鄭州大學(xué)生物工程系 環(huán)境微生物學(xué)有害藻類(lèi)水華與微生物

鄭州大學(xué)生物工程系環(huán)境微生物學(xué)有害藻類(lèi)水華與微生物第1頁(yè)/共47頁(yè)主要內(nèi)容1.水體富營(yíng)養(yǎng)化與有害藻類(lèi)水華

2.有害藻類(lèi)水華的防治3.微生物防治有害藻類(lèi)水華的研究進(jìn)展第2頁(yè)/共47頁(yè)水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為當(dāng)今世界上水體普遍存在的環(huán)境難題。有害藻類(lèi)水華(harmfulalgalbloom,HAB)的爆發(fā)則是富營(yíng)養(yǎng)化引起的生物污染現(xiàn)象。

一、水體富營(yíng)養(yǎng)化與有害藻類(lèi)水華

水體富營(yíng)養(yǎng)化（eutrophication）是大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，引起藍(lán)細(xì)菌、微小藻類(lèi)幾其他浮游生物惡性增殖，最終導(dǎo)致水質(zhì)急劇下降的一種污染現(xiàn)象。1.有害藻類(lèi)水華的概念第3頁(yè)/共47頁(yè)水華和赤潮是指在適宜的化學(xué)物理等條件下,水體中的藻類(lèi)短時(shí)間內(nèi)大量繁殖并聚集的生態(tài)異?，F(xiàn)象,這一現(xiàn)象若發(fā)生于淡水通常稱(chēng)作水華,在海洋則被稱(chēng)為赤潮.有害藻類(lèi)水華可分為水華（waterblooms）和赤潮(redtides)第4頁(yè)/共47頁(yè)太湖美，美在太湖水。然而在無(wú)錫黿頭渚景區(qū)，藻類(lèi)密生，厚如油漆，發(fā)臭的湖水令人掩鼻，游客在這里拍完紀(jì)念照便急忙“逃離”。在湖畔的小漁港，漁船也被綠藻包圍著，漁民們的生產(chǎn)、生活環(huán)境受到富營(yíng)養(yǎng)化湖水的威脅。第5頁(yè)/共47頁(yè)第6頁(yè)/共47頁(yè)第7頁(yè)/共47頁(yè)第8頁(yè)/共47頁(yè)第9頁(yè)/共47頁(yè)Microcystisbloomscanappearpatchyasinthephotoontheleft,orthicklikeacarpetasinthepictureontheright.第10頁(yè)/共47頁(yè)AdenseaccumulationclosetoashorebythecyanobacteriumMicrocystisaeruginosainLakeM?laren.Notethevariationsinthecolours,whichdependsoncyanobacteriaofdifferentages.Photo:KerstinBohm,CountyAdministrativeBoardofStockholm*.第11頁(yè)/共47頁(yè)WaterbloomoutbreakinLakeBiwa

第12頁(yè)/共47頁(yè)

Diatombloom.Foundinbothfreshandsalinewater.Thesebloomsmaycolourthewaterbrown.第13頁(yè)/共47頁(yè)AdensebloomofthedinoflagellateNoctilucascintillansatabeachintheLimfjord,Denmark.Photo:HeleneMunkS?rensen,CountyBoardof?rhus,Denmark

