淺水湖泊湖泛(黑水團(tuán))中的微生物生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展*

邢　鵬，胡萬(wàn)婷，2，吳瑜凡，吳慶龍

(1：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

(2：南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

(3：中國(guó)科學(xué)院微生物研究所，北京 100101)

(4：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

淺水湖泊湖泛(黑水團(tuán))中的微生物生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展*

邢鵬1，胡萬(wàn)婷1，2，吳瑜凡3，4，吳慶龍1

(1：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

(2：南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

(3：中國(guó)科學(xué)院微生物研究所，北京 100101)

(4：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：“湖泛”是指湖泊水體中(包括沉積物)富含大量藻源性(或草源性)的生物質(zhì)，在微生物的分解作用下，大量消耗氧氣，出現(xiàn)厭氧分解，微生物在還原條件下，促進(jìn)許多“黑臭”物質(zhì)的形成，進(jìn)而影響水質(zhì)和湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能乃至造成環(huán)境災(zāi)難.與湖泛發(fā)生時(shí)的環(huán)境特征(如低溶解氧，低pH，高有機(jī)質(zhì)，高總磷、總氮)相對(duì)應(yīng)的是其簡(jiǎn)化的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和特殊的微生物類群.本文將主要針對(duì)湖泛中的微生物群落及其在物質(zhì)循環(huán)中的作用展開(kāi)綜述.研究顯示湖泛水體中主要微生物類群，如真菌、細(xì)菌厚壁菌門的梭菌以及產(chǎn)甲烷古菌等，在有機(jī)質(zhì)的快速分解和厭氧礦化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用；沉積物中主要的微生物功能群，如硫酸鹽還原細(xì)菌、鐵還原細(xì)菌、甲烷厭氧氧化菌和反硝化細(xì)菌等，是湖泛致黑物質(zhì)形成的關(guān)鍵.缺氧及厭氧條件下碳、硫和鐵等元素生物地球化學(xué)過(guò)程的相互關(guān)聯(lián)以及多種微生物之間形成的互營(yíng)共生可能是湖泛過(guò)程中功能微生物的重要特征.湖泛中微生物功能的進(jìn)一步研究，亟需借鑒海洋低氧區(qū)及深海沉積物的經(jīng)驗(yàn)，引用先進(jìn)研究手段，提出可靠的生物地球化學(xué)證據(jù).淺水湖泊湖泛(黑水團(tuán))中的微生物生態(tài)學(xué)探索將有助于從機(jī)理上揭示湖泛黑臭的成因.

關(guān)鍵詞：湖泛；微生物；功能；物質(zhì)循環(huán)；硫；碳；互養(yǎng)共棲

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370508)、中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所“一三五”戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(NIGLAS2012135011)和湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2012SKL005)聯(lián)合資助.2015-01-14收稿；2015-03-09收修改稿.邢鵬(1979～)，女，博士，副研究員； E-mail：pxing@niglas.ac.cn.

Major progress in microbial ecology of hypoxia in the shallow eutrophic lakes

水體缺氧區(qū)(hypoxia， dead zone， oxygenminimum zone)廣泛存在于大洋[1]、海岸帶[2-3]、河口[4]、深水湖泊[5]、水庫(kù)[6]以及淺水湖泊[7]，在不同的水體被賦予不同的名稱.盡管淺水湖泊理論上不存在溶解氧擴(kuò)散的限制，但特定時(shí)空條件下有機(jī)質(zhì)的好氧分解以及復(fù)氧的限制極易導(dǎo)致局部水體處于缺氧甚至完全厭氧狀態(tài).與海洋和深水湖泊不同的是，通常淺水湖泊水體缺氧區(qū)極易發(fā)生在春末夏初富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的靠岸水區(qū)，維持時(shí)間較短(一般持續(xù)24小時(shí)至2周)[8].我國(guó)長(zhǎng)江中下游的大型富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊太湖[9]近年來(lái)不斷有湖泛發(fā)生的相關(guān)報(bào)道.

目前針對(duì)淺水湖泊湖泛的研究涉及湖泊水文[10]、氣象[11]、物理[12]、化學(xué)[13-14]、生物[15]等多個(gè)領(lǐng)域，大量交叉研究的結(jié)果顯示：藍(lán)藻和某些快速繁殖水生植物的堆積與污染有機(jī)質(zhì)的輸入是湖泛發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，適宜的氣象水文條件(強(qiáng)光照、高溫、低風(fēng)速、水體垂直熱分層等)是湖泛的觸發(fā)因素，而以厭氧條件下快速分解有機(jī)質(zhì)的梭菌、硫酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷菌(古菌)以及甲烷氧化菌為標(biāo)志的微生物是湖泛形成的生物機(jī)制.溶解氧作為聯(lián)系湖泊水文、理化和生物過(guò)程的關(guān)鍵因子，成為誘導(dǎo)湖泛形成和消散的核心因素[16].隨著水體中氧氣的耗盡，氧化還原電位也隨之降低，厭氧或者兼性厭氧微生物分解復(fù)雜有機(jī)物，產(chǎn)生的小分子有機(jī)物質(zhì)可以作為電子受體，參與硫酸鹽和鐵(錳)等氧化物的還原反應(yīng)；此時(shí)沉積物中的鐵、錳等物質(zhì)與還原態(tài)的硫結(jié)合，在揮發(fā)性有機(jī)物等作用下上浮進(jìn)入上覆水中，形成大量黑臭物質(zhì)，最終生成黑水團(tuán)；黑水團(tuán)在水流和風(fēng)的作用下，可進(jìn)行一定程度的遷移，這種極端的現(xiàn)象嚴(yán)重影響原始湖泊生態(tài)系統(tǒng)，引發(fā)各種生態(tài)災(zāi)害和供水危機(jī).

