参与水体循环的微生物群落研究

封永辉，张人铭，时春明，李 林，马燕武

(新疆维吾尔自治区水产科学研究所，新疆乌鲁木齐 830000)



参与水体循环的微生物群落研究

封永辉，张人铭，时春明，李 林，马燕武

(新疆维吾尔自治区水产科学研究所，新疆乌鲁木齐 830000)

微生物代谢可以维持、恢复良好水体底泥微系统环境，对水体自净作用巨大，是目前污染水体生态环境改善和恢复的关键所在[1]。作为水生态系统中种类最多、代谢活性最强的生物类群，微生物成为水生态系统中的重要部分[2-5]。例如，在地球生态循环系统中，细菌作为微生物类群之一，构成了食物网最重要的核心组份，作为生产者和分解者的双重身份，对水体中的溶解性有机物、颗粒性有机物、悬浮物、营养盐等物质循环的再生起着重要作用。沉积物中细菌对溶解性有机物的生物降解和生物转化作用以及水体的物质循环过程也具有重要影响[2]，经过细菌作用，再通过浮游动物和原生动物的取食逐步向食物网上级传递，形成了再次生产的结果，由于其在生物量上占优势，且代谢速度快，使其在生态系统循环中具有特殊意义。笔者对微生物在水体物质转化与循环中的作用和水污染治理中的应用以及主要研究方法进行初步探讨，以期为后续微生物生态资源利用开发有所帮助。

1微生物在水体物质转化与循环中的作用

1.1碳循环以细菌为例，细菌在碳循环中可以将CO2固定为有机物，也可以把复杂的有毒有机污染物转化为可再生利用的CO2、水、能量(图1)。目前，研究的参与CO2固定的细菌主要有光合细菌、蓝细菌和藻类，而参与CO2再生的微生物主要有芽孢杆菌、梭菌、真菌、放线菌。

图1　细菌参与碳循环过程Fig.1　Process of bacteria participating in carbon cycle

1.2氮循环 水体环境中的氮素有氨氮、有机态氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮，空气中氮气经植物光合作用固定生成氨，重新溶解于水体中，硝酸盐也可被水体植物直接吸收利用，形成植物蛋白，水生动物摄取植物，进而转化成动物蛋白，动植物尸体等腐殖质可通过微生物的分解又可以再次产生氨，在硝化细菌的作用下又氧化成硝酸盐(图2)。参与氮循环过程的细菌如下：氨化过程中有氨化细菌属(Ammonifier)，种类有普通变形杆菌(Proteusvulgaris)、巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)；固氮过程中有固氮菌属(Azotobacter)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium)、肠道杆菌科、埃希氏菌属、蓝细菌；反硝化过程中有如铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificans)、螺菌属(Spirillum)和莫拉氏菌属(Moraxella)；厌氧氨氧化过程中有浮霉菌门厌氧氨氧化菌[5]；硝化、亚硝化过程中有硝化球菌、硝化刺菌、硝化杆菌、亚硝化杆菌、亚硝化螺菌、亚硝化球菌、蜡状芽孢杆菌(B.cereus)、神灵色杆菌(Chromobacteriumprodigiosum)、腐败梭菌(C.putrificum)、荧光假单胞菌(P.fluorescens)、脱氮假单胞菌(P.denitrificans)、副球菌属(Paracoccus)、沙雷氏菌属(Serratia)、产碱菌属、苍白杆菌属、红球菌属、嗜冷杆菌属和动胶菌属等约50多个属的150多种[6-9]。

1.3磷循环水体中的磷以有机磷、可溶性、不溶性磷酸盐形式存在(图3)。 细菌在可溶性磷和不溶性磷的互相转化中也发挥着重要作用，其中无机磷转化菌主要有假单孢菌(Pseudomonassp.)和类芽孢杆菌(Paenibacillussp.)；有机磷分解菌主要包括苏云金芽孢杆菌(B.thurigiensis)、氧化微杆菌(Microbacteriumoxydans)等。解磷菌主要有解磷巨大芽孢杆菌(B.megaterium)、腊状芽孢杆菌(B.cereus)等；聚磷菌主要有枯单芽孢杆菌、圆褐固氮菌、亚硝化杆菌属、硝化杆菌属、气单胞菌属等[4-7]。

