淡水生態(tài)系統(tǒng)附著細(xì)菌研究述評

文/胡濤

附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最多、分布最廣、多樣性最豐富的生命形式，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要作用。本文分析了淡水生態(tài)系統(tǒng)中附著細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，綜述了國內(nèi)外對其研究的進(jìn)展，并對研究方法進(jìn)行歸納，結(jié)合水體富營養(yǎng)化、水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理等問題分析附著細(xì)菌對水體的調(diào)節(jié)作用，以期加強水生生態(tài)學(xué)研究中對附著細(xì)菌的重視，為探究水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水綠色安全處理方法提供技術(shù)支撐。

細(xì)菌是地球上最古老的生物類群之一，數(shù)量和種類數(shù)量也最為龐大。水下的各種基質(zhì)上常附著有各種微生物組成的微生物群聚，其中包含了相當(dāng)數(shù)量且并不完全為人所知的細(xì)菌群落，這些附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組成成分，對水生生態(tài)系統(tǒng)的其他組成部分存在不可忽視的重要影響，如造成沉水植物死亡，驅(qū)動富營養(yǎng)化湖泊從草型湖泊向藻型湖泊轉(zhuǎn)換等。此外，由于細(xì)菌個體較小，對環(huán)境因子非常敏感，亦是極好的環(huán)境指示生物。

目前，有關(guān)附著細(xì)菌的研究非常少，且大多集中在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。淡水生態(tài)系統(tǒng)中有關(guān)附著細(xì)菌的研究則處在初級階段，僅有少數(shù)這方面研究的報道。當(dāng)前在淡水生態(tài)系統(tǒng)研究工作中，有必要重視對附著細(xì)菌的研究。

一、附著細(xì)菌群落及其變化

（一）附著細(xì)菌群落組成

附著細(xì)菌群落組成包括厭氧細(xì)菌、好氧細(xì)菌、光合細(xì)菌以及化能自養(yǎng)微生物等。附著細(xì)菌群落組成在不同的水體環(huán)境中表現(xiàn)出明顯的差異，在溪流生物膜中，黃桿菌科（Flavobacteriaceae）尤其重要，β變形菌分布也非常廣泛，如食酸菌屬（Acidovorax）；在高山湖泊中，擬桿菌門（Bacteroidetes）和藍(lán)藻門（Cyanobacteria）是最為重要的分類單元，其次是變形菌、綠菌門（Chlorobi）、浮霉菌門（Planctomycetes）和疣微菌門（Verrucomicrobia）；在河口附著細(xì)菌群落中，淡水部分以黃桿菌門黃桿菌綱的嗜酸菌屬（CFB，Cytophaga-Flavobacteria-Bacteroides）分布最為廣泛；藍(lán)藻表面附著細(xì)菌中浮霉菌（Planctomycetes）數(shù)量最多，其次是CFB，β和γ變形菌。

（二）附著細(xì)菌群落組成的時空分布

目前，附著細(xì)菌群落組成時空分布的研究主要集中在海洋水體中，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落組成的時間差異性要大于空間差異。achnit等對三種大型海藻表面附著細(xì)菌群落組成為期兩年的研究結(jié)果表明，連續(xù)兩年附著細(xì)菌群落組成都在門一級水平上存在顯著的時間和宿主之間的差異，而不同年份的同一月份和同一宿主平行樣之間則僅顯示出種一級水平上的差異。

在淡水生態(tài)系統(tǒng)中的研究結(jié)果則與此相反。Hampel等連續(xù)兩年對一個淡水湖泊中兩種沉水植物和人工基質(zhì)上附著細(xì)菌群落組成進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同年份同一時期的附著細(xì)菌群落組成差異顯著，但葉片表面附著細(xì)菌群落組成的差異性要大于芽尖附著細(xì)菌群落組成的差異，這被解釋成不同年齡的沉水植物宿主組織內(nèi)所含的酚類化感物質(zhì)含量不同。研究結(jié)果表明，附著細(xì)菌群落組成與季節(jié)之間關(guān)系的研究目前僅限于水體中顆粒有機物表面附著細(xì)菌，具體表現(xiàn)為冬季和春季細(xì)菌群落組成差異較小，而夏季和秋季群落組成差異較大。盡管研究結(jié)果證明了細(xì)菌群落組成存在明顯的季相交替，這可能與不同季節(jié)環(huán)境因子變化的幅度有關(guān)。

