综述：藻类-细菌相互作用：机制、生态意义及生物技术应用 多梅尼科·普里萨（Domenico Prisa）、 阿里斯蒂迪斯·马措基斯（Aristidis Matsoukis）、 阿夫塔布·贾马尔（Aftab Jamal）、 达米亚诺·斯帕格努奥洛（Damiano Spagnuolo）和 洛伦佐·玛丽亚·鲁杰里（Lorenzo Maria Ruggeri）

《Phycology》：Algal–Bacterial Interactions: Mechanisms, Ecological Significance, and Biotechnological Implications Domenico Prisa, Aristidis Matsoukis, Aftab Jamal, Damiano Spagnuolo and Lorenzo Maria Ruggeri

　　摘要：在自然界和工程应用中，藻类很少以单独的光合生物形式存在；相反，它们通常嵌入复杂的细菌群落中，这些细菌群落控制着藻类的生理机能、生产力和生态表现。藻球（phycosphere）是一个富含藻类分泌物的微观生态位，促进了广泛的代谢交换和化学信号传递，定义了这些微生物之间的相互作用。细菌利用藻类释放的有机碳，提供维生素、微量元素和铁载体等生长支持分子，以及再生的无机营养物质。这种双向有益的相互作用从必需的互利共生到兼性共栖和对抗作用不等，具体取决于环境条件和群落成员组成。细菌合作伙伴可以刺激藻类的生长、形态形成和耐受性，并在藻类因杀藻物质而减少或爆发时调节其防御机制和程序性细胞死亡。代谢合作、群体感应（QS）信号传递、细胞外酶活性以及化学诱导的基因表达共同形成了藻球中的外代谢组（exometabolome），进而重新编程所有合作伙伴的基因表达。多组学工具、单细胞同位素分析和微流控技术的最新进展极大地增进了我们对藻类微生物组的功能和时空特性的理解。从生态学角度来看，藻类-细菌相互作用管理着浮游植物群落结构，控制着有害藻华（HABs）的形成，并调节海洋和淡水环境中的碳和营养物质流动。在生物技术层面，工程化的藻类-细菌群落是提高生物质产量、稳定大规模培养、改进废水处理以及提升生物燃料和精细化学品质量的有力工具。尽管取得了这些显著的研究进展，但多物种相互作用的高度复杂性仍是一个主要障碍，限制了其实际建模和规模化应用。迫切需要结合分子生物学、生态学和生物工程方法的综合性研究框架，以充分发挥这些技术的可持续应用潜力。

1. 引言
地球上大部分的碳固定、氧气生产和养分循环都归因于藻类的初级生产，这些藻类既存在于淡水中也存在于海水中。在自然环境中，藻类通常不会独立生存，而是与许多细菌群体共同存在，这些细菌几乎影响藻类生长的所有方面。过去二十年里，研究重点从无菌真核生物转向了将藻类视为复杂微生物群落的一部分[1]。这一范式的转变重新定义了藻类在多样化和相互作用的微生物网络中的生态枢纽地位，这些网络促进了生产力、稳定性和进化发展。在本综述中，“藻类”一词采用广义的生态学定义，包括真核微藻和大型藻类以及蓝细菌，除非另有说明。

围绕藻细胞的区域（称为藻球）是一个化学多样性丰富的区域，促进了藻类与细菌之间的密切接近[2]。在藻球这一微观环境中，藻类会向周围环境中释放多种有机化合物（如碳水化合物、氨基酸、有机酸、脂肪酸和次级代谢物）[3]。这些分泌物在水中形成了浓度梯度，通过趋化作用吸引运动性细菌，从而在藻类附近形成密集的细菌群落[4]。这种空间上定义明确的藻球增强了藻类与细菌之间的代谢物质快速交换，并为两者的生长提供了分子信号[5]。藻类与细菌之间存在多种生态关系，包括互利共生和对抗关系[6]。有许多文献记录了藻类与细菌之间的互利共生实例：例如，某些藻类需要从环境中获取维生素才能正常生长（如仅由某些细菌产生的钴胺素[维生素B12][7]；作为回报，细菌从藻类的光合作用产物中获取有机碳和氧气[8]。藻类与细菌的相互依赖性可能影响群落结构，进而影响氮限制条件下藻类的分布[9]。此外，在贫营养环境中，细菌可以再生无机营养物质（如氮或磷），促进藻类生长并支持其（初级）生物质的产生[10]。

除了在营养供应中的作用外，细菌还能通过化学信号影响藻类的生理机能。例如，细菌利用“群体感应”信号来调节藻类基因的表达、运动以及形状和大小[11]。作为回应，藻类产生的化学信号会改变细菌对表面的附着、生物膜的形成和代谢过程[12]。这种藻类与细菌之间的双向通信表明它们的关系不仅是代谢上的，还是调控上的；双方利用对方的信号来协调对各自种群密度和环境压力的响应[13]。值得注意的是，藻类与细菌之间的这种相互作用是双向的，意味着它们的关系会随着环境变化而不断变化。

并非所有在自然界中形成的关系都对双方有益。例如，某些会产生杀藻化合物的细菌会抑制或杀死藻类[14]。这种活动有助于结束藻类爆发，并在不同季节促进浮游植物种类间的更替[15]。这些杀藻细菌可以通过释放细胞外酶、活性氧物种或次级代谢物等多种方式影响藻类种群，这些物质会破坏光合作用或细胞膜的完整性[16]。尽管这类相互作用可能对水生栖息地中的个体产生负面影响，但它们可以通过防止藻类过度生长和增加营养物质循环来创造更稳定的生态系统[17]。因此，合作与对抗力量之间的平衡对水生生态系统中微生物的种类数量具有重大影响。

