郑州大学生物工程系 环境微生物学有害藻类水华与微生物

郑州大学生物工程系环境微生物学有害藻类水华与微生物第1页/共47页主要内容1.水体富营养化与有害藻类水华

2.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第2页/共47页水体富营养化已成为当今世界上水体普遍存在的环境难题。有害藻类水华(harmfulalgalbloom,HAB)的爆发则是富营养化引起的生物污染现象。

一、水体富营养化与有害藻类水华

水体富营养化（eutrophication）是大量的氮、磷等营养物质进入水体，引起蓝细菌、微小藻类几其他浮游生物恶性增殖，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第3页/共47页水华和赤潮是指在适宜的化学物理等条件下,水体中的藻类短时间内大量繁殖并聚集的生态异常现象,这一现象若发生于淡水通常称作水华,在海洋则被称为赤潮.有害藻类水华可分为水华（waterblooms）和赤潮(redtides)第4页/共47页太湖美，美在太湖水。然而在无锡鼋头渚景区，藻类密生，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“逃离”。在湖畔的小渔港，渔船也被绿藻包围着，渔民们的生产、生活环境受到富营养化湖水的威胁。第5页/共47页第6页/共47页第7页/共47页第8页/共47页第9页/共47页Microcystisbloomscanappearpatchyasinthephotoontheleft,orthicklikeacarpetasinthepictureontheright.第10页/共47页AdenseaccumulationclosetoashorebythecyanobacteriumMicrocystisaeruginosainLakeMälaren.Notethevariationsinthecolours,whichdependsoncyanobacteriaofdifferentages.Photo:KerstinBohm,CountyAdministrativeBoardofStockholm*.第11页/共47页WaterbloomoutbreakinLakeBiwa

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Diatombloom.Foundinbothfreshandsalinewater.Thesebloomsmaycolourthewaterbrown.第13页/共47页AdensebloomofthedinoflagellateNoctilucascintillansatabeachintheLimfjord,Denmark.Photo:HeleneMunkSørensen,CountyBoardofÅrhus,Denmark

第14页/共47页MicrocystisaeruginosabloominCrawleyBay,Swan-CanningEstuary,WA.PhotocourtesyofWestAustralianNewspapersandusedwithpermissionoftheWatersandRiversCommissionofWesternAustralia.第15页/共47页第16页/共47页EutrophicationandAlgaeBloomsEutrophicationisanincreaseofphytoplanktonbiomassandtakesplacewhennutrients,especiallynitrogenandphosphorous,aredischargedintosurfacewaters.Thisisnaturalbutmenmadeeutrophicationenhancesthisprocesswithmassiveconsequences.Italtersspeciescompositionandleadstoalossofbiodiversityduetoalossofoligotophicsystems.第17页/共47页Menmadeeutrophicationleadstoanovergrowofalgaes,asocalledalgaebloom,whichresultsinscumformationandareducedtransparencyofthewater.Amongstcuttingdownthepenetrationoflight,thesebloomsareinsomecaseseventoxic.第18页/共47页Theseconsequencesdonotonlyreducethebathingwaterqualityandareanuisancebuttheymightalsobeharmful,especiallytobathingsmallchildren.Theyalso

affectthelocaltourism第19页/共47页Eutrophicationespeciallyoccursincoastalwatersneartheshorewherealargeamountofnutrientsaretransportedbyrivers.Bloomsofphytoplanktonhavebecomearecurrentproblemintheworlds.第20页/共47页2.有害藻类水华的危害b.对浮游生物和底栖生物的影响。B.水体生态及生物的影响。a.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c.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D.危害人类的健康第21页/共47页二、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性的难题，除了降低水体中N、P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，归结起来有以下方法：第22页/共47页1.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。第23页/共47页2.化学除藻利用除草剂、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Cu2+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，化学除藻还容易给水体带来二次污染，不安全。第24页/共47页3.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藻类生长的生物,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。这种方法造成的环境压力相对较小,成本低,无二次污染,作用效果好、时间长。因此应用前景较广。第25页/共47页生物操纵论者提出的治理对策是:强调生态学的“下行效应”,即“鱼类—浮游动物—浮游植物—理化因子”,通过浮游动物来控制浮游植物。主要是水生无脊椎动物(如轮虫、枝角类和原生动物等)通过食物链产生影响。现在国外流行“生物操纵”(Biomanipulation),以改变鱼类的组成和多少为主要手段,借助滤食性的鱼类对于小型藻类的牧食作用,直接遏制藻类的生长。（1）生物操纵法第26页/共47页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,马来眼子菜能够抑制藻类生长;飘浮性水草(如凤眼莲等)也能产生抑藻物质。（2）生物抑制法（3）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争营养，然后收割植物第27页/共47页三、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组成部分,对维持藻的生物量平衡具有非常重要的作用。近年来,不少国外研究者认为:水华和赤潮的突然消亡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情况下,溶藻细菌,作为水华和赤潮防治的生物,已经引起越来越多人的关注,国外近几年不断报道新的溶藻细菌。第28页/共47页1.溶藻细菌研究概况溶藻细菌（algae-lysingbacteria,algicidalbacteria）是指:通过直接或间接方式,抑制藻类生长,或杀死藻类,从而溶解藻细胞的细菌。溶藻细菌的研究在国外已有数十年历史。早在1942年,Geitler报道一种粘细菌Polyangiumparasitium寄生在刚毛藻上,使藻死亡第29页/共47页溶藻细菌在国内外文献中陆续有一些报道,主要有:粘细菌、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、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。这些细菌多为革兰氏阴性菌,它们作用对象比较广泛,既有蓝藻,也有硅藻和甲藻。第30页/共47页溶藻细菌在水生生态系统中的作用在水生生态系统中，细菌和微型藻类是数量最多、分布最广的生物。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（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。第31页/共47页Furuki的工作表明：当Chattonellaantiqua将要达到最大的细胞浓度时，周围的一些细菌能够促进Chattonellaantiqua的生长；相反地，当Chattonellaantiqua水华消亡时，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。

第32页/共47页溶藻细菌对藻类生长和水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群生长符合下列方程：Nt=N0e(K+Ki-Ka-Km-Ks-Kg)t第33页/共47页细菌影响水华动力学的可能作用模式1)初始阶段—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,数量很少，宿主藻类细胞密度很低或者基本没有宿主细胞；

1）→2）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，周边环境中细菌总数同步开始增加。第34页/共47页2)→3）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，其绝对数量（即溶藻细菌的总数）和相对数量（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；3）→4）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用下，促进水华开始消亡；

第35页/共47页4)→1）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，数量开始减少。

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是有助于研究溶藻细菌和水华的种群动力学关系的。第36页/共47页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，即直接进攻宿主(directattack)，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，即间接进攻宿主(indirectattack),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

第37页/共47页直接溶藻

粘细菌是最早报道和报道较多的溶藻细菌。

Imai观察到两株交替单胞菌(Alteromonas)也可通过直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。Imai和Doucette分别报道噬胞菌（Cytophagasp.）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任何作用。

第38页/共47页间接溶藻

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、假单胞菌、黄杆菌、交替单胞菌，假交替单胞菌等。第39页/共47页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。

第40页/共47页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PCR和16SrRNA序