文/胡濤

附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最多、分布最廣、多樣性最豐富的生命形式，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。本文分析了淡水生態(tài)系統(tǒng)中附著細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究的進(jìn)展，并對(duì)研究方法進(jìn)行歸納，結(jié)合水體富營(yíng)養(yǎng)化、水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理等問題分析附著細(xì)菌對(duì)水體的調(diào)節(jié)作用，以期加強(qiáng)水生生態(tài)學(xué)研究中對(duì)附著細(xì)菌的重視，為探究水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水綠色安全處理方法提供技術(shù)支撐。

細(xì)菌是地球上最古老的生物類群之一，數(shù)量和種類數(shù)量也最為龐大。水下的各種基質(zhì)上常附著有各種微生物組成的微生物群聚，其中包含了相當(dāng)數(shù)量且并不完全為人所知的細(xì)菌群落，這些附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組成成分，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的其他組成部分存在不可忽視的重要影響，如造成沉水植物死亡，驅(qū)動(dòng)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊從草型湖泊向藻型湖泊轉(zhuǎn)換等。此外，由于細(xì)菌個(gè)體較小，對(duì)環(huán)境因子非常敏感，亦是極好的環(huán)境指示生物。

目前，有關(guān)附著細(xì)菌的研究非常少，且大多集中在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。淡水生態(tài)系統(tǒng)中有關(guān)附著細(xì)菌的研究則處在初級(jí)階段，僅有少數(shù)這方面研究的報(bào)道。當(dāng)前在淡水生態(tài)系統(tǒng)研究工作中，有必要重視對(duì)附著細(xì)菌的研究。

一、附著細(xì)菌群落及其變化

（一）附著細(xì)菌群落組成

附著細(xì)菌群落組成包括厭氧細(xì)菌、好氧細(xì)菌、光合細(xì)菌以及化能自養(yǎng)微生物等。附著細(xì)菌群落組成在不同的水體環(huán)境中表現(xiàn)出明顯的差異，在溪流生物膜中，黃桿菌科（Flavobacteriaceae）尤其重要，β變形菌分布也非常廣泛，如食酸菌屬（Acidovorax）；在高山湖泊中，擬桿菌門（Bacteroidetes）和藍(lán)藻門（Cyanobacteria）是最為重要的分類單元，其次是變形菌、綠菌門（Chlorobi）、浮霉菌門（Planctomycetes）和疣微菌門（Verrucomicrobia）；在河口附著細(xì)菌群落中，淡水部分以黃桿菌門黃桿菌綱的嗜酸菌屬（CFB，Cytophaga-Flavobacteria-Bacteroides）分布最為廣泛；藍(lán)藻表面附著細(xì)菌中浮霉菌（Planctomycetes）數(shù)量最多，其次是CFB，β和γ變形菌。

（二）附著細(xì)菌群落組成的時(shí)空分布

目前，附著細(xì)菌群落組成時(shí)空分布的研究主要集中在海洋水體中，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落組成的時(shí)間差異性要大于空間差異。achnit等對(duì)三種大型海藻表面附著細(xì)菌群落組成為期兩年的研究結(jié)果表明，連續(xù)兩年附著細(xì)菌群落組成都在門一級(jí)水平上存在顯著的時(shí)間和宿主之間的差異，而不同年份的同一月份和同一宿主平行樣之間則僅顯示出種一級(jí)水平上的差異。

在淡水生態(tài)系統(tǒng)中的研究結(jié)果則與此相反。Hampel等連續(xù)兩年對(duì)一個(gè)淡水湖泊中兩種沉水植物和人工基質(zhì)上附著細(xì)菌群落組成進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同年份同一時(shí)期的附著細(xì)菌群落組成差異顯著，但葉片表面附著細(xì)菌群落組成的差異性要大于芽尖附著細(xì)菌群落組成的差異，這被解釋成不同年齡的沉水植物宿主組織內(nèi)所含的酚類化感物質(zhì)含量不同。研究結(jié)果表明，附著細(xì)菌群落組成與季節(jié)之間關(guān)系的研究目前僅限于水體中顆粒有機(jī)物表面附著細(xì)菌，具體表現(xiàn)為冬季和春季細(xì)菌群落組成差異較小，而夏季和秋季群落組成差異較大。盡管研究結(jié)果證明了細(xì)菌群落組成存在明顯的季相交替，這可能與不同季節(jié)環(huán)境因子變化的幅度有關(guān)。

此外，附著細(xì)菌群落組成隨生境梯度變化存在顯著差異。不同海拔湖泊的附著細(xì)菌群落組成的研究結(jié)果表明，附著細(xì)菌群落組成在林線以下的湖泊和高山湖泊之間存在顯著差異，這種差異性顯著高于湖泊內(nèi)的差異。這些附著細(xì)菌空間異質(zhì)性分布的研究實(shí)際上證明了附著細(xì)菌群落組成對(duì)環(huán)境的敏感性，恰好也是附著細(xì)菌群落組成研究的難點(diǎn)所在，即附著細(xì)菌群落組成總是多因素綜合作用的結(jié)果。

