微生物在藻际环境中的物质循环作用

浮游植物作为海洋初级生产力的主要驱动者,其功能的发挥与共生微生物密不可分.藻类(甲藻、硅藻或蓝藻)的栖息环境中存在多样的共生细菌,各类细菌拥有不同的组成比例,但某些异养细菌在藻际环境中总是占据优势地位,如变形杆菌、黄杆菌及放线菌等.基于微生物在调节微食物网、促进物质循环和维持生态系统平衡中的重要意义,本文主要以赤潮事件的藻际环境为例,尝试梳理上述主导性“常驻微生物”在“藻-菌”共生体物质转化中的作用.特别是针对近些年来倍受关注的黄杆菌和玫瑰杆菌,着重例述了它们在物质代谢中的行为与生态策略,以更好地理解常驻物种在藻际生态位中的生态行为与协同进化.     

海洋中藻菌相互关系及其生态功能

海洋中藻类与细菌密不可分,具有错综复杂的互作关系(如互利共生、敌对拮抗或竞争抑制等),共同构成了海洋生态系统结构与功能的重要调控者。在藻类细胞周围往往存在着特殊的藻际微环境,其中生存着独特的微生物群落,因此藻际环境成为藻菌相互作用的主战场。藻际环境中细菌群落的构建具有一定的规律。在自然生态系统中,藻菌互作影响赤潮生消动态过程,并在水质修复中具有重要作用潜力。同时,藻类和细菌作为驱动海洋固碳与储碳的主要生物因子,在海洋碳循环中具有尤为重要的作用。本文对海洋中藻菌互作关系的研究现状进行了综述,并在此基础上,对未来研究提出了几点展望。例如,目前对海洋中藻菌关系受病毒的调控作用了解甚少,值得未来深入研究。     

深圳大鹏湾海域锥状斯氏藻赤潮期间细菌群落结构变化研究

目的:近年来,赤潮在我国的发生呈增加的趋势,并造成了极大的经济损失。过去研究赤潮发生的机理主要集中在理化因素的影响,而越来越多的证据表明仅凭借营养盐等环境因素并不能解释大部分赤潮现象,藻际微生物可能发挥着重要作用。本文跟踪观测了2010年7月深圳大鹏湾海域爆发的锥状斯氏藻赤潮生消过程中细菌群落丰度种类的变化,从微生物与赤潮藻相互作用的角度探讨了赤潮的生消过程,讨论了不同时期不同关键菌群的特殊作用,为解释赤潮爆发和消亡提供了新的视角,为赤潮的监控和防治新方法的建立奠定了理论基础。方法:本文按时间顺序共采集该赤潮9次样本,利用末端限制性酶切片段长度多态性分析(T-RFLP)等分子生物学方法,通过主成分分析、克隆文库的构建,研究了微生物群落的变化过程,并探讨了特定种属的微生物在赤潮发生、发展和消亡过程中的作用。结果:从浮游细菌丰度来看,随着锥状斯氏藻细胞数量的波动,浮游细菌总数也随之呈现相应的变化。从浮游细菌的种类来看,它们主要属于变形杆菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。从浮游细菌的动态变化过程来看,赤潮生消过程中,浮游细菌群落呈现出一定的演替现象,特别是在赤潮后期,群落主成分变化尤为显著。从关键菌群的作用来看,属于γ变形杆菌门的Alteromonas sp.一直占有较高的丰度,赤潮中后期受到菌群相互作用导致比例下降,而赤潮后期其他关键菌群的丰度的增高可能是导致赤潮消亡的重要原因。结论:本文利用T-RFLP这一DNA指纹技术分析微生物群落结构和多样性特征,通过研究赤潮生消过程中藻际浮游细菌群落的动态变化,发现随着赤潮的发展,浮游细菌群落发生着相应的变化。结果说明赤潮藻体丰度数量的改变影响着浮游细菌群落的组成。相对地,细菌群落的适应调整迅速造成赤潮藻体局部生长环境的改变,从而影响赤潮的发展过程。     

