【笔记】“蓝藻水华与微生物相互作用的生物学和生态学机制”研讨会

主题报告
- 蓝藻水华驱动下湖泊微生物结构与功能的响应/吴庆龙（中国科学院南京地理与湖泊研究所）
- 浮游细菌群落构建机制及演替规律研究/颜庆云（中国科学院水生生物研究所）
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蓝藻水华是湖泊富营养化的一个主要灾害结果，水华的爆发及其释放的有害产物对水体生态系统、人和畜禽等造成严重危害。蓝藻水华在世界范围内的受关注程度持续未减，尤其是在2007年由于太湖蓝藻水华爆发导致的无锡市“5.29供水危机”事件以后，中国有关蓝藻水华研究暨SCI论文数目已经持续在世界处于领先地位。大量的研究已经从水文气象、营养盐、食物链和蓝藻基因组等角度来探索蓝藻水华爆发机制，但至今仍为完全解明。微生物在水体循环、能量转化和信息传递等方面均发挥着重要作用。大量研究已经表明，微生物积极参与了蓝藻水华暴发的各个过程，所以从微生物角度来探索蓝藻水华的暴发机制具有重要的意义。因此此次会议围绕探讨蓝藻水华与微生物互作的机制，期望通过同行交换意见和深入探讨、推动该领域的发展。

会议所涉及的主要议题如下：

蓝藻水华的多样性以及多态表型；
蓝藻水华与附生细菌的互作机制；
蓝藻水华与浮游细菌的互作机制；
蓝藻水华种类的演替规律及其机制；
蓝藻水华的生物驱动因子和形成机理；
蓝藻水华中的藻菌关系对水华治理的启示；
其它蓝藻水华研究的新方法。

主题报告

蓝藻水华驱动下湖泊微生物结构与功能的响应/吴庆龙（中国科学院南京地理与湖泊研究所）

背景：巢湖、太湖、滇池中，太湖最难治理（河流多，240多条）；微囊藻为水华群落优势物种，其中微生物与细菌正相关；近几年太湖水体N、P含量未明显增加，但水华仍在持续发展。

组学（宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学、宏代谢组学）+同位素标记分析是了解水华这一复杂生态问题的一个途径。
浮游藻类的数量不仅与磷浓度密切相关，而且与磷的存在形式（草／蓝藻体内）和循环速率有关。
草型-藻型稳态转变对营养盐循环有重要影响。蓝藻水华导致清水型生态系统局变－野外长时间数据；沉水植物主要分布在东部湖区，和蓝藻水华的分布具有明显的非重叠特点。近20年来的最大变化是竺山和胥口湾的“水下森林”即沉水植被消失。蓝藻的分解速度显著快于水草。
蓝藻水华有机集聚体中异养细菌数量巨大，且蓝藻水华促进有机集聚体（0A）的形成及其矿化。
藻型系统状态下营养盐的循环加快。氮磷等营养物质储存在大型植物、动物体内的矿化速率远低于在浮游藻类的速率，藻型系统中微生物驱动下营养盐的循环加快有助于蓝藻等的生长，即使在外源氮磷负荷不显著增加的条件下！浮游细菌是湖泊生态系统物质循环的主要驱动者。
微食物环和经典食物链之间营养传递—同位素标记示踪实验。浮游动物通过有机碳源和直接利用微囊藻碳源的效率几乎接近，但效率更高。提示蓝藻水平碳源通过微食物环与浮游动物间的快速传递的溶解有机碳细菌传递途径重要性。
微生物反馈：营养循环的shortcut有助于微囊藻水华维持
湖泊微生物群落结构如何响应微囊藻水华？特异性的关系？如何抵抗和恢复？微囊藻水华发生不同阶段存在藻- 菌特异性关系；微囊藻消亡阶段，新梭菌类是促进微囊藻分解和硫醚类物质产生的主要微生物；RC-I cluster 是沉积物中转化蓝藻碳质甲烷的主要微生物：蓝藻水华促进太湖甲烷的排放，利用同位素标记微囊藻来开展培养试验，蓝藻成绩无厌氧培养促进甲烷产生；浮游细菌群落结构与功能恢复性分析。
蓝藻水华-微食物环耦合的情景

