異養細菌生長效率、調控機制、生態學研究進展（一）
異養浮游細菌對溶解性有機碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)的降解消耗是海洋食物網中物質循環和能量流通的主要途徑，如在寡營養生態系統中浮游細菌對物質循環和能量流動的貢獻是最大的[1]。1983年Azam等[2]科學家提出了微食物環的概念，即相當數量的溶解性有機物(Dissolved Organic Matter，DOM)和顆粒性有機物(Particular Organic Matter，POM)通過原核生物和非常小的真核生物的利用，轉化成自身的顆粒有機物，然后被原生動物(主要是鞭毛蟲和纖毛蟲)捕食后再傳遞到后生動物，從而進入經典食物鏈向高營養層傳遞，在此過程中異養浮游細菌扮演次級生產者的角色;另一方面，海洋浮游細菌(主要是異養浮游細菌)能將生物營養轉化中遺失的溶解性有機物和顆粒性有機物分解轉化為無機營養鹽，促進營養鹽循環，并成為海洋群落呼吸釋放CO2的主要貢獻者，從而起到分解者或還原者的作用。細菌生產力(Bacterial Production，BP)和細菌呼吸率(Bacterial Respiration，BR)分別是反映上述兩個生態過程的重要參數，在現場研究中實際以水體異養微生物(包括細菌和古菌)為對象并對其生態功能進行衡量[3-5]。深入了解浮游細菌在海洋生物地球化學循環中的雙重角色是目前微生物生態研究的核心內容[6-8]。
細菌生長效率(Bacterial Growth Efficiency，BGE)反映了水生生態系統中溶解有機碳通過異養細菌二次生產轉化為自身顆粒有機物的效率，定義為：
BGE是描述水體異養微生物功能和生態角色的重要參數[9]，也是評價微生物群落碳收支的關鍵指標[10-11]。此外，細菌生長效率與其本身的生理條件密切相關，因而可以作為反映水體中細菌生長環境的一個有效指標[12]。細菌生長效率概念的提出，旨在對異養微生物次級生產與呼吸代謝兩大生態過程之間的相對關系進行綜合研究[13]。近年來細菌生長效率研究越來越受到關注，這得益于人們對細菌呼吸代謝生態學意義的重新審視[14-15]。與單純的細菌生產力研究相比，細菌生長效率的研究可以彌補異養微生物生長代謝過程中的實際需碳量、對有機碳源的利用效率及損耗比例、系統的營養狀態、CO2產出等信息的不足，因而能夠更客觀地反映異養微生物對微食物環能量流動與物質循環的貢獻，并有助于深入開展海洋碳循環體系的生物地球化學研究[12，16-17]。過去測量BP時很少同步測量BR，以致不同海區浮游細菌需碳量(Bacterial Carbon Demand，BCD)到目前為止還是絕大部分未知[14]。在全球氣候變化以及海洋碳循環研究深入的大環境下，此方面研究工作的進一步開展有利于深入分析海洋碳的源匯問題，并揭示海洋生態系統在其中所發揮的具體作用[14，17-19]。
1細菌生長效率及相關參數研究方法與實驗技術進展
1.1細菌生產力
異養細菌生產力的研究方法主要包括[甲基-3H]胸腺嘧啶示蹤法[20]、[3H]亮氨酸示蹤法[21]、細胞分裂頻率法(FDC)[22]、分級或稀釋培養中細胞數量的增加法[23]、測定放射性標記的氨基酸或葡萄糖(14C-glucose)[24]等，這些方法的原理及特點的詳細闡述見文獻[9，25]。此外，還可以根據細菌豐度(Bacterial Abundance，BA)的變化來估算BP[10，26]。目前國內外比較常用的是3H胸腺嘧啶示蹤法和3H亮氨酸示蹤法，后者也是國標仲裁方法。
1.2細菌呼吸率
目前細菌呼吸率的測定方法主要有兩種：
(1)經典的以氧濃度變化為基礎的溶解氧滴定法[11，27-29]
其中DO0，DOt分別為樣品培養前后溶解氧濃度，t為培養時間。
呼吸熵(respiratory quotients，RQ)的引入把測定細菌呼吸率的氧單位轉變為以碳為單位，定義為：