藻际环境中胞外聚合物的研究进展

微藻向细胞周围释放营养物质而形成了独特的藻际微环境,吸引了大量细菌的定殖。藻际环境中藻菌关系错综复杂,其间充斥着多样的物质交换与信息交流。以胞外聚合物(extracellularpolymeric substances,EPS)为代表的有机质在其中起着纽带作用。微藻和细菌都可以产生EPS,其过程受多种因素的调节。EPS在藻际环境中具有重要的生态功能,包括参与生物被膜(biofilm)的形成,影响藻菌共生关系的建立以及调节藻际微生物群落组成等。此外,EPS中的一大类别透明胞外聚合物颗粒(transparent exopolymer particles,TEP)还介导了海洋溶解有机碳向颗粒有机碳的转化,参与了海洋碳循环过程。本文以EPS的产生、组成以及对碳转化的影响为重点,综述了其在藻际生态位(Niche)中的生态功能,以期为深入理解藻际环境中的有机质特征和藻菌共生关系提供理论依据。     

北冰洋海域微食物环研究进展

海洋微食物环在海洋生态系统中起着重要作用.北冰洋因常年为海冰所覆盖,对微食物环的研究较为有限.现有研究表明,微食物环在北冰洋生态系统中的作用与海域和季节相关.近年来环境的快速变化、特别是夏季海冰覆盖面积的迅速减少,会对微食物环的结构和功能产生重大影响,已有研究显示其生态作用有望进一步提高.综合近年来已有的研究成果,对北冰洋微食物环的主要类群:原核生物、真核浮游植物、原生动物和浮游病毒等的基本生态特征进行了概述,讨论了各类群间的相互关系,并对未来的研究重点进行了展望.     

5株北极微藻藻际环境的细菌多样性

对5株北极微藻,如脆杆藻(Fragilariopsis sp.)、微单胞藻(Micromonas sp.)、四棘藻(Attheya septentrionalis)、海链藻(Thalassiosira sp.)和小球藻(Chlorella sp.)的不同生长时期的粘附细菌和游离细菌的16S rRNA基因进行PCR-DGGE分析,研究藻际环境的细菌多样性。结果表明,5株微藻具有不同的藻际微生物群落结构组成,其中微单胞藻、脆杆藻、四棘藻和海链藻的藻际细菌主要由Cyanobacteria(藻蓝细菌)、α-Proteobacteria(α-变形菌纲)和γ-Proteobacteria(γ-变形菌纲)组成,仅微单胞藻和脆杆藻检测出CFB(Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides,噬纤维菌-屈挠杆菌-拟杆菌)。小球藻由Cyanobacteria、CFB、α-Proteobacteria和β-Proteobacteria(β-变形菌纲)组成。微单胞藻的藻际菌群结构稳定,不同生长时期的游离细菌和粘附细菌组成差异不明显。3株硅藻-脆杆藻、四棘藻和海链藻的游离细菌主要由γ-Proteobacteria组成,小球藻的游离细菌主要为β-Proteobacteria,而5株微藻的粘附细菌主要由Cyanobacteria组成。从DGGE图谱来看,在脆杆藻生长的延滞期、指数期和稳定期,其藻际游离细菌和粘附细菌的16S rRNA基因扩增条带数量和位置均有明显差异,但优势扩增条带较稳定;其他4株藻粘附细菌和游离细菌的扩增条带比较稳定,说明藻际关联菌群结构较稳定。藻菌种间特异性关系为不同微藻藻株提供了重要的线索,同时也带来更多的隐藏在藻际环境中的信息。     

有害微藻抑藻细菌多样性及抑藻机制研究进展

有害藻暴发能够破坏水生生态系统,对水环境、人类健康及各国经济构成严重威胁。寻找能够有效防治有害藻华或赤潮的方法是现阶段水生生态保护与修复领域的重要研究内容之一。其中,微生物因其分布广、种类多和易繁殖等特点,在有害藻华或赤潮防治方面表现出巨大潜力,正逐渐得到广泛关注。本文从抑藻细菌分布、物种多样性及抑藻机制(抑藻方式、细胞形态、光合作用和氧化损伤)等角度对当前有害微藻抑藻细菌研究进展进行梳理总结,为微生物控藻提供理论参考。     