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

affectthelocaltourism第19頁(yè)/共47頁(yè)Eutrophicationespeciallyoccursincoastalwatersneartheshorewherealargeamountofnutrientsaretransportedbyrivers.Bloomsofphytoplanktonhavebecomearecurrentproblemintheworlds.第20頁(yè)/共47頁(yè)2.有害藻類(lèi)水華的危害b.對(duì)浮游生物和底棲生物的影響。B.水體生態(tài)及生物的影響。a.影響水體的溶氧；A.嚴(yán)重破壞景觀：水體發(fā)臭難聞，透明度降低c.對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生物分布的影響C.破壞正常的水生生態(tài)平衡D.危害人類(lèi)的健康第21頁(yè)/共47頁(yè)二、有害藻類(lèi)水華的防治鑒于有害藻類(lèi)水華對(duì)環(huán)境及人類(lèi)存在的危害性，對(duì)其進(jìn)行控制和消除勢(shì)在必行。藍(lán)藻水華尤其是大型湖泊中的藍(lán)藻水華的治理是世界性的難題，除了降低水體中N、P營(yíng)養(yǎng)鹽水平外，世界許多國(guó)家對(duì)藍(lán)藻水華的治理嘗試了許多方法，歸結(jié)起來(lái)有以下方法：第22頁(yè)/共47頁(yè)1.物理除藻利用超聲波的機(jī)械振動(dòng)、聲流和空化效應(yīng)造成生物細(xì)胞組織的損傷、斷裂或粉碎，使生物組分發(fā)生物理和化學(xué)變化，高效節(jié)能地破壞藍(lán)藻天然復(fù)合物的關(guān)鍵組分，或抑制其生物合成，從而抑制光合作用的進(jìn)行，達(dá)到抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)、防止水華暴發(fā)的目的通過(guò)重力斜篩自動(dòng)脫水設(shè)備進(jìn)行脫水處理，脫水后形成的藻漿經(jīng)去毒處理，將成為上好的有機(jī)肥料或飼料。第23頁(yè)/共47頁(yè)2.化學(xué)除藻利用除草劑、殺藻劑及金屬鹽等來(lái)控制水華，例如用硫酸銅治藻，硫酸銅在水中分解的Cu2+與藻體中的蛋白質(zhì)結(jié)合，蛋白質(zhì)變性，藻體死亡。但該法治療效果不十分理想，原因是藍(lán)藻繁殖很快，一旦優(yōu)勢(shì)種群形成，即使當(dāng)天用藥見(jiàn)效，過(guò)一兩天又會(huì)大量繁殖出現(xiàn)。此外，化學(xué)除藻還容易給水體帶來(lái)二次污染，不安全。第24頁(yè)/共47頁(yè)3.生物除藻

