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蓝藻水华的控制对于保证水体水质安全和水体生态修复至关重要。本文围绕着利用生物及生物源物质对铜绿微囊藻控制途径,研究了生物源物质连苯三酚(1,2,3-苯三酚)、壬酸、L-赖氨酸和β-紫罗兰酮对铜绿微囊藻的作用机理,同时,探讨了一株溶藻细菌溶藻机理及对不同表型铜绿微囊藻的溶藻效果和影响因素。主要研究结果如下:
连苯三酚胁迫下Microcystis aeruginosa PCC7806 prx和fabZ基因的表达显著上调,当连苯三酚添加量分别为1、2、4 mg L-1时,prx的相对表达量分别为对照的1.93、3.64及7.18倍；fabZ的相对表达量分别为对照的2.06、3.55及17.04倍。psbA和mcyB的表达量在4 mg L-1连苯三酚胁迫下也显著高于对照。连苯三酚胁迫对M.aeruginosa PCC7806 recA和grpE的表达没有显著影响。M.aeruginosa PCC7806细胞内SOD活性在连苯三酚胁迫下显著升高,当连苯三酚添加量分别为1、2、4 mg L-1时,SOD活性分别为对照的3.79、4.91及4.05倍。连苯三酚添加量分别为2、4 mg L-1时,M.aeruginosa PCC7806细胞内CAT活性也显著升高,分别为对照的1.25和1.29倍。连苯三酚胁迫可以改变M.aeruginosa PCC7806细胞内丙二醛(MDA)含量。当连苯三酚添加量为2和4 mgL-1时,M.aeruginosa PCC7806细胞内MDA含量显著高于对照,分别为对照的1.30和1.34倍。这些结果显示氧化胁迫是连苯三酚抑藻的一种重要作用机理。
壬酸可以干扰细胞膜的完整性和流动性,当向培养基中添加0.5、1、2、4 mgL-1壬酸胁时,M.aeruginosa PCC7806生长率在接种后的3 d内显著低于对照。但是在接种后的第5 d,各处理生长率与对照相比均没有显著差异。在接种后第2 d,壬酸胁迫可以导致M.aeruginosa PCC7806细胞内类胡萝卜素含量微量上升,但是对M.aeruginosa PCC7806细胞内Chl a含量没有显著影响,藻细胞内的藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白含量均显著低于对照,光合放氧能力受到显著抑制。到接种后第7 d,各壬酸胁迫处理的藻细胞生理状态有明显恢复现象。壬酸胁迫对M.aeruginosa PCC7806吸收磷的Km没有显著影响,但是却可以增加M.aeruginosa PCC7806对磷吸收的Vmax。壬酸胁迫对M.aeruginosa PCC7806吸收NO3--N的Km和Vmax均没有显著影响。此外,壬酸胁迫对M.aeruginosa PCC7806细胞内微囊藻毒素含量没有显著影响。
L-赖氨酸添加量为3 mg L-1时,M.aeruginosa FACHB1023生长没有受到显著影响,但是当L-赖氨酸添加量达到9和27 mg L-1,M.aeruginosa FACHB1023生长受到显著抑制,48 h的抑制率分别达到29.5％和78.4％。当外源L-赖氨酸添加量为3和9 mg L-1时,微囊藻L-赖氨酸合成途径相关基因中,仅dapA和dapF的转录表达量显著低于对照。其余五个基因与对照相比均无显著差异。当L-赖氨酸添加量为27 mg L-1时,这七个基因的表达量均显著低于对照。3 mg L-1的L-赖氨酸对微囊藻肽聚糖合成相关基因murA、murB、murC、murD、murE、murF、mraY、murG、ddl及daeB的转录表达均没有显著影响；当L-赖氨酸添加量为9 mgL-1时,只有murF和murG的转录表达受到显著抑制；当L-赖氨酸添加量为27mg L-1时,这十个基因的转录表达均受到强烈抑制。这些基因表达的结果显示,L-赖氨酸胁迫抑制了meso-A2pm的合成可能是L-赖氨酸对微囊藻抑制作用的根本因为。9 mg L-1赖氨酸胁迫可以使mcyB基因表达显著上调,而使ftsZ基因表达显著下调。
