海草床微生物及其物質(zhì)循環(huán)功能的研究進(jìn)展

張 勇，李曉芳，王秋珍

(1.國(guó)家海洋局 秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 秦皇島 066002；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 海洋學(xué)院，河北 秦皇島 066000)

海草床是地球上最重要的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一，具有穩(wěn)定泥沙、凈化水質(zhì)、保護(hù)海岸線的重要功能，也是很多海洋生物賴以生存的棲息地。海草草甸中分布著豐富的微生物群落，在近海物質(zhì)循環(huán)和生物地球化學(xué)過程中發(fā)揮重要作用，尤其是異養(yǎng)微生物群落，對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。與研究充分的陸生微生物相比，海草微生物組成結(jié)構(gòu)存在顯著差異。例如，陸生植物葉片微生物組成與其周圍空氣樣本中的微生物群落不同，而大葉藻葉片的微生物組成與其周圍海水的微生物群落相似。此外，海草附生微生物群落也可能隨著環(huán)境條件的變化而改變。例如，在紅海北部的亞喀巴灣阿舍爾草甸，不同采樣站位和不同植物區(qū)系的托葉鹽藻的微生物群落組成存在差異，γ -變形菌門(Gammaproteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)在光照限制條件下豐度較高，藍(lán)藻門(Cyanobacteria)和紅桿菌科(Rhodobacteraceae)在光照條件和水動(dòng)力條件強(qiáng)時(shí)豐度較高。而托葉鹽藻的葉片形態(tài)和光合色素含量受光的可利用性和水動(dòng)力條件的影響。海草植物與微生物群落相互響應(yīng)，未來可能成為評(píng)估海草生態(tài)狀況的有效方法。此外，由于近年來氣候變化和人類活動(dòng)的影響，以及海草對(duì)環(huán)境壓力源較高的敏感度，全球海草覆蓋面積正快速減少。因此，海草微生物群落組成可以作為有效識(shí)別海草生態(tài)狀況的早期指標(biāo)，用于更加全面、及時(shí)地掌握海草生態(tài)系統(tǒng)所面臨的環(huán)境壓力。本文主要總結(jié)了海草床微生物的多樣性及其參與硫、氮和碳循環(huán)的研究進(jìn)展，以期為未來海草床的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一定的參考。

1 海草床微生物的多樣性與分布

海草床微生物包括細(xì)菌、真菌、古生菌、病毒、原生動(dòng)物、微藻等。其中真菌主要分布于海草組織內(nèi)部以及水和沉積物中，真菌在海草中的定植頻率(CF%)普遍低于陸地植物，已經(jīng)鑒定的海草內(nèi)生真菌主要是子囊菌科。異養(yǎng)鞭毛蟲和纖毛蟲等原生生物廣泛分布于海草生態(tài)系統(tǒng)，網(wǎng)粘菌綱原生生物是導(dǎo)致海草消耗性疾病的病原。總體上，對(duì)海草床中的真菌、古生菌和病毒研究得較少，而細(xì)菌在海草生態(tài)系統(tǒng)中的多樣性和分布是目前研究的熱點(diǎn)。

海草床對(duì)沿海底棲生物化學(xué)、微生物群落組成和生物地球化學(xué)過程具有潛在的影響。海草定植的植被沉積物和裸露的非植被沉積物中細(xì)菌群落相對(duì)穩(wěn)定，總體上以δ-、ε-和γ-變形菌(Proteobacteria)為主，兩者的相對(duì)豐度沒有顯著性差異。但在植被沉積物中，δ-變形菌門脫硫球菌和綠彎菌門厭氧繩菌科Anaerolineae的比例要高得多；而在非植被沉積物中，擬桿菌門黃桿菌科Flavobacteriaceae的比例更高。此外，具有鐵(III)還原活性的地桿菌科Geobacteraceae和具有硫酸鹽還原活性的脫硫球莖菌科Desulfobulbaceae等固氮細(xì)菌普遍存在于沿海沉積環(huán)境中。美國(guó)佛羅里達(dá)最豐富的兩種海草泰萊草和絲狀針葉藻的葉片和根部以及海水和沉積物之間的微生物組成對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉片、根部、海水和沉積物的微生物組成各不相同，但兩種海草的微生物組是相似的。并且，在所有樣本中都發(fā)現(xiàn)了γ-變形菌綱Gammaproteobacteria，但它們?cè)诟透o中略多一些；δ-變形菌綱Deltaproteobacteria存在于除海水外的所有樣本中，α-變形菌綱Alphaproteobacteria和黃桿菌綱Flavobacteriia主要存在于海水和葉球中。類似地，針對(duì)大西洋東北部海草(大葉藻屬、和海神草屬)根際微生物群落組成的研究發(fā)現(xiàn)，根瘤菌組與周圍沉積物和海水的細(xì)菌群落存在顯著差異。同一區(qū)域內(nèi)不同海草種類的根瘤菌組差異不顯著，但不同地理位置的海草根瘤菌組差異顯著。三種海草中最豐富的類群是γ-變形菌綱、δ-變形菌綱、擬桿菌綱Bacteroidia、ε-變形菌綱Epsilonproteobacteria、厭氧繩菌綱Anaerolineae、酸微菌綱Acidimicrobiia和α-變形菌綱。在根際，最豐富的類群為ε-變形菌綱。因此，海草微生物群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境條件的影響，可作為指示環(huán)境變化的輔助指標(biāo)。

