综述 | Water Research:水生系统中细菌的共凝聚

2021
04/30

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微生态
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多种微生物群落在多个研究领域中的重新崛起和多学科研究方法的最新进展为人们理解共凝聚在固定群落的建立和行为中的作用提供了更多的兴趣。



导读  
一个固定群落的建立通常要经历一系列步骤,其中不同基因的细菌通过特定分子附着在邻近细胞上,该过程被称为共凝聚。各种水生系统特别是淡水、饮用水、废水和海水中,已有很多关于自聚集和共聚集细菌的研究。且已证明共凝聚在这些水生系统的复杂多物种固定群落包括生物膜的形成发展中具有重要作用。虽然对水生系统中关于共凝聚特定分子方面的研究还有待进一步了解,但研究明确表明共凝聚机制对多种生物膜的恢复力及体内平衡有影响。对共凝聚菌群中架桥细菌的鉴定有可能改善废水处理厂的性能,还有助于开发控制不良生物膜的策略。本研究对不同水生系统中细菌共凝聚的发生和作用进行了综合分析。进一步描述了共凝聚机制在与水体相关的生物技术应用中的潜力,尤其强调了架桥细菌的作用。  


论文ID


 

名:Bacterial coaggregation in aquatic systems

水生系统中细菌的共凝聚

期刊Water Research

IF:9.130

发表时间:2021.3.10

通讯作者:Manuel Simões

通讯作者单位:葡萄牙波尔图大学化学工程系学工程系工程系


综述框架



主要内容


引言
在自然水生环境中,细菌细胞通常以多细胞聚集体的形式与潮湿表面和界面紧密相连,也被称为生物膜。这些微生物聚集体的细胞嵌入到胞外聚合物(extracellular polymeric substances EPS)的自生基质中,并相互粘附或粘附于表面。在这些良好组织结构的内部微生物免受环境胁迫而得到保护,但不同物种间可能会发生生态相互作用。此外,微生物与无机颗粒之间可以建立物理化学相互作用。事实上,人们已经认识到环境生物膜是无机颗粒的高效结合基质。
生物膜因参与初级生产、碳和营养循环、无机和有机营养的保留以及能量在食物网中的传递而在维持生态系统的稳态中发挥着重要作用,且具有降解和转化污染物的能力。生物膜也可以通过去除有机物和参与其他生物降解过程来清洁受污染的水体。另一方面,生物膜可能会产生负面效应,主要体现在人造系统中(表1),这些效应包括生物污染、病原体的藏匿和微生物引起的腐蚀,这可能会影响工业用水和饮用水分配系统。在海洋生态系统中,诸如水产养殖网、石油和天然气设施以及船体等人造结构也受到生物膜的影响。
生物膜是通过一系列过程形成的,在前人的综述中已进行详细描述。共凝聚通常包含在生物膜的形成过程中,作为一种常见的现象已在各种环境的多个细菌生物膜群落中观察到。由于其识别和粘附不同细菌物种的高度特异性机制,它促进了结构和代谢的相互依赖,从而促进了复杂多物种生物膜群落的发展。研究人员已在口腔生物膜中对共凝聚现象进行了深入彻底的研究。然而,这种现象也被认为与水生微生物有关,不仅是能建立复杂的固定生物群落,而且还能保护它们免受包括消毒等压力条件的影响。已经发表了很多关于水生生物膜细菌共聚集能力的研究报道。然而,与医学领域相比,水生生态系统中共聚集现象的数据尤其稀缺。事实上,很多综述阐述了了共聚集在口腔细菌中的作用,而只有三篇是关于水生环境中的共聚集现象。本研究对水生生态系统中的共聚集现象的出现和作用进行了综合分析。
 
