異養(yǎng)細(xì)菌生長效率、調(diào)控機(jī)制、生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展（一）
異養(yǎng)浮游細(xì)菌對溶解性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)的降解消耗是海洋食物網(wǎng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流通的主要途徑，如在寡營養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中浮游細(xì)菌對物質(zhì)循環(huán)和能量流動的貢獻(xiàn)是最大的[1]。1983年Azam等[2]科學(xué)家提出了微食物環(huán)的概念，即相當(dāng)數(shù)量的溶解性有機(jī)物(Dissolved Organic Matter，DOM)和顆粒性有機(jī)物(Particular Organic Matter，POM)通過原核生物和非常小的真核生物的利用，轉(zhuǎn)化成自身的顆粒有機(jī)物，然后被原生動物(主要是鞭毛蟲和纖毛蟲)捕食后再傳遞到后生動物，從而進(jìn)入經(jīng)典食物鏈向高營養(yǎng)層傳遞，在此過程中異養(yǎng)浮游細(xì)菌扮演次級生產(chǎn)者的角色;另一方面，海洋浮游細(xì)菌(主要是異養(yǎng)浮游細(xì)菌)能將生物營養(yǎng)轉(zhuǎn)化中遺失的溶解性有機(jī)物和顆粒性有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為無機(jī)營養(yǎng)鹽，促進(jìn)營養(yǎng)鹽循環(huán)，并成為海洋群落呼吸釋放CO2的主要貢獻(xiàn)者，從而起到分解者或還原者的作用。細(xì)菌生產(chǎn)力(Bacterial Production，BP)和細(xì)菌呼吸率(Bacterial Respiration，BR)分別是反映上述兩個生態(tài)過程的重要參數(shù)，在現(xiàn)場研究中實(shí)際以水體異養(yǎng)微生物(包括細(xì)菌和古菌)為對象并對其生態(tài)功能進(jìn)行衡量[3-5]。深入了解浮游細(xì)菌在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中的雙重角色是目前微生物生態(tài)研究的核心內(nèi)容[6-8]。
細(xì)菌生長效率(Bacterial Growth Efficiency，BGE)反映了水生生態(tài)系統(tǒng)中溶解有機(jī)碳通過異養(yǎng)細(xì)菌二次生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為自身顆粒有機(jī)物的效率，定義為：
BGE是描述水體異養(yǎng)微生物功能和生態(tài)角色的重要參數(shù)[9]，也是評價微生物群落碳收支的關(guān)鍵指標(biāo)[10-11]。此外，細(xì)菌生長效率與其本身的生理?xiàng)l件密切相關(guān)，因而可以作為反映水體中細(xì)菌生長環(huán)境的一個有效指標(biāo)[12]。細(xì)菌生長效率概念的提出，旨在對異養(yǎng)微生物次級生產(chǎn)與呼吸代謝兩大生態(tài)過程之間的相對關(guān)系進(jìn)行綜合研究[13]。近年來細(xì)菌生長效率研究越來越受到關(guān)注，這得益于人們對細(xì)菌呼吸代謝生態(tài)學(xué)意義的重新審視[14-15]。與單純的細(xì)菌生產(chǎn)力研究相比，細(xì)菌生長效率的研究可以彌補(bǔ)異養(yǎng)微生物生長代謝過程中的實(shí)際需碳量、對有機(jī)碳源的利用效率及損耗比例、系統(tǒng)的營養(yǎng)狀態(tài)、CO2產(chǎn)出等信息的不足，因而能夠更客觀地反映異養(yǎng)微生物對微食物環(huán)能量流動與物質(zhì)循環(huán)的貢獻(xiàn)，并有助于深入開展海洋碳循環(huán)體系的生物地球化學(xué)研究[12，16-17]。