蚯蚓肠道细菌生态功能及毒理学研究进展

蚯蚓肠道中富含大量内生细菌，肠道中每克干重需氧菌和厌氧菌的数量大约是土壤中的12倍～40倍和10倍～4 000倍，它们不仅对蚯蚓自身新陈代谢及机能稳定具有重要调节作用，而且还有利于蚯蚓对土壤中有机物质的分解及养分元素(碳、氮和磷)的转化[1-2]。蚯蚓肠道是接近于厌氧状态的微环境，其中，内生细菌群落主要来源于土壤，但与土著细菌群落结构和组成因环境的不同而存在显著差异[3]。由于特殊的生境体系，蚯蚓肠道细菌群落具有富集碳、氮和磷元素的能力，其含量约为土壤的2倍～5倍，这使得蚯蚓肠道细菌在促进土壤中有机污染物、微塑料和抗生素的降解以及重金属的解毒过程中发挥了重要作用[4]。但是，过量污染物的存在也会对蚯蚓自身免疫系统及肠道细菌的群落多样性产生负面影响。因此，进一步探明蚯蚓肠道细菌群落结构和功能多样性的特征规律，挖掘蚯蚓肠道细菌环境功能潜力，对于促进农业生产及污染土壤可持续修复治理具有重要的理论和现实意义。

1 蚯蚓肠道细菌群落组成(Bacteria community in earthworm gut)

蚯蚓通过吞食土壤而摄入的土著菌群，其结构会随着肠道的运转和发酵发生变化；后期蚯蚓又通过排出蚓粪等方式改变土壤细菌群落，这就使土壤、蚯蚓肠道和蚓粪中的细菌群落既相互联系又有一定的区分度[5]。蚯蚓肠道细菌群落组成对蚓粪的产出速率和质量有重要的影响，而蚓粪中细菌的种类和数量是抑制土传病害、缓解土壤污染物毒害的关键因素[6]。因此，探明3种介质中细菌群落结构的内在关联和差异能够为土壤养分管理及蚓粪的品质的提升提供科学依据。

1.1 蚯蚓肠道细菌群落组成特点

蚯蚓肠道是蚯蚓消化系统最重要的器官之一，肠道为厌氧环境，且pH接近于中性(6～7)[4,7]，因而，蚯蚓肠道优势细菌通常是在厌氧或兼性厌氧条件下可以生存的特殊菌群，例如：变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)[8]；同时内生菌群的结构组成也会随着蚯蚓种类、生活习性和周边土壤生境特征发生动态变化。Knapp等[9]对粉正蚓(Lumbricusrubellus)的肠道菌群进行检测，该蚯蚓取自阿尔卑斯山脉中部的高山牧场，并且在牛粪中喂养6周后，利用聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳技术检测发现变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、疣微菌门(Verrucomicrobia)和放线菌门为肠道优势菌群，在肠道总细菌群落的丰度占比分别为36%、20%、17%、10%和3%(表1)；Pass等[3]利用16S rRNA焦磷酸测序技术对砷污染地区粉正蚓的肠道细菌群落进行检测，发现该蚯蚓肠道中以变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和酸杆菌门(Acidobacteria)为优势菌群，丰度分别为总细菌群落的50%、30%、6%和3%(表1)。Meier等[10]利用高通量技术检测到草地中陆正蚓(Lumbricusterrestris)的肠道优势菌群分别为变形菌门(30%)、放线菌门(28%)、软壁菌门(Tenericutes)(13%)、绿弯菌门(Chloroflexi)(7%)、浮霉菌门(Planctomycetes)(7%)和疣微菌门(4%)(表1)。爱胜蚓属(Eisenia)是一类分布较为广泛的蚯蚓，因其生活周期短、繁殖力强和易于饲养等特点，被应用于许多研究。Wang等[11]为探究牛粪堆肥中赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)的肠道细菌组成，利用高通量技术检测出蚯蚓肠道菌群共有24个门，优势菌群丰度由大到小分别为变形杆菌(50%)>软壁菌门(33%)>放线菌门(9%)>拟杆菌门(7%)(表1)；Singh等[12]用木质纤维素生物基质喂养赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)和Perionyxexcavates30 d后，利用宏基因组测序技术分析2种蚯蚓肠道细菌群落组成，发现2种蚯蚓肠道细菌均以厚壁菌门为优势菌，疣微菌门和绿弯菌门只在赤子爱胜蚓中检出，而螺旋体门仅在Perionyxexcavates肠道内检测出(表1)。周艳玲等[13]对峨眉山秉氏环毛蚓(Pheretimacarnosa)肠道的可培养细菌进行分离培养，发现细菌全部属于厚壁菌门、变形菌门和放线菌门，丰度分别为68%、29%和3%(表1)。因此，蚯蚓肠道细菌群落的种类和丰度随着蚯蚓的品种和外界环境等多因素发生相应的变化，且变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门通常是蚯蚓肠道中主要的优势菌群。