（三）附著細(xì)菌與水體其他部分細(xì)菌群落的比較

水生生態(tài)系統(tǒng)中底泥、水體及生物膜中均有細(xì)菌分布。目前為止，水生生態(tài)系統(tǒng)不同部分細(xì)菌群落組成的比較研究大多集中在浮游細(xì)菌和附著細(xì)菌之間。與浮游細(xì)菌相比，海洋水體中顆粒物附著細(xì)菌豐度和多樣性均較低，活性卻高于浮游細(xì)菌。河口生態(tài)系統(tǒng)中，顆粒附著細(xì)菌豐度卻略低于浮游細(xì)菌豐度。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中顆粒附著細(xì)菌則遠(yuǎn)高于浮游細(xì)菌，約占總細(xì)菌數(shù)的65%，但沉水植物莖葉表面附著細(xì)菌數(shù)量則和浮游細(xì)菌相差不大，都遠(yuǎn)低于底泥細(xì)菌數(shù)量。富營(yíng)養(yǎng)化湖泊近岸蘆葦沼澤中，附著在蘆葦枯葉上的細(xì)菌數(shù)量高于底泥，兩者都超過附著在蘆葦莖上的細(xì)菌數(shù)量數(shù)百倍，而浮游細(xì)菌的數(shù)量最少，約為附著細(xì)菌數(shù)量的1/4。相似的研究結(jié)果在丹麥一個(gè)淺水富營(yíng)養(yǎng)湖泊中也被發(fā)現(xiàn)，附著在沉水植物表面的細(xì)菌數(shù)量是浮游細(xì)菌數(shù)量的7倍左右。

（四）水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平對(duì)附著細(xì)菌群落組成的影響

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量對(duì)水生植物、浮游生物、附著生物都有很大的影響，細(xì)菌生長(zhǎng)需要利用水體中溶解態(tài)無機(jī)氮和無機(jī)磷等。其他利用營(yíng)養(yǎng)鹽的生物勢(shì)必會(huì)對(duì)附著細(xì)菌的群落組成產(chǎn)生影響，但是目前關(guān)于附著細(xì)菌群落組成與水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量的關(guān)系研究還非常少。

Tang等對(duì)太湖顆粒懸浮物附著細(xì)菌群落組成差異的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行研究，結(jié)果表明底泥再懸浮程度和水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是導(dǎo)致不同地點(diǎn)附著細(xì)菌群落組成差異的主要原因。宋玉芝等對(duì)太湖不同湖區(qū)浮游細(xì)菌和顆粒懸浮物附著細(xì)菌群落組成的研究發(fā)現(xiàn)，附著細(xì)菌群落組成與水體中TP含量呈顯著相關(guān)，卻與TN含量不相關(guān)，而浮游細(xì)菌群落組成與TN和TP都呈顯著相關(guān)，浮游細(xì)菌受營(yíng)養(yǎng)鹽的影響比附著細(xì)菌大。然而還存在顆粒懸浮物表面附著細(xì)菌群落組成與水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度無關(guān)的現(xiàn)象，目前這種現(xiàn)象被解釋成附著細(xì)菌是與水體中可溶性的TP和TN有關(guān)。

二、附著細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用

（一）是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分

淹沒在水下的各種基質(zhì)上常附著有各種微生物組成的微生物群聚，被稱為周叢生物（Periphyton）或生物膜（Biofilm）?；C據(jù)表明，早在33億～34億年前地球上已經(jīng)存在生物膜的結(jié)構(gòu)。不僅起源古老，生物膜的分布也極為廣泛，幾乎在所有水體中所有附著基質(zhì)表面都有分布。周叢生物中包含了藻類、細(xì)菌、真菌及一些小型無脊椎動(dòng)物，其中以細(xì)菌功能最為強(qiáng)大，是附著生物中物種多樣性最為豐富的組成成分之一，被特稱為附著細(xì)菌（Epiphytic bacteria）。附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組成成分，分布在幾乎所有水下基質(zhì)表面，被稱為“世界上最奇怪的水下都市”。

（二）對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中其他組成成分的影響

在河流生態(tài)系統(tǒng)中，生物膜的存在使得水體流速降低3倍，水體中顆粒物的沉降量增加了1.2倍，導(dǎo)致水體中有機(jī)分子的吸收速度發(fā)生了改變。由于這個(gè)過程在溪流源頭廣泛存在，因而可以通過水系的縱向聯(lián)系改變河流、湖泊甚至海洋的生化和水文學(xué)過程。

