張海涵，王 燕，劉凱文，黃廷林，李 楠，楊尚業(yè)，司 凡，苗雨甜，黃 鑫，張夢瑤

(西安建筑科技大學(xué)，陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055)

光合細(xì)菌(photosynthesis bacteria，PB)，地球上出現(xiàn)最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成體系的原核微生物[1]，根據(jù)PB所含光合色素、電子供體的不同及光合作用過程中是否產(chǎn)氧而分為產(chǎn)氧光合細(xì)菌(藍(lán)細(xì)菌、原綠菌)和不產(chǎn)氧光合細(xì)菌(紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌)[2-3]. 多年來，不產(chǎn)氧光合細(xì)菌在物種與模式、特性與功能及系統(tǒng)發(fā)育分析等方面成為研究熱點(diǎn)[4-5]，它通過光合作用來減少二氧化碳，與水環(huán)境中溶解鐵、硫等元素的氧化過程相關(guān)[6]，并應(yīng)用于水體中含氮污染物的去除、水質(zhì)的凈化及水體的改善等方面[7]. 目前，不產(chǎn)氧光合細(xì)菌還參與光合型微生物燃料電池的開發(fā)，且與其他生物電化學(xué)系統(tǒng)相比，該生物燃料電池具有較高的輸出功率[2].

好氧不產(chǎn)氧光合細(xì)菌(aerobic anoxygenic photosynthesis bacteria，AAPB)為一類具有不產(chǎn)氧功能的光合細(xì)菌[8-9]，它能夠在好氧條件下，以還原性有機(jī)化合物作為電子供體，通過其體內(nèi)含有的細(xì)菌葉綠素a(BChl.a)來獲得光能進(jìn)行光合作用，同時(shí)以環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)為營養(yǎng)物質(zhì)來獲取細(xì)胞生長及代謝所需的能量，且這一過程不釋放氧氣[10-17]. AAPB借助光合作用產(chǎn)生的ATP可補(bǔ)充其生長所需的能量，不僅減少了其對有機(jī)碳的消耗，同時(shí)增加了進(jìn)入細(xì)胞的溶解有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)的量，這使得AAPB在生物地球化學(xué)循環(huán)中作用重大[18-20]，被認(rèn)為是全球海洋物質(zhì)循環(huán)的重要貢獻(xiàn)者[21]，其發(fā)現(xiàn)為探究功能菌群在海洋碳循環(huán)中的作用及貢獻(xiàn)提供了新方向.

針對水域生境，為了探明不同水環(huán)境中AAPB多樣性分布及其環(huán)境調(diào)控因素，本文對AAPB的棲息環(huán)境與生長特性、菌群豐度與分布、功能與意義以及影響因素等方面進(jìn)行了綜述. 主要介紹AAPB的發(fā)現(xiàn)及其分子生物學(xué)鑒定方法，分析不同水體中AAPB豐度、多樣性及影響其群落結(jié)構(gòu)組成的主要環(huán)境因子，評價(jià)AAPB在水域生境中的重要地位與意義.

1 AAPB細(xì)胞色素及研究方法

1.1 AAPB的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞色素

1979年，含有細(xì)菌葉綠素的專性好氧菌Erythrobacterlongus首次被發(fā)現(xiàn)于日本Tokyo海灣[22]，1998年，AAPB菌株JF-1(Citromicrobiumbathyomarinum)成功分離于太平洋黑暗熱液區(qū)[23]. 隨后不同棲息環(huán)境中的AAPB陸續(xù)被報(bào)道，且種群結(jié)構(gòu)及組成隨棲息環(huán)境的不同而發(fā)生顯著改變. BChl.a組成了AAPB光反應(yīng)中心復(fù)合體的一部分，為AAPB的光捕獲色素[16]，AAPB通過體內(nèi)的BChl.a來獲得光能為自身的生長代謝提供部分能量，BChl.a濃度影響著AAPB的能量傳遞，從而影響其在海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用大小，因此對BChl.a的研究可能對AAPB生理學(xué)的研究提供一定的科學(xué)線索.

