細菌胞外聚合物：基于土壤生態功能的視角*

張 銘，蔡 鵬，吳一超，高春輝，劉 俊，黃巧云

（華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室/資源與環境學院，武漢 430070）

土壤是陸地生物地球化學過程的產物，是人類賴以生存的重要基礎。土壤微生物尤其是細菌賦予土壤生命屬性，驅動著土壤中的生物地球化學循環，在改良土壤結構、提升土壤肥力、防治土壤污染、促進作物健康、應對全球氣候變化及服務地球宜居性等方面發揮著重要作用。土壤中的細菌主要粘附在土壤礦物和有機質表面，以微菌落或生物膜形式存在。生物膜是指由微生物自身分泌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）等基質包圍并附著于界面上的微生物聚集體。從生物進化的角度考慮，生物膜的形成是土壤細菌面臨進化選擇壓力條件下的首選生命策略，也是細菌功能發揮的主體。當前針對土壤中細菌群落的研究，較少考慮細菌生物膜狀態。Lehmann 等基于279 個土壤生物類群的全球Meta 分析，發現細菌對土壤大團聚體和微團聚體穩定性均有重要貢獻，而真菌則對土壤大團聚體有較大影響；附著型細菌較運動型細菌對土壤團聚體的影響更大，尤其是對微團聚體，這可能歸因于附著型細菌產生EPS 以及形成生物膜。Bystriansky 等利用玻璃纖維過濾器制備分離捕集阱，分離了土壤中生物膜群落和浮游細菌群落，發現兩種生活模式的細菌群落之間存在顯著差異，其差異主要原因可能是微環境因素的影響。Wu 等發現高養分輸入有利于土壤生物膜形成；在形成生物膜的土壤中，微生物群落的多樣性、均勻度指數及代謝活性顯著提升，其中芽孢桿菌（）和類芽孢桿菌（）是土壤生物膜形成的關鍵菌屬。因此，深入開展土壤生物膜的研究，是更好地管理生物介導的養分周轉和土壤健康的關鍵。

生物膜主要是由細胞和EPS 組成，其中EPS約占生物膜干重的 80%。在土壤環境中，EPS在細胞與細胞、細胞與土壤之間起著橋接作用，與土壤礦物或有機質一起構成了生物膜中的胞外基質。細菌分泌的EPS 為細胞提供了有效保護，如饑餓條件下提供營養，干燥過程中保持水分，抵抗有毒化學物質對細胞的毒害以及減緩土壤溫度、pH 和鹽度急劇變化對細胞造成的損傷等。EPS 也賦予了細菌各種生態優勢，包括增強菌落黏附、維持生境異質性、支持互養共棲、防御毒素損害、改變遺傳物質轉移以及提供胞外酶儲存和營養捕獲的作用。土壤中細菌EPS 的眾多優勢對于維護土壤健康至關重要。例如，菌落的粘附功能可提高土壤團聚體的穩定性；胞外酶的滯留有助于土壤的代謝穩定性。然而，由于土壤環境的復雜性，土壤EPS 的研究面臨極大挑戰，發展特異性方法提取土壤EPS 是進一步理解其功能的關鍵。近年來，學者們克服了一些方法學上的挑戰，評估了提取方法在不同類型土壤中的適用性，為土壤EPS 的研究提供了技術上的可行性。通過量化土壤EPS 組成與結構，可揭示土壤微生物對環境變化響應的微觀機制，明晰微生物EPS 在土壤功能方面的作用，從而有助于保障土壤健康和實現農業綠色可持續發展。鑒于此，本文重點概述細菌EPS 在土壤生態功能方面的研究進展，分別從充當細胞保護層、調節土壤生物響應、緩解土壤非生物脅迫和改善土壤整體功能四個層面進行闡述（圖1），并展望未來土壤細菌EPS 研究中應關注的關鍵科學問題，以期挖掘其在環境友好型農業發展中的潛在應用價值。

圖1 土壤中細菌胞外聚合物（EPS）生態功能的概念框架Fig. 1 Conceptual framework of ecological functions of bacterial extracellular polymeric substances（EPS）in soils

1 細菌胞外聚合物

1.1 概述

EPS 是細菌在生長和代謝過程中釋放的高度水合的生物大分子聚合物。EPS 中的生物大分子通過分散力、靜電力、氫鍵等相互作用，為生物膜提供機械支撐。細菌合成并分泌EPS 雖然不影響細胞自身活性或代謝，但該過程對細胞而言是一個成本高昂的耗能過程，從生物學角度來看，細菌的這種行為是一種提高其在環境中存活能力的策略。在土壤科學領域，“EPS”被作為胞外多糖（exopolysaccharides）的縮寫。然而，在生物污水處理、海洋工程、醫學等科學領域，“EPS”普遍被作為胞外聚合物（extracellular polymeric substances）的縮寫。為了促使不同學科之間專業術語的兼容性，筆者建議統一將EPS 作為胞外聚合物的縮寫，并且在定量分析時應強調概念和起源，例如使用EPS-多糖、EPS-蛋白質、EPS-氨基酸和EPS-糖醛酸等術語。

