海草床微生物及其物質循環(huán)功能的研究進展

張 勇，李曉芳，王秋珍

(1.國家海洋局 秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 秦皇島 066002；2.河北農業(yè)大學 海洋學院，河北 秦皇島 066000)

海草床是地球上最重要的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一，具有穩(wěn)定泥沙、凈化水質、保護海岸線的重要功能，也是很多海洋生物賴以生存的棲息地。海草草甸中分布著豐富的微生物群落，在近海物質循環(huán)和生物地球化學過程中發(fā)揮重要作用，尤其是異養(yǎng)微生物群落，對于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關重要。與研究充分的陸生微生物相比，海草微生物組成結構存在顯著差異。例如，陸生植物葉片微生物組成與其周圍空氣樣本中的微生物群落不同，而大葉藻葉片的微生物組成與其周圍海水的微生物群落相似。此外，海草附生微生物群落也可能隨著環(huán)境條件的變化而改變。例如，在紅海北部的亞喀巴灣阿舍爾草甸，不同采樣站位和不同植物區(qū)系的托葉鹽藻的微生物群落組成存在差異，γ -變形菌門(Gammaproteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)在光照限制條件下豐度較高，藍藻門(Cyanobacteria)和紅桿菌科(Rhodobacteraceae)在光照條件和水動力條件強時豐度較高。而托葉鹽藻的葉片形態(tài)和光合色素含量受光的可利用性和水動力條件的影響。海草植物與微生物群落相互響應，未來可能成為評估海草生態(tài)狀況的有效方法。此外，由于近年來氣候變化和人類活動的影響，以及海草對環(huán)境壓力源較高的敏感度，全球海草覆蓋面積正快速減少。因此，海草微生物群落組成可以作為有效識別海草生態(tài)狀況的早期指標，用于更加全面、及時地掌握海草生態(tài)系統(tǒng)所面臨的環(huán)境壓力。本文主要總結了海草床微生物的多樣性及其參與硫、氮和碳循環(huán)的研究進展，以期為未來海草床的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和風險評估提供一定的參考。

1 海草床微生物的多樣性與分布

海草床微生物包括細菌、真菌、古生菌、病毒、原生動物、微藻等。其中真菌主要分布于海草組織內部以及水和沉積物中，真菌在海草中的定植頻率(CF%)普遍低于陸地植物，已經鑒定的海草內生真菌主要是子囊菌科。異養(yǎng)鞭毛蟲和纖毛蟲等原生生物廣泛分布于海草生態(tài)系統(tǒng)，網粘菌綱原生生物是導致海草消耗性疾病的病原。總體上，對海草床中的真菌、古生菌和病毒研究得較少，而細菌在海草生態(tài)系統(tǒng)中的多樣性和分布是目前研究的熱點。

海草床對沿海底棲生物化學、微生物群落組成和生物地球化學過程具有潛在的影響。海草定植的植被沉積物和裸露的非植被沉積物中細菌群落相對穩(wěn)定，總體上以δ-、ε-和γ-變形菌(Proteobacteria)為主，兩者的相對豐度沒有顯著性差異。但在植被沉積物中，δ-變形菌門脫硫球菌和綠彎菌門厭氧繩菌科Anaerolineae的比例要高得多；而在非植被沉積物中，擬桿菌門黃桿菌科Flavobacteriaceae的比例更高。此外，具有鐵(III)還原活性的地桿菌科Geobacteraceae和具有硫酸鹽還原活性的脫硫球莖菌科Desulfobulbaceae等固氮細菌普遍存在于沿海沉積環(huán)境中。美國佛羅里達最豐富的兩種海草泰萊草和絲狀針葉藻的葉片和根部以及海水和沉積物之間的微生物組成對比發(fā)現，葉片、根部、海水和沉積物的微生物組成各不相同，但兩種海草的微生物組是相似的。并且，在所有樣本中都發(fā)現了γ-變形菌綱Gammaproteobacteria，但它們在根和根莖中略多一些；δ-變形菌綱Deltaproteobacteria存在于除海水外的所有樣本中，α-變形菌綱Alphaproteobacteria和黃桿菌綱Flavobacteriia主要存在于海水和葉球中。類似地，針對大西洋東北部海草(大葉藻屬、和海神草屬)根際微生物群落組成的研究發(fā)現，根瘤菌組與周圍沉積物和海水的細菌群落存在顯著差異。同一區(qū)域內不同海草種類的根瘤菌組差異不顯著，但不同地理位置的海草根瘤菌組差異顯著。三種海草中最豐富的類群是γ-變形菌綱、δ-變形菌綱、擬桿菌綱Bacteroidia、ε-變形菌綱Epsilonproteobacteria、厭氧繩菌綱Anaerolineae、酸微菌綱Acidimicrobiia和α-變形菌綱。在根際，最豐富的類群為ε-變形菌綱。因此，海草微生物群落結構受環(huán)境條件的影響，可作為指示環(huán)境變化的輔助指標。

