù)一步生長(zhǎng)曲線發(fā)現(xiàn)噬藻體的潛伏期約為3 h，宿主藻在與噬藻體接觸8 h后裂解，每個(gè)藻細(xì)胞約釋放23個(gè)子代病毒. 為了確定噬藻體S-B64宿主范圍，用其侵染33株聚球藻，發(fā)現(xiàn)該噬藻體僅對(duì)聚球藻(WH8102、WH7803、LTW Red 1、MW01)具有裂解效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明噬藻體S-B64的宿主范圍較窄，對(duì)聚球藻的不同株系侵染具有一定的特異性. 噬藻體對(duì)單一藻細(xì)胞或幾種藻細(xì)胞的特異性侵染，導(dǎo)致其在復(fù)雜水環(huán)境中對(duì)藍(lán)藻豐度調(diào)控具有一定的局限性. 而在幾種藻共存的混合體系中，噬藻體侵染易感宿主使其種群密度降低，改變?nèi)郝渲袃?yōu)勢(shì)藻種，可能促進(jìn)其他藍(lán)藻的快速生長(zhǎng). Coloma等[48]在固氮節(jié)球藻和聚球藻培養(yǎng)體系中添加從波羅的海分離的噬藻體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該噬藻體可以快速裂解節(jié)球藻，使其種群密度顯著降低. 但節(jié)球藻裂解所釋放的氮被聚球藻吸收利用、導(dǎo)致聚球藻細(xì)胞密度增加了7倍. 廖明軍[91]在室內(nèi)模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，噬藻體裂解宿主織線藻后，隨著天然水體帶入的銅綠微囊藻快速生長(zhǎng)、生物量出現(xiàn)顯著增加，并成為新的優(yōu)勢(shì)種. 由于培養(yǎng)體系中宿主細(xì)胞的裂解導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物組成改變，使得不同培養(yǎng)時(shí)期細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)種群也發(fā)生變化. 宿主細(xì)胞裂解提供再生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可能刺激了群落中產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的藻類生長(zhǎng)，改變培養(yǎng)體系內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種群并發(fā)生群落演替.

噬藻體與宿主細(xì)胞的長(zhǎng)期共存使宿主藻突變體快速出現(xiàn)，突變?cè)逋ㄟ^(guò)改變細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)阻止噬藻體的吸附[93]，這使得噬藻體-藍(lán)藻相互作用關(guān)系的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性增加. 已有研究證據(jù)表明，噬藻體vB_NpeS-2AV2可以誘導(dǎo)節(jié)球藻種群變化，導(dǎo)致其從易感細(xì)胞為主的種群向抗性細(xì)胞為主的種群進(jìn)化[48]. 噬藻體Vb-AphaS-CL131與束絲藻長(zhǎng)期接觸，使束絲藻對(duì)噬藻體的敏感性降低，耐病毒基因和易感基因分布改變、導(dǎo)致抗感染菌絲出現(xiàn)，使宿主藻在幾天內(nèi)恢復(fù)到初始種群豐度[92]. Avrani等[94]發(fā)現(xiàn)海洋原綠球藻和噬藻體長(zhǎng)期接觸會(huì)產(chǎn)生抗性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將4種初始濃度為106cells/mL的原綠球藻和噬藻體共培養(yǎng)40個(gè)月，分離出抗性原綠球藻. 原綠球藻向提高生長(zhǎng)速度和增大抗性范圍的方向進(jìn)化，導(dǎo)致原綠球藻對(duì)噬藻體產(chǎn)生更大的抗性，最終其可以與多種噬藻體長(zhǎng)期共存.

目前，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)已證實(shí)多株噬藻體對(duì)藍(lán)藻具有裂解效果，噬藻體對(duì)宿主藻種群密度具有顯著的調(diào)節(jié)作用，且可改變水體中其他浮游生物群落. 但噬藻體對(duì)藍(lán)藻侵染具有特異性，多數(shù)噬藻體僅能裂解一種或幾種同一屬性藻細(xì)胞；同時(shí)，噬藻體-宿主藻存在相互作用，導(dǎo)致宿主細(xì)胞易對(duì)噬藻體產(chǎn)生抗性. 因此，在實(shí)驗(yàn)室單一體系中，噬藻體裂解藍(lán)藻往往效果較好，但在復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中的使用效果仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

