參與水體循環(huán)的微生物群落研究

封永輝，張人銘，時(shí)春明，李 林，馬燕武

(新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學(xué)研究所，新疆烏魯木齊 830000)

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參與水體循環(huán)的微生物群落研究

封永輝，張人銘，時(shí)春明，李 林，馬燕武

(新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學(xué)研究所，新疆烏魯木齊 830000)

微生物代謝可以維持、恢復(fù)良好水體底泥微系統(tǒng)環(huán)境，對(duì)水體自凈作用巨大，是目前污染水體生態(tài)環(huán)境改善和恢復(fù)的關(guān)鍵所在[1]。作為水生態(tài)系統(tǒng)中種類最多、代謝活性最強(qiáng)的生物類群，微生物成為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要部分[2-5]。例如，在地球生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中，細(xì)菌作為微生物類群之一，構(gòu)成了食物網(wǎng)最重要的核心組份，作為生產(chǎn)者和分解者的雙重身份，對(duì)水體中的溶解性有機(jī)物、顆粒性有機(jī)物、懸浮物、營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)循環(huán)的再生起著重要作用。沉積物中細(xì)菌對(duì)溶解性有機(jī)物的生物降解和生物轉(zhuǎn)化作用以及水體的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程也具有重要影響[2]，經(jīng)過(guò)細(xì)菌作用，再通過(guò)浮游動(dòng)物和原生動(dòng)物的取食逐步向食物網(wǎng)上級(jí)傳遞，形成了再次生產(chǎn)的結(jié)果，由于其在生物量上占優(yōu)勢(shì)，且代謝速度快，使其在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中具有特殊意義。筆者對(duì)微生物在水體物質(zhì)轉(zhuǎn)化與循環(huán)中的作用和水污染治理中的應(yīng)用以及主要研究方法進(jìn)行初步探討，以期為后續(xù)微生物生態(tài)資源利用開(kāi)發(fā)有所幫助。

1微生物在水體物質(zhì)轉(zhuǎn)化與循環(huán)中的作用

1.1碳循環(huán)以細(xì)菌為例，細(xì)菌在碳循環(huán)中可以將CO2固定為有機(jī)物，也可以把復(fù)雜的有毒有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為可再生利用的CO2、水、能量(圖1)。目前，研究的參與CO2固定的細(xì)菌主要有光合細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和藻類，而參與CO2再生的微生物主要有芽孢桿菌、梭菌、真菌、放線菌。

圖1　細(xì)菌參與碳循環(huán)過(guò)程Fig.1　Process of bacteria participating in carbon cycle

1.2氮循環(huán) 水體環(huán)境中的氮素有氨氮、有機(jī)態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮，空氣中氮?dú)饨?jīng)植物光合作用固定生成氨，重新溶解于水體中，硝酸鹽也可被水體植物直接吸收利用，形成植物蛋白，水生動(dòng)物攝取植物，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成動(dòng)物蛋白，動(dòng)植物尸體等腐殖質(zhì)可通過(guò)微生物的分解又可以再次產(chǎn)生氨，在硝化細(xì)菌的作用下又氧化成硝酸鹽(圖2)。參與氮循環(huán)過(guò)程的細(xì)菌如下：氨化過(guò)程中有氨化細(xì)菌屬(Ammonifier)，種類有普通變形桿菌(Proteusvulgaris)、巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)；固氮過(guò)程中有固氮菌屬(Azotobacter)、梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)、腸道桿菌科、埃希氏菌屬、藍(lán)細(xì)菌；反硝化過(guò)程中有如銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)、螺菌屬(Spirillum)和莫拉氏菌屬(Moraxella)；厭氧氨氧化過(guò)程中有浮霉菌門(mén)厭氧氨氧化菌[5]；硝化、亞硝化過(guò)程中有硝化球菌、硝化刺菌、硝化桿菌、亞硝化桿菌、亞硝化螺菌、亞硝化球菌、蠟狀芽孢桿菌(B.cereus)、神靈色桿菌(Chromobacteriumprodigiosum)、腐敗梭菌(C.putrificum)、熒光假單胞菌(P.fluorescens)、脫氮假單胞菌(P.denitrificans)、副球菌屬(Paracoccus)、沙雷氏菌屬(Serratia)、產(chǎn)堿菌屬、蒼白桿菌屬、紅球菌屬、嗜冷桿菌屬和動(dòng)膠菌屬等約50多個(gè)屬的150多種[6-9]。