Jiao等[24]對太平洋、印度洋及中國海中BChl.a和Chl.a進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，垂向分布上，陸架100 m以上、大洋150 m以上水層均檢測到BChl.a的存在，且陸架水體中BChl.a濃度高于大洋水體中BChl.a濃度，BChl.a濃度及占比隨水深變化不顯著，表明BChl.a耐光變能力較強(qiáng). 水平分布上，BChl.a濃度近岸高于外海，BChl.a/Chl.a近岸低于外海，Lami等[25]對南太平洋海水中BChl.a和Chl.a濃度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，BChl.a存在于海洋的透光層，且BChl.a/Chl.a隨水深增加而減小. Fauteux等[26]的研究發(fā)現(xiàn)盡管AAPB豐度在冬季有明顯降低，但仍可以在湖泊冰面下檢測到，這與Cottrell等[27]的研究結(jié)果一致. 綜上，海洋中BChl.a在水體中的垂向分布差異顯著，且在海洋碳循環(huán)中基于BChl.a進(jìn)行的不產(chǎn)氧光合作用對基于進(jìn)行Chl.a進(jìn)行的光合作用具有重要的補(bǔ)充作用.

Ma?ín等[10]對貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)及富營養(yǎng)化湖泊中BChl.a濃度的垂向分布規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，貧營養(yǎng)化湖泊中BChl.a濃度最高值出現(xiàn)于表層水體，并隨水深增加而逐漸減?。桓粻I養(yǎng)化湖泊中BChl.a濃度最高值出現(xiàn)于底部，而表層沒有檢測到BChl.a的存在，結(jié)果表明AAPB豐度與BChl.a濃度呈正相關(guān)，營養(yǎng)化程度較高的湖泊中AAPB豐度較大，這可能是由于營養(yǎng)化程度較高的湖泊中顆粒附著物較多，導(dǎo)致AAPB豐度增加. Cottrell等[28]對顆粒富集型河口AAPB細(xì)胞內(nèi)BChl.a進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與河口上游相比，河口下游由于顆粒物較富集，AAPB豐度較高，并且其細(xì)胞內(nèi)BChl.a含量相應(yīng)較大，這為Ma?ín等[10]的研究結(jié)果提供一定的科學(xué)解釋. 研究結(jié)果表明營養(yǎng)化程度不同的水體中BChl.a濃度分布差異顯著，從而影響著AAPB的豐度與分布.

除細(xì)菌葉綠素外，AAPB體內(nèi)還含有豐富的類胡蘿卜素，其外觀多以橙色為主，但這些類胡蘿卜素并不影響AAPB的能量傳遞，它們僅分布于細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)上等[16].

1.2 AAPB分子生物學(xué)鑒定方法

目前，關(guān)于水環(huán)境中AAPB的檢測方法主要包括實(shí)時(shí)熒光定量PCR法(qPCR)[29]、紅外快速脈沖速率(IRFRR)誘導(dǎo)熒光瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)法[20]、紅外熒光顯微鏡法(IREM)[30]、高效液相色譜法(HPLC)[31]和基于時(shí)間序列觀察的藍(lán)藻校準(zhǔn)紅外熒光顯微鏡法(TIREM)[32]. 其中，qPCR方法是基于對功能基因pufM(編碼光化學(xué)反應(yīng)中心的小亞基)進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析來研究AAPB物種組成，但該方法的局限性在于AAPB菌群中某些種類未完全被認(rèn)知，其在引物設(shè)計(jì)方面存在不足之處，不能夠直接估算出AAPB豐度，pufM功能基因擴(kuò)增相關(guān)引物見表1. IRFRR、IREM、HPLC和TIREM這4種方法均是基于BChl.a的紅外熒光作為診斷信號(hào)來對AAPB進(jìn)行檢測. 但由于AAPB細(xì)胞內(nèi)BChl.a濃度低，且易受葉綠素的紅外干擾，因此IRFRR和IREM方法都不能準(zhǔn)確定量AAPB；而HPLC方法雖然能夠?qū)ι剡M(jìn)行定性定量研究，但無法研究AAPB占細(xì)菌總數(shù)的比例；TIREM方法則不僅能夠精確定量AAPB，并且能夠解決AAPB所占細(xì)菌總數(shù)比例的問題.