2.2 自然水體噬藻體對(duì)藍(lán)藻豐度的影響

噬藻體作為水生態(tài)系統(tǒng)中重要的微觀生物調(diào)控因子，其在自然水體浮游生物群落演替中發(fā)揮著重要的作用. 但由于水體中噬藻體分離、鑒定極為困難，同時(shí)涉及到跨學(xué)科領(lǐng)域的背景知識(shí)，現(xiàn)有研究很少把噬藻體作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成來(lái)進(jìn)行考慮，而噬藻體在實(shí)際水體中存在的具體作用也常被忽略. 在Web of Science中，以“cyanophage”、“l(fā)ysis”、“cyanobacterial populations”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索后表明，迄今為止，在自然環(huán)境中研究噬藻體的實(shí)際應(yīng)用案例僅為10個(gè)，由此可見(jiàn)，關(guān)于自然水體噬藻體與藍(lán)藻之間相互作用規(guī)律的研究仍然極少.

Hewson等[87]在夏威夷附近的海域監(jiān)測(cè)到能裂解束毛藻的噬藻體濃度為3.96×103pfu/mL，其對(duì)束絲藻的日致死率為0.3%～6.5%，可有效降低海水中束毛藻種群密度. Coello-Camba等[86]在貧營(yíng)養(yǎng)的紅海進(jìn)行圍欄試驗(yàn)，通過(guò)宏基因組學(xué)方法探究海水噬藻體豐度變化及其對(duì)聚球藻密度的影響. 在實(shí)驗(yàn)期間，噬藻體基因序列的相對(duì)豐度從總病毒的12.6%增加到40%；在聚球藻暴發(fā)幾天后，海水中噬藻體的數(shù)量大量增加、聚球藻密度快速降低. 噬藻體侵染聚球藻后，降低了其在浮游群落中競(jìng)爭(zhēng)能力、短時(shí)間內(nèi)改變水體優(yōu)勢(shì)藻種. Wang等[88]研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)切薩皮克灣的聚球藻的豐度與噬藻體濃度變化呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)模式，噬藻體豐度與聚球藻密度具有強(qiáng)烈相關(guān)性. 夏季藍(lán)藻水華期間，噬藻體與宿主藻的接觸率較高，日致死率達(dá)到1%～10%，但冬季日接觸率低于0.1%，這表明環(huán)境因子對(duì)噬藻體的侵染效果具有重要影響. 切薩皮克灣聚球藻豐度和噬藻體濃度之間的密切關(guān)系表明，噬藻體在調(diào)節(jié)聚球藻豐度和生產(chǎn)力方面可能發(fā)揮重要的作用.

銅綠微囊藻廣泛分布在湖泊、池塘等水體中，是最常見(jiàn)藍(lán)藻水華藻種. 目前，已分離出的多株感染銅綠微囊藻噬藻體，并在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中證實(shí)其對(duì)微囊藻豐度的調(diào)節(jié)作用. 有研究證明，自然水體中銅綠微囊藻的密度變化與噬藻體作用相關(guān). Manage等[95]在1997年3月到1998年1月監(jiān)測(cè)到日本一個(gè)超富營(yíng)養(yǎng)化池塘中銅綠微囊藻和噬藻體密度的季節(jié)變化特征. 銅綠微囊藻是池塘水華優(yōu)勢(shì)藻種，占浮游植物總量的83%以上. 當(dāng)池塘中噬藻體濃度較高時(shí)，銅綠微囊藻密度急劇下降；而銅綠微囊藻在冬季密度較低，池塘中則檢測(cè)不到噬藻體. Yoshida等[96]在日本米卡塔湖首次證實(shí)，淡水噬藻體群落季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化與宿主銅綠微囊藻豐度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)宿主藻的細(xì)胞數(shù)量降低時(shí)，噬藻體濃度明顯增加. 藍(lán)藻細(xì)胞豐度同步監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，噬藻體豐度變化會(huì)影響產(chǎn)生微囊藻毒素和不產(chǎn)生微囊藻毒素的藍(lán)藻種群相對(duì)結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)毒藻種在所有微囊藻生物量中由47.1%下降到0.5%. 在4-7月，米卡塔湖中噬藻體濃度增加，微囊藻在所有藍(lán)藻生物量中的比例從0.3%下降到0.07%，這顯示了噬藻體對(duì)藍(lán)藻群落構(gòu)成具有較強(qiáng)調(diào)控能力. 在自然水體中，噬藻體對(duì)微囊藻豐度具有一定的調(diào)節(jié)作用，可降低微囊藻相對(duì)種群密度；研究發(fā)現(xiàn)通常在藍(lán)藻水華發(fā)生后噬藻體密度快速增加，可減緩藍(lán)藻水華持續(xù)時(shí)間[86]，但并不能阻止水華的發(fā)生，這可能會(huì)是應(yīng)用噬藻體治理藍(lán)藻水華面臨的一個(gè)問(wèn)題.

