海洋微生物在海洋污染治理中的应用现状_cropped

'水产科学第25卷第2期2006年2月Vol.25No.2FISHERIESSCIENCEFeb.2006海洋微生物在海洋污染治理中的应用现状安鑫龙1,周启星1,邢光敏2(1.南开大学环境科学与工程学院天津300071;2.河北农业大学水产学院水域环境保护与监测系,河北秦皇岛066003)关键词:海洋微生物;海洋污染治理;生物修复;生物防治文章编号:100321111(2006)0220097204中图分类号:Q93,X55文献标识码:C海洋微生物是在海洋环境中能够生长繁殖、形体微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞、甚至没有细胞结构的一群低等生物。海洋微生物种类繁多,按其结构、形态和组成不同,可分为三大类:非细胞型(如海洋病毒)、原核细胞型(如海洋细菌、海洋放线菌和海洋蓝细菌等)和真核细胞型(如海洋酵母菌、海洋霉菌等)[1]。从微生物学或环境微生物学角度来讲,海洋微藻也应归入海洋微生物的范畴[2,3]。微生物在废水处理等环境污染防治方面具有广泛的应用,在农林牧渔业、环保等各方面发挥着巨大的作用[4]。近年来,人们对微生物在环境中的分布状况、分离纯化和开发(包括驯化和基因操作等)利用等方面的报道与日俱增。对于海洋微生物这部分来讲,随着环境微生物和海洋科学两大学科的发展,人们对其研究也日益深入,从海洋表层的海水微生物[5]到深海微生物[6]等各方面均有报道。另外,对于我们通常认为较难研究的海洋浮游病毒,国外研究进展很快,已经渗入到海洋浮游病毒的形态、分类、生态学效应、在海洋不同深度的种群和数量、在海洋生态系统物质循环中的作用以及海洋藻类噬藻体等方面[7～14]。随着人口的增长以及工农业的发展,人类向海洋排放的污染物逐年增多,海洋环境被污染的程度越来越严重,导致海洋生物的生存受到严重的威胁。海洋污染物主要包括石油及其产品、重金属、农药、PAH、PCBS等。在这些污染物的迁移和转化过程中,海洋微生物发挥着重要作用,参与各种海洋污染物的降解和转化过程,这样有助于保持海洋生态系统的平衡和促进海洋自净能力。1海洋微生物在海洋石油污染生物修复中的应用海洋石油及其产品的污染是目前一种世界性的严重的海洋污染现象。随着大陆架、海洋石油资源的开发、海上溢油事故、沿岸石油化工的发展以及20世纪90年代爆发的战争等原因使局部海域受到严重的石油污染,对生态环境造成了灾难性的破坏。据估计,全世界每年流入大海的石油就有1.0×107t,我国每年有60多万吨原油进入环境,污染土壤、地下水、河流和海洋,造成污染海域在短期内溶解氧的缺乏[15],对近海海域及沙滩等造成污染,对人们在天然浴场游泳和沙滩休闲娱乐产生不利影响。据报道,能够降解石油的微生物达200多种,分属于70多个属,其中细菌约占40个属,在海洋生态系统中占主导地位[16]。海洋石油降解菌广泛分布在油污海域,常见种类见表1。由于海洋微生物可以有效地去除各种形式的石油污染物,因此在海洋石油污染生物修复中发挥着重要作用。从20世纪70年代开始,美国率先开展了利用细菌消除油污染的研究,随后,世界各国相继利用各种微生物开展了这方面的工作。我国应用海洋微生物治理海洋石油污染的研究发展也很快。林凤翱等[18,19]从近岸油污染海洋环境中筛选出了高效的降解石油烃丝状真菌,研究表明,该丝状真菌能降解多种石油烃,且降解速率快、不受氮、磷营养盐和氧含量的限制、在被油污染的海滩等的应用前景和开发价值很大。丁明宇等[20]利用从青岛近岸海水中筛选到的73株细菌和10株真菌进行了降解石油的研究,多数菌株具有明显的降解石油的能力,有3个菌株对石油的降解效率高达58.35%(真菌F-37)、62.75%(细菌SJ-27B)和71.06%(真菌F-38)。此外,史君贤等[21]利用气相色谱测定了石油烃降解细菌对柴油的正烷烃的降解作用,石油烃降解细菌对正烷烃有明显的降解作用,混合菌株的降解率明显高于单菌株的降解率,且温度对正烷烃的降解有明显的影响,在35℃条件下降解速度最快。陈碧娥等[22]研究了从湄洲湾海域分离的丝状真菌转化石油烃的过程,指出,丝状真菌去除原油的收稿日期:2005-04-15;修回日期:2005-06-101作者简介:安鑫龙(1976-),男,讲师,博士;研究方向:环境微生物学,污染水域环境的生物修复. 过程是生物吸附与生物降解相结合的生物转化,海洋微生物的脱油作用与其细胞壁有直接关系。中,非选择性地杀伤藻细胞;藻同细菌竞争有限的营养物质而失败;噬菌体同时是嗜藻体,从细菌转移到蓝藻细胞中使新的宿主溶解。此外还指出,具有非选择性溶藻的细菌可以协助专一性溶藻的病毒加快溶藻的进程。