湖泊中的微生物在水生生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中具有重要作用.大量研究顯示，微生物在藻源性(或者草源性)有機(jī)質(zhì)的快速分解、異味物質(zhì)的產(chǎn)生、碳硫元素的轉(zhuǎn)化，甚至湖泛后期的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)等方面都具有關(guān)鍵作用.因此，開(kāi)展湖泛過(guò)程中微生物的群落和其在物質(zhì)循環(huán)中作用的研究，成為揭示湖泛致黑致臭機(jī)制的核心問(wèn)題之一.淺水湖泊的湖泛過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間短、發(fā)生地點(diǎn)多變等特征，在野外實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)查的基礎(chǔ)上，開(kāi)展原位控制實(shí)驗(yàn)以及室內(nèi)模擬研究成為認(rèn)識(shí)湖泛過(guò)程中微生物結(jié)構(gòu)和功能的主要方法.與湖泛過(guò)程相關(guān)的細(xì)菌等微生物較難在實(shí)驗(yàn)室被分離培養(yǎng)，而且自身缺少比較明確的形態(tài)特征用于種類鑒定，因此不斷創(chuàng)新的分子生物學(xué)技術(shù)成為推動(dòng)湖泛微生物研究不斷深入的基礎(chǔ).本文將參考海洋及深水湖泊缺氧區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果，重點(diǎn)歸納和分析富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊湖泛發(fā)生過(guò)程中，關(guān)鍵微生物類群及其在C、S、N等元素循環(huán)中的作用.

1 湖泛形成中的關(guān)鍵微生物類群

1.1 主要真菌

水生真菌是水生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的一個(gè)生態(tài)類群，是重要的分解者，同時(shí)也為水體中的多種動(dòng)物提供食物，是食物鏈中的重要一環(huán)[17].2012年5月16日，貢湖灣沙渚港近岸水域的“湖泛”發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)，僅有大量沉水植物死亡，無(wú)藍(lán)藻水華或聚集現(xiàn)象發(fā)生，表現(xiàn)為草源性“湖泛”.與單細(xì)胞的浮游藻類相比，水生植物富含木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等“較難”分解的成分，難分解有機(jī)質(zhì)的快速轉(zhuǎn)化是如何在缺氧甚至厭氧的條件下發(fā)生的呢？具有較強(qiáng)分解纖維素能力且適應(yīng)無(wú)氧條件的腐生真菌可能參與了草源性有機(jī)質(zhì)的前期分解.鄭九文等[18]通過(guò)在沉積物和上覆水的完整體系中添加植物殘?bào)w，分析水體中和表層沉積物中真菌群落結(jié)構(gòu).結(jié)果證實(shí)了上述推測(cè)，水體中優(yōu)勢(shì)真菌主要是擔(dān)子菌(Basidiomycota)，而表層沉積物中主要是壺菌(Chytridiomycota).不僅如此，Chen等研究藍(lán)藻水華原位分解圍隔中微型真核生物群落的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)其中占優(yōu)勢(shì)的微型真核生物仍主要是真菌[19].系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，擔(dān)子菌的Bannoahahajimensis是主要優(yōu)勢(shì)種.因此水生真菌在草源性及藻源性有機(jī)物質(zhì)的前期分解以及促進(jìn)其他腐生微生物的分解中可能發(fā)揮著重要作用.

1.2 細(xì)菌群落

1.2.1 梭菌梭菌屬(Clostridium)，歸于厚壁菌門(Firmicutes)梭菌綱(Clostridia)，是一類能產(chǎn)生內(nèi)生孢子的厭氧革蘭氏陽(yáng)性菌，廣泛存在于缺氧富含有機(jī)質(zhì)的環(huán)境中，具有豐富的有機(jī)質(zhì)代謝功能.在對(duì)藻源性湖泛的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及模擬藍(lán)藻水華分解過(guò)程的原位實(shí)驗(yàn)中，水體中檢測(cè)到了大量的梭菌序列. Li 等針對(duì)太湖微囊藻水華誘發(fā)的湖泛區(qū)分析了水柱中的細(xì)菌(包括浮游細(xì)菌和顆粒附著細(xì)菌)群落結(jié)構(gòu)[15，20]，結(jié)果顯示梭菌是低氧區(qū)主要的優(yōu)勢(shì)種群.不僅如此，模擬研究顯示厭氧條件下藻源性有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化中，梭菌不僅在豐度上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(~75%克隆序列)，而且存在多個(gè)全新的系統(tǒng)發(fā)育類群(Cluster CLOS.1~CLOS.8)[21]，各梭菌類群在藍(lán)藻的分解過(guò)程中呈現(xiàn)出交互占優(yōu)勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化.不僅如此，沉積物中的梭菌對(duì)藍(lán)藻水華添加也產(chǎn)生強(qiáng)烈的響應(yīng). Wu Yufan等通過(guò)高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn)，添加藻粉的沉積物中厚壁菌門比例大幅上升，從空白對(duì)照的2%提高到處理組的49%，其中主要的細(xì)菌類群也是梭菌(未發(fā)表的研究結(jié)果).水體和沉積物中微生物群落研究的結(jié)果無(wú)疑都強(qiáng)烈地指示梭菌在湖泛有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中的作用.

