有害藻类水化与微生物

1、 Environmental Microbiology郑州大学生物工程系郑州大学生物工程系 席席 宇宇第九章第九章 有害藻类水华与微生物有害藻类水华与微生物主主 要要 内内 容容1.水体富营养化与有害藻类水华水体富营养化与有害藻类水华 2.有害藻类水华的防治有害藻类水华的防治3.微生物防治有害藻类水华的研究进展微生物防治有害藻类水华的研究进展水体富营养化已成为当今世界上水体水体富营养化已成为当今世界上水体普遍存在普遍存在的的环境难环境难题题。有害藻类水华。有害藻类水华 ( (harmful algal bloom,HAB) ) 的爆发的爆发则是富营养化引起的生物污染现象则是富营养化引起的生物污

2、染现象。 一、一、水体富营养化与有害藻类水华水体富营养化与有害藻类水华 水体富营养化（水体富营养化（eutrophication）是大量的氮、磷等营养是大量的氮、磷等营养物质进入水体，引起物质进入水体，引起蓝细菌蓝细菌、微小藻类微小藻类几其他几其他浮游生物浮游生物恶恶性增殖，最终导致水质急剧下降的一种污染现象。性增殖，最终导致水质急剧下降的一种污染现象。1.有害藻类水华的概念有害藻类水华的概念水华和赤潮是指在适宜的化学物理等条件下水华和赤潮是指在适宜的化学物理等条件下, ,水水体中的体中的藻类藻类短时间内大量繁殖并聚集的生态异常短时间内大量繁殖并聚集的生态异常现象现象, ,这一现象若发生于淡水

3、通常称作水华这一现象若发生于淡水通常称作水华, ,在海在海洋则被称为赤潮洋则被称为赤潮. .有害藻类水华可分为有害藻类水华可分为水华水华（water blooms）和和赤潮赤潮( (red tides) )太湖美，美在太湖水。然而在太湖美，美在太湖水。然而在无锡鼋头渚景区无锡鼋头渚景区，藻类，藻类密生，厚如油漆，发臭的湖水令人掩鼻，游客在这里密生，厚如油漆，发臭的湖水令人掩鼻，游客在这里拍完纪念照便急忙拍完纪念照便急忙“逃离逃离” 。在湖畔的小渔港，渔船。在湖畔的小渔港，渔船也被绿藻包围着，渔民们的生产、生活环境受到富营也被绿藻包围着，渔民们的生产、生活环境受到富营养化湖水的威胁养化湖水的威胁

4、 。左：左：在滇池蓝藻水华收集区里，自动吸藻器在吸取厚在滇池蓝藻水华收集区里，自动吸藻器在吸取厚达达5厘米的微囊藻水华。厘米的微囊藻水华。右：右：“滇池蓝藻水华污染控制技术研究滇池蓝藻水华污染控制技术研究”基地的重力斜筛基地的重力斜筛自动脱水设备在对滇池蓝藻水华进行脱水处理。脱水后自动脱水设备在对滇池蓝藻水华进行脱水处理。脱水后形成的藻浆经去毒处理，成为形成的藻浆经去毒处理，成为上好上好的有机肥料或饲料。的有机肥料或饲料。“滇池蓝藻水华污染控制技术研究滇池蓝藻水华污染控制技术研究”课题的负责人、课题的负责人、 我国我国著名藻类专家、中科院水生生物研究所研究员刘永定在滇著名藻类专家、中科院水生生

5、物研究所研究员刘永定在滇池采集蓝藻水华样品。池采集蓝藻水华样品。Microcystis blooms can appear patchy as in the photo on the left, or thick like a carpet as in the picture on the right.A dense accumulation close to a shore by the cyanobacterium Microcystis aeruginosa in Lake Mlaren. Note the variations in the colours, which depends

6、 on cyanobacteria of different ages. Photo: Kerstin Bohm, County Administrative Board of Stockholm*.Water bloom outbreak in Lake Biwa Diatom bloom. Found in both fresh and saline water. These blooms may colour the water brown.A dense bloom of the dinoflagellate Noctiluca scintillans at a beach in th

7、e Limfjord, Denmark. Photo: Helene Munk Srensen, County Board of rhus, Denmark Microcystis aeruginosa bloom in Crawley Bay, Swan-Canning Estuary, WA. Photo courtesy of West Australian Newspapers and used with permission of the Waters and Rivers Commission of Western Australia.Eutrophication and Alga