通過(guò)人為增加某些能直接以藻類(lèi)為食或間接抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的生物,針對(duì)性地阻止水華的發(fā)生。這種方法利用自然界生物的種間競(jìng)爭(zhēng)、捕食關(guān)系來(lái)抑制藻的生長(zhǎng)。這種方法造成的環(huán)境壓力相對(duì)較小,成本低,無(wú)二次污染,作用效果好、時(shí)間長(zhǎng)。因此應(yīng)用前景較廣。第25頁(yè)/共47頁(yè)生物操縱論者提出的治理對(duì)策是:強(qiáng)調(diào)生態(tài)學(xué)的“下行效應(yīng)”,即“魚(yú)類(lèi)—浮游動(dòng)物—浮游植物—理化因子”,通過(guò)浮游動(dòng)物來(lái)控制浮游植物。主要是水生無(wú)脊椎動(dòng)物(如輪蟲(chóng)、枝角類(lèi)和原生動(dòng)物等)通過(guò)食物鏈產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在國(guó)外流行“生物操縱”(Biomanipulation),以改變魚(yú)類(lèi)的組成和多少為主要手段,借助濾食性的魚(yú)類(lèi)對(duì)于小型藻類(lèi)的牧食作用,直接遏制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。（1）生物操縱法第26頁(yè)/共47頁(yè)許多生物都能對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)起到抑制作用。在水草類(lèi)的沉水植物中,馬來(lái)眼子菜能夠抑制藻類(lèi)生長(zhǎng);飄浮性水草(如鳳眼蓮等)也能產(chǎn)生抑藻物質(zhì)。（2）生物抑制法（3）生物收割法種植大型的水生植物，利用水生植物和水華藻類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)，然后收割植物第27頁(yè)/共47頁(yè)三、微生物防治有害藻類(lèi)水華的研究進(jìn)展溶藻細(xì)菌作為水生生態(tài)系統(tǒng)生物種群結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分,對(duì)維持藻的生物量平衡具有非常重要的作用。近年來(lái),不少?lài)?guó)外研究者認(rèn)為:水華和赤潮的突然消亡可能與溶藻細(xì)菌的感染有關(guān)。在利用物理、化學(xué)和其他生物方法治理水華甚不理想的情況下,溶藻細(xì)菌,作為水華和赤潮防治的生物,已經(jīng)引起越來(lái)越多人的關(guān)注,國(guó)外近幾年不斷報(bào)道新的溶藻細(xì)菌。第28頁(yè)/共47頁(yè)1.溶藻細(xì)菌研究概況溶藻細(xì)菌（algae-lysingbacteria,algicidalbacteria）是指:通過(guò)直接或間接方式,抑制藻類(lèi)生長(zhǎng),或殺死藻類(lèi),從而溶解藻細(xì)胞的細(xì)菌。溶藻細(xì)菌的研究在國(guó)外已有數(shù)十年歷史。早在1942年,Geitler報(bào)道一種粘細(xì)菌Polyangiumparasitium寄生在剛毛藻上,使藻死亡第29頁(yè)/共47頁(yè)溶藻細(xì)菌在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中陸續(xù)有一些報(bào)道,主要有:粘細(xì)菌、噬胞菌屬、纖維弧菌屬、節(jié)桿菌、屈撓細(xì)菌屬、蛭弧菌、桿菌、黃桿菌屬、弧菌、腐生螺旋體屬、假單胞菌、鞘氨醇單胞菌屬、交替單胞菌、交替假單胞菌等。這些細(xì)菌多為革蘭氏陰性菌,它們作用對(duì)象比較廣泛,既有藍(lán)藻,也有硅藻和甲藻。第30頁(yè)/共47頁(yè)溶藻細(xì)菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中的作用在水生生態(tài)系統(tǒng)中，細(xì)菌和微型藻類(lèi)是數(shù)量最多、分布最廣的生物。一個(gè)種群的生物（細(xì)菌或藻類(lèi)）分泌的次生代謝產(chǎn)物對(duì)另一個(gè)種群的生物（細(xì)菌或藻類(lèi)）可能有益，也可能有害。物種間這種相互拮抗能力提供了一個(gè)可能的反饋機(jī)制，這種機(jī)制在控制藻類(lèi)和細(xì)菌的種群演替和種群動(dòng)力學(xué)中起重要作用。第31頁(yè)/共47頁(yè)Furuki的工作表明：當(dāng)Chattonellaantiqua將要達(dá)到最大的細(xì)胞濃度時(shí)，周?chē)囊恍┘?xì)菌能夠促進(jìn)Chattonellaantiqua的生長(zhǎng)；相反地，當(dāng)Chattonellaantiqua水華消亡時(shí)，有些細(xì)菌又能夠抑制該藻的生長(zhǎng)。因此細(xì)菌和藻類(lèi)之間的關(guān)系是復(fù)雜多變的，水華的不同發(fā)展階段，可能有不同的細(xì)菌對(duì)藻類(lèi)起作用?？傊?，藻菌關(guān)系在有害藻類(lèi)水華的生消過(guò)程中起重要作用。而細(xì)菌對(duì)有害藻類(lèi)的的溶解作用為有害藻類(lèi)水華的防治提供了新的生物控制可能性。

第32頁(yè)/共47頁(yè)溶藻細(xì)菌對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)和水華動(dòng)力學(xué)的影響水華種群動(dòng)力學(xué)，包括水華的發(fā)生、發(fā)展、消退，是受一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物因素相互作用的制約。在自然水體中，某段時(shí)間內(nèi)某一區(qū)域某種浮游藻類(lèi)的種群生長(zhǎng)符合下列方程：Nt=N0e(K+Ki-Ka-Km-Ks-Kg)t第33頁(yè)/共47頁(yè)細(xì)菌影響水華動(dòng)力學(xué)的可能作用模式1)初始階段—溶藻細(xì)菌作為其特異性宿主周邊微生物群落中的組成部分,數(shù)量很少，宿主藻類(lèi)細(xì)胞密度很低或者基本沒(méi)有宿主細(xì)胞；

