微生物的迁移

一、微生物的迁移

微生物在生态环境中的迁移可对生态环境产生重要的影响。微生物通过地下土层进入地下水可以造成对地下水的污染，降解微生物到达污染地可以加速污染物的降解，修复污染环境。微生物进入新生态环境的存活和活性，以及生态功能的表达成为一个重要研究课题。

1.主动运动和被动运动

(1)主动运动

微生物的主动运动包括藉鞭毛、纤毛的泳动和滑动，主要运动一般仅在短距离内发生，对总的迁移作用很小。

①有鞭毛细菌的游泳大肠埃希菌和鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)等有鞭毛细菌可以依靠运动器官鞭毛平衡地游泳，泳动方向可以随意改变，而在瞬时改变方向时使它们呈翻筋斗状。它们的游泳速度可达每秒钟20～30微米。有鞭毛的螺旋体也藉鞭毛使细胞产生相似的游泳运动。

②有鞭毛和有纤毛真核微生物的游泳在真核微生物中，有鞭毛的藉一根或少数鞭毛推动进行游泳式运动;有纤毛的藉众多纤毛推动进行游泳运动。有鞭毛真核微生物游泳速度每秒超过100微米，而有纤毛的游泳速度较快，某些种类每秒超过1毫米。真核微生物比细菌大得多，具有准确定向能力，其运动为缓和的螺旋线状游动。

③在表面的滑动蓝细菌、黏细菌和硅藻、鼓藻与坚硬基质接触时的运动以滑行为主，这是无运动器官微生物运动的唯一方式。但有的有鞭毛的原核微生物和螺旋体在坚硬基质表面也有滑行运动。滑行运动的速率一般较低，如巨颤藻(Oscillatoria princeps)和某些硅藻的滑行速度每秒钟仅稍多于10微米。

④细胞的极性生长很多真核有机体表现出高极性的细胞生长，在真菌菌丝内原生质流动可将生长需要的物质从几毫米的距离带到菌丝顶端，使菌丝尖端快速伸展。同时，在营养被耗尽的环境内原生质又可以从菌丝缩回，于是实际上有效地出现了有机体的运动。粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)的菌丝体的好气孢囊梗可出现每秒钟1微米的伸展速度，但大多数真菌伸展的速度是这个值的1/40～1/4。

(2)被动运动

微生物在大气、水体、土壤和食品中的被动迁移及传播主要取决于气体、水体的流动和液体、固体的搬运，一般称为水平迁移(advective transport)(详细参阅本章第五节和第五章)。

2.影响迁移的因素

微生物在生境中的移动受多种非生物和生物因素的制约，主要有吸附过程、过滤效应、细胞的生理状态、多孔基质的特性、水流速率、捕食和细胞的内在运动。但概括起来主要是水文和微生物特征，前者是非生物因素，如土壤特征和水流，后者主要是微生物的内在特征。然而最终是水文和微生物因素的相互作用，相互作用决定着微生物的迁移和程度。

(1)过滤效应

过滤效应是对微生物细胞的阻挡作用，可以明显影响它所在多孔土壤基质中的迁移。过滤作用与土壤颗粒的直径密切相关。当微生物的大小大于土壤颗粒平均直径的5%时，微生物可以明显被截留。颗粒直径为0.05～2.0mm的沙质土对微生物的截留作用很小，但颗粒直径为0.2～50μm的粉砂或黏土土壤则能有效截留大部分微生物。而直径更小的病毒颗粒(小于50nm)则难以被过滤截留。微生物细胞的形状(细胞长宽比)也对过滤产生影响，一般来说较小的和较圆的易于通过过滤滤料。

多孔基质过滤作用的另一个原因是微孔截留(micropore exclusion)，微生物可以被多孔基质的微孔区(domain)所物理截留，这包括三种情况，不能穿越微孔，不能进入太小的微孔，或不能从太小的孔口进入孔内。微孔截留造成微生物在微孔区分布不均匀，研究表明这可以降低土壤的硝化-反硝化速率，从而减少NH⁴⁺的流失，增加氮肥的效率，但由于微生物不能进入微孔内，而使扩散到微孔内的污染物老龄化(contaminant aging)，导致较慢的污染物降解速率，一些农药的长期残留与此相关。

