Advance in marine algicidal bacteria research
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摘要:
有害藻华是公认的全球性海洋环境问题，严重影响海洋生态系统、水产养殖业以及人类健康，寻求一种有效的有害藻华治理方法一直是藻华研究领域的一个热点。近年来有研究发现，某些海洋细菌可直接或间接抑制藻类生长，甚至裂解藻细胞，具有溶藻作用。利用溶藻菌治理有害藻华可保持水体环境生态平衡，是一种较安全、高效的方法，具有广阔的研究和应用前景，已成为藻华研究领域的热点。根据现有报道，文章主要概述了当前国内外有关溶藻菌种类、作用机理及应用方面的研究进展，并分析探讨了海洋溶藻菌领域基础研究以及应用研究方面未来的发展方向。
Abstract:As a notorious environmental issue, harmful algal blooms (HABs) severely threat the marine ecosystem, aquaculture and human health around the world. Therefore, it has been a research hotspot to develop a more environment-friendly and effective agents to control the HABs. In recent years, a lot of marine bacteria have been found to inhibit algal growth or lyse the algae through direct or indirect attacking. Utilizing marine algicidal bacteria to control HABs can maintain balance of water ecosystem. The algicidal bacteria show broad application prospects in HABs control because of its secure and high efficiency. In this paper, the development of algicidal bacteria, algicidal mechanism and their applications are summarized, and the future prospects in theoretical research and application fields are discussed.
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Keywords:
- harmful algal blooms /
- algicidal bacteria /
- algicidal mechanism
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蜈蚣藻属(Grateloupia)隶属于红藻门、隐丝藻目、海膜科[1]，广泛分布于世界各地沿海，其种类繁多，全世界共报道91 种[2]，中国报道42种[3]。蜈蚣藻属可食用、药用和作为工业原料[4-5]。蜈蚣藻(G. filicina) [ 分布于亚洲地区的已改名为亚洲蜈蚣藻(G. asiatica)]作为海藻沙拉在日本和韩国广受欢迎并进行养殖方面的研究与试验 [6-8]。在中国，也有将亚洲蜈蚣藻和舌状蜈蚣藻作为食用海藻加以利用并进行培养研究[9-12]，对蜈蚣藻属其他种类的利用则以药用为主，对食用方面的认识尚不足，其食用消费市场尚未拓展，这影响了其养殖业的发展。目前对蜈蚣藻属一些种类的药用(清热解毒、驱虫、抗肿瘤、抗病毒、抗凝血、抗氧化等)和营养价值以及活性物质提取已有一些研究报道[4-5, 13-14]，但因该属藻类的养殖在中国尚未兴起，仅靠自然海区的资源量难以推动其加工业的发展，而其加工业的无作为反过来会影响对其资源的利用和养殖业。养殖业和加工业的相互制约以及消费市场的无序导致蜈蚣藻属资源未被充分利用。每年2—4月，在汕头南澳和福建东山养殖浮筏上都生长有大量蜈蚣藻属藻类(有的藻体长达1 m以上)，资源量大，却未被利用，自生自灭。这不仅造成资源的浪费，且不利于海区环境。因此，有必要针对这些蜈蚣藻属藻类开展调查，摸清其种类和食用口感等，为拓展其食用价值、充分利用资源奠定基础。