最近的技术进步极大地增进了我们对与藻类共生的微生物群落的理解。高通量测序和宏基因组学方法发现某些细菌类群与藻类群之间存在一致性相关性，表明存在某种形式的选择性招募[18]。此外，转录组和代谢组学分析提供了关于这些微生物如何交换功能以及参与碳代谢、维生素生物合成、铁吸收和氧化应激响应的途径的额外信息[19]。除了利用单细胞成像技术和微流控设备直接观察微观相互作用外，这些新技术还提供了前所未有的分辨率，有助于理解藻球的动态变化[20]。这些方法将研究从描述性生态学推向了机制性理解。

藻类与细菌的关系在全球范围内以及生物地球化学循环中具有重要意义。细菌通过影响藻类有机物的转化和再矿化过程，决定了生物碳泵的效率以及固定碳的最终命运[21]。细菌还通过调节藻球内的相互作用，间接影响浮游水中的有机碳是被呼吸还是被输送到更深层[22]。此外，细菌对营养物质可用性的调控会影响藻类的生长速率和物种组成，进而影响营养物质的营养级传递和食物网的结构[23]。在淡水生态系统中，这些过程同样影响藻类爆发的发生和水质[24]。有害藻华（HABs）的影响进一步展示了藻类与细菌之间的重要生态关系。与形成藻华的藻类相关的细菌可能有助于毒素的产生、改变营养物质获取策略和/或促进藻华的消退[25]。支持性和杀藻细菌之间的相互作用可能影响藻华的丰富度和影响程度[26]。为了预测有害藻华并制定有效的管理策略，了解这些细菌之间的相互作用至关重要[27]。还需要注意到，环境条件（如温度、营养负荷或水流动力学）也会影响这些微生物关系，给有害藻华的预测建模带来挑战[28,29]。

藻类-细菌相互作用在生物力学方面也越来越受到关注。目前许多工业藻类系统面临稳定性差、污染问题和生产效率低的挑战[30]。为了解决这些问题，研究重点是将有益细菌或细菌群纳入系统中，以提高生物质产量、营养利用效率和抗病能力[31]。当前研究还探索将工程化的藻类-细菌相互作用应用于废水处理，因为这种关系能产生互惠的过程，如提高营养物质去除效率和氧气交换，从而降低运营成本和环境影响[32]。此外，细菌对脂肪酸生产和应激反应的调控可能增加生物燃料和高价值代谢物的产量[33]。

尽管取得了许多进展，但仍存在重要的知识空白。例如，大多数研究使用的实验室系统并不能完全反映自然多物种群落的复杂性[34]。许多关于藻类-细菌相互作用方面的特性（如环境变化下的特异性和稳定性以及它们的进化历史）尚未得到充分研究[35]。此外，将关于藻类-细菌相互作用的机制见解转化为可用于生态建模和工业应用的预测框架，需要综合考虑代谢通量、信号网络和环境变异性[36]。最后，这些挑战需要藻类学、微生物学、系统生物学和环境工程领域的跨学科合作[37]。本综述概述了我们对藻类-细菌相互作用的理解，包括与藻球相关的机制过程、在水生系统中的生态后果以及应用创新方法的潜力。通过整合分子生物学、生态学和生物技术学的视角，我们希望展示微生物伙伴关系如何在不同尺度上影响藻类的功能，从单个细胞到整个全球生物地球化学循环。最终，理解这些相互作用对于推进藻类学的基础研究以及利用微生物群落解决环境问题和工业挑战至关重要。

2. 藻球作为藻类-细菌交换的动态界面
藻球类似于藻细胞周围的微观环境，在这里生物相互作用更为强烈，化学交换速度也比其他地方快得多[38]。与在开阔水域中漂浮不同，藻类通过光合作用不断释放有机化合物，从而改变周围环境[39]。光合作用固定的大部分碳以溶解有机物的形式释放回环境中，形成了营养物质和信号分子（分泌物）的梯度，这些物质会扩散到离藻细胞表面较远的距离[40]。分泌物包括简单糖类、氨基酸、有机酸、脂质或各种次级代谢物，其中大部分作为能量来源或信号分子供附近微生物使用[41]。由于这些化合物在环境中的快速消耗、转化和稀释，运动性细菌被吸引到分泌物附近[41]。因此，藻球内的细菌密度可能比周围水柱中的高一个数量级，形成了微生物活动的高密度区域[42]。

细菌进入这个环境的过程并非完全随机[43]。不同藻类释放的代谢物具有不同的化学组成和丰度水平，因此某些细菌类群与藻类具有代谢兼容性[44]。编码碳水化合物活性酶（CAZymes）的基因（尤其是参与降解和修饰藻类来源的多糖的酶）的存在，促进了细菌对复杂碳水化合物的利用[45,46]。环境压力（如营养缺乏或光照胁迫）会改变藻类的生理机能，从而迅速重塑相关细菌群落的组成[47]。由于营养限制或光照胁迫引起的藻类生理变化会迅速改变相关细菌群落的结构[48]。藻类与细菌之间的这种相互依赖性形成了一个时间反馈系统，其中细菌影响藻类的数量或活性，反之亦然[49]。