(2)生理状态

微生物的生理状态可以改变微生物的大小形态，因而也影响它们的迁移潜力。当营养物不受限制时，大部分微生物可以产生胞外多聚物。胞外多聚物包裹在细胞表面而使细胞的有效直径增加，从而直接降低了微生物的迁移能力，另一方面胞外多聚物还促进了细胞的吸附作用，吸附细胞及其后形成的群落又会进一步造成微孔的堵塞，从而间接增强了过滤的效应。而在饥饿条件下，微生物(特别是细菌)消耗它们的多糖外被或夹膜层，可使体积减少到0.3μm，甚至更小，变成超微细菌。实验研究证明超微细菌比正常营养条件下的细菌有更强的迁移能力。超微细菌的这种高迁移能力在生物修复中有重要的利用价值。

(3)吸附作用

在多种生物和非生物因素的相互作用下，微生物被吸附到多孔基质的表面，进而定殖并形成生物膜。微生物的这种吸附作用可以明显降低微生物的滤过能力，从而大大降低它们在生态环境中的迁移，生物膜的形成又造成新的过滤屏障，进一步加强过滤截留作用。

(4)pH值与微生物迁移

多孔基质中基质溶液的pH值对真菌、细菌迁移的影响，远小于病毒。真菌、细菌有化学上非常多样的表面，它们的等电点(pI)范围从2.5到3.5，在中性pH值时大部分细胞是带负电荷的。当pH值比等电点更偏向酸性时，微生物细胞带上正电荷，就会增加吸附，减少迁移潜力。然而使溶液pH值低于pI的情况不易发生。限制细菌迁移的主要反应是过滤而不是吸附。因此不管pH值如何变化都不会对它们的迁移产生影响。与细菌相反，病毒有较广的等电点范围(pH3.3～8.2)，因此它们的净表面电荷更加依赖于pH值的改变。pH值是影响病毒吸附的重要因素，一般pH值小于5的土壤倾向于有利于病毒的吸附，降低迁移潜力。

(5)离子强度与微生物迁移

溶液中阴离子和阳离子的浓度被称为离子强度。土壤溶液强度主要通过改变扩散性双层的厚度和影响土壤结构两种原理影响微生物迁移。土壤中矿物颗粒表面的负离子吸附溶液中的阳离子，这样邻接表面的区域内有过量的阳离子和少量的阴离子，离开表面阳离子浓度降低直至达到土壤溶液的浓度，这就是扩散性的双层。如土壤溶液总体离子强度增加，则富含阳离子层和外层的阳离子浓度的差异会随之减少，同时产生了阳离子从颗粒或细胞表面扩散的趋势，而由于扩散双层中阴阳离子的相互作用造成扩散双层的压紧。压紧的结果是减少电势，从而增加了细胞被表面吸附的可能性。有人在柱研究(用柱研究微生物迁移能力)中用2mmol/LNaCl作渗透液时比用人工地下水(低离子强度)时回收较少的细胞。除了总的离子强度，组成离子强度的类型也是重要的。一般一价阳离子与二价阳离子的相比表面电荷密度较低，但水合半径较大。这样一种阳离子(如Na⁺)以高浓度存在时，黏土的土壤结构受到破坏，会形成一种孔隙更小，结构紧密的土壤，降低土壤通气和通水能力，从而降低微生物迁移的能力。相反二价阳离子(如Ca²⁺、Mg²⁺)的存在会导致絮凝土壤(flocculated soil)的形成，会增加孔空间，有利于微生物的迁移。

(6)细胞附属物

微生物细胞的附属物，如鞭毛、纤毛和菌毛等与运动及吸附有密切关系，从而可以影响微生物的迁移。一般来说鞭毛有助于运动迁移，实验研究证明，有鞭毛的大肠杆菌比鞭毛缺陷型菌株通过柱的迁移速度快4倍。与鞭毛相比，纤毛和菌毛(pili and fimbriae)更多的是促进吸附降低微生物的迁移能力。细胞表面上的菌毛、纤毛能穿透静电屏障，促进远离表面的吸附，其上的功能基团(疏水基团或正电荷位点)可以促进和表面相互作用导致提高吸附能力。实验证明没有菌毛的突变体吸附能力下降。

(7)沉积作用

如微生物密度比悬浮液体大，而流速又相当慢，这时会使微生物沉积到基质表面。沉积作用可以影响微生物的迁移。

(8)水文地质因素

生境中土壤质地、结构、多孔性、水量、水势和通过时的水运动都可以影响微生物的迁移。微生物在水体中的被动迁移和一般的溶解性、颗粒性物质的流动迁移具有基本相同的特点。平流(advection)和弥散(dispersion)是微生物随水流迁移的主要方式，体积最小的病毒最易于通过水流迁移。但表面对微生物的可逆性和不可逆吸附作用可以使它们从溶液中去除。由于微生物通过土壤水溶液主要以平流的方式迁移，因此流速和饱和度是决定迁移潜力的两个主要因素，一般较高水量和流速可以大大提高迁移能力。在不饱和土壤中微生物的迁移仅通过基质表面的水膜，而这就有利于土壤颗粒的近距离吸附，从而降低迁移的潜力。