1.2.2 硫酸鹽還原菌在厭氧條件下硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria， SRB)還原硫酸鹽產(chǎn)生硫化氫和硫離子. Li等在湖泛現(xiàn)場(chǎng)獲得的樣品中，還發(fā)現(xiàn)了大量的脫硫弧菌(Desulfovibrio)序列，其在整個(gè)湖泛的維持和水質(zhì)恢復(fù)過(guò)程中均是主要優(yōu)勢(shì)種[15]. Feng等在太湖湖泛發(fā)生區(qū)的沉積物中也發(fā)現(xiàn)大量的SRB序列，系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，這些序列主要可以歸于脫硫球菌屬(Desulfococcus)、脫硫桿菌屬(Desulfomonile)和脫硫念珠菌屬(Desulfonema)[22].硫酸鹽還原過(guò)程是一種專性厭氧過(guò)程，SRB以硫酸鹽中的結(jié)合性氧作為電子受體，氧化各種有機(jī)碳化合物，將S6+還原為S2-.這一反應(yīng)可能是導(dǎo)致湖泛水體發(fā)黑的關(guān)鍵過(guò)程，具體反應(yīng)機(jī)制和功能微生物的作用將在微生物與硫循環(huán)部分做詳細(xì)的介紹.

1.2.3 湖泛中其他常見(jiàn)的細(xì)菌類群不論水體還是沉積物中，變形菌門的alpha變形菌(Alphaproteobacteria)、beta變形菌(Betaproteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和放線菌門(Actinobacteria)等都是常見(jiàn)的湖泛微生物類群. Li等發(fā)現(xiàn)微囊藻水華的分解過(guò)程中存在大量的alpha變形菌的根瘤菌目(Rhizobiales)和紅細(xì)菌目(Rhodobacterales)、beta-變形菌的伯克氏菌(Burkholderiales)、放線菌門的微球菌亞目(Micrococcineae)[20].湖泛水體中還發(fā)現(xiàn)大量的LD12 cluster(freshwater SAR11)和beta變形菌叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)的序列[15].在Wu Yufan等的研究中，藻粉的添加促進(jìn)沉積物中擬桿菌門和梭桿菌門(Fusobacteria)細(xì)菌豐度的提高，分別從2%提高至17%和不足1%提高到5%(未發(fā)表的研究結(jié)果). Xing等在藍(lán)藻厭氧分解過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)，除了占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的梭菌外，還存在一些來(lái)自beta變形菌和擬桿菌門的序列[21].通過(guò)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)發(fā)育類群純培養(yǎng)菌株的文獻(xiàn)查閱，上述常見(jiàn)的湖泛細(xì)菌類群都具有較強(qiáng)的有機(jī)物分解能力，而且適應(yīng)缺氧甚至完全厭氧的環(huán)境條件.另外，湖泛過(guò)程中微生物群落結(jié)構(gòu)的研究還發(fā)現(xiàn)了不少與數(shù)據(jù)庫(kù)中已知序列相似度較低的新序列.隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信在未來(lái)的湖泛微生物研究中可能會(huì)獲得更多的湖泛特征微生物信息.

細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與典型環(huán)境因子的多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果都指示，重要細(xì)菌類群對(duì)于湖泛區(qū)低溶解氧、低pH、高有機(jī)質(zhì)等典型環(huán)境特征的適應(yīng)性.藍(lán)藻水華分解過(guò)程中的葉綠素a(Chl.a)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、溶解氧和pH的變化與浮游和附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化具有顯著相關(guān)性[20].與湖泊水體或者沉積物本底的微生物群落相比，湖泛發(fā)生過(guò)程中細(xì)菌群落的多樣性明顯下降，反映了這一“擾動(dòng)”過(guò)程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的顯著影響.不過(guò)，在添加大量藍(lán)藻水華的圍隔實(shí)驗(yàn)中，12 d后浮游細(xì)菌群落可以基本恢復(fù)到未添加前的狀態(tài)，體現(xiàn)了水體生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于水華分解引起的有機(jī)質(zhì)脈沖以及黑水團(tuán)過(guò)程仍具有較強(qiáng)的恢復(fù)力[23].

