參與水體循環(huán)的微生物群落研究

封永輝，張人銘，時春明，李 林，馬燕武

(新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學研究所，新疆烏魯木齊 830000)

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參與水體循環(huán)的微生物群落研究

封永輝，張人銘，時春明，李 林，馬燕武

(新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學研究所，新疆烏魯木齊 830000)

微生物代謝可以維持、恢復良好水體底泥微系統(tǒng)環(huán)境，對水體自凈作用巨大，是目前污染水體生態(tài)環(huán)境改善和恢復的關鍵所在[1]。作為水生態(tài)系統(tǒng)中種類最多、代謝活性最強的生物類群，微生物成為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要部分[2-5]。例如，在地球生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中，細菌作為微生物類群之一，構成了食物網(wǎng)最重要的核心組份，作為生產(chǎn)者和分解者的雙重身份，對水體中的溶解性有機物、顆粒性有機物、懸浮物、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)循環(huán)的再生起著重要作用。沉積物中細菌對溶解性有機物的生物降解和生物轉化作用以及水體的物質(zhì)循環(huán)過程也具有重要影響[2]，經(jīng)過細菌作用，再通過浮游動物和原生動物的取食逐步向食物網(wǎng)上級傳遞，形成了再次生產(chǎn)的結果，由于其在生物量上占優(yōu)勢，且代謝速度快，使其在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中具有特殊意義。筆者對微生物在水體物質(zhì)轉化與循環(huán)中的作用和水污染治理中的應用以及主要研究方法進行初步探討，以期為后續(xù)微生物生態(tài)資源利用開發(fā)有所幫助。

1微生物在水體物質(zhì)轉化與循環(huán)中的作用

1.1碳循環(huán)以細菌為例，細菌在碳循環(huán)中可以將CO2固定為有機物，也可以把復雜的有毒有機污染物轉化為可再生利用的CO2、水、能量(圖1)。目前，研究的參與CO2固定的細菌主要有光合細菌、藍細菌和藻類，而參與CO2再生的微生物主要有芽孢桿菌、梭菌、真菌、放線菌。

圖1　細菌參與碳循環(huán)過程Fig.1　Process of bacteria participating in carbon cycle

1.2氮循環(huán) 水體環(huán)境中的氮素有氨氮、有機態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮，空氣中氮氣經(jīng)植物光合作用固定生成氨，重新溶解于水體中，硝酸鹽也可被水體植物直接吸收利用，形成植物蛋白，水生動物攝取植物，進而轉化成動物蛋白，動植物尸體等腐殖質(zhì)可通過微生物的分解又可以再次產(chǎn)生氨，在硝化細菌的作用下又氧化成硝酸鹽(圖2)。參與氮循環(huán)過程的細菌如下：氨化過程中有氨化細菌屬(Ammonifier)，種類有普通變形桿菌(Proteusvulgaris)、巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)；固氮過程中有固氮菌屬(Azotobacter)、梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)、腸道桿菌科、埃希氏菌屬、藍細菌；反硝化過程中有如銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)、螺菌屬(Spirillum)和莫拉氏菌屬(Moraxella)；厭氧氨氧化過程中有浮霉菌門厭氧氨氧化菌[5]；硝化、亞硝化過程中有硝化球菌、硝化刺菌、硝化桿菌、亞硝化桿菌、亞硝化螺菌、亞硝化球菌、蠟狀芽孢桿菌(B.cereus)、神靈色桿菌(Chromobacteriumprodigiosum)、腐敗梭菌(C.putrificum)、熒光假單胞菌(P.fluorescens)、脫氮假單胞菌(P.denitrificans)、副球菌屬(Paracoccus)、沙雷氏菌屬(Serratia)、產(chǎn)堿菌屬、蒼白桿菌屬、紅球菌屬、嗜冷桿菌屬和動膠菌屬等約50多個屬的150多種[6-9]。

1.3磷循環(huán)水體中的磷以有機磷、可溶性、不溶性磷酸鹽形式存在(圖3)。 細菌在可溶性磷和不溶性磷的互相轉化中也發(fā)揮著重要作用，其中無機磷轉化菌主要有假單孢菌(Pseudomonassp.)和類芽孢桿菌(Paenibacillussp.)；有機磷分解菌主要包括蘇云金芽孢桿菌(B.thurigiensis)、氧化微桿菌(Microbacteriumoxydans)等。解磷菌主要有解磷巨大芽孢桿菌(B.megaterium)、臘狀芽孢桿菌(B.cereus)等；聚磷菌主要有枯單芽孢桿菌、圓褐固氮菌、亞硝化桿菌屬、硝化桿菌屬、氣單胞菌屬等[4-7]。

