張 銘，蔡 鵬，吳一超，高春輝，劉 俊，黃巧云

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

土壤是陸地生物地球化學(xué)過程的產(chǎn)物，是人類賴以生存的重要基礎(chǔ)。土壤微生物尤其是細(xì)菌賦予土壤生命屬性，驅(qū)動(dòng)著土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)，在改良土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤肥力、防治土壤污染、促進(jìn)作物健康、應(yīng)對(duì)全球氣候變化及服務(wù)地球宜居性等方面發(fā)揮著重要作用。土壤中的細(xì)菌主要粘附在土壤礦物和有機(jī)質(zhì)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(zhì)包圍并附著于界面上的微生物聚集體。從生物進(jìn)化的角度考慮，生物膜的形成是土壤細(xì)菌面臨進(jìn)化選擇壓力條件下的首選生命策略，也是細(xì)菌功能發(fā)揮的主體。當(dāng)前針對(duì)土壤中細(xì)菌群落的研究，較少考慮細(xì)菌生物膜狀態(tài)。Lehmann 等基于279 個(gè)土壤生物類群的全球Meta 分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌對(duì)土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體穩(wěn)定性均有重要貢獻(xiàn)，而真菌則對(duì)土壤大團(tuán)聚體有較大影響；附著型細(xì)菌較運(yùn)動(dòng)型細(xì)菌對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響更大，尤其是對(duì)微團(tuán)聚體，這可能歸因于附著型細(xì)菌產(chǎn)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(xì)菌群落，發(fā)現(xiàn)兩種生活模式的細(xì)菌群落之間存在顯著差異，其差異主要原因可能是微環(huán)境因素的影響。Wu 等發(fā)現(xiàn)高養(yǎng)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(shù)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(guān)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(dǎo)的養(yǎng)分周轉(zhuǎn)和土壤健康的關(guān)鍵。

生物膜主要是由細(xì)胞和EPS 組成，其中EPS約占生物膜干重的 80%。在土壤環(huán)境中，EPS在細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與土壤之間起著橋接作用，與土壤礦物或有機(jī)質(zhì)一起構(gòu)成了生物膜中的胞外基質(zhì)。細(xì)菌分泌的EPS 為細(xì)胞提供了有效保護(hù)，如饑餓條件下提供營養(yǎng)，干燥過程中保持水分，抵抗有毒化學(xué)物質(zhì)對(duì)細(xì)胞的毒害以及減緩?fù)寥罍囟?、pH 和鹽度急劇變化對(duì)細(xì)胞造成的損傷等。EPS 也賦予了細(xì)菌各種生態(tài)優(yōu)勢(shì)，包括增強(qiáng)菌落黏附、維持生境異質(zhì)性、支持互養(yǎng)共棲、防御毒素?fù)p害、改變遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移以及提供胞外酶儲(chǔ)存和營養(yǎng)捕獲的作用。土壤中細(xì)菌EPS 的眾多優(yōu)勢(shì)對(duì)于維護(hù)土壤健康至關(guān)重要。例如，菌落的粘附功能可提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；胞外酶的滯留有助于土壤的代謝穩(wěn)定性。然而，由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性，土壤EPS 的研究面臨極大挑戰(zhàn)，發(fā)展特異性方法提取土壤EPS 是進(jìn)一步理解其功能的關(guān)鍵。近年來，學(xué)者們克服了一些方法學(xué)上的挑戰(zhàn)，評(píng)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(shù)上的可行性。通過量化土壤EPS 組成與結(jié)構(gòu)，可揭示土壤微生物對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的微觀機(jī)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，本文重點(diǎn)概述細(xì)菌EPS 在土壤生態(tài)功能方面的研究進(jìn)展，分別從充當(dāng)細(xì)胞保護(hù)層、調(diào)節(jié)土壤生物響應(yīng)、緩解土壤非生物脅迫和改善土壤整體功能四個(gè)層面進(jìn)行闡述（圖1），并展望未來土壤細(xì)菌EPS 研究中應(yīng)關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題，以期挖掘其在環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)發(fā)展中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

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

1 細(xì)菌胞外聚合物

1.1 概述

EPS 是細(xì)菌在生長(zhǎng)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(jī)械支撐。細(xì)菌合成并分泌EPS 雖然不影響細(xì)胞自身活性或代謝，但該過程對(duì)細(xì)胞而言是一個(gè)成本高昂的耗能過程，從生物學(xué)角度來看，細(xì)菌的這種行為是一種提高其在環(huán)境中存活能力的策略。在土壤科學(xué)領(lǐng)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(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)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(xué)科之間專業(yè)術(shù)語的兼容性，筆者建議統(tǒng)一將EPS 作為胞外聚合物的縮寫，并且在定量分析時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)概念和起源，例如使用EPS-多糖、EPS-蛋白質(zhì)、EPS-氨基酸和EPS-糖醛酸等術(shù)語。