图2　细菌参与氮循环过程Fig.2　Process of bacteria participating in nitrogen cycle

图3　细菌参与磷循环过程Fig.3　Process of bacteria participating in phosphorus cycle

1.4硫循环水体环境中硫元素以硫氢基氧化态、氧化态、硫酸盐氧化态3种形态存在。硫酸盐通过氧化作用可转化为有机的硫氢基化合物，作为许多植物和微生物可用硫的惟一来源，同时水体动物必须的含硫氨基酸也可由硫酸盐供应[6]。参与硫循环的硫酸盐还原菌和硫氧化细菌，两者可协同驱动一个完整的硫循环过程(图4)。

图4　细菌参与硫循环过程Fig.4　Process of bacteria participating in sulfur cycle

2微生物在水污染治理中的应用

2.1水质净化近年来随着环境污染的加重，农药、杀虫剂等有机污染物大量使用，增加了内源污染，并且水体细菌本身具有的分解有毒物质能力也被抑制，超出了水体自净能力，进而加重了污染，而消除污染物的影响需要外在加入多种细菌胞外酶类[8]。付融冰等[9]利用稀释法和混菌法，分析了人工湿地污水净化效果与填料中微生物数量之间的关系，结果表明，微生物数量与BOD5及总氮的去除有显著相关性。刘明等[10]也研究了潜流湿地中微生物对三峡库区微污染水净化效果的影响，结果表明，不同季节各湿地系统的水质指标去除率与微生物数量之间的相关性较强。

2.2环境污染治理细菌作为环境敏感生物，是重要的环境污染指示生物之一，微生态系统在水体生态系统中的结构及作用至关重要，水体污染往往伴随着微生态的变化[10]，也可以作为生态修复后的治理状态指标。叶树明等[11]用ATP生物发光法测量了西湖水体中微生物数量，浓度为10-7～10-6cfu/ml，其分布表现为近岸高于湖心，春季低于夏季，人为活动中旅游、垂钓等对西湖水体微生物的分布有较大影响。目前，大肠菌群作为分辨污染的指示菌，根据其数目多少来判断水源是否受粪便污染，并间接推测水源受肠道病原菌污染的可能性[12]。

3水体微生物群落研究方法

目前，水体微生物群落研究主要采用传统方法和现代分子生物学方法，以及将两者相结合。随着技术的进步，也逐渐出现了一些新的方法探索。

3.1传统方法 传统的微生物研究方法包括样品采集、细菌培养、分离纯化、生理生化鉴定等，对可培养微生物采用梯度稀释培养技术，而对难培养微生物和不可培养微生物采用荧光显微镜法、流式细胞仪法[12]等适时监测技术。在微生物群落水平上根据生理特征(Community-level physiological profiling，CLPP)[13]，可采用 Biolog微平板法[14]。杜瑞英[15]采用Biolog法研究了某矿山金属污染土壤修复过程中微生物群落变化，结果表明，红麻种植前施用有机肥等改良剂，可有效提高土壤微生物活性。邱权等[16]采用微平板法对三峡水库小江流域的土壤微生物功能多样性进行研究，发现可培养微生物对时间变化影响显著。

3.2分子生态学方法基于PCR方法：末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism，T-RFLP)、扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、单链构象多态性技术(single strand conformation polymorphism，SSCP)[17]、随机引物扩增多态性(random amplified polymorphic DNA，RAPD)[18]、扩增 rDNA 限制酶切分析(amplified ribosomal DNArestriction analysis，ARDRA)；变性梯度凝胶电泳(Denatured gradient gel electrophoresis，DGGE)[19]、TGGE与多维尺度分析(Multi-Dimensional Scaling，MDS)[14-20]、宏基因组学[17，23]。Mofett等[21]利用ARDRA法比较了锌污染土壤与非污染土壤的微生物多样性，结果表明，锌毒害胁迫明显降低了细菌群落的多样性。Omar等[22]利用PCR-DGGE研究了墨西哥发酵玉米面团，分析了在发酵过程中不同阶段微生物种类和数量的动态变化。