1.3 古菌群落

1.3.1 產(chǎn)甲烷古菌湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，厭氧條件下有機(jī)碳的礦化作用對(duì)整個(gè)湖泊有機(jī)碳無(wú)機(jī)化的貢獻(xiàn)率為20%~60%，其中生成甲烷的礦化作用占厭氧有機(jī)碳礦化作用的30%~80%.前期的研究顯示，水華容易被湖濱岸帶的挺水植物叢捕獲，而且很難再被釋放出來(lái)，可能更加劇了岸帶淺水區(qū)甲烷的釋放量[24].自然界中的產(chǎn)甲烷過(guò)程主要由產(chǎn)甲烷古菌完成. Xing等研究顯示，藍(lán)藻水華的厭氧分解能夠產(chǎn)生甲烷，產(chǎn)甲烷古菌中主要的優(yōu)勢(shì)類群是甲烷微菌(Methanomicrobiales)和甲烷桿菌(Methanobacteriaceae)，而且甲烷桿菌在較高溫度下的優(yōu)勢(shì)度更為明顯[25]. Fan等通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)探討沉積物中的古菌群落對(duì)藍(lán)藻水華沉降的響應(yīng)，結(jié)果顯示產(chǎn)甲烷菌主要屬于甲烷桿菌目，而且太湖沉積物還存在著大量的與產(chǎn)甲烷無(wú)關(guān)的古菌類群，例如Miscellaneous Crenarchaeotal Group(MCG， 原crenarchaeotal Group I.3)，據(jù)此推測(cè)甲烷桿菌和MCG可能直接存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而這種關(guān)系同時(shí)也受到溫度的影響[26].

2 湖泛微生物與生物地球化學(xué)循環(huán)

黑水團(tuán)的種種表觀特征以及變黑發(fā)臭過(guò)程，實(shí)際涉及C、S等關(guān)鍵元素的地球化學(xué)循環(huán)的轉(zhuǎn)化，而這些過(guò)程和轉(zhuǎn)化都與微生物的作用有著直接或者間接關(guān)系.本文將在上述群落結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)微生物功能的研究進(jìn)展開(kāi)展綜述.

2.1 黑水團(tuán)微生物與碳循環(huán)

2.1.1 梭菌等類群在復(fù)雜有機(jī)質(zhì)分解中的作用藻源性或者草源性有機(jī)質(zhì)分解伴隨的碳素轉(zhuǎn)換過(guò)程是湖泛物質(zhì)轉(zhuǎn)化的核心.以有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程密度上占優(yōu)勢(shì)的梭菌為例，其廣泛存在于厭氧生物發(fā)酵過(guò)程和動(dòng)物消化系統(tǒng)，以及土壤、海洋、內(nèi)陸水體、病原菌、食品工業(yè)等環(huán)境中.通過(guò)對(duì)純培養(yǎng)菌株的生理生化分析顯示，梭菌發(fā)酵的物質(zhì)不僅包括大量簡(jiǎn)單和復(fù)雜的碳水化合物，而且包括蛋白質(zhì)、氨基酸和部分其他的簡(jiǎn)單和復(fù)雜有機(jī)分子[28].甚至有些種類具備多種營(yíng)養(yǎng)方式，既可以利用H2/CO2或CO完成專性自養(yǎng)碳固定，也可以利用復(fù)雜有機(jī)物完成進(jìn)行化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)[29].不僅如此，梭菌還通過(guò)產(chǎn)生各類胞外酶將環(huán)境中的生物大分子(例如纖維素、木聚糖、蛋白質(zhì)和脂類等)降解為其他細(xì)菌可以發(fā)酵的成分[30].某些梭菌降解的底物和產(chǎn)生的化合物都具有毒性.

在湖泛微生物的研究中，Wu等[31]采用多種培養(yǎng)基，針對(duì)藻源性有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中的微生物開(kāi)展分離培養(yǎng)，獲得的菌株主要?dú)w為放線菌門、變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門、擬桿菌門.其中4株細(xì)菌(R28、G22、M1、MB9-7)的16S rRNA基因序列與已知模式菌(type strain)相似性低于97%，其中MB9-7經(jīng)鑒定為Clostridiumalgifaecissp.nov[31].生理生化特征分析顯示，G22、R28、M1都具有較強(qiáng)的兼性厭氧生活能力.有研究表明[32]在有機(jī)營(yíng)養(yǎng)豐富、環(huán)境惡劣的情況下，細(xì)菌具有較強(qiáng)的厭氧耐受能力從而具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性. G22具有較強(qiáng)的纖維素酶和果膠酶活性，藍(lán)藻細(xì)胞壁主要由纖維素和果膠組成，因此G22具有潛在的消化藍(lán)藻細(xì)胞壁的功能(后續(xù)的研究還在進(jìn)行中).另外，G22、R28、M1和MB9-7菌可以利用有機(jī)硫化物產(chǎn)生H2S，從側(cè)面為藍(lán)藻水華后期產(chǎn)生異味性硫化物提供了證據(jù).

2.1.2 沉積物中的產(chǎn)甲烷與甲烷消耗過(guò)程(1) 產(chǎn)甲烷過(guò)程.

自然界中的產(chǎn)甲烷過(guò)程主要由兩類產(chǎn)甲烷古菌完成：利用乙酸的乙酸型產(chǎn)甲烷菌(表1， 反應(yīng)(1))和利用H2和CO2的氫型產(chǎn)甲烷菌(反應(yīng)(3)).通過(guò)對(duì)藍(lán)藻水華分解過(guò)程中產(chǎn)甲烷功能基因甲基-輔酶M還原酶(methyl coenzyme M reductase A，mcrA)多態(tài)性分析，甲烷微菌和甲烷桿菌是主要的產(chǎn)甲烷類群[33].這一方面印證該反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)甲烷菌16S rRNA系統(tǒng)發(fā)育分析的結(jié)果[25]，另一方面，也從功能基因的角度證實(shí)了湖泛過(guò)程中氫營(yíng)養(yǎng)型(hydrogenotrophic)是甲烷生成的主要途徑. Fan等通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)探討沉積物中的產(chǎn)甲烷古菌群落對(duì)藍(lán)藻水華沉降的響應(yīng)，結(jié)果顯示：沉積物中的微囊藻生物質(zhì)可以被微生物快速地轉(zhuǎn)化成甲烷，在30℃微囊藻添加對(duì)甲烷產(chǎn)生的促進(jìn)作用最大；沉積物中微囊藻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷的過(guò)程主要是通過(guò)H2/CO2途徑，由嗜氫類產(chǎn)甲烷菌來(lái)驅(qū)動(dòng)完成的[26].