附著細(xì)菌廣泛分布在水生生態(tài)系統(tǒng)中，其具備一定的物理形態(tài)存在于生物膜中，在生物膜的內(nèi)部，附著細(xì)菌的存在不可避免會(huì)對(duì)其附著基質(zhì)產(chǎn)生影響，造成附著基質(zhì)物質(zhì)組成以及物理結(jié)構(gòu)上的改變。對(duì)菹草葉片表面附著物的研究結(jié)果表明，附著細(xì)菌會(huì)像病原菌入侵一樣破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，菌絲體大量擴(kuò)散到菹草葉表皮細(xì)胞中，最終導(dǎo)致菹草葉片衰亡。在金魚藻葉片及其附著細(xì)菌的研究亦有相同發(fā)現(xiàn)。這種附著細(xì)菌對(duì)其植物宿主的影響在富營(yíng)養(yǎng)化水體中更為強(qiáng)烈，因?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化水體中附著物生物量往往更高。這曾被解釋為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中沉水植物消失，草型湖泊向藻型湖泊轉(zhuǎn)換的原因之一。

除此之外，附著細(xì)菌還會(huì)對(duì)附著層中的初級(jí)生產(chǎn)者的生化過程產(chǎn)生影響。初級(jí)生產(chǎn)者將化能固定成生物組織是食物鏈的基礎(chǔ)，在水生生態(tài)系統(tǒng)中，初級(jí)生產(chǎn)者的生長(zhǎng)會(huì)受到營(yíng)養(yǎng)鹽水平等限制因子的約束，而細(xì)菌則是開啟限制因子約束初級(jí)生產(chǎn)者生長(zhǎng)的開關(guān)。

（三）是水環(huán)境健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)

在濕地生化環(huán)境響應(yīng)干擾的過程中，微生物扮演了關(guān)鍵的角色。由于微生物群落個(gè)體微小且對(duì)環(huán)境變化極為敏感，即便是極小的環(huán)境變化也會(huì)在微生物變化中反映出來，因此，細(xì)菌可作為非常好的環(huán)境健康評(píng)價(jià)指標(biāo)。Sim等根據(jù)氨氧化古細(xì)菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）的相對(duì)生物量提出AOA和AOB的比值可以作為濕地管理和調(diào)控的新的指標(biāo)。首先，探測(cè)好氧菌呼吸代謝變化是探測(cè)濕地生境衰退的早期信號(hào)。在貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，AOA與氨含量顯著相關(guān)，并可與浮游藻類和細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)氨，在自然灘涂環(huán)境中AOA的含量也高于AOB，而在處理氨負(fù)荷超標(biāo)的污水系統(tǒng)中，AOB是硝化作用菌群的主要類群，在中國(guó)的富氮底泥AOB研究中也得到了相似的結(jié)果。然而該評(píng)價(jià)指標(biāo)只是針對(duì)底泥細(xì)菌提出，附著細(xì)菌作為生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究還有待進(jìn)一步開展。

三、附著細(xì)菌群落組成的主要研究方法

（一）微生物形態(tài)學(xué)分類方法

早期微生物群落的研究主要是基于形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合其生理生化特征和培養(yǎng)特征，進(jìn)行微生物物種鑒定。但是這種方法是基于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，無法得到真實(shí)的自然狀況下微生物物種信息。據(jù)測(cè)算，微生物培養(yǎng)方法分離出的微生物僅占微生物總量的0.1%～10%。但該方法在特定類群功能細(xì)菌的研究中還是存在一些優(yōu)勢(shì)的。例如在水體N循環(huán)功能菌的研究中，可以結(jié)合限制性培養(yǎng)基對(duì)不同樣本間不同N循環(huán)功能菌相對(duì)生物量影響的大小進(jìn)行比較，并可對(duì)不同實(shí)驗(yàn)處理下樣本N循環(huán)功能強(qiáng)弱進(jìn)行估算。

（二）分子生物學(xué)手段研究方法

基于分子生物學(xué)手段的研究方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于微生物形態(tài)學(xué)分類方法難以完全反映自然狀況的缺點(diǎn)，逐漸成為微生物群落研究的主要途徑。分子生物學(xué)研究手段中，根據(jù)是否結(jié)合聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）工具可分為兩大類。不需要進(jìn)行PCR的研究方法相對(duì)而言更加簡(jiǎn)便，成本也相對(duì)低廉，常用的包括磷脂脂肪酸（PLFA，phospholipidfatty acid）和原位熒光雜交（FISH，fluorescence in situ hybridization）。需要結(jié)合PCR手段的研究方法主要包括DNA指紋圖譜分析、基因克隆文庫（16S rDNA clone library）和實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)（Real-time PCR）三大類。

