微囊藻與水體細菌相互關系的研究進展

張 佳 張蔚珍 王 歡 陳 雋 沈 宏

(1. 中國科學院水生生物研究所東湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)試驗站, 淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072;2. 中國科學院大學, 北京 100049)

近幾十年來, 隨著淡水水體富營養(yǎng)化程度的日益加劇, 有毒藍藻水華在發(fā)生頻率和數(shù)量上越來越嚴重。微囊藻是形成藍藻水華的優(yōu)勢種屬之一[1],其水華發(fā)生、發(fā)展及衰亡、降解機制一直是研究熱點。目前普遍認為有害藍藻水華發(fā)生的主要原因是藍藻獨特的形態(tài)和生理生化機制與外界環(huán)境因素共同作用的結果[2, 3]。

微囊藻為多細胞群體, 呈不規(guī)則形狀, 群體膠被均質(zhì)無色, 常具顆粒和偽空泡[4]。根據(jù)其形態(tài)學特征[5—7], 微囊藻可分為銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa、放射微囊藻M. botrys、堅實微囊藻M.firma、水華微囊藻M. flos-aquae、魚害微囊藻M.ichthyoblabe、挪氏微囊藻M. novacekii、假絲微囊藻M. pseudofilamentosa、史密斯微囊藻M. smithii、綠色微囊藻M. viridis、惠氏微囊藻M. wesenbergii等種類。微囊藻對環(huán)境因子的生理適應優(yōu)勢使其易在與浮游植物競爭中成為優(yōu)勢種[8, 9]。群體微囊藻對營養(yǎng)鹽[9—11]、溫度[12]、溶解氧[13]等具有較廣的適應范圍; 微囊藻具有獨特的偽空胞結構, 可以調(diào)節(jié)自身在水層中的浮力, 以適應不利環(huán)境的脅迫[14, 15]; 微囊藻的膠鞘能保護自身抵御浮游動物捕食, 病毒和細菌的攻擊等不利環(huán)境因素[17—19]; 某些微囊藻能通過分泌毒素抵御浮游動物和魚類的覓食[20]。然而, 近些年越來越多的研究[21—23]表明, 水體中細菌對維持微囊藻群體的穩(wěn)定性以及在藍藻的腐爛降解過程中起著不可忽視的作用。

在水生態(tài)系統(tǒng)中, 細菌是最為敏感并極易受環(huán)境影響的生物類群。細菌不僅是水體中浮游生物的重要組成部分, 而且影響水體中物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程[24, 25]。在海洋和淡水環(huán)境中, 浮游植物和細菌都是微生物環(huán)中最主要的成分[26—28]。細菌是浮游植物無機氮的主要提供者, 也是無機磷的重要提供者。細菌既可將顆粒有機碳(POC)分解轉(zhuǎn)化為溶解性有機碳(DOC), 并進一步礦化為營養(yǎng)鹽供浮游植物利用, 又可吸收DOC合成自身成分, 所形成的細胞顆粒通過浮游動物的攝食進入上一營養(yǎng)級。水體中浮游細菌的生存及生命活動決定著其中食物鏈基本環(huán)節(jié)的發(fā)展[29]。湖泊營養(yǎng)水平不同,水體中細菌的種群結構和數(shù)量也明顯不同[30]。

由此可見, 在富營養(yǎng)化水體中細菌與微囊藻的相互關系十分復雜, 細菌對微囊藻水華的形成和衰退起著重要作用。微生物群落在水生態(tài)系統(tǒng)中的結構和功能演替受到越來越多的關注, 有關水生態(tài)系統(tǒng)中微囊藻與細菌在不同時空尺度的耦合關系,微囊藻與微生物的相互作用與反饋關系等已有大量研究。本文綜述了國內(nèi)外微囊藻與細菌相互關系的研究進展, 不僅有助于了解富營養(yǎng)化水體中藻-菌相互作用關系及藍藻水華生消機制的理論問題, 而且將為水體富營養(yǎng)化治理、微生物控藻等技術提供新的思考。

