有害藻類水化與微生物分析課件

環(huán)境微生物學

EnvironmentalMicrobiology鄭州大學生物工程系

席宇環(huán)境微生物學En1第九章有害藻類水華與微生物第九章有害藻類水華與微生物2主要內(nèi)容1.水體富營養(yǎng)化與有害藻類水華

2.有害藻類水華的防治3.微生物防治有害藻類水華的研究進展主要內(nèi)容1.水體富營養(yǎng)化與有害藻類水華2.有害3水體富營養(yǎng)化已成為當今世界上水體普遍存在的環(huán)境難題。有害藻類水華(harmfulalgalbloom,HAB)的爆發(fā)則是富營養(yǎng)化引起的生物污染現(xiàn)象。

一、水體富營養(yǎng)化與有害藻類水華

水體富營養(yǎng)化（eutrophication）是大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，引起藍細菌、微小藻類幾其他浮游生物惡性增殖，最終導致水質(zhì)急劇下降的一種污染現(xiàn)象。1.有害藻類水華的概念水體富營養(yǎng)化已成為當今世界上水體普遍存在的環(huán)境難題。有害藻類4水華和赤潮是指在適宜的化學物理等條件下,水體中的藻類短時間內(nèi)大量繁殖并聚集的生態(tài)異?，F(xiàn)象,這一現(xiàn)象若發(fā)生于淡水通常稱作水華,在海洋則被稱為赤潮.有害藻類水華可分為水華（waterblooms）和赤潮(redtides)水華和赤潮是指在適宜的化學物理等條件下,水體中的藻類短時間內(nèi)5太湖美，美在太湖水。然而在無錫黿頭渚景區(qū)，藻類密生，厚如油漆，發(fā)臭的湖水令人掩鼻，游客在這里拍完紀念照便急忙“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)境受到富營養(yǎng)化湖水的威脅。太湖美，美在太湖水。然而在無錫黿頭渚景區(qū)，藻類密生，厚如油漆6左：在滇池藍藻水華收集區(qū)里，自動吸藻器在吸取厚達5厘米的微囊藻水華。右：“滇池藍藻水華污染控制技術(shù)研究”基地的重力斜篩自動脫水設(shè)備在對滇池藍藻水華進行脫水處理。脫水后形成的藻漿經(jīng)去毒處理，成為上好的有機肥料或飼料。左：在滇池藍藻水華收集區(qū)里，自動吸藻器在吸取厚達5厘米的微囊7“滇池藍藻水華污染控制技術(shù)研究”課題的負責人、

我國著名藻類專家、中科院水生生物研究所研究員劉永定在滇池采集藍藻水華樣品?！暗岢厮{藻水華污染控制技術(shù)研究”課題的負責人、

我國著名藻類8有害藻類水化與微生物分析ppt課件9有害藻類水化與微生物分析ppt課件10Microcystisbloomscanappearpatchyasinthephotoontheleft,orthicklikeacarpetasinthepictureontheright.Microcystisbloomscanappear11AdenseaccumulationclosetoashorebythecyanobacteriumMicrocystisaeruginosainLakeM?laren.Notethevariationsinthecolours,whichdependsoncyanobacteriaofdifferentages.Photo:KerstinBohm,CountyAdministrativeBoardofStockholm*.Adenseaccumulationcloseto12WaterbloomoutbreakinLakeBiwa

WaterbloomoutbreakinLakeB13

Diatombloom.Foundinbothfreshandsalinewater.Thesebloomsmaycolourthewaterbrown.Diato14AdensebloomofthedinoflagellateNoctilucascintillansatabeachintheLimfjord,Denmark.Photo:HeleneMunkS?rensen,CountyBoardof?rhus,Denmark

Adensebloomofthedinoflage15MicrocystisaeruginosabloominCrawleyBay,Swan-CanningEstuary,WA.PhotocourtesyofWestAustralianNewspapersandusedwithpermissionoftheWatersandRiversCommissionofWesternAustralia.Microcystisaeruginosabloomi16有害藻類水化與微生物分析ppt課件17EutrophicationandAlgaeBloomsEutrophicationisanincreaseofphytoplanktonbiomassandtakesplacewhennutrients,especiallynitrogenandphosphorous,aredischargedintosurfacewaters.Thisisnaturalbutmenmadeeutrophicationenhancesthisprocesswithmassiveconsequences.Italtersspeciescompositionandleadstoalossofbiodiversityduetoalossofoligotophicsystems.EutrophicationandAlgaeBloom18Menmadeeutrophicationleadstoanovergrowofalgaes,asocalledalgaebloom,whichresultsinscumformationandareducedtransparencyofthewater.Amongstcuttingdownthepenetrationoflight,thesebloomsareinsomecaseseventoxic.Menmadeeutrophicationleads19Theseconsequencesdonotonlyreducethebathingwaterqualityandareanuisancebuttheymightalsobeharmful,especiallytobathingsmallchildren.Theyalso