此外，附著細(xì)菌群落組成隨生境梯度變化存在顯著差異。不同海拔湖泊的附著細(xì)菌群落組成的研究結(jié)果表明，附著細(xì)菌群落組成在林線以下的湖泊和高山湖泊之間存在顯著差異，這種差異性顯著高于湖泊內(nèi)的差異。這些附著細(xì)菌空間異質(zhì)性分布的研究實際上證明了附著細(xì)菌群落組成對環(huán)境的敏感性，恰好也是附著細(xì)菌群落組成研究的難點所在，即附著細(xì)菌群落組成總是多因素綜合作用的結(jié)果。

（三）附著細(xì)菌與水體其他部分細(xì)菌群落的比較

水生生態(tài)系統(tǒng)中底泥、水體及生物膜中均有細(xì)菌分布。目前為止，水生生態(tài)系統(tǒng)不同部分細(xì)菌群落組成的比較研究大多集中在浮游細(xì)菌和附著細(xì)菌之間。與浮游細(xì)菌相比，海洋水體中顆粒物附著細(xì)菌豐度和多樣性均較低，活性卻高于浮游細(xì)菌。河口生態(tài)系統(tǒng)中，顆粒附著細(xì)菌豐度卻略低于浮游細(xì)菌豐度。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中顆粒附著細(xì)菌則遠(yuǎn)高于浮游細(xì)菌，約占總細(xì)菌數(shù)的65%，但沉水植物莖葉表面附著細(xì)菌數(shù)量則和浮游細(xì)菌相差不大，都遠(yuǎn)低于底泥細(xì)菌數(shù)量。富營養(yǎng)化湖泊近岸蘆葦沼澤中，附著在蘆葦枯葉上的細(xì)菌數(shù)量高于底泥，兩者都超過附著在蘆葦莖上的細(xì)菌數(shù)量數(shù)百倍，而浮游細(xì)菌的數(shù)量最少，約為附著細(xì)菌數(shù)量的1/4。相似的研究結(jié)果在丹麥一個淺水富營養(yǎng)湖泊中也被發(fā)現(xiàn)，附著在沉水植物表面的細(xì)菌數(shù)量是浮游細(xì)菌數(shù)量的7倍左右。

（四）水體營養(yǎng)鹽水平對附著細(xì)菌群落組成的影響

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，水體營養(yǎng)鹽含量對水生植物、浮游生物、附著生物都有很大的影響，細(xì)菌生長需要利用水體中溶解態(tài)無機氮和無機磷等。其他利用營養(yǎng)鹽的生物勢必會對附著細(xì)菌的群落組成產(chǎn)生影響，但是目前關(guān)于附著細(xì)菌群落組成與水體營養(yǎng)鹽含量的關(guān)系研究還非常少。

Tang等對太湖顆粒懸浮物附著細(xì)菌群落組成差異的驅(qū)動因子進(jìn)行研究，結(jié)果表明底泥再懸浮程度和水體營養(yǎng)鹽濃度是導(dǎo)致不同地點附著細(xì)菌群落組成差異的主要原因。宋玉芝等對太湖不同湖區(qū)浮游細(xì)菌和顆粒懸浮物附著細(xì)菌群落組成的研究發(fā)現(xiàn)，附著細(xì)菌群落組成與水體中TP含量呈顯著相關(guān)，卻與TN含量不相關(guān)，而浮游細(xì)菌群落組成與TN和TP都呈顯著相關(guān)，浮游細(xì)菌受營養(yǎng)鹽的影響比附著細(xì)菌大。然而還存在顆粒懸浮物表面附著細(xì)菌群落組成與水體營養(yǎng)鹽濃度無關(guān)的現(xiàn)象，目前這種現(xiàn)象被解釋成附著細(xì)菌是與水體中可溶性的TP和TN有關(guān)。

二、附著細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用

（一）是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分

淹沒在水下的各種基質(zhì)上常附著有各種微生物組成的微生物群聚，被稱為周叢生物（Periphyton）或生物膜（Biofilm）?；C據(jù)表明，早在33億～34億年前地球上已經(jīng)存在生物膜的結(jié)構(gòu)。不僅起源古老，生物膜的分布也極為廣泛，幾乎在所有水體中所有附著基質(zhì)表面都有分布。周叢生物中包含了藻類、細(xì)菌、真菌及一些小型無脊椎動物，其中以細(xì)菌功能最為強大，是附著生物中物種多樣性最為豐富的組成成分之一，被特稱為附著細(xì)菌（Epiphytic bacteria）。附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組成成分，分布在幾乎所有水下基質(zhì)表面，被稱為“世界上最奇怪的水下都市”。

（二）對水生生態(tài)系統(tǒng)中其他組成成分的影響

在河流生態(tài)系統(tǒng)中，生物膜的存在使得水體流速降低3倍，水體中顆粒物的沉降量增加了1.2倍，導(dǎo)致水體中有機分子的吸收速度發(fā)生了改變。由于這個過程在溪流源頭廣泛存在，因而可以通過水系的縱向聯(lián)系改變河流、湖泊甚至海洋的生化和水文學(xué)過程。