蜈蚣藻属不同种类由于质地差别，食用口感存在差异，同一种类在不同生长阶段口感也有所不同。此外，蜈蚣藻属种类繁多，同一种类的形态因生长环境、地域等不同而差异巨大，种类鉴定存在一定困难，仅根据藻体形态、大小、颜色、质地、分支、固着器、藻体内部结构以及生殖器官等鉴定显得不足，还需要结合DNA条形码等分子生物学方法[2, 15]。许多学者对蜈蚣藻属的分类[16-18]以及对辽宁[19]和东海[20]的蜈蚣藻属的种类组成进行了研究，但蜈蚣藻属的分类系统尚不稳定[21]，所开展的蜈蚣藻属调查也只是针对潮间带，对浮筏上生长的蜈蚣藻属尚未见有专门的调查。
本文通过调查广东汕头南澳、福建东山县养殖浮筏上的蜈蚣藻属种类组成、生物量、生长环境及不同种类不同生长时期的口感，旨在查明食用口感好的种类、生物量及其合适的收获季节等，为其食用以及进一步加工开发提供依据，并为蜈蚣藻属的种类鉴定提供参考。
1. 材料与方法
1.1 海区调查
2018年1—4月，每月１次对广东汕头南澳和福建东山贝类养殖浮筏上的蜈蚣藻属进行采样，并测量调查点的水温、水流。水流速度测量采用南京圣荣仪器设备有限公司生产的LGY-Ⅱ型便携式流速仪。
每个海区设3个站点 (图1)，每个站点的浮筏上随机采集1 m范围内的所有蜈蚣藻属种类以及随机采集外观区别较大的种类带回实验室做进一步的测量、鉴别和口感测试。
1.2 种类鉴别、测量
采回样品根据藻体形态、质地、大小、固着器等特征进行初步分类编号。对每个站点所采集1 m范围内的各种类分别测量藻体质量、长度、宽度。1月采集的各种类样品分别用40 L圆桶培养于室外大棚下 (半透明顶部)，培养期间的水温16~24 ℃，每周换水1次，换水时添加硝酸钠 (NaNO3) 10 mg·L–1和磷酸氢二钾 (K2HPO4) 1 mg·L–1，培养用水盐度31。
采用培养观察形态变化、藻体切片以及提取DNA进行rbcL序列分析相结合的方法鉴别种类。
1.2.1 藻体切片
将不同编号的样品横切制作徒手切片，在显微镜下观察皮层细胞形状、层数及中央髓丝以助于确定种类。
1.2.2 rbcL序列分析
对不同编号样品的新鲜藻体提取DNA测序并进行PCR扩增。rbcL 序列扩增引物为F765 (5'-TGAAAGAGCTGAATTTGCTAA-3')和R1381 (5'-ATCTTTCCATAAATCTAAAGC-3')。PCR反应体系、反应过程和扩增产物的电泳检测方法参照Yang等[17]，扩增产物送天一辉远公司测序。测序获得的rbcL序列与BOLD系统数据库序列进行物种相似性比对。
1.3 口感评价方法
每月采集的蜈蚣藻属样品，根据外观及质地分类编号。各取新鲜样品250 g洗净，切为长约2 cm片段，放入沸水中热漂10 s，每种加入相同量的调味品 (盐、酱油、醋、芝麻油、花生油和大蒜)制成凉拌菜。邀请20人品尝，根据食用时感觉 (软硬和爽滑等)对每种口感 (分为优、良、中、差4个等级)进行评价，每个等级的评价以12人以上所定等级为准。
2. 结果
2.1 调查海区的水流和温度
调查表明，汕头南澳和福建东山海区的温度差异不大, 调查期间汕头南澳的温度为19~22 ℃，福建东山为19~23 ℃。2个海区的水流速度有较大差异，汕头南澳流速较小，福建东山较大 (表1)。