1.3磷循環(huán)水體中的磷以有機(jī)磷、可溶性、不溶性磷酸鹽形式存在(圖3)。 細(xì)菌在可溶性磷和不溶性磷的互相轉(zhuǎn)化中也發(fā)揮著重要作用，其中無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化菌主要有假單孢菌(Pseudomonassp.)和類芽孢桿菌(Paenibacillussp.)；有機(jī)磷分解菌主要包括蘇云金芽孢桿菌(B.thurigiensis)、氧化微桿菌(Microbacteriumoxydans)等。解磷菌主要有解磷巨大芽孢桿菌(B.megaterium)、臘狀芽孢桿菌(B.cereus)等；聚磷菌主要有枯單芽孢桿菌、圓褐固氮菌、亞硝化桿菌屬、硝化桿菌屬、氣單胞菌屬等[4-7]。

圖2　細(xì)菌參與氮循環(huán)過(guò)程Fig.2　Process of bacteria participating in nitrogen cycle

圖3　細(xì)菌參與磷循環(huán)過(guò)程Fig.3　Process of bacteria participating in phosphorus cycle

1.4硫循環(huán)水體環(huán)境中硫元素以硫氫基氧化態(tài)、氧化態(tài)、硫酸鹽氧化態(tài)3種形態(tài)存在。硫酸鹽通過(guò)氧化作用可轉(zhuǎn)化為有機(jī)的硫氫基化合物，作為許多植物和微生物可用硫的惟一來(lái)源，同時(shí)水體動(dòng)物必須的含硫氨基酸也可由硫酸鹽供應(yīng)[6]。參與硫循環(huán)的硫酸鹽還原菌和硫氧化細(xì)菌，兩者可協(xié)同驅(qū)動(dòng)一個(gè)完整的硫循環(huán)過(guò)程(圖4)。

圖4　細(xì)菌參與硫循環(huán)過(guò)程Fig.4　Process of bacteria participating in sulfur cycle

2微生物在水污染治理中的應(yīng)用

2.1水質(zhì)凈化近年來(lái)隨著環(huán)境污染的加重，農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑等有機(jī)污染物大量使用，增加了內(nèi)源污染，并且水體細(xì)菌本身具有的分解有毒物質(zhì)能力也被抑制，超出了水體自凈能力，進(jìn)而加重了污染，而消除污染物的影響需要外在加入多種細(xì)菌胞外酶類[8]。付融冰等[9]利用稀釋法和混菌法，分析了人工濕地污水凈化效果與填料中微生物數(shù)量之間的關(guān)系，結(jié)果表明，微生物數(shù)量與BOD5及總氮的去除有顯著相關(guān)性。劉明等[10]也研究了潛流濕地中微生物對(duì)三峽庫(kù)區(qū)微污染水凈化效果的影響，結(jié)果表明，不同季節(jié)各濕地系統(tǒng)的水質(zhì)指標(biāo)去除率與微生物數(shù)量之間的相關(guān)性較強(qiáng)。

2.2環(huán)境污染治理細(xì)菌作為環(huán)境敏感生物，是重要的環(huán)境污染指示生物之一，微生態(tài)系統(tǒng)在水體生態(tài)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)及作用至關(guān)重要，水體污染往往伴隨著微生態(tài)的變化[10]，也可以作為生態(tài)修復(fù)后的治理狀態(tài)指標(biāo)。葉樹(shù)明等[11]用ATP生物發(fā)光法測(cè)量了西湖水體中微生物數(shù)量，濃度為10-7～10-6cfu/ml，其分布表現(xiàn)為近岸高于湖心，春季低于夏季，人為活動(dòng)中旅游、垂釣等對(duì)西湖水體微生物的分布有較大影響。目前，大腸菌群作為分辨污染的指示菌，根據(jù)其數(shù)目多少來(lái)判斷水源是否受糞便污染，并間接推測(cè)水源受腸道病原菌污染的可能性[12]。

3水體微生物群落研究方法

目前，水體微生物群落研究主要采用傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代分子生物學(xué)方法，以及將兩者相結(jié)合。隨著技術(shù)的進(jìn)步，也逐漸出現(xiàn)了一些新的方法探索。

3.1傳統(tǒng)方法 傳統(tǒng)的微生物研究方法包括樣品采集、細(xì)菌培養(yǎng)、分離純化、生理生化鑒定等，對(duì)可培養(yǎng)微生物采用梯度稀釋培養(yǎng)技術(shù)，而對(duì)難培養(yǎng)微生物和不可培養(yǎng)微生物采用熒光顯微鏡法、流式細(xì)胞儀法[12]等適時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。在微生物群落水平上根據(jù)生理特征(Community-level physiological profiling，CLPP)[13]，可采用 Biolog微平板法[14]。杜瑞英[15]采用Biolog法研究了某礦山金屬污染土壤修復(fù)過(guò)程中微生物群落變化，結(jié)果表明，紅麻種植前施用有機(jī)肥等改良劑，可有效提高土壤微生物活性。邱權(quán)等[16]采用微平板法對(duì)三峽水庫(kù)小江流域的土壤微生物功能多樣性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可培養(yǎng)微生物對(duì)時(shí)間變化影響顯著。

