王昭藝，蔡中華，曾艷華，朱建明，2，周 進(jìn)

(1.清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院 海洋學(xué)部，廣東 深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 518055)

藻類(lèi)是一種重要的浮游生物，在維持海洋初級(jí)生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)循環(huán)方面發(fā)揮重要作用。作為初級(jí)生產(chǎn)者，藻類(lèi)通過(guò)光合作用固定海洋中的碳并制造有機(jī)物，向全球輸出高達(dá)40%～50%的初級(jí)生產(chǎn)力[1]。僅硅藻就為海洋初級(jí)生產(chǎn)力提供了40%的份額，貢獻(xiàn)了全球固碳量的20%[2]。藻類(lèi)在推動(dòng)海洋碳循環(huán)的過(guò)程中扮演了“生物泵”的角色，將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳。有機(jī)碳通常以溶解態(tài)和顆粒態(tài)的形式存在，前者隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)的遞進(jìn)而被循環(huán)利用，后者則與其他海洋碎屑形成絮凝體向深海沉降，為海洋碳的封存做出了重要貢獻(xiàn)。

赤潮(HAB)是藻類(lèi)爆發(fā)性增殖的一種現(xiàn)象，在這一生態(tài)事件中，藻菌關(guān)系非常重要[3]。細(xì)菌作為分解者為藻類(lèi)生長(zhǎng)提供必要的微量元素(如維生素)[4]，而藻類(lèi)分泌的胞外有機(jī)物可作為細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)源[5]。除了互利關(guān)系，藻菌之間也存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，細(xì)菌和藻類(lèi)會(huì)爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制對(duì)方的生長(zhǎng)[6]。藻菌的拮抗作用可通過(guò)雙方分泌特殊的化學(xué)物質(zhì)得以實(shí)現(xiàn)；然而兩者間的互作機(jī)制并不是絕對(duì)的，它受到細(xì)胞密度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、環(huán)境因子等多種因素的影響[6]。

微生物以多樣性的形式調(diào)節(jié)宿主藻類(lèi)的生態(tài)生理學(xué)過(guò)程，其中菌膠團(tuán)(zoogloea consortium)是具有代表性的一種；類(lèi)似于根際環(huán)境的土壤菌膠團(tuán)，水體菌膠團(tuán)也有不可忽略的作用。藻際菌膠團(tuán)是指在藻菌交互作用下，微生物個(gè)體、胞外多糖以及各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交織而成的高度有序化的聚合體[5]。菌膠團(tuán)的物質(zhì)基礎(chǔ)離不開(kāi)藻菌分泌的胞外聚合物，這些功能多樣、成分復(fù)雜的有機(jī)物吸引了大量的細(xì)菌進(jìn)行定殖，形成的藻菌微環(huán)境被黏性基質(zhì)裹附，穩(wěn)定存在于海洋環(huán)境中。菌膠團(tuán)中生物、有機(jī)質(zhì)、顆粒碎屑之間時(shí)刻都在發(fā)生吸附-解吸、理化反應(yīng)和生物轉(zhuǎn)化等作用，這些生化過(guò)程的進(jìn)行受多重因素的調(diào)節(jié)，而化學(xué)信號(hào)是其中重要的一類(lèi)。研究發(fā)現(xiàn)，菌膠團(tuán)生態(tài)位中存在著多樣的化學(xué)信號(hào)，能調(diào)節(jié)微生物的群體行為并對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)[7]。最具代表性的一類(lèi)為群體感應(yīng)信號(hào)，它在菌膠團(tuán)中具有促進(jìn)細(xì)胞聚集、調(diào)節(jié)生物被膜形成以及調(diào)控胞外聚合物分泌的作用。

以往的研究證實(shí)了菌膠團(tuán)的一些特性，包括其物質(zhì)組成、與宿主藻類(lèi)的關(guān)系以及對(duì)赤潮事件的潛在作用等。隨著研究的深入，這種微小生態(tài)位的受關(guān)注度越來(lái)越高，重要性也日益凸顯。為了更好地理解藻際菌膠團(tuán)的生態(tài)生理學(xué)機(jī)制，筆者以近十年的文獻(xiàn)為重點(diǎn)，總結(jié)了藻際菌膠團(tuán)物質(zhì)基礎(chǔ)(基本組成、EPS類(lèi)別和影響因素)、結(jié)構(gòu)特征(生物被膜)、基于群體感應(yīng)信號(hào)的調(diào)節(jié)機(jī)制以及菌膠團(tuán)的生態(tài)功能(物質(zhì)共享、抵御脅迫環(huán)境、維持生物多樣性等)，旨在梳理最新的進(jìn)展，為更好地認(rèn)識(shí)藻際環(huán)境中微生物的作用提供新的理論思路。

1 菌膠團(tuán)的物質(zhì)基礎(chǔ)