细菌与藻类之间的物理联系通过接触得到加强。许多细菌种类可以直接附着在藻细胞壁或藻类产生的胞外聚合物上[50]。细菌通过菌毛、粘附蛋白或与生物膜相关的基质附着，有助于稳定细菌之间的短距离相互作用[51]。一旦附着在藻细胞壁上，细菌可能会发展出能够在藻细胞多次分裂后存活的微菌落，从而在细胞表面形成有序的群落[52]。这种接近性促进了营养物质在生物体之间的传递和信号传递，同时减少了通过扩散到水体中的营养损失[53]。此外，附着的微生物可以通过呼吸作用、酶的作用以及副产品的分泌改变藻类膜附近的化学环境[54]。附近环境的小规模变化可能会影响藻类进行光合作用的能力、有效吸收营养的能力，以及其对环境压力的敏感性[55]。藻类释放溶解有机碳（DOC），这为与藻类圈相关的细菌的新陈代谢提供了能源[56]。在微生物处理有机物质的过程中，包括分泌的化合物以及藻类细胞衰老或裂解过程中释放的含氮和磷的有机分子，细菌将营养物质重新矿化，将其转化为无机形式，如铵和磷酸盐，这些无机物质随后可以被藻类吸收[57,58,59]。此外，一些细菌产生的维生素是许多藻类物种自身无法产生的（例如钴胺素和硫胺素）[60]，这些化合物之间的代谢依赖性加强了藻类和细菌之间的相互关系，使它们的成功紧密联系在一起[61]。在微观层面上，这些多种相互作用形成了营养循环的紧密耦合，对生态系统层面的碳和营养循环产生了深远的影响[62]。

化学信号传递是细胞在其代谢活动之外进行协调的另一种方式。使用细菌的群体感应分子可以改变藻类的基因表达、生长模式和应激反应[63]。藻类的信号化合物可以改变细菌的运动性、酶的产生和附着行为[64]。这些信号化合物的交换表明，细菌和藻类通过藻类圈进行交流，藻类圈既是交流途径，也是富含营养的区域；信号有助于决定群落的动态[65]。如果藻类和细菌交换信号化合物，它们可能会发展出共同应对环境变化（如光照条件、温度和营养可用性）的方式[66]。

温度、湍流和营养浓度都会影响藻类的分泌速率以及对细菌的代谢需求[67]。藻类在各种压力下对其释放的代谢物组成的改变会导致细菌和其他微生物的变化，从而改变藻类的微生物组结构。同样，环境干扰会破坏藻类和细菌之间现有的关联，可能导致群落组成的变化，进而影响这些群落的生态结果。要有效理解藻类圈，需要综合理解微观过程和大规模的环境驱动因素。此外，藻类圈不仅仅是一个简单的扩散边界；它是藻类和细菌之间的动态界面，整合了两者的新陈代谢、交流方式以及它们之间的物理联系。通过这种伙伴关系，这两个群体可以“响应”各自的微环境，从而影响水生环境中的生态系统功能、恢复力和生产力。表1总结了藻类圈中藻类和细菌的结构、新陈代谢和交流及其生态和功能后果。

藻类圈为藻类-细菌伙伴关系的形成和功能提供了物理环境，但控制这些相互作用稳定性和持续性的遗传和代谢机制延伸到细胞水平[74]。在藻类圈内，藻类和细菌通过动态的分子对话来调节资源交换、防御反应和生物利用度[75]。随着碳、氮和维生素浓度的波动，藻类和细菌细胞感知这些化学信号并改变其基因表达，以优化生长、防御和稳态[76]。这种分子调节在一组条件下表现为互利共生，在另一组条件下则表现为竞争或对抗[77]。作为对代谢物交换的响应，转录重组是这种调节的核心[78]。细菌在藻类圈中的定植可以诱导碳水化合物和氨基酸转运蛋白以及中心碳代谢酶的上调[79]，而藻类细胞则根据细菌是否存在而经历氮同化、氧化应激和维生素吸收途径的不同调节[80,81]。转录组研究表明，在共培养条件下，藻类和细菌群落居民的代谢、光合作用和营养运输基因表达发生了变化[82]。在许多情况下，共培养可能会引起整套相关基因的差异性表达，而不仅仅是由于代谢物增加而导致的表达增加[83]。基于单一代谢物类型的分子相互依赖性中，维生素交换可能是最被充分研究的系统[84]。许多藻类缺乏合成钴胺素（一种B族维生素复合物）的完整代谢能力，而钴胺素对藻类和细菌细胞的生长和应激减轻都是必需的[85]。藻类应对维生素B12限制的主要方式之一是差异调节依赖B12和不受B12影响的甲硫氨酸合成酶的表达，从而改变这一合成途径与转甲基化途径的耦合[86]。细菌也会根据藻类圈中其他生物量的存在与否以及碳限制的情况，差异调节钴胺素合成酶基因的表达[87]。这些基于新陈代谢的调节反馈可以导致在藻类圈中常出现的稳定共培养系统中的专性或兼性依赖关系[88]。