圖2　細菌參與氮循環(huán)過程Fig.2　Process of bacteria participating in nitrogen cycle

圖3　細菌參與磷循環(huán)過程Fig.3　Process of bacteria participating in phosphorus cycle

1.4硫循環(huán)水體環(huán)境中硫元素以硫氫基氧化態(tài)、氧化態(tài)、硫酸鹽氧化態(tài)3種形態(tài)存在。硫酸鹽通過氧化作用可轉化為有機的硫氫基化合物，作為許多植物和微生物可用硫的惟一來源，同時水體動物必須的含硫氨基酸也可由硫酸鹽供應[6]。參與硫循環(huán)的硫酸鹽還原菌和硫氧化細菌，兩者可協(xié)同驅(qū)動一個完整的硫循環(huán)過程(圖4)。

圖4　細菌參與硫循環(huán)過程Fig.4　Process of bacteria participating in sulfur cycle

2微生物在水污染治理中的應用

2.1水質(zhì)凈化近年來隨著環(huán)境污染的加重，農(nóng)藥、殺蟲劑等有機污染物大量使用，增加了內(nèi)源污染，并且水體細菌本身具有的分解有毒物質(zhì)能力也被抑制，超出了水體自凈能力，進而加重了污染，而消除污染物的影響需要外在加入多種細菌胞外酶類[8]。付融冰等[9]利用稀釋法和混菌法，分析了人工濕地污水凈化效果與填料中微生物數(shù)量之間的關系，結果表明，微生物數(shù)量與BOD5及總氮的去除有顯著相關性。劉明等[10]也研究了潛流濕地中微生物對三峽庫區(qū)微污染水凈化效果的影響，結果表明，不同季節(jié)各濕地系統(tǒng)的水質(zhì)指標去除率與微生物數(shù)量之間的相關性較強。

2.2環(huán)境污染治理細菌作為環(huán)境敏感生物，是重要的環(huán)境污染指示生物之一，微生態(tài)系統(tǒng)在水體生態(tài)系統(tǒng)中的結構及作用至關重要，水體污染往往伴隨著微生態(tài)的變化[10]，也可以作為生態(tài)修復后的治理狀態(tài)指標。葉樹明等[11]用ATP生物發(fā)光法測量了西湖水體中微生物數(shù)量，濃度為10-7～10-6cfu/ml，其分布表現(xiàn)為近岸高于湖心，春季低于夏季，人為活動中旅游、垂釣等對西湖水體微生物的分布有較大影響。目前，大腸菌群作為分辨污染的指示菌，根據(jù)其數(shù)目多少來判斷水源是否受糞便污染，并間接推測水源受腸道病原菌污染的可能性[12]。

3水體微生物群落研究方法

目前，水體微生物群落研究主要采用傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代分子生物學方法，以及將兩者相結合。隨著技術的進步，也逐漸出現(xiàn)了一些新的方法探索。

3.1傳統(tǒng)方法 傳統(tǒng)的微生物研究方法包括樣品采集、細菌培養(yǎng)、分離純化、生理生化鑒定等，對可培養(yǎng)微生物采用梯度稀釋培養(yǎng)技術，而對難培養(yǎng)微生物和不可培養(yǎng)微生物采用熒光顯微鏡法、流式細胞儀法[12]等適時監(jiān)測技術。在微生物群落水平上根據(jù)生理特征(Community-level physiological profiling，CLPP)[13]，可采用 Biolog微平板法[14]。杜瑞英[15]采用Biolog法研究了某礦山金屬污染土壤修復過程中微生物群落變化，結果表明，紅麻種植前施用有機肥等改良劑，可有效提高土壤微生物活性。邱權等[16]采用微平板法對三峽水庫小江流域的土壤微生物功能多樣性進行研究，發(fā)現(xiàn)可培養(yǎng)微生物對時間變化影響顯著。

3.2分子生態(tài)學方法基于PCR方法：末端限制性片段長度多態(tài)性(terminal restriction fragment length polymorphism，T-RFLP)、擴增片段長度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、單鏈構象多態(tài)性技術(single strand conformation polymorphism，SSCP)[17]、隨機引物擴增多態(tài)性(random amplified polymorphic DNA，RAPD)[18]、擴增 rDNA 限制酶切分析(amplified ribosomal DNArestriction analysis，ARDRA)；變性梯度凝膠電泳(Denatured gradient gel electrophoresis，DGGE)[19]、TGGE與多維尺度分析(Multi-Dimensional Scaling，MDS)[14-20]、宏基因組學[17，23]。Mofett等[21]利用ARDRA法比較了鋅污染土壤與非污染土壤的微生物多樣性，結果表明，鋅毒害脅迫明顯降低了細菌群落的多樣性。Omar等[22]利用PCR-DGGE研究了墨西哥發(fā)酵玉米面團，分析了在發(fā)酵過程中不同階段微生物種類和數(shù)量的動態(tài)變化。