1 水體中藻-菌群落結構特征

在水體中, 細菌群體根據(jù)生態(tài)位的不同可分為兩種類型: 浮游菌群和附著菌群。在富營養(yǎng)化水體中, 微囊藻藻際空間中的附著細菌生活在一個獨特的微環(huán)境中[31, 32], 這有別于浮游菌群和其他的顆粒附著菌群。雖然三種不同棲息場所的菌群都以變形桿菌門、擬桿菌門、放線菌門為主, 但是微囊藻附著菌群的多樣性指數(shù)顯著低于其他兩大類群[33]。微囊藻附著菌群中占據(jù)優(yōu)勢的是α-、β-、γ-變形桿菌綱[34]。由此認為, 不同的可附著基質(zhì)和噬藻壓力可能是引起水體中浮游細菌與附著細菌在生物量、生產(chǎn)力、活性和群落組成上都存在較大差異的原因[31, 35—37]。

即使在相似的環(huán)境條件下, 富營養(yǎng)化水體中不同藍藻水華的附著細菌群落結構既具有相似性, 又具有差異性[38]。研究結果表明, 這些附著細菌群落結構在豐度和多樣性上相似, 都由變形桿菌門、擬桿菌門、放線菌門、疣微菌門、浮霉菌門五大類為主[39, 40], 然而在可操作分類單元OUT水平上差異顯著, 表明了不同藍藻基質(zhì)上附著菌群在系統(tǒng)發(fā)生上的多樣性[41]。此外, 不同的微囊藻種與其附著細菌之間也具有專一性。研究發(fā)現(xiàn), 鞘酯單胞菌是微囊藻附著細菌中最常見的種類[42]。單胞菌屬、沙雷氏菌屬、屈撓桿菌科分別是與惠氏、水華、銅綠微囊藻表型相關的優(yōu)勢菌[43]。

有研究認為浮游植物群落演替是改變細菌群落組成的重要原因之一。水體中細菌群落結構與浮游植物群落演替之間具有一致性, 其中擬桿菌門中的黃桿菌科與硅藻密切相關, 放線菌門與微囊藻水華中浮游菌群關系密切[44]。此外, 對硅藻門擬菱形藻屬和其微生物群落的相互作用研究發(fā)現(xiàn)細菌與本地宿主之間表現(xiàn)出互利共生的關系, 與外來宿主之間表現(xiàn)出偏利共生和寄生的關系, 暗示了藻菌之間的共進化關系, 這為進一步解釋浮游植物與細菌在微生物環(huán)中的相互作用提供了依據(jù)[45]。

無論在水體還是底泥中, 微囊藻膠鞘都是附生細菌棲息的熱點區(qū)域[46]。與水體中類似, 底泥中附著細菌群落具有高度的多樣性, 種系型的多樣性是典型的湖泊細菌, 包括潛在的致病菌和代謝毒素的細菌, 以及一些與環(huán)境中有機碎屑降解相關的不可培養(yǎng)微生物[47]。在富營養(yǎng)化淺水湖泊表層底泥(0—10 cm)中, 微囊藻占據(jù)總微生物量的60%—90%。在全年中, 底泥中的微囊藻群體生物量均大于或等于浮游微囊藻的生物量, 表明在一定的時期,底泥中的微囊藻群體能夠?qū)λw中進行補充[48, 49]。在夏季底泥微囊藻群體膠鞘中包含大量的非光合細菌, 約占40%, 且底泥中微囊藻附著細菌生產(chǎn)力顯著高于水體中的微囊藻附著細菌[50]。

2 藻-菌相互作用

在富營養(yǎng)化水體中, 藻類大量繁殖, 在藻細胞的周圍聚集著大量的細菌, 由此產(chǎn)生了藻細胞微環(huán)境[32, 51]。在藻細胞周圍組成了一個獨特的棲息場所, 其中的附著細菌可能與藻細胞的分解、營養(yǎng)循環(huán)有著直接或間接的聯(lián)系。一方面, 光合自養(yǎng)的藍藻為細菌增殖提供有機質(zhì), 細菌也可以為藍藻提供非必需的生長因子; 另一方面, 細菌和藻類可以產(chǎn)生各種物質(zhì), 釋放于水體中, 如抗生素、毒素、抗病毒物質(zhì)等以利于對方的生長代謝或增強其抵抗能力[52]。一些學者對微環(huán)境的存在進行了研究[53, 54],表明在水體混合較差的環(huán)境中, 如溫躍層, 浮游植物細胞的周圍可形成微環(huán)境, 且藻細胞的大小影響其微環(huán)境的形成, 單個細胞只能在長度或者寬度大于20 μm時才能產(chǎn)生微環(huán)境; 較小的細胞聚合成大于20 μm的多聚體后, 也能形成微環(huán)境。