RQ大小取決于所利用的底物組成，范圍為0.7～1.1，通常假定RQ=1[11-12，27-28]。這種方法具有很高的靈敏性和準確性[10，30]，也是最常用的方法[11，27-29]，后面總結BGE的時空分布規律及其調控機制幾乎都是基于這種測量方法計算和分析得出的，但是這種方法局限性帶來的潛在影響已經成為BGE研究工作深入開展的瓶頸[31]。
(2)以二氧化碳濃度變化為基礎的庫侖呼吸測量法[32-33]
Toolan[32]指出庫倫呼吸測量法是基于碳的呼吸率，因而能與初級生產無機碳固定率作對比，并且由于其不需要運用到呼吸熵，所以要比以測氧氣濃度變化為基礎的方法優越。水體中由于CO2與23CO-相平衡，為了測量通過呼吸產生的CO2，故應測量總溶解無機碳(TCO2)：
海水中的TCO2利用庫侖滴定法來測量[32]。但溶解氧滴定法和庫倫呼吸法都需要對實驗水樣進行至少24 h的培養才能得出測量結果，這就存在以下兩方面的問題：一方面，這些測量方法長時間培養過程中的容器效應無法忽視，如為了研究異養細菌，其必須和其他浮游生物相分離，通常經過0.6～2μm濾膜過濾，但完全分離是不可能達到的，所以BR的變化除了細菌外還歸因于其他有機體，并且過濾可能會破壞原有細菌聚合的結構，也會改變原有的捕食關系[35]。如果過濾的過程中細胞破碎，則有機和無機物質都會釋放出來。此外長期培養可能誘發細菌群落組成的變化[36-37]或營養物質的消耗[11]。因此結果可能不能代表初始的細菌群落。另一方面，這也難以與基于3H同位素示蹤法測量細菌生產力的快速性相匹配(培養時間可在0.5 h以內)并帶來相關的誤差。在這種背景下，Briand等[10]以及Eichinger等[38]利用高精度連續測量技術將自然水體細菌呼吸率的有效測量時間大大縮減，使培養更接近系統的原始狀態，提高了實驗的可重復性和精度;Pringault等[39]在2009年也曾報道過利用氧氣微電極連續測量技術開展BGE相關研究。
1.3細菌生長效率
早期BGE的值通常基于放射性同位素示蹤簡單有機化合物的吸收、融合和呼吸測量得到的[40-41]，這種方法具有較高的靈敏性，它可以使吸收和呼吸速率經過短期培養后就能測定，即使在生產力不高的水域也能應用。但是在短期培養過程中，細胞內的碳庫不能達到平衡，并且細胞內部的同位素稀釋和不穩定狀態都會使放射性標記化合物產生的生物量偏高，所以這些值現在被認為過高估計自然浮游細菌的實際生長效率[14，33，42-46]，此外，細菌可能同時利用多種有機底物，所以只標記單種化合物不能反應細菌利用底物的復雜情況，并可能造成BGE的過高估計[14，45，47]。目前主要有兩種BGE的測定方法：第一種方法，在相對短的培養時間內(通常小于36 h或小于周轉時間)測量BR和BP，這種方法在細菌呼吸率測定方法中已進行了詳細闡述。第二種方法是稀釋培養，將少量自然條件下的細菌群落接種到過濾無菌水上，觀察這些細菌的生長，時間一般為數天或數周[33，45，48-49]。在這種長期試驗中，監測DOC和POC的變化很容易，BGE可通過下式估算得出：
有研究結果表明過濾法和稀釋法得到的BGE數據具有一定的一致性[11]。無論采用哪種方法，細菌和天然DOC的來源都將分離，并且細菌和微生物捕食者相分離與營養物質的再生渠道不耦合，這可能對于維持自然系統中高BGE有重要作用。在長期稀釋試驗中，難降解DOC的消耗量將增加，營養物質的的消耗將增大，在短期過濾法實驗中只用大部分可降解性DOC被利用，避免有機物的過度消耗。在長期培養中，異養鞭毛蟲的生長不可避免，因此攝食將對細菌生物量和BGE產生重大影響[44，50]，并且在長期培養中，有毒代謝產物的積累將使BGE降低[51]。無論是培養時間多長，BR、BP都是變化的，所以培養時間的長短和這些方法的融合對于BGE的計算都很重要。近期報道的縮短培養時間的技術改進(如前面提到的高精度溶解氧測量方法減少呼吸率部分測量時間)對整個BGE估算的質量都有明顯改善，但目前BGE的精確測量對于微生物生態學家仍舊是一大挑戰。
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