1.1 基本組成

不同生境下菌膠團(tuán)的物質(zhì)成分各不相同，但基本組成具有相似之處。例如，土壤環(huán)境下的菌膠團(tuán)中包含了多種微生物(細(xì)菌、真菌、病毒)、砂土等無(wú)機(jī)顆粒物質(zhì)以及有機(jī)顆粒物(POM)[8]；在生活污水中，菌膠團(tuán)一般由微生物及其分泌的聚合物、污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、砂礫等無(wú)機(jī)懸浮顆粒物相互交織而成[9]。海洋中“海雪(marine snow)”是微生物膠團(tuán)的一種，它由微生物群體、動(dòng)植物碎屑以及無(wú)機(jī)物等多種顆粒組合而成[10]，并嵌入溶解有機(jī)碳(DOC)和顆粒有機(jī)碳(POC)的黏性基質(zhì)中[11]?！霸咫H菌膠團(tuán)”是海洋環(huán)境中菌膠團(tuán)的另一種存在形式，微藻作為結(jié)構(gòu)中心不斷向外分泌具有高度水合化特征的胞外聚合物，促進(jìn)多種細(xì)菌聚集與黏附[3]；以此為基礎(chǔ)，形成生物被膜、菌席(microbial mat)，并夾雜顆粒、絮凝體、有機(jī)質(zhì)等形成有序結(jié)構(gòu)的膠團(tuán)類(lèi)物質(zhì)(圖1)[12-13]。

左圖是藻際菌膠團(tuán)的組成，且多個(gè)小尺度微團(tuán)可組成大尺度微團(tuán)；右圖示一種菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，放線菌(紅色)和γ-變形桿菌(藍(lán)色)聚集在一起，厚壁菌(綠色)集中在菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)外側(cè)，絮狀物直徑介于50～250 μm，菌膠團(tuán)中心具有清晰、緊密的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)且細(xì)胞數(shù)量較高，而外側(cè)結(jié)構(gòu)較為松散、不規(guī)則圖1 微生物菌膠團(tuán)組成及結(jié)構(gòu)[8,13]Fig.1 Zoogloea consortium and its structure [8,13]

1.2 EPS的組成、影響因素與作用

藻際環(huán)境中微生物傾向于聚集成團(tuán)而非以單細(xì)胞浮游態(tài)生長(zhǎng)，成團(tuán)過(guò)程中會(huì)分泌具有高黏性的聚合物，這些胞外聚合物被稱(chēng)為胞外多聚物(EPS)[14]。EPS具有較高的分子量和復(fù)雜的化學(xué)組成，主要包括多糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)；也含有少量腐殖質(zhì)、糖醛酸和無(wú)機(jī)質(zhì)顆粒等。胞外多糖是EPS中含量最高的化學(xué)組分[14]，包括直鏈或支鏈結(jié)構(gòu)的均多糖和雜多糖，分子量為(0.5～2)×106[15]。多糖分子的結(jié)構(gòu)多樣性賦予了它一定的生態(tài)學(xué)意義，有些多糖含有帶電荷的陰陽(yáng)離子聚合物，這有助于微生物借助電荷作用進(jìn)行黏附，以此形成菌膠團(tuán)雛形[14]。多糖的化學(xué)組成因種屬不同而異，螺旋藻(Arthrospirasp.)釋放的多糖中包含半乳糖、葡萄糖、木糖、果糖、鼠李糖、阿拉伯糖和甘露糖[16]；而褐藻產(chǎn)生的多糖以α-L-巖藻糖和硫酸酯作為主要成分。一些同種菌株分泌的多糖也存在顯著的組成差異，例如溶藻弧菌(Vibrioalginolyticus)CNCM I-5034分泌的多糖為半乳糖、半乳糖醛酸、乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸構(gòu)成的四糖結(jié)構(gòu)；而溶藻弧菌CNCM I-4151分泌的EPS由氨基酸構(gòu)成[17]。另外，EPS中含有的酶可以將多糖水解。有研究發(fā)現(xiàn)糖苷水解酶對(duì)紅藻多糖具有降解作用，其機(jī)制是通過(guò)切割糖苷鍵破壞紅藻多糖結(jié)構(gòu)[18]。此外，一些昆布多糖可在硫酸化作用下被降解為單體結(jié)構(gòu)，使得EPS的成分具有高度多元化特征[19]。EPS豐富多樣的組成滿足了藻際細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)需求，在菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)中充當(dāng)了物質(zhì)基礎(chǔ)這一重要角色[20]。

