文|温知优

?——【·前言·】——?

硅藻生物膜在海洋环境中非常丰富。据推测，由硅藻产生的细胞外聚合物质能够使细胞应对波动的盐度。

为确定EPS的保护作用，新月柱藻在盐度分别为35、50、70和90ppt的黄原胶中生长。

黄原胶基质显著提高了细胞活力、生长速度和种群密度，分别高达300、2,300和200%。在0.75%w/v黄原胶中生长的硅藻。

经过急性盐度休克处理保持光合能力Fq'/ F m ' ，在休克前值的4%以内，而Fq _在没有黄原胶的情况下生长的细胞中的'/F m '在高盐休克时下降了高达64%。

在标准盐度下在黄原胶中形成的生物膜有助于细胞在盐度休克期间维持功能。这些结果提供了生活在EPS基质中对生物膜硅藻有益的证据。

?——【·介绍·】——?

微生物光合生物膜由嵌入细胞外聚合物基质中的原核和真核光养生物组成。

生物膜广泛存在于几乎所有陆地和水生环境中，并提供重要的生态系统功能，包括沉积物稳定，初级生产和养分循环，但也会在人造海洋表面造成污垢。

在许多环境中，例如潮间带沉积物平台,海冰、船体、土壤和沙漠生物结壳、盐沼和冰川表面，生物膜暴露在波动的可用水和盐度条件下。

长期以来，人们推测EPS在生物膜中的普遍存在部分是由于微生物通过改变其EPS的产生和组成来改变其周围环境以减少水分胁迫的负面影响。

微生物的这种微观环境缓冲具有宏观影响，因为它允许初级生产者组合在恶劣环境中的物理发育和演替，例如通过蓝藻丝和EPS大规模稳定沙漠土壤，海洋沉积物栖息地的生物稳定性,以及极地海冰的结构和有机碳组成。

由于微藻，尤其是硅藻，会产生EPS，因此长期以来一直怀疑细菌和微藻EPS的功能等同。

与海冰和潮间带沉积物相关的底栖硅藻能够很好地适应波动的条件，并且可以耐受各种盐度。硅藻可以通过将离子主动转运出细胞或进入液泡来减少盐胁迫的影响和细胞渗透质的调节。

然而，这些机制在能量上非常昂贵，因此可以停止或减慢细胞分裂。因此，一种基于EPS的缓冲水势波动影响的机制可能会为硅藻提供竞争优势，就像它对细菌一样。

为了进一步了解EPS对硅藻的保护，使用了一个模型系统，可以得出适用于天然生物膜的广泛结论，这些结论在物种组成和微观结构方面有很大差异。

硅藻EPS的单糖组成因物种而异，但通常葡萄糖、甘露糖、半乳糖和鼠李糖是最丰富的糖类。

三叶草EPS由高度水合的链基质组成，葡萄糖和甘露糖作为主要的单糖，被酸化为糖醛酸。

硅藻EPS的这种常见成分类似于黄原胶，黄原胶是一种由野油菜黄单胞菌合成的多糖凝胶，广泛用作海洋环境中EPS的参考标准和土壤生物膜。

黄原胶由葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸组成，比例为2:2:1，末端为丙酮酸，丙酮酸被认为对交联黄原胶分子很重要，因此有助于形成凝胶结构。

硅藻EPS中高比例的糖醛酸表明它们的分子交联是由于二价阳离子与糖醛酸的羧基之间的离子相互作用，如细菌生物膜中发生的那样。

黄原胶和新月状梭菌EPS之间的相似性使黄原胶成为研究EPS对细胞的保护特性的有用工具。

本研究调查了EPS基质的存在如何影响新月梭菌在标准盐度和高盐度以及盐度波动期间的存活。

这是第一次明确设计实验，直接测量EPS对硅藻细胞活力和光合能力的影响，这两者都控制种群增长和持久性。

该研究检查了增加的EPS浓度是否会促进种群增长和长期生存能力，以及这种影响是否在较高盐度时更大。该研究还检查了EPS基质的存在是否可以保护细胞在短时间内免受急性渗透压休克。

?——【·培养条件·】——?

在20°C和24小时光照条件下在荧光灯提供的12±0.5μmol光子m-2 s -1辐照度下生长。在实验使用前，用庆大霉素和青霉素及链霉素溶液处理原种培养物，以尽量减少细菌生长，无菌技术贯穿所有程序。

?——【·高盐度下的长期生产·】——?

培养物在4×4处理矩阵中生长：盐度为35、50、70和90，黄原胶浓度为0、0.04、0.38和0.75%w/v。通过添加NaCl，盐度从中等盐度增加。

将黄原胶过夜溶解到生长培养基中，并以1.5×105个细胞ml -1的起始种群密度添加储备培养细胞; 由血细胞计数器计数确定。

对于盐度35、50和70ppt的处理，12个无菌5ml培养皿接种4ml制备的细胞培养物并用封口膜密封并如上所述孵育。

对于盐度为90ppt的处理，接种了18个重复样本以允许在研究的后期进行额外采样，这是由于预测的高盐度抑制生长速率并因此延长生长周期。

此外，三叶草保持在黑暗中在含0或0.75%黄原胶的盐度35、70和90ppt下，仅测量种群密度，以确定是否发生了EPS成分的异养利用。

在接种当天和之后每隔一到三天，在每个处理的子样本中测量PSII光化学的最大量子效率。测量前将培养物暗适应30分钟。

在第3天、第8天、第11天和第24天，对每个处理的三个盘子的子样本进行了破坏性取样。使用血细胞计数器对细胞进行计数。

对于活跃生长期，特定增长率，μ，确定了每个处理。使用核酸染色剂SYTOX-Green确定具有受损细胞膜的细胞的比例。

在明场下对总细胞计数，然后在暗场下对SYTOX-Green染色的细胞进行计数。活细胞的比例计算为群体活力。

?——【·对盐度波动的短期反应·】——?