2 海草床微生物的物質循環(huán)功能

海草床生態(tài)系統(tǒng)的微生物群落，尤其是異養(yǎng)微生物，對近海物質循環(huán)和生物地球化學過程發(fā)揮重要作用，對于維持海草健康起著關鍵的調節(jié)作用。海草微生物可以將對植物有毒性作用的硫化物氧化為無毒的硫酸鹽、固氮或者保護海草免受病原體的傷害。

2.1 硫循環(huán)

沿海沉積物中的有機物積累導致沉積物中具有高濃度硫化物，對維管植物產生毒性作用。功能性微生物如β-變形菌綱Betaproteobacteria、γ-變形菌綱和δ-變形菌綱參與硫循環(huán)，是海草的核心根瘤菌群，對海草的生存和適應性發(fā)揮重要作用。海洋大葉藻的孤立根和根狀莖具有較高的硫酸鹽還原活性，根和根狀莖可能是硫酸鹽還原細菌(簡稱SRB)的理想生存區(qū)域，根和根莖相關的固氮細菌(簡稱NFB)以及SRB的豐度比整體沉積物高650倍。北半球海洋大葉藻最豐富的根際微生物類群集中在硫單胞菌屬上，約占根際分類操作單元(OTUs)的10%；并且絕大多數分離培養(yǎng)的硫單胞菌都能氧化硫化物并產生硫酸鹽作為最終產物。因此，硫循環(huán)相關細菌的富集可能對沿海海洋棲息地的宿主耐受硫化物毒性至關重要。此外，在厭氧條件下，脫硫盒菌屬可以CO為唯一碳源，固定氮氣，并通過將單質硫歧化為硫化物和硫酸鹽用于自身的生長。

2.2 氮循環(huán)

在海草床生態(tài)系統(tǒng)中，氮通常是限制生產力的主要營養(yǎng)因素。根際沉積物中重氮營養(yǎng)體的生物固氮作用可以將新的氮引入生態(tài)系統(tǒng)。固定氮從細菌轉移到海草植物，它們有可能滿足海草對氮的所有需求。在海洋大葉藻定植的濱海瀉湖表層沉積物中，氮化酶基因(H)主要存在于地桿菌科和脫硫球莖菌科的系統(tǒng)類型。此外，多數SRB也可以像NFB一樣固氮，硫還原群落進行的固氮可以提供植物所需的37%～1 613%的氮，是海草系統(tǒng)固氮的重要因素。鐵(III)還原菌地桿菌科也是沿海沉積物重氮營養(yǎng)體的優(yōu)勢菌群。不同的海草種類、采樣季節(jié)、地理位置和自然環(huán)境條件可能會影響海草相關沉積環(huán)境中N固定細菌的多樣性和分布。此外，硫酸鹽還原和固氮均受有機污染物的影響，在添加多環(huán)芳烴(簡稱PAHs)的誘導脅迫下，固氮細菌組合會發(fā)生巨大的變化。采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)方法研究3種多環(huán)芳烴(萘、芴和芘)對沉積物固氮細菌群落的影響，發(fā)現隨著多環(huán)芳烴種類、劑量和時間的不同，DGGE譜條帶數和條帶強度均發(fā)生了明顯的變化。經高濃度PAHs處理后，許多條帶變得微弱甚至消失；而低濃度的芴和芘可以刺激某些固氮細菌生長。