表1 水生系统中生物膜形成的收益、问题和成本


共凝聚
共凝聚是无亲缘关系的细菌通过细胞间进行特异性识别和粘附的高度特异性机制,其在多物种生物膜的形成过程中起着至关重要的作用。这种高水平的相互作用有利于提供更广泛的栖息地范围、有效的进行共代谢、增加对宿主的抵抗力以及毒力。还有一些好处包括促进化学信号和遗传信息的交换,保护某些种群免受不利环境条件和细胞分化的影响。凝聚细胞之间的紧密接触可以促进信号或线索的交换以调节细胞间的感知和基因调控。因此,共凝聚被认为会引起邻近细胞的表型发生深刻变化,使其在生物膜中增殖。这些变化可能对生物膜的适应和生存至关重要。邻近细胞间共凝聚作用的另一个优点是增加了细胞外电子转移的可能性,被认为是生物修复、微生物燃料电池和微生物光电合成等多种应用的一种有前景的策略。
共凝聚存在于多种细菌之间,并且通常依赖菌株。在口腔菌斑形成细菌中首次发现这种现象。研究者发现血链球菌和内式放线菌能够发生强烈的共凝聚。同时发现口腔内的大量细菌具有共凝聚能力。其中,Fusobacterium nucleatum的这种能力较强,能够与多种细菌发生共凝聚,有利于口腔生物膜的发展,并通过担任架桥细菌的角色,介导病原体融入到生物膜中。这种现象也存在于水生环境的细菌中。这种架桥细菌在多种生物膜的形成过程中起着重要作用。
随着研究的不断深入,研究共凝聚现象的技术和系统的灵敏度逐渐提高,这一现象的普遍性在众多领域中都引起专家学者的重视。已有研究证明该现象存在于犬牙菌斑生物膜分离出的细菌、鸡群和人体泌尿生殖道中。在过去的几十年里,也报道了包括淡水和废水生物膜的水生系统中存在的共凝聚现象。

2.共凝聚机制
通过存在于大量液体或者故意涂抹在在表面的大分子对粘附的表面进行预处理是多物种生物膜持续生长的第一步,这增加了初始定殖细菌的固定。这种最初的细胞表面相互作用是通过特异性或非特异性相互作用介导的。非特异性相互作用包括细菌细胞膜和材料表面之间的物理化学作用。这是粘附仍然保持可逆状态的第一阶段。特异性相互作用有助于不可逆粘附。细菌与定殖表面的特异性相互作用由凝集素和粘附素介导,它们与宿主细胞和材料上的特定位点相结合。在这个位点上,微生物具有合成多种结构成分(如EPS)的能力,帮助细胞固定在表面材料上。由于次级定殖通过粘附和非特异性凝聚作用而增加,使得生物膜细胞密度和物种复杂性随后增加。共凝聚通过悬浮液中细胞间相互作用网络来促进生物膜的形成,然后粘附在表面(图1)。这种相互作用包括不同细胞同源表面成分对一个细胞表面的分子进行识别。当悬浮细胞或凝聚体与粘附在表面的细胞发生相互作用时,就会发生共粘附。
 

图1 管道表面生物膜形成示意图,强调了共粘附和共凝聚的发生。通过存在于大量液体或故意涂抹在表面的大分子对粘附表面进行预处理:(1)为初级定殖者提供受体(2)浮游单细胞、自聚集体或共聚集体直接粘附在表面或与初级定殖者共同粘附,并在以后的共粘附过程中发挥作用(3)微菌落形成和EPS的排泄开始发生(4)活跃微生物生长和次级定殖物种融入的结果(5)在早期定殖者(紫色、粉红色球和蓝色棒)和晚期定殖者(红色长棒和蓝色曲线棒)之间形成共凝聚/共粘附桥(6)浮游细胞间的共凝聚作用表现为:属间共凝聚(粉红色球和蓝色棒-2);属内共凝聚(紫色和粉红色球-4)。
 
共凝聚由特定细胞表面聚合物介导(图2)。这些聚合物由一个邻近细胞上的粘附素(蛋白质)和另一个邻近细胞上的受体(含糖聚合物)组成,称为单峰共聚集。另外,一个邻近的细胞可以表达粘附素和受体,而另一个邻近细胞表达粘附素和受体的各自同源物,称为双峰共聚集。在淡水细菌中发现共凝聚是由蛋白质-糖介导,偶尔由蛋白质间的相互作用介导。通常通过热和蛋白酶处理以及糖逆转实验来研究参与到共凝聚中与表面相关的分子。共凝聚的抑制或逆转被认为是减少共凝聚分数。热和蛋白酶处理可以证明是否对蛋白(凝集素)敏感以此来介导聚集。另一方面,如果向聚集细菌的悬浮液中添加一种或多种单糖使得共凝聚逆转,则表明细菌受体分子包含碳水化合物部分,且相互作用是由类似粘附素的凝集素介导的。在牙菌斑细菌的细胞表面已发现了集中膜结合的粘附素。迄今为止,从一种非口腔固有的共凝聚生物膜细菌中只鉴定出一种共凝聚粘附素。从同聚集淡水生物膜细菌Blastomonas natatoria 2.1的细胞表面分离到一个70kda的蛋白,该蛋白与Caulobacter crescentus表达的TonB依赖性受体具有高度序列同源性。表明从Bnatatoria 2.1分离的该蛋白是TonB依赖性受体蛋白,同时也是一种共聚集粘附素。
 

