滇池水华过程中的菌群响应及溶藻菌Bacillus siamensis Sp37的溶藻特性研究

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水体富营养化是当前世界各国面临的重大环境问题,而水体富营养化带来的一个严峻的问题就是水华的爆发。水华爆发会严重破坏水生生态系统,降低水资源可利用性,并且有毒藻类产生的藻毒素会严重危害人类和其他生物健康。细菌在水生生态系统中扮演着重要角色,并且与藻类关系密切。因此,以细菌为主体的微生物控藻技术成为当前研究热点。作为拥有重要经济和生态价值的中国最大的高原湖泊-滇池,在近二十年频繁遭受蓝藻水华的危害。本研究针对滇池的水华问题,基于16S rRNA高通量测序分析水华过程中菌群的动态响应,了解水华过程对细菌生态的影响;分离杀藻细菌,挖掘滇池控藻细菌资源;基于其中一株高效溶藻细菌,开展了溶藻机制的相关研究,以期为以细菌治理水华提供丰富的菌质资源和理论指导。主要结果如下:1.滇池处于严重富营养化状态,在2015年夏季发生了严重的水华,该水华主要由铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)爆发性增殖引起。通过对比水华和非水华区域(对照区域),发现所测的众多环境因子只有pH有显著差异;基于环境因子进行PCA分析后,发现水华区域不同采样站位的环境条件较为相似,对照区域各站位间波动较大;水华会导致细菌数量显著增加,但同时降低菌群多样性,并使细菌群落发生显著变化。水华组和对照组不同的细菌群落对环境因子的敏感性不同,水华组的菌群与pH、T、TN、COD和浊度相关性更强,对照组的菌群和NO3-、NH4+、DO和NO2-更相关;pH、COD、NO3-是主导水华区和对照区环境差异的主要因素,也很可能是引起这两个区域细菌群落差异的重要环境因素。在与水华藻相关的113个OTU中,有94.7%与水华藻呈负相关,主要来自Actinobacteria,Proteobacteria和Bacteroidetes等水华严重区丰度更低的细菌类群。2.从不同季节的滇池水样中一共分离了2株绿藻(单针藻和麦可藻),11株蓝藻(微囊藻),其中7株是引起滇池水华的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa),还有3株水华微囊藻(Microcystis flos-aquae),1株惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii);从不同季节共分离获得159株细菌,其中春季分离的细菌数量最多(66株);获得的可培养细菌主要为Bacillus(26.4%),Pseudomonas(16.4%)。从分离的细菌中,基于滇池分离的铜绿微囊藻DCM4筛选出35株有溶藻能力的细菌,这些溶藻菌主要为Bacillus(57.1%);在春季获得的溶藻菌数量最多(18株)、比例最高(27.3%),结合春季水华程度是四季中最轻的实际情况,推测当溶藻细菌数量较多时能抑制水华的发展;分离的溶藻菌中Chryseobacterium,Flavobacterium,Porphyrobacter与2015年夏季和铜绿微囊藻负相关的OTU相一致,说明溶藻菌确实对铜绿微囊藻水华有负调控作用。分离获得的多株溶藻菌为“以菌治藻”储备了优质菌质资源。3.选取一株高效溶藻菌Bacillus siamensis Sp37对铜绿微囊藻DCM4的进行溶藻效应研究。菌株Bacillus siamensis Sp37对高叶绿素浓度的DCM4(Chl a=3.6 mg/L)的四天去除率达到92.4±1.5%,另外对铜绿微囊藻NIES843的杀藻作用也能达到100%,说明其具有强烈并且迅速杀灭铜绿微囊藻的能力。此外Sp37对本研究中分离自滇池的水华微囊藻和惠氏微囊藻等其他微囊藻也都有溶藻效果,而对绿藻(单针藻、麦可藻)没有溶藻效果,说明Sp37能够选择性地杀灭微囊藻,而不对其他藻类产生危害,在微囊藻水华中进行控藻应用时具有一定的生态安全保障。Sp37是通过分泌胞外物质间接溶藻,且溶藻活性物质是具有热稳定性和酸碱稳定性的非蛋白类物质,为后续溶藻活性物质的分离提供方向。4.Sp37无菌滤液对藻细胞作用机理的初步研究。在Sp37无菌滤液处理18h后,藻细胞内的CAT(过氧化氢酶)含量相对于未处理组显著升高(p<0.05),GSH(还原型谷胱甘肽)的含量相较于未处理组呈现先升高后下降的趋势,MDA(丙二醛)含量显著高于未处理组(p<0.01),说明在Sp37无菌滤液作用下,藻细胞的抗氧化机制迅速反应。并且,菌株Sp37的溶藻活性物质严重影响了铜绿微囊藻DCM4的一些重要基因的转录表达。铜绿微囊藻DCM4在Sp37无菌滤液作用18h时,prx(过氧化物酶基因,与抵御氧化胁迫有关)的表达上调1.15倍,fabZ(β-脂酰载体脱氢酶基因,与细胞膜修复有关)的表达量下调0.13倍,recA(Rec蛋白基因,与DNA修复有关)的表达上调了3.25倍,psbA1(PSII中D1前体蛋白基因,与光合系统有关)的表达上调了23.64倍。以上结果说明,Sp37分泌的活性物质可能对藻细胞造成了氧化胁迫,使得藻细胞膜发生脂质过氧化反应,细胞膜完整性受损,并且造成藻细胞的DNA损伤,影响藻细胞正常的光合系统运转,最终导致藻细胞死亡。综上,本探究分析了滇池水华过程中藻菌关系,分离了滇池的优势水华藻种及大量溶藻菌,并对其中一株高效溶藻菌的溶藻机制作了初步探索。本研究成果将为蓝藻水华的微生物治理提供优质溶藻菌资源以及相关理论指导。
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