Simultaneous Microcystis Algicidal and Microcystin Degrading Capability by a Single Acinetobacter Bacterial Strain

一株不動桿菌菌株同時具有殺藻和降解微囊藻毒素的能力

來源：Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 11903?11911

 

論文摘要總結

本研究報道了一種分離自太湖梅梁灣的細菌菌株Acinetobacter sp. CMDB-2，該菌株具有獨特的雙重功能：既能裂解產毒微囊藻（Microcystis aeruginosa），又能降解其產生的微囊藻毒素（MC-LR）。通過藻-細菌共培養實驗，研究發現CMDB-2在24小時內引起藻細胞徹底分解和光合作用受損，并在14小時內將MC-LR濃度降低近94%。細菌代謝物主要負責藻細胞裂解（貢獻率92%），而細菌細胞直接降解毒素（貢獻率91%）。這是首次發現單一細菌菌株能同時實現藻類清除和毒素降解，為有害藍藻水華的生物控制提供了新策略。

研究目的

本研究旨在解決以下關鍵問題：

 

雙重功能菌株的探索：尋找能同時裂解藍藻細胞和降解微囊藻毒素的單一細菌菌株，以克服傳統方法（如化學殺藻劑）導致的毒素釋放風險。

機制闡明：揭示細菌對藻細胞生理（如光合作用）和毒素動態的影響，明確細菌細胞與其代謝物在過程中的分工。

 

應用潛力評估：驗證該菌株在可控條件下的有效性，為實際水體修復提供理論依據。

 

研究思路

研究分為四個階段：

 

細菌分離與篩選：

 

從太湖藍藻水華樣品中富集微生物群落，以MC-LR為唯一碳氮源進行馴化，篩選出5株潛在MC降解菌。

 

通過共培養實驗測試各菌株對微囊藻的裂解能力，最終選定效果最佳的CMDB-2菌株（Acinetobacter屬）。

 

菌株鑒定與特性分析：

 

通過16S rRNA測序（GenBank登錄號KX928708）確認菌株分類地位，構建系統發育樹（圖2）。

 

掃描電鏡（SEM）觀察共培養后藻細胞形態變化（圖3），顯示CMDB-2導致藻細胞膜破裂和變形。

 

 

共培養實驗設計：

 

設置不同初始細菌密度（1×103至1×10? cells/mL）與微囊藻共培養，監測藻細胞密度、MC-LR濃度（UPLC-MS/MS分析）、氧氣剖面（Unisense電極測量）。

 

對比全細菌細胞、細菌無細胞濾液對藻裂解和毒素降解的貢獻。

 

數據整合與機制推斷：

 

通過時間序列數據解析藻裂解與毒素降解的動力學，區分細菌細胞與代謝物的作用。

 

測量數據及研究意義

以下關鍵數據均來自論文中的圖表，其研究意義如下：

 

細菌篩選與活性驗證（圖1）

 

數據來源：圖1a顯示5株菌在5天內完全降解MC-LR（初始6 μg/L），菌株2（CMDB-2）效率最高；圖1b表明CMDB-2在共培養3天使藻細胞密度降低87.5%。

 

研究意義：證實CMDB-2兼具高效藻裂解和毒素降解能力，為后續機制研究提供基礎。

 

藻細胞形態破壞（圖3）

 

數據來源：圖3a-b的掃描電鏡圖像顯示，對照藻細胞完整光滑，而共培養24小時后藻細胞膜破裂、嚴重變形。

 

研究意義：直觀證明CMDB-2通過直接作用或代謝物導致藻細胞裂解，釋放細胞內毒素。

 

氧氣剖面動態（圖4）

 

數據來源：使用丹麥Unisense氧微電極測量共培養系統氧氣濃度。圖4a-c顯示，隨細菌密度增加，藻光合作用受抑制，氧氣濃度在光照期下降60%（高劑量組），黑暗期降至近零。

 

研究意義：直接反映細菌對藻生理的抑制，氧氣下降表明光合系統受損，是藻裂解的先兆。

 

MC-LR降解動力學（圖5）

 

數據來源：圖5顯示MC-LR濃度在共培養初期升高（藻裂解釋放），但12小時內被降解94%；高細菌密度（1×10? cells/mL）使降解提前至4小時。

 

研究意義：證實CMDB-2能快速降解釋放的毒素，避免二次污染。

 

細菌細胞與代謝物分工（圖6）

 

數據來源：圖6a表明細菌無細胞濾液引起92%藻裂解，但毒素降解微弱；圖6b顯示全細菌細胞使總MC-LR降低92%。

 

研究意義：明確藻裂解主要由代謝物介導，而毒素降解需細菌細胞參與，揭示雙重功能的協同機制。

 

結論

本研究主要結論如下：

 

單一菌株的雙重功能：Acinetobacter sp. CMDB-2是首例報道能同時裂解微囊藻和降解MC-LR的細菌，解決了傳統方法中毒素釋放的難題。

機制分工明確：藻裂解依賴細菌代謝物（92%貢獻），毒素降解由細菌細胞直接完成（91%貢獻），二者協同實現可持續去除。

劑量依賴性：細菌密度越高，藻裂解和毒素降解速率越快（如高密度下降解提前至4小時）。

 

應用前景：CMDB-2作為一種環境友好型生物控制劑，有望用于自然水體修復，但需進一步研究其在復雜環境中的穩定性。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在研究中，丹麥Unisense氧微電極（Clark型，尖端直徑25 μm）被用于實時監測藻-細菌共培養系統中的氧氣濃度剖面（方法部分“Oxygen levels were constantly measured using a Clark-type oxygen microelectrode”）。其研究意義如下：

 

高分辨率揭示藻生理響應：

 

技術細節：電極通過線性校準（空氣飽和BG-11培養基 vs. 厭氧溶液）后插入共培養液，以秒級響應（90%響應時間<1 s）記錄氧氣變化。數據（圖4a-c）顯示，對照組在光暗周期中氧氣波動顯著（光照期峰值26.79 μM/L），而CMDB-2處理組氧氣持續下降，尤其在黑暗期降至近零。

 

研究意義：直接證明細菌抑制藻類光合作用，氧氣下降是藻細胞代謝受損的早期指標，為藻裂解提供生理學證據。

 

量化細菌脅迫強度：

 

劑量效應關聯：圖4顯示氧氣下降幅度與細菌密度正相關（低密度組下降40%，高密度組下降60%），表明Unisense數據可敏感反映細菌脅迫程度。

 

意義：氧氣剖面作為藻健康狀態的“生物傳感器”，幫助優化細菌應用劑量，避免過度投放。

 

機制探索中的關鍵作用：

 

區分物理與生理效應：氧氣數據結合顯微鏡觀察（圖3），證實藻裂解不僅是物理破壞（細胞變形），更是生理功能（光合作用）崩潰的結果。

 

生態意義：在自然水體中，光合作用抑制可能影響整個生態系統氧循環，Unisense測量為評估生物控制劑的生態風險提供依據。

 

方法學優勢：

 

微創實時監測：電極微米級尖端避免取樣干擾，可持續跟蹤動態過程，優于傳統耗氧量測量。

 

應用延伸：該技術可推廣至其他藻-細菌互作研究，如評估不同生物控制劑對藻類生理的影響。

 

總之，Unisense電極不僅是氧氣定量工具，更是連接細菌脅迫與藻類生理響應的橋梁，其高精度數據為CMDB-2的雙重功能機制提供了不可替代的實證支持。