在藻-菌微環(huán)境中, 細菌的存在會影響藻類的聚集和解散[55]。一般研究認為, 細菌群落不會使健康的浮游植物細胞聚集, 而是在藻類衰老或聚集在一起時容易附生在藻類群體上, 并且它們能分解浮游藻類, 將顆粒有機碳分解成溶解有機碳[17]。然而,在藍藻中的情況有些特殊。在野外水體中微囊藻一般以群體形態(tài)存在, 藻細胞被膠狀基質(zhì)黏在一起,基質(zhì)中含有大量附生細菌。在衰老的群體微囊藻基質(zhì)中, 其附生細菌往往能利用腐爛的微囊藻細胞中的營養(yǎng)供其生長; 而在健康的群體微囊藻膠被基質(zhì)中, 其附生細菌則對宿主無毒害作用[46, 56]。目前關于微囊藻附著細菌功能的研究已有許多報道, 表 1簡要總結了在藻細胞微環(huán)境中附著細菌對微囊藻生長的促進或抑制作用, 細菌在微囊藻群體的形成和維持過程的作用, 細菌參與的微囊藻水華的聚集和降解過程, 細菌對微囊藻毒素的降解作用等。

2.1 細菌促進微囊藻的生長

在藻際空間中, 大量附著細菌棲息在藻細胞的周圍, 與微囊藻進行著密切的相互作用[51]。細菌不僅可以通過再礦化溶解有機碎屑促進微囊藻生長,也能夠通過直接釋放維生素等促生長因子促進微囊藻生長; 還能夠通過營養(yǎng)物再生或微生物相互作用(例如資源競爭)等刺激作用間接促進微囊藻生長[57, 58]。Shi等[34]發(fā)現(xiàn)微囊藻附著細菌不僅能夠作為微囊藻群體化的基質(zhì), 還可作為能量的來源。此外, 在微囊藻細胞和假單胞菌之間進行著磷轉(zhuǎn)移,這一作用使得微囊藻膠鞘中附著細菌具有充足的磷。由此推斷附著細菌可作為臨時的磷儲備庫, 以滿足微囊藻的生長[59]。還有研究表明, 微囊藻能夠分泌較復雜的胞外有機碳, 有利于附著細菌的生長,并且能夠通過刺激附著細菌分泌胞外酶, 釋放無機磷, 加速微囊藻細胞的生長[60]。

隨著宏基因組學的發(fā)展, 利用生物信息學的分析手段, 進一步揭示了附著異養(yǎng)細菌與微囊藻之間可能存在代謝途徑互補等相互作用, 具體體現(xiàn)在氮代謝、硫代謝、脂肪酸代謝、維生素代謝以及芳香族化合物降解等方面[61]。此外, 具體的研究表明附著異養(yǎng)細菌依賴于微囊藻為其提供碳源和能源,細菌為微囊藻合成其生長必須的維生素B12, 這一相互作用有利于微囊藻的生長[62]。

2.2 細菌抑制微囊藻的生長

在水體中, 許多細菌都能夠通過分泌靈菌紅素PG, 達到強烈的殺藻效果。PG能夠通過過氧化損傷細胞膜上的脂質(zhì)和光合系統(tǒng), 使細胞內(nèi)代謝機制紊亂, 導致細胞壞死或凋亡[63]。沙門氏菌是一類溶藻細菌, 河氏菌屬中也能夠提取出同樣的物質(zhì)[63, 64]。此外, 基于這些基因組進行代謝組學分析還表明個別細菌能夠參與完整的苯甲酸鹽的降解代謝途徑, 而該代謝物能抑制微囊藻的生長[62]。許多細菌, 如芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、弧菌屬、不動桿菌屬和產(chǎn)堿桿菌, 都能夠抑制微囊藻的生長[40, 57, 64]。近年來, 關于生物防治控制藍藻水華的發(fā)生已受到廣泛關注, 研究微生物與微囊藻之間產(chǎn)生的化感作用, 為用生物方法防治藻華的發(fā)生奠定了理論基礎。

