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东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 摘要 海洋细菌能够吸收浮游植物所产生的有机物质，促进自身的生长，同时为浮 游植物的生长提供无机营养盐和必要的生长因子。它们之间错综复杂的关系，使 人们在研究浮游植物藻华和赤潮的发生、发展、衰落与消亡机理时，不能不考虑 细菌的重要性。本论文于2 0 0 6 、2 0 0 7 年春季( 4 - - 5 月份) ，分别采集东海赤潮 高发区内，各站位三层水样，测定异养细菌的生物量，分析细菌生物量与温度， 盐度，营养盐，叶绿素，d o 等因子之问相关关系。从而研究异养细菌生物量的 变化趋势与原因。并且在实验室培养赤潮爆发的优势藻种，将其指数生长期的藻 液过滤后，接种天然海水中的细菌，进行周期性培养。培养期间控制环境温度， 定时取样测定培养液中的细菌生物量，有机碳、氮和营养盐( 总无机氮，n h 4 + ， n 0 3 ) 。从而研究出各种环境因子对细菌的影响。主要研究结果如下： 1 2 0 0 6 年航次东海细菌调查结果： 2 0 0 6 年4 月到5 月，在东海赤潮高发区，进行了2 个航次异养细菌生物量 的调查，分析了细菌生物量与温度、盐度、营养盐和叶绿素之间的关系。两个航 次的细菌生物量分别为0 4 0 4 1 3 ( 平均2 0 9 ) m g c m 刁和0 2 8 4 9 7 ( 平均2 5 3 ) m g c m - 3 。总体分布为从长江1 3 附近为中心向外海减小，各站位中层( 叶绿素最 大值层) 出现细菌生物量最大值。第二航次细菌生物量平均值比第一航次增加 2 1 。 两个航次中，水体温度与中层细菌生物量相关性较高，中层水体中温度成为 生物量变化的主要影响因素。通过比较两个航次得到，第二航次铵盐占无机氮比 例比第一航次增加4 8 ，说明异养细菌对有机物质矿化再生作用增强。 2 2 0 0 7 年航次东海细菌调查结果： 2 0 0 7 年5 月，在东海赤潮高发区，进行异养细菌生物量的调查，分析了细 菌生物量与温度、盐度、营养盐和溶解氧之间的关系。细菌生物量为0 2 4 8 1 9 ( 平均 - - 3 7 1 ) m g c m 一。总体分布为从长江1 3 附近为中心向外海减小，各站位中 层( 叶绿素最大值层) 出现细菌生物量最大值。 通过主成分分析方法得到，分布近岸与外海的站位，细菌生长可利用的物质 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 来源不同，外海站位细菌生物量主要受到浮游植物光合作用影响，而近岸站位生 物量还会有陆源有机物输入的贡献。同样得到，表、中层和底层站位由于细菌种 性发生变化，细菌生物量明显不同。 3 实验室培养实验结果： 通过藻类光合作用富集后的培养液避光培养，异养细菌利用培养液中含有的 一定量有机质，进行二次生产，将海水中的溶解有机碳，溶解有机氮转化为颗粒 态形式。在温度为2 0 时，培养液中的有机碳含量低于细菌可利用的极限后， 体系中的细菌生物量不再增加，细菌生长进入稳定期，随着时间的推移，有机碳、 氮会在体系中不断降解并释放，直至体系中可被细菌利用的有机碳耗尽为止。当 培养体系的温度为1 5 时，异养细菌的新陈代谢能力显著下降，细菌生物量明 显降低，其他营养物质含量充足，此时温度成为整个培养过程中的唯一限制因子。 关键词：异养细菌生物量，溶解有机碳，溶解有机氮，营养盐，温度 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 t h edis t rib u tio r to fb a c t e riaa n dt h er eia tio n s hipwit h o t h e rn u t rim e n tint h ee a s tc hin as e a a b s tr a c t t h eo r g a n i cm a t t e rt h a tw e r ep r o d u c e db yp h y t o p l a c k t o nw e r ea s s i m i l a t e db y m a r i n eb a c t e r i ai no r d e rt op r o m o t et h eg r o w t ho ft h eb a c t e r i a ，i nr e v e r s e ，t h e y s u p p l i e dn u t r i e n t sa n dn e c e s s a r ye l e m e n tf o rp h y t o p l a c k t o n c o n s i d e r i n gf r o mt h e i n t r i c a t er e l a t i o n s h i p ，t h ei m p o r t a n c eo fb a c t e r i aw a sr e c o g n i z e dw h i l et h er e a s o na n d m e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d