化学信号传递还可以通过分子变化在塑造藻类圈群落中发挥重要作用[89]。研究表明，细菌的自诱导剂（酰基-高丝氨酸内酯及相关化合物）会影响藻类细胞分裂和菌落形成，以及诱导藻类的形态变化[90]。相反，细菌暴露于藻类分泌物可以触发细胞外多糖的产生、毒力因子基因表达的改变或诱导附着反应[91]。藻类分泌物也被证明可以改变细菌的表型，可能是通过增加生物活性代谢物的产生作为应激反应[92]。这些藻类-细菌的化学对话在低至纳摩尔浓度的水平上进行，显示了细胞在应对生理条件变化时对其代谢输出的极端高效调节[93]。这导致了一种紧密控制的生态关系，在这种关系中，代谢物得到积极交换，并逐渐出现一种新的互利共生生活方式[94]。图1展示了分子系统和生态系统之间的相互作用。图1. 藻类圈内分子调节的示意图。藻类的光合作用释放的碳为细菌的新陈代谢提供能量，而细菌提供维生素和再生的营养物质。通过群体感应分子和次级代谢物进行的双向信号传递调节双方的基因表达。环境驱动因素影响相互作用的结果，这些结果从细胞反应扩展到生态系统层面的过程，如藻华动态和生物地球化学循环。在分子层面上，藻类-细菌相互作用也会表现出对抗性[95]。当细胞密度达到足够的群体感应水平时，许多细菌会产生藻类杀死化合物[96]。这些分子可以裂解藻类细胞，抑制光系统功能，或不同程度地损害藻类膜，从而导致更多能够促进细菌生长的藻类代谢物的释放。为了调节这种释放，细菌会根据情况上调或下调裂解酶的产生，并不同程度地调节藻类杀死化合物的合成，例如基于群体感应的Synechocystis对Pseudomonas的裂解作用[97]。相反，受到裂解威胁的藻类细胞通常会减少抗氧化剂的产生，改变膜组成（通过结合细菌代谢物），或者产生自己的杀菌代谢物[98]。与互利共生相互作用一样，分子交换的数量和质量决定了生物干扰的程度，最成功的代谢组相互作用可以导致大规模藻类细胞群体崩溃甚至灭绝，从而引发大规模藻华。

藻类-细菌相互作用从藻类圈的微米尺度开始，其后果远远超出了单个细胞的范畴，对种群动态、群落演替和大规模生物地球化学循环都有影响[99]。这种转变是通过生长和死亡率、营养再生以及营养相互作用的累积效应来实现的[100]。理解如何将分子层面的过程最终转化为可观察到的生态现象（如季节性演替、藻华发展、周转以及整个微生物食物网的结构和功能特性）至关重要[101]。这种从微尺度相互作用到生态系统层面影响的层次转变在图2中以示意图形式展示。图2. 藻类-细菌相互作用从微过程到生态系统影响的放大。藻类圈内的微过程，包括代谢物交换、信号传递和对抗作用，影响藻类种群的增长和死亡率。这些效应传播到群落层面的演替模式和微生物组重组，最终影响生态系统层面的过程，如碳输出、营养循环、有害藻华动态和氧气消耗。在种群层面，合作相互作用可以在营养限制条件下支持和显著增强藻类的生长[102]。作为初级生产者，藻类是有机碳的重要来源，占支持水生生态系统净初级生产的70%[103]。因此，细菌对这些有机物质的重新矿化，提供排泄的铵和磷酸盐等藻类生长因子，可以在贫营养水中维持藻类的生产力[104]。在营养限制显著的地区，这些排泄物有助于在藻类圈中积累可供藻类伙伴利用的营养池。在极端的贫营养环境中，如沙漠地壳，这种紧密的营养耦合可以决定藻类种群的命运，因为缺乏有效的细菌再生，藻类种群会迅速死亡[105,106]。相反，包括所谓的藻类杀死细菌在内的对抗性相互作用可以抑制藻类的增殖，最近的研究显示Phaeocystis sp.就体现了这一点[107]。这两种相互作用微生物伙伴的平衡和普遍性决定了藻类种群的净增长率和稳定性[108]。有时，支持性和抑制性藻类生化细菌类群的相对组成上的微小变化，如果与相对较高数量的单个藻类细胞相结合，可能会导致藻类丰度发生不成比例的大幅变化，这在典型的藻华情况下很常见[109]。群落演替提供了一个明确的例子，说明最优状态是如何通过相互作用形成的。在藻华初期阶段，藻类生物量迅速积累，导致藻类数量呈指数级增长，从而在这个阶段在微生物群落中占据主导地位。在此期间产生和排泄维生素、痕量金属和营养物质的多种相关细菌被认为是互利共生或共栖的，因为这些因素的排泄促进了细菌的增殖，进而进一步促进了排泄[110]。后来，大量的藻华生物量积累，尤其是衰老和死亡的藻类细胞，改变了反馈机制，当异养性的、富营养细菌群落转向坏死营养生活方式时，由于死亡和正在死亡的藻类充当了杀菌剂，导致藻类种群减少，新的细菌群落动态出现。这些细菌常常产生直接抑制富营养细菌和藻类活力的物质，甚至起到杀菌剂的作用，从而导致新的细菌伙伴的出现，这些新细菌分泌的物质直接决定了聚合物分解细菌的优势。这些过程通过抑制早期藻华阶段的生产力和富营养细菌的能力，可能涉及营养竞争、细菌之间的化学战争或抗生现象，因此被视为共栖甚至寄生关系。在这个后期阶段，尽管不再有藻类生长和维生素、痕量金属及其他代谢物的排泄（这些非常活跃的细菌的最终产物），仍然存在丰富的藻类合成的营养物质，如维生素、痕量金属和有机底物，这些物质来自死亡和正在死亡的藻类细胞，为机会主义的坏死营养聚合物分解细菌提供了养分。因此，藻类群落改变了它选择的富营养细菌类型[111]，因为活跃生长的藻类和顶级坏死聚合物分解细菌的分泌物参与了一场相当有趣但研究较少的共同进化军备竞赛。

