wwwcnkinet微囊藻与水体细菌相互关系的研究进展

             doi: 10.7541/2019.055微囊藻与水体细菌相互关系的研究进展张    佳1, 2    张蔚珍1, 2    王    欢1, 2    陈    隽1    沈    宏1(1. 中国科学院水生生物研究所东湖湖泊生态系统试验站, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072;2. 中国科学院大学, 北京 100049)摘要:近年来, 微生物群落在水生态系统中的结构和功能受到了越来越多的关注。在富营养化水体中细菌在微囊藻水华的发生、发展及衰亡、降解过程中发挥着重要的作用。文章总结了水体中微囊藻与细菌独有的群落结构特征,以及微囊藻与细菌群落对环境因素变化的响应等方面的研究成果。在微囊藻与细菌的相互作用方面, 从藻细胞微环境中附着细菌对微囊藻生长的促进或抑制作用, 细菌在微囊藻群体的形成和维持过程的作用, 细菌参与的微囊藻水华的聚集和降解过程, 细菌对微囊藻毒素的降解作用等方面进行了综述。文章还对未来微囊藻与细菌相互关系的研究热点以及可利用的组学技术等进行了展望。关键词:微囊藻;   细菌;   相互作用;   群落;   群体;   微生物中图分类号:Q178.1           文献标识码:A           文章编号:1000-3207(2019)02-0448-09近几十年来, 随着淡水水体富营养化程度的日益加剧, 有毒蓝藻水华在发生频率和数量上越来越严重。微囊藻是形成蓝藻水华的优势种属之一[1],其水华发生、发展及衰亡、降解机制一直是研究热点。目前普遍认为有害蓝藻水华发生的主要原因是蓝藻独特的形态和生理生化机制与外界环境因素共同作用的结果[2, 3]。微囊藻为多细胞群体, 呈不规则形状, 群体胶被均质无色, 常具颗粒和伪空泡[4]。根据其形态学特征[5—7], 微囊藻可分为铜绿微囊藻Microcystisaeru-ginosa、放射微囊藻M.botrys、坚实微囊藻M.firma、水华微囊藻M.flos-aquae、鱼害微囊藻M.ichthyoblabe、挪氏微囊藻M.novacekii、假丝微囊藻M.pseudofilamentosa、史密斯微囊藻M.smithii、绿色微囊藻M.viridis、惠氏微囊藻M.wesenber-gii等种类。微囊藻对环境因子的生理适应优势使其易在与浮游植物竞争中成为优势种[8, 9]。群体微囊藻对营养盐[9—11]、温度[12]、溶解氧[13]等具有较广的适应范围; 微囊藻具有独特的伪空胞结构, 可以调节自身在水层中的浮力, 以适应不利环境的胁迫[14, 15]; 微囊藻的胶鞘能保护自身抵御浮游动物捕食, 病毒和细菌的攻击等不利环境因素[17—19]; 某些微囊藻能通过分泌毒素抵御浮游动物和鱼类的觅食[20]。然而, 近些年越来越多的研究[21—23]表明, 水体中细菌对维持微囊藻群体的稳定性以及在蓝藻的腐烂降解过程中起着不可忽视的作用。在水生态系统中, 细菌是最为敏感并极易受环境影响的生物类群。细菌不仅是水体中浮游生物的重要组成部分, 而且影响水体中物质循环和能量流动过程[24, 25]。在海洋和淡水环境中, 浮游植物和细菌都是微生物环中最主要的成分[26—28]。细菌是浮游植物无机氮的主要提供者, 也是无机磷的重要提供者。细菌既可将颗粒有机碳(POC)分解转化为溶解性有机碳(DOC), 并进一步矿化为营养盐供浮游植物利用, 又可吸收DOC合成自身成分, 所形成的细胞颗粒通过浮游动物的摄食进入上一营养级。水体中浮游细菌的生存及生命活动决定着其中食物链基本环节的发展[29]。湖泊营养水平不同,水体中细菌的种群结构和数量也明显不同[30]。由此可见, 在富营养化水体中细菌与微囊藻的相互关系十分复杂, 细菌对微囊藻水华的形成和衰退起着重要作用。