EPS的化學(xué)組成及產(chǎn)量受到不同種屬、菌株的影響，呈現(xiàn)出不同的特性。以鹽假單胞菌(Pseudoalteromonasshioyasakiensis)、哈維氏弧菌(Vibrioharveyi)和產(chǎn)蛋白酶菌(Planomicrobiumsp.)這3種海洋細(xì)菌分泌的胞外聚合物為例，三者在EPS的多糖種類(lèi)以及基質(zhì)結(jié)構(gòu)上存在較大差異，這也導(dǎo)致后續(xù)生物被膜的形成速度顯著不同[21]；不同藻類(lèi)的EPS中胞外蛋白的組成也存在差異，綠藻中糖蛋白所占EPS的比例顯著高于硅藻和紅藻[14]。除了成分差異，不同亞種微藻的EPS產(chǎn)量也存在較大差距。例如，L型布朗葡萄球藻(Botryococcusbraunii)的EPS產(chǎn)量高達(dá)1 kg/m3，而A型、B型藻的EPS產(chǎn)量?jī)H為它的1/4[22]。EPS的產(chǎn)量和組成也與營(yíng)養(yǎng)條件緊密相關(guān)，例如，與營(yíng)養(yǎng)缺乏的情況相比，硅藻屬的新月細(xì)柱藻(Cylindrothecaclosterium)在營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)EPS產(chǎn)率明顯要高，且多糖的比例顯著降低；當(dāng)營(yíng)養(yǎng)源受到限制時(shí)，產(chǎn)率受到抑制，且缺少了鼠李糖和巖藻糖這2種多糖成分[23]。此外，環(huán)境因素(如溫度和輻射)也影響EPS的產(chǎn)生速率：當(dāng)輻射強(qiáng)度較低時(shí)，溫度的變化并未對(duì)EPS產(chǎn)生明顯作用；當(dāng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)，高溫會(huì)顯著抑制EPS產(chǎn)率[14]。

EPS作為一種致密有序的多層結(jié)構(gòu)，有助于微生物群體抵抗外界脅迫環(huán)境。以毒性納米顆粒(NPs)為例，EPS可將粒徑超過(guò)50 nm的NPs有效隔絕，并使吸附NPs達(dá)到飽和狀態(tài)的生物膜脫落釋放，將有毒NPs外排到環(huán)境中[24]。除屏障機(jī)制以外，EPS具有許多重金屬、有機(jī)物的吸附位點(diǎn)，其較高的絡(luò)合能力與結(jié)合強(qiáng)度有利于形成多種配合物，這對(duì)于維持菌膠團(tuán)的形態(tài)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。EPS中種類(lèi)豐富的官能團(tuán)(如羥基、磷酸、硫氫基等)可與多種重金屬絡(luò)合[25]，例如，EPS與鈣鎂等金屬離子架橋聯(lián)結(jié)產(chǎn)生的分子作用力對(duì)菌膠團(tuán)的聚合結(jié)構(gòu)具有重要影響[26]。其中，Ca2+與EPS結(jié)合后會(huì)明顯改變菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)：高濃度Ca2+培養(yǎng)條件下的藻菌膠團(tuán)呈現(xiàn)出致密、不透明的生理狀態(tài)；而低濃度Ca2+培養(yǎng)條件下的藻菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)松散、顏色淡化[27]。EPS的另一個(gè)作用是幫助團(tuán)聚絮凝，促進(jìn)各種有機(jī)、無(wú)機(jī)顆粒的黏附，使菌膠團(tuán)體積增長(zhǎng)到一定程度(部分直徑可達(dá)厘米級(jí))[10]。此外，根據(jù)EPS與微生物群落結(jié)合的緊密程度可劃分為松散型EPS(LB-EPS)和緊密型EPS(TB-EPS)[28]，兩種類(lèi)型的EPS對(duì)菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)形態(tài)作用效果迥異[27]。

2 菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征

2.1 顆粒團(tuán)聚態(tài)

菌膠團(tuán)具有團(tuán)聚態(tài)的特征，其尺寸形狀與顆粒間相互作用、理化特性以及水流的剪切作用等因素有關(guān)。它絮凝成團(tuán)的過(guò)程通常涉及顆粒間的物理碰撞與吸附團(tuán)聚、電中和作用和物理場(chǎng)力等多種影響因素，這些膠體粒子的尺寸介于1 nm至幾微米之間[9]。菌膠團(tuán)在有機(jī)顆粒、無(wú)機(jī)顆粒相互碰撞的過(guò)程中逐漸絮凝成團(tuán)，其形態(tài)結(jié)構(gòu)的特性與顆粒的豐度、尺寸、黏性緊密相關(guān)。導(dǎo)致顆粒碰撞的物理機(jī)制主要包括差異沉降、湍流和布朗運(yùn)動(dòng)[10]。不同種類(lèi)、尺寸的顆粒發(fā)生碰撞后，存在互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)會(huì)形成各種化學(xué)鍵，例如糖蛋白分子的亞基之間會(huì)形成分子共價(jià)鍵，多糖鏈之間會(huì)形成氫鍵，帶有電荷的離子之間會(huì)形成離子鍵，具有特異性的分子結(jié)合使得菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)更加牢固緊密。此外，黏附聚集的顆粒之間還會(huì)產(chǎn)生分子間范德華力、大分子的排序以及疏水作用，這些現(xiàn)象有助于塑造菌膠團(tuán)的多變形態(tài)[9](圖2)。

