熊露露，梅齊誠(chéng)，張?chǎng)窝?，劉天浩，孫好芬

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

近年來(lái)，由于工業(yè)化進(jìn)程的加快和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為全球大范圍內(nèi)普遍現(xiàn)象[1]，微生物所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素大量進(jìn)入的湖泊水庫(kù)、海灣等水體，引起藻類及其他浮游生物迅速增殖，同時(shí)水華、赤潮中占優(yōu)勢(shì)的藻類可產(chǎn)生大量且毒性較強(qiáng)的毒素，破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與平衡，對(duì)人類生存環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖等構(gòu)成不可逆的威脅[2-3]。藍(lán)綠藻等有害藻類大量、快速滋生是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要表征，其階段性暴發(fā)是水體富營(yíng)養(yǎng)化最常見(jiàn)的現(xiàn)象[4]。因此，如何消除水華、赤潮中有害藻類的暴發(fā)性增長(zhǎng)已經(jīng)成為了水處理中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 生態(tài)控藻

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)赤潮、水華的常見(jiàn)生態(tài)控制方法主要分為三種，分別是物理控藻、化學(xué)控藻和生物控藻[5]。物理控藻方法主要有引水換水、底泥疏浚、遮光法、黏土絮凝沉降、超聲波控藻法等，但是因?yàn)椴恢伪尽⒃靸r(jià)高、操作復(fù)雜等因素而無(wú)法深入推廣。化學(xué)控藻法是目前使用頻率最多且見(jiàn)效最直接的處理辦法[5]，包括化學(xué)藥劑法、電化學(xué)法、光催化降解法等，但因其副作用和高能耗也不能長(zhǎng)期使用。

與化學(xué)和物理控藻相比，由于生物控藻具有成本低、無(wú)污染、低能耗、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為防治赤潮和水華的新研究方向。華燁等[6]采用食藻蟲控藻引導(dǎo)無(wú)錫泰濱生態(tài)系統(tǒng)的成功修復(fù)；彭玉輔等[7]通過(guò)食藻原生動(dòng)物和微生物的溶藻作用來(lái)防治有害藻類的爆發(fā)；劉學(xué)剛等[8]結(jié)合“水生植物浮床與濾食性魚類(如鰱魚、鳙魚)”聯(lián)合的生物調(diào)控法抑制藍(lán)藻；羅智偉等[9]從南美白對(duì)蝦中分離出的一株陶厄氏菌AB-3對(duì)水華束絲菌、魚腥藻等藍(lán)藻均有較強(qiáng)的抑藻作用，為抑藻菌控制養(yǎng)殖水體中水華提供菌種資源；李東等[10-11]篩選的海洋高效溶藻弧菌BSO2、BSO3對(duì)塔瑪亞歷山大藻的殺菌效果具有一定濃度效應(yīng)，在一定濃度梯度內(nèi)處理濃度越高，對(duì)應(yīng)的溶藻效果越佳；施麗麗等[12]采用黃花水龍這類可通過(guò)莖葉根系的牽連作用形成自然浮島的植物，在改善水質(zhì)的同時(shí)解決生態(tài)浮島技術(shù)的載體材料二次污染問(wèn)題；洪喻等[13]分析和總結(jié)了水生植物分泌的化感物質(zhì)如簡(jiǎn)單酚類、黃酮類、脂肪酸類等對(duì)藻類的抑制機(jī)理及研究重點(diǎn)；孫雪梅等[14]從狐尾藻中分離出的焦性沒(méi)食子酸在較低 (0.5mg/L)濃度下就可以產(chǎn)生氧化脅迫效應(yīng)，進(jìn)而抑藻。鄭寧寧[15]從海洋環(huán)境及陸地環(huán)境篩選分離出14株對(duì)米氏凱倫藻具有抑制作用的細(xì)菌，顯著抑制赤潮微藻生長(zhǎng)。

2 微生物控藻技術(shù)

相較于植物競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)和食藻原生動(dòng)物抑藻效果有限，微生物控藻技術(shù)因其效果明顯、種屬特異性高和環(huán)境友好等特征[16]而逐漸得到重視。利用微生物中的真菌、細(xì)菌及放線菌等進(jìn)行藻類控制，是調(diào)節(jié)有害藻類種群爆發(fā)的重要手段。