1.2 組分

EPS 主要組成包括多糖、蛋白質、脂質和胞外DNA（eDNA）。EPS-多糖是研究最多的基質組分，其既可分為中性多糖（主要是己糖）和糖醛酸（葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸和甘露糖酸），又可分為同多糖（α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖和果聚糖等）和雜多糖（海藻酸鹽、黃原膠、可拉酸和透明質酸等）。對不同細菌菌株EPS 的研究表明，EPS-多糖在組成和結構上差異較大，雜多糖的物理性質取決于單糖單元與側鏈分支之間的鍵合，糖醛酸及其衍生物的存在決定了EPS 的電荷性質。EPS-蛋白質組分發揮著胞外酶和結構蛋白的功能。胞外酶既能水解可溶性/不溶性聚合物以及有機顆粒等外源底物，也可以靶向水解同源細菌或異源細菌的EPS。EPS 基質中的結構蛋白或非酶蛋白參與了胞外基質網絡的形成，使細菌與周邊環境建立起關聯，例如糖蛋白凝集素有助于細菌聚集并形成絮狀物。eDNA 是通過自溶或微生物主動分泌釋放的。盡管eDNA 的功能尚未完全闡明，但已有研究表明eDNA 也負責生物膜的空間結構穩定，并在細菌黏附于介質表面和信號傳遞中起重要作用。EPS基質還包含脂質和脂質衍生物。脂多糖參與細菌粘附過程以及發揮生物表面活性劑作用，例如促進氧化亞鐵硫桿菌（）粘附到黃鐵礦表面。

1.3 影響因素

細菌菌株類型、生長階段、環境物理化學條件、底物可利用性等均會影響細菌EPS 的產生以及化學組成。研究表明，EPS 的生物合成依賴于細菌菌株和生長期。例如，銅綠假單胞菌（）和表皮葡萄球菌（）只有在穩定生長階段才開始合成EPS，而維氏固氮菌（）在整個生長過程中不斷產生纖維素、膠凝糖和海藻酸鈉等EPS-多糖；假單胞菌（）在指數期和穩定期均合成分泌EPS，但這兩個生長階段分泌的EPS 化學結構不同；產堿桿菌（）只有在細胞停止生長后才產生凝膠多糖。土壤溶液的離子強度和離子價態會改變細菌的初始黏附行為，進而影響生物膜的形成發育過程。例如，二價陽離子（Ca和Mg）通過橋接作用使帶負電荷的EPS結合在一起，從而提高了生物膜的結構穩定性。大多數細菌在中性pH 產生的EPS 量最大，而在極端pH 條件下，EPS 的組成卻較為相似，這表明在利用特定EPS 組分介導抗逆性方面，細菌可能具有相似的機制。細菌產生EPS 的最佳生長溫度主要取決于菌株本身的性質，大多數細菌在25～30 ℃產生的EPS 量較高。氧氣張力的變化是EPS 產量上調的觸發機制之一，高濃度的氧氣可以誘導EPS產量增加。Roberson 和Firestone證明了在模擬土壤系統中，干燥脅迫會誘導細菌分泌更多的EPS。Kazy 等發現銅綠假單胞菌（）在暴露于重金屬Cu 脅迫時，其EPS 產量提高了4 倍。EPS 的產生也取決于底物的類型和濃度。不同的微生物對碳源和氮源具有不同的喜好，底物濃度決定著底物利用率和相應的EPS 產生效率，并且合適的碳氮比可確保最大程度地產生EPS。Redmile-Gordon 等發現易利用的甘油作為碳源，貧營養土壤中EPS-多糖產量增加。適宜碳氮比的養分供應會顯著刺激土壤中細菌EPS 分泌和生物膜形成，而過量的無機氮輸入則會阻礙土壤中EPS 產生。

2 EPS 充當土壤細菌保護層

土壤細菌已進化出不同策略來應對環境脅迫，細菌分泌EPS 是一種主動進化策略，是細菌響應環境壓力的生物產物。EPS 充當著環境壓力源與細胞膜之間的物理屏障，在細菌生理特性和生態適應中起著重要作用。

2.1 防止細胞干燥

對于細菌細胞而言，維持其周圍的水合環境至關重要。當面臨干燥或水分受限的脅迫時，細菌會啟動多種自身代謝調節開關，如上調相應功能基因表達、產生熱休克蛋白、增加滲透壓物質濃度和誘導細胞膜結構變化等。細菌也可能會轉變代謝途徑和能量傳輸方式，促進EPS 合成并分泌至外部環境，從而維持細菌的基本生存代謝。EPS 通過類似海綿的作用保護細菌緩解干燥脅迫，從而使細菌有時間進行代謝調節。當經受干燥條件時，產生生物膜的李斯特菌（）較生物膜形成受限的突變株表現出更好的存活率。相比于野生型的防御假單胞菌（），過量產生EPS 的突變株使干燥條件下細菌的存活率提升了5 倍。此外，EPS 結構在干燥過程中也會發生變化，EPS 在快速干燥-潤濕過程中誘導“水力解耦”，從而保護嵌入土壤生物膜內的細菌，這可能是細菌生存策略操控的水分保留方式。考慮到土壤經常遭受頻繁的干濕交替，細菌細胞質的滲透調節會損害細胞功能，所以細胞的適應性反應行為除了來自細胞質滲透調節，更可能來自細菌EPS 的吸濕性調節，這暗示著土壤EPS 在細菌長期抵抗滲透壓波動方面的作用可能更關鍵。