圖2 菌膠團(tuán)形成過(guò)程中產(chǎn)生分子排列和聚集的顆粒間相互作用機(jī)制[9]Fig.2 Particle-particle interaction mechanisms that result in molecular arrangements and aggregation during formation of hydrated bioflocs in aquatic environments[9]

2.2 菌膠團(tuán)的生物多樣性

藻際菌膠團(tuán)具有多樣的微生物組成，常見(jiàn)的藻際細(xì)菌包括黃桿菌 (Flavobacteria)、α-變形桿菌 (Alphaproteobacteria)(如玫瑰桿菌Roseobacters)、γ-變形桿菌 (Gammaproteobacteria)、厚壁菌(Firmicutes)和放線菌(Actinobacteria)等。Nelson等[29]研究發(fā)現(xiàn)黃桿菌和玫瑰桿菌在甲藻、硅藻和藍(lán)藻中出現(xiàn)的頻度較高。藻菌間的交互作用與微生物群落的組成有關(guān)，例如黃桿菌、γ變形菌、玫瑰桿菌的占比情況可反映其共生藻類(lèi)的生理狀態(tài)[30]。EPS的多糖結(jié)構(gòu)是影響菌膠團(tuán)生物多樣性的重要因素之一。前期工作發(fā)現(xiàn)分子量較低、易被降解利用的糖類(lèi)可為擬桿菌類(lèi)的生存創(chuàng)造條件[7]；而一些高分子的溶解性有機(jī)物因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要不同細(xì)菌類(lèi)群分泌多種水解酶(如堿性磷酸酶、氨基葡糖苷酶和幾丁質(zhì)酶)以進(jìn)行協(xié)同降解利用[31]。Christie-Oleza等[32]研究發(fā)現(xiàn)分子鏈較長(zhǎng)的多糖的降解依賴(lài)于玫瑰桿菌屬、黃桿菌屬以及γ變形菌三種菌群的交互作用，玫瑰桿菌增強(qiáng)胞外水解酶的活性，黃桿菌對(duì)幾丁質(zhì)進(jìn)行降解，γ變形菌負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)化水解后的小分子物質(zhì)。菌膠團(tuán)的生物多樣性有助于微生物群體更加高效地降解利用底物基質(zhì)，很大程度上推動(dòng)了物質(zhì)運(yùn)輸和營(yíng)養(yǎng)共享。

2.3 菌膠團(tuán)的生物被膜特征

生物被膜(biofilm)是由微生物分泌的各種胞外聚合物(如多糖、核酸、蛋白質(zhì)等)組合形成的膜狀結(jié)構(gòu)[33]，是微生物主要的存在形式。能夠生成被膜的微生物種類(lèi)較為豐富，以變形桿菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)為主的細(xì)菌，以浮游植物為主的真核生物以及以海洋I型和II型為主的古菌都可以形成被膜結(jié)構(gòu)[34]。生物被膜的形成可簡(jiǎn)要的分為4個(gè)階段：①微生物通過(guò)鞭毛、菌絲以及膜蛋白與載體發(fā)生黏附作用[35]，同時(shí)分泌EPS輔助增強(qiáng)黏附力；②微生物在黏附的基礎(chǔ)上形成菌落，并逐漸擴(kuò)大形成水凝膠狀物質(zhì)[36]；③微生物在動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的過(guò)程中形成相對(duì)成熟的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)揮結(jié)構(gòu)性、功能性作用；④外層生物被膜老化、脫落，開(kāi)啟下一輪微生物群落的新陳更替。

生物被膜的重要作用已被大量研究證實(shí)。與浮游細(xì)胞不同，生物被膜的三維結(jié)構(gòu)可充當(dāng)“腳手架”，將內(nèi)部微生物的空間位置基本固定，使微生態(tài)群落在水環(huán)境中得以穩(wěn)定存在[37]。除了提供“維穩(wěn)”的作用之外，生物被膜的致密物理結(jié)構(gòu)還能幫助微生物群落抵抗多種極端環(huán)境因子，大幅度提升了個(gè)體細(xì)胞的生存概率[38]。生物被膜的多層空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了微生物營(yíng)養(yǎng)攝取及生長(zhǎng)代謝速率的梯度變化。最外層的微生物占據(jù)地理優(yōu)勢(shì)首先攝取了周?chē)h(huán)境中的氧氣或者底物基質(zhì)，相對(duì)于內(nèi)層微生物呈現(xiàn)出較高的新陳代謝速率[39]。生物被膜內(nèi)微生物間距緊密，有利于發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移，為微生態(tài)群落中某些抗性基因的產(chǎn)生及生物多樣性的形成提供了便利[40]。生物被膜內(nèi)單細(xì)胞個(gè)體受到高密度依賴(lài)型信號(hào)分子的調(diào)控，交互激發(fā)群體表達(dá)出多種感應(yīng)行為反過(guò)來(lái)促進(jìn)了生物膜的形成[41]。研究表明生物被膜的形成機(jī)制與群體感應(yīng)系統(tǒng)、環(huán)狀雙鳥(niǎo)苷酸和微小RNA(sRNA)有關(guān)[42]。