3.3其他方法水体微生物群落的研究方法还有基因芯片、扫描电镜法、透射电镜法、荧光染料染色法、微生物醌指纹法、多变量统计分析(Multivariate Statistical Analysis，也称多元统计分析)、荧光原位杂交[24-28]。

4展望

(1)微生物净化技术具有很多优点，如费用低、效果好、对外界干扰少等，因此日益成为研究的热点，在实际应用中取得了一定治理效果。但无论是单一菌种还是复合菌种，都存在具体环境适应性问题，尤其是基因工程菌对自然环境的生物安全性问题日益突出，受到社会各界的广泛关注。

(2)目前，国内外关于淡水生态系统中的细菌的研究主要集中在浮游细菌丰度、种群组成及群落结构多样性等方面，对功能细菌群落的潜力开发深入研究较少[29-32]。

(3)微生物种群结构受溶解氧、pH、温度等要素的影响较大[33]，水体污染物的来源广泛，加上污染物成分受有机质种类及含量的影响而千差万别，相应理论研究缺少，使得细菌在污水治理上具有很多不确定性因素，影响其工业开发利用。

参考文献

[1] KARI J K，ATTRAMADAL I S，XUE R Y.Recirculation as a possible microbial control strategy in the production of marine larvae[J].Aquacultural engineering，2012，46：27-39.

[2] 刘晶晶，陈全震，曾江宁，等.海水养殖区微生物生态研究[J].浙江海洋学院学报(自然科学版)，2006，25(1)：72-77.

[3] 黄雪娇，杨冲，罗雅雪.光合细菌在水污染治理中的研究进展[J].中国生物工程杂志，2014，34(11)：119-124.

[4] 郑焕春，周青.微生物在富营养化水体生物修复中的作用[J].中国生态农业学报，2009，17(1)：197-202.

[5] 徐冰，张大勇.微生物多样性及其分布的研究进展：模式与过程[J].生命科学，2014，26(2)：144-152.

[6] 申元英，倪兆林.溶藻微生物净化富营养化水体的作用[J].微生物学通报，2014，41(11)：156-160.

[7] 苏俊峰，杨少斐，黄廷林，等.低温贫营养好氧反硝化细菌SY13的反硝化特性[J].城市环境与城市生态，2013，26(6)：39-42.

[8] ZHENG B H，WANG L P，LIU L S.Bacterial community structure and its regulating factors in the intertidal sediment along the Liaodong Bay of Bohai Sea，China[J].Microbiological research，2014，169：585-592.

[9] 付融冰，杨海真，顾国维，等.人工湿地基质微生物状况与净化效果相关分析[J].环境科学研究，2005，18(6)：44-49.

[10] 刘明，黄磊，高旭，等.潜流湿地中微生物对三峡库区微污染水净化效果的影响[J].湖泊科学，2012，24(5)：687-692.

[11] 叶树明，楼凯凯，杨俊毅，等.利用生物发光法测定西湖表层水体微生物量[J].浙江大学学报(农业与生命科学版)，2006(5)：500-504.

[12] 杜刚，黄磊，高旭，等.人工湿地中微生物数量与污染物去除的关系[J].湿地科学， 2013，11(1)：13-20.

[13] LIU J W，YANG H M，ZHAO M X，et al.Spatial distribution patterns of benthic microbial communities alongthe Pearl Estuary，China[J].Systematic and applied microbiology，2014，37：578-589.

[14] 李志斐，谢骏，郁二蒙，等.基于Biolog-ECO技术分析杂交鳢和大口黑鲈高产池塘水体微生物碳代谢特征[J].农业环境科学学报，2014，33(1)：185-192.

[15] 杜瑞英.土壤改良剂和红麻联合修复对多金属污染土壤微生物群落功能的影响[J].生态与农村环境学报，2012，21(7)：1252-1256.

