低营养环境中的微生物

时间：2022-02-14 百科知识版权反馈

【摘要】：现在地球生物圈的大部分也是低营养的，微生物在这些区域的生物地球化学循环中起关键作用。对低营养环境微生物的研究有助于加深我们对低营养条件微生物生理代谢特性及生物进化过程的认识。在低营养的海湾水域中已分离到鞘细菌、假单胞菌、弧菌、棒状杆菌、生丝微菌等，此外在低营养海洋生态系统中还存在大量滤过性细菌。低代谢活性在低营养环境中，许多微生物处于休眠状态，微生物活性极低。

低营养环境中的微生物_环境微生物学（上

二、低营养环境中的微生物

地球上生命出现的早期，营养物含量极为贫乏，细菌是地球上最早的生物，它们在漫长的进化过程中如何适应地球的早期环境呢?现在地球生物圈的大部分也是低营养的，微生物在这些区域的生物地球化学循环中起关键作用。微生物在低营养条件下的生理适应和状态为微生物的生理生态研究提出新的问题。对低营养环境微生物的研究有助于加深我们对低营养条件微生物生理代谢特性及生物进化过程的认识。

1.低营养环境

缺乏异养细菌生长所需的有机物(主要是有机碳，也包括N、P营养)的环境称为低营养环境。造成环境低营养的原因可以有:①微生物的代谢短时间内耗尽生态系统中的有机物，特别是在那些有机物不能被光合生物所补偿的地方。②易于分解的有机物被快速利用，余下的是很难利用的有机物;有的有机物可被络合到腐殖质和黏壤，使微生物利用的敏感性降低。③许多土壤来源于风化的岩石，形成后天的营养物贫乏。地球上的生态系统的有机物水平一般较低，土壤的平均值是每克肥沃的土壤25mg有机碳，水系统中每升水含10mg有机碳，而且碳的大部分不被微生物利用。这些数值远远低于一般营养肉汤溶解碳(3400mg/ L)的含量。一般生态系统是贫营养的，富营养的情况罕见。生态系统能量供应严重限制微生物群体，并使群体的代谢处于不活跃的状态。

2.低营养环境的微生物

地球生境的大部分是低营养的，那里存在着大量适应于低营养物的微生物。在低营养的海湾水域中已分离到鞘细菌、假单胞菌、弧菌、棒状杆菌、生丝微菌等，此外在低营养海洋生态系统中还存在大量滤过性细菌。在低营养湖泊中分离到柄细菌、鞘细菌、微环菌、假单胞菌，甚至在蒸馏水中也分离到鞘细菌。在贫瘠的土壤中分离到柄细菌、生丝微菌、节杆菌等。现在有人使用一个不够确切的概念“寡营养细菌”(oligotrophic bacteria)来表征这部分微生物。一般寡营养细菌被定义为第一次培养时能在含碳1～15mg/L的培养基上生长的细菌。如果它们不能在富营养培养基上生长则称为专性寡营养菌，否则称为兼性寡营养菌。在营养物浓度达到分离这种细菌100倍的培养基上生长的细菌称为富营养细菌(copiotrophic bacteria)。但许多研究表明分离到的寡营养细菌在合适的条件下其对营养的敏感性会发生变化，因此寡营养细菌的概念是有争议的。这样低(寡)营养更多用于描述环境，而不是定义微生物，要更多关注的是处于低营养生境的微生物活性及其生理状态。

(1)持久的存活和保持代谢活性能力

许多微生物具有低营养条件下的持久的存活和保持代谢活性的能力，微生物学家已经从历史久远的物质(如琥珀(amber)、远古岩石、地球的深层、盐岩等)，中分离到活的细菌。最新的资料表明永久冻土中也存在活的细菌。为此人们认同了远古物质有活细胞的说法，并把经培养使濒于死亡的细菌转成活细胞的过程称为复生(anabiosis)。在把细菌置于蒸馏水饥饿的实验研究中，浓度达10⁷～10⁹细胞/ml的一种假单胞菌(Pseudomonas syringae)保存24年后仍维持在10⁵～10⁶细胞/ml浓度。大肠杆菌、克雷伯化菌和假单胞菌(Pseudomonas cepacia)置于蒸馏水中经历624天的饥饿，浓度从10⁷细胞/ml下降到10⁴～10⁵细胞/ml。硫氧化菌保藏在土壤中54年仍可分离到。微生物的长寿报告经常可见，低营养条件下的细菌经历长期的饥饿仍具有活性。研究证明饥饿细胞仍然含有一定量的ATP，ATP可为有机物进入细胞提供能量，因此在它们接触到新的底物时仍有分解底物的能力。