2.2 協調代謝功能

EPS 基質可為胞外酶提供保護性載體，以使細菌在攝取養分前裂解高分子量的有機質。胞外酶在EPS 基質中的持留，促進了胞外消化系統的形成，從而有利于細菌捕獲周圍環境中的化合物，并將其作為營養物質和能源供給細胞生長代謝。同時，EPS 促使胞外酶和有機質之間緊密靠近，有助于保持較低代謝成本。隨著土壤水分的流動，細菌EPS 可將受保護的胞外酶傳遞到距離較遠的底物上，并在收縮時捕獲胞外酶催化分解的營養物質傳回到生物膜中。EPS 的急劇收縮/膨脹特性也有助于維持土壤孔隙空間，促進氣體擴散并保持土壤異質性。胞外酶可以通過其與胞外基質的相互作用而穩定化，Dilly 和Nannipieri認為胞外酶對土壤有機質的催化過程具有“酶促記憶”，并且Kemmitt等曾提出“非生物調節閥控制土壤有機質礦化”假說。筆者認為土壤EPS 對胞外酶的保護作用可能是解開有關土壤有機質動力學謎團的關鍵環節。

2.3 影響細胞粘附

EPS 參與細菌細胞在介質表面的粘附。對于27 種細菌菌株評估后發現，EPS 量較少的菌株通過靜電排斥作用抑制細菌粘附，而表面富含EPS 的菌株則通過EPS 官能團如糖醛酸基和乙酰基之間的相互作用增強細胞粘附。通過對比去除表面EPS 前后細菌的粘附行為，發現枯草芽孢桿菌（）表面EPS 的去除會降低細菌在黏土礦物上的粘附，而增強細菌在針鐵礦上的粘附。Zhao 等進一步發現EPS的去除會抑制豬鏈球菌（）在土壤顆粒上的粘附，而增強大腸桿菌（）的粘附，化學鍵形成和靜電力是控制細菌粘附到土壤膠體表面的主要機制。細菌粘附性很大程度上取決于分子鏈構象、內部取代基和內部/外部相互作用。近期研究發現希瓦氏菌（）MR-1 外膜型細胞色素（OmcA 和MtrC）在細菌-礦物界面吸附過程中具有重要貢獻，OmcA 蛋白和MtrC 蛋白分別在細菌定殖的初期過程和后期過程中發揮主導作用。因此，EPS 對細胞黏附性能的貢獻程度仍有待深入探究。

3 EPS 調節土壤生物響應

EPS 在保護土壤微生物免受環境壓力方面具有重要作用，除此之外，EPS 也為整個生物群體提供了合適的生態位，促使各自功能發揮并產生協同效應。

3.1 協助共生合作

EPS 在固氮根瘤菌與植物之間建立共生關系中發揮著重要作用。根瘤菌表面多糖被認為是豆科植物形成根瘤的基礎。例如，為了侵入苜蓿產生結瘤并建立成功的共生關系，苜蓿中華根瘤菌（）Rm1021 必須分泌琥珀酰聚糖，而不合成琥珀酰聚糖的突變株則降低了根瘤菌侵染和建立共生的能力。雖然豆科根瘤菌（）的野生型菌株和葡甘露聚糖突變株均能產生結瘤，但在混合接種中野生型菌株處于優勢地位，競爭性結瘤能力更強。百脈根和百脈根根瘤菌（）R7A 的EPS之間的相互作用由植物表達的受體所介導，百脈根產生的受體Epr3 僅與產生特定結構EPS 的細菌結合并允許侵染，EPS 結構缺陷的R7A 突變體則不能成功侵染百脈根，即植物能夠特異性識別根瘤菌EPS 結構。同時，EPS 也充當著阻礙活性氧（ROS）擴散的物理屏障。在侵染過程中，苜蓿中華根瘤菌（）的EPS 能夠保護細菌抵御植物宿主產生的ROS，減緩根瘤菌氧化應激反應，從而增加侵染成功率。此外，EPS 過量產生的突變體可以保護EPS 缺陷的突變體，共同防御ROS損傷。