表 1 调查站点的温度和水流速度Table 1. Average temperature and water velocity at investigation sites$ \overline {\mathit{\boldsymbol{X }}} {\mathit{\boldsymbol{\pm}}} {\bf SD}$ 月份
month温度/℃ temperature 水流速度/m·s−1 water velocity 南澳
Nan'ao东山
Dongshan南澳
Nan'ao东山
Dongshan1月 January 19.2±0.29 19.2±0.29 4.73±0.55 7.93±0.35 2月 Febraury 18.7±0.58 18.8±0.29 4.17±0.21 9.67±0.76 3月 March 20.3±0.58 20.3±0.29 3.93±0.15 10.3±0.75 4月 April 21.8±0.29 22.5±0.50 5.10±0.30 100.37±9.90 2.2 种类组成
采集的蜈蚣藻属藻体形态多种、质地多样(图2)。根据藻体的质地可分为软膜质(黏滑韧性差)、硬膜质(有一定韧性)、革质(韧性强)、软骨质(韧性强)和肉质(韧性强) 5 类。1月采集的藻体较小，培养2个月可观察到一些藻体形态和质地变化明显 (图3)，如带形蜈蚣藻(G. turuturu)质地由薄软变厚硬 (A1变成A2)、长枝蜈蚣藻(G. prolongata)培养后藻体边缘长出许多小育枝 (B1变成B2)；有的披针形蜈蚣藻 (G. lanceolata)培养后藻体边缘长出许多分枝 (C1变成C2)，有的披针形蜈蚣藻培养后不仅形态发生变化，颜色也变深 (D1变成D2)。根据质地、外观形态再结合藻体内部结构和rbcL序列比对结果 (表2)，判断汕头南澳和福建东山筏架上的蜈蚣藻属海藻种类为披针形蜈蚣藻、带形蜈蚣藻 、台湾蜈蚣藻 (G. taiwanensis)、肉质蜈蚣藻 (G. carnosa)、舌状蜈蚣藻 (G. livida)、海门蜈蚣藻 (G. haimensis)、长枝蜈蚣藻和稀疏蜈蚣藻 (G. sparsa)。这2个地点的蜈蚣藻属种类组成相近，但在福建东山水流速度较大的地方，披针形蜈蚣藻的长度明显大于汕头南澳，最长超过1 m，汕头南澳披针形蜈蚣藻的宽度较大，最宽藻体达19 cm。
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图 2 蜈蚣藻属藻体外形a. 带形蜈蚣藻; b. 海门蜈蚣藻; c1~c5. 披针形蜈蚣藻; d. 肉质蜈蚣藻; e. 舌状蜈蚣藻; f. 披针形蜈蚣藻; g. 长枝蜈蚣藻; h. 台湾蜈蚣藻Figure 2. Morphology of Grateloupiaa. G. turuturu; b. G. haimensis; c1−c5. G. lanceolata; d. G. carnosa; e. G. livida ; f. G. sparsa; g. G. prolongata; h. G.taiwanensis![]()
图 3 3种蜈蚣藻培养2个月的形态变化A1. 带形蜈蚣藻; A2. 培养2个月的A1；B1. 长枝蜈蚣藻; B2. 培养2个月的B1；C1. 披针形蜈蚣藻; C2. 培养2个月的C1；D1. 披针形蜈蚣藻; D2. 培养2个月的D1Figure 3. Morphological change of three species after incubation for two monthsA1. G. turuturu; A2. A1 incubated for two months; B1. G. prolongata; B2. B1 incubated for two months; C1. G. lanceolata; C2. C1 incubated for two months; D1. G. lanceolata; D2. D1 incubated for two months表 2 8种蜈蚣藻的形态特征Table 2. Morphological characteristics of eight Grateloupia species种类