赤潮过程中“藻-菌”关系研究进展

微生物对促进海洋物质循环,维持水生环境的生态平衡具有重要作用。在赤潮事件中,基于微生物(尤其是细菌)的多样性和重要性,它们与藻类之间的相互关系成为了研究的热点。过去20年里,人们从不同角度对"藻-菌"间的关系进行了探索,包括物理学过程、生物学过程、环境过程以及化学过程。就化学过程而言,它作为一种较早出现的技术,在以往的研究中带给人们许多认识藻菌关系的方法。随着学科的渗透,化学法有了拓展与延伸,为人们认识藻菌关系带来了新的契机。从化学生态学领域来梳理"藻-菌"关系中涉及的现象和行为,包括菌对藻的有益面、菌对藻的有害面、以及藻类应答细菌行为的化学途径;并从信号语言(群体感应、化感作用)的角度来阐释两者之间的互生或克生关系。通过文献综述的方式来解读藻菌关系的互作过程和机理,为认识赤潮的发生和防控方法提供借鉴。     

藻际菌胶团的特征、调节机制与生态功能

藻类对促进海洋物质循环、维持水生环境的生态平衡具有重要作用。在藻菌关系中,基于微生物的多样性和重要性,藻类与细菌之间的相互关系成为了研究的热点。藻际(phycosphere)环境是藻菌共生的一种典型生态位(niche),在这一生境中微生物形成的菌胶团(zoogloea consortium)是调控藻菌关系的重要组成部分。以往的研究证明菌胶团具有结构多样性和功能多样性,在维持藻际环境稳定、物质循环和信息交流方面具有重要的生态意义。本文中,笔者以藻际菌胶团为重点,综述其物质基础(物种组成、胞外聚合物类别)、结构特征(生物被膜)以及生态功能,并从化学信号的角度探讨了群体感应信号(quorum sensing)对菌胶团的调节机制。论文旨在梳理菌胶团的形成特点及其在营养摄取、环境抗性、功能维持上的最新进展,并在此基础上提出展望,为未来深入理解藻际菌胶团的生态学机制提供化学生态学思路。     

厦门海域2011年中肋骨条藻和血红哈卡藻赤潮期间细菌群落结构变化

【目的】研究2011年8月厦门海域爆发的由中肋骨条藻和血红哈卡藻共同引发的赤潮生消过程中细菌群落结构变化。【方法】应用变性梯度凝胶电泳技术(Denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)对两个赤潮站位和一个非赤潮站位的细菌群落结构进行研究。通过DGGE图谱分析确定赤潮生消过程中细菌群落中的关键菌群,借助Canoco软件分析细菌菌群与环境因子的相关性。【结果】在赤潮起始阶段细菌的群落结构与pH、N/P的相关性较大,在赤潮消亡阶段细菌的群落结构与盐度、温度呈明显的正相关。γ变形杆菌(Gammaproteobacteria)(47.7%)在赤潮期间处于主导位置,假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、交替单胞菌属(Alteromonas)、噬氢菌属(Hydrogenophaga)、Actibacter、Oleibacter等属均为优势菌群。香农-威列多样性指数表明,赤潮站位细菌多样性随着赤潮生消呈先升高后降低趋势,而非赤潮站位细菌多样性基本保持不变。通过Canoco对细菌菌群的主成分分析发现,在赤潮开始阶段Hydrogenophaga属为优势菌群,而在赤潮消退阶段则以Pseudomonas和Pseudoalteromonas属为主。赤潮站位藻际细菌和游离细菌群落多样性在藻密度较大时均达到最大值,然而两者与环境因子的相关性有较大差别。【结论】研究结果表明赤潮站位细菌群落多样性远高于非赤潮站位,细菌丰度随着赤潮藻密度的升高而增加,细菌与赤潮藻有着密切的关系。本文首次研究了多种优势藻引发的赤潮环境下细菌群落结构的变化,这对于多种藻引发的赤潮生消过程中细菌菌群结构有了深入的了解,为赤潮调控的研究提供了理论依据。     

我国海洋细菌新物种鉴定与资源研发进展

近年来国际上对海洋微生物资源的发掘方兴未艾。本文综述了2000年以来我国在海洋细菌新物种鉴定与资源研发方面的进展,统计分析了国内相关单位海洋细菌新物种鉴定发表的数量及多样性,介绍了国内相关科研机构在海洋细菌系统学方面的工作进展,以及国内海洋微生物资源保藏与开发现状。比较了世界范围内海洋细菌系统学研究进展,并探讨了海洋细菌分离培养的主要方法,最后小结了我国海洋细菌资源研究领域存在的问题及未来发展的前景,为其进一步研发利用提供参考。     