1）营养盐输入多；

2）小型浮游动物，蓝藻多，难以牧食；

3）鱼类捕食小型浮游动物；

4）藻类死亡形成碎屑多；

5）碎屑沉降到底泥多；

6）没有水草、底栖藻类、滞留能力低；

7）沉积物营养盐释放高（没有水草等，蓝藻沉降叠加等）；

8）DOM增加进入微食物网；

9）细菌、原生动物作为小型浮游动物食物；

10）碎屑及其附着细菌直接被小型浮游动物食物。

总结：微生物-微囊藻之间营养耦合对微囊藻水华重要；微生物- 微囊藻之间存在一定的特异性关系；微生物对蓝藻水华暴发具有低抗力、高恢复力。

浮游细菌群落构建机制及演替规律研究/颜庆云（中国科学院水生生物研究所）

主要是对（淡水）武汉东湖近10年浮游细菌群落演替规律和（海水）北太平洋ALOHA站浮游细菌群落构建机制及演替规律的研究。
国家自然科学基金—“十三五”发展规划中生命科学部优先发展领域的十五个中其中包含生物多样性及其功能；其主要研究方向：生物多样性的形成机制，生物多样性的维持机制，生物多样性与生态系统功能的关系。
（海水）北太平洋ALOHA站浮游细菌群落构建机制及演替规律的研究：ALPHA站浮游细菌群落主要表现出随深度变化特征，其多样性随深度增加而升高，但没有明显的季节变化。ALOHA站浮游细菌群落构建和演替主要受环境选择影响，但125m水层群落具有不同25m和500m的生态学过程。

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微囊藻群体形成机理的探讨/李明（西北农林科技大学）

研究的背景及意义：不形成群体，就很难形成水华：群体是如何形成的？影响群体形成的因素有哪些？因此进行以下研究—室内诱导单细胞形成群体；群体大小与环境因子分析；
室内诱导单细胞形成群体的影响因素有浮游动物、拟柱胞藻、微生物、低温低光、高钙、营养盐、高钙+EPS （胞外多糖）、藻毒素、高铅；
对群体形成机理的思考： 单细胞聚集粘连；细胞分裂后未分来； ->细胞排列混乱/规则没有判断标准，湖泊中也有排列规则和不规则。
分裂：浮游动物滤液、拟柱胞藻、低温、低光、高浓度铅；粘连：微生物、浮游动物、高浓度钙；藻毒素、营养盐影响的机理还不确定。
胞外多糖与群体形成的关系：胞外多糖（EPS）是群体形成的物质基础。形成群体需要多少糖？能否用群体EP S与单细胞EPS的比值作为标准？
如何培养出典型形态的群体？单细胞微囊藻形成鱼害微囊藻群体经过紊流扰动竟然变成了网状惠氏微囊藻群体！！！！
主要结论与推论：

1）浮游动物滤液、拟柱胞藻、低温、低光、高铅是促使微囊藻细胞分裂不分开获得群体的；微生物、浮游动物、高钙是通过促进细胞粘连获得群体的，藻毒素和营养盐的影响机理还不明确；

2）鱼害微囊藻群体以及实验室通过细胞分裂不分离形成的群体、bEPS增多促进群体增大的，sEPS本身不能促进群体形成；

3）鱼害微囊藻群体是同细胞分裂分裂不分开从而群体增大的，惠氏微囊藻群体是已存在细胞重组形成的；

4）微囊藻群体形态变化的研究可能是在室内诱导单细胞获得典型群体形态的研究途径。

The role of heterotrophic bacteria in the formation of Microcystis colonies/沈宏（水生所）

形成水华的微囊藻属的种类均是无色（少数种类具有颜色）、透明的群体胶被。在超过50℃的热泉中生长的藻类主要是蓝藻，温泉蓝藻的一个重要特征是无论单细胞或丝状种类，往往都能形成形状不同的胶体群落（邓新晏和许继红1997）。
微囊藻为何形成群体？微囊藻形成群体的诱因：浮游动物牧食压力：

为何浮游动物中只有原生动物类金藻有这种效应？枝角类等更为重要的牧食者！微囊藻毒素的胁迫： 在室内纯培养的单细胞微囊藻有很高的MC含量，但不能形成群体？金属离子。

水体中微囊藻的附生细菌群落能诱导单细胞铜绿微囊藻形成群体。与蓝藻相比，异养细菌分泌EPS的能力比较有限，但异养细菌的存在能显著促进蓝藻EPS的释放。
分离了5株能诱导单细胞微囊藻形成群体的可培养细菌，它们在诱导微囊藻群体形成时有一定的特异性。
惠氏微囊藻群体在室内解散过程中，菌群结构显著变化，部分细菌消失，胞外化合物变化。