对藻类和细菌如何相互作用的深入了解有助于应用研究，其中可以控制并操纵微生物相互作用，以提高生物技术系统的生产力、稳定性和可持续性[112]。历史上，基于藻类的生物技术主要依赖于在纯培养环境中（即没有其他生物存在的情况下）培养藻类，以避免污染和变异[113]。然而，在大规模生产层面上维持无菌培养环境既困难又昂贵[114]。此外，在无菌环境中生长的藻类在接触到自然环境中的细菌时生长表现不佳[115]。认识到这些缺点后，人们开始转向开发具有精心设计的代谢兼容性的藻类和细菌共生体系[116]。这一方法具有巨大的潜力，尤其是在大规模生产生物质（包括可再生燃料及其衍生物）方面[117]。利用细菌伙伴可以通过再生限制性营养物质、产生对藻类生长至关重要的维生素以及减少可能阻碍藻类生长的活性氧种类的氧化应激来支持藻类生长[118]。例如，能够产生维生素B12的细菌可以在不额外补充维生素B12的情况下提高营养缺陷型藻株的生物质产量[119]。此外，具有氮再矿化能力的细菌可以在需要营养循环的半连续培养系统中提高生产力[120]。共培养研究表明，与无菌对照组相比，共培养的藻类物种具有更快的生长速度和更高的光合作用效率[121]；因此，代谢耦合为通过光合作用增加可再生生物质的生产潜力提供了一种新途径[121]。除了促进藻类生长外，细菌还通过影响其生化组成来影响藻类生物质[122,123]。例如，某些细菌可以在藻类受到压力时促进脂质的积累，从而提高生物质用于生物柴油生产的适用性；其他细菌则调节藻类碳水化合物和色素的合成，进而影响类胡萝卜素、藻胆蛋白和不饱和脂肪酸等高价值化合物的生成[124]。这些影响通过信号分子、营养交换和氧化还原相互作用实现，包括细菌驱动的氧化微环境变化和电子传递过程，从而影响藻类的代谢和应激反应[125]。因此，通过选择具有特定功能的细菌伙伴，可以定制藻类以生产用于工业应用的特定生化产物[126]。

藻类-细菌共生体系的潜力还延伸到了废水处理领域[127]。在高流量藻池和光生物反应器中进行的藻类光合作用提供了好氧细菌降解有机污染物所需的氧气[128]。反过来，细菌又将有机物矿化并释放可利用的无机营养物质供藻类生长，从而形成一个自我维持的处理循环[129]。当用于去除废水中的氮和磷时，藻类-细菌处理系统能够高效回收生物质以便进一步利用[130]。此外，与传统的活性污泥系统相比，藻类-细菌处理系统所需的能量更少，产生的温室气体也更少[131]。而且，藻类-细菌共生体系能够成功适应环境条件的变化，这增强了它们处理废水的实用性[132]。在水产养殖中，将经过基因工程或代谢工程改造以增强特定性状的藻类与细菌结合使用，可以改善水质并防止病原体/害虫对水生生态系统的潜在威胁[133]。通过相互作用，居住在藻类中的细菌可以通过限制其定殖能力或产生独特的抗菌代谢物来抑制机会性病原体的发展[134]。此外，生长中的藻类还为养殖生物提供天然食物来源，从而提高整体生长率和免疫反应[135]。因此，综合水产养殖通过利用微生物生态学替代了传统的物理处理方式，减少了整个养殖过程中的化学投入及其对环境的影响[136]。

藻类-细菌系统可以作为各种受污染环境中的生物修复剂[137]。某些细菌可以降解碳氢化合物、农药和重金属化合物；当这些细菌获得来自藻类的氧气和有机底物时，它们能在更优化的条件下更有效地降解污染物[138]。藻类还具有通过生物吸附或酶途径将金属固定并转化为低毒性形式的能力[139]。通过结合这些生物修复剂和协同关系，藻类和细菌可以处理更多种类的污染物，提高整体修复效率[140]。因此，创建具有互补代谢能力的共生体系是处理复杂废物流的有效方法[141]。尽管最近取得了进展，但许多挑战限制了大规模应用工程共生体系的能力[142]。然而，工程共生体系可能会受到机会性微生物的侵入或环境条件变化的影响[143]。为了保持藻类和细菌之间的平衡，必须严格控制营养比例、光照强度和水力停留时间[144]。此外，自然环境中存在的微生物种类繁多且遗传和代谢特性各异，这给在不同培养系统间复制实验结果带来了困难[145]。合成生态学的目的是开发行为可预测的微生物体系[146]。当研究人员将每种工程微生物的基因组特征与代谢模型结合起来时，就可以针对特定生产目标优化微生物组合[147]。

开发系统生物学工具以促进合理设计变得越来越普遍[148]。利用基于基因组的代谢建模技术，现在可以模拟共培养过程中碳和营养物质的流动，识别代谢瓶颈和受积极影响的交换途径[149]。此外，借助转录组/蛋白质组数据，生成的代谢模型有助于阐明不同环境条件下的调控反应[150]。适应性实验室进化实验可以通过多代选择出稳定且高产的共生体系[151]。当实验技术和计算技术相结合时，实验室观察到的结果在工业生产环境中实现的可能性更大[152]。此外，解决与工程微生物共生体系相关的法规要求和生物安全性问题对于其实际应用至关重要[153]。在广泛使用或释放工程微生物共生体系之前，特别是当它们将在开放池塘系统中使用时，必须进行生态风险评估[154]。了解水平基因转移的潜在性和对生态系统的意外影响对于负责任地部署这些体系至关重要[155]。针对工程微生物共生体系的标准化监测协议和风险评估框架是推动这些新产品商业化的重要工具[156]。

