作者：宋協(xié)法 孫頡 單位：中國海洋大學水產(chǎn)學院

群體感應(yīng)的類型根據(jù)自誘導(dǎo)物的不同，細菌的群體感應(yīng)信號系統(tǒng)大體可分為三類:一是由N-酰化高絲氨酸內(nèi)酯(N-acyl-homoserinelactones，AHLs)類物質(zhì)調(diào)節(jié)的群體感應(yīng)系統(tǒng)，這種調(diào)節(jié)機制主要存在于革蘭氏陰性菌中。當細菌分泌的自誘導(dǎo)物濃度達到一定臨界值后，就可與LuxR蛋白相結(jié)合來激活目的基因，調(diào)控生理行為;二是在革蘭氏陽性菌中存在的以翻譯修飾的寡肽作為信號分子的群體感應(yīng)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，細菌通過調(diào)節(jié)寡肽類物質(zhì)感應(yīng)周圍環(huán)境的變化。目前已在枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、肺炎球菌(Pneumococcus)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)等革蘭氏陽性細菌中發(fā)現(xiàn)了這種調(diào)節(jié)機制，而且現(xiàn)有的研究表明沒有產(chǎn)生AHLs類信號分子的革蘭氏陽性細菌;三是以費氏弧菌(Vibriofischeri)為代表的由luxL酶催化的AI-1系統(tǒng)和luxI酶催化的AI-2系統(tǒng)［7－9］。

AHLs類信號分子的檢測方法隨著對細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)研究的深入，研究者希望可以通過人為干擾對其進行調(diào)控，以達到有益于人類的目的。目前，對革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的AHLs類信號分子已建立了一套比較完整的檢測體系，Paul等和Lars等［10－11］都對AHLs類信號分子的特性和檢測方法進行了比較詳細的闡述。主要的檢測方法可以歸結(jié)為以下三類:(1)物理方法:主要是利用高效液相色譜-質(zhì)譜法(HPLC-MS)和氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)檢測目標菌種，該法不僅簡單高效，而且能在沒有標樣的情況下定性檢測AHLs類信號分子［12］;(2)生物方法:主要是利用報告菌是否產(chǎn)生顏色反應(yīng)來檢測AHLs類物質(zhì)是否存在，目前使用最廣泛的是C．violaceum和A．tumefaciens兩種細菌生物感應(yīng)器，它們對不同長度的?；鶄?cè)鏈和不同取代基的AHL分子具有不同程度的敏感性［13］;(3)薄層層析法:通過與標樣進行對比可知道檢測物中是否含有AHLs類信號分子。根據(jù)目前對群體感應(yīng)系統(tǒng)的認識和研究，不僅可以建立起細菌之間化學信號物質(zhì)與生理行為的聯(lián)系，還可以通過人為手段阻斷或促進細菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，從而調(diào)控其某種特定功能，以實現(xiàn)其在實際應(yīng)用上的價值。

群體感應(yīng)系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用大多數(shù)微生物使用群體感應(yīng)系統(tǒng)來調(diào)控毒性因子的表達和生物膜的形成，這一發(fā)現(xiàn)使群體感應(yīng)成為了抗菌研究的一個備受關(guān)注的新手段。Singh等［14］認為銅綠假單胞桿菌的群體感應(yīng)信號分子與肺部囊胞性纖維癥的感染有直接關(guān)系。張曉兵等［15］認為利用群體感應(yīng)與致病菌存在一定的關(guān)系，可以把致病菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的檢測作為臨床細菌感染診斷的潛在生物標志物，另外對群體感應(yīng)的抑制還可作為臨床治療的一種手段。而在食品領(lǐng)域，由于微生物是導(dǎo)致食品腐敗的主要原因，所以利用群體感應(yīng)系統(tǒng)對食源性細菌進行調(diào)控，在防止食品腐敗、抑制腐敗菌生長等方面有重要意義。Whitehead等［16］認為許多食品腐敗有關(guān)的特性如果膠水解酶、蛋白水解酶、脂肪水解酶活性及生物膜形成等都是由AHLs調(diào)控的。Gram等［17－18］在真空包裝的牛肉、禽類產(chǎn)品中也檢測到AHLs的濃度與腸桿菌數(shù)量的特定關(guān)系。此外，他們還發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生AHLs并且能水解果膠的胡蘿卜軟腐病菌添加到豆芽中，能加速豆芽的腐敗。