species外形
morphology质地
texture内部结构
inside structure长度/cm
length宽度/cm
width带形蜈蚣藻
G. turuturu带状， 有的分裂为1~2条以上的小裂片； 有较长柄；藻体较大 软膜质, 黏滑，韧性差 皮层顶细胞圆形 92.4 7.2 披针形蜈蚣藻
G. lanceolate披针形、长椭圆形；有短柄或无柄；藻体较大 革质，韧性强 皮层顶细胞长椭圆形 142 19.1 台湾蜈蚣藻
G. taiwanensis披针形，有短柄；藻体较小 软骨质，韧性强 皮层顶细胞长椭圆形；有星状细胞 23.6 4.4 舌状蜈蚣藻
G. livida窄带状或稍宽，有短柄或没柄；藻体较小 软骨质，韧性强 皮层顶细胞椭圆形 38.1 2.1 肉质蜈蚣藻
G. carnosa不规则带状，有细柄 肉质，韧性强 皮层顶细胞柱形；有星状细胞 37.5 5.7 稀疏蜈蚣藻
G. sparsa细带状，披针形，叶片与固着器有短柄 硬革质，韧性强 皮层顶细胞长椭圆形；有星状细胞 45.6 3.4 海门蜈蚣藻
G. haimensis叉状或羽状分枝，分枝基部渐细，藻体小 黏滑，革质，韧性强 皮层顶细胞长椭圆形 15.6 0.6 长枝蜈蚣藻
G. prolongata披针形，有长细柄，分枝呈舌形片状；藻体较小 硬膜质，有一定韧性 皮层顶细胞椭圆形 11.9 1.3 注：表中的长度和宽度值为各种类所采集样品的最长和最宽值 Note: The length and width are the maximum values of the samples collected on floating rafts. 2.3 生物量
调查结果显示, 披针形蜈蚣藻和带形蜈蚣藻在汕头南澳和福建东山筏架上均为优势种。1—2月，水温低于20 ℃，带形蜈蚣藻的生物量较多，3月之后，水温高于20 ℃，披针形蜈蚣藻的生物量较多。汕头南澳浮筏的披针形蜈蚣藻生物量在4月最高，占当月所有蜈蚣藻属种类生物量的97.53%，3个站点的平均生物量为312.55 g·m–1 (表3)，站点3的生物量最高 (579.06 g·m–1)；带形蜈蚣藻的生物量在2月达到最大，占当月所有种类生物量的39.24%，3个站点的平均生物量为85.42 g·m–1，站点3的生物量最高 (127.75 g·m–1)；3月开始，带形蜈蚣藻的生物量逐月减少。福建东山浮绠上的披针形蜈蚣藻生物量也是在4月最高(表4)，占当月所有蜈蚣藻属种类的69.94%，平均生物量为371.12 g·m–1，站点3的生物量最高 (901.26 g·m–1)；带形蜈蚣藻在1月生物量最高，占当月各种类生物量的69.50%，平均生物量为211.16 g·m–1，站点3的生物量最高 (352.9 g·m–1)。其他种类的生物量较小且在有些月份的定量采样中未出现；长枝蜈蚣藻在这2个地方的定量采样中没有采到。
表 3 汕头南澳浮筏上6种蜈蚣藻的生物量Table 3. Biomass of six Grateloupia species on floating raft in Nan'ao, Shantoug·m−1; $ \overline {\mathit{\boldsymbol{X }}} {\mathit{\boldsymbol{\pm}}} {\bf SD}$ 种类 species 1月 January 2月 Feburary 3月 March 4月 April 披针形蜈蚣藻 G. lanceolata 21.38±37.03 130.79±115.36 33.43±35.45 312.55±247.09 带形蜈蚣藻 G. turuturu 25.98±19.75 85.42±49.66 18.3±16.16 6.34±11.00 舌状蜈蚣藻 G. livida 2.52±3.38 0 0 1.40±1.24 海门蜈蚣藻 G. haimensis 1.45±1.29 0 0 5.40±4.98 