最近在藻类-细菌相互作用知识方面的进展主要得益于新方法和更复杂技术的开发，这些技术将该领域从描述性生态学转变为机制性系统生物学[157]。早期研究主要依赖培养基方法和显微镜观察共存模式和总体生理反应[158]。尽管这些方法揭示了与藻类相关的细菌的生态重要性，但并未充分解释这些因素如何交换及其调控机制[159]。然而，分子生物学、化学技术和成像技术的结合使得能够以前所未有的空间和时间分辨率深入研究藻球内的过程[160]。高通量测序技术对重塑藻类-细菌相互作用框架起到了革命性作用[161,162]。基于扩增子测序的群落分析表明，这些共生体系总是具有特定的微生物组，与其他随机结合的微生物群落不同[163]。进一步的支持证据来自鸟枪法宏基因组学，它发现了与维生素合成、铁载体产生、有机物降解和藻类相关群落内信号传递相关的基因[164]。此外，代谢网络的宏基因组重建有助于确定两种伙伴之间的可能的交换途径[165]。然而，基因的存在并不能证明其功能活性，因此需要结合转录组学和蛋白质组学来获得全面的信息[166]。转录组学使得在共培养过程中以及自然繁殖期间直接评估基因表达成为可能[167]。差异基因表达研究表明，微生物伙伴（藻类或细菌）的存在会诱导快速的转录重编程，表现为营养物质转运蛋白、氧化还原途径和应激反应系统的变化[168]。这些数据表明，相互作用是主动调节的，而不仅仅是被动扩散的结果[169]。蛋白质组分析支持特定转录本转化为功能性酶的观点，从而在特定条件下改变代谢速率[170]。这些方法揭示了支撑藻类-细菌伙伴关系的调控网络[171]。代谢组学标志着另一种重要方法的发展，尤其是用于揭示藻球内的化学通信[172]。基于质谱的细胞外代谢物分析显示了多样的渗出物组成以及藻类生长阶段和环境压力的变化[173]。群体感应分子、次级代谢物和营养中间体的鉴定使分子交换与生态结果之间的联系变得清晰[174]。当与同位素标记实验结合时，代谢组学可以量化交叉喂养作用和碳、营养物质的传递[175]。这样的定量评估不仅推进了研究进展，还建立了机制验证[176]。空间分辨技术为微观尺度组织学研究提供了丰富的信息，荧光原位杂交（FISH）和共聚焦显微镜已被用于确定细菌在藻类表面的定殖模式[177]。最近加入的技术是纳米级二次离子质谱（NanoSIMS），它可以非常精确地定位细胞内的同位素标记底物[178]。这些技术揭示了代谢物吸收的异质性，因为藻球内的细菌细胞并不都表现出相同的行为[179]。现有的微流控设备可以生成可控的化学物质梯度，并实时观察细菌向藻类渗出物的趋化性[180]。这些系统建立了连接实验室实验和自然条件的微观尺度扩散环境[181]。单细胞基因组学和转录组学开始测量藻类和细菌群体内的变异性[182]。即使在克隆培养中，代谢活动也存在显著异质性，这可能会影响它们之间的相互作用稳定性[183]。因此，解决这种异质性是研究群体新兴特性的前提[184]。基于液滴的测序技术的发展进一步补充了这一研究方法，为研究藻类和细菌种群的表现型可塑性开辟了新途径[185]。