2 海草床微生物的物質(zhì)循環(huán)功能

海草床生態(tài)系統(tǒng)的微生物群落，尤其是異養(yǎng)微生物，對(duì)近海物質(zhì)循環(huán)和生物地球化學(xué)過程發(fā)揮重要作用，對(duì)于維持海草健康起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。海草微生物可以將對(duì)植物有毒性作用的硫化物氧化為無毒的硫酸鹽、固氮或者保護(hù)海草免受病原體的傷害。

2.1 硫循環(huán)

沿海沉積物中的有機(jī)物積累導(dǎo)致沉積物中具有高濃度硫化物，對(duì)維管植物產(chǎn)生毒性作用。功能性微生物如β-變形菌綱Betaproteobacteria、γ-變形菌綱和δ-變形菌綱參與硫循環(huán)，是海草的核心根瘤菌群，對(duì)海草的生存和適應(yīng)性發(fā)揮重要作用。海洋大葉藻的孤立根和根狀莖具有較高的硫酸鹽還原活性，根和根狀莖可能是硫酸鹽還原細(xì)菌(簡(jiǎn)稱SRB)的理想生存區(qū)域，根和根莖相關(guān)的固氮細(xì)菌(簡(jiǎn)稱NFB)以及SRB的豐度比整體沉積物高650倍。北半球海洋大葉藻最豐富的根際微生物類群集中在硫單胞菌屬上，約占根際分類操作單元(OTUs)的10%；并且絕大多數(shù)分離培養(yǎng)的硫單胞菌都能氧化硫化物并產(chǎn)生硫酸鹽作為最終產(chǎn)物。因此，硫循環(huán)相關(guān)細(xì)菌的富集可能對(duì)沿海海洋棲息地的宿主耐受硫化物毒性至關(guān)重要。此外，在厭氧條件下，脫硫盒菌屬可以CO為唯一碳源，固定氮?dú)?，并通過將單質(zhì)硫歧化為硫化物和硫酸鹽用于自身的生長(zhǎng)。

2.2 氮循環(huán)

在海草床生態(tài)系統(tǒng)中，氮通常是限制生產(chǎn)力的主要營(yíng)養(yǎng)因素。根際沉積物中重氮營(yíng)養(yǎng)體的生物固氮作用可以將新的氮引入生態(tài)系統(tǒng)。固定氮從細(xì)菌轉(zhuǎn)移到海草植物，它們有可能滿足海草對(duì)氮的所有需求。在海洋大葉藻定植的濱海瀉湖表層沉積物中，氮化酶基因(H)主要存在于地桿菌科和脫硫球莖菌科的系統(tǒng)類型。此外，多數(shù)SRB也可以像NFB一樣固氮，硫還原群落進(jìn)行的固氮可以提供植物所需的37%～1 613%的氮，是海草系統(tǒng)固氮的重要因素。鐵(III)還原菌地桿菌科也是沿海沉積物重氮營(yíng)養(yǎng)體的優(yōu)勢(shì)菌群。不同的海草種類、采樣季節(jié)、地理位置和自然環(huán)境條件可能會(huì)影響海草相關(guān)沉積環(huán)境中N固定細(xì)菌的多樣性和分布。此外，硫酸鹽還原和固氮均受有機(jī)污染物的影響，在添加多環(huán)芳烴(簡(jiǎn)稱PAHs)的誘導(dǎo)脅迫下，固氮細(xì)菌組合會(huì)發(fā)生巨大的變化。采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)方法研究3種多環(huán)芳烴(萘、芴和芘)對(duì)沉積物固氮細(xì)菌群落的影響，發(fā)現(xiàn)隨著多環(huán)芳烴種類、劑量和時(shí)間的不同，DGGE譜條帶數(shù)和條帶強(qiáng)度均發(fā)生了明顯的變化。經(jīng)高濃度PAHs處理后，許多條帶變得微弱甚至消失；而低濃度的芴和芘可以刺激某些固氮細(xì)菌生長(zhǎng)。