affectthelocaltourismTheseconsequencesdonotonly20Eutrophicationespeciallyoccursincoastalwatersneartheshorewherealargeamountofnutrientsaretransportedbyrivers.Bloomsofphytoplanktonhavebecomearecurrentproblemintheworlds.Eutrophicationespeciallyoccu212.有害藻類水華的危害b.對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.嚴重破壞景觀：水體發(fā)臭難聞，透明度降低c.對整個生態(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.危害人類的健康2.有害藻類水華的危害b.對浮游生物和底棲生物的影響。B.水22二、有害藻類水華的防治鑒于有害藻類水華對環(huán)境及人類存在的危害性，對其進行控制和消除勢在必行。藍藻水華尤其是大型湖泊中的藍藻水華的治理是世界性的難題，除了降低水體中N、P營養(yǎng)鹽水平外，世界許多國家對藍藻水華的治理嘗試了許多方法，歸結(jié)起來有以下方法：二、有害藻類水華的防治鑒于有害藻類水華對環(huán)境及人類存在的危害231.物理除藻利用超聲波的機械振動、聲流和空化效應(yīng)造成生物細胞組織的損傷、斷裂或粉碎，使生物組分發(fā)生物理和化學變化，高效節(jié)能地破壞藍藻天然復合物的關(guān)鍵組分，或抑制其生物合成，從而抑制光合作用的進行，達到抑制藍藻生長、防止水華暴發(fā)的目的通過重力斜篩自動脫水設(shè)備進行脫水處理，脫水后形成的藻漿經(jīng)去毒處理，將成為上好的有機肥料或飼料。1.物理除藻利用超聲波的機械振動、聲流和空化效應(yīng)造成生物細242.化學除藻利用除草劑、殺藻劑及金屬鹽等來控制水華，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，原因是藍藻繁殖很快，一旦優(yōu)勢種群形成，即使當天用藥見效，過一兩天又會大量繁殖出現(xiàn)。此外，化學除藻還容易給水體帶來二次污染，不安全。2.化學除藻利用除草劑、殺藻劑及金屬鹽等來控制水華，例如用253.生物除藻

通過人為增加某些能直接以藻類為食或間接抑制藻類生長的生物,針對性地阻止水華的發(fā)生。這種方法利用自然界生物的種間競爭、捕食關(guān)系來抑制藻的生長。這種方法造成的環(huán)境壓力相對較小,成本低,無二次污染,作用效果好、時間長。因此應(yīng)用前景較廣。3.生物除藻通過人為增加某些能直接以藻類為食或間接抑制藻類26生物操縱論者提出的治理對策是:強調(diào)生態(tài)學的“下行效應(yīng)”,即“魚類—浮游動物—浮游植物—理化因子”,通過浮游動物來控制浮游植物。主要是水生無脊椎動物(如輪蟲、枝角類和原生動物等)通過食物鏈產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在國外流行“生物操縱”(Biomanipulation),以改變魚類的組成和多少為主要手段,借助濾食性的魚類對于小型藻類的牧食作用,直接遏制藻類的生長。（1）生物操縱法生物操縱論者提出的治理對策是:強調(diào)生態(tài)學的“下行效應(yīng)”,即“27許多生物都能對藻類的生長起到抑制作用。在水草類的沉水植物中,馬來眼子菜能夠抑制藻類生長;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競爭營養(yǎng)，然后收割植物許多生物都能對藻類的生長起到抑制作用。在水草類的沉水植物中,28三、微生物防治有害藻類水華的研究進展溶藻細菌作為水生生態(tài)系統(tǒng)生物種群結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分,對維持藻的生物量平衡具有非常重要的作用。近年來,不少國外研究者認為:水華和赤潮的突然消亡可能與溶藻細菌的感染有關(guān)。在利用物理、化學和其他生物方法治理水華甚不理想的情況下,溶藻細菌,作為水華和赤潮防治的生物,已經(jīng)引起越來越多人的關(guān)注,國外近幾年不斷報道新的溶藻細菌。三、微生物防治有害藻類水華的研究進展溶藻細菌作為水生生態(tài)系統(tǒng)291.溶藻細菌研究概況溶藻細菌（algae-lysingbacteria,algicidalbacteria）是指:通過直接或間接方式,抑制藻類生長,或殺死藻類,從而溶解藻細胞的細菌。溶藻細菌的研究在國外已有數(shù)十年歷史。早在1942年,Geitler報道一種粘細菌Polyangiumparasitium寄生在剛毛藻上,使藻死亡1.溶藻細菌研究概況溶藻細菌（algae-lysingba30溶藻細菌在國內(nèi)外文獻中陸續(xù)有一些報道,主要有:粘細菌、噬胞菌屬、纖維弧菌屬、節(jié)桿菌、屈撓細菌屬、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。這些細菌多為革蘭氏陰性菌,它們作用對象比較廣泛,既有藍藻,也有硅藻和甲藻。溶藻細菌在國內(nèi)外文獻中陸續(xù)有一些報道,主要有:粘細菌、噬胞菌31溶藻細菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中的作用在水生生態(tài)系統(tǒng)中，細菌和微型藻類是數(shù)量最多、分布最廣的生物。一個種群的生物（細菌或藻類）分泌的次生代謝產(chǎn)物對另一個種群的生物（細菌或藻類）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可能的反饋機制，這種機制在控制藻類和細菌的種群演替和種群動力學中起重要作用。溶藻細菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中的作用在水生生態(tài)系統(tǒng)中，細菌和微型藻32Furuki的工作表明：當Chattonellaantiqua將要達到最大的細胞濃度時，周圍的一些細菌能夠促進Chattonellaantiqua的生長；相反地，當Chattonellaantiqua水華消亡時，有些細菌又能夠抑制該藻的生長。因此細菌和藻類之間的關(guān)系是復雜多變的，水華的不同發(fā)展階段，可能有不同的細菌對藻類起作用?？傊?，藻菌關(guān)系在有害藻類水華的生消過程中起重要作用。而細菌對有害藻類的的溶解作用為有害藻類水華的防治提供了新的生物控制可能性。