图2 细菌共凝聚对之间的典型相互作用示意图和抑制试验以评估参与共凝聚表面相关的分子。
 
2.共凝聚的研究方法
通常使用基于聚集体大小和上清液浊度降低的视觉评分方法来评估共凝聚。这种视觉共凝聚方法包括混合等浓度/体积浮游细菌,然后剧烈摇动混合,以促进细胞之间的接触和对机制的识别,从而形成聚集体。然后通过视觉评估共凝聚能力,从0到4进行评分。然而,由于视觉评分是主观且只是半定量的,因此在评分方面极易出现不一致和偏差,影响不同研究之间的比较。分光光度法可以用来测定光密度的百分比变化,这是一个定量的评估方法,并大大提高了可靠性和重现性。在该方法中,随着时间的推移对混合浮游细菌的吸光度进行测定。通过吸光度值可以确定指数。该方法不适用于同时筛查大量样品。我们期待能够在单个实验中实现多次重复,因为在共凝聚中可能存在菌株变异,需要多次杂交来确定观察的现象是否常常发生在两个物种之间。细菌共凝聚对多种参数敏感,如细胞生长期、温度、生长培养基和PH,因此,高通量的方法可以说在提高可重复性方面很具有吸引力。为此,研究者开发了一种定量方法,用于高通量筛选细菌物种间的共凝聚。该方法允许同时分析大型菌株之间的自聚集和共聚集从而减少实验的误差,并尽可能的减少主观偏差。该方法包含两种互补的定量技术以筛选共聚集:i)基于微孔板的高通量方法用于分析混合培养物在60分钟后的吸光度;ii)一个Flow Cam TM 装置通过10分钟的流动实验采集图像来确定粒径大小。基于微孔板的测定方法进行高通量筛选以鉴定潜在的聚集菌株,而基于Flow Cam的测定方法验证并量化聚集的程度。高通量筛选方法可以提供有关微生物如何相互作用以及混合培养生物膜形成的详细知识。
 

图3 使用4,6二氨基-2-苯基吲哚(DAPI)对不同相互作用的饮用水细菌显微镜观察是否具有共凝聚。比例尺,× 1320; bar = 5 μm。视觉上的共凝聚与显微镜观察到的更密集团簇有关。显微镜可视化的改变获得美国微生物学会许可。
 