t h i st h e s i sf o c u s e do i lt h ei n v e s t i g a t i o n so fb a c t e r i a b i o m a s sw h i c hw e r er e s p e c t i v e l yc o l l e c t e df r o mt h r e ew a t e rl a y e r so fd i f f e r e n t s t a t i o n si nt h er e dt i d eh i g h - i n c i d e n c er e g i o no ft h ee a s tc h i n as e ad u r i n gt h es p r i n g o f2 0 0 6 ，2 0 0 7 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c t e r i ab i o m a s sa n dt e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y ， n u t r i e n ta n do t h e rf a c t o r sw e r ea n a l y z e d t h et r e n da n dt h er e a s o nw h yt h eb a c t e r i a b i o m a s sc h a n g e dw i t i lt h e s ef a c t o r sw e r ea l s os t u d i e d a n dt h e nt h eb a c t e r i aw e r e c u l t i v a t e dp e r i o d i c a l l yi nt h ee n r i c h e dm e d i u mw h e r et h ee n r i c h m e n to fp r o c e s sw a s p r o d u c e dt h r o u g ht h ep h o t o s y n t h e s i s d u r i n gt h ep e r i o d ，t h eb a c t e r i ab i o m a s sa n d o t h e ri n t e r r e l a t e df a c t o r sw e r es a m p l e da n da n a l y z e du n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r ea n d t i m ei no r d e rt os t u d yt h ev a r i e t yo fe f f e c to nb a c t e r i a t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a ) t h er e s u l t so fb a c t e r i ai n2 0 0 6 ： t h et w i c ei n v e s t i g a t i o n so ft h eb a c t e r i ab i o m a s sw e r ed o n ef r o ma p r i lt om a yi i l 2 0 0 6 ，i nt h er e dt i d eh i g h - i n c i d e n c er e g i o no fe a s tc h i n as e a t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h et w i c eb i o m a s sw e r e r e s p e c t i v e l y o 4 0 4 13 ( a v e r a g e 2 0 9 ) m g c m a n d 0 2 8 4 9 7 ( - - - , 2 5 3 ) m g c m s t h eb i o m a s sd e c r e a s e df r o mc h a n g j i a n ge s t u a r yt oe x t r a s e aa n dt h em a x i m u mo c c u r r e do nt h em i d d l el a y e ro fe a c hs t a t i o n t h ea v e r a g e b i o m a s si n c r e a s e db y21 f r o mt h es e c o n dt ot h ef i r s t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n db a c t e r i ab i o m a s si nm e d i u mw a t e rl a y e r w a sw e l lw h i c he x p l a i n e dt h em e d i u mt e m p e