3.2 抵御抗菌化合物

EPS 的存在阻礙化合物的殺菌作用。生物膜對抗生素的耐受性涉及一系列機制，包括運輸限制、營養梯度形成和表層細胞適應性應激反應等。EPS 具有豐富的負電荷基團，通過靜電作用阻抗不同類型抗生素，從而降低抗生素的擴散速率和保護內部細胞免于接觸。早期研究針對醫學上重要的致病性細菌，測試了細菌EPS 對抗生素的阻抗潛力。例如，由葡萄球菌（sp）產生的黏液EPS，是一種有效的全氟沙星和替考拉寧的拮抗劑。EPS 也能保護細菌減輕消毒劑的殺菌作用。例如，銅綠假單胞菌（）EPS 中海藻酸鈉成分可提高細菌在氯水中的存活能力，而去除EPS 黏液會導致細菌的耐氯性消失。Wang 等發現暴露于磺胺甲二唑溶液中，去除EPS 的生物膜中細菌的群落多樣性和豐富度指數下降；EPS-蛋白質通過疏水作用結合磺胺甲二唑，從而減輕了磺胺類抗生素對生物膜中細菌的直接損害。Qiu 等探究了土壤細菌在抵抗磺胺嘧啶脅迫方面的機制，發現兩類土壤中EPS 量與施入的磺胺嘧啶濃度存在正相關關系；土壤EPS 的官能團提供對磺胺嘧啶的胞外吸附位點，從而降低磺胺嘧啶的生物利用度；土壤EPS 中色氨酸類物質的增加可能是微生物緩解高濃度磺胺嘧啶的一種適應機制，有效減輕土壤中磺胺嘧啶類抗生素對細菌的脅迫壓力。

3.3 影響遺傳物質轉移

EPS 既能促進細菌之間的水平基因轉移，也能阻礙質粒進入細菌細胞。細菌主動分泌或細胞死亡裂解釋放的eDNA 是生物膜EPS 的重要組分，可誘發生物膜內細菌發生自然轉化或接合。Bae 等研究表明，與浮游狀態細胞相比，空腸彎曲桿菌（）生物膜中抗生素抗性基因（ARGs）的轉化頻率更高。生物膜的成熟度和eDNA濃度是影響自然轉化頻率的主要因素。然而，細胞表面EPS 作為一種滲透性物理屏障，也會阻礙攜帶ARGs 的質粒水平轉移到細菌細胞。Ca可誘導細胞以感受態形式存在，促進水平基因轉移發生，但也會通過靜電作用橋接質粒和EPS，從而阻礙攜帶ARGs 的質粒水平轉移到受體細胞。此外，EPS中含有一類DNA 水解酶，通過降解外源質粒阻礙基因水平轉移。Shou 等發現芳香族衍生物會協助質粒穿越EPS 屏障，可能的機制是芳香族衍生物的取代基通過氫鍵作用結合質粒磷酸骨架上的氧位點，形成芳香烴衍生物-質粒的結合體，該結合體掩蔽了EPS 水解酶作用于質粒的競爭位點，抑制EPS 水解酶對外源質粒的水解，保護攜帶ARGs 的質粒穿越EPS 屏障，從而促進ARGs 的遷移和擴散。Qiu等研究結果指出，土壤EPS 可能會減緩ARGs 在土壤環境中的積累，而潛在的分子機制仍有待深入探究。

4 EPS 緩解土壤非生物脅迫

4.1 增強保水性能

EPS 的吸濕性在提高土壤保水持水方面受到廣泛關注。EPS-多糖和EPS-蛋白質是高度水合的分子，既能在吸濕作用下保持水分，又能通過靜電力和氫鍵等結合機制保持土壤水分。EPS 的持水量是其自身質量的15 倍～20 倍。目前已報道的高保水性能的細菌 EPS-多糖均是高分子量的化合物，如黃原膠、可拉酸和海藻酸鹽等。Rosenzweig等研究了添加黃原膠的兩種砂質土壤的持水量，發現加入1%的黃原膠顯著增加了土壤的孔隙度和持水量。干燥可誘導接種細菌的砂粒中EPS 產量增加，當直接添加1%的假單胞菌（sp.）EPS 后，砂粒的保水性能得到極大改善。利用模擬土壤孔隙度和團聚體結構的微流控體系，學者們探究了細菌EPS 對土壤孔隙中水分滯留的影響，發現EPS 和土壤微孔結構對土壤保水性具有協同作用。近期研究報道了不同碳底物及其可及性對微生物EPS 的化學性質以及保水性能的影響。相比于可溶性底物N-乙酰葡糖胺，不溶性底物幾丁質刺激微生物群落產生保水性能更好的EPS。不同碳源底物通過影響微生物群落的結構，間接改變EPS的性質和保水性能，反之也會影響土壤微生物群落對干旱的適應性。作為最嚴重的非生物環境脅迫，缺水將嚴重影響作物的生產力，適當的管理措施間接刺激土壤微生物分泌EPS，從而提高旱地土壤的保水持水性能，是農業綠色發展的重要途徑之一。