氫型產(chǎn)甲烷過(guò)程(表1， 反應(yīng)(3))的吉布斯自由能最低，是自然條件下優(yōu)先發(fā)生的反應(yīng)，但是H2分壓的下降會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)由于缺少底物而無(wú)法進(jìn)行.此時(shí)，如果存在乙酸，利用乙酸生成CH4的反應(yīng)(1)由于少量放能(ΔG0′= -31.0 kJ/mol)，仍可進(jìn)行.但是，如前所述，在藍(lán)藻水華生物質(zhì)礦化過(guò)程中古菌群中未發(fā)現(xiàn)乙酸型產(chǎn)甲烷菌[25，27]，則勢(shì)必存在其他的反應(yīng)可以為氫型產(chǎn)甲烷過(guò)程源源不斷地提供電子受體H2.隨著研究的深入，生態(tài)學(xué)上一種稱為“互營(yíng)共生(syntrophy)”的關(guān)系被發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)酸過(guò)程生成的H2被氫型產(chǎn)甲烷菌消耗用于合成甲烷，從而造成乙酸的積累，乙酸的積累可以誘導(dǎo)乙酸氧化細(xì)菌作用，將積累的乙酸重新轉(zhuǎn)化成H2，繼續(xù)供給氫型產(chǎn)甲烷反應(yīng).而且從能量的角度分析，在乙酸氧化細(xì)菌和氫型產(chǎn)甲烷菌之間的互養(yǎng)共棲的關(guān)系，使得該反應(yīng)由吸熱反應(yīng)變成放熱而能自發(fā)進(jìn)行(反應(yīng)(2)+(3))[34].除乙酸外，環(huán)境中還存在與其他小分子有機(jī)酸(如丙酸、丁酸)氧化有關(guān)的互養(yǎng)細(xì)菌.因此，推測(cè)互營(yíng)共生的氫型產(chǎn)甲烷途徑是主導(dǎo)藻源性生物質(zhì)礦化的重要機(jī)制.

表1 產(chǎn)甲烷相關(guān)過(guò)程反應(yīng)和能量

*指示乙酸中的甲基基團(tuán)的歸趨；ΔG0′為pH=7.0 時(shí)的吉布斯自由能.

(2) 甲烷的厭氧氧化.

表2 利用不同電子受體進(jìn)行甲烷氧化時(shí)所能提供的吉布斯自由能

2.2 黑水團(tuán)微生物與硫循環(huán)

硫酸鹽還原是控制河口海岸帶沉積物中硫、碳和鐵等元素生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程.諸多研究證實(shí)，在沉積物早期成巖過(guò)程中，硫酸鹽還原作用主要是通過(guò)2種途徑來(lái)完成，即有機(jī)質(zhì)還原硫酸鹽途徑和厭氧條件下甲烷還原硫酸鹽途徑，即甲烷厭氧氧化作用.

硫還原反應(yīng)是最常見(jiàn)的氧化有機(jī)質(zhì)的反應(yīng)，也是沉積物中硫礦化作用的主要方法. SRB是硫酸鹽還原的驅(qū)動(dòng)者，可以耦合氧化有機(jī)化合物或分子氫和硫酸鹽還原，將電子供給高價(jià)金屬離子(Fe3+)，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，鐵還原細(xì)菌也可以將Fe3+還原成Fe2+.高價(jià)硫被還原成多種含硫有機(jī)物和無(wú)機(jī)硫化物(H2S， HS-， S2-)，S2-會(huì)與Fe2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成FeS.沉積物中SRB群落的多樣性顯然高于上覆水，沉積物SRB和有機(jī)質(zhì)的反應(yīng)導(dǎo)致黑水團(tuán)的形成.不僅在沉積物中，硫酸鹽為電子受體的甲烷氧化反應(yīng)同樣也可以發(fā)生在一些缺氧水體中[41].硫酸鹽還原菌類群多樣的系統(tǒng)發(fā)育和生理生態(tài)特征使其可以利用不同類型的有機(jī)物質(zhì)[42].由于有機(jī)質(zhì)濃度隨著深度的增加而逐漸降低，可能導(dǎo)致表層沉積物SRB種群密度較高，且隨著深度的增加而降低.

