产电细菌在微囊藻群体形成中的作用及机制

Microcystis bloom in eutrophic lakes is the mainly pattern of manifestation in recent years and Microcystis always displays colonies in cyanobacterial blooms. Therefore, it is important for social demands and scientific significances to analyze the formation mechanism of Microcystis colonies. Previous study found five strains of associated bacteria can induce unicellular Microcystis into colonies. Among these bacteria, four strains, including Aeromonas sp., Bacillus sp., Enterobacter sp. and electric model strain Shewanella sp., were electricigens. The project intends to research the role of different electricigens species in Microcystis colony formation, and determine nutrition/metabolism, photosynthetic efficiency and extracellular metabolic substances in the coculture, and explore the regulatory mechanism of polysaccharides gene, and compare the electrochemical activity of bacteria and algae in the formation of Microcystis colonies, and analysis key gene expression to resolve the mechanism of interspecies electron transfer. The results will clearly elucidate the role of electrochemical bacteria in Microcystis morphology change with two pathways: colony disaggregation and colony formation. The study can make clear the relationship between microbial interspecies electron transfer and cyanobacterial blooms, and provide novel credible scientific data of cyanobacterial blooms for exploiting the more effective solution to cyanobacteria blooms.

微囊藻成因的蓝藻水华暴发是近年来湖泊富营养化的重要表现形式，并且微囊藻多以群体表型存在，因而解析其群体形成机制具有紧迫的社会需求和显著的科学意义。前期研究发现五株可诱导微囊藻群体形成的生活于微囊藻胶被中的附生细菌，其中有四株细菌具有产电能力，包括气单胞菌、芽孢杆菌、肠杆菌及产电菌的模式种希瓦氏菌。本项目拟研究不同种类产电细菌在微囊藻群体形成过程中的作用，检测其对微囊藻细胞在营养代谢、光合效率和胞外分泌物等方面的影响，探索其对微囊藻胶被重要组成产糖基因的调控机制，比较藻群体形成不同阶段生物膜的电化学活性，分析关键功能基因表达水平，解析其中存在的某种微生物种间电子传递机制。研究结果将分别从群体形成和群体解散两个角度阐明产电细菌在微囊藻表型变化中的作用，探索微生物种间电子传递机制与蓝藻水华暴发的相关性，为分子层面揭示其成因并开发更加有效的干预技术提供科学依据。

微囊藻作为富营养化淡水湖泊暴发蓝藻水华时的优势藻，常释放有毒物质对水生态系统的结构和功能造成严重损害。微囊藻细胞周围生活着大量与微囊藻共生的细菌，这些细菌与微囊藻的生长以及形态变化密切相关。本项目通过采集野外微囊藻样品，分析微囊藻表型变化前后，附生细菌的群落结构变化；探讨了附生细菌与微囊藻形态变化的特定选择性；测定对微囊藻形态变化有显著影响的附生细菌的产电特性，探索微生物种间电子传递机制在产电细菌影响微囊藻表型变化中所起的作用。主要研究成果如下：1）自富营养水中分离群体微囊藻，室内观察微囊藻的表型变化，群体微囊藻的直径由220 μm减小为84 μm，胶被逐渐溶解，最终便成为单细胞微囊藻；2）鉴定微囊藻的附生细菌群落结构，研究发现微囊藻附生细菌中2株Gamma-变形杆菌门（假单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属），1株拟杆菌（黄杆属菌）和2 株Alpha-变形杆菌门（不可培养的细菌和紫杆菌属）与微囊藻群体表型保持密切相关； 3）铜绿微囊藻在四株产电附生细菌维氏气单胞菌，乙酰微小杆菌，肠杆菌和蜡样芽孢杆菌聚集成为群体微囊藻；产电细菌腐败希万氏菌可以促使惠氏微囊藻产生群体；4）产电细菌可以促使微藻的产生更高电流，提高微藻转化光能为电能的效率。本项目的实施阐明产电附生细菌在微囊藻表型变化中的作用，探索微生物种间电子传递机制与蓝藻水华暴发的相关性，为分子层面揭示蓝藻水华成因并研发更加有效的干预技术提供科学依据。