8、e BloomsEutrophication is an increase of phytoplankton biomass and takes place when nutrients, especially nitrogen and phosphorous, are discharged into surface waters. This is natural but men made eutrophication enhances this process with massive consequences. It alters species composition and leads

9、 to a loss of biodiversity due to a loss of oligotophic systems. Men made eutrophication leads to an overgrow of algaes, a so called algae bloom, which results in scum formation and a reduced transparency of the water. Amongst cutting down the penetration of light, these blooms are in some cases eve

10、n toxic. These consequences do not only reduce the bathing water quality and are a nuisance but they might also be harmful, especially to bathing small children. They also affect the local tourismEutrophication especially occurs in coastal waters near the shore where a large amount of nutrients are

11、transported by rivers. Blooms of phytoplankton have become a recurrent problem in the worlds. 2.有害藻类水华的危害有害藻类水华的危害b.对浮游生物和底栖生物的影响。对浮游生物和底栖生物的影响。B.水体生态及生物的影响。水体生态及生物的影响。a.影响水体的溶氧；影响水体的溶氧；A.严重破坏景观：水体发臭难闻，透明度降低严重破坏景观：水体发臭难闻，透明度降低c.对整个生态系统结构和生物分布的影响对整个生态系统结构和生物分布的影响C.破坏正常的水生生态平衡破坏正常的水生生态平衡D .危害人类的健康危害人类

12、的健康二、有害藻类水华的防治二、有害藻类水华的防治鉴于有害藻类水华对环境及人类存在的危害性，对鉴于有害藻类水华对环境及人类存在的危害性，对其进行控制和消除势在必行。其进行控制和消除势在必行。蓝藻水华尤其是大型湖泊中的蓝藻水华的治理是世界蓝藻水华尤其是大型湖泊中的蓝藻水华的治理是世界性的难题，除了降低水体中性的难题，除了降低水体中N、P营养盐水平外，世营养盐水平外，世界许多国家对蓝藻水华的治理尝试了许多方法，归结界许多国家对蓝藻水华的治理尝试了许多方法，归结起来有以下方法：起来有以下方法：1.1.物理除藻物理除藻 利用超声波的机械振动、声流和空化效应造成生物细胞利用超声波的机械振动、声流和空化效

13、应造成生物细胞组织的损伤、断裂或粉碎，使生物组分发生物理和化学组织的损伤、断裂或粉碎，使生物组分发生物理和化学变化，高效节能地破坏蓝藻天然复合物的关键组分，或变化，高效节能地破坏蓝藻天然复合物的关键组分，或抑制其生物合成，从而抑制光合作用的进行，达到抑制抑制其生物合成，从而抑制光合作用的进行，达到抑制蓝藻生长、防止水华暴发的目的蓝藻生长、防止水华暴发的目的通过重力斜筛自动脱水设备进行脱水处理，脱水后形成通过重力斜筛自动脱水设备进行脱水处理，脱水后形成的藻浆经去毒处理，将成为上好的有机肥料或饲料。的藻浆经去毒处理，将成为上好的有机肥料或饲料。2.2.化学除藻化学除藻 利用除草剂、杀藻剂及金属盐等

14、来控制水华，例如用硫利用除草剂、杀藻剂及金属盐等来控制水华，例如用硫酸铜治藻，硫酸铜在水中分解的酸铜治藻，硫酸铜在水中分解的Cu2+与藻体中的蛋白质与藻体中的蛋白质结合，蛋白质变性，藻体死亡。但该法治疗效果不十分结合，蛋白质变性，藻体死亡。但该法治疗效果不十分理想，原因是蓝藻繁殖很快，一旦优势种群形成，即使理想，原因是蓝藻繁殖很快，一旦优势种群形成，即使当天用药见效，过一两天又会大量繁殖出现。此外，化当天用药见效，过一两天又会大量繁殖出现。此外，化学除藻还容易给水体带来二次污染，不安全。学除藻还容易给水体带来二次污染，不安全。3.3.生物除藻生物除藻 通过人为增加某些能直接以藻类为食或间接抑制