微生物群落在水生态系统中的第 43 卷 第 2 期水   生   生   物   学   报Vol. 43, No. 2 2019 年  3 月ACTA HYDROBIOLOGICA SINICAMar., 2019   收稿日期: 2018-04-28; 修订日期:2018-10-10基金项目:国家自然科学基金(31400407)资助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (31400407)]作者简介:张佳(1993—), 女, 湖北黄冈人; 硕士研究生; 研究方向为湖泊微生物生态学。E-mail: [e-mail]通信作者: 沈宏, E-mail: [e-mail]结构和功能演替受到越来越多的关注, 有关水生态系统中微囊藻与细菌在不同时空尺度的耦合关系,微囊藻与微生物的相互作用与反馈关系等已有大量研究。本文综述了国内外微囊藻与细菌相互关系的研究进展, 不仅有助于了解富营养化水体中藻-菌相互作用关系及蓝藻水华生消机制的理论问题, 而且将为水体富营养化治理、微生物控藻等技术提供新的思考。1水体中藻-菌群落结构特征在水体中, 细菌群体根据生态位的不同可分为两种类型: 浮游菌群和附着菌群。在富营养化水体中, 微囊藻藻际空间中的附着细菌生活在一个独特的微环境中[31, 32], 这有别于浮游菌群和其他的颗粒附着菌群。虽然三种不同栖息场所的菌群都以变形杆菌门、拟杆菌门、放线菌门为主, 但是微囊藻附着菌群的多样性指数显著低于其他两大类群[33]。微囊藻附着菌群中占据优势的是α-、β-、γ-变形杆菌纲[34]。由此认为, 不同的可附着基质和噬藻压力可能是引起水体中浮游细菌与附着细菌在生物量、生产力、活性和群落组成上都存在较大差异的原因[31, 35—37]。即使在相似的环境条件下, 富营养化水体中不同蓝藻水华的附着细菌群落结构既具有相似性, 又具有差异性[38]。研究结果表明, 这些附着细菌群落结构在丰度和多样性上相似, 都由变形杆菌门、拟杆菌门、放线菌门、疣微菌门、浮霉菌门五大类为主[39, 40], 然而在可操作分类单元OUT水平上差异显著, 表明了不同蓝藻基质上附着菌群在系统发生上的多样性[41]。此外, 不同的微囊藻种与其附着细菌之间也具有专一性。研究发现, 鞘酯单胞菌是微囊藻附着细菌中最常见的种类[42]。单胞菌属、沙雷氏菌属、屈挠杆菌科分别是与惠氏、水华、铜绿微囊藻表型相关的优势菌[43]。有研究认为浮游植物群落演替是改变细菌群落组成的重要原因之一。水体中细菌群落结构与浮游植物群落演替之间具有一致性, 其中拟杆菌门中的黄杆菌科与硅藻密切相关, 放线菌门与微囊藻水华中浮游菌群关系密切[44]。此外, 对硅藻门拟菱形藻属和其微生物群落的相互作用研究发现细菌与本地宿主之间表现出互利共生的关系, 与外来宿主之间表现出偏利共生和寄生的关系, 暗示了藻菌之间的共进化关系, 这为进一步解释浮游植物与细菌在微生物环中的相互作用提供了依据[45]。无论在水体还是底泥中, 微囊藻胶鞘都是附生细菌栖息的热点区域[46]。与水体中类似, 底泥中附着细菌群落具有高度的多样性, 种系型的多样性是典型的湖泊细菌, 包括潜在的致病菌和代谢毒素的细菌, 以及一些与环境中有机碎屑降解相关的不可培养微生物[47]。在富营养化浅水湖泊表层底泥(0—10 cm)中, 微囊藻占据总微生物量的60%—90%。在全年中, 底泥中的微囊藻群体生物量均大于或等于浮游微囊藻的生物量, 表明在一定的时期,底泥中的微囊藻群体能够对水体中进行补充[48, 49]。在夏季底泥微囊藻群体胶鞘中包含大量的非光合细菌, 约占40%, 且底泥中微囊藻附着细菌生产力显著高于水体中的微囊藻附着细菌[50]。2藻-菌相互作用在富营养化水体中, 藻类大量繁殖, 在藻细胞的周围聚集着大量的细菌, 由此产生了藻细胞微环境[32, 51]。在藻细胞周围组成了一个独特的栖息场所, 其中的附着细菌可能与藻细胞的分解、营养循环有着直接或间接的联系。