渤海近海浮游细菌的多样性及其物质循环功能的研究进展

李晓芳 张勇 陈燕 王秋珍

摘 要：对渤海近海的浮游细菌进行了简要概括，综述了渤海近海浮游细菌多样性和群落结构变化的主要环境驱动因素及其海洋物质循环功能的最新研究进展。

关键词：渤海近海;浮游细菌;多样性;物质循环;环境因子

渤海属于我国的内海，是一个半封闭浅水海湾，其海洋环境近年来不断受到人类生产生活的影响。海洋浮游细菌是海洋生物化学循环过程的重要参与者，对于维持海洋生态系统的稳定性发挥着重要作用，同时海洋环境的变化又会影响海洋浮游细菌的群落结构及其生态功能。

海洋细菌存在自养与异养之分，其中自养细菌能够进行光合作用，利用太阳能合成有机物，是海洋生态系统的主要生产者。海洋异养细菌是原核微生物的一大类群，不含叶绿素和藻蓝素，具有分解并利用有机物质产生能量的生存能力，其数量多、分布广，在海洋生态系统中占据着举足轻重的地位[1-2]。渤海水体自净能力较差，海水富营养化相对严重[3]。

1 近海浮游细菌概述

我国已鉴定最多的海洋异养细菌按门类划分主要分布在变形菌门，这一类群属于海洋环境中数量最多的类群[4]，其次是拟杆菌门、放线菌门和厚壁菌门[5]。SAR类群最初是在Sargasso海中发现的不可培养的类群，属于变形菌门。该类群占海洋细菌总数的三分之一，属于海洋中最丰富的物种，是海洋中最主要的异养细菌[6]。

α-变形菌纲在浮游环境中数量较多，其中玫瑰菌属在温和以及极地海洋中可占细菌总类群的35%之多[4]。γ-变形菌门中的SAR86类群也有较高的丰度，尤其是在冬季和秋季，SAR86通常在海洋细菌群落中占主导地位[7]。He等[8]评估了秦皇岛沿海地区在自然活动和人类活动不同程度的影响下浮游细菌丰度和多样性的季节性变化特征，发现浮游细菌丰度在暖季和冷季都有明显的规律，并以α-变形菌门为主;温度、溶解氧和叶绿素a对α-变形杆菌和蓝藻类群的时空变化具有显著影响。

根据“海洋微食物环”理论，海洋细菌在海洋生态系统中发挥着巨大的作用[9]。海洋细菌作为微食物环的重要一员，参与海洋物质循环和能量流动过程，其中海洋浮游细菌群落结构中的优势种群对于维持生态系统结构与功能的稳定不可缺少，它在海洋生态系统中扮演着重要的角色，不单是生产者、消费者，而且还充当了促进物质循环的分解者作用[10]。浮游细菌可以将溶解的有机碳转化为颗粒有机碳，参与海洋碳循环过程;硝化细菌和反硝化细菌会通过固氮、硝化和反硝化等一系列生物转化过程，维持氮循环平衡稳定;二甲基巯基丙酸内盐可被海洋玫瑰杆菌类群细菌分解[11]，在海洋硫循环中发挥重要作用。

2 渤海近海浮游细菌的多样性和群落组成

渤海是陆岸环抱的半封闭性内海，沿岸多条河流都汇入渤海，并且周围集中了海洋化工、港口和养殖等多种经济社会活动，是沿岸人民开发利用海洋资源较为活跃的地区之一[12]。渤海近海表层水浮游细菌的α-多样性较高，不遵循季节变化规律;浮游细菌群落主要由α-变形菌、γ-变形菌、拟杆菌和蓝细菌组成[11，13]。

2.1 河流入海口

河口区与人们的生产、生活息息相关，极易造成水质污染，如生活污水和工农业废水的排入易造成水体富营养化，因此河口浮游细菌的丰度容易受到多种因素影响[14]。黄渤海河口处不同季节浮游细菌群落结构的物种组成，受铵盐和磷酸盐的浓度影响显著;夏季优势物种的类别为放线菌门、变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门及生氧光细菌等[7]。渤海中部靠近黄河口输出区域的浮游细菌，在门水平上占优势地位的菌群主要有变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、蓝细菌门;夏季变形菌的主要类别为γ-变形菌纲和α-变形菌纲，冬季变形菌主要类别为α-变形菌纲、β-变形菌纲和γ-变形菌纲[15]。周霜艳等[16]分析秦皇岛新开河河口的细菌多样性，其优势类群分属于α-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲、δ-变形菌纲和ε-变形菌纲。