计算建模领域不仅跟上了实验技术的发展，还发展出了新的方法[186]。基因组规模的代谢模型可以模拟在特定营养条件下的藻类和细菌之间的交换通量[187]。这些模型有助于定位问题区域，揭示相互作用生物之间的功能依赖性，并提供实验验证[188]。基于性状的生态模型描绘了更全面的图景，不仅涉及藻类和细菌，还包括营养-浮游植物-浮游动物动态[189]。尽管这些模型依赖于对实验数据的准确参数化，但建模和实验的协作可以产生富有成效的结果[190]。现场可适用的传感器技术是另一种方法论进展[191]。原位营养分析仪、氧气微电极和溶解有机物的光学传感器可以连续收集繁殖事件期间的环境数据[192]。将这些测量结果与分子信息结合起来，可以更好地将相互作用机制与环境驱动力联系起来[16]。自主平台和遥感设备将这种尺度扩展到了区域范围[193]。迄今为止在这一领域取得的成就值得称赞，但仍存在技术挑战[194]。为了成功整合多组学数据，需要统一的工作流程标准和可互操作的数据库；没有这些条件，研究的可重复性和可比性就无法实现[195]。此外，实验结果必须转化为预测性生态模型，以便更准确地表征相互作用强度和环境阈值[196]。进一步改进分析工具和加强学科间合作对于揭示藻类-细菌相互作用的全部复杂性至关重要。主要的方法论方法、它们的分析价值以及当前的局限性列在表2中。表2：研究藻类-细菌相互作用的主要方法论方法及其分析贡献。7. 生物技术应用 7.1. 藻类培养和生物质生产 藻类-细菌相互作用中的微生物合作在生物技术中日益重要。工业规模的藻类生产并非易事，面临诸多挑战，包括污染、营养短缺和高密度生长带来的生理压力[207]。第一步是保持系统的无菌状态以确保预期产量[208]。然而，最近的研究表明，预先选取的细菌种类可以起到辅助作用，而不是被视为害虫[209]。异养细菌不仅减少了系统中有机碳的过量，还恢复了铵或磷酸盐等无机营养素[210]。其他细菌菌株可以产生对藻类生长至关重要的维生素，而这些维生素是它们自身无法合成的。例如，钴胺素是一种商业上有重要价值的藻类成分，而某些藻类缺乏这种维生素[211]。这些协同效应降低了化学添加剂的成本，并提高了营养素的使用效率[212]。细菌群落还有助于稳定培养环境：它们可以减少氧化应激并清除抑制生长的代谢副产物[213]。在高培养密度下，活性氧或溶解有机物质的产生会损害藻类功能，但共生细菌能够清除这些活性氧并降解抑制性化合物，从而改善微环境[214]。此外，有益细菌占据生态位，防止病原体占据这些位置，从而降低培养失败的风险[215]。开发整合了营养循环利用者、维生素生产者及保护性细菌的简约选择性共生体是一种有前景的策略，能以最低的操作复杂性提高生物质产量[216]。现代培养方法侧重于以受控和功能性方式管理微生物多样性，而非破坏它[217]。表3总结了藻类-细菌共生体的主要生物技术应用、作用机制及其结果。7.2. 生物燃料和生物产品 藻类生物燃料和高价值生物产品的经济可行性取决于生物质的生产力和生化组成[218]。细菌伙伴通过营养交换和信号相互作用影响藻类的代谢途径，从而改变碳的分配[219]。例如，氮的可用性是微藻积累脂质的最重要变量之一；因此，能够调节氮循环的细菌可能会间接影响脂质产生[220]。在控制的共培养条件下，特定细菌的存在使三酰甘油含量增加，使原料更适用于生物柴油生产[221]。同样，碳水化合物和色素的产生可以通过细菌介导的应激反应或微量营养素的供应来触发[222]。除了促进脂质富集外，细菌相互作用还可以帮助藻类适应通常对其有害的环境压力，如热 shock、高光照和盐度变化[223]。一些细菌能诱导藻类产生抗氧化反应或维持渗透压平衡，从而在非理想条件下保证藻类生产力[224]。这些生理优势减少了对严格环境调控的需求，进而降低了运营成本[225]。此外，某些细菌还能促进生物絮凝或生物膜形成，使生物质回收更加容易，减少了能耗密集的分离步骤[226]。将这些基于生态的设计融入生物过程设计将显著提高系统效率[227]。多不饱和脂肪酸、类胡萝卜素和藻蓝蛋白等高价值化合物也受到微生物伙伴关系的影响[228]。细菌提供的微量金属或生长因子可以启动特定的生物合成途径，从而可能增加产品产量[229]。在某些情况下，细菌释放的信号分子会促使藻类产生更多次级代谢产物，将种间通讯与商业产出联系起来[230]。观察结果表明，代谢工程不仅限于对藻类的基因改造，微生物操控可能是一条更灵活的途径[231]。通过建立两种生产目标之间的生态兼容性，基于共生体的系统为更好的生物产品合成提供了生物学依据[232]。表3：藻类-细菌共生体的生物技术应用、机制及其结果。7.3. 废水处理和生物修复 藻类-细菌模型因其相互补充代谢的能力而被用于探索其在废水处理中的应用，有助于快速去除营养物质和污染物[233]。基于藻类的废水处理系统包括高速藻类池，这些系统依靠光合作用产生的氧气为好氧细菌降解有机物质提供必要的氧化条件，从而降低废水的生化需氧量[234]。此外，细菌对有机氮和磷的矿化作用会释放无机形式的氮和磷，形成藻类和细菌之间的相互营养循环[235]。因此，由于细菌既是藻类的营养来源，藻类也是细菌的营养来源，外部曝气的需求减少，与传统活性污泥系统相比节省了能源[236]。此外，藻类处理过程中产生的藻类生物质经过清洗后可以从环境中回收，实现资源循环利用[237]。使用藻类-细菌共生体的另一个好处是它们能够去除新兴污染物[238]。在藻类产生的氧气和有机底物存在下，许多细菌可以有效降解药物、碳氢化合物和农药[239]。藻类可通过生物吸附和细胞内积累有效固定重金属[240]。生物膜的空间结构提高了微生物与污染物之间的抗毒性，并延长了它们的接触时间[241]。联合降解途径使复杂废物的管理成为可能，这些废物单一种植系统难以处理[242]。这些综合方法展示了如何将生态相互作用转化为可持续的工程模型[243]。实际应用的成功需要同时关注社区结构和功能[244]。环境条件的差异（如温度、光照、营养负荷等）会影响物种间的合作与竞争关系[245]。如果使用先进的传感技术和分子诊断工具，可以实现生态系统内微生物结构的实时追踪，支持适应性管理策略[246]。当预测模型应用于经过验证的监测工具时，将在商业规模上进一步提高可靠性[247]。