一些真菌可以通過(guò)釋放維生素抑制赤潮微藻生長(zhǎng)，例如，鄭寧寧[15]等發(fā)現(xiàn)青霉菌分泌的青霉素可抑制組囊藻的生長(zhǎng)；方元奕[17]等發(fā)現(xiàn)乳酸菌對(duì)銅綠微囊藻具有良好抑藻效果，且抑藻率隨其濃度梯度的增加而增加。

由于細(xì)菌與水體中的藍(lán)藻關(guān)系密切，因此細(xì)菌抑制水華藻類的研究報(bào)道較多。細(xì)菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中，有一類溶藻細(xì)菌在調(diào)節(jié)藻類種群發(fā)揮極為重要作用[15]，此種溶藻細(xì)菌能夠以直接或間接途徑抑制藻類生長(zhǎng)、或者殺死藻類甚至裂解藻細(xì)胞[18]。

除此之外，某些病毒能直接感染赤潮微藻，如絲狀藍(lán)藻被病毒感染后，病毒迅速?gòu)?fù)制并釋放大量病毒粒子，最后藻細(xì)胞被逐步瓦解[19]。放線菌屬中含有多種抑藻菌種，陳旭清等[20]發(fā)現(xiàn)放線菌在設(shè)置的濃度梯度中對(duì)銅綠微囊藻有良好的抑制效果。

3 微生物抑藻機(jī)制初探

微生物抑藻作用方式主要有兩種：直接溶藻指溶藻微生物直接與藻細(xì)胞接觸，釋放纖維素溶解酶而溶解藻細(xì)胞或入侵藻細(xì)胞，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞凋零死亡[21]，如李東[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明海洋溶藻弧功能細(xì)菌可直接接觸藻細(xì)胞使得其結(jié)構(gòu)裂解死亡。間接溶藻即抑藻微生物通過(guò)分泌抑藻或溶藻物質(zhì)對(duì)藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，韓貝貝等[22]發(fā)現(xiàn)噬鹽桿菌上清液中的溶藻物質(zhì)可顯著抑制中肋骨條藻對(duì)細(xì)胞正常新陳代謝，最終藻細(xì)胞破裂而死。還有通過(guò)直接和間接途徑交替偶聯(lián)抑藻，喻融等[23]認(rèn)為類蛭弧菌Y對(duì)藍(lán)藻的抑藻機(jī)制是兩種方式的共同作用；喬鏡澄等[24]發(fā)現(xiàn)溶藻菌Q1在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期開(kāi)始分泌某種胞外產(chǎn)物，間接作用于水華魚腥藻和銅綠微囊藻等有害藍(lán)藻類。多數(shù)抑藻菌是通過(guò)與微藻競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)或向環(huán)境釋放抑藻活性物質(zhì)的間接溶藻方式抑制或殺死微藻，此種抑藻活性物質(zhì)為蛋白質(zhì)、多肽、脂肪酸、抗生素、吲哚醌等[25]。

目前微生物的活性物質(zhì)抑制微藻的機(jī)理大致可總結(jié)為以下幾類：

3.1 損害藻細(xì)胞細(xì)胞膜

微生物分泌的抑藻活性物質(zhì)可作用于藻細(xì)胞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，從而去除微藻[1，3]。呂意平等[26]用菌株LY01分泌的胞外活性物質(zhì)處理塔瑪亞歷山大藻細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)即刻出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象，其細(xì)胞壁完整性遭破壞，藻體細(xì)胞逐步裂解死亡；吳黎明[27]從生防芽孢桿菌中篩選得到的解淀粉芽孢桿菌FZB42對(duì)銅綠微囊藻抑制效果最佳，其中關(guān)鍵抑藻活性物質(zhì)為bacilysin，通過(guò)電鏡觀察到該種活性物質(zhì)可破壞目標(biāo)藻細(xì)胞的細(xì)胞器膜系統(tǒng)。

3.2 破壞藻細(xì)胞的生理生態(tài)功能

微生物活性物質(zhì)易進(jìn)入目標(biāo)藻細(xì)胞內(nèi)部，破壞葉綠素和其他光合色素，抑制光合作用或阻礙電子傳遞，進(jìn)而破壞藻體正常的生理生態(tài)功能[28]。于曉娟等[29]發(fā)現(xiàn)酵母菌的胞外分泌物-芳香型腐殖酸及羧酸型腐殖酸主要是通過(guò)破壞葉綠素來(lái)抑制藻類光合作用；Dakhama等[30]發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌分泌的溶藻物質(zhì)為抗生素類色素物質(zhì)-1-羥基吩嗪(1-hydroxyphena-zine)和氧綠菌素(Oxychlorora- phine)，其活性物質(zhì)對(duì)試驗(yàn)的藍(lán)、綠藻細(xì)胞內(nèi)電子傳遞有強(qiáng)烈的抑制作用。丁宏艷[21]發(fā)現(xiàn)從溶菌藻LY03中提取的殺藻活性物質(zhì)不僅使藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，而且大程度地破壞藻細(xì)胞的光合系統(tǒng)，導(dǎo)致其無(wú)法進(jìn)行光合作用。

