海草床微生物及其物质循环功能的研究进展

张 勇，李晓芳，王秋珍

(1.国家海洋局 秦皇岛海洋环境监测中心站，河北 秦皇岛 066002；2.河北农业大学 海洋学院，河北 秦皇岛 066000)

海草床是地球上最重要的海洋生态系统之一，具有稳定泥沙、净化水质、保护海岸线的重要功能，也是很多海洋生物赖以生存的栖息地。海草草甸中分布着丰富的微生物群落，在近海物质循环和生物地球化学过程中发挥重要作用，尤其是异养微生物群落，对于维持生态系统的稳定性至关重要。与研究充分的陆生微生物相比，海草微生物组成结构存在显著差异。例如，陆生植物叶片微生物组成与其周围空气样本中的微生物群落不同，而大叶藻叶片的微生物组成与其周围海水的微生物群落相似。此外，海草附生微生物群落也可能随着环境条件的变化而改变。例如，在红海北部的亚喀巴湾阿舍尔草甸，不同采样站位和不同植物区系的托叶盐藻的微生物群落组成存在差异，γ -变形菌门(Gammaproteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)在光照限制条件下丰度较高，蓝藻门(Cyanobacteria)和红杆菌科(Rhodobacteraceae)在光照条件和水动力条件强时丰度较高。而托叶盐藻的叶片形态和光合色素含量受光的可利用性和水动力条件的影响。海草植物与微生物群落相互响应，未来可能成为评估海草生态状况的有效方法。此外，由于近年来气候变化和人类活动的影响，以及海草对环境压力源较高的敏感度，全球海草覆盖面积正快速减少。因此，海草微生物群落组成可以作为有效识别海草生态状况的早期指标，用于更加全面、及时地掌握海草生态系统所面临的环境压力。本文主要总结了海草床微生物的多样性及其参与硫、氮和碳循环的研究进展，以期为未来海草床的生态环境监测和风险评估提供一定的参考。

1 海草床微生物的多样性与分布

海草床微生物包括细菌、真菌、古生菌、病毒、原生动物、微藻等。其中真菌主要分布于海草组织内部以及水和沉积物中，真菌在海草中的定植频率(CF%)普遍低于陆地植物，已经鉴定的海草内生真菌主要是子囊菌科。异养鞭毛虫和纤毛虫等原生生物广泛分布于海草生态系统，网粘菌纲原生生物是导致海草消耗性疾病的病原。总体上，对海草床中的真菌、古生菌和病毒研究得较少，而细菌在海草生态系统中的多样性和分布是目前研究的热点。

海草床对沿海底栖生物化学、微生物群落组成和生物地球化学过程具有潜在的影响。海草定植的植被沉积物和裸露的非植被沉积物中细菌群落相对稳定，总体上以δ-、ε-和γ-变形菌(Proteobacteria)为主，两者的相对丰度没有显著性差异。但在植被沉积物中，δ-变形菌门脱硫球菌和绿弯菌门厌氧绳菌科Anaerolineae的比例要高得多；而在非植被沉积物中，拟杆菌门黄杆菌科Flavobacteriaceae的比例更高。此外，具有铁(III)还原活性的地杆菌科Geobacteraceae和具有硫酸盐还原活性的脱硫球茎菌科Desulfobulbaceae等固氮细菌普遍存在于沿海沉积环境中。美国佛罗里达最丰富的两种海草泰莱草和丝状针叶藻的叶片和根部以及海水和沉积物之间的微生物组成对比发现，叶片、根部、海水和沉积物的微生物组成各不相同，但两种海草的微生物组是相似的。并且，在所有样本中都发现了γ-变形菌纲Gammaproteobacteria，但它们在根和根茎中略多一些；δ-变形菌纲Deltaproteobacteria存在于除海水外的所有样本中，α-变形菌纲Alphaproteobacteria和黄杆菌纲Flavobacteriia主要存在于海水和叶球中。类似地，针对大西洋东北部海草(大叶藻属、和海神草属)根际微生物群落组成的研究发现，根瘤菌组与周围沉积物和海水的细菌群落存在显著差异。同一区域内不同海草种类的根瘤菌组差异不显著，但不同地理位置的海草根瘤菌组差异显著。三种海草中最丰富的类群是γ-变形菌纲、δ-变形菌纲、拟杆菌纲Bacteroidia、ε-变形菌纲Epsilonproteobacteria、厌氧绳菌纲Anaerolineae、酸微菌纲Acidimicrobiia和α-变形菌纲。在根际，最丰富的类群为ε-变形菌纲。因此，海草微生物群落结构受环境条件的影响，可作为指示环境变化的辅助指标。

2 海草床微生物的物质循环功能

海草床生态系统的微生物群落，尤其是异养微生物，对近海物质循环和生物地球化学过程发挥重要作用，对于维持海草健康起着关键的调节作用。海草微生物可以将对植物有毒性作用的硫化物氧化为无毒的硫酸盐、固氮或者保护海草免受病原体的伤害。