此外，生物被膜也為微生物間的合作與競(jìng)爭(zhēng)提供了適宜的場(chǎng)所。研究發(fā)現(xiàn)，在藻菌共生關(guān)系中，細(xì)菌和宿主可通過(guò)交互作用促進(jìn)生物被膜的生產(chǎn)速率[43]。兩種單菌混合培養(yǎng)相比于單一菌株培養(yǎng)能夠獲得更高的被膜生物量[44]，這是因?yàn)閮煞N微生物通過(guò)共享公共物質(zhì)(public goods)實(shí)現(xiàn)了合作共贏[45]。有實(shí)驗(yàn)將13種菌株進(jìn)行相互間的混合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)多菌株混合培養(yǎng)形成的膜具有更加多樣的功能結(jié)構(gòu)特征，表明微生物在生物被膜形成過(guò)程中存在協(xié)同合作關(guān)系[46]。膜內(nèi)微生物間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系主要集中在對(duì)空間、營(yíng)養(yǎng)、環(huán)境因子進(jìn)行爭(zhēng)奪，可通過(guò)分泌化學(xué)物質(zhì)達(dá)到競(jìng)爭(zhēng)目的。Nadell等[47]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)在膜形成的過(guò)程中爭(zhēng)奪空間的現(xiàn)象，且這一競(jìng)爭(zhēng)力取決于膜空間結(jié)構(gòu)和微生物的分布排列。在藻際菌膠團(tuán)中，澳大利亞紅藻(Deliseapulchra)可通過(guò)分泌一種與?；呓z氨酸內(nèi)酯信號(hào)分子(AHLs)相似的化學(xué)信號(hào)分子-呋喃酮，對(duì)生物膜形成及共生菌活性造成抑制[48]。值得注意的是：這種合作-競(jìng)爭(zhēng)的雙重關(guān)系并不是割裂存在的，而是在共生過(guò)程中時(shí)刻發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。以海洋環(huán)境中的赫氏顆石藻(Emilianiahuxleyi)為例，生長(zhǎng)初期與共生菌相互提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)屬于互利共生關(guān)系，當(dāng)藻類(lèi)處于衰亡期時(shí)會(huì)分泌一種觸發(fā)細(xì)菌“溶藻”的化學(xué)物質(zhì)，此時(shí)藻菌變?yōu)檗卓龟P(guān)系[49]。

2.4 群體感應(yīng)信號(hào)對(duì)菌膠團(tuán)的調(diào)節(jié)

群體感應(yīng)信號(hào)(quorum sensing，QS)是微生物細(xì)胞間用于交流通訊的化學(xué)信號(hào)，當(dāng)細(xì)胞密度超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，單個(gè)細(xì)胞會(huì)檢測(cè)識(shí)別到微生物分泌的自體誘導(dǎo)物(auto-inducers,AIs)，隨后細(xì)胞間發(fā)生交流，啟動(dòng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞密度、細(xì)胞聚集、EPS的合成以及生物熒光或毒素的分泌等[10]。QS信號(hào)通常被劃分為三大類(lèi)：第一類(lèi)是用于革蘭氏陰性菌的?；呓z氨酸內(nèi)酯(AHLs)和可擴(kuò)散信號(hào)傳導(dǎo)因子(DSF)；第二類(lèi)是用于革蘭氏陽(yáng)性菌的自誘導(dǎo)肽(AIP)；第三類(lèi)是用于微生物群落種間交流的自體誘導(dǎo)物(AI-2)和吲哚乙酸[50]。以AHLs信號(hào)分子為例，其作用機(jī)制：革蘭氏陰性菌利用AHLs與LuxR(一種DNA結(jié)合蛋白)結(jié)合，調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[6]。