苏建强等[29]研究表1常见海洋石油降解微生物种类[16,17]所属类群微生物种类了在可控生态条件下两株海洋细菌S、P对塔玛亚历山大1042无色杆菌属(Achromobacter)不动杆菌属(Acinetobacter)产碱杆菌属(Alcaligenes)节杆菌属(Archrobacter)芽孢杆菌属(Bacillus)黄杆菌属(Flavobacterium)棒杆菌属(Coryneforms)微杆菌属(Microbacterium)微球菌属(Micrococcus)假单孢菌属(Pseudomonas)弧菌属(Vibrio)气单孢菌属(Aeromonas)节细菌属(Arthrobacter)葡萄球菌属(Staphylococcus)乳杆菌属(Lactobacillus)藻生长及其产毒量的影响,表明:菌株S在较高浓度下对藻10细胞的生长有明显的抑制作用,不同浓度的菌株S10均能有效地抑制藻细胞内麻痹性贝类毒素的产生;菌株P42在较低浓度下对藻细胞内的生长有明显的抑制作用,不同浓度的菌株S10也能有效地抑制藻产毒,这为赤潮的生物防治提供了一定的理论依据。3海洋微生物在海洋水产动物疾病生物防治中的应用海洋水产动物病原菌能够引起海洋水产动物各种各样细菌放线菌放线菌属(Actinomycetes)诺卡氏菌属(Nocardia)青霉属(Penicillium)曲霉属(Aspergillus)枝孢霉属(Ramulispura)交链孢属(Alternaira)镰刀菌属(Fusarium)头孢霉属(Cephalosporium)木霉属(Trichoderma)毛霉属(Mucor)卷霉属(Sircinella)的疾病,是海洋的生物污染物,对海洋水产动物的生长发育、产量以及生物多样性产生了不利影响。人们已经开展利用海洋微生物对海洋水产动物病原菌进行生物防治工作。3.1应用拮抗菌进行生物防治拮抗菌的运用是根据微生态原理,将活的微生物有机体加入到水产动物生存环境中,从而改变水和沉积物的微生物种群结构,消灭或减少病原微生物的数量,改善水质,使霉菌假丝酵母属(Candida)红酵母属(Rhodorotula)德巴利酵母属(Debaryomyces)汉逊氏酵母属(Hansenula)隐球酵母(Cryptococcus)毕赤氏酵母属(Pichia)球拟酵母属(Torulopsis)丝孢酵母属(Trichos)掷孢酵母属(Sporobolomyces)酵母菌[30]养殖动物健康生长。邱宏端进行了光合细菌(耐盐红螺菌)对水产养殖病原细菌的拮抗作用的研究,指出:光合细菌细胞能分泌出抗菌物质,从而抑制病原细菌的生长,具有拮抗作用。姜英辉等[31]证实乳酸链球菌发酵液除菌后生产的乳酸菌肽对海洋弧菌有强烈的抑制作用。另外,芽孢杆菌[32]和气味黄杆菌[33]等对水产动物致病性弧菌均有拮抗作用。3.2应用海洋微藻进行生物防治海洋微藻是海洋微生物的重要组成部分,能产生抑制细菌生长的类抗生素物质[34]。20世纪初,Miura等人[35]已从海洋小球藻中分离出了光敏抗菌化合物。随后,人们发现多种饵料微藻对水产动物的弧菌病原菌有排斥作用,具有2海洋微生物在赤潮生物防治中的应用赤潮,又称有害藻华,是目前全球性的海洋灾害,是对海洋的严重污染。随着人口和经济的快速增长,人类活动的加强改变了沿海生态系统的结构和功能,增加了海水中营养盐的含量、改变了气候条件及其它环境因子而引发了赤潮的产生。近20年来,发生在我国的有害赤潮事件达300多起,仅1998年就发生22起赤潮事件,直接经济损失达10亿元以上[23]。有害赤潮产生的毒素往往经由贝类、鱼类等传递媒介造成人类中毒[24]。因此,我们认为有害赤潮 安鑫龙等:海洋微生物在海洋污染治理中的应用现状第2期99菌生长能力,处于生长指数后期时作用相对较强;与藻共存细菌群落加入微藻3011及2038,则恢复排斥弧菌能力;4种饵料微藻(自然藻-菌混和体)代谢产物无限制弧菌生长作用。因此,微藻培育系统抗弧菌机理可归结为:以微藻为基础的微小生物群落因优先占有生态空间而对弧菌菌群具有排斥性。4海洋微生物资源的合理开发与利用随着全球人口、资源与环境问题的加剧,陆地资源的日趋减少,开发海洋,向海洋索取资源,尤其是海洋微生物资源越来越受到人们的关注。人们在海洋微生物多样性、海洋药物及保健功能的生物活性物质、海洋极端酶、海洋微生物在海洋污染治理等方面进行了研究[38]。人们已经涉入深海,这里有在极酸、极碱、极热、极冷、高盐、高压等极端环境下能够生存繁衍的微生物。它们可能具备某些不同的代谢途径和遗传背景[39]。深海具有丰富的微生物资源,但能在实验室培养的种类估计只有5%,这极大地限制了对深海微生物资源的开发和利用[6]。我们相信,随着科技的进步,开发和利用深海微生物资源的能力将逐渐增强,这样,深海微生物资源对深海污染的治理将会起到极其重要的作用。海洋微生物生物活性物质是目前研究的一大热点,尤其是药物及保健功能的生物活性物质。其它方面,张勇等[40]指出,多数溶藻细菌能够分泌胞外物质,对有害藻华起抑制或杀灭作用,这一原理可以应用与有害藻华的生物防治。海洋微生物以其分类的多样性和遗传背景的特殊性而具有产生新型生物活性物质的巨大潜力。