显微镜在细菌的共凝聚的研究中也发挥了重要作用。即使是半定量的,显微镜分析也有助于理解用视觉或分光光度法无法观测到的共凝聚现象(图3)。共凝聚最简单的显微研究是通过光学显微镜的相衬显微照片来评估凝聚体的大小和形状。不同荧光探针的荧光显微技术也被用于评估细菌之间的共凝聚现象,如使用DNA结合染色剂4,6二氨基-2-苯基吲哚(DAPI),用荧光显微镜确定从饮用水中分离细菌的共凝聚现象。荧光探针也可用于共聚焦激光扫描显微镜以可视化共凝聚体和识别不同空间分布的细菌或微生物种群。研究人员使用多色荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization FISH)方法确定活性污泥中不同细菌种群的空间分布。因为FISH是一种需要固定和杂交的技术,因此将琼脂糖嵌入细胞聚集体中已减弱这两个步骤对凝聚体结构的影响。研究者用3D“膨胀算法”分析了两个不同种群之间的空间排列,该方法量化了一个微生物种群与另一个种群细胞间随着距离增加而变化的密度,以作为对共凝聚的度量。研究人员还在共焦显微镜中用多色FISH方法来评估生物膜内微生物种群的共凝聚。另外,科研人员还开发了一种将FISH与多光谱成像相结合的替代方法(combinatorial labeling and spectral imaging [CLASI]-FISH)来分析共凝聚。CLASI-FISH允许在口腔生物膜中同时分化多达28种细菌。虽然前人已对口腔生物膜中细菌共凝聚和生态演替进行过详细研究,但对联合体中单个细菌细胞的空间组织微米级分辨率的研究仍有限。CLASI-FISH首次实现了口腔生物膜生物地理的可视化,在那里可以观察到特定细菌的具体位置,以及它们倾向于与哪些物种相结合。这将有利于通过组合标记和光谱成像对微生物群落的相互作用和组织进行分析。因此,将其应用于共凝聚研究,有助于进一步了解水生生物膜群落的生理生态。
流式细胞术(Flow cytometry FCM)是一种快速、可靠和高效的微生物分析方法。散射光可指示颗粒、细胞或聚集体的大小,而荧光可用于区分不同微生物亚群。在过去几年中,FCM被越来越多的用于研究细菌的自动聚集,这表明FCM也可用于共凝聚的研究。例如,研究者用FCM研究了两种水生细菌菌株与一种原生捕食者的相互作用。
扫描电子显微镜(Scanning electronic microscopy SEM)已被用于可视化聚集体并区分簇中不同的细菌。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)的引入使得样品获得更清洁、高质量和更少静电扭曲的图像。例如,研究人员证明了由Petroomaculum thermopropionicum SI产生的鞭毛状细丝与嗜热自养甲烷杆菌△H的共凝聚有关。原子力显微镜(Atomic force microscopy AFM)被证明有助于确定凝聚细菌和非凝聚细菌之间的相互作用力。此外,分子和遗传方法也被用于共凝聚现象的研究中。与共凝聚相关基因中有缺陷突变体的分离有助于确定属内和属间聚集所需的功能。这些技术对于确定不同种群间相互作用所需的细菌结构或蛋白至关重要。表2列出了用于研究共凝聚方法的优缺点。
 
表2 评估共凝聚的方法及其优缺点


数学建模和计算模拟在细菌聚集体的研究中起着重要作用。最近,研究者提出了研究细菌聚集体的动力学理论,提出流变学在聚集体合并中的相关性。流变建模方法对于理解不同环境下聚集的流变行为提供了理论指导。

水生系统中的共凝聚
对水生环境中共凝聚的理解可能有助于解决与微生物有关的问题:低剪切和高剪切环境中病原体在生物膜内的生长和滞留;微生物引起的腐蚀;表面生物污垢;以及细菌对抗菌素的抵抗力增加。另外,将共凝聚作为一种生物技术来提供有针对性的微生物群落,对废水处理和水产养殖具有重要意义。