3.3 誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧

當(dāng)藻細(xì)胞受到外界環(huán)境的干擾時(shí)，如營(yíng)養(yǎng)缺乏、高溫缺水或滲透壓劇變時(shí)，胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧自由基(ROS)[21]。正常的藻細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)會(huì)清除體內(nèi)多余的活性氧以保證光合作用和活性作用的生理生化活動(dòng)，而過(guò)量的ROS會(huì)誘導(dǎo)藻細(xì)胞發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，破壞細(xì)胞膜完整性的同時(shí)干擾胞內(nèi)多種大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、脂肪酸等的合成，最終導(dǎo)致目標(biāo)藻細(xì)胞裂解死亡[31]。張維昊等[32]發(fā)現(xiàn)從菖蒲提取的活性物質(zhì)降低了銅綠微囊藻胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量，從而使超氧化物歧化酶SOD、膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA和過(guò)氧化氫酶CTA等抗氧化系統(tǒng)酶活性增加，造成藻細(xì)胞死亡。Liu[33]等發(fā)現(xiàn)掌狀紅皮藻在受到外界環(huán)境的刺激時(shí)，胞內(nèi)ROS會(huì)顯著升高，過(guò)量ROS可能引起細(xì)胞質(zhì)膜的氧化損傷，改變細(xì)胞膜的通透性而影響細(xì)胞的正常代謝和細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓。

3.4 阻礙藻細(xì)胞的基因表達(dá)

當(dāng)藻細(xì)胞受到環(huán)境中某種不利因素脅迫時(shí)，活性物質(zhì)會(huì)誘導(dǎo)藻細(xì)胞內(nèi)的某些基因表達(dá)下調(diào)，破壞其DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄，從而阻礙藻細(xì)胞的遺傳表達(dá)和細(xì)胞分裂增殖。Wu等[34]在進(jìn)行馬來(lái)眼子菜對(duì)銅綠微囊藻溶藻效果實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)得到的處理組與對(duì)照組蛋白質(zhì)分析結(jié)果差別較大，一些蛋白有明顯下調(diào)現(xiàn)象。吳黎明等[27]用解淀粉芽孢桿菌FZB42的活性物質(zhì)bacilysin處理銅綠微囊藻后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成細(xì)胞壁重要組分的基因glms連續(xù)發(fā)生下調(diào)表達(dá)，編碼光合作用系統(tǒng)Ⅱ的基因psb AI、參與細(xì)胞分裂過(guò)程的基因fts Z均在顯著性下調(diào)。張小倩等[35]研究短短芽孢桿菌的無(wú)菌液對(duì)銅綠微囊藻的抑藻活性時(shí)，發(fā)現(xiàn)短短芽孢桿菌B15分泌的小分子物質(zhì)化合物會(huì)抑制目標(biāo)藻細(xì)胞的光合作用，并遏制其細(xì)胞分裂增殖。

4 展望

用微生物控制藻類生長(zhǎng)是目前解決水華、赤潮頻繁暴發(fā)的新興技術(shù)。但是目前活性物質(zhì)抑藻的研究多針對(duì)如銅綠微囊藻、塔瑪亞歷山大藻等單一藻類，且抑藻菌多停留在模擬階段，鮮有高效應(yīng)用于有害藻類暴發(fā)水域；對(duì)真菌、放線菌等的微生物抑藻研究甚少；大部分微生物抑制微藻的機(jī)理和影響因素仍未淺顯，抑藻微生物分泌的活性物質(zhì)其安全生態(tài)性能、遺傳信息的解析、化學(xué)結(jié)構(gòu)等尚不清楚。研究微生物活性物質(zhì)的性質(zhì)結(jié)構(gòu)、溶藻機(jī)理、抑藻效果及副作用等等對(duì)于治理水體藻類暴發(fā)式增長(zhǎng)有著重要意義，將會(huì)成為未來(lái)研究的重點(diǎn)課題。