過去測量BP時很少同步測量BR，以致不同海區(qū)浮游細(xì)菌需碳量(Bacterial Carbon Demand，BCD)到目前為止還是絕大部分未知[14]。在全球氣候變化以及海洋碳循環(huán)研究深入的大環(huán)境下，此方面研究工作的進(jìn)一步開展有利于深入分析海洋碳的源匯問題，并揭示海洋生態(tài)系統(tǒng)在其中所發(fā)揮的具體作用[14，17-19]。
1細(xì)菌生長效率及相關(guān)參數(shù)研究方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展
1.1細(xì)菌生產(chǎn)力
異養(yǎng)細(xì)菌生產(chǎn)力的研究方法主要包括[甲基-3H]胸腺嘧啶示蹤法[20]、[3H]亮氨酸示蹤法[21]、細(xì)胞分裂頻率法(FDC)[22]、分級或稀釋培養(yǎng)中細(xì)胞數(shù)量的增加法[23]、測定放射性標(biāo)記的氨基酸或葡萄糖(14C-glucose)[24]等，這些方法的原理及特點(diǎn)的詳細(xì)闡述見文獻(xiàn)[9，25]。此外，還可以根據(jù)細(xì)菌豐度(Bacterial Abundance，BA)的變化來估算BP[10，26]。目前國內(nèi)外比較常用的是3H胸腺嘧啶示蹤法和3H亮氨酸示蹤法，后者也是國標(biāo)仲裁方法。
1.2細(xì)菌呼吸率
目前細(xì)菌呼吸率的測定方法主要有兩種：
(1)經(jīng)典的以氧濃度變化為基礎(chǔ)的溶解氧滴定法[11，27-29]
其中DO0，DOt分別為樣品培養(yǎng)前后溶解氧濃度，t為培養(yǎng)時間。
呼吸熵(respiratory quotients，RQ)的引入把測定細(xì)菌呼吸率的氧單位轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴紴閱挝唬x為：
RQ大小取決于所利用的底物組成，范圍為0.7～1.1，通常假定RQ=1[11-12，27-28]。這種方法具有很高的靈敏性和準(zhǔn)確性[10，30]，也是最常用的方法[11，27-29]，后面總結(jié)BGE的時空分布規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制幾乎都是基于這種測量方法計算和分析得出的，但是這種方法局限性帶來的潛在影響已經(jīng)成為BGE研究工作深入開展的瓶頸[31]。
(2)以二氧化碳濃度變化為基礎(chǔ)的庫侖呼吸測量法[32-33]
Toolan[32]指出庫倫呼吸測量法是基于碳的呼吸率，因而能與初級生產(chǎn)無機(jī)碳固定率作對比，并且由于其不需要運(yùn)用到呼吸熵，所以要比以測氧氣濃度變化為基礎(chǔ)的方法優(yōu)越。水體中由于CO2與23CO-相平衡，為了測量通過呼吸產(chǎn)生的CO2，故應(yīng)測量總?cè)芙鉄o機(jī)碳(TCO2)：
海水中的TCO2利用庫侖滴定法來測量[32]。但溶解氧滴定法和庫倫呼吸法都需要對實(shí)驗(yàn)水樣進(jìn)行至少24 h的培養(yǎng)才能得出測量結(jié)果，這就存在以下兩方面的問題：一方面，這些測量方法長時間培養(yǎng)過程中的容器效應(yīng)無法忽視，如為了研究異養(yǎng)細(xì)菌，其必須和其他浮游生物相分離，通常經(jīng)過0.6～2μm濾膜過濾，但完全分離是不可能達(dá)到的，所以BR的變化除了細(xì)菌外還歸因于其他有機(jī)體，并且過濾可能會破壞原有細(xì)菌聚合的結(jié)構(gòu)，也會改變原有的捕食關(guān)系[35]。