盡管研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)細菌具有群體感應(yīng)系統(tǒng)，并且群體感應(yīng)系統(tǒng)能對細菌的生理行為產(chǎn)生一定作用，但是這方面的研究仍然受到許多因素的制約，包括研究方法、研究材料以及細菌本身的特征等等。此外，有關(guān)群體感應(yīng)的多數(shù)研究都是以銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、大腸桿菌(E．coli)或費氏弧菌(Vibriofischeri)為對象進行的，對于其他菌種的研究還十分有限，并且在水產(chǎn)領(lǐng)域有關(guān)群體感應(yīng)的報導(dǎo)并不多見。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在人們的生活中以至整個社會中都占有重要地位，水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展也是學者和社會人士關(guān)注的重點，而且水產(chǎn)養(yǎng)殖中的很多方面都涉及群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控作用，因此研究群體感應(yīng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用是十分必要的。

在養(yǎng)殖污水處理方面的應(yīng)用養(yǎng)殖水體中的有害物質(zhì)大多來自殘餌、殘渣和糞便等有機物的大量沉積，這不僅會引起水體缺氧，而且會產(chǎn)生大量有害的中間產(chǎn)物，危害養(yǎng)殖動物健康，嚴重時甚至造成死亡［19－21］。目前，養(yǎng)殖污水的處理方法主要有物理法、化學法和生物法三種。生物法又包括生物膜法、人工濕地法、添加高效微生物菌劑和固化微生物等方法。其中生物膜法因具有運行穩(wěn)定、管理方便、處理費用低的優(yōu)點［22］，已成為養(yǎng)殖污水處理的主要方法之一，其對水產(chǎn)養(yǎng)殖污水中氨氮和有機物的去除有很好的效果［23－24］。生物膜是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，相對于游離細胞，它具有更強的穩(wěn)定性，可以提高細菌的存活率，因此自然界中的細菌主要是以生物膜的形式存在的。生物膜的形成過程由可逆性粘附、不可逆性粘附、早期形成階段、成熟和老化等5個階段構(gòu)成［25－26］。生物膜法處理養(yǎng)殖污水的主要作用原理是利用生物膜上微生物的新陳代謝作用，將污水中的有害物質(zhì)最終分解為CO2和H2O［27－29］。水產(chǎn)養(yǎng)殖中常見的生物濾池法就是使廢水與生物膜接觸，利用生物膜內(nèi)微生物的作用將廢水中的有機物氧化，使水質(zhì)得到凈化。凈化作用主要是通過生物膜上硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等細菌的作用來實現(xiàn)的。這些細菌是生物膜法處理養(yǎng)殖污水的關(guān)鍵，影響著生物膜的形成、養(yǎng)殖污水的處理效果等方面。通過單因子實驗，發(fā)現(xiàn)添加了C6-HSL和N-3-oxo-C8-HSL兩種AHLs類信號分子的實驗組的養(yǎng)殖污水處理效果發(fā)生了變化，其中較為明顯的是附著基上的生物量發(fā)生了顯著改變。與空白對照組和添加乙醇的實驗組相比，添加C6-HSL和N-3-oxo-C8-HSL的兩組生物膜的生物量明顯增加。但具體的調(diào)控機制以及群體感應(yīng)如何對養(yǎng)殖污水處理產(chǎn)生影響、如何大幅提高處理效率等方面的問題，還需要更全面更深入的研究。如果可以通過人為手段，利用群體感應(yīng)對生物膜上的微生物進行干預(yù)，就可達到縮短掛膜時間或提高氨氮去除率的目的。首先在生物膜掛膜啟動階段，通過向系統(tǒng)中投加群體感應(yīng)信號分子的拮抗物或結(jié)構(gòu)類似物，從而提高掛膜速度和效率;其次可以通過增強或減弱某種群體感應(yīng)信號分子的濃度來強化或弱化某些種群，優(yōu)化生物膜的群落組成及結(jié)構(gòu)，進而提高該工藝對特定污染物的去除效果，例如，利用群體感應(yīng)使降解養(yǎng)殖水體中有害有機物的菌群(如硝化菌群)占據(jù)優(yōu)勢地位，提高去除效率;此外，利用化學信號物質(zhì)干預(yù)細菌的信息系統(tǒng)，還能夠影響細菌的其它生理行為，例如:某些特定污染物的降解基因通過具有結(jié)合轉(zhuǎn)移特性的質(zhì)粒在種群內(nèi)的擴散和進化，可以增加生物膜系統(tǒng)對環(huán)境變化的適應(yīng)能力［30］。