3.淡水
对淡水环境中共凝聚现象的研究证明了它在多物种生物膜群落发展和维持中的生态作用。在同一物种成员之间(种内共凝聚),已观察到淡水细菌在同一属之间(属内共凝聚)和不同属之间(属间共凝聚)的共凝聚现象。研究人员仅在淡水中描述过种内共凝聚现象,这显然与不断变化的环境条件以及生物膜细菌和其他生态位细菌接触的可能性有关。一般来说,淡水中的共凝聚取决于不同的生物和非生物因素,在生物因素中,发现微生物的生长期、粘附素和受体的表达或EPS的产生都会影响共凝聚。另外,溶质的存在、流体动力学条件和理化性质是影响淡水中细菌共凝聚的非生物因素例子。
大多数水生环境中共凝聚的研究都调查了从淡水中分离出来的生物膜细菌,如钻孔和湖泊环境。在一项开拓性的研究中,研究者证明了从钻孔中分离出的19种淡水菌株之间发生了共凝聚,并发现是长期以来的凝集素-糖相互作用介导了这19个菌株之间的共凝聚。共凝聚在指数增长期不会发生,而在稳定生长期的细胞中是很明显的现象。共凝聚的最大表达维持了长达48小时,始终保持在稳定阶段,随后减少直到最后共凝聚能力消失。这种“开”和“关”的转换可能表明这种共凝聚粘附素或受体的表达是受饥饿和环境压力的控制。相反,牙菌斑细菌似乎没有表现出这种共凝聚表型“开和关”的转换。此外,还发现淡水细菌中共凝聚是由粘附素-受体和偶尔的粘附素间的相互作用介导的。例如前人通过使用半乳糖胺来确定它是否阻止Sphingomonas natatoria 2.1 gfp细胞粘附在玻璃表面或覆盖玻璃表面的Micrococcus luteus 2.13 上。研究者认为半乳糖胺通过与凝聚粘附素上的凝集素结合位点竞争来抑制共凝聚,半乳糖胺在介导Snatatoria 2.1 和Mluteus 2.13的共凝聚种起着重要作用。后来研究人员提出从淡水中分离出的Snatatoria 2.1表达了增强生物膜整合和扩张的凝聚粘附素。
淡水环境中水动力条件的变化会影响共凝聚,从而促进生物膜的发育和扩散。对不同物种组成的淡水生物膜选择不同的剪切速率,不同的种内聚集细菌和细菌物种的共聚集比例。有研究证明了剪切速率的大小会影响淡水生物膜中共聚集细菌的相对比例。剪切速率较高时,自聚集细菌的比例也最高,而共聚集细菌的比例在中等剪切速率下最高。
诸如离子强度、PH、温度和粘度等理化特性会影响淡水细菌之间共凝聚。研究发现在口腔细菌共聚体缓冲液、生理盐水和Tris-Cl 缓冲液中,Snatatoria 2.1 和 Mluteus 2.13 的共凝聚能力低于在蒸馏水中。且在标准实验室缓冲液中共凝聚弱表达。另外,共凝聚常发生在PH3-10,温度为5-80℃条件下,且在溶液粘度为22.5厘泊,温度为20℃时受到抑制。因此不同环境中细菌之间发生共凝聚的理想条件可能存在显著差异,使用类似于分离细菌环境条件的缓冲液似乎是有效检测共凝聚现象的适宜方法。
EPS也介导水生生物膜形成细菌的共凝聚。对淡水、河口和海洋生物膜细菌的聚集性进行了评价,并对在生物膜形成过程中起重要作用的细胞结合胞外聚合物(CB-EPS)进行了鉴定。发现河口和淡水生物膜细菌通过共凝聚形成生物膜的潜力较大,与海洋生物膜细菌产生的CB-EPS相比,其碳水化合物含量丰富,糖组成明显不同。大多数生物膜细菌在去除CB-EPS后失去了聚集能力。河口细菌和淡水细菌在应激条件下仍然保持聚集能力,表明在应激条件下存在某种特定的生物分子,显然是脂质和蛋白质。
共凝聚被认为是水生细菌群落抗生素耐药性的一种成功策略。研究淡水细菌群落在低和高剂量下对抗生素的反应表明无论抗生素浓度如何,在抗生素存在的条件下,细菌丰度迅速下降了75%,直到实验结束前一直保持不变。通过调查不同处理下群落的表型适应性,研究人员发现抗生素的存在将共凝聚显著增加了5-6倍。聚集细胞内相互作用的复杂性大大增加,导致形成了一个特定的微环境,由于接近和物种的相互作用,使得单个细菌细胞对抗生素的抗药性上升。此外,聚集体中的细菌被不同形式的自核成水合胞外聚合物包围,由于聚合体本身的渗透性降低,有效减少了抗生素的扩散。因此,当浮游细菌暴露在抗生素的环境浓度时,共凝聚可以代表一种生存策略。抗生素的亚抑制浓度可以作为信号分子,介导多种细胞过程如基因转录和表达、群体感应、种间和种内通讯、生物膜形成,并可能加速基因水平转移。
 