2.1 硫循环

沿海沉积物中的有机物积累导致沉积物中具有高浓度硫化物，对维管植物产生毒性作用。功能性微生物如β-变形菌纲Betaproteobacteria、γ-变形菌纲和δ-变形菌纲参与硫循环，是海草的核心根瘤菌群，对海草的生存和适应性发挥重要作用。海洋大叶藻的孤立根和根状茎具有较高的硫酸盐还原活性，根和根状茎可能是硫酸盐还原细菌(简称SRB)的理想生存区域，根和根茎相关的固氮细菌(简称NFB)以及SRB的丰度比整体沉积物高650倍。北半球海洋大叶藻最丰富的根际微生物类群集中在硫单胞菌属上，约占根际分类操作单元(OTUs)的10%；并且绝大多数分离培养的硫单胞菌都能氧化硫化物并产生硫酸盐作为最终产物。因此，硫循环相关细菌的富集可能对沿海海洋栖息地的宿主耐受硫化物毒性至关重要。此外，在厌氧条件下，脱硫盒菌属可以CO为唯一碳源，固定氮气，并通过将单质硫歧化为硫化物和硫酸盐用于自身的生长。

2.2 氮循环

在海草床生态系统中，氮通常是限制生产力的主要营养因素。根际沉积物中重氮营养体的生物固氮作用可以将新的氮引入生态系统。固定氮从细菌转移到海草植物，它们有可能满足海草对氮的所有需求。在海洋大叶藻定植的滨海泻湖表层沉积物中，氮化酶基因(H)主要存在于地杆菌科和脱硫球茎菌科的系统类型。此外，多数SRB也可以像NFB一样固氮，硫还原群落进行的固氮可以提供植物所需的37%～1 613%的氮，是海草系统固氮的重要因素。铁(III)还原菌地杆菌科也是沿海沉积物重氮营养体的优势菌群。不同的海草种类、采样季节、地理位置和自然环境条件可能会影响海草相关沉积环境中N固定细菌的多样性和分布。此外，硫酸盐还原和固氮均受有机污染物的影响，在添加多环芳烃(简称PAHs)的诱导胁迫下，固氮细菌组合会发生巨大的变化。采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)方法研究3种多环芳烃(萘、芴和芘)对沉积物固氮细菌群落的影响，发现随着多环芳烃种类、剂量和时间的不同，DGGE谱条带数和条带强度均发生了明显的变化。经高浓度PAHs处理后，许多条带变得微弱甚至消失；而低浓度的芴和芘可以刺激某些固氮细菌生长。

2.3 碳循环

海草只占沿海水域相对较小的一部分(约0.1%)，但它们是海洋碳库的重要组成部分(10%～18%)。陆生植物和海草来源的有机碳是沉积物中储存的有机碳的主要贡献者。海草床有机质池主要包括沉积的浮游植物、易于被细菌利用的根和根茎浸出的可溶性有机物，以及相对持久的颗粒组分(主要是纤维素和半纤维素)，这些颗粒组分在沉积物中逐年累积。在海草细菌脱硫球菌属、厌氧绳菌科Anaerolineae和黄杆菌科Flavobacteriaceae种类中，具有代表性的成员是参与碳循环的异养细菌的主要物种。海草SRB中的脱硫球菌属能够将各种电子供体完全氧化为CO，同时降解短链碳氢化合物，并且在沿海海洋和碳氢化合物渗漏沉积物中也发现了高细胞数的脱硫球菌属相关种群。一些菌群能够通过固氮降解碳氢化合物，可应用于溢油清理，特别是在氮限制的地区。此外，海草沉积物中有机质的多样化以及高生物利用率(表现为相对较低的碳氮比)和较低还原性的厌氧条件，可能有利于脱硫球菌和厌氧绳菌纲Anaerolineae谱系。因此，它们是高产海草生态系统中底栖碳和硫循环中潜在的重要种群。

不同功能微生物之间的代谢活动交叉偶联。例如，海草沉积物中存在一个属于地杆菌家族的N固定细菌群，其产生的铁(II)除了用于固定氮以满足海草的快速生长外，还可能通过沉淀为黄铁矿来缓解硫酸盐还原的最终产物硫化物的毒性。海草微生物的氮固定与硫酸盐还原过程在分子水平上是耦合的。SRB能够促进海草甸沉积物的厌氧固氮活动，提高养分的可利用性。但海草根部径向氧损失可能抑制沉积物中SRB的活性。NFB(如根瘤菌)和SRB(如硫酸还原菌脱硫念珠菌属和脱硫线菌属)的相对丰度可以分别作为海草健康或应激状态的指标。此外，硫酸盐还原菌团也能降解多环芳烃，其降解率与硫酸盐还原率呈良好关系。因此，硫酸盐还原菌可以作为碳、氮、硫生物地球化学循环的关键连接剂。

3 总结与展望

本文综述了海草床微生物的多样性、分布及其参与近海海草床生态系统硫循环、氮循环和碳循环的重要生态功能。海草床微生物包括细菌、真菌、古生菌、病毒、原生生物等，其中海洋细菌是研究得最多的参与硫、氮和碳代谢的微生物。某些异养细菌如SRB，在分子水平上耦合多个代谢过程(硫酸盐还原、固氮、有机物降解)，并受海草、物种、水质和沉积物等多环境因素的影响。因此，某些功能性微生物未来可能作为海草健康状态的重要指标。虽然已有研究对某些海草植物种类的全球尺度的微生物特征进行了深入系统研究，但仍需提供更多的海洋植物在其自然栖息环境的微生物群落特征，以及环境变化对海草与微生物关系产生的影响，以期通过大规模的研究更加深入地了解海草微生物的生态学特征与环境适应性进化机制。