[16] 邱权，陈雯丽.三峡库区小江流域消落区土壤微生物多样性[J].华中农业大学学报，2013，32(3)：15-20.

[17] 卢莉琼，梁俊.分子生物学方法在微生物多样性及微生物生态研究中的应用[J].应用与环境生物学报，2004，10(6)：826-830.

[18] 张晶，李新宇，苏振成，等.土壤微生物生态过程与微生物功能基因多样性[J].应用生态学报，2006，17(6)：1129-1132.

[19] 聂志娟，徐钢春，程起群，等.养殖刀鲚与生长环境菌群PCR-DGGE指纹图谱及多样性分析[J].水产学报，2014，38(7)：1009-1017.

[20] 陆开宏，梁晶晶，朱津永.富营养水体中2种水生植物的根际微生物群落特征[J].中国环境科学，2010，30(11)：1508-1515.

[21] MOFFETT B F，NICHOLSON F A，UWAKWE N C，et al.Zinc contamination decreases the bacterial diversity of agricultural soil[J].FEMS microbiology ecology，2003，43：13-19.

[22] OMAR N B，AMPE F.Microbial community dynamics during production of the Mexican fermented maize dough pozol[J].Applied and environmental microbiology，2000，66(9)：3664-3673.

[23] 马海霞，张丽丽，孙晓萌，等.基于宏组学方法认识微生物群落及其功能[J].微生物学通报，2015，42(5)：902-912.

[24] 王晓丹，李艳红.分子生物学方法在水体微生物生态研究中的应用[J].微生物学通报，2007，34(4)：777-781.

[25] ZWART G，CRUMP B C，AGTERVELD M P K V，et al.Typical freshwater bacteria：An analysis of available 16S rRNA gene sequences from plankton of lakes and rivers[J].Aquatic microbial ecology，2002，28：141-155.

[26] 任丽娟，何聃，邢鹏，等.湖泊水体细菌多样性及其生态功能研究进展[J].生物多样性，2013，21(4)：421-432.

[27] EILER A，BERTILSSON S.Composition of freshwater bacterial communities associated with cyanobacterial blooms in four Swedish lakes[J].environmental microbiology，2004，6：1228-1243.

[28] 毛玉泽，朱玲，蒋增杰，等.桑沟湾不同养殖区水体微生物群落结构特征[J].中国水产科学，2013，20(4)：824-831.

[29] 钱伟平.茹一宁.不同浓度Ca2+对三角帆蚌养殖水体微生物和浮游生物的影响[J].安徽农业科学，2007，35(26)：8249-8250，8253.

[30] MULLER S，HUBSCHMANN T，KLEINSTEUBER S，et al.High resolution single cell analytics to follow microbial community dynamics in anaerobic ecosystems[J].Methods，2012，57：338-349.

[31] STORMER R，WICHELS A，GERDTS G.Geo-Chip analysis reveals reduced functional diversity of the bacterial community at a dumping site for dredged Elbe sediment[J].Marine pollution bulletin，2013，77：113-122.

[32] XI X P，WANG M，CHEN Y S，et al.Adaption of the microbial community to continuous exposures ofmultiple residual antibiotics in sediments from a salt-water aquacultural farm[J].Journal of hazardous materials，2015，290：96-105.

[33] SHADE A，KENT A D，JONES S E，et al.Interannual dynamics and phenology of bacterial communities in a eutrophic lake[J].Limnology and oceanography，2007，52(2)：487-494.

摘要首先，分析了微生物在水体物质转化与循环中的作用，主要介绍了细菌在碳、氮、磷、硫循环中的作用；然后，探讨了微生物在水污染治理中的应用，如净化水体，作为环境污染指示生物；最后，介绍了水体微生物群落的研究方法，包括传统方法、现代分子生物学方法以及其他新的方法，并对今后微生物的研究方向进行展望。

关键词微生物；细菌；水体；物质循环；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

作者简介封永辉(1984- )，男，新疆乌鲁木齐人，工程师，硕士，从事水产病原微生物分离方面的研究。

中图分类号S 182

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)01-132-03