There is increasing interest in the relationships between marine bacteria and red tide organisms. Some bacteria are known to kill red tide organisms, and may be responsible for accelerating the termination of red tides. Thus, certain algicidal bacteria have been proposed for the control of red tides. Meanwhile, many red tide organisms are known to feed on marine bacteria. The roles of marine bacteria and red tide organisms are therefore reversible. In Korean waters, the killing of red tide organisms by algicidal bacteria, and also the feeding of red tide organisms on marine bacteria have been extensively investigated. The findings of such studies may influence the conventional view of red tide dynamics, and also planktonic food webs. Here, we review the species and concentrations of algicidal bacteria that kill red tide organisms in Korean waters, as well as the ingestion rate and grazing impact of red tide organisms on marine bacteria. Furthermore, we offer an insight into the ecological roles of these 2 components in marine planktonic food webs.
An algicidal effect of endemic algicidal bacterium (Pseudomonas putida) and rotifer zooplankton (Brachionus calyciflorus) on diatom Stephanodiscus hantzschii were examined in the filtered water, and were compared with those of bacterium plus ciliate. Bacteria removed as 80% of the diatom within 3.5 days, while ciliate and zooplankton suppressed 57% and 40% of diatom during the same period, respectively. Mixed treatment of bacteria plus ciliate removed as 54% of diatoms, while that of bacteria plus zooplankton decreased as 85%. Although single bacteria and mixed treatment of bacteria plus zooplankton quickly decreased the diatom in the initial of experiment, bacteria plus ciliate perfectly removed the diatom in culture flask within 5.5 days of the study. On the other hand, other single and mixed treatments did not clear the diatom during the same period, and over 10% of them still remain in culture flask. Predator biomass in the presence of algicidal bacteria showed the growth patterns; zooplankton gradually decreased, and ciliate sustained over 0.5 cells/ml. These results indicated that the addition of ciliate to the algicidal bacterium in controlling the diatom Stephanodiscus hantzschii is more effective than that of zooplankton. Therefore, this synergistic interaction relationship between the bacterium and ciliate play an important role in the bio-manipulation using bio-agents to control the diatomal bloom in freshwater lakes and streams.
적조 현상이 나타난 남해안 연안의 뻘로부터 Cochlodinium polykrikoides에 대한 살조능을 가지는 살조 세균 KY1을 분리하였다. 분리된 살조 세균 KY1이 살조능을 나타내는 최적 조건은 $30^{\circ}C$, 염농도 $3\%$, pH 5 이상의 중성으로 확인되었으며, 약 8 시간의 배양에서 대수 증식의 최대 성장률을 보였으며, 이후 사멸기 까지 배양 시간 24 시간 경과 후부터 높은 살조능을 나타내었다. 살조능은 대수증식기에서 정지기로 넘어갈 때, 큰 폭으로 증가하였다. 그리고, 사멸기에서는 최대 $100\%$에 달하는 살조능을 나타내었다. 이는 살조 세균이 분해되면서 균체내에 존재하는 살조물질을 분비하는 것으로 간주된다. 또한 배양 상등액의 양을 증가시켰을 때, 1 시간 이내에 $40{\mu}{\ell}$/ml의 농도에서 $100\%$의 살조능을 볼 수 있었다. $Zn^{2+}$의 첨가로 살조능의 현저한 증가를 확인 할 수 있었으며, 이로부터 살조물질은 C. polykrikoides의 세포벽 성분인 mannan을 분해하는 $\alpha$-mannosidase일 가능성을 보였다.
적조 다발지역인 진동만에서 살조세균의 동태를 파악하기 위하여, 1998년 5월 19일부터 7월 7일까지, chlorophyll-a 및 살조세균의 계수$\cdot$분리하였고, 분리한 살조세균의 살조특성을 조사하였다. 본 연구기간동안 살조세균의 밀도는 $6.0\times10^1\~6.4\times10^5$cell $\ell^{-1}$의 범위에서 변동하였으며, chlorophyll-a의 농도의 증가 및 감소에 대하여 각각 1주일의 lag time을 두고 이와 동일한 변동양상을 나타내었다. 현장시료에서 분리된 3종의 살조세균 H519S5-4, H605S5-15 및 H605S5-22 균주의 살조범위를 침편모조류 Heterosigma akashiwo와 Chattonelia sp., 와편모조류 Gymnodinium catenatum, Gyrodinium impudicum 및 Cochlodinium polyklikoides, 규조류 Chaetoceros sp., Cescinodiscus granii, Ditylum brightwellii 및 Thalassiosira rotula를 대상으로 조사하였다. H60585-22 균주는 실험에 사용된 9종의 미세조류를 전부 사멸시켜 광범위한 살조범위를 나타내었다. 또한, 균주 H605S5-15는 H. akashiwo, G. catenatum, T. rotula 및 Chattonella sp.에 대하여, H519S5-4는 H. akashiwo, Chattonella sp., Chaetoceros sp. 및 G. catenatum에 대하여 살조력을 나타내었다. 살조유형은 3종 모두 세포 외 물질을 분비하여 살조하는 살조인자분비형 세균으로 나타났다. 세균이 나타내는 살조력은 식물성 플랑크톤의 군집동태에 영향을 미치는 중요한 요인이며, 연안에서 적조의 급격한 소멸에 관여하는 것으로 사료된다.