附著細(xì)菌廣泛分布在水生生態(tài)系統(tǒng)中，其具備一定的物理形態(tài)存在于生物膜中，在生物膜的內(nèi)部，附著細(xì)菌的存在不可避免會對其附著基質(zhì)產(chǎn)生影響，造成附著基質(zhì)物質(zhì)組成以及物理結(jié)構(gòu)上的改變。對菹草葉片表面附著物的研究結(jié)果表明，附著細(xì)菌會像病原菌入侵一樣破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，菌絲體大量擴散到菹草葉表皮細(xì)胞中，最終導(dǎo)致菹草葉片衰亡。在金魚藻葉片及其附著細(xì)菌的研究亦有相同發(fā)現(xiàn)。這種附著細(xì)菌對其植物宿主的影響在富營養(yǎng)化水體中更為強烈，因為富營養(yǎng)化水體中附著物生物量往往更高。這曾被解釋為富營養(yǎng)化湖泊中沉水植物消失，草型湖泊向藻型湖泊轉(zhuǎn)換的原因之一。

除此之外，附著細(xì)菌還會對附著層中的初級生產(chǎn)者的生化過程產(chǎn)生影響。初級生產(chǎn)者將化能固定成生物組織是食物鏈的基礎(chǔ)，在水生生態(tài)系統(tǒng)中，初級生產(chǎn)者的生長會受到營養(yǎng)鹽水平等限制因子的約束，而細(xì)菌則是開啟限制因子約束初級生產(chǎn)者生長的開關(guān)。

（三）是水環(huán)境健康評價的指標(biāo)

在濕地生化環(huán)境響應(yīng)干擾的過程中，微生物扮演了關(guān)鍵的角色。由于微生物群落個體微小且對環(huán)境變化極為敏感，即便是極小的環(huán)境變化也會在微生物變化中反映出來，因此，細(xì)菌可作為非常好的環(huán)境健康評價指標(biāo)。Sim等根據(jù)氨氧化古細(xì)菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）的相對生物量提出AOA和AOB的比值可以作為濕地管理和調(diào)控的新的指標(biāo)。首先，探測好氧菌呼吸代謝變化是探測濕地生境衰退的早期信號。在貧營養(yǎng)狀態(tài)下，AOA與氨含量顯著相關(guān)，并可與浮游藻類和細(xì)菌競爭氨，在自然灘涂環(huán)境中AOA的含量也高于AOB，而在處理氨負(fù)荷超標(biāo)的污水系統(tǒng)中，AOB是硝化作用菌群的主要類群，在中國的富氮底泥AOB研究中也得到了相似的結(jié)果。然而該評價指標(biāo)只是針對底泥細(xì)菌提出，附著細(xì)菌作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)的研究還有待進(jìn)一步開展。

三、附著細(xì)菌群落組成的主要研究方法

（一）微生物形態(tài)學(xué)分類方法

早期微生物群落的研究主要是基于形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合其生理生化特征和培養(yǎng)特征，進(jìn)行微生物物種鑒定。但是這種方法是基于實驗室培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，無法得到真實的自然狀況下微生物物種信息。據(jù)測算，微生物培養(yǎng)方法分離出的微生物僅占微生物總量的0.1%～10%。但該方法在特定類群功能細(xì)菌的研究中還是存在一些優(yōu)勢的。例如在水體N循環(huán)功能菌的研究中，可以結(jié)合限制性培養(yǎng)基對不同樣本間不同N循環(huán)功能菌相對生物量影響的大小進(jìn)行比較，并可對不同實驗處理下樣本N循環(huán)功能強弱進(jìn)行估算。

（二）分子生物學(xué)手段研究方法

基于分子生物學(xué)手段的研究方法彌補了傳統(tǒng)的基于微生物形態(tài)學(xué)分類方法難以完全反映自然狀況的缺點，逐漸成為微生物群落研究的主要途徑。分子生物學(xué)研究手段中，根據(jù)是否結(jié)合聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）工具可分為兩大類。不需要進(jìn)行PCR的研究方法相對而言更加簡便，成本也相對低廉，常用的包括磷脂脂肪酸（PLFA，phospholipidfatty acid）和原位熒光雜交（FISH，fluorescence in situ hybridization）。需要結(jié)合PCR手段的研究方法主要包括DNA指紋圖譜分析、基因克隆文庫（16S rDNA clone library）和實時熒光定量PCR技術(shù)（Real-time PCR）三大類。

