微生物可培养性低的生态学释因与对策_叶姜瑜

45卷3期2005年6月微生物学报ActaMicrobiologicaSinicaVol.45JuneNo.32005基金项目:国家自然科学基金(50378095);重庆大学骨干教师基金(716411045)作者简介:叶姜瑜(1963-),男,四川省青川县人,副教授,在职博士研究生,主要从事微生物生态学及环境微生物学研究。Tel:86-23-68252137;E-mail:yejy@swnu.edu.cn收稿日期:2004_09_20,修回日期:2005_01_10微生物可培养性低的生态学释因与对策叶姜瑜罗固源(重庆大学城市建设与环境工程学院三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400045)摘要:纯培养技术一直是微生物学研究的基石,但其单一的营养结构和生境与自然环境中微生物多样性、协同代谢等明显矛盾,从而成为部分微生物难以复苏的主要障碍。细菌共同协作的自然生存方式的崩溃、生境的极度营养变化和生态位巨变等是微生物可培养性低的主要生态学原因。非培养技术、加富培养、混合培养、稀释培养、模拟自然培养和综合方法等是主要的研究手段和策略,可在不同程度上解决微生物可培养性低的缺陷和问题。关键词:微生物多样性,可培养性,培养技术,未培养微生物中图分类号:Q93文献标识码:A文章编号:0001-6209(2005)03-0478-05纯培养技术在实验室里被频繁和常规地用于分离、纯化、活细胞计数和培养微生物,一直是微生物学研究的基石。不过,许多微生物在营养培养基中可培养性太低、不能被分离纯化的缺陷严重地制约了对微生物多样性的深入研究,从而引起微生物学家的高度重视。Staley和Konopka(1985)创造了一句名言:“伟大的平板,计的数太偏”(Thegreatplatecountanomaly)[1],就是对环境中微生物实际数量同平板菌落计数之间巨大差异的最好描述。本文将就微生物可培养性低的生态学因素进行分析,并对增进可培养性的研究策略和方法进行探讨。1微生物多样性与低可培养性(Lowculturability)微生物自然生存环境的复杂多变,造就了微生物的自然多样性,包括结构多样性、代谢多样性、行为多样性、进化多样性和生态多样性。科学家根据现有的科学证据推测微生物种类数目应该在105～106[2],然而使用传统微生物学培养技术对不同生境微生物可培养性的测定来看,海水中微生物的可培养性约为0.001%～0.1%,淡水约为0.25%,土壤约为0.3%,活性污泥为1%～15%左右[3]。许多实验室证实有些微生物处于一种活的但不可培养(Viablebutnonculturable,VBNC)状态,至少有16个属的30种细菌被报道有此现象发生[4]。被文献描述过的原核生物仅有5000种左右,这也就是意味着所知细菌可能仅占环境细菌多样性的1%～2%或者更少[5]。此外,微生物学研究也仅聚焦在极少种类上[6]。在1991到1997年间,已正式报道的细菌种类中,有17.5%几乎没有被什么研究报告涉及,另外的50%被研究和发表的几率也非常低,其中部分原因也同一些细菌难培养有关。显然这是对自然界微生物多样性的一种扭曲性描述。因此,纯培养技术的局限性已经成为了研究微生物自然生态和多样性的主要瓶颈[1,7]。2微生物复苏障碍的生态学释因很多年来,细菌可培养性的巨大差异一直困惑着许多学者,同属Proteobacteria纲,α亚纲和γ亚纲细菌形成菌落的能力差异就非常大[8]。对可培养性太低的原因有过很多解释:死的和垂死的细胞不可能形成菌落,病毒浸染和营养饥饿可能是低成活率的原因,细菌细胞不同的生理状态(如休眠和VBNC状态)可能是可培养性低的因素[9],渗透压变化的冲击也可能是细菌细胞失活的原因[10]等等。实际上,当微生物暴露到新的生境时自然会面临新的生存压力,许多生态学因素也是造成其可培养性低的重要原因。2.1共同协作的自然生存方式的崩溃在自然生态环境中,微生物种群常以一些很特殊的方式排列(如生物膜,协同代谢、信号传导被很多科学家所证实[11]),这样群落才有活性,而靠单独种类的微生物是不能获得的。互养(Syntrophism)、共代谢(Co-metabolism)等方式是微生物在自然界中重要的生存模式之一,共栖、互生、共生等便是微生物自然生态关系中共同协作生存方式的不同层次。同一生境的微生物之间联系千丝万缕,细胞与细胞之间有着广泛的通讯和联系,在大多数饥饿状态下微生物基因表达所涉及的cAMP、大多数革兰氏阴性菌中的群体感应调节系统(QuorumSensing)的酰基高丝氨酸环内酯(N-acylhomoserinelactones,AHLs)分子等都可能是细胞之间沟通的信号分DOI:10.13343/j.cnki.wsxb.2005.03.033子[12,13],这