Marine bacteria producing algicidal substance against Cochlodinium polykrikoides was screened and isolated from seawater. Metabolite of marine bacteria Micrococcus sp. LG-5 showed strong algicidal activity against C. polykrikoides. C. polykrikoides was inhibited above $90\%$ at $5\%$ solution of the metabolite within 24 hrs. Algicidal substance from the metabolite was extracted with ethyl acetate, and then purified by PTLC and reversed-phase HPLC. Algicidal activity of purified compound against C. polykrikoides was above $90\%$ at 3.7, 11.0 and 33.0${\mu}g/mL$ concentration after 12, 9 and 3 hrs, respectively. Ninety percent inhibition of other red tides, Gymnodinium sanguineum and Gyrodinium impudicum was observed when treated with 3.7${\mu}g/mL$ of purified compound within a period of 12 hrs. The microscopic view of red tides treated with purified compound showed the deformations such as cell node cuts and swelling of cells.
In screening of algicidal bacteria, we isolated a marine bacterium which had potent algicidal effects on harmful algal bloom (HAB) species. This organism was identified as a strain very close to Bacillus subtilisby 16S rRNA gene sequencing. This bacterium, Bacillus sp. SY-1, produces very active algicidal compounds against the harmful dinoflagellate Cochlodinium polykrikoides. We isolated three algicidal compounds (MS 1056, 1070, 1084) and identified them by amino acid analyses, fast atom bombardment mass spectrometry (FAB-MS), infrared spectroscopy (IR), $^1H$, $^{13}C$, and extensive two-dimensional nuclear magnetic resonance (2D NMR) techniques including $^1H-^{15}N$ HMBC analysis. One of them, MS 1056, contains a b-amino acid residue with an alkyl side chain of $C_{15}$. MS 1056, 1070, and 1084 showed algicidal activities against C. polykrikoides with an $LC_{50}$ (6 hrs) of 2.3, 0.8, $0.6\;{\mu}g/ml$, respectively. These compounds also showed significant algicidal activities against other harmful dinoflagellates and raphidophytes. In contrast, MS 1084 showed no significant growth inhibition against various organisms coexisting with HAB species in natural environments, including bacteria, eukaryotic microalgae, and cyanobacteria, although it inhibited growth of some fungi and yeasts. These observations imply that algicidal bacterium Bacillus sp. SY-1 and its algicidal compounds could play an important role in regulating the onset and development of HABs in the natural environments.
본 연구는 식물성플랑크톤의 대량증식 조절과 관련된 해양성 살조능이 있는 박테리아의 분리와 유해조류에 대한 분리 균주의 살조능 특성에 주로 초점을 맞추고 있다. 해수 표면에서 자연적으로 발생하는 유해조류번성(HAB)은 전세계적으로 많은 환경문제를 일으키고 있다. 본 연구에서는 유해조류 성장을 억제하는 능력을 가진 40개의 박테리아 균주를 마산만, 진해만, 돌섬, 거제도, 통영 앞바다에서 분리하였다. 분리된 균주들은 다양한 유해조류인 Cochlodinium polykrikoides, Chattonella marina, Skeletonema costatum, Heterosigma akashiwo, Heterocapsa triquetra, Prorocentrum minimum, Scrippsiella trochoidea에 대한 살조특성을 추가로 조사하였다. 살조균주의 선별은 이중층 아가배지와 현미경 계수법을 이용하여 진행하였고 Pseudomonas, Vibrio, Bacillus, Pseudoalteromonas, Ruegeria, Joostella, Marinomonas, Stakelama, Porphyrobacter, Albirhodobacter의 속들에 속하는 균주들이었다. 가장 중요한 유해조류인 Co. polykrikoides에 대한 가장 강력한 살조능은 10% 배양상등액으로 6시간 처리했을 때 94%를 보이는 균주였다. 이 연구를 통해 살조효과를 보이는 새로운 속으로 Marinomonas sp. M Jin 1-8, Stakelama sp. ZB Yeonmyeong 1-11 & 1-13, Porphyrobacter sp. M Yeonmyeong 2-22, Albirhodobacter sp. 6-R Jin 6-1를 새롭게 찾았다. 결론적으로 이들 해양박테리아를 이용하면 식물성플랑크톤 번성을 제어하는데 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.