DNA指紋圖譜技術(shù)方便易行且成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)樣本中細(xì)菌群落的物種多樣性和定量分析，然而不能精確定性和定量，16S rDNA克隆文庫能夠進(jìn)行精確的物種鑒定，卻難以精確定量。精確的細(xì)菌群落物種組成的研究一般通過DNA指紋圖譜結(jié)合16S rDNA克隆文庫來實現(xiàn)，但該工作費用高昂，且挑菌落過程工作量繁重。這使得一般的細(xì)菌群落研究中，只能對少量樣本進(jìn)行16S rDNA克隆文庫構(gòu)建，這就大大降低了實驗結(jié)果的精確性。

（三）宏基因組學(xué)技術(shù)

宏基因組學(xué)技術(shù)由近些年來基于基因克隆文庫技術(shù)發(fā)展而來，是目前為止最為先進(jìn)最為精準(zhǔn)的細(xì)菌群落研究手段，卻一直因其費用高昂而沒有廣泛得到應(yīng)用。最近發(fā)展出的高通量測序（High-throughout sequencing）技術(shù)，真正實現(xiàn)了混合細(xì)菌樣本中精確定性定量的突破，且對樣本需求量少，樣品檢測快速便捷，可重復(fù)性高，能真實反映自然狀況下細(xì)菌群落組成。該技術(shù)的推出對于包括微生物生態(tài)學(xué)在內(nèi)的分子生物學(xué)研究具有重要革命性意義，以至于被稱為新一代測序技術(shù)（Next-generation sequencing technology），或次代測序、二代測序。因而盡管目前高通測序的費用仍然較高，卻在微生物群落組成的分析中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

四、未來發(fā)展展望

（一）開發(fā)利用新的研究手段

要弄清楚一個類群在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，首先是要弄清楚其群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的相互作用過程。長期以來，受研究手段的限制，無法快速準(zhǔn)確量化附著細(xì)菌的群落組成是對該類群了解有限的關(guān)鍵制約因素。隨著更先進(jìn)的可以實現(xiàn)高通量混合菌群群落組成分析技術(shù)、基因條形碼快速物種鑒定技術(shù)等為代表的分子生物學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，有望實現(xiàn)對附著細(xì)菌群落組成的量化分析、對優(yōu)勢類群及關(guān)鍵物種的快速鑒定，從而推動對該類群在生態(tài)系統(tǒng)過程中扮演角色的研究，全面揭示淡水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程。

（二）應(yīng)用前景廣泛

附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最多、分布最廣、多樣性最豐富的生命形式，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要作用，它不但直接影響著淡水生態(tài)系統(tǒng)的功能，也關(guān)乎著自然與人類的健康。通過針對附著細(xì)菌開展全面研究，可以探索出有效清理水體中污染物質(zhì)的方法，在水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理、外源水保護(hù)等方面均能發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景非常廣闊。

1.水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染治理

水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染治理是生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵一環(huán)。利用水產(chǎn)養(yǎng)殖污染水域中附著細(xì)菌的代謝活動，與水體中有毒有害菌競爭營養(yǎng)，從而降低水體中有毒有害菌的濃度，或改變有毒有害菌性質(zhì)，使其完全無害化，可使已受有害菌污染的水域能部分或完全恢復(fù)，遏制養(yǎng)殖水環(huán)境惡化，減少養(yǎng)殖過程中藥物的投放，保障水產(chǎn)品安全優(yōu)質(zhì)，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖向生態(tài)健康轉(zhuǎn)型。

2.水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理

研究表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水含有大量殘餌、糞便等，直接排放會致使水體有機物含量升高，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化及養(yǎng)殖水域生態(tài)失調(diào)。通過附著細(xì)菌群聚活動，可以去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中多種還原性污染物，將有機物代謝成無機鹽供水體中微生物使用，防止水體中藍(lán)藻等大規(guī)模繁殖導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，從而起到凈化水質(zhì)，優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的作用。運用淡水附著細(xì)菌處理水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水，能有效貫徹落實養(yǎng)殖尾水處理行動，推動水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。

3.外源水保護(hù)

湖泊對于外來污染物有一定的自凈作用，這種自凈作用主要就是通過湖泊的附著細(xì)菌族群活動來實現(xiàn)的。水體中高效的降解菌活躍形成優(yōu)勢族群，并通過對污染物分解獲得的能量生長、繁殖，降解菌種群數(shù)量提升后又強化了自身對水體中污染物的吸附、吸收和降解，提高了水體的自凈能力。通過研究附著細(xì)菌群落和限制因子之間的關(guān)系，可以有效控制湖泊等外源水水體的富營養(yǎng)化趨勢，為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)提供充足安全的水源。