2.3 碳循環(huán)

海草只占沿海水域相對較小的一部分(約0.1%)，但它們是海洋碳庫的重要組成部分(10%～18%)。陸生植物和海草來源的有機碳是沉積物中儲存的有機碳的主要貢獻者。海草床有機質池主要包括沉積的浮游植物、易于被細菌利用的根和根莖浸出的可溶性有機物，以及相對持久的顆粒組分(主要是纖維素和半纖維素)，這些顆粒組分在沉積物中逐年累積。在海草細菌脫硫球菌屬、厭氧繩菌科Anaerolineae和黃桿菌科Flavobacteriaceae種類中，具有代表性的成員是參與碳循環(huán)的異養(yǎng)細菌的主要物種。海草SRB中的脫硫球菌屬能夠將各種電子供體完全氧化為CO，同時降解短鏈碳氫化合物，并且在沿海海洋和碳氫化合物滲漏沉積物中也發(fā)現了高細胞數的脫硫球菌屬相關種群。一些菌群能夠通過固氮降解碳氫化合物，可應用于溢油清理，特別是在氮限制的地區(qū)。此外，海草沉積物中有機質的多樣化以及高生物利用率(表現為相對較低的碳氮比)和較低還原性的厭氧條件，可能有利于脫硫球菌和厭氧繩菌綱Anaerolineae譜系。因此，它們是高產海草生態(tài)系統(tǒng)中底棲碳和硫循環(huán)中潛在的重要種群。

不同功能微生物之間的代謝活動交叉偶聯。例如，海草沉積物中存在一個屬于地桿菌家族的N固定細菌群，其產生的鐵(II)除了用于固定氮以滿足海草的快速生長外，還可能通過沉淀為黃鐵礦來緩解硫酸鹽還原的最終產物硫化物的毒性。海草微生物的氮固定與硫酸鹽還原過程在分子水平上是耦合的。SRB能夠促進海草甸沉積物的厭氧固氮活動，提高養(yǎng)分的可利用性。但海草根部徑向氧損失可能抑制沉積物中SRB的活性。NFB(如根瘤菌)和SRB(如硫酸還原菌脫硫念珠菌屬和脫硫線菌屬)的相對豐度可以分別作為海草健康或應激狀態(tài)的指標。此外，硫酸鹽還原菌團也能降解多環(huán)芳烴，其降解率與硫酸鹽還原率呈良好關系。因此，硫酸鹽還原菌可以作為碳、氮、硫生物地球化學循環(huán)的關鍵連接劑。

3 總結與展望

本文綜述了海草床微生物的多樣性、分布及其參與近海海草床生態(tài)系統(tǒng)硫循環(huán)、氮循環(huán)和碳循環(huán)的重要生態(tài)功能。海草床微生物包括細菌、真菌、古生菌、病毒、原生生物等，其中海洋細菌是研究得最多的參與硫、氮和碳代謝的微生物。某些異養(yǎng)細菌如SRB，在分子水平上耦合多個代謝過程(硫酸鹽還原、固氮、有機物降解)，并受海草、物種、水質和沉積物等多環(huán)境因素的影響。因此，某些功能性微生物未來可能作為海草健康狀態(tài)的重要指標。雖然已有研究對某些海草植物種類的全球尺度的微生物特征進行了深入系統(tǒng)研究，但仍需提供更多的海洋植物在其自然棲息環(huán)境的微生物群落特征，以及環(huán)境變化對海草與微生物關系產生的影響，以期通過大規(guī)模的研究更加深入地了解海草微生物的生態(tài)學特征與環(huán)境適應性進化機制。