최근 남해안 적조의 주요 원인생물인 C. polykrikoides를 살조 시키는 해양세균을 마산만의 적조발생 해역에서 분리, 동정하고 살조범위를 조사하였다. 분리 균주 중 살조활성이 우수한 Micrococcus sp. LG-5의 성장 특성과 살조효과에 대해 조사하여 해양 미생물을 이용한 자연생태 조화형, 환경 친화적 적조방제 기술 개발의 기초 자료를 제공하고자 연구한 결과를 요약하면 다음과 같다. 살조세균 Micrococcus sp. LG-5의 최적 성장조건은 $25^{\circ}C, NaCl 3.0{\%}, pH 7.0$이었으며, C. polykrikoides ($1.2{\times}10^4 cells/ml$)에 대한 Micrococcus sp. LG-5의 성장단계에 따른 배양여과액의 살조활성은 대수증식기 후기 및 정지기에 강하였다 대수증식기에는 C. polyklikoides를 $100{\%}$, 정지기에는 $82{\~}92{\%}$, 대수증식기 중기에는 $40{\~}80{\%}$, 유도기에는 $5{\%}$ 이하의 살조활성을 보여 Micrococcus sp. LG-5는 유도기를 거쳐 대수증식기에 살조물질을 활발히 생산하는 것으로 밝혀졌다. 또한 $0.4{\mu}m$의 cell culture insert를 삽입한 2조배양계를 이용하여 Micrococcus sp. LG-5의 살조유형을 조사한 결과, Micrococcus sp. LG-5는 $0.4{\mu}m filter$에 의해 C. polykirkoides와 격리된 상태에서도 C. polykirkoides를 살조시켜, 세포외로 물질을 분비하여 살조시키는 살조물질 분비형으로 밝혀졌다. 또한 Micrococcus sp. LG-5의 배양여과액의 최종농도가 $5{\%}, 10{\%}$가 되도록 첨가한 경우, C. polykrikoides의 개체수는 급격히 감소하여 3시간 경과 후에 centrol에 비해 각각 $30{\%}$와 $85{\%}$정도가 살조되었으며, $1{\%}$의 경우, 30시간 후에 $90{\%}$ 이상 살조되었다. 즉, Micrococcus sp. LG-5의 배양여과액의 양에 비례하여 살조효과가 증가하는 경향을 보였으며, 배양여과액 중에 C. polykrikoides를 사멸시키는 살조물질이 존재함을 알 수가 있었다.
BACKGROUND: The aim of this study was to isolate and identify algicidal bacterium that tends to kill the toxic dinoflagellate Alexandrium catenella, and to determine the algicidal activity and algicidal range of algicide. METHODS AND RESULTS: Among of algicidal bacteria isolated in this study, NH-3 isolate was the strongest algicidal activity against A. catenella. NH-3 isolate was identified on the basis of biochemical characteristics and analysis of 16S rRNA gene sequences. The NH-3 isolate showed over 99% homology with Arthrobacter oxydans, and was designated as Arthrobacter sp. NH-3. The optimal culture conditions were $25^{\circ}C$, initial pH 7.0, and 2.0% (w/v) NaCl concentration. The algicidal activity of Arthrobacter sp. NH-3 was significantly increased to maximum value in the late of logarithmic phase. Arthrobacter sp. NH-3 showed algicidal activity through indirect attack, which excreted active substance into the culture filtrate. When 10% culture filtrate of NH-3 was applied to A. catenella, 100% of algal cells were destroyed within 30 h. In addition, the algicidal activities were increased in dose and time dependent manners. The pure algicide was isolated from the ethyl acetate extract of the culture filtrate of NH-3 by using silica gel column chromatography and high performance liquid chromatography (HPLC). We investigated the algicidal activity of this algicide on the growth of harmful algal bloom (HAB) species, including A. catenella. As a result, it showed algicidal activity against several HAB species at a concentration of $100{\mu}g/mL$ and had a relatively wide host range. CONCLUSION: Taken together, our results suggest that Arthrobacter sp. NH-3 and its algicide could be a candidate for controlling of toxic and harmful algal blooms.
For several decades, lactic acid bacterium (Lactobacillus graminis: LAB) has been generally recognized as safe. To develop the pan-environmental bio-control agent, algicidal activity of the live LAB cell and its culture filtrate (CF) was examined against Microcystis aeruginosa. LAB cells perfectly lysed M. aeruginosa within 3 days, while the CF had a less effect than the live cells, approximately 78% inhibition of algal growth during a same culture period. The concentration of microcystin in alone culture of M. aeruginosa was $7.1{\mu}gL^{-1}$, but gradually increased and leach $158.5{\mu}gL^{-1}$ on 10 days. However, LAB cells clearly decreased the microcystin by $10.3{\mu}gL^{-1}$ in the same period, approximately 93.5%. CF of LAB showed a strong algicidal activity over 75% between pH 2-7, 91.3% by the treatment of proteinase K, 87.8% by below 3 kDa in particle size, and 75.3% by heat treatment, respectively. Of five solvents, fractions of CF passed through solvents diethyl ether and ethyl acetate showed an obvious algicidal activity in the algal-lawn test. Among 5 fractions purified by silica-gel TLC plate, two spots showed a most strong removal activity on M. aeruginosa. Another analysis of GC indicate that CF contained six representative fatty acids. Even though most of these substance have been known as an anti-algal substance against M. aeruginosa, oleic acid is the most effective. These results suggested that the culture filtrate or specific substances, like a fatty acids, in comparison with live L. graminis can be a successful and eco-friendly agent to control Microcystis bloom.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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