r a t u r ew a st h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o ro n b i o m a s s a n o t h e rr e s u l tw a sg a i n e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o ni nt w i c ei n v e s t i g a t i o n s t h er a t i oo fn i - 1 4 + t od i ni n c r e a s e db y4 8 ，w h i c hs h o w e dt h em i n e r a l i z a t i o nw a s 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 s t r e n g t h e n e di ns e c o n dv o y a g e b ) t h er e s u l t so fb a c t e r i ai n2 0 0 7 ： t h i si n v e s t i g a t i o no ft h eb a c t e r i ab i o m a s sw a sd o n ei nf r e q u e n th a b r e g i o no fe a s t c h i n as e ai nm a y2 0 0 7 t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eb i o m a s sw e r e0 2 4 。8 19 ( a v e r a g e - - 。3 7 1 ) m g c m - 3 1 1 1 eb i o m a s sd e c r e a s e df r o mc h a n g j i a n ge s t u a r y t oe x t r as e a a n dt h em a x i m u mo c c u r r e do nt h em i d d l el a y e r t h er e s u l tw a sg a i n e dt h r o u g ht h em a i nc o m p o n e n tm e t h o d ：( 1 ) t h eo r i g i n so f m a t e r i a lp r o m o t i n gt h eg r o w t ho fb a c t e r i aw e r ed i f f e r e n tb e t w e e ne s t u a r ya n de x t r a s e a t h eb a c t e r i ab i o m a s so ft h ee x t r as e as t a t i o n sw e r ea f f e c t e db yt h ep h y t o p l a n k t o n p h o t o s y n t h e s i s ，w h i l et h eb a c t e r i ab i o m a s so fe s t u a r ys t a t i o n sw e r ea l s oa f f e c t e db y t h em r r i g e n o u si n p u t ；( 2 ) t h ec h a n g e a b l en a t u r eo fb a c t e r i ah a sa ne f f e c to nb i o m a s si n d i f f e r e n tl a y e r s c ) t h er e s u l to fc u l t i v a t e di nl a b o r a t o r y t h eh e t e r o b a c t e r i au t i l i z e dt h eo r g a n i cm a t t e ri nt h em e d i u mt op r o m o t et h es e c o n d p r o d u c t i o na n dt r a n s f e r r e dt h ed o c ，d o n t ot h ep a r t i c u l a t ef o r m s u n d e rt h ec o n d i g n t e m p e r a t u r e ( 2 0 ) ，w h e nt h ec o n t e n to fd o c d i dn o ts a t i s f yt h ed e m a n do fb a c t e r i a , t h eb a c t e r i ab i o m a s sd i dn o ti n c r e a s ea n dc o m ei n t os t a b i l i z a t i o np e r i o d d o ca n d d o nw a sd e c o m p o s e db yb a c t e r i aa n dr e