海带藻际微生物抗菌活性及其多样性的初步研究

从浙江台州海域健康海带、病烂海带(Laminaria japonica)及其周围海水中分离纯化海带藻际微生物, 利用双层琼脂扩散法对获得的菌株进行抗菌活性筛选, 比较活性菌株与来源的相关性, 并对具有抗菌活性的菌株进行16S rRNA系统发生学分析。结果显示, 在分离的143株海带藻际微生物中, 有42株细菌具有抗菌活性, 其中来源于健康海带和海水的活性菌株比例(35%和29%)大于来源于病烂海带的细菌(23%)。对其中16株具有广谱抗菌活性的菌株进行的16S rRNA系统发生学分析显示, 分别属于Pseudoalteromonas、Rahnella、Donghaeana、Bacillus和Exiguobacterium 5个属。为从藻际微环境的微生物多样性入手了解海带病烂机制以及寻找新的抗菌药物提供研究材料。       

Abundance and function of bacteria in the Southern Ocean.

The very low water temperatures existing in polar oceans that experience seasonal advance and retreat of pack ice do not inhibit the presence of large bacterial populations. Bacteria may contribute significantly to the energy transfers within the Southern Ocean. In the last decades, notable progress has been made in the knowledge of the role of marine bacteria in the Southern Ocean. A short overview of the abundance and function ofAntarctic marine bacteria is given, with respect to metabolic activity. The importance of spatial and temporal variability is described. The ecological function of Antarctic marine bacterioplankton is discussed. Depending on food web structure, bacteria may be either a link in food webs supporting metazoan production, or a sink where bacterial production is metabolised by microorganisms. In the more oligotrophic areas and during certain periods of the year bacterial biomass dominates phytoplankton. The microbial food web is therefore the dominant pathway for carbon and energy flow in Antarctic seawater.     

Distribution of thermophilic endospores in a temperate estuary indicate that dispersal history structures sediment microbial communities

Endospores of thermophilic bacteria are found in cold and temperate sediments where they persist in a dormant state. As inactive endospores that cannot grow at the low ambient temperatures, they are akin to tracer particles in cold sediments, unaffected by factors normally governing microbial biogeography (e.g., selection, drift, mutation). This makes thermophilic endospores ideal model organisms for studying microbial biogeography since their spatial distribution can be directly related to their dispersal history. To assess dispersal histories of estuarine bacteria, thermophilic endospores were enriched from sediments along a freshwater‐to‐marine transect of the River Tyne in high temperature incubations (50°C). Dispersal histories for 75 different taxa indicated that the majority of estuarine endospores were of terrestrial origin; most closely related to bacteria from warm habitats associated with industrial activity. A subset of the taxa detected were marine derived, with close relatives from hot deep marine biosphere habitats. These patterns are consistent with the sources of sediment in the River Tyne being predominantly terrestrial in origin. The results point to microbial communities in estuarine and marine sediments being structured by bi‐directional currents, terrestrial run‐off and industrial effluent as vectors of passive dispersal and immigration.     

Diversity of methyl halide-degrading microorganisms in oceanic and coastal waters

Methyl halides have a significant impact on atmospheric chemistry, particularly in the degradation of stratospheric ozone. Bacteria are known to contribute to the degradation of methyl halides in the oceans and marine bacteria capable of using methyl bromide and methyl chloride as sole carbon and energy source have been isolated. A genetic marker for microbial degradation of methyl bromide ( cmuA ) was used to examine the distribution and diversity of these organisms in the marine environment. Three novel marine clades of cmuA were identified in unamended seawater and in marine enrichment cultures degrading methyl halides. Two of these cmuA clades are not represented in extant bacteria, demonstrating the utility of this molecular marker in identifying uncultivated marine methyl halide-degrading bacteria. The detection of populations of marine bacteria containing cmuA genes suggests that marine bacteria employing the CmuA enzyme contribute to methyl halide cycling in the ocean.     