台湾蜈蚣藻 G. taiwanensis 0.81±0.79 1.45±2.51 17.12±15.84 0 肉质蜈蚣藻 G. carnosa 0 0 0 0.17±0.24 表 4 福建东山浮筏上6种蜈蚣藻的生物量Table 4. Biomass of six Grateloupia species on floating raft in Dongshan, Fujiang·m−1; $ \overline {\mathit{\boldsymbol{X }}} {\mathit{\boldsymbol{\pm}}} {\bf SD}$ 种类 species 1月 January 2月 Feburary 3月 March 4月 April 披针形蜈蚣藻 G. lanceolata 70.42±32.96 90.18±65.08 325.28±100.34 371.12±378.27 带形蜈蚣藻 G. turuturu 211.17±134.5 168.17±89.37 174.27±61.08 0.78±1.1 舌状蜈蚣藻 G. livida 18.94±21.62 0 0 0 肉质蜈蚣藻 G. carnosa 3.29±4.65 0 40.34±57.05 17.06±24.13 台湾蜈蚣藻 G. taiwanensis 0 28.24±25.15 34.65±49 0 稀疏蜈蚣藻 G. sparsa 0 3.32±4.69 0 131.5±185.97 2.4 口感评价
不同月份采集的蜈蚣藻属藻体口感有差异，各个时间采集的带形蜈蚣藻均一煮就变绵软，长枝蜈蚣藻虽然煮后未变绵软，但口感较硬，这2种蜈蚣藻的口感评价最差；披针形蜈蚣藻和舌状蜈蚣藻煮后未变绵软，口感爽滑，评价结果最好 (表5)。1—3月采集的披针形蜈蚣藻和舌状蜈蚣藻口感均最佳，4月采集的质地偏硬，口感稍差。
表 5 8种蜈蚣藻在不同月份的口感Table 5. Mouthfeel of eight Grateloupia species in different months种类
species1月
Janurary2月
Feburary3月
March4月
April带形蜈蚣藻 G. turuturu 差 差 差 差 披针形蜈蚣藻 G. lanceolate 优 优 优 良 舌状蜈蚣藻 G. livida 优 优 优 良 台湾蜈蚣藻 G. taiwanensis 良 良 中 差 肉质蜈蚣藻 G. carnosa 良 良 良 差 海门蜈蚣藻 G.haimensis 中 中 中 差 长枝蜈蚣藻 G. prolongata 差 差 差 差 稀疏蜈蚣藻 G. sparsa 良 良 良 差 3. 讨论
根据形态鉴别来确定浮筏上的蜈蚣藻属种类组成并不容易。浮筏上生长的蜈蚣藻属藻体明显大于潮间带，凭借现有的海藻图鉴 (《中国海藻志》等)进行对比，往往找不到相应的图片和特征描述，因而本研究结合藻体的切片观察和基因序列分析来综合鉴定种类。通过rbcL序列与BOLD系统数据库序列进行物种相似性比对，结果显示，相似性达到100%的披针形蜈蚣藻形态差异很大，有的固着器为盘状，有的呈梭形突出状；有的固着器有柄与叶片相连，有的没有柄。Yang等[22]对椭圆蜈蚣藻和披针形蜈蚣藻的鉴别研究表明两者形态相似，区别在于披针形蜈蚣藻有柄，而椭圆蜈蚣藻没有柄。本研究依照测序结果，把没有柄的似是椭圆蜈蚣藻的也鉴定为披针形蜈蚣藻。对东海枸杞岛蜈蚣藻属形态学与分子生物学的研究也按照测序结果，把形似椭圆蜈蚣藻的鉴定为披针形蜈蚣藻[20]。根据《中国海藻志》[1]，鲂生蜈蚣藻与其他叶片状蜈蚣藻的区别在于其没有短柄，筏架上的一些形似鲂生蜈蚣藻的，测序结果也是披针形蜈蚣藻，所以笔者鉴定的披针形蜈蚣藻形态多样。按照《中国海藻志》，稀疏蜈蚣藻与披针形蜈蚣藻的区别是前者较厚，其皮层由12~13层细胞构成，而依朋等[23]在研究台湾蜈蚣藻与稀疏蜈蚣藻内部结构区别时，描述稀疏蜈蚣藻皮层的细胞层数为4~5层。笔者参考《中国海藻志》的描述，把革质、比较厚、构成皮层的细胞层数较多、细带状的定为稀疏蜈蚣藻。根据测序结果定为台湾蜈蚣藻 (图1-h)的藻体形态与文献中的台湾蜈蚣藻外形略有不同[23-25]，这可能是藻体处于不同生长阶段其形态有差异。从本研究培养的披针形蜈蚣藻和长枝蜈蚣藻等藻体形态变化可观察到，分枝和小育枝的不规则生长对藻体外形影响很大。这是该属藻体外形多变的一大原因。总之，对蜈蚣藻属种类鉴定还有待进一步深入研究，采用培养观察藻体在不同生长阶段和不同培养条件下的形态变化将有助于种类的形态鉴定。
