基于分子生物学的杆菌类微生物抑藻机理研究

Algae blooming often occurs in polluted water bodies, not only endanger the aquatic system, but also increase the difficulty of ecological remediation of water bodies. Control of algal overgrowth is a necessary means in water ecological remediation. Because of its long-lasting, stable and environment-friendly, algae-controlling methods with microbes have attracted much attention. However, since the interactions between microbes and algae are complex, the comprehensive understanding of algae-controlling mechanism is still far behind the requirements in practice. In this project, Bacillus cereus and Microcystis aeruginosa were selected as research objects. The aims of the present project are: 1) To isolate and identify the algicidal agents of Bacillus cereus and to analyze the contributions of these substances, and to study the stress-response information of bacteria-algal system; 2) To identify the algicidal genes of Bacillus cereus and the relationship between these genes and algicidal functions, and confirm the functions of algicidal genes and metabolic pathways of Bacillus cereus employing metagenomic, metatranscriptomic and proteomic approaches. 3) To understand the algicidal process and trigger mechanism of algicidal functions through investigation of the stress-response patterns of bacteria-algae system and environmental impacts. The research methods developed in this project can be an example for the further investigation in the relative research fields. The results have profound theoretical significance and practical guiding value for the engineered microbe production and practical application.

受污染水体常发生藻类爆发，不仅危害水生系统，也增加生态修复难度，控制藻类过度生长是水体修复的必要手段。微生物控藻方法因其长效、稳定、环境友好等特性而引起重视，但菌藻系统相互作用复杂，机理研究进展缓慢，一定程度局限了该技术的研发应用。本项目选择控藻效果较优的芽孢杆菌和淡水中典型的铜绿微囊藻为研究对象，分离鉴定抑藻菌活性物质并分析其抑藻贡献的权重，研究菌-藻系统胁迫应答信息；从分子生物学角度入手，结合宏基因组、宏转录组及宏蛋白组技术，鉴定抑藻功能基因，明确功能基因与抑藻功能的关系，验证功能基因与代谢通路；通过环境因素及菌-藻应答反馈模式厘清抑藻过程机理，掌握抑藻功能触发机制。研究方法可为相关领域的后续研究提供参考，研究结果为功能菌剂的研发及运用提供理论依据。

我国东南沿海三角洲地区城市密集、工业发达，自然水体长期接受过度污染排放，水体黑臭现象普遍，水体生态修复是目前环保领域的主要任务。本研究发现微生物方便保种、扩培、固化应用，它们兼具脱氮降解有机物效果，可与水体生态修复耦合，是目前最有前景的手段。.1..本项目进行了有效抑藻物质的分离鉴定。通过分离、提纯、鉴定后，共鉴定出灵杆菌素、吩嗪与生物素三种有直接杀藻效果的物质。另外，本项目使用组学的方法筛选后验证，得到了有杀藻活性的烟酰胺、硫甲基腺苷、二磷酸异戊酯、次黄嘌呤、黄嘌呤和硫胺素，其中烟酰胺显示了最佳的杀藻活性。.2..本项目对菌藻互作中的应答机制即信号系统进行了探索。确定了F2菌株所分泌抑藻物质灵杆菌素和潜在抑藻物质吩嗪的合成受群体感应系统调控，并基本确定了PQS是该信号的重要分子。PQS也在促进抑藻菌的胞外酶活性方面有作用。.3..本研究进行了抑藻相关基因的挖掘与功能注释。本研究使用比较基因组学与其他已报道的抑藻细菌比对中，确定了F2菌种中的CAZyme和灵杆菌素相关的基因和GH 18模块，这些基因均与抑藻密切相关。另外，本研究发现部分抑藻菌有完整的好氧反硝化的基因，并验证其对接触氧化有促进作用。.4..本研究进行了抑藻相关代谢通路的研究。通过多组学结合的研究，发现在F2菌株的抑藻过程中，最活跃的是能量和氨基酸代谢、辅酶和维生素代谢以及细菌趋化作用，这是菌株的主要抑藻途径。.5..本研究对抑藻的机理进行了研究。通过结合之前的所有实验结果，推测了F2菌株的抑藻模型：前期F2菌株快速适应环境，并接收外界信号。在以PQS作为主要信号分子的QS系统调控下，F2菌株借助鞭毛移动至藻细胞表面，分泌多种水解酶和抑藻物质灵杆菌素，使藻细胞的光合作用受到影响，藻细胞受到过氧化损伤，细胞外膜结构和细胞器被破坏。同时过量的ROS作为信号分子触发藻细胞发生细胞程序西死亡，而藻细胞死亡后的分解产物被F2菌同化后作为细菌生长活性所需的营养物质。