Furuki的工作表明：當Chattonellaantiq33溶藻細菌對藻類生長和水華動力學的影響水華種群動力學，包括水華的發(fā)生、發(fā)展、消退，是受一系列復雜的物理、化學和生物因素相互作用的制約。在自然水體中，某段時間內(nèi)某一區(qū)域某種浮游藻類的種群生長符合下列方程：Nt=N0e(K+Ki-Ka-Km-Ks-Kg)t溶藻細菌對藻類生長和水華動力學的影響水華種群動力學，包括水華34細菌影響水華動力學的可能作用模式1)初始階段—溶藻細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，宿主藻類細胞密度很低或者基本沒有宿主細胞；

1）→2）水華發(fā)生時，藻類密度增加，藻類分泌的有機物也隨之增加，導致水體中有機營養(yǎng)物質(zhì)增多，周邊環(huán)境中細菌總數(shù)同步開始增加。細菌影響水華動力學的可能作用模式1)初始階段—溶藻細菌作為其352)→3）水華開始發(fā)展時，宿主藻類細胞數(shù)迅速增加，溶藻細菌能夠優(yōu)先利用藻類分泌的有機物，其絕對數(shù)量（即溶藻細菌的總數(shù)）和相對數(shù)量（即在細菌群落中的比例）增加，溶藻細菌殺死宿主細胞，釋放有機物質(zhì)。這導致了一個反饋機制：進一步刺激周邊細菌群落中溶藻細菌的生長和活性；3）→4）在水華的發(fā)展階段，上述反饋機制在變化的時空范圍內(nèi)繼續(xù)起作用，最終，在一些因素的協(xié)同作用下，促進水華開始消亡；

2)→3）水華開始發(fā)展時，宿主藻類細胞數(shù)迅速增加，溶藻細菌能364)→1）當水華開始消退時，伴隨宿主藻細胞減少，導致有機物質(zhì)減少，溶藻細菌在利用藻類有機物方面的優(yōu)勢被消減到與其他細菌一樣的初始水平，數(shù)量開始減少。

這個概念性的模式過于簡化水華這個物理、化學和生物因子綜合作用的事件。但是作為一個理想化的模式是有助于研究溶藻細菌和水華的種群動力學關(guān)系的。4)→1）當水華開始消退時，伴隨宿主藻細胞減少，導致有機物質(zhì)37溶藻細菌的作用方式的研究溶藻細菌作用方式，一般分為下列兩種情況：一是直接溶藻，即直接進攻宿主(directattack)，它需要細菌與藻細胞直接接觸，甚至侵入藻細胞內(nèi)；二是間接溶藻，即間接進攻宿主(indirectattack),主要包括細菌同藻競爭有限營養(yǎng)或細菌分泌胞外物質(zhì)溶藻。文獻報道較多的是細菌分泌胞外物質(zhì)到環(huán)境中抑制藻的生長，導致藻細胞的溶解

溶藻細菌的作用方式的研究溶藻細菌作用方式，一般分為下列兩種情38直接溶藻

粘細菌是最早報道和報道較多的溶藻細菌。

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

直接溶藻粘細菌是最早報道和報道較多的溶藻細菌。Imai觀39間接溶藻

通過間接方式溶藻是細菌溶藻的主要方式。細菌可以通過釋放特異性或非特異性的細胞外物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、羥胺、抗生素、多肽、氨基酸等物質(zhì)殺死藻細胞。這類細菌常見的有弧菌、假單胞菌、黃桿菌、交替單胞菌，假交替單胞菌等。間接溶藻通過間接方式溶藻是細菌溶藻的主要方式。細菌可以通過40溶藻細菌研究趨勢溶藻細菌有望成為有害藻類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菌并使它們大規(guī)模培養(yǎng)和工廠化生產(chǎn)成為可能。

溶藻細菌研究趨勢溶藻細菌有望成為有害藻類水華生物防治的一種重41研究細菌溶藻能力與各種生物、生態(tài)因素的關(guān)系開展無菌藻與水生細菌的種群