3.饮用水
关于共凝聚现象在饮用水中的作用,即它在饮用水生物膜中的作用目前还缺乏研究。在SCOPUS中使用关键词“共凝聚”、“饮用水”搜索标题、摘要和关键词发现,只显示了4个条目:两个描述饮用水中细菌共凝聚现象,一个综述,另一个关于淡水中的共凝聚。虽然缺乏饮用水中共凝聚现象的研究,但现有研究中有关共凝聚现象对生物膜的发展影响达成了共识。2008年研究人员研究了从饮用水中分离出的六种异养细菌的属间共凝聚,并对共凝聚过程中涉及到的表面分子的性质进行了分析。研究得出Acinetobacter calcoaceticus作为架桥细菌,能够与五个饮用水细菌中的四个发生共凝聚,Methylobacterium sp.除外。另外,Acalcoaceticus的相互作用是由凝集素-糖介导的。一项研究也证明了A. calcoaceticus的架桥功能与多种生物膜的形成正相关。研究者对从饮用水中分离出的4个不同属的细菌的自聚集、共聚集和生物膜形成进行了研究,表明细菌的共凝聚是作为时间依赖的物种特有的相互作用结果。此外,研究人员还报道了饮用水共凝聚对生物膜形成的强烈影响。从家用淋浴喷头上分离出的细菌之间存在共凝聚现象,研究人员在鉴定了每个生物膜上的31个不同细菌属后,认为共凝聚是淋浴喷头生物膜的一个共同特征。一项研究强调Brevundimonas, MicrococcusLysobacter属在不同的淋浴喷头和相同淋浴喷头生物膜中具有较高的共聚集能力。
事实上,在多物种饮用水和淡水生物膜形成中出现了一个概念,即“架桥生物体”。它们通常表现出广泛的共聚集能力,使得多种细菌物种间发生共凝聚,促进多物种生物膜的发育,并介导病原体融入生物膜。表3介绍了到目前为止所研究的饮用水系统中细菌架桥行为的详细信息。研究表明Acalcoacticus促进了其他不直接共聚集物种的联合,增加了代谢合作。因此,通过菌株排斥过程,在不同细菌组合下形成了生物膜。研究者指出除去Acalcoaceticus的多物种生物膜外,所有组合生物膜质量均随时间增加。多种生物膜中Acalcoaceticus的存在与否增加或减弱了从饮用水中分离出细菌的生物膜质量的形成。这表明A. calcoaceticus可能像口腔细菌Fnucleatum一样充当架桥生物体。研究者提出了这样一个问题即饮用水或淡水中的架桥细菌如A. calcoaceticusS. natatoria是否有助于病原体的保留,或者说与特定物种具有共凝聚的能力是否是在多种生物膜中战胜其他物种的一种机制。以S. natatoria 2.1 gfp为例,研究表明共凝聚以及作为架桥细菌可以促进多物种生物膜生物量的生产。然而,与在混合群落中似乎有利于多用物种扩张的Acalcoaceticus不同,Snatatoria 2.1 gfp 在生物膜中以牺牲其他物种为代价在数量上占优势。此外,架桥概念似乎可以解释多物种联合体对消毒的抵抗力,即对次氯酸钠的抵抗力。研究者评估了从饮用水中分离出的六种细菌(A. calcoaceticus, B. cepacia, Methylobacterium sp., M. mucogenicum, S. capsulata , 和Staphylococcus sp.)形成的单种和多种生物膜对次氯酸钠的敏感性。研究人员发现多物种生物膜比相关的单物种生物膜更能抵抗灭活和去除。他们进一步观察到所有细菌的生物膜对次氯酸钠的耐药性最高,而不含A. calcoaceticus 的生物膜对次氯酸钠敏感性最高,表明后者在多物种生物膜种的存在增加了对消毒的耐药性。这样的结果被认为是A. calcoaceticus作为架桥细菌在微生物群落中的作用。事实上,架桥可能促进更强的EPS形成,从而引起扩散限制。但是,具体的机制仍然未知,对种间关系的深入了解将有助于制定了解细菌对消毒剂的耐药性,并且制定新颖而有效的控制策略,以保证饮用水是微生物安全。
 