3.迁入微生物的存活与活性

把有益微生物接入一个新的环境系统，并发挥其功能，这是当前环境微生物领域有重要理论和实践价值的课题——生物强化(bioaugmentation)。一般来说进入一个新环境的微生物种群(或群落)会面临营养缺乏、不适宜环境条件压迫的不利条件，随后迁入(或接入)的外源微生物会出现数量、活性快速降低的情况。

迁入(包括人工接种的)微生物能否在一个新的生境中达到有效浓度和有较高的活性主要取决于所提供的环境条件和能否建立合适的生态位。现在的实验研究表明固定化微生物细胞，改善微生物的微环境，提高抗拒外界恶劣条件的能力，进而建立一个合适的生态位可以提高迁入微生物的存活时间和活性水平。

4.遗传信息DNA的迁移

死亡或失活的微生物裂解以后释放出来的遗传物质会进入环境，游离和被吸附到基质上的核酸可以通过转化作用再进入到其他微生物中，使基因得以表达，并伴随受体细胞获得再迁移的能力。但是吸附作用可以明显阻碍这种DNA的迁移。游离DNA吸附的影响因素包括基质材料的特征、土壤溶液的pH值和DNA多聚物的长度等因素。DNA的pKa值接近5，在pH值和pKa相等时，DNA是中性的。在较低pH值时，其会带正电荷，这种情况下DNA可被吸附到胶体或嵌入到某些矿物质中。然而在较高的pH值时，DNA带负电荷，受到负性电荷表面的排斥。在许多自然环境土壤溶液中pH值接近中性或更高pH值时大量的DNA不被吸附而存在水相中。较高分子量的DNA可被快速吸附。

5.促进微生物迁移的方法

生物修复技术的应用需要提高微生物的迁移能力。获得超微细菌，加入生物表面活性剂和基因转移是最有潜力的促进方法。超微细菌，没有多糖外被层，比正常代谢细菌要小得多，因此较难过滤除去，而可在生境中迁移到更远的距离。把超微细菌注射到多孔含油层，然后注入营养物使细菌正常生长，形成生物填料，使地表下的油流受到挤压，从而改善油的回收。生物表面活性剂(如阴离子单鼠李脂生物表面活性剂)由于能增加表面负电荷密度，对微生物胞外多聚glue(exctracellular polymericglue)的溶解作用及减少多孔表面的吸附位点，从而阻止微生物细胞的不可逆吸附，因而强化了微生物的迁移。向一个污染环境导入外源降解微生物强化生物降解活性会遇到多种问题。通过基因转移我们可以绕过某些限制微生物迁移的因素，实现携带某些基因的微生物的迁移。研究表明土生细菌可以接收导入供体菌的质粒而产生转移接合子，而且转移接合子可以在生境中存活更长时间(土生菌更适应生境条件)，迁移到更远的地方(比供体菌更小，更具运动性时)。

6.微生物迁移的研究方法。

具体的研究方法包括:①柱和土壤渗滤仪，②野外研究，③示踪物模拟研究。微生物的原位迁移研究难以进行，而且有些微生物(如遗传工程菌)释放到自然环境中会出现不确定的生物安全问题，这样，大部分迁移研究在实验室中进行，包括柱和土壤渗滤仪。常用的研究柱是适于迁移研究的层析柱和低成本的适用土柱。柱的设计(长度与宽度等)、填充的基质材料以及水饱和度取决于研究者目标。渗漏仪是研究监测迁移的另一种方法，其研究规模介于实验柱和野外研究之间，其中又有重力渗漏仪(weighing lysimeters)和非重力渗漏仪(nonweighing lysimeters)。为了实际评价环境中微生物的迁移潜力，需要原位研究迁移。这种野外研究可以看成是实验室研究的一种扩展。一般通过对原位采集的土样、水样的分析来实际监测微生物的迁移能力，例如采集地下水评价由于污水灌溉而造成的指示微生物的迁移和存活能力，以此评价微生物的迁移。利用迁移行为与微生物相似的化学或自然中颗粒性示踪物模拟研究微生物迁移，也和其他方法一样被使用。