3.3其他方法水體微生物群落的研究方法還有基因芯片、掃描電鏡法、透射電鏡法、熒光染料染色法、微生物醌指紋法、多變量統(tǒng)計分析(Multivariate Statistical Analysis，也稱多元統(tǒng)計分析)、熒光原位雜交[24-28]。

4展望

(1)微生物凈化技術具有很多優(yōu)點，如費用低、效果好、對外界干擾少等，因此日益成為研究的熱點，在實際應用中取得了一定治理效果。但無論是單一菌種還是復合菌種，都存在具體環(huán)境適應性問題，尤其是基因工程菌對自然環(huán)境的生物安全性問題日益突出，受到社會各界的廣泛關注。

(2)目前，國內(nèi)外關于淡水生態(tài)系統(tǒng)中的細菌的研究主要集中在浮游細菌豐度、種群組成及群落結構多樣性等方面，對功能細菌群落的潛力開發(fā)深入研究較少[29-32]。

(3)微生物種群結構受溶解氧、pH、溫度等要素的影響較大[33]，水體污染物的來源廣泛，加上污染物成分受有機質(zhì)種類及含量的影響而千差萬別，相應理論研究缺少，使得細菌在污水治理上具有很多不確定性因素，影響其工業(yè)開發(fā)利用。

參考文獻

[1] KARI J K，ATTRAMADAL I S，XUE R Y.Recirculation as a possible microbial control strategy in the production of marine larvae[J].Aquacultural engineering，2012，46：27-39.

[2] 劉晶晶，陳全震，曾江寧，等.海水養(yǎng)殖區(qū)微生物生態(tài)研究[J].浙江海洋學院學報(自然科學版)，2006，25(1)：72-77.

[3] 黃雪嬌，楊沖，羅雅雪.光合細菌在水污染治理中的研究進展[J].中國生物工程雜志，2014，34(11)：119-124.

[4] 鄭煥春，周青.微生物在富營養(yǎng)化水體生物修復中的作用[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2009，17(1)：197-202.

[5] 徐冰，張大勇.微生物多樣性及其分布的研究進展：模式與過程[J].生命科學，2014，26(2)：144-152.

[6] 申元英，倪兆林.溶藻微生物凈化富營養(yǎng)化水體的作用[J].微生物學通報，2014，41(11)：156-160.

[7] 蘇俊峰，楊少斐，黃廷林，等.低溫貧營養(yǎng)好氧反硝化細菌SY13的反硝化特性[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2013，26(6)：39-42.

[8] ZHENG B H，WANG L P，LIU L S.Bacterial community structure and its regulating factors in the intertidal sediment along the Liaodong Bay of Bohai Sea，China[J].Microbiological research，2014，169：585-592.

[9] 付融冰，楊海真，顧國維，等.人工濕地基質(zhì)微生物狀況與凈化效果相關分析[J].環(huán)境科學研究，2005，18(6)：44-49.

[10] 劉明，黃磊，高旭，等.潛流濕地中微生物對三峽庫區(qū)微污染水凈化效果的影響[J].湖泊科學，2012，24(5)：687-692.

[11] 葉樹明，樓凱凱，楊俊毅，等.利用生物發(fā)光法測定西湖表層水體微生物量[J].浙江大學學報(農(nóng)業(yè)與生命科學版)，2006(5)：500-504.

[12] 杜剛，黃磊，高旭，等.人工濕地中微生物數(shù)量與污染物去除的關系[J].濕地科學， 2013，11(1)：13-20.

[13] LIU J W，YANG H M，ZHAO M X，et al.Spatial distribution patterns of benthic microbial communities alongthe Pearl Estuary，China[J].Systematic and applied microbiology，2014，37：578-589.

[14] 李志斐，謝駿，郁二蒙，等.基于Biolog-ECO技術分析雜交鱧和大口黑鱸高產(chǎn)池塘水體微生物碳代謝特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2014，33(1)：185-192.

[15] 杜瑞英.土壤改良劑和紅麻聯(lián)合修復對多金屬污染土壤微生物群落功能的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2012，21(7)：1252-1256.

[16] 邱權，陳雯麗.三峽庫區(qū)小江流域消落區(qū)土壤微生物多樣性[J].華中農(nóng)業(yè)大學學報，2013，32(3)：15-20.

[17] 盧莉瓊，梁俊.分子生物學方法在微生物多樣性及微生物生態(tài)研究中的應用[J].應用與環(huán)境生物學報，2004，10(6)：826-830.