具有6.7×105个细胞ml -1起始种群密度的新月梭菌培养物在含有0或0.75%w/v黄原胶的f/2培养基中生长。重复培养物在用封口膜密封的5ml孔中生长。

在5天的生长期后，将盐水溶液施加到培养物的顶部。调整应用的溶液以在培养物中产生17.5、35、50、70和90ppt的最终盐度，从而产生“盐度休克”。

PSII光化学的运行效率在盐休克前后进行计算，以监测细胞光合性能的变化。

F'在光化光下测量的稳态荧光和Fm '在光化光下的最大荧光的读数在恒定辐照度5±0.2μmol光子m-2 s -2前10秒和15秒，30处理后s、60s、2分钟、4分钟和6分钟。

F m ′和F′之间的差异和比率F q计算'/F m '。在盐休克前24小时、盐休克前1小时和盐休克后24小时测量最大光合能力。

?——【·模型EPS矩阵中盐度升高时的生长和生存能力·】——?

三叶草的最大种群密度，在生长周期期间获得，在含有黄原胶的培养物中显著高于那些在低含量或不含黄原胶。

在盐度35和50ppt时，与对照和0.04%黄原胶相比，0.38%和0.75%黄原胶中的最大细胞密度增加了一倍多。在盐度为35和50ppt时，与对照和0.04%黄原胶相比，含0.75%黄原胶的培养物的种群增长率显着增加。

在黑暗条件下培养的培养物没有实现任何种群增长，因此高浓度黄原胶培养物的生长增强不是由于硅藻细胞对黄原胶的异养利用。

在高盐度下，黄原胶对生长率和最大种群密度的积极影响并不像在低盐度处理下那样具有决定性。EPS对长期盐胁迫下细胞光合效率的影响

黄原胶对新月梭菌培养物PSII的最大潜在光合效率的影响程度和方向取决于黄原胶的浓度和培养基的盐度。

当培养物在0.75%黄原胶中生长时，黄原胶的存在对F v /F m具有保护作用，在盐度为50和70ppt的培养物中F v /F m显着增加。少量黄原胶的存在对F v /F m具有负面影响或可忽略不计。

然而，在盐度90ppt时，在0.38%黄原胶中生长的培养物具有增加的F v /F m。

?——【·盐度波动期间黄原胶对光合效率的保护·】——?

在0和0.75%黄原胶中生长的培养物通过应用盐溶液进行急性盐度休克。在黄原胶中生长的培养物保持高F q '/F m '水平；在施加盐度冲击后，其原始值的96%到100%之间。

在0.75%黄原胶中生长的培养物中，F q '/F m '在施用后2至6分钟之间出现细微下降。然而，在所有处理中，F q '/F m '并未低于其原始值的97%。

处理后24小时，用50、70和90ppt盐度溶液处理的培养物F v /F m增加；与用35ppt盐度的对照溶液处理的培养物有相同的反应。

此响应仅在盐度70和35ppt时具有统计学意义。

在液体培养基中生长的细胞，当暴露于盐度的快速变化时，在处理后30秒内F q '/F m '急剧下降。F q '/F m '的下降水平取决于盐度变化的幅度，在应用盐度90ppt的溶液后观察到最大下降。

观察到F q '/F m '的恢复，恢复时间随着处理盐度的增加而增加。到处理后24小时，所有培养物的F v /F m都恢复到原来的水平，除了盐度70ppt，其中F v /F m增加。因此，F v /F m的维持不依赖于黄原胶的生长。

?——【·笔者观点·】——?

天然生物膜由一系列异质的微生物类群、化学成分和物理结构组成。天然生物膜中存在的复杂性为确定细胞-细胞和细胞-环境相互作用的确切性质带来了挑战，尽管可以确定大范围的模式。

使用简化系统的实验研究已成功地用于证明细菌和硅藻、EPS生产和浓度、细胞沉降和环境条件之间的物种特异性正负相互作用。

这项研究首次证明了EPS的存在可以提高标准和升高盐度下生物膜中硅藻种群的生存能力、最大种群密度和生长速度。

三叶草是一种世界性的硅藻物种，广泛分布于天然淤泥、沙子、岩石、海冰、生物和人工基质的生物膜中，并且与许多其他广泛分布的形成生物膜的硅藻属具有相似的光生理学和EPS生理学。

这些分类学相似性，以及成熟生物膜的新兴特性的相似性，结构和分类学多样性表明嵌入EPS基质中对细胞生长、活力和光合作用的有益特性可能适用于一般的海洋光合生物膜。

?——【·参考文献·】——?

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2.阿德米拉尔《硅藻参与近海氨基酸循环；文化中的吸收和排泄》，1984年。

3.阿尔科弗 《亚得里亚海表层硅藻在营养限制下产生粘液》，菲科尔，2000年。

4.安德伍德《泥滩硅藻的运动方式和对环境变化的响应》，菲科尔，2006年。

5.克雷斯韦尔《三种海冰硅藻的细胞内和细胞外碳水化合物和聚合物质(EPS)的生产和表征，以及EPS低温保护作用的证据》，菲科尔，2012年。