水體中藍(lán)藻被噬藻體裂解、影響原有食物鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各營(yíng)養(yǎng)級(jí)均會(huì)發(fā)生變化. 例如，在肯尼亞納庫(kù)魯湖，火烈鳥(niǎo)主要以湖泊中藻類為食. 當(dāng)湖泊中占有優(yōu)勢(shì)的節(jié)旋藻被噬藻體感染大規(guī)模死亡時(shí)，節(jié)旋藻種群密度降低導(dǎo)致火烈鳥(niǎo)數(shù)量急劇減少. 這表明，噬藻體可以通過(guò)裂解水生食物鏈初級(jí)消費(fèi)者(藍(lán)藻)自下而上影響不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)，從而影響較高營(yíng)養(yǎng)等級(jí)消費(fèi)者的種群數(shù)量[97]. 噬藻體在調(diào)節(jié)水體藍(lán)藻豐度、改變浮游群落結(jié)構(gòu)上發(fā)揮著重要的作用，但噬藻體侵染導(dǎo)致的藍(lán)藻裂解對(duì)水生食物網(wǎng)產(chǎn)生的進(jìn)一步影響仍需要探究.

3 噬藻體對(duì)水體中物質(zhì)循環(huán)的影響

噬藻體裂解宿主后釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)元素在水體中生物地球化學(xué)循環(huán). 水體中藍(lán)藻自然死亡的主要原因?yàn)楦∮蝿?dòng)物的捕食和噬藻體的裂解[13-14]. 盡管有研究認(rèn)為，捕食作用和病毒裂解對(duì)藍(lán)藻致死效力相當(dāng)，但2種致死作用對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì)的影響卻不相同. 捕食作用使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)隨著水生食物鏈向更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)轉(zhuǎn)移，釋放的有機(jī)物質(zhì)主要為顆粒態(tài)；而噬藻體裂解釋放出溶解態(tài)有機(jī)物及和易被微生物利用的顆粒態(tài)物質(zhì)，從而有利于促進(jìn)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)利用.

3.1 噬藻體對(duì)水體中碳循環(huán)過(guò)程的影響

水體中病毒的裂解過(guò)程每年約向海洋釋放30億噸碳[75]. 海洋中溶解性有機(jī)物主要由病毒裂解、細(xì)胞分泌以及細(xì)胞機(jī)械破解3種機(jī)制釋放，其中病毒裂解是溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)最主要來(lái)源[98-99]. Breitbart等[62]總結(jié)了病毒裂解作用在海洋中所導(dǎo)致的DOM再循環(huán)過(guò)程. 捕食作用將碳沿著食物鏈從細(xì)菌到原生動(dòng)物、浮游動(dòng)物再到魚(yú)類和更大的生物方向移動(dòng)，所有營(yíng)養(yǎng)級(jí)都通過(guò)產(chǎn)生顆粒性有機(jī)物(POM)下沉影響海洋有機(jī)物庫(kù). 而病毒的裂解作用導(dǎo)致碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)病毒裂解的方式流動(dòng)，并被微生物循環(huán)中的細(xì)菌重新礦化、促進(jìn)水體中DOM快速循環(huán)這一過(guò)程被稱為病毒分流(viral shunt)[62]. 噬藻體作為浮游病毒的重要組成，其對(duì)藍(lán)藻的裂解作用(圖3)對(duì)促進(jìn)有機(jī)物循環(huán)具有重要影響. 噬藻體裂解聚球藻、原綠球藻等藍(lán)藻促進(jìn)DOM循環(huán)，提高海洋碳庫(kù)存量. Suttle等[11]發(fā)現(xiàn)墨西哥灣聚球藻屬在噬藻體的作用下日致死率達(dá)到5%～14%，子代噬藻體的每日釋放量為3.1× 107pfu/L，聚球藻每日碳釋放量為0.15 μg/L(假設(shè)單個(gè)聚球藻細(xì)胞碳含量為125 fg)[100].