[18] 張晶，李新宇，蘇振成，等.土壤微生物生態(tài)過程與微生物功能基因多樣性[J].應用生態(tài)學報，2006，17(6)：1129-1132.

[19] 聶志娟，徐鋼春，程起群，等.養(yǎng)殖刀鱭與生長環(huán)境菌群PCR-DGGE指紋圖譜及多樣性分析[J].水產(chǎn)學報，2014，38(7)：1009-1017.

[20] 陸開宏，梁晶晶，朱津永.富營養(yǎng)水體中2種水生植物的根際微生物群落特征[J].中國環(huán)境科學，2010，30(11)：1508-1515.

[21] MOFFETT B F，NICHOLSON F A，UWAKWE N C，et al.Zinc contamination decreases the bacterial diversity of agricultural soil[J].FEMS microbiology ecology，2003，43：13-19.

[22] OMAR N B，AMPE F.Microbial community dynamics during production of the Mexican fermented maize dough pozol[J].Applied and environmental microbiology，2000，66(9)：3664-3673.

[23] 馬海霞，張麗麗，孫曉萌，等.基于宏組學方法認識微生物群落及其功能[J].微生物學通報，2015，42(5)：902-912.

[24] 王曉丹，李艷紅.分子生物學方法在水體微生物生態(tài)研究中的應用[J].微生物學通報，2007，34(4)：777-781.

[25] ZWART G，CRUMP B C，AGTERVELD M P K V，et al.Typical freshwater bacteria：An analysis of available 16S rRNA gene sequences from plankton of lakes and rivers[J].Aquatic microbial ecology，2002，28：141-155.

[26] 任麗娟，何聃，邢鵬，等.湖泊水體細菌多樣性及其生態(tài)功能研究進展[J].生物多樣性，2013，21(4)：421-432.

[27] EILER A，BERTILSSON S.Composition of freshwater bacterial communities associated with cyanobacterial blooms in four Swedish lakes[J].environmental microbiology，2004，6：1228-1243.

[28] 毛玉澤，朱玲，蔣增杰，等.桑溝灣不同養(yǎng)殖區(qū)水體微生物群落結構特征[J].中國水產(chǎn)科學，2013，20(4)：824-831.

[29] 錢偉平.茹一寧.不同濃度Ca2+對三角帆蚌養(yǎng)殖水體微生物和浮游生物的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2007，35(26)：8249-8250，8253.

[30] MULLER S，HUBSCHMANN T，KLEINSTEUBER S，et al.High resolution single cell analytics to follow microbial community dynamics in anaerobic ecosystems[J].Methods，2012，57：338-349.

[31] STORMER R，WICHELS A，GERDTS G.Geo-Chip analysis reveals reduced functional diversity of the bacterial community at a dumping site for dredged Elbe sediment[J].Marine pollution bulletin，2013，77：113-122.

[32] XI X P，WANG M，CHEN Y S，et al.Adaption of the microbial community to continuous exposures ofmultiple residual antibiotics in sediments from a salt-water aquacultural farm[J].Journal of hazardous materials，2015，290：96-105.

[33] SHADE A，KENT A D，JONES S E，et al.Interannual dynamics and phenology of bacterial communities in a eutrophic lake[J].Limnology and oceanography，2007，52(2)：487-494.

摘要首先，分析了微生物在水體物質(zhì)轉化與循環(huán)中的作用，主要介紹了細菌在碳、氮、磷、硫循環(huán)中的作用；然后，探討了微生物在水污染治理中的應用，如凈化水體，作為環(huán)境污染指示生物；最后，介紹了水體微生物群落的研究方法，包括傳統(tǒng)方法、現(xiàn)代分子生物學方法以及其他新的方法，并對今后微生物的研究方向進行展望。

關鍵詞微生物；細菌；水體；物質(zhì)循環(huán)；方法

Study of Microbial Community Participating in Water Cycle

FENG Yong-hui, ZHANG Ren-ming, SHI Chun-ming et al(Xinjiang Fishery Research Institute,Urumqi, Xinjiang 830000)

AbstractFirstly, the roles of microorganisms in the material cycle and transformation process of water ecosystem were analyzed, especially the roles of bacteria in carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur cycle. Secondly, the application of microorganisms in the control of water pollution, such as purifying water quality and being as an indicator of environmental pollution. Afterwards, the study methods of microbial community in water were introduced, including traditional methods, modern molecular biology methods and other new methods, and the research direction of microorganisms in future was discussed finally.

Key wordsMicroorganisms;Bacteria; Water body; Material cycle; Method

收稿日期2015-12-14

作者簡介封永輝(1984- )，男，新疆烏魯木齊人，工程師，碩士，從事水產(chǎn)病原微生物分離方面的研究。

中圖分類號S 182

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-132-03