如2.1節(jié)所述，硫酸鹽還原與甲烷厭氧氧化之間存在耦合關(guān)系.因此，硫酸鹽的還原過(guò)程可能受到有機(jī)碳氧化和AOM雙重作用的控制，各部分的貢獻(xiàn)率需要通過(guò)各種模型和方法推算.研究人員推測(cè)，有機(jī)質(zhì)的活性可能成為調(diào)控2種過(guò)程的直接或者間接的因素.當(dāng)有機(jī)質(zhì)為一些活性較大的物質(zhì)時(shí)，硫酸鹽通過(guò)氧化有機(jī)質(zhì)被消耗，當(dāng)有機(jī)質(zhì)活性較低無(wú)法被硫酸鹽還原菌直接利用時(shí)，產(chǎn)甲烷菌卻能夠利用這些有機(jī)質(zhì)，生產(chǎn)甲烷后，為AOM過(guò)程提供充足的甲烷來(lái)源[43].后者則強(qiáng)烈地體現(xiàn)了硫酸鹽還原與甲烷厭氧氧化的耦聯(lián).湖泛過(guò)程中，藻體大量死亡，降落到缺氧的沉積物表面，黑水團(tuán)中硫酸鹽還原過(guò)程被大大加強(qiáng)，可能成為沉積物有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要途徑.與海洋相比，湖泊黑水團(tuán)中硫酸鹽還原作用的發(fā)生還缺少地球化學(xué)方面的證據(jù).

3 結(jié)論與展望

綜上所述，通過(guò)對(duì)湖泛過(guò)程中微生物結(jié)構(gòu)和功能的研究，取得的進(jìn)展主要體現(xiàn)在：首先，通過(guò)各種原位監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬，對(duì)湖泛發(fā)生過(guò)程起關(guān)鍵作用的微生物類群的認(rèn)識(shí)不斷完善，如發(fā)現(xiàn)厚壁菌門的梭菌、硫酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷古菌以及甲烷厭氧氧化古菌在藻源性有機(jī)質(zhì)的分解和發(fā)黑物質(zhì)產(chǎn)生過(guò)程中具有重要作用.其次，依據(jù)微生物的結(jié)構(gòu)變化和相關(guān)功能基因的研究，逐漸梳理出湖泛發(fā)生過(guò)程中一些關(guān)鍵的反應(yīng)過(guò)程，如厭氧水體和沉積物中存在活躍的產(chǎn)甲烷和甲烷氧化過(guò)程，不僅如此，甲烷作為電子供體可以參與多種物質(zhì)的還原過(guò)程；復(fù)雜或者簡(jiǎn)單有機(jī)質(zhì)(如甲烷)觸發(fā)的硫酸鹽還原過(guò)程是水體發(fā)黑的主要機(jī)制.湖泛作為一種極端的生態(tài)過(guò)程，通過(guò)對(duì)其中微生物的研究，也進(jìn)一步證實(shí)簡(jiǎn)化的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和還原條件下的物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化成為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中生態(tài)系統(tǒng)的主要特征.

目前針對(duì)湖泛微生物的研究主要通過(guò)原位監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬的方法，由于缺少分離純培養(yǎng)的微生物，因此無(wú)法開(kāi)展針對(duì)性的生理生化特征研究.通過(guò)微生物群落結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于強(qiáng)還原條件下水體和沉積物中的反應(yīng)過(guò)程和閾值存在較多的推測(cè)，尚缺少功能微生物類群與關(guān)鍵代謝過(guò)程的直接證據(jù).現(xiàn)代分子生物學(xué)方法和技術(shù)的不斷發(fā)展、高通量微生物分離與純培養(yǎng)技術(shù)的持續(xù)提升以及穩(wěn)定同位素技術(shù)和高精度化學(xué)分析技術(shù)的突破等為研究自然狀態(tài)下湖泊微生物的結(jié)構(gòu)和環(huán)境生態(tài)功能提供了可能. Diaz等在Science上撰文，綜述了海洋沿岸帶低氧區(qū)嚴(yán)峻的發(fā)展形勢(shì)和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[2].同樣，富營(yíng)養(yǎng)化湖泊面對(duì)持續(xù)的外源輸入以及全球變化引起的升溫，湖泛發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都有可能超過(guò)以往的記錄，有關(guān)湖泛的預(yù)測(cè)預(yù)警和治理方案需要依賴更深層次和針對(duì)性更強(qiáng)的研究成果.在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，湖泛過(guò)程的微生物生態(tài)學(xué)研究需要注重：(1)加強(qiáng)對(duì)湖泛過(guò)程中關(guān)鍵微生物功能群的分離培養(yǎng)；(2)應(yīng)用穩(wěn)定同位素示蹤辨析湖泛過(guò)程中關(guān)鍵微生物反應(yīng)過(guò)程；(3)通過(guò)基因組和后基因組學(xué)研究方法分析湖泛過(guò)程中微生物功能群；(4)針對(duì)關(guān)鍵的微生物類群，開(kāi)發(fā)快速微生物檢測(cè)方法，對(duì)湖泛的預(yù)測(cè)預(yù)警提供微生物依據(jù).

參考文獻(xiàn)4

[1]Beman JM， Carolan MT. Deoxygenation alters bacterial diversity and community composition in the ocean’s largest oxygen minimum zone.NatureCommunications， 2013， 4： 2705.

[2]Diaz RJ， Rosenberg R. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems.Science， 2008， 321(5891)： 926-929.

[3]Sinkko H， Lukkari K， Sihvonen LMetal. Bacteria contribute to sediment nutrient release and reflect progressed eutrophication-driven hypoxia in an organic-rich continental sea.PLoSOne， 2013， 8(6)： e67061.

[4]Abell GCJ， Banks J， Ross DJetal. Effects of estuarine sediment hypoxia on nitrogen fluxes and ammonia oxidizer gene transcription.FEMSMicrobiologyEcology， 2011， 75(1)： 111-122.