15、藻类通过人为增加某些能直接以藻类为食或间接抑制藻类生长的生物生长的生物, ,针对性地阻止水华的发生。这种方法利针对性地阻止水华的发生。这种方法利用自然界生物的种间竞争、捕食关系来抑制藻的生长用自然界生物的种间竞争、捕食关系来抑制藻的生长。这种方法造成的环境压力相对较小。这种方法造成的环境压力相对较小, ,成本低成本低, ,无二次无二次污染污染, ,作用效果好、时间长。因此应用前景较广。作用效果好、时间长。因此应用前景较广。生物操纵论者提出的治理对策是生物操纵论者提出的治理对策是:强调生态学的强调生态学的“下行下行效应效应”,即即“鱼类鱼类浮游动物浮游动物浮游植物浮游植物理化因子理化因子”,通过

16、浮游动物来控制浮游植物。主要是水生无脊椎动通过浮游动物来控制浮游植物。主要是水生无脊椎动物物(如轮虫、枝角类和原生动物等如轮虫、枝角类和原生动物等)通过食物链产生影通过食物链产生影响。现在国外流行响。现在国外流行“生物操纵生物操纵”(Biomanipulation),以以改变鱼类的组成和多少为主要手段改变鱼类的组成和多少为主要手段,借助滤食性的鱼类借助滤食性的鱼类对于小型藻类的牧食作用对于小型藻类的牧食作用,直接遏制藻类的生长。直接遏制藻类的生长。（1）生物操纵法）生物操纵法许多生物都能对藻类的生长起到抑制作用。在水草许多生物都能对藻类的生长起到抑制作用。在水草类的沉水植物中类的沉水植物中,

17、,马来眼子菜能够抑制藻类生长马来眼子菜能够抑制藻类生长; ;飘飘浮性水草浮性水草( (如凤眼莲等如凤眼莲等) )也能产生抑藻物质也能产生抑藻物质。（2）生物抑制法）生物抑制法（3 3）生物收割法）生物收割法种植大型的水生植物，利用水生植物和水华藻类竞种植大型的水生植物，利用水生植物和水华藻类竞争营养，然后收割植物争营养，然后收割植物三、微生物防治有害藻类水华的研究进展三、微生物防治有害藻类水华的研究进展溶藻细菌作为水生生态系统生物种群结构和功能的重要溶藻细菌作为水生生态系统生物种群结构和功能的重要组成部分组成部分, ,对维持藻的生物量平衡具有非常重要的作用。对维持藻的生物量平衡具有非常重要的作

18、用。近年来近年来, ,不少国外研究者认为不少国外研究者认为: :水华和赤潮的突然消亡水华和赤潮的突然消亡可能与溶藻细菌的感染有关。可能与溶藻细菌的感染有关。在利用物理、化学和其他生物方法治理水华甚不理想的在利用物理、化学和其他生物方法治理水华甚不理想的情况下情况下, ,溶藻细菌溶藻细菌, ,作为水华和赤潮防治的生物作为水华和赤潮防治的生物, ,已经引起已经引起越来越多人的关注越来越多人的关注, ,国外近几年不断报道新的溶藻细菌。国外近几年不断报道新的溶藻细菌。1.溶藻细菌研究概况溶藻细菌（溶藻细菌（algae-lysing bacteria,algicidal bacteria）是指是指:通过

19、直接或间接方式通过直接或间接方式,抑制藻类生长抑制藻类生长,或杀死藻类或杀死藻类,从而溶解从而溶解藻细胞的细菌。藻细胞的细菌。溶藻细菌的研究在国外已有数十年历史。溶藻细菌的研究在国外已有数十年历史。早在早在19421942年年, ,GeitlerGeitler报道一种粘细菌报道一种粘细菌Polyangium parasitium寄生在刚毛藻上寄生在刚毛藻上, ,使藻死亡使藻死亡溶藻细菌在国内外文献中陆续有一些报道溶藻细菌在国内外文献中陆续有一些报道, ,主要有主要有: :粘粘细菌、噬胞菌属、纤维弧菌属、节杆菌、屈挠细菌属、细菌、噬胞菌属、纤维弧菌属、节杆菌、屈挠细菌属、蛭弧菌、杆菌、黄杆菌属、