4.2 提升耐鹽能力

細菌通過多種機制減輕環境中的鹽脅迫，如增加ACC 脫氨酶活性、磷酸鹽增溶作用、產生吲哚乙酸、減少鹽誘導的丙二醛含量、分泌鐵載體以及EPS。細菌EPS 能夠防止營養失衡和滲透脅迫，提升細菌對鹽脅迫的耐受性，促使環境中微生物和相關植物雙方受益。泛生菌（sp.）、芽孢桿菌（sp.）、放線菌（sp.）、根瘤菌（sp.）、節桿菌（sp.）和假單胞菌（sp.）均會在鹽脅迫下合成分泌EPS。細菌在鹽堿條件下產生EPS 的現象是一種適應性策略，可以減輕細菌細胞外膜上的脅迫應力。在高鹽濃度條件下，可變鹽單胞菌（）HT1 和萊比托游動球菌（）RT4 會刺激EPS 產生和生物膜形成。耐鹽菌株EPS 可以捕獲和吸附鹽離子，從而減少植物對Na的吸收，減輕植物根系的鹽分脅迫。將分泌EPS 的芽孢桿菌（）接種于小麥幼苗，增加了中等鹽堿土壤中小麥根系周圍的土壤顆粒團聚，限制了Na進入植物根系的被動通量，從而促進小麥的生長發育。同時，添加分泌EPS 的植物生長促生菌到小麥根際，小麥表現出更高的生物量產量和更好的耐鹽性。

4.3 適應極端環境

EPS 能保護細菌應對極端環境條件。細菌合成分泌EPS 是適應低溫和高鹽環境的重要策略。從北極冰川采集的樣品中觀察到高濃度的EPS，并且EPS 具有改變冰川微觀結構和脫鹽的作用，提高了微生物的可居住性和生存能力。當暴露于22℃和4 ℃的溫度下，南極土壤中分離的假單胞菌（sp.）30-3 均具有較多的EPS 分泌量，進一步利用細菌死活染色觀測，發現假單胞菌30-3在4℃下形成了更密集的活細胞聚集體，從而保護了細菌免受寒冷和霜凍的損傷。EPS 也通過保護細菌免受高溫而成為嗜熱細菌的保護因子。熱泉環境中分離的喜溫地芽孢桿菌（）V264具有較高的EPS 分泌量，并且產生的EPS 在高溫下不易降解。考慮到土壤EPS 在土壤-微生物界面的位置及其特性，土壤細菌會通過分泌EPS 作為響應熱浪事件的反應策略之一，因此，Bérard 等認為土壤EPS是理想的土壤生化指標之一，可用于評估熱浪事件下的土壤生物地球化學過程。

5 EPS 改善土壤整體功能

5.1 驅動土壤顆粒團聚

EPS 在土壤顆粒團聚方面受到廣泛關注，這對于土壤結構、土壤肥力和土壤健康至關重要。細菌EPS 是一類具有豐富官能團的黏液，易于粘附在礦物表面（圖2），形成有機-礦物復合體。土壤中硅酸鹽黏土礦物、鐵鋁錳氧化物以及碳酸鹽是形成有機-礦物復合體的主要礦物。復合體的形成直接影響著微生物衍生有機質的歸趨以及礦物的反應活性。近年來，細菌EPS 在土壤礦物表面吸附的研究取得了顯著進展?？莶菅挎邨U菌（）的EPS 中蛋白質和磷酸化的大分子優先吸附在針鐵礦表面，且組分分布具有顯著的空間異質性。EPS-蛋白質主要通過氫鍵作用優先吸附在蒙脫石和高嶺石表面，而EPS-核酸主要通過配位交換吸附在針鐵礦表面。有機-礦物復合體的不同形成途徑（吸附與共沉淀）顯著影響EPS 組分在鐵鋁氧化物表面的選擇性保留。同時，相關研究也使用共聚焦顯微鏡或顯微譜學可視化了EPS-礦物復合體中多糖、蛋白質和核酸的空間分布。Ren 等研究不同pH 和離子強度下EPS 在土壤膠體上的吸附能力，證明了EPS-蛋白質和磷酸基團有助于EPS 在土壤膠體上的吸附。

圖2 礦物表面微生物定殖和EPS 沉積[80]Fig. 2 Microbial colonization and EPS deposition on mineral surfaces[80]

吸附態EPS 會改變礦物表面電荷，進而影響礦物顆粒的團聚行為。Chen 等發現在NaCl 和MgCl溶液中，模式EPS 多糖成分海藻酸鈉會促進赤鐵礦顆粒分散，而在CaCl溶液中海藻酸鈉則有利于赤鐵礦顆粒團聚，EPS 與Ca的橋接作用有助于顆粒團聚。模式EPS 成分海藻酸鈉和牛血清蛋白會通過空間位阻效應降低氧化錳顆粒的團聚速率，而海藻酸鈉和Ca結合則增加氧化錳顆粒的團聚速率。EPS-多糖促進納米顆粒團聚，而EPS-蛋白質則有助于納米顆粒穩定。EPS 對礦物顆粒的團聚效果受控于體系pH、離子強度以及EPS 濃度。EPS 既可以充當黏合劑也可以作為分散劑，主要通過靜電作用和空間位阻效應所主導。