2.2 滨海浴场

随着旅游业的发展，滨海浴场的水体环境极易受到人类活动的影响。目前，对海水浴场的研究主要集中于海水温度、盐度以及氮、磷、重金属等各类污染物上，而少数针对海水浴场微生物相关的研究主要集中在对粪大肠菌群、大肠杆菌等指示菌数量的研究上[17]。此外，降雨也是影响浴场海水浮游细菌多样性和豐度的重要因素。降雨对老虎石浴场海水大肠杆菌和沙门氏菌丰度的影响不明显，但雨后浮游细菌、副溶血弧菌和金黄色葡萄球菌的丰度均有不同程度的升高;东山浴场海水浮游细菌丰度降雨前后均无明显变化，但雨后大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌的丰度均比降雨时低，而副溶血弧菌丰度雨后有所增加[18]。秦皇岛老虎石浴场、东山浴场、南戴河浴场和西浴场四个浴场海水中细菌主要分布在变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门，在门（纲）水平上的细菌结构差异不大[19]。

2.3 近海养殖区

我国作为世界上最大的海水养殖国家，很大一部分产量来自滤食性双壳贝类，其中双壳贝类养殖属于中国渤海的一种重要的养殖方式[20]。2018年秦皇岛市昌黎县新开河口的海湾扇贝养殖区的水质调查显示养殖区内比养殖区外富营养化情况更为严重[21]。He等[22]调查了扇贝养殖对邻近渤海的新开河口和滦河口浮游细菌多样性的影响，发现包括副溶血弧菌在内的细菌丰度在不同的河口和繁殖季节具有显著差异，并受硝酸盐和营养物比例的影响;其浮游细菌分布主要是变形菌、蓝细菌、放线菌和拟杆菌。同样地，浙江象山港的网箱养殖区与非养殖区细菌群落差异的主要浮游细菌为α-变形菌、γ-变形菌和拟杆菌;该区域的养殖活动可以导致拟杆菌、γ-变形菌和放线菌的群落以及丰度的显著变化[23]。

3 渤海近海浮游细菌群落变化的主要驱动因素

渤海水体自净能力较差，沿岸大量生活污水和工业废水的输入使得大量的氮营养盐进入水体，造成水质恶化[24];一些天气气候如台风会导致总氮、总磷和氨氮的含量急剧升高和长期增加[25]。浮游细菌对环境因子的变化响应可以作为环境变化的良好指标。某些营养物质和有毒物质的持续存在和积累，使水体溶氧含量降低以及浮游生物代谢和群落结构的改变[26]，渤海湾近岸较远岸表现出低温、高营养盐的明显差异[27]。

溶解氧作为一个关键的水质指标，在评价水质状况中扮演着重要的角色。从1975到1999年的25年间，渤海溶解氧含量的变化为夏、秋季低，冬、春季高[28]。并且渤海水体在近几年都表现出季节性缺氧[29]，溶解氧在近几年的研究当中总体呈现一个降低的趋势[30]。

陸地的不断输入是导致渤海氮、磷营养盐持续增加的重要原因。渤海湾西侧海域以陆源影响为主，研究的季节内均具有较高DIN和DIN/DIP;东侧海域则以海洋影响为主，存在季节性的高DIP、溶解硅酸盐（DSi）、DSi/DIN和DSi/DIP[31]。1959—2016年间，整个渤海海域表层水体中DIN年均浓度总体呈现增加-降低-增加的“N”型变化趋势，DIP年均浓度呈增加-降低-增加-降低的“M”型变化趋势，DSi年均浓度总体呈现降低-快速增加-再降低的趋势[32]。从20世纪50年代末到2010年代中期，整个渤海海域DIN的浓度增加了约7倍，而DIP和DSi的浓度从20世纪50年代末到20世纪90年代初有所下降，此后又有所上升[33]。中国沿海海水富营养化严重，在过去十年中，海水质量恶化的趋势得到了遏制，但沿海富营养化的状况没有得到实质性改善，仍然需要做大量的工作来控制进入沿海水域的营养物总量[34]。

4 近海浮游细菌在海洋物质循环中的功能研究

4.1 碳循环

海洋是地球上最大的有机碳库，海洋碳循环在调节全球气候变化中发挥着举足轻重的作用。虽然海洋对CO2的吸收使空气中温室气体的含量降低，在一定程度上使全球变暖得到了缓和[35];但由于较多的CO2溶解于海洋，造成海洋酸化，对海水化学环境产生显著影响。

海洋中的碳主要以可溶性的无机碳（DIC）、溶解性有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）这三种形式存在[36]。海洋环境中大部分的有机碳是DOC，但其中有近95%是惰性溶解有机碳（RDOC），很难被生物降解。微型生物碳泵（MCP）[37]的提出，指出了海洋微型生物是RDOC的主要贡献者，在海洋碳循环和全球气候变化研究领域产生了重大影响。海洋浮游细菌可以利用DOC转化为自身的POC，进入上层营养级，进而完成碳转换，因此海洋浮游细菌在海洋碳循环中起着不可替代的作用。Zheng等[38]设计了一个60天的实验培养系统，研究发现异养微生物群落通过参与浮游植物分泌物和细胞碎片的降解产生RDOC。Cai等[39]收集了一个沉积物孔隙水溶解性有机物质（DOM）样本及其上覆海水，进行生物测定实验，发现海水微生物群落演替可以驱动沉积物DOC向RDOC转化。Jiao等[40]通过野外观察操作和模型计算，发现蓝细菌和异养细菌都对深海腐殖质样荧光溶解有机质（FDOM）的形成有贡献，生物碳泵是产生巨大海洋RDOC的重要机制，也是维持RDOC库的主要机制。