1）→2）水華發(fā)生時(shí)，藻類(lèi)密度增加，藻類(lèi)分泌的有機(jī)物也隨之增加，導(dǎo)致水體中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，周邊環(huán)境中細(xì)菌總數(shù)同步開(kāi)始增加。第34頁(yè)/共47頁(yè)2)→3）水華開(kāi)始發(fā)展時(shí)，宿主藻類(lèi)細(xì)胞數(shù)迅速增加，溶藻細(xì)菌能夠優(yōu)先利用藻類(lèi)分泌的有機(jī)物，其絕對(duì)數(shù)量（即溶藻細(xì)菌的總數(shù)）和相對(duì)數(shù)量（即在細(xì)菌群落中的比例）增加，溶藻細(xì)菌殺死宿主細(xì)胞，釋放有機(jī)物質(zhì)。這導(dǎo)致了一個(gè)反饋機(jī)制：進(jìn)一步刺激周邊細(xì)菌群落中溶藻細(xì)菌的生長(zhǎng)和活性；3）→4）在水華的發(fā)展階段，上述反饋機(jī)制在變化的時(shí)空范圍內(nèi)繼續(xù)起作用，最終，在一些因素的協(xié)同作用下，促進(jìn)水華開(kāi)始消亡；

第35頁(yè)/共47頁(yè)4)→1）當(dāng)水華開(kāi)始消退時(shí)，伴隨宿主藻細(xì)胞減少，導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)減少，溶藻細(xì)菌在利用藻類(lèi)有機(jī)物方面的優(yōu)勢(shì)被消減到與其他細(xì)菌一樣的初始水平，數(shù)量開(kāi)始減少。

這個(gè)概念性的模式過(guò)于簡(jiǎn)化水華這個(gè)物理、化學(xué)和生物因子綜合作用的事件。但是作為一個(gè)理想化的模式是有助于研究溶藻細(xì)菌和水華的種群動(dòng)力學(xué)關(guān)系的。第36頁(yè)/共47頁(yè)溶藻細(xì)菌的作用方式的研究溶藻細(xì)菌作用方式，一般分為下列兩種情況：一是直接溶藻，即直接進(jìn)攻宿主(directattack)，它需要細(xì)菌與藻細(xì)胞直接接觸，甚至侵入藻細(xì)胞內(nèi)；二是間接溶藻，即間接進(jìn)攻宿主(indirectattack),主要包括細(xì)菌同藻競(jìng)爭(zhēng)有限營(yíng)養(yǎng)或細(xì)菌分泌胞外物質(zhì)溶藻。文獻(xiàn)報(bào)道較多的是細(xì)菌分泌胞外物質(zhì)到環(huán)境中抑制藻的生長(zhǎng)，導(dǎo)致藻細(xì)胞的溶解

第37頁(yè)/共47頁(yè)直接溶藻

粘細(xì)菌是最早報(bào)道和報(bào)道較多的溶藻細(xì)菌。

Imai觀察到兩株交替單胞菌(Alteromonas)也可通過(guò)直接方式溶解某些藻類(lèi)。Maria從發(fā)生水華的銅綠微囊藻中分離一株類(lèi)似蛭弧菌的細(xì)菌，這種細(xì)菌能夠侵入銅綠微囊藻的細(xì)胞內(nèi)并溶解宿主。Imai和Doucette分別報(bào)道噬胞菌（Cytophagasp.）的培養(yǎng)物對(duì)硅藻有強(qiáng)烈的溶解作用，而無(wú)菌濾液對(duì)宿主則不起任何作用。

第38頁(yè)/共47頁(yè)間接溶藻

通過(guò)間接方式溶藻是細(xì)菌溶藻的主要方式。細(xì)菌可以通過(guò)釋放特異性或非特異性的細(xì)胞外物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、羥胺、抗生素、多肽、氨基酸等物質(zhì)殺死藻細(xì)胞。這類(lèi)細(xì)菌常見(jiàn)的有弧菌、假單胞菌、黃桿菌、交替單胞菌，假交替單胞菌等。第39頁(yè)/共47頁(yè)溶藻細(xì)菌研究趨勢(shì)溶藻細(xì)菌有望成為有害藻類(lèi)水華生物防治的一種重要手段。這需要人們加快基礎(chǔ)研究的進(jìn)程，并且縮短理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的步伐，分離篩選有效的溶藻細(xì)菌并使它們大規(guī)模培養(yǎng)和工廠化生產(chǎn)成為可能。

第40頁(yè)/共47頁(yè)研究細(xì)菌溶藻能力與各種生物、生態(tài)因素的關(guān)系開(kāi)展無(wú)菌藻與水生細(xì)菌的種群關(guān)系研究PCR和16SrRNA序