已有报道指出[41],海洋细菌产生的活性物质种类最为丰富,海洋真菌和海洋放线菌产生新型生物活性物质的潜能不可低估。目前研究主要局限于那些在常规条件下易于培养的微生物类群,今后的趋势之一是非可培养海洋微生物产生的生物活性物质的研究。我国海洋微生物资源丰富,应充分加强这一领域的研究,发掘消除海洋污染物的微生物种类,为我国海洋污染的生物防治服务。海洋微生物资源是极其丰富的,我们要进行合理地开发和利用。正如我们所提倡的那样[4],人类要正确处理海洋微生物和人类生态系统之间的相互关系,使其协调发展,进而使生物多样性得以维持和发展。在此基础上,尽量减少或消除海洋微生物对人类生态系统的消极影响,充分发挥其积极作用,达到利用海洋微生物为人类服务的最终目的。[2][3]周德庆.微生物学教程[M].北京:高等教育出版社,1993.史家,徐亚同,张圣章.环境微生物学[M].上海:华东师范大学出版社,1993.安鑫龙,董金皋.浅谈微生物与人类生态系统的相互影响[J].生物学通报,2004,39(4):25226.林凤翱,闫启伦,于占国,等.辽东湾海冰中微生物的分离[J].海洋环境科学,1996,15(4):43247.陈秀兰,张玉忠,高培基.深海微生物研究进展[J].海洋科学,2004,28(1):61266.HaraS,TerauchiK,KoikeI,AbundanceofvirusesinMarinewaters:assessmentbyepifluorescenceandtransmissionelectronmicroscopy[J].ApplEnvirMicrobiol,1991(57):273122734.FuhrmanJA.Marinevirusesandtheirbiogeochemicalandecolog2icaleffects[J].Nature,1999(399):5412548.ProctorLM.AdvancesinthestudyofMarineviruses[J].MicroResTech,1997(37):1362161.[4][5][6][7][8][9][10]ChiuraHX.Generalizedgenetransferbyvirus2likeparticlesfromMarinebacteria[J].AquatmicroEcol,1997(13):75283.[11]MarangerR,BirdDF,JuniperSK.ViralandbacterialdynamicsinArcticseaiceduringthespringalgalbloomnearResolute.N.W.T.,Canada[J].Mar.Ecol.Prog.Ser,1994(111):1212127.PaulJH,JiangSC,RoseJB.Concentrationofvirusesanddis2solvedDNAfromaquaticenvironmentsbyvortexflowfiltration[J].ApplEnvirMicrobiol,1991(57):219722204.[13]WilhelmSW,SuttleCA.Virusesandnutrientcyclesinthesea[J].Bioscience,1999(49):7812788.[14]WommackKE,RitaRC.Virioplankton:virusesinaquaticeco2system[J].MicrobiologyandMolecularBiologyReviews,2000,64(1):692114.[15]牛炳旭.细菌与石油污染的治理[J].生物学通报,2004,39(4):13214[16]徐怀恕,张晓华.海洋微生物技术[J].青岛海洋大学学报,1998,28(4):5732581.[17]李丽,张利平,张元亮.石油烃类化合物降解菌的研究概况[J].微生物学通报,2001,28(5):89292.[18]林凤翱,于占国,李洪,等.海洋丝状真菌降解原油研究I.石油烃降解的实验室模拟[J].海洋学报,1997,19(6):68276.[19]林凤翱,冯志权,李洪,等.海洋丝状真菌降解原油研究II.砂砾中油污去除室内模拟试验[J].海洋学报,1999,21(6):1162123.[20]丁明宇,黄健,李永祺.海洋微生物降解石油的研究[J].环境科学学报,2001,21(1):84288.[21]史君贤,陈忠元,胡锡钢,等.海洋微生物对石油烃降解研究II.石油烃降解细菌对正烷烃的降解作用[J].东海海洋,2000,18(1):21227.[22]陈碧娥,刘祖同.海洋丝状真菌转化石油烃的研究[J].石油[12]参考文献:[1]相建海主编.海洋生物学[M].北京:科学出版社,2003. 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