[5]萬(wàn)國(guó)江， 萬(wàn)恩源， 陳敬安等.深水人工湖環(huán)境生物地球化學(xué)過(guò)程研究：以貴州紅楓湖-百花湖為例.地球與環(huán)境， 2010， 38(3)： 262-270.

[6]Bouzat JL， Hoostal MJ， Looft T. Spatial patterns of bacterial community composition within Lake Erie sediments.JournalofGreatLakesResearch， 2013， 39(2)： 344-351.

[7]Bouffard D， Ackerman JD， Boegman L. Factors affecting the development and dynamics of hypoxia in a large shallow stratified lake： Hourly to seasonal patterns.WaterResourceResearch， 2013， 49： 2380-2394.

[8]Shen Q， Zhou Q， Shang Jetal. Beyond hypoxia： occurrence and characteristics of black blooms due to the decomposition of the submerged plantPotamogetoncrispusin a shallow lake.JournalofEnvironmentalSciences， 2014， 26： 281-288.

[9]陸桂華，馬倩.太湖水域“湖泛”及其成因研究.水科學(xué)進(jìn)展， 2009， 20(3)： 438-442.

[10]申秋實(shí)，邵世光，王兆德等.風(fēng)浪條件下太湖藻源性湖泛的消退及其水體恢復(fù)進(jìn)程.科學(xué)通報(bào)， 2012， 57(12)： 1060-1066.

[11]王成林，張?jiān)?，張寧紅等.太湖藻源性“湖泛”形成機(jī)制的氣象因素分析.環(huán)境科學(xué)， 2011， 32(2)： 401-408.

[12]易梅森，段洪濤，張玉超等.浮游植物降解過(guò)程中的水體光學(xué)吸收特性變化研究.中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2014， 34(5)： 1258-1267.

[13]申秋實(shí)，周麒麟，邵世光等.太湖草源性“湖泛”水域沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放估算.湖泊科學(xué)， 2014， 26(2)： 177-184.

[14]劉國(guó)鋒，申秋實(shí)，張雷等.藻源性黑水團(tuán)環(huán)境效應(yīng)： 對(duì)水-沉積物界面氮磷變化的驅(qū)動(dòng)作用.中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2010， 31(12)： 2917-2924.

[15]Li H， Xing P， Wu QL. Characterization of the bacterial community composition in a hypoxic zone induced byMicrocystisblooms in Lake Taihu， China.FEMSMicrobiologyEcology， 2012， 79(3)： 773-784.

[16]Bodamer BL， Bridgeman TB. Experimental dead zones： two designs for creating oxygen gradients in aquatic ecological studies.LimnologyandOceanography-Methods， 2014， 12： 441-454.

[17]Wurzbacher CM， B?rlocher F， Grossart HP. Fungi in lake ecosystems.AquaticMicrobialEcology， 2010， 59：125-149.

[18]鄭九文，邢鵬，余多慰等.不同水生植物殘?bào)w分解過(guò)程中真菌群落結(jié)構(gòu).生態(tài)學(xué)雜志， 2013， 32(2)： 368-374.

[19]Chen M， Chen F， Xing Petal. Microbial eukaryotic community in response toMicrocystisspp.bloom， as assessed by an enclosure experiment in Lake Taihu， China.FEMSMicrobiologyEcology， 2010， 74(1)： 19-31.

[20]Li H， Xing P， Chen Metal. Short-term bacterial community composition dynamics in response to accumulation and breakdown ofMicrocystisblooms.WaterResearch， 2011， 45： 1702-1710.

[21]Xing P， Guo L， Tian Wetal. NovelClostridiumpopulations involved in the anaerobic degradation ofMicrocystisblooms.ISMEJournal， 2011， 5： 792-800.

[22]Feng Z， Fan C， Huang Wetal. Microorganisms and typical organic matter responsible for lacustrine “black bloom”.ScienceoftheTotalEnvironment， 2014， 470/471： 1-8.

[23]Li H， Xing P， Wu QL. The high resilience of the bacterioplankton community in the face of a catastrophic disturbance by a heavyMicrocystisbloom.FEMSMicrobiologyEcology， 2012， 82： 192-201.

[24]Wang H， Lu J， Wang Wetal. Methane fluxes from the littoral zone of hypereutrophic Taihu Lake， China.JournalofGeophysicalResearch， 2006， 111： D17109.

[25]Xing P， Li H， Liu Qetal. Composition of the archaeal community involved in methane production during the decomposition ofMicrocystisblooms in the laboratory.CanadianJournalofMicrobiology， 2012， 58(10)： 1153-1158.

[26]Fan X， Wu QL. Intra-habitat differences in the composition of the methanogenic archaeal community between theMicrocystis-dominated and the macrophyte-dominated bays in Taihu Lake.GeomicrobiologyJournal， 2014， 31(10)： 907-916.

[29]Offre P， Spang A， Schleper C. Archaea in biogeochemical cycles.AnnualReviewofMicrobiology， 2013， 67(1)： 437-457.

[28]Paredes CJ， Alsaker KV， Papoutsakis ET. A comparative genomic view of clostridial sporulation and physiology.NatureReviewsMicrobiology， 2005， 3(12)： 969-978.