在藻際環(huán)境中，QS信號(hào)能加快微生物聚集形成菌膠團(tuán)，促進(jìn)藻菌微環(huán)境的快速構(gòu)建。單細(xì)胞培養(yǎng)法證實(shí)通過(guò)對(duì)QS信號(hào)進(jìn)行感知識(shí)別，細(xì)菌會(huì)啟動(dòng)生物膜的形成[42]。此外，多細(xì)胞環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)群體感應(yīng)的確有助于細(xì)菌在以微藻為中心的周?chē)鷧^(qū)域形成生物膜結(jié)構(gòu)，有利于藻菌進(jìn)行物質(zhì)共享[51]。信號(hào)調(diào)節(jié)下菌膠團(tuán)的形成過(guò)程見(jiàn)圖3：細(xì)菌依賴(lài)QS信號(hào)調(diào)節(jié)群落密度，達(dá)到一定密度后行使定殖、生物被膜產(chǎn)生、EPS釋放以及“膠團(tuán)樣”結(jié)構(gòu)形成的生物功能，這些級(jí)聯(lián)過(guò)程受到分子間的逐級(jí)調(diào)控。QS信號(hào)對(duì)菌膠團(tuán)的作用分為兩種：正向調(diào)控和負(fù)向調(diào)控。在正向調(diào)節(jié)中，有研究表明假單胞菌接觸過(guò)量的CeO2納米毒性顆粒后，QS信號(hào)的作用強(qiáng)度隨著細(xì)胞密度增加而提高，促進(jìn)假單胞菌分泌大量的胞外多糖，強(qiáng)化群落結(jié)構(gòu)，利于菌膠團(tuán)的形成[52]。此外，在以硅藻為對(duì)象的研究中，發(fā)現(xiàn)菌膠團(tuán)中存在某種硫酸桿菌可通過(guò)分泌吲哚乙酸信號(hào)分子顯著增進(jìn)硅藻細(xì)胞的分裂活動(dòng)[7]。為了探究QS信號(hào)對(duì)菌膠團(tuán)調(diào)節(jié)的分子機(jī)制，基因敲除實(shí)驗(yàn)提供了部分證據(jù)。敲除特定基因使霍亂弧菌(Vibriocholerae)細(xì)胞密度處于較高水平時(shí)，QS信號(hào)能夠顯著促進(jìn)高密度細(xì)胞快速形成菌膠團(tuán)[53]。此外，微生物菌落的形態(tài)也取決于QS信號(hào)，副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)QS調(diào)控基因組中某個(gè)基因的缺失會(huì)導(dǎo)致菌落形態(tài)呈現(xiàn)出顯著變化：從“煎蛋”形狀(中間厚且不透明，而邊緣薄、半透明)變?yōu)榫渲行呐c邊緣無(wú)明顯差異的“薄餅”形狀[54]，這種形態(tài)的切換有利于維持滲透壓、適應(yīng)不同鹽度的環(huán)境。然而，在負(fù)向調(diào)控的例子中，有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)AHLs正常合成時(shí)，香茅草內(nèi)生菌(Pantoeaananatis)SK-1菌株不能形成菌膠團(tuán)；而AHLs合成受阻時(shí)反而發(fā)生明顯的細(xì)胞聚集現(xiàn)象[55]。

上圖示密度調(diào)節(jié)，下圖示分子響應(yīng)圖3 群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)菌膠團(tuán)的示意圖[56]Fig.3 Simplified regulation of quorum sensing on zoogloea consortium[56]

除QS調(diào)節(jié)機(jī)制以外，胞外DNA(eDNA)與菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)形態(tài)之間也存在著緊密的聯(lián)系。eDNA是生物膜形成的必需成分，對(duì)生物膜的多種特性具有調(diào)控作用；eDNA與Dns和Xds兩種胞外核酸酶共同影響細(xì)菌生物膜的結(jié)構(gòu)組成、生長(zhǎng)狀態(tài)、營(yíng)養(yǎng)獲取和微生物定殖[57]。eDNA也調(diào)控著菌膠團(tuán)的尺寸大小，其含量較高時(shí)菌膠團(tuán)體積更大[53]。此外，基因水平轉(zhuǎn)移也是促進(jìn)微生物聚集的成因之一，這是因?yàn)榫z團(tuán)中含有的質(zhì)粒攜帶了某些促進(jìn)生物膜形成的基因[58]。