5.2 促進團聚體穩定

通過向土壤中添加產EPS 的細菌或EPS 組分，學者們將EPS 與團聚體穩定性聯系起來。芽孢桿菌屬（）和假單胞菌屬（）是眾所周知的可分泌EPS 和形成生物膜的土壤細菌。接種惡臭假單胞菌（）GAP-P45可提高土壤團聚體穩定性50%以上。無論有無脅迫條件下，接種 EPS 產量高的解淀粉芽孢桿菌（）HYD-B17、地衣芽孢桿菌（）HYTAPB18 和枯草芽孢桿菌（）RMPB44 均提高了土壤團聚體的穩定性。HYD-B17 菌株是最為有效的砂粒團聚菌株，這些砂粒團聚細菌的性能差異歸因于其EPS 組成成分不同，并且也取決于土壤類型。早期研究測試了不同的模式EPS 組分直接用作土壤改良劑的效果。相比于添加葡聚糖的土壤，添加黃原膠可以增加土壤顆粒之間的結合強度，進而穩定土壤結構以及緩解干濕交替的破壞作用，兩種多糖結構的差異是其團聚效果不同的原因。添加黃原膠也會顯著提高砂質土壤的孔隙度和持水能力。水分含量的變化造成孔隙結構的波動，使EPS 與更多的礦物顆粒接觸，進而增加形成穩定團聚體的可能性。Cheng 等從森林土壤中分離出產生EPS 的綠針假單胞菌（）A20 和解蛋白芽孢桿菌（）A27，測試了添加兩株細菌或其EPS 對土壤團聚體穩定性的影響，發現添加的兩株細菌均使土壤中水穩性大團聚體含量增加一倍以上；相比添加綠針假單胞菌A20的EPS，添加解蛋白芽孢桿菌A27 的EPS 促進大團聚體形成的比例更高。因此，分泌EPS 的土壤細菌對團聚體的形成和穩定以及土壤結構改善具有重要意義。

由于克服了一些方法學的難題，土壤EPS 受到越來越多的關注，土壤EPS 已經被作為土壤團聚體穩定性的指標之一。通過向土壤中添加各種降解生物膜EPS 的酶，如α-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、DNA 酶和脂肪酶，將酶預處理后的土壤進行超聲處理和密度梯度分餾，測試土壤顆粒有機碳的釋放動態，發現酶處理增加了土壤顆粒有機質的釋放，表明土壤EPS 有助于顆粒有機質附著在土壤團聚體上。Redmile-Gordon 等發現土壤中可提取的EPS 主要受當前土地利用方式的影響，并且土壤團聚體的穩定性與EPS-蛋白質含量之間存在較好的相關性。Sher 等通過溫室培養和田間采樣，發現柳枝稷草的種植可以促進土壤微生物產生EPS-多糖，隨后多元線性回歸分析和通徑分析表明，土壤中EPS-多糖含量與團聚體穩定性之間存在正相關關系，該現象為種植柳枝稷草改善貧瘠土壤結構提供了一種潛在的解釋機制。Zethof 等研究了半干旱草原植物對原核生物群落組成、土壤EPS 含量和微團聚體穩定性的影響，發現植物根部分泌物提供了易獲取的能量和養分物質，刺激了根際微生物生長以及EPS 產生量，微生物群落受到植物種類和土壤母質的影響最大；土壤的團聚程度和EPS-多糖含量隨著遠離根際而呈現遞減趨勢。隨后通過網絡分析研究，該團隊發現微生物分類群與EPS-多糖含量和/或土壤團聚之間存在正相關關系。土壤EPS組分對團聚體穩定性的貢獻程度可能取決于土壤質地、土地利用方式和植被類型等。此外，基于結構方程模型分析表明，土壤中多價陽離子通過增加EPS 產量和改變EPS 結構，進一步增強了土壤EPS對微團聚體的穩定作用。

5.3 捕獲貯存養分

不飽和土壤環境中的微生物群落傾向于駐留在EPS 包裹的生物膜中，EPS 可以捕獲和貯存營養物質。降解EPS 產生的小分子物質可用作養分限制條件下細胞生長的碳源和能源。然而，考慮到EPS 的分子結構比較復雜，EPS 的完全降解必然需要多種不同的酶。在碳源受限的情況下，根瘤菌（）NZP 2037 可以利用自身分泌的EPS作為唯一的碳源。當氮源可利用度較低情況下，土壤細菌會通過分泌的EPS-蛋白質從土壤有機質中進行“氮挖掘”。細菌分泌EPS 可作為一種碳儲備的胞外策略，但很少有研究關注EPS 在微生物之間營養供給或交叉喂養中的作用。穩定同位素標記技術（SIP）可用于鑒別降解EPS 的微生物。Wang等利用同位素標記印度貝氏固氮菌（）的EPS，觀察到EPS 可被低親緣性的細菌同化，尤其是浮霉菌門（Planctomycetes）。Costa等利用菌株WH15的EPS 作為富集因子，使用SIP 技術結合宏基因組技術靶向研究降解EPS 的微生物群落和功能，并鑒定出產生糖苷水解酶的土壤細菌群落。WH15 菌株EPS 主要被浮霉菌門（Planctomycetes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、子囊菌門（Ascomycota）和擔子菌門（Basidiomycota）細菌同化。此外，研究人員分離出利用EPS 作為唯一碳源的細菌，證明了EPS 在篩選新微生物物種方面的潛在用途。