3.2分子生態(tài)學(xué)方法基于PCR方法：末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(terminal restriction fragment length polymorphism，T-RFLP)、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、單鏈構(gòu)象多態(tài)性技術(shù)(single strand conformation polymorphism，SSCP)[17]、隨機(jī)引物擴(kuò)增多態(tài)性(random amplified polymorphic DNA，RAPD)[18]、擴(kuò)增 rDNA 限制酶切分析(amplified ribosomal DNArestriction analysis，ARDRA)；變性梯度凝膠電泳(Denatured gradient gel electrophoresis，DGGE)[19]、TGGE與多維尺度分析(Multi-Dimensional Scaling，MDS)[14-20]、宏基因組學(xué)[17，23]。Mofett等[21]利用ARDRA法比較了鋅污染土壤與非污染土壤的微生物多樣性，結(jié)果表明，鋅毒害脅迫明顯降低了細(xì)菌群落的多樣性。Omar等[22]利用PCR-DGGE研究了墨西哥發(fā)酵玉米面團(tuán)，分析了在發(fā)酵過(guò)程中不同階段微生物種類和數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化。

3.3其他方法水體微生物群落的研究方法還有基因芯片、掃描電鏡法、透射電鏡法、熒光染料染色法、微生物醌指紋法、多變量統(tǒng)計(jì)分析(Multivariate Statistical Analysis，也稱多元統(tǒng)計(jì)分析)、熒光原位雜交[24-28]。

4展望

(1)微生物凈化技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如費(fèi)用低、效果好、對(duì)外界干擾少等，因此日益成為研究的熱點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定治理效果。但無(wú)論是單一菌種還是復(fù)合菌種，都存在具體環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，尤其是基因工程菌對(duì)自然環(huán)境的生物安全性問(wèn)題日益突出，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

(2)目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于淡水生態(tài)系統(tǒng)中的細(xì)菌的研究主要集中在浮游細(xì)菌豐度、種群組成及群落結(jié)構(gòu)多樣性等方面，對(duì)功能細(xì)菌群落的潛力開(kāi)發(fā)深入研究較少[29-32]。

(3)微生物種群結(jié)構(gòu)受溶解氧、pH、溫度等要素的影響較大[33]，水體污染物的來(lái)源廣泛，加上污染物成分受有機(jī)質(zhì)種類及含量的影響而千差萬(wàn)別，相應(yīng)理論研究缺少，使得細(xì)菌在污水治理上具有很多不確定性因素，影響其工業(yè)開(kāi)發(fā)利用。

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摘要首先，分析了微生物在水體物質(zhì)轉(zhuǎn)化與循環(huán)中的作用，主要介紹了細(xì)菌在碳、氮、磷、硫循環(huán)中的作用；然后，探討了微生物在水污染治理中的應(yīng)用，如凈化水體，作為環(huán)境污染指示生物；最后，介紹了水體微生物群落的研究方法，包括傳統(tǒng)方法、現(xiàn)代分子生物學(xué)方法以及其他新的方法，并對(duì)今后微生物的研究方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞微生物；細(xì)菌；水體；物質(zhì)循環(huán)；方法

Study of Microbial Community Participating in Water Cycle

FENG Yong-hui, ZHANG Ren-ming, SHI Chun-ming et al(Xinjiang Fishery Research Institute,Urumqi, Xinjiang 830000)

AbstractFirstly, the roles of microorganisms in the material cycle and transformation process of water ecosystem were analyzed, especially the roles of bacteria in carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur cycle. Secondly, the application of microorganisms in the control of water pollution, such as purifying water quality and being as an indicator of environmental pollution. Afterwards, the study methods of microbial community in water were introduced, including traditional methods, modern molecular biology methods and other new methods, and the research direction of microorganisms in future was discussed finally.

Key wordsMicroorganisms;Bacteria; Water body; Material cycle; Method

收稿日期2015-12-14

作者簡(jiǎn)介封永輝(1984- )，男，新疆烏魯木齊人，工程師，碩士，從事水產(chǎn)病原微生物分離方面的研究。

中圖分類號(hào)S 182

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)01-132-03