3 菌膠團(tuán)的生態(tài)功能

3.1 營(yíng)養(yǎng)共享

藻際菌膠團(tuán)周?chē)涑庵⒃?、?xì)菌等多種微生物及其代謝產(chǎn)物，復(fù)雜多樣的化學(xué)物質(zhì)形成了藻菌微環(huán)境依賴(lài)的物質(zhì)基礎(chǔ)。營(yíng)養(yǎng)共享是藻菌通過(guò)合作共贏使雙方利益最大化的例證之一，主要通過(guò)以下3種途徑實(shí)現(xiàn)：①細(xì)菌可以將海洋環(huán)境中的大分子有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)(如氨基酸)、礦化藻源物質(zhì)釋放出無(wú)機(jī)鹽離子，為藻類(lèi)的生理活動(dòng)提供必備的營(yíng)養(yǎng)源。Sandhya等[59]研究發(fā)現(xiàn)藻際菌膠團(tuán)中細(xì)菌分泌的抗氧化劑、鐵載體和吲哚-3-乙酸可能對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)代謝具有促進(jìn)作用。②微藻通過(guò)光合作用固定海洋環(huán)境中的碳并分泌富含多糖的有機(jī)溶解物質(zhì)，為細(xì)菌的增殖、定殖提供營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，藻際菌膠團(tuán)中的藻類(lèi)可以為玫瑰桿菌的吸附定殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和基底環(huán)境[60]。③共生體系對(duì)外源環(huán)境中存在的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有更高的利用效率。Kishi等[61]分別向藻際菌膠團(tuán)、細(xì)菌、藻類(lèi)細(xì)胞的培養(yǎng)液中加入乙二醇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌膠團(tuán)中藻類(lèi)和細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率與乙二醇降解率均大于細(xì)菌和藻類(lèi)的單一培養(yǎng)體系，“物質(zhì)共享”很好地詮釋了藻菌共生關(guān)系建立的重要意義。

3.2 抵御脅迫環(huán)境

種類(lèi)復(fù)雜的微生物聚集在菌膠團(tuán)中，形成高度多樣性的生物功能群落。物種間的交互作用賦予了微生物群體抵抗不良環(huán)境的功能特性，不同種類(lèi)的菌膠團(tuán)根據(jù)脅迫環(huán)境的類(lèi)型做出應(yīng)答。例如：藍(lán)藻具有較高的胞外聚合物產(chǎn)量以及抵御紫外線長(zhǎng)期輻射、低溫的調(diào)控能力；血球菌對(duì)于紫外線輻射以及高鹽度環(huán)境有顯著抗性，這些特性緩解了脅迫環(huán)境對(duì)藻際菌膠團(tuán)的損傷[62]。此外，菌膠團(tuán)對(duì)低溫、高溫、酸堿性、高鹽度以及毒性環(huán)境都有一定的耐受性。以有毒納米粒子(IONP)為例，菌膠團(tuán)能形成內(nèi)外多層結(jié)構(gòu)，在EPS的緩沖下，能抵御有毒納米粒子的進(jìn)入和富集，這是微生物群體在有毒環(huán)境下存活的一種策略(圖4)[63]。

圖4 菌膠團(tuán)抵御納米顆粒(NPs)的機(jī)制示意圖[24]Fig.4 The front-line defense mechanism against nanoparticles (NPs) penetration in microbial aggregates[24]

菌膠團(tuán)的防御機(jī)制與微生物分泌的各種代謝產(chǎn)物(例如滲透壓劑、酶、肽、多糖等)緊密相關(guān)。與浮游細(xì)胞相比，菌膠團(tuán)的形成顯著延長(zhǎng)了微生物的生存時(shí)間，增強(qiáng)了微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[64]。在眾多代謝產(chǎn)物中，EPS對(duì)菌膠團(tuán)抵御惡劣環(huán)境發(fā)揮了極其重要的結(jié)構(gòu)性作用。Charies等[13]研究發(fā)現(xiàn)在pH高達(dá)13的強(qiáng)堿性環(huán)境中，菌膠團(tuán)被富含甘露糖的胞外多糖包圍，這層厚度達(dá)10 μm的保護(hù)膜顯著降低了菌膠團(tuán)內(nèi)部的pH，使菌膠團(tuán)的存活時(shí)間延長(zhǎng)至兩周。菌膠團(tuán)抵御有毒納米粒子侵害的主要機(jī)制有以下3種[65]：①官能團(tuán)豐富的EPS在與IONP結(jié)合后顯示出較高的生物吸附性，防止菌膠團(tuán)內(nèi)部微生物活性被破壞；②可溶性EPS增加了IONP的流體動(dòng)力學(xué)直徑，有助于促進(jìn)IONP的聚集；③菌膠團(tuán)接觸IONP后分泌大量EPS，EPS的官能團(tuán)、組成、結(jié)構(gòu)并非一成不變而是與IONP交互發(fā)生變化，這種變化反過(guò)來(lái)增強(qiáng)了微生物群體對(duì)IONP的抵抗能力。

3.3 維持多樣性(基因轉(zhuǎn)移)