4.2 氮循环

氮是构成所有生命体大分子化合物的重要原料，对维持海洋生态系统平衡发挥着重要的作用。无机氮常以NH3、NH+4、NO-3、NO-2、N2O、NO、N2等形式存在，有机氮化合物常以甲胺和氨基酸等形式存在。海洋中氮循环主要过程包括：1）固氮作用，氮分子被固氮原核微生物固定转化为氨气;2）硝化作用，氨态氮被硝化细菌氧化成硝酸盐的过程;3）反硝化作用（也称脱氮作用），是由反硝化细菌还原硝酸盐或亚硝酸盐并释放N2O、NO或N2[41]。海洋中的硝化细菌和反硝化细菌能够维持海洋氮循环的平衡。

赤潮是由于海水富营养化、氮含量超标引起的，水体富营养化能够引发一些浮游生物过度繁殖[42]。氨氧化古菌（AOA）作为海洋中氨氧化作用的主导微生物，在海洋氮循环过程中发挥重要作用，古菌在水域环境中广泛分布，尤其是在真光层以下的深层海水中数量更为丰富[43]。在黄河入海口处，AOA为优势氨氧化类群，其丰度在水体中高于氨氧化细菌（AOB）;研究人员通过微宇宙实验证实了此处水体样品中的反硝化速率随着硝酸盐浓度的增加而升高，而厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵速率则随着硝酸盐浓度的增加呈现降低趋势[44]。我国近海环境的相关研究数据并不多见，对我国海域相关生态模型的建立及对生态系统服务功能的预测有一定的制约。因此，我国微生物氮循环研究的进一步发展， 对海洋生态系统评价、海岸带环境保护、生态灾难预警与对策等社会需求的满足具有重要意义[45]。

4.3 硫循环

硫在自然界中是一种常见的非金属元素，单质为黄色粉末，但硫元素通常以硫化物和硫酸盐的形式存在，硫化物存在形式很多，例如SO2、FeS2等，硫酸盐包括二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）和二甲基硫（DMS）。硫在海洋氧化还原过程中可以为微生物的生命活动提供能量，也是组成酶和氨基酸的必需原料。

海洋中的硫循环主要包括硫化物的氧化和硫酸盐的还原两个过程，海洋细菌在其中起着非常重要的作用[46]。DMSP主要由藻类和单细胞浮游植物产生，在海洋中几乎无处不在;DMS是DMSP的代谢产物，主要由海洋细菌裂解产生[47]，大气中DMS的氧化产物能改变雨水的天然酸性，对全球气候变化也有影响。在海水环境中，DMSP的裂解主要有三种途径：去甲基作用、裂解酶作用和氧化作用。α-变形杆菌是承担DMSP去甲基化代谢的主要类群，参与环境DMSP循环，其中SAR11和玫瑰杆菌是DMSP降解的关键菌[6，48]。

氮磷营养盐影响DMSP合成与降解细菌的功能。氮限制能够促进细菌DMSP合成基因的表达，从而通过增加DMSP的合成以应对氮营养条件不足的生存环境，进而提高DMSP脱甲基化的比例，为细菌提供更多能量;而在硝酸盐和磷酸盐充足情况下，细菌相对减少DMSP的合成且更倾向于裂解DMSP产生DMS来降低硫同化的比例，所以海水富营养化影响细菌合成与降解DMSP的过程[49]。此外，DMSP通过改变细菌群感效应和化学趋向性对藻-菌关系产生一定的影响[50]。尽管海洋DMSP合成细菌在驱动全球硫循环方面发挥着重要的作用，然而目前已知的海洋硫循环功能菌群并不多，并且各种环境因素对其群落结构的具体影响机制尚有待深入探究。

5 总结与展望

浮游细菌在海洋生态系统中广泛分布，在海洋物质循环中发挥着不可替代的作用。近年来研究人员对海洋浮游细菌的研究更加深入，特别是在近海海域，针对其群落结构和生态功能的研究日益增多。本文对渤海近海浮游细菌的研究进展进行了简要概述，總结了浮游细菌在海洋物质循环中扮演的重要角色，预计未来对于海洋浮游细菌生态功能的研究将会更加深入。

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（收稿日期：2021-03-19）

基金项目：河北省自然科学基金（D2019204215），河北农业大学人才引进科研专项（YJ201834），自然资源部北海局海洋科技项目（202014）资助。

作者简介：李晓芳（1997-），女，硕士生，研究方向：海洋渔业环境。E-mail：422735108@qq.com。

通信作者：王秋珍（1990-），女，博士，研究方向：海洋微生物多样性。E-mail：qqzz1990@163.com。