本调查目的是为了充分利用蜈蚣藻属资源，为该藻类的食品开发奠定基础。海藻的加工业与养殖业相辅相成，在发展加工业的同时，更需要推动养殖业的进步。因此，在调查福建东山和汕头南澳浮筏上的蜈蚣藻属时对其生态环境也进行了调查，为其养殖业的发展奠定基础。本调查结果表明，生长于水流速度较大区域的蜈蚣藻属藻体较长、较薄，生长于水流速度较小区域的藻体较宽、较厚，这为养殖海区的选择提供了参考依据。
生物量调查结果表明，披针形蜈蚣藻和带形蜈蚣藻在汕头南澳和福建东山均为优势种类。这2种蜈蚣藻和台湾蜈蚣藻在欧美和非洲被作为外来入侵物种[24,26-29]，可见这3种蜈蚣藻具有生长优势。在汕头和福建，披针形蜈蚣藻的生物量高于带形蜈蚣藻和台湾蜈蚣藻，福建东山站点3的生物量最多(901.26 g·m–1)。由此推测，若进行披针形蜈蚣藻的养殖，其产量会很高。
口感评价表明，披针形蜈蚣藻和舌状蜈蚣藻的口感最好，这2种都适合做凉拌菜或炒菜。舌状蜈蚣藻的个体较小，生物量也较低。从食用口感和生物量综合考虑，披针形蜈蚣藻是适合加工为海洋蔬菜的优良种类。披针形蜈蚣藻在4月质地变硬，口感变差，因而其收获季节应在4月之前。披针形蜈蚣藻的开发已引起人们的重视[30-31]，相信在不久的将来这种绿色食品将出现在百姓的餐桌上。
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表 1 溶藻菌、溶藻物质以及溶藻作用方式的主要种类
Table 1 Main algicidal bacteria, algicidal substance and algicidal mode
门
phylum种属
genus作用藻类
target algae溶藻方式
algicidal mode溶藻物质
algicidal substance参考文献
Reference变形菌门 Proteobacteria 假交替单胞菌属 Pseudoalteromonas sp. 红哈卡藻 直接和间接协同 − [20] 交替单胞菌属 Alteromonas sp. 东海原甲藻 间接方式 − [21] 交替单胞菌属 Alteromonas sp. 骨条藻 间接方式 假定肽 [12] 弧菌属 Vibrio sp. 海洋卡盾藻 间接方式 − [22] 弧菌属 Vibrio sp. 塔玛亚历山大藻 间接方式 胞外蛋白质 [23] 弧菌属 Vibrio sp. 链状亚历山大藻 间接方式 十六碳烯酸 [24] 盐单胞菌属 Halomonas sp. 东海原甲藻 间接方式 − [25] 河氏属 Hahella sp. 球形棕囊藻 间接方式 灵菌红素 [26] 海杆菌属 Marinobacter sp. 中肋骨条藻 直接方式 [27] 拟杆菌门 Bacteroidetes 腐螺旋菌属 Saprospira sp. 硅藻 直接方式 [28] 噬纤维菌属 Cellulophaga sp. 米氏凯伦藻 间接方式 − [29] 厚壁菌门 Firmicutes 芽孢杆菌属 Bacillus sp. 球形棕囊藻 间接方式 − [30-31] 芽孢杆菌属 Bacillus sp. 球形棕囊藻 间接方式 环肽 [32] 芽孢杆菌属 Bacillus sp. 链状亚历山大藻 间接方式 − [33] 注：−. 未知的溶藻物质 Note: −. unknown algicidal substances 
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