2.3 細菌參與微囊藻群體的形成和維持

研究表明, 自然水體中的微囊藻常以群體的形態(tài)存在。但是, 在實驗室無菌傳代多次后, 群體微囊藻逐漸解聚為單細胞微囊藻[65]。即使將室內(nèi)培養(yǎng)的單細胞微囊藻再放置于富營養(yǎng)化水體中進行原位培養(yǎng), 單細胞往往仍不聚集成群體[66]。然而,Shen等[67]將分離自野外微囊藻群體中的附著細菌與單細胞微囊藻共培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn)附著細菌能夠促進單細胞微囊藻聚集形成群體。Wang等[68]進一步分離出能夠促進微囊藻群體聚集的5株可培養(yǎng)附著細菌,發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)細菌在促進微囊藻群體聚集方面具有種間特異性。以上研究表明附著細菌在微囊藻群體的形成和維持中占據(jù)著至關重要的位置。

表 1 藻菌關系中微囊藻附著細菌的作用Tab. 1 The role of attached bacteria in the relationship of Microcystis and bacteria

2.4 細菌參與微囊藻水華的聚集和降解

微囊藻水華從聚集到降解的過程中, 浮游菌群和附著菌群動態(tài)差異顯著。Parveen等[37]發(fā)現(xiàn)微囊藻水華在放線菌存在時顯著減少, 而在γ-變形桿菌存在下顯著增加。隨著微囊藻水華的分解, 微球菌亞目和軍團菌目都顯著增加, 它們與微囊藻水華分解呈正相關[69]。由此推測某些細菌能促進微囊藻水華解聚。Xing等[70]從太湖微囊藻水華中分離到8株與微囊藻細胞厭氧降解有關的新梭菌屬, 這些細菌參與了微囊藻水華的降解。Xie等[71]在太湖的原位圍格實驗研究中發(fā)現(xiàn)了某些與微囊藻水華分解密切相關的特殊細菌類群, 其中擬桿菌門的黃桿菌科的一個類群在微囊藻厭氧分解階段占優(yōu)勢。

2.5 細菌降解微囊藻毒素

水體和底泥中的許多種類的細菌都具有降解毒素的能力, 包括變形桿菌門[72—74]、放線菌門、擬桿菌門、腐霉菌門和厚壁菌門[74—76]中的一些細菌。水體中細菌降解毒素的代謝途徑有兩種: 在鞘酯菌科中發(fā)現(xiàn)的由完整mlr基因簇介導的序列降解途徑[77]和不具備mlr基因簇的替代降解途徑[78]。通過比較這兩種代謝毒素的途徑, 發(fā)現(xiàn)含有完整mlr基因簇的序列降解途徑是最高效的生物降解毒素的途徑[79, 80]。此外, 底泥中也存在大量可降解毒素的細菌, 且具有較高的生物量和多樣性, 因此, 底泥中的微囊藻毒素水平顯著低于水體中的[81—83]。

3 藻-菌群落受環(huán)境因素的影響

水體中的細菌群落結構容易受到溫度、溶解性有機碳(DOC)、溶解氧(DO)、氮磷營養(yǎng)鹽濃度[84, 85]和pH等非生物因子以及生物因子如-浮游動物和魚類覓食作用等的影響。在富營養(yǎng)化水體中, 微囊藻自身形態(tài)的變化與水體中DOC、Chl.a、DO、pH等環(huán)境因子的變化有著密切的聯(lián)系, 細菌群落和浮游植物群落動態(tài)變化對環(huán)境因素變化的響應常具有一致性[44, 69, 71]。

3.1 溫度

溫度可以引起微囊藻附著細菌群落的變化。有調(diào)查研究表明水體中細菌群落的多樣性與水體生產(chǎn)力和水溫均呈現(xiàn)正相關關系[86]。Lawrence等[87]認為溫度的升高可以提高水體異養(yǎng)細菌對基質(zhì)的同化和吸收。此外, 微囊藻能夠耐受夏季的高溫環(huán)境[88], 在水體中占據(jù)優(yōu)勢地位, 其附著細菌以變形桿菌門占優(yōu)勢, 而放線菌門豐度較低[41]。實驗表明放線菌僅在20℃的處理組中存在, 而在較高的溫度時則消失[89]。由此可以解釋水體中細菌群落和微囊藻群落同時受到溫度的影響。