(2)低代谢活性

在低营养环境中，许多微生物处于休眠状态，微生物活性极低。一般土壤微生物生物量碳的倍增时间在66.35～912.5天(0.4倍/年～5.5倍/年)。在等温线(thermocline)以下的深海中氧消耗仅为0.002～0.004ml/L·年。低营养条件下低代谢活性对微生物的存活有重要意义。如果深海中的异养细菌有高的代谢速率，则那里的有机物就会很快耗尽，因此低代谢速率对微生物来说不是祸而是福。存在于岩石、盐矿的微生物不能快速利用存在的能源正是它们能长时间存活的重要原因。

(3)低营养条件下饥饿存活的生理状态

在低营养条件下，由于缺乏生长和繁殖所需的充分的能量供应，微生物处于饥饿存活的生理状态，但微生物在各种低营养生态系统中的原位饥饿过程还难以彻底研究和详细阐明，因此现以模拟实验来研究低营养环境下微生物的生理状况的变化。第一种实验研究是把海洋细菌培养于营养物(有机物质(能源物质)或无机物)含量比任何生态系统都高得多的培养液中，然后离心收集细胞，洗涤(一般两次)，再把细胞投入饥饿溶液中。以一定时间间隔取样的平板计数结果揭示饥饿存活的模式。实验结果可以概括为四种模式(图1-10):

图1-10　微生物的饥饿存活模式

(A)在数量上立即陡然下降，(B)数量不发生改变，(C)数量增加又下降，(D)数量增加。大部分饥饿研究证明(C)模式最为常见，耐冷亚硝化单胞菌(Nitrosomonas cryotolerans)为(B)模式(化能无机营养菌不一定都是(B)模式)，(A)、(D)两种模式较为少见。这说明在饥饿低营养环境条件下仍然可以利用内源能量生长，但总体上生长速率不断降低，数量下降。第二种实验研究用一种海洋嗜冷弧菌ANT-300进行，细菌先用丰富培养液(Lib-x培养液)在恒化器中培养达到一定的浓度(对数生长期)，离心收集并洗涤细胞。设四种饥饿培养模式，其一是批式培养(batch culture)，即按设定浓度把细胞悬浮在无菌的Lib-x中静态培养，取样时摇动均匀。其余三种是以不同的稀释率(D=0.015，0.057，0.170)连续培养设定浓度的细菌细胞，培养液(SLX)的有机物浓度为丰富培养液(Libx)的十分之一，其有机物浓度接近于低营养环境。四种培养的时间均为98天。相应的生长速率、倍增时间如表1-9。以总细胞数(acridine orange direct count AODC)、活细胞数(CFU)、光密度(OD₆₀₀)表征饥饿存活过程中的生长情况。测定结果如图1-11所示。从图可见四种培养均显示出同样的趋势。活菌数在其数量增加到峰值水平后下降，最后数量为10⁵细胞/ml，约为开始数量(3×10⁷细胞/ml)的0.3%。总细菌数在达到其峰值水平后仍然持平。活细胞数和细菌总数的差异说明细胞总数中有很大一部分未能在培养基上表现为CFU。实验证明INT(reduction of 2-(p-iodophenyl)-3-cp-Nitro-phenyl-5-phenyl-tetrazolium)细胞计数比CFU数大10倍，但不如直接计数那样高，INT还原说明细胞代谢发生，但不形成CFU。这部分细胞是活的但不可培养。这部分细菌并不是永远不可培养，提供合适的复生条件可使其可培养。细胞总数不变而光密度随时间不降，这说明细胞已经微型化。对细胞体积的实际测定也说明饥饿条件下的细胞体积的明显减小(表1-10)。从表中可见饥饿过程，正常的细胞变成超微细胞(ultramicrocells)是主流、正常的情况。体积降低都在70%以上，分批培养的降低尤为突出。稀释率越小，细胞越小。这也为低营养的自然环境中微生物细胞的微型化提供了依据。此外细胞的DNA含量也发生了相应的变化(表1-11)。从表中可以看到:①总体上饥饿以后各类细胞的核苷酸的体积明显下降。携带相对较少量DNA的海洋细菌具有生存下去的能力，其基因组相对非饥饿的培养物或细胞有更高的效率。②核苷酸体积与细胞体积(N/C)的比值可以作为饥饿阶段健康程度的一种指标，D=0.015h^－1的细胞群体在饥饿存活的第三阶段仍然保持40%N/C比值，批式培养的饥饿细胞仅为6%的N/C比值，而后者不能适应长期的饥饿存活。

表1-9 　　　　　ANT-300培养的稀释率及相应的生长率和倍增时间