菌膠團(tuán)的微生態(tài)環(huán)境與海洋環(huán)境之間存在的生態(tài)位差異會(huì)導(dǎo)致一些新基因或新物種的產(chǎn)生[66]。此外，基因水平轉(zhuǎn)移(HGT)對(duì)于獲取生物多樣性具有重要意義。由于菌膠團(tuán)中微生物之間聯(lián)系緊密，微生物群落內(nèi)攜帶的質(zhì)粒幫助實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和傳遞，產(chǎn)生新的抗性基因。不同種類(lèi)的微藻含有的共生菌基因多樣性存在差異，這種差異對(duì)微生物群落的特定功能具有塑造作用。硅藻的基因組中檢測(cè)到了多種共生菌基因，HGT可能有利于藻菌間的交互響應(yīng)[67]。綠藻中的枯草蛋白酶基因SBT1-5源自共生菌，該基因負(fù)責(zé)調(diào)控綠藻的生長(zhǎng)發(fā)育、免疫應(yīng)答等多種功能[68]?；蜣D(zhuǎn)移使藻菌共生體在協(xié)同作用下進(jìn)化出新的特性，是實(shí)現(xiàn)群體利益穩(wěn)定化、最大化的重要途徑之一。

3.4 代表性物種在菌膠團(tuán)中的作用

玫瑰桿菌以及黃桿菌是菌膠團(tuán)中2種較為常見(jiàn)的代表性物種。其中，玫瑰桿菌的基因組大小為6～8 Mb，且核苷酸數(shù)目相對(duì)較多，在生態(tài)環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的生存優(yōu)勢(shì)[69]。Koch等[70]研究發(fā)現(xiàn)玫瑰桿菌可能通過(guò)藻菌共生的方式作用于菌膠團(tuán)，作用過(guò)程可能受到環(huán)境因子、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)、趨化性等多種因素的共同影響。組學(xué)鑒定結(jié)果表明玫瑰桿菌基因組中存在多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些基因與藻際菌膠團(tuán)的組建機(jī)制有關(guān)[71]。此外，玫瑰桿菌的某些菌株中具有裂解二甲基巰基丙酸(DMSP)的功能基因(如DMSP裂解酶同源基因)[72]，將一些特定的藻類(lèi)(如定鞭藻Prymnesiophyte)分泌的DMSP進(jìn)行轉(zhuǎn)化[73]，在促進(jìn)藻際菌膠團(tuán)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的同時(shí)，加快了海洋環(huán)境中碳的循環(huán)。

另一種代表性物種黃桿菌通過(guò)降解大分子化合物的方式[19]，尤其是對(duì)多糖、蛋白質(zhì)等C源進(jìn)行吸收利用[74]，參與到菌膠團(tuán)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中。研究發(fā)現(xiàn)，黃桿菌的豐度值與藻類(lèi)多糖水解酶(如昆布多糖酶)的活性同時(shí)達(dá)到峰值[29]，表明兩者之間呈現(xiàn)出較高的正相關(guān)性。藻華爆發(fā)期間，黃桿菌中與水解多糖有關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)顯著上調(diào)[75]。黃桿菌功能強(qiáng)大的另一個(gè)原因在于其攝取能量的方式多樣化，例如，黃桿菌可以利用藻類(lèi)固氮釋放的氫氣進(jìn)行供能[76]。除此之外，黃桿菌還具有調(diào)節(jié)N元素的功能，以及根據(jù)胞內(nèi)具體條件加工S、Fe元素[7]，對(duì)微生物群體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。

4 結(jié)論與展望

菌膠團(tuán)是一個(gè)具有重要生態(tài)功能的微型生境，它建立在以多糖為主要成分的胞外聚合物EPS之上。菌膠團(tuán)增強(qiáng)了微生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、生物多樣性和物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力，且其動(dòng)力學(xué)過(guò)程和功能受群體感應(yīng)信號(hào)的調(diào)節(jié)。這種微小生境下的生態(tài)場(chǎng)所讓菌膠團(tuán)在物質(zhì)共享、元素循環(huán)、環(huán)境應(yīng)答和多樣性維持方面具有重要作用，可作為揭示生態(tài)系統(tǒng)的形成以及生態(tài)事件發(fā)生機(jī)制的窗口。

得益于高通量測(cè)序技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)菌膠團(tuán)作用機(jī)制的研究也越來(lái)越深入。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，除了前文中敘述的進(jìn)展，未來(lái)的工作可在以下方面深入拓展：①借助組學(xué)技術(shù)和單細(xì)胞測(cè)序手段在宏觀和微觀尺度上對(duì)菌膠團(tuán)的空間結(jié)構(gòu)、種群變化進(jìn)行精細(xì)分析，以更加明確地了解微生物交互作用對(duì)菌膠團(tuán)的調(diào)控機(jī)制[77]；②借助穩(wěn)定同位素技術(shù)和Nano質(zhì)譜方法，進(jìn)一步發(fā)掘藻際關(guān)系中藻類(lèi)、細(xì)菌、古菌、病毒間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，厘清交互作用對(duì)菌膠團(tuán)的調(diào)控機(jī)制；③探究藻際菌膠團(tuán)的形成過(guò)程、生態(tài)作用與赤潮事件之間的相關(guān)性或因果關(guān)系，為赤潮的形成機(jī)制和防控提供新的理論思路。