1.2 蚯蚓肠道和土壤细菌群落组成差异

土壤是蚯蚓掘穴、摄食、消化和排泄的场所，为蚯蚓的生存提供了适宜的条件；同时，蚯蚓也通过自身活动改善土壤结构、提高土壤通透性、参与土壤能量传递和物质循环等。土壤是相对开放的空间，受外界扰动较大，氧气含量、土壤含水量、pH值以及养分随着土壤质地的改变而变化；相较于土壤，蚯蚓肠道的厌氧环境和高含量的碳、氮则给内生细菌的定殖和存活提供了一个相对稳定的空间。芽孢杆菌属(Bacillus)和梭状芽胞杆菌属(Clostridium)是土壤中常见的细菌，但是其在土壤中的数量通常比蚯蚓肠道低，主要是因为肠道中高含量的氨基酸和糖底物能刺激它们的定殖和增殖，因此，当芽孢杆菌属和梭状芽胞杆菌属的细菌进入蚯蚓肠道后，数量和活性均会显著增加[14]。一些厌氧或兼性厌氧菌，如葡萄球菌属(Staphylococcus)、气单胞菌属(Aeromonas)在蚯蚓肠道中的生存能力也相应增强[15]。此外，如表1所示，蚯蚓肠道、土壤及蚓粪中细菌群落组成具有一定的同源性，然而在门的水平的相对比例上有一定差异。Montagna等[16]利用高通量检测技术发现阿尔卑斯山脉原状土壤中，变形菌门的相对丰度为15%，未检测到厚壁菌门；而在同地区的粉正蚓肠道中，变形菌门的相对丰度高达36%，厚壁菌门的相对丰度为20%[9](表1)；指出该地区土著蚯蚓对于土壤中变形菌门和厚壁菌门具有亲和性和共生关系。Liu等[17]将秉氏环毛蚓放置在黄棕壤中培养10 d后，发现蚯蚓肠道变形菌门的相对丰度为45%，而土壤中变形菌门的丰度只占22%，并且还检测到蚯蚓肠道中厚壁菌门的比例大于黄棕壤，相对丰度分别为42%和2%(表1)。Navrátilová等[18]利用高通量技术分析草地土壤中细菌群落组成，发现土壤中的放线菌门(8%)为优势菌群，丰度比例明显小于草地中粉正蚓肠道放线菌门(30%)(表1)。然而，并不是所有细菌均能适应蚯蚓肠道环境。Pass等[3]在研究砷对粉正蚓体内微生物组影响时发现，酸杆菌是土壤微生物主要的群落组成之一，占总数的35%，但在同一地区发现蚯蚓肠道中的酸杆菌门只有总数的3%(表1)；Liu等[17]同样发现蚯蚓肠道中酸杆菌门的数量小于土壤，丰度分别为1%和31%(表1)；Naether等[19]在探究不同环境因子对酸杆菌的影响时，发现该类菌在土壤养分缺乏的环境能生长良好，且有与碳、氮含量呈负相关的趋势，而蚯蚓肠道碳、氮含量往往是土壤的2倍～5倍，这可能是导致土壤中酸杆菌数量高于蚯蚓肠道的原因。因此，土壤和蚯蚓肠道细菌群落组成差异主要来源于二者环境的不同，且蚯蚓肠道中的厌氧或兼性厌氧菌的数量普遍高于土壤。

文章来源：《生态毒理学报》 网址: http://www.stdlxbzz.cn/qikandaodu/2021/0708/1562.html