产毒微囊藻在自然水体中微囊藻群体形成中的作用机制/毕相东（南开大学环境科学与工程学院）

藻-菌相互关系：远比人们想象的复杂胶被—藻菌互惠的纽带 异养细菌群落—>微囊藻：有些细菌促进胞外多糖合成，诱导微囊藻细胞聚集形成群体（本研究）；有些细菌增加色素与光合活性，促进微囊藻生长、光合产物的积累与分泌；有些细菌能降解微囊藻毒素；有些细菌能够抑制微囊藻生长，促进藻的死亡；…… 微囊藻—>异养细菌群落：微囊藻胶被提供细菌栖居场所，降低细菌被牧食的风险；微囊藻不同生长期栖居不同的菌群（优势种显著变化）；微囊藻提供附生菌生存的物质（如碳源）基础；……
这种群体形态的变异到底应该归因于微囊藻细胞的生理特性不同还是它附生了不同的异养细菌？如果是前者，为何日本、法国和中国的铜绿微囊藻基因组差异达35~45%？如果是后者，那依据群体形态的微囊藻的分类是否合理？
研究设想：存在大量细胞间空隙，增加藻细胞浮力；具有厚实的胶鞘，可抵御噬藻体及杀菌剂的危害；较大的微囊藻群体可抵御浮游动物的牧食；滤食性鱼类很难消化胶被厚实的微囊藻群体，使藻细胞在鱼类中得以完整保留；具有厚实的胶鞘，课低于水体盐度的剧烈变化。
Gan等（2012）发现MCs在微囊藻群体的形成及形态维持具有重要的作用。相对于对照组，当培养液中含有10ug/ L以上MC-RR时虽不能促进惠氏微囊藻（M. wesenbergn DC-M1）、鱼害微囊藻（M. ichthyoblabe TH- M1）等生长，但却可以显著诱导藻细胞capD、csaB、tagH与epsL 4个糖合成相关基因的表达，增加藻类胞外多糖的分泌量，同时发现MC- RR对于微囊藻群体的形态维持亦非常重要的作用。
产毒微囊藻在自然水体中微囊藻群体形成是否有促进作用？若具有促进作用，其作用机制又怎样呢？
海河微囊藻群体细胞数量的比例变化，超大群体、大群体、中群体、小群体；Wannsee湖产毒微囊藻单位数量细胞产毒量与海河不同尺寸微囊藻群体产毒微囊藻的产毒量恰好相反，即海河为微囊藻群体尺寸越小、产毒微囊藻产毒量越高，且海河小尺寸蓝藻群体微囊藻单位数目细胞产毒是Wannsee湖小群体细胞几倍至十几倍，产毒效率高。部分原因可能是微囊藻群体大小的划分依据不同。
海河为入海的半封闭式河道，稀释置换导致水华发生大尺寸的蓝藻群体很容易被排入海中，而小尺寸蓝藻群体及单细胞为提高自身的竞争优势，势必会加快群体形态的形成；外部因素：大量溶于水中的污染物质的胁迫可能促进藻细胞毒素的产生（及分泌）；内部因素：小尺寸蓝藻群体及单细胞自身可能是以加快微囊藻毒素的（及分泌），并以微囊藻毒素为介导因子（或信号分子）促进微囊藻群体的快速形成。

总结：夏季海河蓝藻细胞基本以大群体或超大群体形式存在；夏季海河产毒微囊藻占总微囊藻种群比例以大群体或超大群体的比值最高，数值范围为1.85%~29.97%；夏季海河单位数量产毒微囊藻的产毒量以小尺寸蓝藻群体及单细胞为最高（以RR+YR计）；夏季海河中小尺寸蓝藻群体及单细胞可能是在内外因素共同作用下提高MCs产量（及分泌），并以其为并以微囊藻毒素为介导因子（或信号分子）促进微囊藻群体的快速形成。

基于高通量测序的蓝藻水华与附生细菌的互作机制研究/管锐（东南大学）

通过一种改进的分箱方法对惠氏微囊藻附生细菌群落的宏基因组学研究/李涛（水生所）

关于微囊藻定种的一些困惑：是单纯由基因组的结构决定么？是稳定的表型还是受条件诱导的？诱导因子是由物理、化学或者生物条件？是否可以得到“无菌纯”的微囊藻？共生细菌的群落结构是如何的？共生细菌是否单一和稳定？

太湖、滇池优势微囊藻水华与伴生细菌动态变化/林立洲（水生所）

不同种类微囊藻形态不同、不同形态附着微生物差异？DGGE分析M. a,M.w,M.f群体附着菌不同。（Shi,et al,2011）
不同种类群体微囊藻附着微生物种类差异？浮游植物动态变化过程中细菌群落结构变化？不同种类群体微囊藻优势变化与水体中细菌群落结构变化关系？
太湖与滇池细菌群落结构具有明显差异。同一湖泊，水华不同时期细菌种群结构具有差异。对不同种类、来源微囊藻群体附着微生物做差异性T检验，得到微生物对群体微囊藻的特异性附着具有时空差异，其可能原因是A 4b在滇池丰度较高，而在太湖丰度很低；

总结：特异性附着：不同种类微囊藻群体附着微生物群落结构具有显著差异；动态变化：不同种类微囊藻正相关微生物不同。水华发生过程中细菌群落结构变化与不同种类微囊藻演替相关，M.a与M.w的丰度变化显著影响水体中藻类、细菌的动态变化；具有不同附着微生物的微囊藻形态种，在水体中的丰度变化能够影响水体中细菌群落结构；研究微囊藻与细菌相互关系时，也应当考虑微囊藻附着的其它藻类的影响。