3.2 溶解性有機碳

DOC可以直接為異養(yǎng)細菌提供碳源[90]。水體中DOC濃度和水體生產(chǎn)力與細菌群落結構也有著密切的聯(lián)系[84, 86, 87]。然而, 又有研究表明浮游植物的現(xiàn)存量, 而不是浮游植物的初級生產(chǎn)力顯著地影響著浮游細菌的生長速率。Fuhrman等[91]認為細菌生長利用的DOC來源于腐敗分解的浮游植物, 而不是健康的具有光合活性的浮游植物。在夏季高溫、強光照的富營養(yǎng)化湖泊中, 微囊藻占據(jù)浮游植物的優(yōu)勢地位, 溶解性有機碳濃度與附著細菌群落多樣性呈現(xiàn)出顯著的負相關關系[92]。

3.3 溶解氧

水體中DO的降低可以引起微囊藻附著細菌群落結構的變化。在富營養(yǎng)化水體中, 藍藻細胞的大量聚集和分解會導致DO的降低, 甚至導致缺氧環(huán)境。Li等[93]研究太湖中微囊藻水華引起的低氧區(qū)(DO＜0.5 mg/L)細菌群落組成的動態(tài)變化時發(fā)現(xiàn),梭菌屬在缺氧的起始階段占據(jù)優(yōu)勢地位, 而LD12簇的成員在缺氧后期被檢測到, 脫硫弧菌和從毛單胞菌科在整個缺氧過程中均占優(yōu)勢。此外, Xing等[70]通過構建微囊藻厭氧降解的環(huán)境, 揭示出新梭菌屬在微囊藻厭氧降解過程的重要地位和功能。

3.4 pH

細菌群落組成隨著pH的變化而變化[94]。pH作為重要的環(huán)境參數(shù), pH的改變可能是由于藍藻水華期間浮游植物光合作用活性導致CO2分壓降低引起的。在水華期間, 高pH和低DO共同影響著水體中的浮游植物和細菌群落結構的動態(tài)變化[95—97], 分別以藍藻和α-變形桿菌綱、擬桿菌門占優(yōu)勢[85]。

3.5 覓食作用

魚類對浮游動植物的覓食作用和對水體的擾動作用也會間接影響到水體中細菌群落的變化[98]。此外, 在水生微食物網(wǎng)中, 浮游細菌群落結構還會直接受到浮游植物和浮游動物生物量的影響[28, 98]。

4 展望

在微囊藻水華的形成和發(fā)展、衰亡和降解的整個過程中, 水體細菌的群落結構可以作為水生態(tài)系統(tǒng)直接、敏銳的指示。微囊藻與其附著細菌構成的微囊藻群體在生態(tài)環(huán)境的自然選擇中共同進化, 研究細菌群落結構的特征對于理解微囊藻在水生態(tài)系統(tǒng)中的演變具有重要作用。然而, 關于底泥中與微囊藻相關的細菌群落結構的研究還很少, 對底泥中細菌群落結構的特征的研究有助于解釋微囊藻在底泥中的越冬和春季復蘇等生存對策, 為了解微囊藻水華形成的生活史提供依據(jù)。

目前, 有關自然水體中細菌群落組成和功能的研究具有一定的局限性, 大多數(shù)建立在高通量測序的基礎上, 還有小部分集中在室內(nèi)可培養(yǎng)微生物與微囊藻的相互作用基礎上?；谝陨涎芯糠椒? 人們很難了解水體中絕大多數(shù)細菌的生理生化特征和生態(tài)學功能。隨著分子生物學的發(fā)展, 利用組學的手段, 結合生物信息學的分析方法, 可為進一步了解微生物群落中藻-菌之間的相互作用提供新的思路。

微囊藻微環(huán)境中含有豐富的有機質(zhì), 是微囊藻與其附著細菌相互作用的熱點區(qū)域。藻際空間中的胞外物質(zhì)作為藻菌之間聯(lián)系的紐帶, 是物質(zhì)運輸,能量流動和信息傳遞的介質(zhì)。在微囊藻胞外物質(zhì)中, 具有黏性的胞外多糖一直作為微囊藻群體聚集的指標。然而, 有關胞外多糖的分泌機制、其結構和功能的研究還有待完善。

最后, 有關微囊藻與細菌相互關系的研究在藻類生物技術領域的應用還有待開發(fā)。微囊藻附著細菌對于水體中的重金屬污染治理、微囊藻毒素的降解和藻類水華控制等方面都具有潛在的應用。