表1 pufM基因的引物類型

基于對AAPB功能光合基因pufM的擴(kuò)增，Du等[42]采用qPCR方法對海洋環(huán)境中的AAPB數(shù)量進(jìn)行了研究分析；黃春萍等[43]結(jié)合qPCR及克隆文庫方法研究了川西高寒森林溪流環(huán)境中AAPB豐度、多樣性變化及其環(huán)境影響因素；陳曉潔等[44]通過qPCR及克隆文庫方法對湖光巖瑪珥湖中AAPB進(jìn)行了檢測. 盡管qPCR方法操作簡便、速度快，應(yīng)用較廣，但該方法對引物的要求較高，并且未知種類的引物設(shè)計(jì)較困難，即存在較大的局限性.

Fauteux等[27]結(jié)合IREM和HPLC方法調(diào)查了淡水湖中AAPB豐度、細(xì)胞生理狀態(tài)及BChl.a濃度的變化規(guī)律；Cepkov等[45]結(jié)合IREM和HPLC兩種方法，通過測定BChl.a在特定波長處熒光信號(hào)的晝夜變化來分析AAPB的生長率和死亡率. 但基于BChl.a紅外熒光信號(hào)所測定的AAPB豐度往往存在較大的誤差，這是由于熒光信號(hào)受環(huán)境因素及細(xì)菌細(xì)胞生理狀態(tài)影響，例如含Chl.a的藍(lán)細(xì)菌(聚球藻、原綠球藻)在特定條件下可發(fā)出紅外熒光而導(dǎo)致AAPB豐度計(jì)算存在顯著性誤差[46-47]，Zhang等[48]在檢測東海AAPB動(dòng)力學(xué)變化的過程中發(fā)現(xiàn)，聚球藻對AAPB豐度的計(jì)算帶來了較大誤差.

基于以上問題，Jiao等[24]建立了TIREM方法，該方法可對誤差進(jìn)行校正，從而獲得準(zhǔn)確的AAPB豐度及所占比例. Jiang等[49]采用TIREM方法發(fā)現(xiàn)內(nèi)陸湖中優(yōu)勢AAPB菌群為α-和γ-變形菌，且種群結(jié)構(gòu)組成受pH和鹽度影響較大；Liu等[50]利用TIREM方法檢測到海洋環(huán)境中AAPB豐度存在顯著的晝夜變化，且生長速率快速. 目前來講，TIREM方法為計(jì)算AAPB豐度最為準(zhǔn)確且操作簡便的檢測方法.

近年來，AAPB成員陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)報(bào)道，表2為已發(fā)現(xiàn)的部分AAPB成員，可以看出海洋環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的AAPB大多以α-變形菌為主，但組成隨海洋環(huán)境地理位置、氣候條件及營養(yǎng)鹽狀態(tài)的不同而有所差異；湖泊環(huán)境中AAPB中則多以β-變形菌為主，即AAPB組成因棲息環(huán)境的不同及其他物理化學(xué)因素影響而呈現(xiàn)出顯著差異性.

表2 水域生境中已報(bào)道的好氧不產(chǎn)氧光合細(xì)菌

2 AAPB棲息環(huán)境及多樣性

2.1 AAPB分布特征

AAPB廣泛分布于各種水域生境，如海洋[9,11,13-14,21,65-69]、熱液口[23]、河流及河口[12,63,70-71]、內(nèi)陸鹽湖[50]、淡水湖泊[10,46,72-75]等，其豐度及群落組成隨棲息環(huán)境不同而差異顯著，AAPB相關(guān)研究見表3.