溶藻细菌与微囊藻相互作用及影响溶藻效率的影响因素/邵继海（湖南农业大学）

溶藻细菌在藻-菌体系中数量的变化特征：在溶藻菌的诱导下微囊藻可能合成了化感物质，抑制了溶藻细菌的生长。溶藻细菌高接种量时，微囊藻甾调整代谢产生化感物质之前就被溶藻细菌杀死。
溶藻细菌-微囊藻体系存在着藻-菌的相互作用；溶藻细菌的溶藻效果与藻细胞产微囊藻毒素与否无相关性；溶藻细菌的溶藻效果与藻细胞形态（群体/单细胞）无相关性；溶藻细菌B50的溶藻效果与藻细胞的生长率呈明显正相关；藻株培养液中的细菌对溶藻细菌溶藻效果有一定的影响，溶藻细菌高接种量能减少或消除这种影响。

太湖微囊藻和鱼腥藻属规律探讨/张军毅（无锡市环境检测中心站）

微囊藻属的分类一直是一个十分棘手的问题，主要是因为该属全球分布、形态多变，存在较多的生态型ecoty pe。尽管传统的经典分类学方法被认为能够较好的区分微囊藻的野外样本，但是这种分类的标准也一直被质疑。尤其是16SrDNA被认为是传统的原核生物鉴定方法，但是微囊藻的16srDNA分类系统和传统的形态分类页存在一定的差异，所以关于微囊藻的分类及其鉴定和过去几十年中一直存在争议和不断修订。本次研究从附生细菌角度出发，将野外环境中微囊藻所形成的藻块视为一个整体“meta”,认为附生细菌是藻块形成和发挥功能的重要组成部分，所以结合附生细菌的种类和群落结构对微囊藻的分类鉴定进行探索。
鱼腥藻固氮的相关基因进行检测和对比，发现7~9月没有发现！那么就是说明夏季Microcystis 暴发期间，固氮N2—>NH4+已经不在起作用了，主要是DNRA了。
太湖无论是Microcystis还是Dolichospermum，固氮N2—>NH4+的实际贡献是很差的。Microcystis和 Dolichospermum的竞争，不能以固氮作为出发点，而应该以其他通路（例如，DNRA），及其从水温、光照和营养盐等出发研究。附生细菌及其蓝藻水华可以作为一个整体来看待，可以为微囊藻的分类提供借鉴。

太湖与三峡水库蓝藻水华的对比研究/马健荣（中国科学院重庆绿色智能技术研究院）

海河景观河道产毒微囊藻种群丰度和毒素的空间分布/霍达（天津农学院）

目前海河流域内微囊藻产毒基因及毒素相关研究非常少。近年来水华蓝藻危害严重。
许多研究表明，有毒微囊藻和无毒微囊藻同时存在于微囊藻水华样品中是一个普遍现象，而这两者无法通过观察区分。
通过荧光定量PCR方法检测微囊藻基因丰度成为一种新的微囊藻定量方式。

微囊藻对底-泥水界面反硝化的驱动作用/陈雪初（华东师范大学）

水库原位复合控藻示范工程；富营养湖泊反硝化能力更强？

非对称性增温对微囊藻生长影响初探/邓建明（中国科学院南京地理与湖泊研究所）

北半球的大部分地区白天温度和夜间温度的变化并不对称，夜间温度的增温幅度和增温速率都明显大于白天温度，及增温存在非对称性。

治理蓝藻水体的试验探索/刘本洪（四川大学建筑与环境学院环境科学与工程系）

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参加完这次会议后，我印象深刻的两个关键词是就是藻-菌关系（特别是与微囊藻相关的藻- 菌群体的内在关系）、微囊藻定种。

此外还有几个新的科学发现，首先是将微囊藻在实验室内纯培养后，测序拼接得到全基因组序列，通过比较基因组学技术对14多株微囊藻进行全基因组范围的核心基因、进化研究，发现种间的差异十分大，跟经典的的进化规律有所差异。其次是另一位专家在实验室中通过紊流扰动竟然将鱼害微囊藻群体变成了网状惠氏微囊藻群体，这是一个对微囊藻定种的颠覆性发现。此外，还有专家尝试从藻菌关系、宏基因组的角度去对微囊藻定种进行探索。

最后有两个问题，第一是微生物菌剂能否治理水华或净化水质？与会期间，各位专家对通过添加硝化细菌等来解决湖泊水华问题多是抱否定态度的，他们认为往水体中添加菌剂，菌只能在当时特定的时期存活起到作用，并且很快就会失去净水能力，维持期短。第二是为什么微囊藻一定是以群体形式存在的？