DNA指紋圖譜技術(shù)方便易行且成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)樣本中細(xì)菌群落的物種多樣性和定量分析，然而不能精確定性和定量，16S rDNA克隆文庫能夠進(jìn)行精確的物種鑒定，卻難以精確定量。精確的細(xì)菌群落物種組成的研究一般通過DNA指紋圖譜結(jié)合16S rDNA克隆文庫來實(shí)現(xiàn)，但該工作費(fèi)用高昂，且挑菌落過程工作量繁重。這使得一般的細(xì)菌群落研究中，只能對(duì)少量樣本進(jìn)行16S rDNA克隆文庫構(gòu)建，這就大大降低了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性。

（三）宏基因組學(xué)技術(shù)

宏基因組學(xué)技術(shù)由近些年來基于基因克隆文庫技術(shù)發(fā)展而來，是目前為止最為先進(jìn)最為精準(zhǔn)的細(xì)菌群落研究手段，卻一直因其費(fèi)用高昂而沒有廣泛得到應(yīng)用。最近發(fā)展出的高通量測(cè)序（High-throughout sequencing）技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了混合細(xì)菌樣本中精確定性定量的突破，且對(duì)樣本需求量少，樣品檢測(cè)快速便捷，可重復(fù)性高，能真實(shí)反映自然狀況下細(xì)菌群落組成。該技術(shù)的推出對(duì)于包括微生物生態(tài)學(xué)在內(nèi)的分子生物學(xué)研究具有重要革命性意義，以至于被稱為新一代測(cè)序技術(shù)（Next-generation sequencing technology），或次代測(cè)序、二代測(cè)序。因而盡管目前高通測(cè)序的費(fèi)用仍然較高，卻在微生物群落組成的分析中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

四、未來發(fā)展展望

（一）開發(fā)利用新的研究手段

要弄清楚一個(gè)類群在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，首先是要弄清楚其群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的相互作用過程。長(zhǎng)期以來，受研究手段的限制，無法快速準(zhǔn)確量化附著細(xì)菌的群落組成是對(duì)該類群了解有限的關(guān)鍵制約因素。隨著更先進(jìn)的可以實(shí)現(xiàn)高通量混合菌群群落組成分析技術(shù)、基因條形碼快速物種鑒定技術(shù)等為代表的分子生物學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)附著細(xì)菌群落組成的量化分析、對(duì)優(yōu)勢(shì)類群及關(guān)鍵物種的快速鑒定，從而推動(dòng)對(duì)該類群在生態(tài)系統(tǒng)過程中扮演角色的研究，全面揭示淡水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程。

（二）應(yīng)用前景廣泛

附著細(xì)菌是水生生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最多、分布最廣、多樣性最豐富的生命形式，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，它不但直接影響著淡水生態(tài)系統(tǒng)的功能，也關(guān)乎著自然與人類的健康。通過針對(duì)附著細(xì)菌開展全面研究，可以探索出有效清理水體中污染物質(zhì)的方法，在水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理、外源水保護(hù)等方面均能發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景非常廣闊。

1.水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染治理

水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染治理是生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵一環(huán)。利用水產(chǎn)養(yǎng)殖污染水域中附著細(xì)菌的代謝活動(dòng)，與水體中有毒有害菌競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)，從而降低水體中有毒有害菌的濃度，或改變有毒有害菌性質(zhì)，使其完全無害化，可使已受有害菌污染的水域能部分或完全恢復(fù)，遏制養(yǎng)殖水環(huán)境惡化，減少養(yǎng)殖過程中藥物的投放，保障水產(chǎn)品安全優(yōu)質(zhì)，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖向生態(tài)健康轉(zhuǎn)型。

2.水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理

研究表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水含有大量殘餌、糞便等，直接排放會(huì)致使水體有機(jī)物含量升高，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化及養(yǎng)殖水域生態(tài)失調(diào)。通過附著細(xì)菌群聚活動(dòng)，可以去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中多種還原性污染物，將有機(jī)物代謝成無機(jī)鹽供水體中微生物使用，防止水體中藍(lán)藻等大規(guī)模繁殖導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，從而起到凈化水質(zhì)，優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的作用。運(yùn)用淡水附著細(xì)菌處理水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水，能有效貫徹落實(shí)養(yǎng)殖尾水處理行動(dòng)，推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。

3.外源水保護(hù)

湖泊對(duì)于外來污染物有一定的自凈作用，這種自凈作用主要就是通過湖泊的附著細(xì)菌族群活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。水體中高效的降解菌活躍形成優(yōu)勢(shì)族群，并通過對(duì)污染物分解獲得的能量生長(zhǎng)、繁殖，降解菌種群數(shù)量提升后又強(qiáng)化了自身對(duì)水體中污染物的吸附、吸收和降解，提高了水體的自凈能力。通過研究附著細(xì)菌群落和限制因子之間的關(guān)系，可以有效控制湖泊等外源水水體的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)提供充足安全的水源。