2.3 碳循環(huán)

海草只占沿海水域相對(duì)較小的一部分(約0.1%)，但它們是海洋碳庫(kù)的重要組成部分(10%～18%)。陸生植物和海草來源的有機(jī)碳是沉積物中儲(chǔ)存的有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)者。海草床有機(jī)質(zhì)池主要包括沉積的浮游植物、易于被細(xì)菌利用的根和根莖浸出的可溶性有機(jī)物，以及相對(duì)持久的顆粒組分(主要是纖維素和半纖維素)，這些顆粒組分在沉積物中逐年累積。在海草細(xì)菌脫硫球菌屬、厭氧繩菌科Anaerolineae和黃桿菌科Flavobacteriaceae種類中，具有代表性的成員是參與碳循環(huán)的異養(yǎng)細(xì)菌的主要物種。海草SRB中的脫硫球菌屬能夠?qū)⒏鞣N電子供體完全氧化為CO，同時(shí)降解短鏈碳?xì)浠衔?，并且在沿海海洋和碳?xì)浠衔餄B漏沉積物中也發(fā)現(xiàn)了高細(xì)胞數(shù)的脫硫球菌屬相關(guān)種群。一些菌群能夠通過固氮降解碳?xì)浠衔?，可?yīng)用于溢油清理，特別是在氮限制的地區(qū)。此外，海草沉積物中有機(jī)質(zhì)的多樣化以及高生物利用率(表現(xiàn)為相對(duì)較低的碳氮比)和較低還原性的厭氧條件，可能有利于脫硫球菌和厭氧繩菌綱Anaerolineae譜系。因此，它們是高產(chǎn)海草生態(tài)系統(tǒng)中底棲碳和硫循環(huán)中潛在的重要種群。

不同功能微生物之間的代謝活動(dòng)交叉偶聯(lián)。例如，海草沉積物中存在一個(gè)屬于地桿菌家族的N固定細(xì)菌群，其產(chǎn)生的鐵(II)除了用于固定氮以滿足海草的快速生長(zhǎng)外，還可能通過沉淀為黃鐵礦來緩解硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物硫化物的毒性。海草微生物的氮固定與硫酸鹽還原過程在分子水平上是耦合的。SRB能夠促進(jìn)海草甸沉積物的厭氧固氮活動(dòng)，提高養(yǎng)分的可利用性。但海草根部徑向氧損失可能抑制沉積物中SRB的活性。NFB(如根瘤菌)和SRB(如硫酸還原菌脫硫念珠菌屬和脫硫線菌屬)的相對(duì)豐度可以分別作為海草健康或應(yīng)激狀態(tài)的指標(biāo)。此外，硫酸鹽還原菌團(tuán)也能降解多環(huán)芳烴，其降解率與硫酸鹽還原率呈良好關(guān)系。因此，硫酸鹽還原菌可以作為碳、氮、硫生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵連接劑。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了海草床微生物的多樣性、分布及其參與近海海草床生態(tài)系統(tǒng)硫循環(huán)、氮循環(huán)和碳循環(huán)的重要生態(tài)功能。海草床微生物包括細(xì)菌、真菌、古生菌、病毒、原生生物等，其中海洋細(xì)菌是研究得最多的參與硫、氮和碳代謝的微生物。某些異養(yǎng)細(xì)菌如SRB，在分子水平上耦合多個(gè)代謝過程(硫酸鹽還原、固氮、有機(jī)物降解)，并受海草、物種、水質(zhì)和沉積物等多環(huán)境因素的影響。因此，某些功能性微生物未來可能作為海草健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。雖然已有研究對(duì)某些海草植物種類的全球尺度的微生物特征進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，但仍需提供更多的海洋植物在其自然棲息環(huán)境的微生物群落特征，以及環(huán)境變化對(duì)海草與微生物關(guān)系產(chǎn)生的影響，以期通過大規(guī)模的研究更加深入地了解海草微生物的生態(tài)學(xué)特征與環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制。