20、弧菌、腐生螺旋体属、假单蛭弧菌、杆菌、黄杆菌属、弧菌、腐生螺旋体属、假单胞菌、鞘氨醇单胞菌属、交替单胞菌、交替假单胞菌等胞菌、鞘氨醇单胞菌属、交替单胞菌、交替假单胞菌等。这些细菌多为革兰氏阴性菌这些细菌多为革兰氏阴性菌, ,它们作用对象比较广泛它们作用对象比较广泛, ,既有蓝藻既有蓝藻, ,也有硅藻和甲藻。也有硅藻和甲藻。a a b b c c b b 溶藻细菌在水生生态系统中的作用溶藻细菌在水生生态系统中的作用在水生生态系统中在水生生态系统中，细菌和微型藻类是数量最多细菌和微型藻类是数量最多、分布最分布最广的生物。广的生物。 一个种群的生物（细菌或藻类）分泌的次生代谢产物对另一个种群的生物（

21、细菌或藻类）分泌的次生代谢产物对另一个种群的生物（细菌或藻类）可能有益，也可能有害。一个种群的生物（细菌或藻类）可能有益，也可能有害。物种间这种相互拮抗能力提供了一个可能的反馈机制，这物种间这种相互拮抗能力提供了一个可能的反馈机制，这种机制在控制藻类和细菌的种群演替和种群动力学中起重种机制在控制藻类和细菌的种群演替和种群动力学中起重要作用。要作用。 Furuki的工作表明：当的工作表明：当Chattonella antiqua将要达到最大将要达到最大的细胞浓度时的细胞浓度时，周围的一些细菌能够促进周围的一些细菌能够促进Chattonella antiqua的生长的生长；相反地相反地，当当Cha

22、ttonella antiqua水华消亡水华消亡时时，有些细菌又能够抑制该藻的生长。因此细菌和藻类有些细菌又能够抑制该藻的生长。因此细菌和藻类之间的关系是复杂多变的，水华的不同发展阶段，可能之间的关系是复杂多变的，水华的不同发展阶段，可能有不同的细菌对藻类起作用。有不同的细菌对藻类起作用。总之，藻菌关系在有害藻类水华的生消过程中起重要作总之，藻菌关系在有害藻类水华的生消过程中起重要作用。而细菌对有害藻类的的溶解作用为有害藻类水华的用。而细菌对有害藻类的的溶解作用为有害藻类水华的防治提供了新的生物控制可能性防治提供了新的生物控制可能性。 溶藻细菌对藻类生长和水华动力学的影响溶藻细菌对藻类生长和水

23、华动力学的影响水华种群动力学，包括水华的发生、发展、消退，是受水华种群动力学，包括水华的发生、发展、消退，是受一系列复杂的物理、化学和生物因素相互作用一系列复杂的物理、化学和生物因素相互作用的制约。 在自然水体中，某段时间内某一区域某种浮游藻类的种在自然水体中，某段时间内某一区域某种浮游藻类的种群生长符合下列方程：群生长符合下列方程：Nt=N0e(K+Ki-Ka-Km-Ks-Kg)t细菌影响水华动力学的可能作用模式细菌影响水华动力学的可能作用模式1)1)初始阶段初始阶段溶藻细菌作为其特异性宿主周边微生物群溶藻细菌作为其特异性宿主周边微生物群落中的组成部分落中的组成部分, ,数量很少，宿主藻类细

24、胞密度很低或数量很少，宿主藻类细胞密度很低或者基本没有宿主细胞；者基本没有宿主细胞； 1 1）22）水华发生时，藻类密度增加，藻类分泌的有机）水华发生时，藻类密度增加，藻类分泌的有机物也随之增加，导致水体中有机营养物质增多，周边环物也随之增加，导致水体中有机营养物质增多，周边环境中细菌总数同步开始增加。境中细菌总数同步开始增加。 2)32)3）水华开始发展时，宿主藻类细胞数迅速增加，）水华开始发展时，宿主藻类细胞数迅速增加，溶藻细菌能够优先利用藻类分泌的有机物，其绝对数溶藻细菌能够优先利用藻类分泌的有机物，其绝对数量（即溶藻细菌的总数）和相对数量（即在细菌群落量（即溶藻细菌的总数）和相对数量（

25、即在细菌群落中的比例）增加，溶藻细菌杀死宿主细胞，释放有机中的比例）增加，溶藻细菌杀死宿主细胞，释放有机物质。这导致了一个反馈机制：进一步刺激周边细菌物质。这导致了一个反馈机制：进一步刺激周边细菌群落中溶藻细菌的生长和活性；群落中溶藻细菌的生长和活性；3 3）44）在水华的发展阶段，上述反馈机制在变化的）在水华的发展阶段，上述反馈机制在变化的时空范围内继续起作用，最终，在一些因素的协同作时空范围内继续起作用，最终，在一些因素的协同作用下，促进水华开始消亡；用下，促进水华开始消亡； 4)14)1）当水华开始消退时，伴随宿主藻细胞减少，导）当水华开始消退时，伴随宿主藻细胞减少，导致有机物质减少，溶