如果過濾的過程中細(xì)胞破碎，則有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)都會釋放出來。此外長期培養(yǎng)可能誘發(fā)細(xì)菌群落組成的變化[36-37]或營養(yǎng)物質(zhì)的消耗[11]。因此結(jié)果可能不能代表初始的細(xì)菌群落。另一方面，這也難以與基于3H同位素示蹤法測量細(xì)菌生產(chǎn)力的快速性相匹配(培養(yǎng)時間可在0.5 h以內(nèi))并帶來相關(guān)的誤差。在這種背景下，Briand等[10]以及Eichinger等[38]利用高精度連續(xù)測量技術(shù)將自然水體細(xì)菌呼吸率的有效測量時間大大縮減，使培養(yǎng)更接近系統(tǒng)的原始狀態(tài)，提高了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和精度;Pringault等[39]在2009年也曾報道過利用氧氣微電極連續(xù)測量技術(shù)開展BGE相關(guān)研究。
1.3細(xì)菌生長效率
早期BGE的值通常基于放射性同位素示蹤簡單有機(jī)化合物的吸收、融合和呼吸測量得到的[40-41]，這種方法具有較高的靈敏性，它可以使吸收和呼吸速率經(jīng)過短期培養(yǎng)后就能測定，即使在生產(chǎn)力不高的水域也能應(yīng)用。但是在短期培養(yǎng)過程中，細(xì)胞內(nèi)的碳庫不能達(dá)到平衡，并且細(xì)胞內(nèi)部的同位素稀釋和不穩(wěn)定狀態(tài)都會使放射性標(biāo)記化合物產(chǎn)生的生物量偏高，所以這些值現(xiàn)在被認(rèn)為過高估計自然浮游細(xì)菌的實(shí)際生長效率[14，33，42-46]，此外，細(xì)菌可能同時利用多種有機(jī)底物，所以只標(biāo)記單種化合物不能反應(yīng)細(xì)菌利用底物的復(fù)雜情況，并可能造成BGE的過高估計[14，45，47]。目前主要有兩種BGE的測定方法：第一種方法，在相對短的培養(yǎng)時間內(nèi)(通常小于36 h或小于周轉(zhuǎn)時間)測量BR和BP，這種方法在細(xì)菌呼吸率測定方法中已進(jìn)行了詳細(xì)闡述。第二種方法是稀釋培養(yǎng)，將少量自然條件下的細(xì)菌群落接種到過濾無菌水上，觀察這些細(xì)菌的生長，時間一般為數(shù)天或數(shù)周[33，45，48-49]。在這種長期試驗(yàn)中，監(jiān)測DOC和POC的變化很容易，BGE可通過下式估算得出：
有研究結(jié)果表明過濾法和稀釋法得到的BGE數(shù)據(jù)具有一定的一致性[11]。無論采用哪種方法，細(xì)菌和天然DOC的來源都將分離，并且細(xì)菌和微生物捕食者相分離與營養(yǎng)物質(zhì)的再生渠道不耦合，這可能對于維持自然系統(tǒng)中高BGE有重要作用。在長期稀釋試驗(yàn)中，難降解DOC的消耗量將增加，營養(yǎng)物質(zhì)的的消耗將增大，在短期過濾法實(shí)驗(yàn)中只用大部分可降解性DOC被利用，避免有機(jī)物的過度消耗。在長期培養(yǎng)中，異養(yǎng)鞭毛蟲的生長不可避免，因此攝食將對細(xì)菌生物量和BGE產(chǎn)生重大影響[44，50]，并且在長期培養(yǎng)中，有毒代謝產(chǎn)物的積累將使BGE降低[51]。無論是培養(yǎng)時間多長，BR、BP都是變化的，所以培養(yǎng)時間的長短和這些方法的融合對于BGE的計算都很重要。近期報道的縮短培養(yǎng)時間的技術(shù)改進(jìn)(如前面提到的高精度溶解氧測量方法減少呼吸率部分測量時間)對整個BGE估算的質(zhì)量都有明顯改善，但目前BGE的精確測量對于微生物生態(tài)學(xué)家仍舊是一大挑戰(zhàn)。
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