必须遵守特定的监管要求（如生态安全性和出水质量），以确保计划的成功实施[248]。总之，通过生物技术结合光合微生物（包括真核藻类和蓝细菌）与细菌的相互作用，展示了如何将纯粹的生态信息应用于实际发明中[249]。利用代谢合作、信号调控和结构化生物膜形成的措施可以提高藻类生物量的生产力，优化生化产物，并提高这些生物体共生体去除环境污染物的效率[250]。要将实验室研究转化为低成本、环保的技术，需要在微生物学、系统生物学和环境工程领域进行多学科的发展。8. 挑战和未来展望 我们对藻类-细菌相互作用的理解取得了显著进展，但仍存在许多理论和实践问题[251]。目前许多机制的理解基于简单的人工系统，这些系统仅包含少数细菌菌株和一种藻类菌株[252]。尽管这些简化方法为代谢途径和信号机制提供了宝贵见解，但它们与自然生态系统的环境变异性和生物复杂性不符[253]。在自然生态系统中，藻类细胞同时与细菌群落、病毒、食植动物以及许多其他物理和化学因素相互作用[254]。弥合完全人工实验与野外条件之间的差距是应对环境和生物复杂性的关键挑战之一[255]。主要挑战在于识别在大种群中共同存在的多种微生物之间的相互作用[256,257]。尽管它们共同存在于一个社区中，合作、竞争和对抗过程始终同时发生，通常通过重叠的代谢功能或化学信号网络实现。由于某些丰富细菌群体具有功能冗余性，难以为其中任何一个群体指定特定功能。此外，这些相互作用的效果强度更多与环境因素相关，因此在变化的环境条件下难以预测[258]。描述这些多样化社区需要包含多种生物的实验设计，并主要在社区层面测量效果，而不仅仅是测量成对相互作用的效果[258]。环境变异性进一步增加了藻类-细菌关系的解释难度。温度变化、营养脉冲、分层模式和水流扰动会导致分泌物速率和代谢需求的变化，以及藻球信号动态的改变。气候变化引入了新的压力因素，如海洋酸化和天气模式的变化，这些因素可能会重新配置微生物关联，带来未知的好处[259]。例如，高温可能会加剧细菌受到其他生物竞争的情况，而非释放更多营养物质。长期观察研究结合控制气候模拟可能揭示未来细菌交换的幕后动态。另一个限制因素是评价相互作用的力量和方向[260]。多组学技术收集了大量的基因和代谢产物，但仅确定碳、氮和微量营养素流动的媒介是一个挑战。没有微生物定量交换率的生态系统模型无法正确预测藻华动态或碳输出[261,262,263,264]。稳定同位素追踪、微传感器技术和高分辨率成像的进步为这些流动提供了直接解决方案，但更广泛的方法学标准化是必要的。将定量测量与建模框架相结合是发展预测能力的关键[265]。将机制发现转化为可在生产环境中应用的技术应用面临另一系列障碍。在工程化的藻类-细菌群落中，必须防止细菌与其他环境微生物发生混杂，并进行长期分析。社区漂变、突变和环境干扰可能会破坏精心设计的相互作用[266]。基于互补代谢特征的合成生态学方法是一种有前景的解决方案。结合基因组规模的代谢建模和实验验证，研究人员将能够优化营养循环利用、耐受性或产品合成的合作伙伴关系。然而，只有通过全面的监测工具和风险评估框架才能实现可重复性和符合工业标准[267]。图3概述了藻类-细菌相互作用研究的主要挑战和未来展望。图3：概念框架，总结了藻类-细菌相互作用研究中的主要挑战和未来方向。环境变异性、多物种复杂性和有限的定量理解限制了预测建模和大规模应用。需要结合多组学、系统生物学和合成生态学的综合方法，将微观相互作用转化为可靠的生态预测和生物技术解决方案。未来的研究将从更加综合的方法中受益，这种方法结合了分子生物学、生态理论和系统工程。将微生物群落数据与生态数据集相结合将揭示环境因素相互作用的一般原理。关于微生物进化的研究可以揭示在自然压力下合作关系的发展、加剧或崩溃的机制[268]。进化论在预测气候变化对微生物相互作用的影响方面尤为重要。该领域的发展需要跨学科的合作，微生物学家、藻类学家、工程师和建模者必须共同努力，开发标准实验平台、共享数据库和预测模型，将微观过程与更大范围的生态系统后果联系起来[269]。遥感技术和自主采样平台可能提高我们在空间梯度上实时监测微生物相互作用的能力。将实验室实验与野外验证和模型构建相结合，将使研究人员能够开发出一个一致的框架，以理解藻类-细菌伙伴关系对水生生态系统功能的影响[270]。结论：藻类与细菌之间的相互作用对于水生生态系统的结构和功能完整性至关重要。越来越多的数据表明，藻类往往无法独立进行光合作用；因此，相关的细菌群落对其生长、生理和生态成功有着重要的影响。在藻球层中，碳、营养物质、维生素和信号分子之间的紧密交换调节着代谢性能和应激反应。这些微观尺度的相互作用会影响到种群动态、藻华的发展与消退、物种更替以及海洋和淡水系统中的碳和营养物质循环。因此，仅仅将藻类视为独立实体来研究其生态作用是有限的。从纯粹的无菌实验转向认识到藻类是结构和功能微生物组的一部分，是近几十年来的一项重大成就。分子和化学方法表明，藻类与细菌之间的伙伴关系是动态的，并且依赖于环境条件，如营养物质的可获得性、温度和光照状况。合作过程（包括营养物质再矿化和伙伴之间的代谢交换）可能在受限条件下提高生产力，但在某些情况下则会导致藻华的终止和群落的重组。这些特点突显了建立预测代谢物交换、化学信号传递和生态反馈框架的必要性。高通量测序、代谢组学、稳定同位素追踪和先进成像等革命性方法的发展，使我们能够从机制层面探索这些复杂的相互关系。然而，仍存在一些挑战，例如量化相互作用的强度、解析多物种动态以及处理尚未完善的生态系统模型中的微生物过程。将实验室结果与野外观察相结合是实现从机制理解到生态预测能力转化的关键。关于藻类与细菌之间相互关系的研究在生物技术中也起着重要作用。通过工程手段构建的共生体可以提高生物量生产力、增强脂质或色素的产生，并最终改善生物修复系统中的污水处理效果。这些利用自然代谢互补性的技术代表着通往更可持续和更具韧性的基于生物的技术模型的途径。总之，藻类-细菌之间的联系不仅是非空间性的生态机制，还可以为应用技术提供支持。涵盖分子生物学、生态学和系统建模的持续多学科项目将是推动这些复杂微生物相互作用研究和理解的载体。此外，这样的研究将使我们能够在快速变化的世界中充分利用它们的潜力。