[29]Liou JSC， Balkwill DL， Drake GRetal.Clostridiumcarboxidivoranssp.nov.， a solvent-producing clostridium isolated from an agricultural settling lagoon， and reclassification of the acetogenClostridiumscatologenesstrain SL1 asClostridiumdrakeisp.nov.InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology， 2005， 55(5)： 2085-2091.

[30]Nicolaou SA， Gaida SM， Papoutsakis ET. A comparative view of metabolite and substrate stress and tolerance in microbial bioprocessing： From biofuels and chemicals， to biocatalysis and bioremediation.MetabolicEngineering， 2010， 12(4)： 307-331.

[31]Wu YF， Zheng H， Wu QLetal.Clostridiumalgifaecissp.nov， a novel anaerobic bacterial species from decomposing algal scum.InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology， 2014， doi： 10.1099/ijs.0.064345-0.

[32]Galperin MY. Genome diversity of spore-formingFirmicutes.MicrobiologySpectrum， 2013， 1(2)： TBS-0015-2012.

[33]Xing P， Zheng J， Li Hetal. Methanogen genotypes involved in methane formation during anaerobic decomposition ofMicrocystisblooms at different temperatures.WorldJournalofMicrobiologyandBiotechnology， 2013， 29(2)： 373-377.

[34]Sieber JR， McInerney MJ， Gunsalus RP. Genomic insights into syntrophy： the paradigm for anaerobic metabolic cooperation.AnnualReviewofMicrobiology， 2012， 66： 429-452.

[35]Orphan VJ， House CH， Hinrichs KUetal. Methane-consuming Archaea revealed by directly coupled isotopic and phylogenetic analysis.Science， 293： 484-487.

[36]Ettwig KF， Shima S， van de Pas-Schoonen KTetal. Denitrifying bacteria anaerobically oxidize methane in the absence of Archaea.EnvironmentalMicrobiology， 2008， 10(11)： 3164-3173.

[37]Ettwig KF， Butler MK， Le Paslier Detal. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria.Nature， 2010， 464：543-548.

[38]Beal EJ， House CH， Orphan VJ. Manganese- and iron-dependent marine methane oxidation.Science， 2009， 325：184-187.

[39]Hu BL， Shen LD， Lian Xetal. Evidence for nitrite-dependent anaerobic methane oxidation as a previously overlooked microbial methane sink in wetlands.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences， 2014， 111(12)： 4495-4500.

[40]Boetius A， Ravenschlag K， Schubert CJetal. A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidation of methane.Nature， 2000， 407(6804)： 623-626.

[41]Plugge CM， Zhang W， Scholten JCetal. Metabolic flexibility of sulfate-reducing bacteria.FrontiersinMicrobiology， 2011， 2： 81.

[42]Leloup J， Fossing H， Kohls Ketal. Sulfate-reducing bacteria in marine sediment (Aarhus Bay， Denmark)： abundance and diversity related to geochemical zonation.EnvironmentalMicrobiology， 2009， 11(5)： 1278-1291.

[43]Thauer RK. Anaerobic oxidation of methane with sulfate： on the reversibility of the reactions that are catalyzed by enzymes also involved in methanogenesis from CO2.CurrentOpinioninMicrobiology， 2011， 14： 292-299.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(4)： 567-574

?2015 byJournalofLakeSciences

XING Peng1，HU Wanting1，2， WU Yufan3，4& WU Qinglong1

(1：StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

(2：SchoolofBiologicalSciences，NanjingNormalUniversity，Nanjing210023，P.R.China)

(3：InstituteofMicrobiology，ChineseAcademyofSciences，Beijing100101，P.R.China)

(4：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

Abstract：“Algae derived hypoxia” was caused by the rapid decomposition of massive algae biomass in the water column and the surface sediments， which consuming a large amount of dissolved oxygen. The oxygen depletion condition promotes the formation of substantial “black and odor” compounds， which then destroy the water quality and the structure and function of the lake ecosystem. Thus， “algae derived hypoxia” becomes one of the severe environmental secondary disasters caused by the frequent algae (mainly cyanobacteria) blooms， especially under high temperature. Corresponding to the environment characteristics of algae derived hypoxia， such as low dissolved oxygen， low pH， high organic matter， high total phosphorus， and high total nitrogen， is the simplified food web and the distinctive microbial communities in the lake ecosystem. This paper will focus on microbial communities and their diverse functions in the material circulation in the lake hypoxia. Based on the accumulative studies， the main microbial groups participating in the rapid breakdown of organic matters in the lake water are Clostridiales of Firmicute， Actinomycetales of Actinobacteria， methanogenic achaea etc.， while in the anoxic sediments the main functional groups are sulfate reducing bacteria， iron reducing bacteria， anaerobic oxidation of methane bacteria， denitrifying bacteria， etc. The interconnected biogeochemical process of carbon， sulfur and iron elements as well as the syntrophy of various microorganisms is one important characteristics of these microbial functional groups. To compare with the researches in marine and the deep-sea hypoxia， there still needs a large amount of biogeochemical evidence for the microbial functions in the algae derived hypoxia， which relying on the introduction of new research methods. The exploration of microbial process will be helpful to reveal the mechanisms of the hypoxia formed in the shallow eutrophic lakes.

Keywords：Hypoxia； microorganism； function； material recycling； sulfur； carbon； syntrophy

DOI10.18307/2015.0402