26、藻细菌在利用藻类有机物方面的致有机物质减少，溶藻细菌在利用藻类有机物方面的优势被消减到与其他细菌一样的初始水平，数量开始优势被消减到与其他细菌一样的初始水平，数量开始减少。减少。 这个概念性的模式过于简化水华这个物理、化学和生这个概念性的模式过于简化水华这个物理、化学和生物因子综合作用的事件。但是作为一个理想化的模式物因子综合作用的事件。但是作为一个理想化的模式是有助于研究溶藻细菌和水华的种群动力学关系是有助于研究溶藻细菌和水华的种群动力学关系的。溶藻细菌的作用方式的研究溶藻细菌的作用方式的研究溶藻细菌作用方式，一般分为下列两种情况：一是直接溶藻细菌作用方式，一般分为下列两种情况：一是直接溶藻

27、，即直接进攻宿主溶藻，即直接进攻宿主( (direct attack) )，它需要细菌与它需要细菌与藻细胞直接接触，甚至侵入藻细胞内；二是间接溶藻，藻细胞直接接触，甚至侵入藻细胞内；二是间接溶藻，即间接进攻宿主即间接进攻宿主( (indirect attack),),主要包括细菌同藻竞主要包括细菌同藻竞争有限营养或细菌分泌胞外物质溶藻。文献报道较多的争有限营养或细菌分泌胞外物质溶藻。文献报道较多的是细菌分泌胞外物质到环境中抑制藻的生长，导致藻细是细菌分泌胞外物质到环境中抑制藻的生长，导致藻细胞的溶解胞的溶解 直接溶藻直接溶藻 粘细菌是最早报道和报道较多的溶藻细菌粘细菌是最早报道和报道较多的溶藻

28、细菌。 ImaiImai观察到两株交替单胞菌观察到两株交替单胞菌( (Alteromonas) )也可通过直也可通过直接方式溶解某些藻类。接方式溶解某些藻类。Maria从发生水华的铜绿微囊藻中分离一株类似蛭弧从发生水华的铜绿微囊藻中分离一株类似蛭弧菌的细菌，这种细菌能够侵入铜绿微囊藻的细胞内并菌的细菌，这种细菌能够侵入铜绿微囊藻的细胞内并溶解宿主。溶解宿主。Imai和和Doucette 分别报道噬胞菌（分别报道噬胞菌（Cytophaga sp.）的培养的培养物对硅藻有强烈的溶解作用，而无菌滤液对宿主则不起物对硅藻有强烈的溶解作用，而无菌滤液对宿主则不起任何作用。任何作用。 间接溶藻间接溶藻 通

29、过间接方式溶藻是细菌溶藻的主要方式。细通过间接方式溶藻是细菌溶藻的主要方式。细菌可以通过释放特异性或非特异性的细胞外物菌可以通过释放特异性或非特异性的细胞外物质，如蛋白质、羟胺、抗生素、多肽、氨基酸质，如蛋白质、羟胺、抗生素、多肽、氨基酸等物质杀死藻细胞。这类细菌常见的有弧菌、等物质杀死藻细胞。这类细菌常见的有弧菌、假单胞菌、黄杆菌、交替单胞菌，假交替单胞假单胞菌、黄杆菌、交替单胞菌，假交替单胞菌等。菌等。溶藻细菌研究趋势溶藻细菌研究趋势溶藻细菌有望成为有害藻类水华生物防治的溶藻细菌有望成为有害藻类水华生物防治的一种重要手段。这需要人们加快基础研究的一种重要手段。这需要人们加快基础研究的进程，并且缩短理论向实践转化的步伐，分进程，并且缩短理论向实践转化的步伐，分离筛选有效的溶藻细菌并使它们大规模培养离筛选有效的溶藻细菌并使它们大规模培养和工厂化生产成为可能。和工厂化生产成为可能。 研究细菌溶藻能力与各种生物、生态因素的关系研究细菌溶藻能力与各种生物、生态因素的关系 开展无菌藻与水生细菌的种群关系研究开展无菌藻与水生细菌的种群关系研究PCR和和16SrRNA序列分析相结合，发展一个新的分离序列分析相结合