2.2 AAPB豐度、多樣性及其影響因素

基于對光合基因pufM功能基因系統(tǒng)發(fā)育分析，大部分AAPB屬于α-、β-和γ-變形菌類群[21,42,63,81]，且其豐度及組成隨棲息環(huán)境的不同而呈現(xiàn)出差異性[29].

表3 AAPB相關(guān)研究

續(xù)表3

海洋環(huán)境中AAPB豐度高，如Sato-Takabe等[56]的研究發(fā)現(xiàn)日本Uwa海域環(huán)境中AAPB豐度變化范圍為8.50×105～1.40×106cells/mL；Bibiloni-Isaksson等[77]的研究發(fā)現(xiàn)澳大利亞塔斯曼海洋環(huán)境中AAPB豐度范圍為1.1×102～1.4×105pufMcells/mL；Ritchie等[11]的研究發(fā)現(xiàn)太平洋沿岸區(qū)AAPB平均豐度約為1.11×104cells/mL. 此外，海洋環(huán)境中AAPB主要以α-和γ-變形菌為主，溫度、光照及Chl.a濃度為影響其分布及多樣性的重要因素[67,77]. AAPB豐度與Chl.a濃度呈正相關(guān)，表明其依賴于浮游植物所產(chǎn)生的DOC，或是其和浮游植物的分布受相同因子制約[82]. 此外，溶解氧(DO)、總磷(TP)及pH對AAPB豐度影響也較大[83]，有研究表明，磷對細(xì)菌及浮游植物的生長起著限制性作用[84-85]. 河流輸入也是影響沿海地區(qū)AAPB分布的重要因素[18]，當(dāng)有河流輸入時(shí)，當(dāng)?shù)佧}度無顯著影響，但濁度會(huì)顯著增加[86]，從而促使顆粒物大量富集，導(dǎo)致AAPB豐度增大[12]. Auladell等[1]的研究發(fā)現(xiàn)部分AAPB菌群豐度與種群結(jié)構(gòu)存在顯著的季節(jié)性變化，且與浮游植物之間存在較強(qiáng)的互作關(guān)系(如甲藻)，并且已在各種海洋環(huán)境中觀察到了大量附著型AAPB. 可見，溫度、光照及Chl.a為影響海洋環(huán)境中AAPB豐度及多樣性的主要因素.

各類河流及河口環(huán)境中的AAPB豐度與多樣性均較高，如Cottrell等[28]的研究發(fā)現(xiàn)河流生境中AAPB豐度達(dá)到105cells/mL，并且在河口下游，顆粒附著類AAPB占總細(xì)菌比例高至30%～80%；Waidner等[63]的研究發(fā)現(xiàn)Delaware河流水體中優(yōu)勢AAPB菌群以γ-變形菌為主，其豐度與鹽度呈正相關(guān)，其分布受鹽度、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子調(diào)控，且在鹽度小于5%的水域內(nèi)AAPB以Rhodoferax-like為主. 可見，河流河口中環(huán)境中顆粒附著型AAPB占據(jù)較大優(yōu)勢，且豐度及多樣性受鹽度影響較大.

2.3 AAPB代謝多樣性及其影響因素

研究表明，AAPB具有代謝多樣性的特點(diǎn)[87-89]，可利用多種碳(C)源來維持生長與代謝[90-91]，且不同C源對AAPB種群結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如趙吉睿等[92]的研究發(fā)現(xiàn)烏梁素海水體中AAPB菌群可利用葡萄糖、丙酮酸鈉和酵母提取物等不同C源來進(jìn)行生長，且菌群結(jié)構(gòu)在經(jīng)C源誘導(dǎo)后出現(xiàn)了Porphyrobactertepidarius和Rhodobactermegalophilus等種類，使得α-變形菌所占比例顯著增加(約65%). 此外，與Thiocapsaroseopersicina相近的序列在經(jīng)丙酮酸鈉誘導(dǎo)后成為了優(yōu)勢類群，使得γ-變形菌比例增大至30%. AAPB在光照條件下對C源的利用率較黑暗條件下有明顯的提高，其細(xì)胞變大，細(xì)胞數(shù)有明顯的增加，表明光照對AAPB的生長具有一定的促進(jìn)作用[66,93-95]，但較高的光照強(qiáng)度會(huì)使菌綠素的表達(dá)受到影響，從而使其C源利用率受到抑制[96].

