有害藻华生物防治技术DinoSHIELD对非靶标微生物群落影响的原位中宇宙实验研究

本研究针对全球日益严重的甲藻有害藻华(HABs)问题，评估了新型生物防治技术DinoSHIELD（基于海藻酸钠水凝胶固定化溶藻细菌Shewanella sp. IRI-160）的环境安全性。通过原位中宇宙实验发现，在有效控制Karenia brevis的施用浓度下，DinoSHIELD对水质参数(pH、DO、营养盐)无显著影响，不会改变总体光合生物量和非靶标微生物丰度，且细菌释放量极低。18S rRNA测序分析显示处理组物种丰富度显著增加，但群落结构无显著变化。该技术为甲藻HABs治理提供了环境友好型解决方案，具有重要应用前景。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，有害藻华(Harmful Algal Blooms, HABs)的暴发频率和规模持续增加，其中甲藻类HABs因其产生强效毒素而对海洋生态系统和人类健康构成严重威胁。传统防治方法如粘土絮凝、化学杀藻剂(如硫酸铜、过氧化物)等虽有一定效果，但存在成本高、环境残留、非靶标毒性等问题，至今尚未有任何海洋HABs防治产品获得美国环境保护署(EPA)批准使用。因此，开发高效、环保、特异性强的生物防治技术成为当前研究的热点。

在这项发表于《Harmful Algae》的研究中，研究人员聚焦于一种名为DinoSHIELD的创新生物防治技术。该技术利用海藻酸钠水凝胶固定化溶藻细菌Shewanella sp. IRI-160，通过缓释细菌衍生的溶藻化合物特异性抑制甲藻生长，同时限制细菌扩散。虽然实验室研究已证明其有效性，但其环境安全性和对自然微生物群落的影响尚未在接近自然条件下得到验证。

为评估DinoSHIELD的生态风险，研究团队在特拉华州Broadkill河口的自然环境中设置了8个730升的中宇宙(Mesocosm)实验系统，通过6天的原位实验，监测了DinoSHIELD处理对水质参数、微生物群落结构和细菌扩散的影响。实验采用与实验室有效浓度一致的施用剂量(72个DinoSHIELD珠/L)，通过聚丙烯网状袋悬挂方式部署，模拟实际应用场景。

研究采用了多种关键技术方法：通过室内培养实验确定DinoSHIELD对Karenia brevis的有效抑制浓度；使用YSI EXO2水质监测仪连续测量pH、溶解氧等物理化学参数；采用Technicon AutoAnalyzer II分析仪测定营养盐浓度(硝酸盐+亚硝酸盐采用USEPA 353.2方法，铵盐采用Solorzano方法，磷酸盐采用USEPA 365.1方法)；通过显微鉴定(MicroID)和18S rRNA基因测序分析微生物群落组成变化；使用荧光显微镜进行总细菌计数；开发特异性qPCR方法(针对Shewanella sp. IRI-160的ITS区域)检测细菌释放量。所有统计分析使用R软件和PRIMER-e完成。

3.1. 实验室验证

通过实验室实验证实DinoSHIELD对Karenia brevis具有显著抑制效果。处理组在4天内藻icidal活性达到57%-67%，第一天抑制率为53%，表明该施用剂量能有效控制甲藻生长。

3.2. 原位中宇宙实验

3.2.1. 水质

DinoSHIELD处理对水质参数影响极小。虽然处理组pH和溶解氧略低于对照组(p<0.05)，但所有值均在环境正常范围内，溶解氧始终高于缺氧阈值(2 mg L^-1)。硝酸盐(NO_x)、铵盐和磷酸盐浓度在处理组和对照组间无显著差异，表明DinoSHIELD不会引起水体富营养化。

3.2.2. 群落结构

3.2.2.1. 光合生物量

体内叶绿素a(Chl a)浓度在处理组和对照组间无显著差异(p=0.35)，表明DinoSHIELD不会影响总体光合生物量。

3.2.2.1.1. MicroID分析

显微鉴定显示，微生物群落以硅藻为主(占53.7%-77.7%)，其次为甲藻、纤毛虫和raphidophytes。处理组甲藻比例和细胞密度低于对照组，支持DinoSHIELD对甲藻的特异性抑制效果。

3.2.2.2. 18S rRNA测序

高通量测序揭示了更丰富的微生物多样性，共鉴定出327个物种归属25个门。聚类分析显示样品按时间而非处理分组，PERMANOVA分析表明处理组和对照组群落结构无显著差异(p=0.46)。值得注意的是，处理组物种丰富度(S)显著高于对照组(p<0.05)，平均多出21个物种，主要是低丰度的纤毛虫、硅藻和其他原生生物。

3.2.3. 总细菌细胞密度

总细菌密度在处理组和对照组间无显著差异(p=0.70)，表明DinoSHIELD不会刺激异养细菌生长。

3.2.4. Shewanella sp. IRI-160细胞密度

qPCR检测显示，处理组中Shewanella sp. IRI-160细胞密度在第一天出现峰值(>3μm fraction: 776 cells mL^-1；0.2-3.0μm fraction: 94 cells mL^-1)，但随后迅速下降，在整个实验期间比总细菌低5个数量级。细菌主要附着在颗粒物上(>3μm fraction)，表明其倾向于表面附着生长。

研究结论表明，DinoSHIELD作为一种新型甲藻HABs生物防治技术，在环境应用方面表现出良好的安全性。在有效控制Karenia brevis的实验室浓度下，DinoSHIELD对水质参数无显著影响，不会改变非靶标微生物的总体丰度和群落结构，且细菌释放量极低并迅速减少。18S rRNA测序揭示的处理组物种丰富度增加可能是由于DinoSHIELD对低丰度物种的轻微促进作用，但这种变化不会引发生态风险。

该研究的重要意义在于首次在接近自然条件下全面评估了DinoSHIELD的环境安全性，填补了实验室研究与实际应用之间的关键知识空白。研究结果支持DinoSHIELD作为一种环境友好型HABs治理技术的潜力，其特异性抑制甲藻、不影响非靶标生物、细菌释放量低等特点符合现代环境治理的需求。此外，研究建立的多方法评估体系(水质监测、显微鉴定、高通量测序、qPCR检测)为类似生物防治技术的环境安全评价提供了重要参考。

需要注意的是，本研究在非水华条件下进行，未来需要在水华条件下进一步验证DinoSHIELD的实际防治效果和生态效应。同时，长期效应和在大尺度开放水域的应用效果仍需深入研究。总体而言，DinoSHIELD为代表的新型生物防治技术为HABs治理提供了新思路，有望成为传统化学方法的有效替代方案。