圖3 噬藻體裂解藍(lán)藻對(duì)海洋中有機(jī)物循環(huán)的影響Fig.3 Effects of cyanophage on organic matter cycling in the ocean

噬藻體裂解宿主細(xì)胞釋放大量溶解性有機(jī)碳，改變了水體中碳源分配，使大量碳從顆粒有機(jī)碳庫(kù)流入溶解性有機(jī)碳庫(kù). Zheng等[101]通過(guò)噬藻體感染聚球藻實(shí)驗(yàn)探究噬藻體對(duì)水體中有機(jī)碳分布的影響. 在噬藻體裂解期間，培養(yǎng)體系中POC濃度降低了約680 μmol/L；而噬藻體添加組DOC相對(duì)于對(duì)照組則增加約140 μmol/L. 水體中有機(jī)碳向無(wú)機(jī)碳的轉(zhuǎn)化效率約為20%，大概有80%的聚球藻裂解被吸收利用或轉(zhuǎn)化為CO2. 且添加噬藻體實(shí)驗(yàn)組的碳遵循“DOC-細(xì)菌-DOC”循環(huán)，相對(duì)較高濃度的DOC可持續(xù)5 d[102]. 噬藻體的裂解作用對(duì)藍(lán)藻和異養(yǎng)細(xì)菌之間有機(jī)物質(zhì)重新分配、無(wú)機(jī)養(yǎng)分再利用以及細(xì)菌生活方式具有顯著的影響.

3.2 噬藻體對(duì)水體中氮磷循環(huán)過(guò)程影響

藍(lán)藻裂解釋放的物質(zhì)中還包含不同形態(tài)的氮和磷，溶解態(tài)氮和磷可直接被浮游植物利用，從而增加水體初級(jí)生產(chǎn)力. 細(xì)胞裂解釋放的蛋白質(zhì)、核酸以及一些細(xì)胞成分中富含大量的有機(jī)態(tài)氮、磷，有機(jī)態(tài)磷在微生物作用下轉(zhuǎn)化為易被浮游植物吸收的無(wú)機(jī)態(tài)化合物. 與氮(主要是氨氮)相比，水體中磷元素的礦化效率較低. 在聚球藻-異氧細(xì)菌培養(yǎng)體系中添加噬藻體，發(fā)現(xiàn)噬藻體裂解作用并未使培養(yǎng)體系中無(wú)機(jī)磷濃度增加. 含磷有機(jī)物主要進(jìn)入異養(yǎng)細(xì)菌或病毒顆粒中，或者保留在最初降解的化合物中，而不是被重新礦化為無(wú)機(jī)磷酸鹽[101]. 溶解性有機(jī)氮在細(xì)菌礦化作用下轉(zhuǎn)化為氨，氨是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的最主要氮源，噬藻體誘導(dǎo)的氨氮再生會(huì)導(dǎo)致浮游植物生物量增加[103]. 夏威夷附近海域的束毛藻每天對(duì)N2固氮率約為43 pmol，而噬藻體裂解、釋放3%～65%氮[87]，從而影響周圍水域氮循環(huán)過(guò)程. Kuznecova等[104]利用噬藻體vB_AphaS-CL131感染絲狀固氮水華束絲藻(Aphanizomenonflos-aquae)，發(fā)現(xiàn)噬藻體抑制宿主藻生長(zhǎng)，但藻細(xì)胞氮固定率并沒(méi)有顯著差異，這說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)噬藻體基因組復(fù)制和子代噬藻體產(chǎn)生不會(huì)影響宿主藻異形胞中N2固定. 異形胞兩端氮含量增加，營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞氮轉(zhuǎn)運(yùn)減少，藻絲內(nèi)固定氮流動(dòng)方向發(fā)生變化，而噬藻體的裂解作用導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氨釋放到水體中. 因此，噬藻體感染藍(lán)藻后，導(dǎo)致絲狀宿主細(xì)胞內(nèi)的氮分布改變，誘導(dǎo)胞內(nèi)氮轉(zhuǎn)化為含氮化合物并釋放到水體，促進(jìn)了顆粒態(tài)氮向溶解態(tài)氮轉(zhuǎn)化. 噬藻體侵染藍(lán)藻對(duì)自然水體中氮、磷循環(huán)過(guò)程具有顯著影響，但現(xiàn)階段關(guān)于噬藻體侵染作用對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的相關(guān)研究仍主要在海洋領(lǐng)域，噬藻體在淡水水體中對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程影響仍處于探索階段.