表3 不同水生环境中的架桥细菌及其凝聚对


3.废水
废水处理厂(waste water treatment plants WWTPs)采用多种技术,其效率高度依赖于细菌的共凝聚作用。例如,细菌聚集是废水处理厂中生物膜形成、活性污泥絮凝和好氧造粒的重要步骤—这些过程取决于产生含有能够降解污染物的微生物颗粒和生物膜的能力。人为释放大量氮是一个普遍而严重的环境问题。除了农业,污水是无机氮的最大来源之一,特别是尿素降解产生的氨。大多数污水处理厂利用硝化和反硝化微生物将氨通过亚硝酸盐氧化为硝酸盐,然后将产生的硝酸盐还原为气态氮。完全硝化取决于氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizing bacteria NOB)的互利作用。在硝化活性污泥和生物膜样品中,经常观察到含有不同AOB的硝化螺菌的AOB和NOB共凝聚现象。类似地,AOB和AnAOB(anaerobic ammonium oxidizing bacteria厌氧氨氧化细菌)在部分硝化厌氧氨氧化系统中聚集。研究者探究了从市政污水处理厂活性污泥中分离出的32株非絮凝细菌之间共聚集的可能性。他们发现八种菌株与Acinetobacter johnsonii S35发生共凝聚,而只有四株与Acinetobacter junii S33适度聚集。后者的两个菌株都能与不同属的细菌共聚集。这项研究表明在水生系统中,Acinetobacter分离株作为架桥微生物发展成多属共聚体的可能性,并进一步强调了非絮凝细菌在活性污泥絮体形成中的作用。
众所周知,废水中的活性污泥是自然产生的微生物组成的,这些微生物可以生物降解各种污染物。然而,一些污染物不能被生物降解。因此,开发的一些其他技术被确定为处理高强度工业废水的可行选择,包括那些含有毒或难降解化合物的废水。例如,在生物膜中固定降解细菌被认为是维持生物强化系统中有效的生物降解策略。与传统方法相比,该策略具有优势,如对恶劣环境的耐受性,固定化细菌的增殖及固定化的低成本。与生物膜形成细菌Pseudomonas sp. C7和Bacillus sp. E5 共同接种的Sphingomonas sp. 224比单独接种Sphingomonas sp. 224更有效的降解tolclofosmethyl 。研究者还发现,当Comamonassp. PG-08与Propioniferax-like PG-02发生共聚集时,可促进苯酚降解。另外,一些芽孢杆菌物种的聚集能够提高其他细菌物种降解特定污染物的能力。如当Bacillus thuringiensis I2与Acalcoaceticus I6发生共聚集时,对苯酚的降解作用增强。另外,Bacillus VA160也提高了Acinetobacter BCaL1和Stenotrophomonas BCaL2降解聚乙氧基化壬基酚的能力。有研究者提出对硝基苯酚(PNP)降解的生物强化是由于添加了一种新型PNP降解细菌Methylobacterium sp. C1,该细菌与来自污水处理厂的两株广谱聚集菌株发生共凝聚作用。研究人员发现含有共聚集细菌的生物膜能够固定降解细菌,从而保护其不受外部不利条件的影响。这些过程使得生物膜形成,且能够保护PNP降解菌株不被冲刷,从而提高了PNP的整体降解。
好氧制粒是一种代替传统废水处理的技术方法。其中好氧颗粒是含有不同微生物种类的自动固定化微球。该方法由水力选择压力启动和驱动,比如在短的沉降时间以选择和保留紧密的微生物聚集物洗除较轻和分散的颗粒。在这些选择压力下,细胞聚集包括自聚集和共聚集的相互作用,可能会促进好氧颗粒的形成。对好氧颗粒化过程中共聚集现象的研究有助于揭示有利于颗粒化过程的假定机理,尤其是在特定微生物的选择方面。研究者通过Propioniferax-like PG-02和Comamonas sp. PG-08的生物强化研究了细菌共凝聚对好氧颗粒化的影响。PG-02 和PG-08 通过凝集素糖与PG-02上的粘附蛋白以及PG-08 上的互补糖受体相互作用发生共凝聚。然后在一起培养时,这些菌株在苯酚降解中发生协同作用。研究者得出结论即在序批式反应器中,两种菌株的生物强化同时显著改善了苯酚的去除和需氧造粒。研究人员探索了从酚降解好氧颗粒中分离的A. calcoaceticus I6 和 Bacillus thuringiensis I2或 Candida tropicalis I9的属间共聚集。蛋白酶或热处理降低了菌株16的共聚集能力,表明其表面存在粘附素以促进共凝聚。单糖处理表明菌株I6 + I2 和 I6 + I9 之间的共凝聚是通过凝集素-糖相互作用介导的。这印证了前人对苯酚降解颗粒形成的研究。在一项关于好氧颗粒在降解目标污染物环丁砜的应用研究中,将预先生长的醋酸盐饲料颗粒和环丁砜污染地的原生微生物群落作为新型好氧颗粒培养的基础。新形成的共凝聚颗粒与预培养的颗粒形态不同。特别是新颗粒的表面覆盖着丝状细菌,起到保护和稳定的作用。新型好氧颗粒在各种环境条件下具有良好的稳定性,并显示出好的沉降能力。