l e a s e dt os y s t e mu n t i lt h ed o cw a s e x h a u s t e d w h i l et h et e m p e r a t u r ew a s15 c ，t h ea b i l i t yo fm e t a b o l i s mi nb a c t e r i a d e s c e n d e da n dt h e nt h eb i o m a s sw a sr e d u c e d ，b u to t h e rn u t r i e n tm a t e r i a lw a s s u f f i c i e n t t h e r e f o r e ，t h et e m p e r a t u r ew a st h em a i nl i m i t i n gf a c t o r k e y w o r d ：b a c t e riabio m a s s 。d o g ，d o n n u t rie n t ，t e m p e r a t u r e 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅没直墓丝盂要挂剔座明鳆：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王动嬉压签字日期：2 叩占年6 月i7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王湫蹯 签字日期：伽8 年6 月f 1 日 导师签字： 签字日期：z 田g 年6 月7 日 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 第一章文献综述 1 异养细菌在海洋生态系统中的作用 1 1 海洋中的异养细菌研究历史 人类早在1 9 世纪3 0 年代就认识了海洋中的细菌，1 8 3 8 年德国人e h r e n b e r g 首 次分离并报道描述了第一株海洋细菌折叠螺旋体。1 9 1 4 年前苏联科学家 l s s a t c h n k o 出版了第一部海洋细菌学专著北冰洋细菌的研究( i n v e s t i g a t i o no n t h eb a c t e r i ao ft h eg l a c i a la r c t i co c e a n ) 。1 9 3 9 年版的伯杰氏细菌鉴定手册 ( b e r g e y sm a n u a lo fd e t e r m i n a t i v eb a c t e r i o l o g y ) q b1 3 3 5 种细菌中有8 6 种细菌是从 海洋中分离出来的( k p h c c ，1 9 6 4 ；x u o ，1 9 6 2 ) 。当时人们对细菌的研究大多是极不 完全的，对海洋中细菌的研究更被忽视。但随着人类对海洋的认识和探索，对占 全球面积7 1 的海洋研究愈来愈深入了。同时对海洋浮游细菌的研究日益加强。 特别是在1 9 7 7 年科学家发表了用荧光显微镜计数海洋浮游细菌的方法，并发现在 营养丰富的海岸海洋浮游细菌可达6 3 x 1 0 9 个l ，即使在4 2 0 0 m 贫营养的深海中细 菌数量也有3 4 l o7 个l ( h o b b i e ，1 9 7 7 ) 。此方法和结果引起海洋科学家的极大兴 趣，使人们不得不对海洋浮游细菌在海洋中作用重新认识，因此海洋微生物学 研究明显加强。1 9 8 0 年美国科学家f u h r m a n 用 甲基一3 h 胸腺嘧啶核苷示踪法 ( t r i t i a t e dt h y m i c l i n ei n c o r p o r a t i o n ) 估计了海洋浮游细菌的生产力，发现实验水 域中的细菌生产力平均8 4 5 4 肛gc l d ，相当于初级生产力的2 0 。并认为细菌 生产力是海洋食物网的重要组成成分( f u h r m a n ，1 9 8 0 ) 。这又使得海洋科学家不得 不重新考虑海洋浮游细菌的生物量和生产力在海洋生态系统中的作用。 1 2 海洋异养细菌生物量的测定方法 水生细菌的数量研究大体上经历了3 个时期：( 1 ) 应用平板计数法确定水体 中细菌数量：( 2 ) 应用通用的荧光染料和荧光显微镜对水体中总细菌数进行测定： ( 3 ) 根据细菌种间的生理生态和种内细胞间新陈代谢的不同特性加以研究并进 行计数( s h e r r ，2 0 0 1 ) 。通过应用专一的荧光染料和分子探针对细菌细胞进行培养， 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 应用落射荧光显微镜、流式细胞仪测定法可测定细菌数量和进行其他特性的研 究。培养计数是上个世纪5 0 年代末6 0 年代初开始使用的细菌技术方法，即，应用 合适的培养条件对水样中的细菌进行培养，根据细菌的生长情况来计算细菌的数 量；培养计数包括平板计数法、m p n 法等。1 9 7 3 年f r a n c i s c o 等应用落射荧光显微 镜对细菌进行计数。1 9 7 7 年h o b b i e 等应用吖啶橙( a c r i d i n eo r a n g e ，a o ) 对细菌进行 染色后过滤到用i r g a l a n 溶液染黑的0 2um 核孔滤膜上，再用荧光显微镜进行计 数。1 9 8 0 年p o r t e r 和f e i g 改进对细菌的染色方法即用4 ，6 d i a m i d i n o 2 p h e n y l i n d o l e ( d a p i ) 对细菌进行染色。荧光染料的使用，使得在荧光显微镜的条件下能够 清晰地区分细菌与其他生物体或者其他物质。d a p i 与a o 染色法相比，这种方法 受荧光染料干扰比较小，背景更清晰，使染色的效果更加专一( p o n e r , 1 9 8 0 ) 。这 两种染色方法具有广泛的适应性。根据测量的样品含量、视野面积和滤膜过滤面 积三者的关系可以推算出水体细菌的数量，荧光显微镜计数法目前已是测定水生 细菌非常成熟的方法。近十来年流式细胞仪在海洋调查中的应用，使得细菌数量 测定的准确性有了很大的提高。它己成为区分水生生态系统中自养细菌和异养细 菌及确定其数量的标准方法之一( o l s o n ，1 9 9 1 ；m a r i e ，1 9 9 7 ) 。流式细胞仪测定法在 微型生物的大小和数量测定中具有明显的优势：测定速度快且灵敏度高，仪器精 确度高以及测定过程受到的干扰小等。如今在各种海洋调查中已经广泛的得到应 用。 细菌学的早期研究对象是细菌数量，随后是细菌生物量。广义的细菌生物量 包括细胞数量、体积、蛋白质含量、干重、碳含量等。但由于现行的生态系统动 力学模式都以能量或能转换为能量的碳含量作为生物量的单位，所以狭义的生 物量是指细菌含碳量。1 9 8 0 年f u h r m a n 和a z a m 使用碳含量来表示细菌的生物量， 细菌碳含量的测定方法也是随着科技的不断进步而取得革新，v e e n 等( 1 9 7 9 ) 通过 k 2 c r 2 0 7 和h 2 s 0 4 对样品进行处理后测定碳含量；1 9 8 5 年b r a t b a k 禾l j 用c h n 分析仪 测定c 、n 、p 的含量：同年，h e l d a l 等提出用x 一射线微量分析法测定个体细胞的 碳含量，n o r l a n d ( 1 9 9 5 ) 第一次应用它直接测定自然水样中的细菌细胞各种元素 的含量：f u k u d a 等( 1 9 9 8 ) 利用高温催化氧化法( h t c o 法) 测定水样中细菌碳含 量：测定细菌碳含量的方法还有1 4 c 法等( 邱大俊，2 0 0 4 ) 。细菌生物量的研究经 过较长的一段时间，积累了许多数据后发现，在海洋细菌细胞的碳含量中，近岸 2 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 细菌的碳含量为1 5 4 2f g c c d r 一，也有的文献报道近岸的测定值区间为1 5 5 3 3 f g c c e l i 一。而大洋中细菌细胞的碳含量低的多，f u k u d a 等( 1 9 9 8 ) 在亚热带太 平洋测定得来的估算细菌是1 3 龟c c e l l 。c a r o n 等( 1 9 9 4 ) 得到s a r g a s s o 海区细菌 细胞的碳含量为1 5f g c c e l l ( f u k u d a , ，1 9 9 8 ) 。不同海区细菌细胞即使一样大小， 碳含量也不同。所以，在估算海洋碳通量中，细菌的含碳量计算使用单一的换算 系数是不合适的，其将导致计算的结果与实际值之间存在着很大的误差。 1 3 微食物环概念的形成 由于采样方法和观测技术的限制，过去人们一直认为海洋食物链模式是：网 采浮游植物一中型浮游动物( 桡足类) 一鱼类，即经典食物链。19 7 4 年p o m e r o y 提出了微型食物网的概念，并认为微型食物网在海洋生态系统中是非常重要的， 同时，根据各方面的数据指出，微小的异养生物能消耗大量溶解的和颗粒的有机 物：他的这些观点和假设到1 9 7 7 年h o b b i e 将落射荧光显微镜技术应用于海洋细 菌的计数后，得到了广泛的认同( 肖天，2 0 0 0 ) 。a z a m l 9 8 3 年提出微食物环( a z a m e ta l ，1 9 8 3 ) 的概念，应该说，微生物食物环是近2 0 年来海洋生态系统结构与功 能研究的最重要贡献。d o m ( 溶解有机物) 被自由生活的异养细菌直接利用， 再次转变为颗粒有机质p o m ( 颗粒有机物) ，即细菌自身的生物量。后者又被摄 食微生物( 主要是原生动物的纤毛虫和鞭毛虫) 所利用，转换为更大的( 几个到 几十微米) 颗粒( 原生动物) ，最后进入后生动物的食物网。异养细菌利用d o m 转化为p o m 这一过程，叫做微生物的次级生产。异养细菌的次级生产力相当于 初级生产力的2 0 0 旷3 0 ，异养细菌利用浮游动物不能利用的d o m ，提高了海洋 生态系统的总生产效率。 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 大小( 1 jm ) 初级生产者( 浮游植物)原生动物( 纤毛虫和鞭毛虫) 1 0 5 2 o 2 图i 海洋生态系统中的微食物环 微食物环这一概念的提出，使海洋学家对海洋细菌的生物量和生产过程更加 关注。对微生物生态功能的研究成为了海洋生态系统结构与功能研究所必需的， 也是研究生源要素循环和再生的关键环节，同时异养细菌在海洋生态系统中的作 用成为了海洋生态学的新亮点。一些国际海洋研究项目如全球海洋生物系统动力 学研究( g l o b e c ) ，全球海洋通量联合研究( j g o f s ) 和海陆相互作用研究( l o i c z ) 等，都把海洋细菌的研究作为主要内容之一。 1 4 海洋异养细菌在碳、氮循环中的作用 1 4 1 海洋异养细菌在碳循环中的作用 在海洋生态系统中，浮游植物通过光合作用，生产有机物，海洋异养细菌吸 收这些有机物并转化为细菌生物量和二氧化碳，同时向水体中释放出溶解有机物 ( s t o d e r g g e r & h e r n d l ，1 9 9 8 ) 。可见，海洋异养细菌在全球海洋初级生产力及碳 循环中发挥重要作用。 4 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 微生物是重要的颗粒有机碳( p o c ) 储库，异养细菌碳含量( b o c ) 占总 p o c 的1 4 - - 6 2 ，细菌生产力相当于初级生产力的2 0 3 0 ，且2 3 是在真光 层中产生，另外1 3 是在无光层中产生( c o l e ，1 9 8 8 ) 。细菌在颗粒态向溶解态碳 的转化中发挥重要作用，c h o 和a z a m 认为大量聚生的细菌，较易产生外水解酶， 这对颗粒物的分解和破碎起了相当大的作用。因此，附着在颗粒物上的细菌将 p o c 转化为d o c ( 溶解有机碳) ，而后者又被自由生活的细菌同化，成为胶体粒 度级的p o c ( 细菌本身) 。c h o 和a z a m ( c h ob c & ea z a m ，1 9 8 8 ) 在北太平 洋和s a n t am o m i c a 海盆这两个观测站进行研究时发现：在涡旋和海盆的海区， 自由生活的细菌担当起了海域中颗粒物质分解者，细菌通过分解大颗粒p o c ， 使易沉降的颗粒物大量转变为粒度较小的( 0 3 0 6 9 m ) 非沉降性的颗粒物质， 这大大改变了真光层的新生产能力。 通过研究太平洋海区几个寡营养条件和中度营养条件的水域还发现：在富营 养水域或一般营养条件下，细菌生物量( 细菌有机碳，b o c ) 要比浮游植物生物 量( p h y t o p l a n k t o nc a r b o n ，c p ) 小得多；随着寡营养条件的加剧，b o c 在p o c 中所占的比例要超过c p ( l i w , 1 9 9 1 ) 。因此，在寡营养水域，细菌生物量相比浮 游植物和碎屑来说，占颗粒有机物的主要部分，这对于研究大洋生态系统具有重 要意义，因为外海海域相对于近岸和陆架区来说，营养盐含量明显偏低，研究这 些海区的细菌活动及其变化规律，对于进一步弄清开放大洋的生产力水平及生态 系结构至为关键。 1 4 2 海洋异养细菌在氮循环中的作用 无疑细菌是很重要的分解者，它们具有分解有机物的各种酶，吸收藻类分解 过程中产生的溶解有机物质，并通过代谢释放无机物质；但是后来通过人们对海 洋中的生产力研究发现，其实际值往往与先前估计的值相背离，这时人们怀疑除 了浮游植物是营养盐的主要吸收者外，还存在另外的贡献者，它就是异养细菌。 之后很多研究表明，异养细菌不仅分解有机物释放出营养盐，同时也会从介质中 吸收无机营养物质。在营养盐浓度很低的大洋水域( 初级生产力和细菌数量也比 较低) ，细菌可吸收的溶解有机物很少，这时就可能与浮游植物竞争利用营养盐。 e p p l e y 等人( 1 9 7 7 ) 也发现在南太平洋中部无机氮的吸收速率与1 4 c o 。固定的速 5 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 率相比要高，这种偏差主要是由于异养细菌对无机氮的吸收造成的。 8 0 年代中后期，大量研究工作集中到了异养细菌对无机氮吸收研究上。但是 由于当时的技术和条件的限制，人们还无法真正把异养细菌和微微型的自养生物 分离开，单独对其的吸收动力学进行研究。所以观点上出现了明显的分歧：一些 研究结果表明在海洋环境中小于1 p m 的浮游生物对氨氮的吸收是非常少的 ( 2 0 ) ( h a r r i s o n ，1 9 7 8 ；g l i b e r t ，1 9 8 2 ；p r o b y n ，1 9 8 5 ) 。而另外的一些研究表明小 于l i a m 的浮游生物对氨氮的吸收占到了总n h 。+ 吸收的5 0 以上( p r o b y n ，1 9 8 5 ) 。但 当时对n 0 3 - 的吸收得到了共识，认为异养细菌对n 0 3 - 的吸收是可以被忽略的。 随着研究的进一步加深以及技术和方法的改进，1 5 n 同位素添加培养方法和 粒径分离方法的引入。人们可以通过实验室培养方法，先通过粒径分离将 lj r t m 的浮游生物( 主要是异养细菌) 分离出来，然后添加含有1 5 n 同位素的氮源 ( n n 0 3 ，n n 1 4 4 ，溶解自由氨基酸( d f ：a a ) ，尿素等) 进行培养，比较异养细 菌对各种营养盐的吸收情况( h a r r i s o n ，1 9 8 8 ；p r o b y n ，1 9 9 0 ；k i r c h m a n ，1 9 9 4 ，1 9 9 8 ) 。 然而这种方法仍然存在问题，主要是因为微微型的浮游植物与细菌在粒径大小上 有重叠，从而无法真正的将其分离。后来w h e e l e r & k i r c h m a n ( 1 9 8 6 ) 使用了抗生 素( 主要是放线酮和氯霉素) 抑制蛋白质的合成，研究发现几乎所有的氨基酸都 被原核生物所利用，真核生物和原核生物都对氨盐有吸收，其中7 8 的氨盐是被 原核生物吸收的，而这其中的一大部分又是异养细菌利用的所以抗生素的使用 成为对异养细菌活力进行估计的有效方法。一般认为，介质中氨基酸含量与 n - n h 4 的吸收或排出有关，细菌首先利用氨基酸，当溶解态游离氨基酸( d f a a ) 浓度较高时，细菌利用n n h 4 有关的酶会被抑制；且只有满足其本身生物合成 之后才开始氨基酸的分解而产生n h 4 + 。而在d f a a 浓度很低的情况下，与利用 n h 4 + 有关的酶不被抑制，细菌就可消耗n h 。十。w a y n e 等人研究发现异养细菌偏 爱的n 源主要是d f a a 和n - n h 。，对n - n o 。和尿素的吸收相对较少 ( w a y n e ，1 9 8 9 ) ，然而不同的研究海区，不同的季节，结果往往又有不同 ( p a t r i c i a , 1 9 8 9 ) 。有一些研究已经证明了异养细菌对n n 0 3 的吸收比例也是相当 高的( h o r r i g a n ，1 9 8 8 ；p a r k e r ，1 9 7 5 ) 。可以认为，有关细菌对无机氮利用尚须进一 步研究，特别是有关异养细菌群落生活的介质组分和细菌的营养生理学的研究最 为重要。 6 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 9 0 年代前的大量研究聚焦在异养细菌对有机和无机氮的吸收问题上，研究表 明，某一海区的生产力高，d o n ( 主要指d f a a ) 含量丰富时，异养细菌主要作 为分解者吸收利用有机物，矿化出营养盐。而当所研究的海区是贫养海区或者处 于异养状态时，d f a a 的含量不能满足异养细菌对n 源的需要时，异养细菌会更 偏爱的吸收n n h 4 ，有时也会选择溶解的结合态氨基酸( d c a a ) ，而n - n 0 3 则被 认为是最不喜欢的n 源。8 0 年代后期，观点出现了分歧：h o r r i g a n ( 1 9 8 8 ) 等人发 现了异养细菌对n n 0 3 的吸收，这一发现被后来k i r c h m a n ( 1 9 9 1 ) 等人的研究所 证明：n n i - 1 4 ，n - n 0 3 和尿素都被 0 8 岬的异养细菌所吸收，然而在k i r c h m a n ( 1 9 9 2 ) 另外的研究中发现：异养细菌偏爱的无机氮源是n n 出而不是n n 0 3 ， 这与先f i i f f w h e e l e r & k i r c h m a n ( 1 9 8 6 ) 研究相符：细菌吸收的n - n h 4 占到其总无机 氮吸收5 0 以上。除此以外，在南极水域的研究同样发现，细菌对n n h 4 的吸收 非常重要尤其是在春季的水华时期( t u p a s ，1 9 9 4 ) 。但是为什么会选择吸收n - n r h ， 而不是其他形态的无机氮源( n n 0 3 , n - n 0 2 ) ，至今没有明确的说法。在各个海区 包括大洋和河口区域各个形态的无机氮含量和分布不同的情况下是否会有相同 的结果成为了人们关注的焦点，由此研究不断开始。 1 河流，河口区异养细菌对无机氮的吸收 河口区是典型的异养环境，呼吸作用大于初级生产，在这一区域内，异养细 菌对无机氮的吸收成为了非常重要的一部分，但是无机氮的比例应环境而不同。 h o c h & k i r c h m a n ( 1 9 9 5 ) 的研究认为通常在河口区上游，当d f a a 相对含量较 高时，异养细菌对n 地+ 的吸收是相当低的( 平均占到总n h 4 + 吸收5 1 0 ) ， 然而在河口区下游和沿岸水附近，还有一些d f a a 含量较低的大洋水中，对n h 4 + 的吸收是较高的。例如，在d e l a w a r e 河，1 9 8 8 年中细菌对n h 4 + 的吸收在河口的 下游是最高的( 1 0 2 5 ) ，然而在盐度 氨氮，而硝氮和尿素的吸收是几乎可以被忽 略。( w h e e l e r & k i r c h m a n ，1 9 8 6 ) 然而当使用r p i 值来估计氮源优先选择时一定要 谨慎，原因可能是这一比值只是一个简单的数理计算过程很难用于解释异养细菌 生理上的选择关系，尤其是在对n i - 1 4 + ，d f a a 的吸收时与细菌的群落生理特性 有密切的关系。 2 大洋水中异养细菌对无机氮的吸收 8 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 表1 列出了世界各大海区中异养细菌对无机氮的吸收研究情况。 从上表可以看出的是，在世界的各个大洋海区异养细菌对n h 4 + 和n 0 3 的吸 收比例也是不同的，k i r c h m a n ( 1 9 9 8 ) 指出，虽然细菌对n h 4 + 和n 0 3 的利用比 例几乎相当，但在所选站位，同时测定两者的吸收速率时发现，异养细菌对n 0 3 吸收大于n h 4 + 的吸收。细菌对n h 4 + 的吸收速率与细菌的生物量及d f a a 的周转 速率之间有很好的相关性，但是n 0 3 吸收却几乎不与任何生物参数有关系。 k i r c h m a n ( 1 9 9 4 ) 发现在北大西洋春季水华时，异养细菌利用的n 0 3 。占到总吸 收n 0 3 。的4 1 4 ，但始终低于在北极太平洋地区异养细菌对n 0 3 。利用的保守 估计。这主要受到了碳源和能量的限f 1 l j ( k i r c h m a n ，1 9 9 0 ) ，细菌同化吸收n 0 3 1 被 认为是很奢侈的行为( k i r c h m a n ，1 9 9 2 ) ，所以藻类和细菌往往更偏爱选择吸收需要 能量较低的n h 4 + 。然而，在北极太平洋地区出现的相反结果，主要是由该海区 的特点决定的，水温低，硝酸盐的含量高，叶绿素浓度低，硝酸盐支持了细菌的 生长。但可惜的是作者只给出了异养细菌对n h 4 + 和n 0 3 。的吸收占到各自总吸收 的比例，并没有给出细菌利用的d i n 中n m + 和n 0 3 的比例。a l l e n 等人( 2 0 0 2 ) 对b a r e n t s 海( 位于欧洲北岸) 进行了研究发现，从巴伦支海到北极结冰区边缘 ( m i z ) ，细菌对总d i n 的吸收比例显著增加到1 0 州0 ，异养细菌对n h 4 + 9 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 和n 0 3 。的利用分别占各自总吸收的1 2 - 4 0 ，l 卜4 0 ，其中调查的1 5 个站位 中1 2 个站位n 0 3 。这一比例高于n h 4 + ，但是从作者分析的不同营养盐吸收与总 d i n 吸收的关系中，我们却发现，虽然异养细菌对n 0 3 的吸收占总n 0 3 吸收的 比例高于n h 4 + ，但异养细菌对n 0 3 。的吸收占细菌总d i n 吸收的比例在1 5 个站 位中只有4 个是高于n h 4 + 的，并且主要位于临近m i z 区的中层和底层。所以说， 在研究异养细菌对d i n 的吸收问题时，我们可以从两个方向进行，一个是异养 细菌与浮游植物之间对d i n 的吸收比例；另一个是异养细菌所利用的d i n 中不 同氮源的吸收比例，从而可以更加全面的理解这一问题。 2 世界各海区细菌生物量的研究 表2 世界各大洋海区表层海水细菌生物量分布( 据a u s t i n ，1 9 8 8 ) 1 0 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物质的相互作用 简单的说，海洋中细菌数量的变化范围在1 0 3 1 0 6 m l ，受到温度，海水中有 机物含量，捕食者数量多种因素共同影响。其高值往往出现在夏季，叶绿素值较 高的海区，因为此时光合作用较强的，可以产生更多细菌易利用的有机物，供其 生长。 近年来，我国学者先后开展了对渤海、黄海、长江口区、浙江近岸、福建沿 岸及台湾海峡、南海海域以等海区细菌学的相关研究。史君贤等( 1 9 8 4 ) 在长江 口调查数据表明，海水中细菌数量分布于1 1 1 0 4 1 5 9 1 07 c e l l m l 。周宗澄等 ( 1 9 8 9 ) 对南海中部海域的调查表明，表层海水异养细菌数为 7 7 x 1 0 3 - 9 2 1 0 4 c e l l s l ，细菌数量秋季低于春季。宁修仁等( 1 9 9 1 ) 同样在长江 1 2 1 调查数据表明细菌丰度最高值达到2 0 x l o7 c e l l m l ，呈现由河口向外海递减的 特征。曾活水等( 1 9 9 3 ) 厦门西海域数据表明，水样中细菌量为 4 4 6 x 1 0 5 3 6 l 1 0 6 c e l l s m l 。叶德赞等( 1 9 9 4 ) 厦门西海域数据表明，海水中细菌 分布为2 0 0 x 1 0 8 - 2 6 3 x 1 0 8 c e l l s l 。白洁等( 2 0 0 3 ) 在渤海中部海域的调查表明， 春季海水中细菌总数平均达到3 4 6 6 x 1 0 6 c e l l s l ，最高值出现在黄河口附近海域， 最低值出现在海峡口附近，且样品中细菌含量与水温和溶解有机碳呈正相关。刘 子琳等( 2 0 0 1 ) 对长江口冲淡水区的调查表明，秋季和春季表层海水中的细菌数 量分别为5 2 2 x 1 0 8 0 8 8 x 1 0 8 c e l l s l 和1 9 7 1 0 8 1 1 0 x 1 0 8 c e l l s l ，春季生产力平 均值为2 4 7 士1 6 0 “g c ( l h ) 。林风翱等( 2 0 0 2 ) 对黄、渤海6 个沿岸海区的调 查表明，表层海水中异养细菌平均值为1 2 1 0 7 c e l l l ，最高值出现在吕四沿岸。 东海赤潮高发区异养细菌分布及其与营养物