3.3 噬藻體裂解藍(lán)藻對(duì)水體中藻毒素影響

噬藻體裂解藍(lán)藻后是否能引起水體中藻毒素的變化一直是研究人員非常關(guān)切的話題. 最近一項(xiàng)關(guān)于藻毒素的報(bào)道引起了全球關(guān)注，在2020年5-6月，非洲大草原330多頭大象離奇死亡. Wang等[105]認(rèn)為非洲大陸水體微囊藻毒素平均濃度超過(guò)8800 μg/L，這可能是導(dǎo)致大象死亡的直接原因. 自從1995年以來(lái)，美國(guó)伊利湖每年夏季都會(huì)暴發(fā)以微囊藻為優(yōu)勢(shì)群落的藍(lán)藻水華. 在2014年夏季伊利湖中噬藻體大量爆發(fā)，噬藻體裂解微囊藻釋放藻毒素導(dǎo)致水體中藻毒素濃度快速升高(主要為微囊藻毒素MC-LR、MC-RR、MC-RR，最高濃度可達(dá)37.1 μg/L)，且來(lái)自西北方向的強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致毛米灣富含微囊藻毒素的水沿著南部海岸線向東輸送經(jīng)過(guò)托萊多取水口，導(dǎo)致該市飲用水供水中斷2 d. 該研究發(fā)現(xiàn)噬藻體對(duì)微囊藻群落的大規(guī)模感染可能有利于藻毒素在水體中從顆粒態(tài)向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化，使水體藻毒素濃度在短期內(nèi)快速增加，導(dǎo)致藻毒素在浮游生物體內(nèi)累積、危害水生態(tài)系統(tǒng)[106].

噬藻體侵染可能會(huì)使產(chǎn)毒藍(lán)藻迅速裂解，并在短期內(nèi)向水體釋放大量藻毒素，促進(jìn)顆粒態(tài)藻毒素向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化，從而使水體中藻毒素含量增加，危害水生態(tài)系統(tǒng). 而在自然水體中，噬藻體-藍(lán)藻相互作用會(huì)導(dǎo)致水體中有機(jī)物、微生物群落等發(fā)生變化，這也可能會(huì)對(duì)藻毒素濃度產(chǎn)生一定影響. 噬藻體通過(guò)影響藍(lán)藻豐度進(jìn)而影響水體中藻毒素濃度的相關(guān)研究仍較少.

4 總結(jié)與展望

本文從噬藻體侵染機(jī)制，噬藻體對(duì)藍(lán)藻種群的調(diào)節(jié)作用以及對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)效應(yīng)等方面分析了現(xiàn)有研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展. 噬藻體作為自然環(huán)境中快速裂解藍(lán)藻的生物因子，其對(duì)藍(lán)藻水華的治理具有重要研究意義和潛在應(yīng)用價(jià)值. 噬藻體裂解宿主藻可以通過(guò)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)促進(jìn)群落中相互競(jìng)爭(zhēng)的藻類生長(zhǎng)，使水體中生物群落發(fā)生改變，可能間接影響水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性. 藍(lán)藻在噬藻體作用下裂解，破壞原有的水生態(tài)捕食食物鏈、改變了浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，使有機(jī)物向食物鏈頂端傳遞效率降低，并改變水體中關(guān)鍵元素的循環(huán)過(guò)程. 由于噬藻體對(duì)藍(lán)藻侵染具有較強(qiáng)特異性，同時(shí)宿主藻易產(chǎn)生抗性并且可能導(dǎo)致藻毒素釋放風(fēng)險(xiǎn)增加，使噬藻體在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用仍然存在困難；目前，噬藻體對(duì)藍(lán)藻水華的調(diào)控作用仍停留在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)階段. 盡管室內(nèi)研究結(jié)果顯示噬藻體可有效地控制藍(lán)藻種群密度，但在更為復(fù)雜的自然水體中，這些結(jié)論是否成立仍然值得進(jìn)一步探索和明確，尤其應(yīng)該關(guān)注在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化，這可以為全面地評(píng)估噬藻體作為藍(lán)藻水華潛在生物治理方案可行性提供重要基礎(chǔ).