3.海洋水域
尽管对海洋细菌的共凝聚现象研究很少,但基于共凝聚细胞之间的相互作用似乎在海洋环境中生物膜的形成过程中起着重要作用,就像在淡水环境中一样。据报道,海洋环境中的共凝聚取决于生长机制-细菌由于代谢优势而发生共聚集。研究人员发现Pelotomaculum thermopropionicum SIMthermautotrophicus △H在同营养共培养中发生共聚集,且共凝聚依赖于生长底物。这些研究者认为共凝聚作用的建立是为了在物种之间实现有效的氢气流动,从而促进丙酸的共营养氧化。此外研究人员还证明了菌株SI产生的鞭毛状纤维参与了共凝聚。
水产养殖可能是全球农业增长最快的部分,占世界食用鱼的近50%。由于这个行业快速而巨大的扩张,其养殖方法也变得更加密集。然而,水产养殖生产的巨大损失是与微生物相关的。水产养殖中的传染病是最严重的制约因素,每年造成数十亿美元的损失,同时可能危及消费者的健康。微生物的相互作用可以作为一个可靠的策略来控制病原体。特别是乳酸菌(lacticacidbacteria LAB)在水产养殖中被广泛的用作益生菌。乳酸菌的特点在于它们具有共聚集和自聚集的能力,对病原体生长具有抑制作用,且能减少抗生素耐药性。益生菌在胃肠道内聚集的能力是一个理想的特性,可以用于初步评估和选择最佳的益生菌菌株。这种粘附能力可能会导致形成屏障,阻止病原体的后期定殖,并构成一个重要的宿主防御机制。此外,当益生菌与病原体发生共凝聚时,可能会促进病原体在肠道环境中去除。有很多关于病原体与乳酸菌之间发生共凝聚可能性的研究。研究人员从黑鲷的肠道中分离并鉴定了一种乳酸菌菌株。该菌株能够与多种鱼类病原体(Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes, Shigella, Staphylococcus aureus, Proteus vulgaris, EscherichiacoliSalmonella Typhimurium)发生共凝聚。体外实验表明该菌株对病原体的生长具有抑制作用,对抗生素的抵抗力低,并且能与病原体共聚集。研究者将从双壳类Anadara tuberculosa分离出来的乳酸菌菌株的益生作用定为适合虾类养殖。发现Staphylococcus sp.与鱼类病原体凝聚最高,其次为Bacillus licheniformisBsubtilis ssp. subtilis。另外,为了证明所选细菌的益生菌潜力,研究人员将该菌株引入到Litopenaeus vannamei中进行体内试验。通常,乳酸菌菌株对Litopenaeus vannamei的生长和免疫具有有益的作用。研究者从尼罗罗非鱼的胃肠道中分离出Enterococcus faecium QQ12,并评估了它们作为益生菌控制金鱼Carassius auratusAeromonas hydrophila感染的能力。此研究的目的是评估群体猝灭作为有效控制病毒的策略对群体感应信号分子干扰的情况。然而,对其他益生菌特性进行了评估,其中对EfaeciumQQ12通过自聚集和共聚集粘附在肠细胞壁上的能力进行了评估。结果表明EfaeciumA. hydrophila在培养5小时后除了群体猝灭特性,还具有很好的共聚集能力,在此过程中超过50%的EfaeciumAhydrophila共聚集。

结论


多种微生物群落在多个研究领域中的重新崛起和多学科研究方法的最新进展为人们理解共凝聚在固定群落的建立和行为中的作用提供了更多的兴趣。生物膜在水生系统中普遍存在且得到广泛认可,淡水、饮用水、废水和海水中的细菌也存在着自聚集和共聚集现象。通过对这些水生系统中共凝聚知识的认识,发现相对于非聚集细菌,共凝聚机制可能为聚集细菌提供了选择性优势,在多物种生物膜的形成和维持中起着重要的生态作用,包括对抗菌素的耐药性。共凝聚是菌株特异性,即取决于菌株表达特定细胞表面分子的能力并依赖于适当的生理和环境条件。然而,有关水生系统中细菌共凝聚的分子机制仍有待探索。对共凝聚现象的研究和架桥细菌的鉴定将有助于进一步固定群落的牢固建立。具有广谱聚集能力的架桥细菌似乎在多物种生物膜的发育和行为中起着重要作用。架桥细菌在水生系统中的生物技术应用方面具有很大的潜力,改善使用活性污泥/絮凝体、颗粒和基于生物膜的反应器性能,以及开发针对这些关键微生物的精细策略,以有效控制病原体和不良生物膜。

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关键词:
生物膜,微生物,细菌,菌株

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