此外，AAPB還具有較高的生長速率，甚至超過總細(xì)菌群落的生長速率[97]，對這一現(xiàn)象的解釋是在某種情況下，AAPB與總細(xì)菌群落相比具有較高的細(xì)胞分裂頻率[50]. 溫度較高時(shí)，AAPB生長速率明顯高于其他細(xì)菌，活性較高，生存能力較強(qiáng)，且對溫度變化的敏感程度較大，相對優(yōu)勢可能較高一些[65]. 盡管AAPB豐度相對較低，并且所占原核生物群落比例較小，但其生長速率遠(yuǎn)高于某些浮游細(xì)菌，在海洋物質(zhì)循環(huán)中起著重大作用[98]，尤其是在C循環(huán)中. 因此，AAPB在調(diào)控水體中有機(jī)物含量、種類和遷變過程發(fā)揮重要作用，具體機(jī)制尚不明確.

3 AAPB在元素循環(huán)中的作用

3.1 AAPB脫氮特性及其影響因素

氮(N)循環(huán)是整個(gè)水圈物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，在水體營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中占據(jù)重要地位[99]. 而微生物憑借其快速的生長速率，在N循環(huán)中發(fā)揮著巨大的作用，成為全球生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者[100-102]. 近年來，由于水環(huán)境中氮污染愈加嚴(yán)重，水體富營養(yǎng)化成為我國最重要的環(huán)境問題之一，為了解決這一問題，微生物脫氮技術(shù)以高效、經(jīng)濟(jì)、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用與研究. 目前，關(guān)于光合細(xì)菌是否具有脫氮作用的話題倍受爭議[103]，直到1976年，具有反硝化脫氮功能的光合細(xì)菌——Rhodopseudomonassphaeroides(紅假單胞菌亞種)被發(fā)現(xiàn)，光合細(xì)菌的脫氮作用才得以肯定[104].

陳晨[36]采用傳統(tǒng)涂布劃線方法從內(nèi)蒙古高山湖泊中分離篩選出了脫氮活性較強(qiáng)的AAPB菌株W2、W38，在以NH3-N為N源的情況下，兩者的總氮去除率分別為36.48%、30.57%，NH3-N去除率分別為95.66%、93.72%，結(jié)果表明，部分AAPB具有良好的脫氮功能，這對水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)N的轉(zhuǎn)化具有重要意義.

3.2 AAPB在C及其他元素循環(huán)中的作用

AAPB對水環(huán)境中C循環(huán)的潛在貢獻(xiàn)主要取決于其借助光合作用產(chǎn)生的ATP來補(bǔ)充細(xì)胞呼吸和依靠還原劑生成碳合成代謝以減少對現(xiàn)有有機(jī)碳的消耗[28]. 它可以通過光合作用產(chǎn)生部分能量用于細(xì)胞生長與代謝，這一潛能可能會(huì)促進(jìn)河流及淡水環(huán)境中的物質(zhì)循環(huán)[50]，并且能夠以自身較快的生長速率來應(yīng)對原生生物及浮游動(dòng)物的捕食，這對大多數(shù)水環(huán)境透光層中溶解有機(jī)質(zhì)的再生意義重大[114]. 在污染嚴(yán)重的富營養(yǎng)化湖泊中，AAPB等功能菌群的存在使得原本不穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)得以維持和發(fā)展[115].