一方面, 光合自养的蓝藻为细菌增殖提供有机质, 细菌也可以为蓝藻提供非必需的生长因子; 另一方面, 细菌和藻类可以产生各种物质, 释放于水体中, 如抗生素、毒素、抗病毒物质等以利于对方的生长代谢或增强其抵抗能力[52]。一些学者对微环境的存在进行了研究[53, 54],表明在水体混合较差的环境中, 如温跃层, 浮游植物细胞的周围可形成微环境, 且藻细胞的大小影响其微环境的形成, 单个细胞只能在长度或者宽度大于20 μm时才能产生微环境; 较小的细胞聚合成大于20 μm的多聚体后, 也能形成微环境。在藻-菌微环境中, 细菌的存在会影响藻类的聚集和解散[55]。一般研究认为, 细菌群落不会使健康的浮游植物细胞聚集, 而是在藻类衰老或聚集在一起时容易附生在藻类群体上, 并且它们能分解浮游藻类, 将颗粒有机碳分解成溶解有机碳[17]。然而,在蓝藻中的情况有些特殊。在野外水体中微囊藻一般以群体形态存在, 藻细胞被胶状基质黏在一起,基质中含有大量附生细菌。在衰老的群体微囊藻基质中, 其附生细菌往往能利用腐烂的微囊藻细胞中的营养供其生长; 而在健康的群体微囊藻胶被基质中, 其附生细菌则对宿主无毒害作用[46, 56]。目前关于微囊藻附着细菌功能的研究已有许多报道, 表 1简要总结了在藻细胞微环境中附着细菌对微囊藻生长的促进或抑制作用, 细菌在微囊藻群体的形成和维持过程的作用, 细菌参与的微囊藻水华的聚集和降解过程, 细菌对微囊藻毒素的降解作用等。2 期张    佳等: 微囊藻与水体细菌相互关系的研究进展4492.1细菌促进微囊藻的生长在藻际空间中, 大量附着细菌栖息在藻细胞的周围, 与微囊藻进行着密切的相互作用[51]。细菌不仅可以通过再矿化溶解有机碎屑促进微囊藻生长,也能够通过直接释放维生素等促生长因子促进微囊藻生长; 还能够通过营养物再生或微生物相互作用(例如资源竞争)等刺激作用间接促进微囊藻生长[57, 58]。Shi等[34]发现微囊藻附着细菌不仅能够作为微囊藻群体化的基质, 还可作为能量的来源。此外, 在微囊藻细胞和假单胞菌之间进行着磷转移,这一作用使得微囊藻胶鞘中附着细菌具有充足的磷。由此推断附着细菌可作为临时的磷储备库, 以满足微囊藻的生长[59]。还有研究表明, 微囊藻能够分泌较复杂的胞外有机碳, 有利于附着细菌的生长,并且能够通过刺激附着细菌分泌胞外酶, 释放无机磷, 加速微囊藻细胞的生长[60]。随着宏基因组学的发展, 利用生物信息学的分析手段, 进一步揭示了附着异养细菌与微囊藻之间可能存在代谢途径互补等相互作用, 具体体现在氮代谢、硫代谢、脂肪酸代谢、维生素代谢以及芳香族化合物降解等方面[61]。此外, 具体的研究表明附着异养细菌依赖于微囊藻为其提供碳源和能源,细菌为微囊藻合成其生长必须的维生素B12, 这一相互作用有利于微囊藻的生长[62]。2.2细菌抑制微囊藻的生长在水体中, 许多细菌都能够通过分泌灵菌红素PG, 达到强烈的杀藻效果。PG能够通过过氧化损伤细胞膜上的脂质和光合系统, 使细胞内代谢机制紊乱, 导致细胞坏死或凋亡[63]。沙门氏菌是一类溶藻细菌, 河氏菌属中也能够提取出同样的物质[63, 64]。此外, 基于这些基因组进行代谢组学分析还表明个别细菌能够参与完整的苯甲酸盐的降解代谢途径, 而该代谢物能抑制微囊藻的生长[62]。许多细菌, 如芽孢杆菌属、假单胞菌属、弧菌属、不动杆菌属和产碱杆菌, 都能够抑制微囊藻的生长[40, 57, 64]。近年来, 关于生物防治控制蓝藻水华的发生已受到广泛关注, 研究微生物与微囊藻之间产生的化感作用, 为用生物方法防治藻华的发生奠定了理论基础。2.3细菌参与微囊藻群体的形成和维持研究表明, 自然水体中的微囊藻常以群体的形态存在。但是, 在实验室无菌传代多次后, 群体微囊藻逐渐解聚为单细胞微囊藻[65]。即使将室内培养的单细胞微囊藻再放置于富营养化水体中进行原位培养, 单细胞往往仍不聚集成群体[66]。然而,Shen等[67]将分离自野