5.4 固持還原重金屬

細菌分泌的EPS 可以增強對重金屬的吸附固持。大量研究已探討EPS 對金屬離子的生物吸附潛力，以期為重金屬污染土壤的微生物修復提供理論支撐。EPS 基質的生物吸附能力歸因于豐富的官能團，例如羧基、磷酸基、巰基、酚基和羥基等，能與陽離子之間產生較強的靜電引力。生物吸附涉及EPS 官能團與金屬之間的多種機制，包括物理吸附、離子交換、絡合和沉淀作用。EPS 的結合位點數量和絡合能力與蛋白質、多糖和脂質含量相關。研究指出EPS 與重金屬之間的結合能力和鍵合強度很高，并且吸附遵循 Langmuir 或Freundlich 方程。同時，分泌的EPS 會吸附到土壤礦物表面，影響礦物固定重金屬的能力。Mikutta 等研究了Pb、Cu和Zn在枯草芽孢桿菌（）EPS-膨潤土/水鐵礦復合物上的吸附動力學；膨潤土選擇性吸附EPS 的低分子量組分和含N 組分，礦物結合態EPS 增加了膨潤土對重金屬的吸附程度和速率；水鐵礦選擇性地保留了EPS 的高分子量組分和富P 組分，并且對水鐵礦吸附重金屬具有負效應。EPS-蛋白質增強了針鐵礦對Hg（Ⅱ）的吸附能力。EPS 對氧化鋁吸附Zn 的影響具有pH 依賴性，并且EPS 的羧基和磷?；诖诉^程中發揮著重要作用。Nkoh 等發現添加細菌EPS 增加了土壤膠體表面的負電荷，導致對Cu和Cd的吸附量增加，靜電力、疏水力、范德華力以及絡合作用均有助于可變電荷土壤對重金屬的吸附。因此，土壤EPS 的生物吸附作用顯著影響著重金屬的環境行為。

細菌EPS 的滲透性屏障作用可以保護細胞免受高金屬濃度的毒性。通過對比Cu脅迫下熒光假單胞菌（）生物膜和浮游細胞的代謝響應，發現浮游細胞啟動氧化應激反應，而金屬脅迫誘導了生物膜中EPS 相關代謝途徑表達。代謝過程的差異證明了EPS 的存在增加了細胞對重金屬的耐受性。近年來，研究發現EPS 也是電子傳遞介質和電子供體。EPS 可以通過半縮醛基團將金屬離子（Ag和Au）還原為元素納米顆粒，從而降低了金屬離子的生物有效性。然而，Zhang 等發現EPS 會顯著干擾硫化汞的沉淀，并導致可用于微生物甲基化的黑辰砂形成，從而增加了神經毒素甲基汞的環境風險。最新研究中將土壤EPS 納入土壤生化指標之一，Redmile-Gordon 和Chen發現酸性土壤中細菌通過分泌 EPS-多糖和可溶性糖醛酸，作為一種應對 Zn脅迫的耐受機制。多元統計分析評估了場地污染土壤中細菌群落的多金屬抗性和排毒途徑，發現土壤細菌可通過分泌EPS-多糖和EPS-蛋白質作為應對Cr 脅迫的響應策略。

5.5 吸附降解有機污染物

細菌EPS 的分泌能夠有效緩解有機污染環境的脅迫壓力。EPS 含有親水基團和疏水基團，有利于帶正/負電荷的有機污染物吸附。有機多溴二苯醚污染物在土壤中的命運、遷移和生物利用度主要取決于土壤有機質的吸附作用。土壤EPS 中的蛋白質組分會增加土壤對多溴二苯醚的螯合，而多糖組分的影響則具有濃度依賴性。EPS 作為一種生物表面活性劑，能夠降低表面張力和界面張力，從而提高有機污染物的分散性、乳化性和生物利用度。相比于Tween 80 等常見表面活性劑，根瘤菌EPS 表現出更好的乳化活性。土壤固氮菌產生的EPS 可增加難溶有機污染物的分散性，增強疏水性污染物與細胞之間的親和力，促使污染物更容易被降解。微生物降解多環芳烴被認為是行之有效的生物修復技術，其中EPS 增加了難溶性多環芳烴的生物利用度，加速了多環芳烴的生物降解。EPS 和多環芳烴之間的相互作用被認為是自發放熱過程，兩者的結合主要由疏水相互作用決定。Han 等在模式土壤組分蒙脫石和腐殖酸載體上構建生物膜群落，探究土壤生物膜超微結構對苯并（a）芘吸附和生物降解的影響。研究結果表明，無機和有機載體均有利于生物膜的形成，并且有機載體上的生物膜具有更致密的EPS 基質，加速了苯并（a）芘的生物降解。許多烴類降解細菌均具有產生乳化活性EPS 的能力，從而為生物修復有機污染環境提供了潛在的應用價值。