AAPB對海洋、貧營養(yǎng)大洋及淡水等水環(huán)境中的生物量貢獻(xiàn)重大，推動(dòng)著C及其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)[1,28,32,70]，同時(shí)在污染物降解、環(huán)境修復(fù)、生物除污等方面潛力巨大[116]. 例如從淡水湖中所分離出的MIM37菌株具有還原、礦化重金屬，降解微囊藻毒素和多環(huán)芳烴類等多種致癌物等功能[94]. 綜上分析，AAPB以高多樣性、快生長率、強(qiáng)競爭力廣泛存在于不同水環(huán)境中，并在C及其他元素循環(huán)中扮演著重要角色[21].

4 展望

本文對典型水環(huán)境中AAPB棲息環(huán)境、生物學(xué)功能進(jìn)行了較全面的綜述，但關(guān)于AAPB在飲用水水源水庫中對有機(jī)物賦存形態(tài)和遷變特性研究尚且未見報(bào)道. 水庫作為半自然性水體是地球陸地水圈的重要組成部分，參與生態(tài)系統(tǒng)水文和生源要素物質(zhì)循環(huán). 水庫是碳、氮、硫等元素轉(zhuǎn)化的重要場所，在流域尺度上的各類物質(zhì)匯集在水庫中，耦合多介質(zhì)物理、化學(xué)和生物學(xué)過程，對水庫水環(huán)境健康和城鄉(xiāng)供水安全產(chǎn)生重要影響. 微生物是驅(qū)動(dòng)水庫地球元素循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵生物因子、物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的基石，開拓水庫微生物研究領(lǐng)域不僅有助于深入解析水庫生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，完善水圈微生物數(shù)據(jù)庫，促進(jìn)地球科學(xué)與生命科學(xué)間的深度交叉與融合，而且為我國水庫微生物資源保育與可持續(xù)開發(fā)利用，發(fā)展基于微生物群落代謝調(diào)控的水庫水體/沉積物功能微生物修復(fù)技術(shù)提供重要科技支撐.

關(guān)于貧營養(yǎng)水源水庫生境中AAPB的研究還需從多方面進(jìn)行深度探究：(1)AAPB是否存在于深水型貧營養(yǎng)水源水庫生態(tài)系統(tǒng)中，其分布規(guī)律是否存在時(shí)空變化，AAPB多樣性及種群結(jié)構(gòu)受哪些水質(zhì)因子綜合調(diào)控以及與水體有機(jī)物的關(guān)系等；(2)夏、秋季AAPB與藻類之間是否存在光與生態(tài)位的競爭關(guān)系及AAPB在藻華消漲過程中的代謝促進(jìn)/抑制作用；(3)水源水庫中AAPB的培養(yǎng)篩選、分離及其種群結(jié)構(gòu)分析(基于pufM功能基因)，解析功能菌株脫氮效率；(4)有關(guān)AAPB結(jié)構(gòu)及生理代謝機(jī)制間的相互作用及調(diào)節(jié)，氮代謝機(jī)制及其如何作用于環(huán)境生理生態(tài)方面還需探索綜上分析，對典型水環(huán)境中AAPB的深入探究將推動(dòng)AAPB在水圈生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用機(jī)制研究，有助于深入解析不同水圈(如寡營養(yǎng)水源水庫生態(tài)系統(tǒng))生境碳氮循環(huán)和能量流動(dòng)中的地位和作用.

針對水庫生境而言，后續(xù)研究重點(diǎn)將側(cè)重于以下幾個(gè)方面：(1)探究水源水庫水體AAPB功能基因數(shù)量表達(dá)及種群結(jié)構(gòu)組成時(shí)空演替特征及其與碳素循環(huán)的偶聯(lián)關(guān)系；(2)高通量DNA測序及qPCR技術(shù)揭示AAPB種群在垂向水層中的變遷規(guī)律；(3)解析AAPB群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)(重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)物)參數(shù)間的偶聯(lián)機(jī)制；(4)采用共生網(wǎng)絡(luò)分析方法探究游離型、顆粒附著型AAPB與藻類的互作關(guān)系，以期為水源水庫中AAPB及其驅(qū)動(dòng)水庫生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù).