附着细菌是水生生态系统中数量最多、分布最广、多样性最丰富的生命形式，在物质循环和能量流动中发挥着重要作用。本文分析了淡水生态系统中附着细菌在生态系统中的作用，综述了国内外对其研究的进展，并对研究方法进行归纳，结合水体富营养化、水产养殖尾水处理等问题分析附着细菌对水体的调节作用，以期加强水生生态学研究中对附着细菌的重视，为探究水产养殖尾水绿色安全处理方法提供技术支撑。

细菌是地球上最古老的生物类群之一，数量和种类数量也最为庞大。水下的各种基质上常附着有各种微生物组成的微生物群聚，其中包含了相当数量且并不完全为人所知的细菌群落，这些附着细菌是水生生态系统中最为活跃的组成成分，对水生生态系统的其他组成部分存在不可忽视的重要影响，如造成沉水植物死亡，驱动富营养化湖泊从草型湖泊向藻型湖泊转换等。此外，由于细菌个体较小，对环境因子非常敏感，亦是极好的环境指示生物。

目前，有关附着细菌的研究非常少，且大多集中在海洋生态系统中。淡水生态系统中有关附着细菌的研究则处在初级阶段，仅有少数这方面研究的报道。当前在淡水生态系统研究工作中，有必要重视对附着细菌的研究。

一、附着细菌群落及其变化

（一）附着细菌群落组成

附着细菌群落组成包括厌氧细菌、好氧细菌、光合细菌以及化能自养微生物等。附着细菌群落组成在不同的水体环境中表现出明显的差异，在溪流生物膜中，黄杆菌科（Flavobacteriaceae）尤其重要，β变形菌分布也非常广泛，如食酸菌属（Acidovorax）；在高山湖泊中，拟杆菌门（Bacteroidetes）和蓝藻门（Cyanobacteria）是最为重要的分类单元，其次是变形菌、绿菌门（Chlorobi）、浮霉菌门（Planctomycetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）；在河口附着细菌群落中，淡水部分以黄杆菌门黄杆菌纲的嗜酸菌属（CFB，Cytophaga-Flavobacteria-Bacteroides）分布最为广泛；蓝藻表面附着细菌中浮霉菌（Planctomycetes）数量最多，其次是CFB，β和γ变形菌。

（二）附着细菌群落组成的时空分布

目前，附着细菌群落组成时空分布的研究主要集中在海洋水体中，研究发现细菌群落组成的时间差异性要大于空间差异。achnit等对三种大型海藻表面附着细菌群落组成为期两年的研究结果表明，连续两年附着细菌群落组成都在门一级水平上存在显著的时间和宿主之间的差异，而不同年份的同一月份和同一宿主平行样之间则仅显示出种一级水平上的差异。

在淡水生态系统中的研究结果则与此相反。Hampel等连续两年对一个淡水湖泊中两种沉水植物和人工基质上附着细菌群落组成进行研究，发现不同年份同一时期的附着细菌群落组成差异显著，但叶片表面附着细菌群落组成的差异性要大于芽尖附着细菌群落组成的差异，这被解释成不同年龄的沉水植物宿主组织内所含的酚类化感物质含量不同。研究结果表明，附着细菌群落组成与季节之间关系的研究目前仅限于水体中颗粒有机物表面附着细菌，具体表现为冬季和春季细菌群落组成差异较小，而夏季和秋季群落组成差异较大。尽管研究结果证明了细菌群落组成存在明显的季相交替，这可能与不同季节环境因子变化的幅度有关。

此外，附着细菌群落组成随生境梯度变化存在显著差异。不同海拔湖泊的附着细菌群落组成的研究结果表明，附着细菌群落组成在林线以下的湖泊和高山湖泊之间存在显著差异，这种差异性显著高于湖泊内的差异。这些附着细菌空间异质性分布的研究实际上证明了附着细菌群落组成对环境的敏感性，恰好也是附着细菌群落组成研究的难点所在，即附着细菌群落组成总是多因素综合作用的结果。

（三）附着细菌与水体其他部分细菌群落的比较

水生生态系统中底泥、水体及生物膜中均有细菌分布。目前为止，水生生态系统不同部分细菌群落组成的比较研究大多集中在浮游细菌和附着细菌之间。与浮游细菌相比，海洋水体中颗粒物附着细菌丰度和多样性均较低，活性却高于浮游细菌。河口生态系统中，颗粒附着细菌丰度却略低于浮游细菌丰度。在湖泊生态系统中颗粒附着细菌则远高于浮游细菌，约占总细菌数的65%，但沉水植物茎叶表面附着细菌数量则和浮游细菌相差不大，都远低于底泥细菌数量。富营养化湖泊近岸芦苇沼泽中，附着在芦苇枯叶上的细菌数量高于底泥，两者都超过附着在芦苇茎上的细菌数量数百倍，而浮游细菌的数量最少，约为附着细菌数量的1/4。相似的研究结果在丹麦一个浅水富营养湖泊中也被发现，附着在沉水植物表面的细菌数量是浮游细菌数量的7倍左右。

（四）水体营养盐水平对附着细菌群落组成的影响

在水生生态系统中，水体营养盐含量对水生植物、浮游生物、附着生物都有很大的影响，细菌生长需要利用水体中溶解态无机氮和无机磷等。其他利用营养盐的生物势必会对附着细菌的群落组成产生影响，但是目前关于附着细菌群落组成与水体营养盐含量的关系研究还非常少。

Tang等对太湖颗粒悬浮物附着细菌群落组成差异的驱动因子进行研究，结果表明底泥再悬浮程度和水体营养盐浓度是导致不同地点附着细菌群落组成差异的主要原因。宋玉芝等对太湖不同湖区浮游细菌和颗粒悬浮物附着细菌群落组成的研究发现，附着细菌群落组成与水体中TP含量呈显著相关，却与TN含量不相关，而浮游细菌群落组成与TN和TP都呈显著相关，浮游细菌受营养盐的影响比附着细菌大。然而还存在颗粒悬浮物表面附着细菌群落组成与水体营养盐浓度无关的现象，目前这种现象被解释成附着细菌是与水体中可溶性的TP和TN有关。

二、附着细菌在生态系统中的作用

（一）是水生生态系统的重要组成部分

淹没在水下的各种基质上常附着有各种微生物组成的微生物群聚，被称为周丛生物（Periphyton）或生物膜（Biofilm）。化石证据表明，早在33亿～34亿年前地球上已经存在生物膜的结构。不仅起源古老，生物膜的分布也极为广泛，几乎在所有水体中所有附着基质表面都有分布。周丛生物中包含了藻类、细菌、真菌及一些小型无脊椎动物，其中以细菌功能最为强大，是附着生物中物种多样性最为丰富的组成成分之一，被特称为附着细菌（Epiphytic bacteria）。附着细菌是水生生态系统中最为活跃的组成成分，分布在几乎所有水下基质表面，被称为“世界上最奇怪的水下都市”。

（二）对水生生态系统中其他组成成分的影响

在河流生态系统中，生物膜的存在使得水体流速降低3倍，水体中颗粒物的沉降量增加了1.2倍，导致水体中有机分子的吸收速度发生了改变。由于这个过程在溪流源头广泛存在，因而可以通过水系的纵向联系改变河流、湖泊甚至海洋的生化和水文学过程。

附着细菌广泛分布在水生生态系统中，其具备一定的物理形态存在于生物膜中，在生物膜的内部，附着细菌的存在不可避免会对其附着基质产生影响，造成附着基质物质组成以及物理结构上的改变。对菹草叶片表面附着物的研究结果表明，附着细菌会像病原菌入侵一样破坏细胞壁的结构，菌丝体大量扩散到菹草叶表皮细胞中，最终导致菹草叶片衰亡。在金鱼藻叶片及其附着细菌的研究亦有相同发现。这种附着细菌对其植物宿主的影响在富营养化水体中更为强烈，因为富营养化水体中附着物生物量往往更高。这曾被解释为富营养化湖泊中沉水植物消失，草型湖泊向藻型湖泊转换的原因之一。

除此之外，附着细菌还会对附着层中的初级生产者的生化过程产生影响。初级生产者将化能固定成生物组织是食物链的基础，在水生生态系统中，初级生产者的生长会受到营养盐水平等限制因子的约束，而细菌则是开启限制因子约束初级生产者生长的开关。

（三）是水环境健康评价的指标

在湿地生化环境响应干扰的过程中，微生物扮演了关键的角色。由于微生物群落个体微小且对环境变化极为敏感，即便是极小的环境变化也会在微生物变化中反映出来，因此，细菌可作为非常好的环境健康评价指标。Sim等根据氨氧化古细菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的相对生物量提出AOA和AOB的比值可以作为湿地管理和调控的新的指标。首先，探测好氧菌呼吸代谢变化是探测湿地生境衰退的早期信号。在贫营养状态下，AOA与氨含量显著相关，并可与浮游藻类和细菌竞争氨，在自然滩涂环境中AOA的含量也高于AOB，而在处理氨负荷超标的污水系统中，AOB是硝化作用菌群的主要类群，在中国的富氮底泥AOB研究中也得到了相似的结果。然而该评价指标只是针对底泥细菌提出，附着细菌作为生态系统健康评价指标的研究还有待进一步开展。

三、附着细菌群落组成的主要研究方法

（一）微生物形态学分类方法

早期微生物群落的研究主要是基于形态学为基础，结合其生理生化特征和培养特征，进行微生物物种鉴定。但是这种方法是基于实验室培养的基础上，无法得到真实的自然状况下微生物物种信息。据测算，微生物培养方法分离出的微生物仅占微生物总量的0.1%～10%。但该方法在特定类群功能细菌的研究中还是存在一些优势的。例如在水体N循环功能菌的研究中，可以结合限制性培养基对不同样本间不同N循环功能菌相对生物量影响的大小进行比较，并可对不同实验处理下样本N循环功能强弱进行估算。

（二）分子生物学手段研究方法

基于分子生物学手段的研究方法弥补了传统的基于微生物形态学分类方法难以完全反映自然状况的缺点，逐渐成为微生物群落研究的主要途径。分子生物学研究手段中，根据是否结合聚合酶链式反应（PCR）工具可分为两大类。不需要进行PCR的研究方法相对而言更加简便，成本也相对低廉，常用的包括磷脂脂肪酸（PLFA，phospholipidfatty acid）和原位荧光杂交（FISH，fluorescence in situ hybridization）。需要结合PCR手段的研究方法主要包括DNA指纹图谱分析、基因克隆文库（16S rDNA clone library）和实时荧光定量PCR技术（Real-time PCR）三大类。

DNA指纹图谱技术方便易行且成本低廉，能够实现样本中细菌群落的物种多样性和定量分析，然而不能精确定性和定量，16S rDNA克隆文库能够进行精确的物种鉴定，却难以精确定量。精确的细菌群落物种组成的研究一般通过DNA指纹图谱结合16S rDNA克隆文库来实现，但该工作费用高昂，且挑菌落过程工作量繁重。这使得一般的细菌群落研究中，只能对少量样本进行16S rDNA克隆文库构建，这就大大降低了实验结果的精确性。

（三）宏基因组学技术

宏基因组学技术由近些年来基于基因克隆文库技术发展而来，是目前为止最为先进最为精准的细菌群落研究手段，却一直因其费用高昂而没有广泛得到应用。最近发展出的高通量测序（High-throughout sequencing）技术，真正实现了混合细菌样本中精确定性定量的突破，且对样本需求量少，样品检测快速便捷，可重复性高，能真实反映自然状况下细菌群落组成。该技术的推出对于包括微生物生态学在内的分子生物学研究具有重要革命性意义，以至于被称为新一代测序技术（Next-generation sequencing technology），或次代测序、二代测序。因而尽管目前高通测序的费用仍然较高，却在微生物群落组成的分析中得到了越来越广泛的应用。

四、未来发展展望

（一）开发利用新的研究手段

要弄清楚一个类群在生态系统中的作用，首先是要弄清楚其群落结构及其与环境因子的相互作用过程。长期以来，受研究手段的限制，无法快速准确量化附着细菌的群落组成是对该类群了解有限的关键制约因素。随着更先进的可以实现高通量混合菌群群落组成分析技术、基因条形码快速物种鉴定技术等为代表的分子生物学技术快速发展，有望实现对附着细菌群落组成的量化分析、对优势类群及关键物种的快速鉴定，从而推动对该类群在生态系统过程中扮演角色的研究，全面揭示淡水生态系统生态过程。

（二）应用前景广泛

附着细菌是水生生态系统中数量最多、分布最广、多样性最丰富的生命形式，在物质循环和能量流动中发挥着重要作用，它不但直接影响着淡水生态系统的功能，也关乎着自然与人类的健康。通过针对附着细菌开展全面研究，可以探索出有效清理水体中污染物质的方法，在水产养殖水域污染治理、水产养殖尾水处理、外源水保护等方面均能发挥重要作用，应用前景非常广阔。

1.水产养殖水域污染治理

水产养殖水域污染治理是生态保护的关键一环。利用水产养殖污染水域中附着细菌的代谢活动，与水体中有毒有害菌竞争营养，从而降低水体中有毒有害菌的浓度，或改变有毒有害菌性质，使其完全无害化，可使已受有害菌污染的水域能部分或完全恢复，遏制养殖水环境恶化，减少养殖过程中药物的投放，保障水产品安全优质，促进水产养殖向生态健康转型。

2.水产养殖尾水处理

研究表明，水产养殖尾水含有大量残饵、粪便等，直接排放会致使水体有机物含量升高，导致水体富营养化及养殖水域生态失调。通过附着细菌群聚活动，可以去除水产养殖尾水中多种还原性污染物，将有机物代谢成无机盐供水体中微生物使用，防止水体中蓝藻等大规模繁殖导致水体富营养化，从而起到净化水质，优化水产养殖环境的作用。运用淡水附着细菌处理水产养殖尾水，能有效贯彻落实养殖尾水处理行动，推动水产养殖业绿色高质量发展。

3.外源水保护

湖泊对于外来污染物有一定的自净作用，这种自净作用主要就是通过湖泊的附着细菌族群活动来实现的。水体中高效的降解菌活跃形成优势族群，并通过对污染物分解获得的能量生长、繁殖，降解菌种群数量提升后又强化了自身对水体中污染物的吸附、吸收和降解，提高了水体的自净能力。通过研究附着细菌群落和限制因子之间的关系，可以有效控制湖泊等外源水水体的富营养化趋势，为水产养殖生产提供充足安全的水源。