Antimicrobial activity observed among cultured marine epiphytic bacteria reflects their potential as a source of new drugs

The surfaces of marine eukaryotes provide a unique habitat for colonizing microorganisms where competition between members of these communities and chemically mediated interactions with their host are thought to influence both microbial diversity and function. For example, it is believed that marine eukaryotes may use their surface-associated bacteria to produce bioactive compounds in defence against competition and to protect the host against further colonization. With the increasing need for novel drug discovery, marine epibiotic bacteria may thus represent a largely underexplored source of new antimicrobial compounds. In the current study, 325 bacterial isolates were obtained from the surfaces of marine algae Delisea pulchra and Ulva australis . Thirty-nine showed to have antimicrobial activity and were identified via 16S rRNA gene sequencing. The majority of those isolates belonged to Alpha- and Gammaproteobacteria . Interestingly, the most commonly isolated bacterial strain, Microbulbifer sp., from the surface of D. pulchra has previously been described as an ecologically significant epibiont of different marine eukaryotes. Other antimicrobial isolates obtained in this study belonged to the phyla Actinobacteria , Firmicutes and Bacteroidetes . Phylogenetically, little overlap was observed among the bacteria obtained from surfaces of D. pulchra and U. australis . The high abundance of cultured isolates that produce antimicrobials suggest that culturing remains a powerful resource for exploring novel bioactives of bacterial origin.     

微塑料附着微生物研究进展

近年来,微塑料引起的环境污染已经成为一个全球性的问题,在海洋环境中,微生物可以附着于微塑料表面形成生物被膜。已有研究表明生物被膜可以为生活在其内部的细菌提供保护,被膜中可能富集了对人体或者水生生物有害的致病菌,且频繁的基因交流可能产生更多耐药菌。微塑料表面附着的微生物,能借助大洋环流随微塑料在海洋中迁徙,进而可能引起微生物入侵事件的发生。主要对微塑料与生物被膜之间的相互作用、微塑料与附着在其表面的塑料降解菌、微塑料与致病菌、微塑料对微生物迁徙的影响,以及微塑料表面生物被膜中耐药基因的扩散进行综述,对微塑料附着微生物未来研究方向进行了展望,为更好地了解海洋微塑料污染提供参考。     

New insights into metabolic properties of marine bacteria encoding proteorhodopsins

Proteorhodopsin phototrophy was recently discovered in oceanic surface waters. In an effort to characterize uncultured proteorhodopsin-exploiting bacteria, large-insert bacterial artificial chromosome (BAC) libraries from the Mediterranean Sea and Red Sea were analyzed. Fifty-five BACs carried diverse proteorhodopsin genes, and we confirmed the function of five. We calculate that proteorhodopsin-exploiting bacteria account for 13% of microorganisms in the photic zone. We further show that some proteorhodopsin-containing bacteria possess a retinal biosynthetic pathway and a reverse sulfite reductase operon, employed by prokaryotes oxidizing sulfur compounds. Thus, these novel phototrophs are an unexpectedly large and metabolically diverse component of the marine microbial surface water.     

我国海洋微生物菌种资源保藏与共享服务现状

海洋微生物多样性丰富。我国近年来在海洋微生物多样性调查、资源获取与开发利用等多方面取得重要进展。为促进资源的可持续高效利用,建立了专业的海洋微生物菌种保藏中心,目前库藏海洋微生物菌种2. 2万株。本文介绍了目前中国海洋微生物菌种保藏管理中心库藏资源概况与共享利用情况,以共享记录为基础,从已共享菌株的多样性、库藏资源共享利用以及共享用户等方面开展了统计分析。统计结果显示,共享菌株中超过80%为细菌,其次依次为丝状真菌、酵母、古菌及噬菌体。在菌株水平,已共享细菌覆盖了库藏细菌的28%;在种的水平,已共享细菌覆盖了库藏细菌的47%,包括变形菌纲3 178株,芽胞杆菌纲951株,放线菌纲817株。目前,库藏资源总共享比例约为30%,覆盖了库藏57%的属和49%的种。共享用户目前达266家,其中国内用户244家,国外用户22家。为大洋课题、国家973课题、863课题、自然基金、行业公益性项目、科技支撑及企业项目等各种科技计划,提供了重要的菌种资源保障。据不完全统计,共支撑发表SCI论文达500余篇。中国海洋微生物菌种保藏管理中心在菌株资源的收集、整理和共享等方面,为我国的科研事业提供了大量的资源支撑,取得了较好的社会效益。