6 結論與展望

土壤細菌已經發展出一系列適應生存環境的策略。細菌EPS 的分泌是一種提供濕潤環境、捕獲營養物質、促進化學反應以及保護細胞應對非生物脅迫、抗生素消殺和掠食者侵襲的重要策略。細菌EPS是高度多樣化的混合物，其功能取決于組成和結構。EPS 可以促進土壤團聚、改善土壤質量和提升土壤肥力。土壤和植物根際中EPS 還可以改善植物和微生物對養分和水分的利用率，從而有益于土壤-微生物-植物的整體功能。土壤細菌具有巨大的環境功能潛力，通過促進土壤生物膜的形成和改進土壤EPS的組成，助力可持續和環境友好型農業發展。

EPS 是一類復雜的生物聚合物，對其組成結構、環境功能和遺傳調控的理解雖然較為廣泛，但還遠不完整。進一步研究需要闡明EPS 生物合成和調控所涉及的基因和相關機制。同時，新型EPS 的發現和表征可能會帶來潛在的應用價值，尤其是在污染環境修復、土壤地力恢復和土壤肥力提升等方面?，F代儀器分析技術與表征方法（如核磁共振、原子力紅外光譜、激光共聚焦顯微拉曼光譜、環境掃描電子顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡、穩定同位素探針、納米二次離子質譜技術、傅里葉變換離子回旋共振質譜和同步輻射技術等）以及與微生物組學技術相結合，將更全面揭示EPS 的組成結構和遺傳調控，并加速發掘EPS 在土壤生態系統中的功能潛力。通過調控環境因素，EPS 的產生可能被觸發、停止或逆轉，實現土壤EPS 對養分存儲和釋放的調控，進而調節土壤的物理結構和養分狀況，為保障糧食安全和保護環境健康提供新策略與新途徑。

土壤EPS 的研究正處于方興未艾的階段，以下關鍵科學問題有待進一步明晰，以增進對土壤EPS的理解：

1）EPS 成分的理化性質：量化土壤EPS 及其成分EPS-多糖、EPS-蛋白質和EPS-氨基酸等，可以闡明微生物群落的生物膜表型對環境條件的適應性。土壤中總糖、總肽及總氨基酸等的測定分析提供了豐富的土壤生化物質信息，但由于無法準確區分這些土壤生化物質的來源，從而難以解答許多土壤科學的關鍵問題。對土壤生化物質來源的模糊劃分和忽視行為阻礙了當前土壤學科的發展，亟需進一步區分生化物質的來源。因此，土壤EPS的特異性提取和精準分析將為理解相關問題提供有效途徑，從而深刻揭示土壤EPS 與土壤功能之間的關聯性。

2）EPS-蛋白質與球囊霉素相關土壤蛋白（Glomalin-related soil proteins，GRSP）：球囊霉素是叢枝菌根真菌的假設基因產物。GRSP 的提取方法值得重新審視，即對土壤進行檸檬酸鹽緩沖溶液結合高壓滅菌步驟的提取方法。該方法的提取物被證明包含更多來源于細菌而非真菌的蛋白質，并且未發現與GRSP 之間存在必然的關聯性。同時，該方法裂解了微生物細胞，并共同提取了微生物胞內成分和土壤有機質。學者們進一步推測GRSP 與土壤團聚體穩定性的良好關系可能歸因于土壤EPS-蛋白質的有效共提取。Redmile-Gordon 等發現EPS-蛋白質對團聚體穩定性的潛在貢獻大于土壤有機質或EPS-多糖。因此，闡明EPS-蛋白質與GRSP 對土壤團聚體穩定性的相對貢獻是必要的，有助于引導土壤科學工作者聚焦于更為關鍵的研究對象。

3）EPS 作為敏感的土壤健康指標：基于避免微生物胞內污染和降低腐殖質共提取的判斷標準，進一步優化陽離子交換樹脂（Cation exchange resin，CER）法提取土壤EPS。對土壤EPS 的認知，有助于解析微生物細胞與土壤礦物/土壤有機質之間的生物物理化學界面過程，揭開被隱藏的微生物界面響應機制，推進土壤EPS 發展為一類敏感的生物學指標。建議將土壤EPS 的量化分析包含在土壤理化分析過程中，將其發展為土壤健康指標之一，并評估土壤EPS 與其他土壤健康指標之間的相對重要性和相互關聯性。

4）EPS 推動新型生物肥料研發：過度使用化學肥料和農藥的環境危害，迫使世界各地的研究人員尋求替代方法來提高作物的生產力。生物有機肥料的出現為減少化肥和農藥使用提供了有效途徑，有機肥與微生物接種劑的結合可以提供養分并改善土壤結構。微生物接種劑已經研究了幾十年，但仍然需要改善微生物的生長條件，實現接種劑的高生物量和高定殖存活率?？紤]到EPS 對土壤細菌和土壤結構的增益效應，可以利用EPS 對微生物菌株進行包封，進而制備新型生物有機肥。EPS 既能有效地增加生物菌劑在土壤中的定殖與存活，又能改善土壤結構。同時，將農業廢棄物料作為大規模生產EPS 的底物，既可增加經濟收益，也能解決廢棄物料堆積或焚燒帶來的環境問題。