生长抑制试验结果表明,β-紫罗兰酮对微囊藻M.aeruginosa NIES843的50％生长抑制浓度(EC50)为22.09 mg L-1。22.5 mg L-1的β-紫罗兰酮胁迫可以导致单位藻细胞色素含量下降,且类胡萝卜素比叶绿素更敏感。叶绿素光诱导荧光检测结果表明低浓度β-紫罗兰酮可以提高光合系统Ⅱ(PSⅡ)的光化学效率,高浓度的β-紫罗兰酮胁迫可以导致PSⅡ非光化学能量耗散增加,光合作用效率降低。在接种后的第2 d,22.5 mg L-1的β-紫罗兰酮胁迫能显著抑制M.aeruginosaNIES843 psbA和psbO基因的表达。综合分析叶绿素荧光多相瞬态上升动力学参数及基因表达结果表明光合放氧复合体和PSⅡ电子受体侧是β-紫罗兰酮作用于微囊藻的两个靶位点。
从东湖碧潭分离一株溶藻细菌B50,对溶藻细菌B50进行革兰氏染色和显微镜观察,结果显示该菌为革兰氏阳性细菌,短杆状,有芽孢。对该菌的16S rDNA序列分析结果显示该菌为短小芽孢杆菌。Bacillus pumilus B50分别以106 cfu mL-1和107 cfu mL-1接种到对数培养期的M.aeruginosa NIES843培养液后均表现出强烈的溶藻效果,但是当接种量为105 cfu mL-1时表现不出溶藻效果。分别检测了溶藻细菌B.pumilus B50培养液、0.22μm微孔滤膜过滤后培养液、细菌细胞、细胞破碎液、加热培养液滤液、加热细胞破碎液的溶藻效果,结果显示B.pumilusB50培养液、0.22μm微孔滤膜过滤后培养液、细菌细胞、加热培养液滤液均有较强的溶藻效果,但是细胞破碎液和加热细胞破碎液却未表现出任何溶藻效果。这些结果表明该菌通过释放热稳定性溶藻物质溶藻,并且主要分泌到胞外,胞内很少累积。B.pumilus B50可以显著抑制M.aeruginosa NIES843 fabZ、grpE、prx、psbA、mcyB、ftsZ基因的表达。B.pumilus B50对M.aeruginosa NIES843最大电子传递率有显著抑制作用,并且可以显著增加细胞内ROS含量。
研究了B.pumilis B50对13株铜绿微囊藻的溶藻效果。M.aeruginosaFACHB905和M.aeruginosa NIES843对B.pumilis B50最为敏感,接种b.pumilis B50后其培养体系叶绿素分别于第3 d和第4 d降至零。B.pumilis B50对M.aeruginosa CHAB439,M.aeruginosa FACHB1023,M.aeruginosa CHAB456and M.aeruginosa PCC7806也有较强的溶藻效果,在接种后的第5 d,其抑制率分别为71.08％,62.52％,60.33％和66.90％。B.pumilis B50对M.aeruginosaCHAB440,M.aeruginosa CHAB109,M.aeruginosa CHAB724,M.aeruginosaCHAB2170 and M.aeruginosa CHAB2162的溶藻效果较弱,在接种后的第5 d,其抑制率分别只有37.8％,26.17％,22.56％,15.27％and34.10％。b.pumilis B50对m.aeruginosa CHAB4370和M.aeruginosa CHAB587基本上不表现出溶藻效果。相关性分析结果表明B.pumilis B50对这13株微囊藻的溶藻效果与藻株产微囊藻毒素与否并无相关性,与这13株铜绿微囊藻的细胞形态(群体/单细胞)也没有相关性,但是与这13株铜绿微囊藻的黑暗呼吸强度呈显著负相关,与这13株铜绿微囊藻的生长率呈明显正相关。藻株培养液中的细菌多样性对B.pumilis B50溶藻效果也有一定的影响。