1.2 組分

EPS 主要組成包括多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和胞外DNA（eDNA）。EPS-多糖是研究最多的基質(zhì)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(zhì)酸等）。對(duì)不同細(xì)菌菌株EPS 的研究表明，EPS-多糖在組成和結(jié)構(gòu)上差異較大，雜多糖的物理性質(zhì)取決于單糖單元與側(cè)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(zhì)。EPS-蛋白質(zhì)組分發(fā)揮著胞外酶和結(jié)構(gòu)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(jī)顆粒等外源底物，也可以靶向水解同源細(xì)菌或異源細(xì)菌的EPS。EPS 基質(zhì)中的結(jié)構(gòu)蛋白或非酶蛋白參與了胞外基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的形成，使細(xì)菌與周邊環(huán)境建立起關(guān)聯(lián)，例如糖蛋白凝集素有助于細(xì)菌聚集并形成絮狀物。eDNA 是通過自溶或微生物主動(dòng)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(fù)責(zé)生物膜的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并在細(xì)菌黏附于介質(zhì)表面和信號(hào)傳遞中起重要作用。EPS基質(zhì)還包含脂質(zhì)和脂質(zhì)衍生物。脂多糖參與細(xì)菌粘附過程以及發(fā)揮生物表面活性劑作用，例如促進(jìn)氧化亞鐵硫桿菌（）粘附到黃鐵礦表面。

1.3 影響因素

細(xì)菌菌株類型、生長(zhǎng)階段、環(huán)境物理化學(xué)條件、底物可利用性等均會(huì)影響細(xì)菌EPS 的產(chǎn)生以及化學(xué)組成。研究表明，EPS 的生物合成依賴于細(xì)菌菌株和生長(zhǎng)期。例如，銅綠假單胞菌（）和表皮葡萄球菌（）只有在穩(wěn)定生長(zhǎng)階段才開始合成EPS，而維氏固氮菌（）在整個(gè)生長(zhǎng)過程中不斷產(chǎn)生纖維素、膠凝糖和海藻酸鈉等EPS-多糖；假單胞菌（）在指數(shù)期和穩(wěn)定期均合成分泌EPS，但這兩個(gè)生長(zhǎng)階段分泌的EPS 化學(xué)結(jié)構(gòu)不同；產(chǎn)堿桿菌（）只有在細(xì)胞停止生長(zhǎng)后才產(chǎn)生凝膠多糖。土壤溶液的離子強(qiáng)度和離子價(jià)態(tài)會(huì)改變細(xì)菌的初始黏附行為，進(jìn)而影響生物膜的形成發(fā)育過程。例如，二價(jià)陽離子（Ca和Mg）通過橋接作用使帶負(fù)電荷的EPS結(jié)合在一起，從而提高了生物膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大多數(shù)細(xì)菌在中性pH 產(chǎn)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(dǎo)抗逆性方面，細(xì)菌可能具有相似的機(jī)制。細(xì)菌產(chǎn)生EPS 的最佳生長(zhǎng)溫度主要取決于菌株本身的性質(zhì)，大多數(shù)細(xì)菌在25～30 ℃產(chǎn)生的EPS 量較高。氧氣張力的變化是EPS 產(chǎn)量上調(diào)的觸發(fā)機(jī)制之一，高濃度的氧氣可以誘導(dǎo)EPS產(chǎn)量增加。Roberson 和Firestone證明了在模擬土壤系統(tǒng)中，干燥脅迫會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌分泌更多的EPS。Kazy 等發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌（）在暴露于重金屬Cu 脅迫時(shí)，其EPS 產(chǎn)量提高了4 倍。EPS 的產(chǎn)生也取決于底物的類型和濃度。不同的微生物對(duì)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(yīng)的EPS 產(chǎn)生效率，并且合適的碳氮比可確保最大程度地產(chǎn)生EPS。Redmile-Gordon 等發(fā)現(xiàn)易利用的甘油作為碳源，貧營養(yǎng)土壤中EPS-多糖產(chǎn)量增加。適宜碳氮比的養(yǎng)分供應(yīng)會(huì)顯著刺激土壤中細(xì)菌EPS 分泌和生物膜形成，而過量的無機(jī)氮輸入則會(huì)阻礙土壤中EPS 產(chǎn)生。

2 EPS 充當(dāng)土壤細(xì)菌保護(hù)層

土壤細(xì)菌已進(jìn)化出不同策略來應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫，細(xì)菌分泌EPS 是一種主動(dòng)進(jìn)化策略，是細(xì)菌響應(yīng)環(huán)境壓力的生物產(chǎn)物。EPS 充當(dāng)著環(huán)境壓力源與細(xì)胞膜之間的物理屏障，在細(xì)菌生理特性和生態(tài)適應(yīng)中起著重要作用。

2.1 防止細(xì)胞干燥

對(duì)于細(xì)菌細(xì)胞而言，維持其周圍的水合環(huán)境至關(guān)重要。當(dāng)面臨干燥或水分受限的脅迫時(shí)，細(xì)菌會(huì)啟動(dòng)多種自身代謝調(diào)節(jié)開關(guān)，如上調(diào)相應(yīng)功能基因表達(dá)、產(chǎn)生熱休克蛋白、增加滲透壓物質(zhì)濃度和誘導(dǎo)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化等。細(xì)菌也可能會(huì)轉(zhuǎn)變代謝途徑和能量傳輸方式，促進(jìn)EPS 合成并分泌至外部環(huán)境，從而維持細(xì)菌的基本生存代謝。EPS 通過類似海綿的作用保護(hù)細(xì)菌緩解干燥脅迫，從而使細(xì)菌有時(shí)間進(jìn)行代謝調(diào)節(jié)。當(dāng)經(jīng)受干燥條件時(shí)，產(chǎn)生生物膜的李斯特菌（）較生物膜形成受限的突變株表現(xiàn)出更好的存活率。相比于野生型的防御假單胞菌（），過量產(chǎn)生EPS 的突變株使干燥條件下細(xì)菌的存活率提升了5 倍。此外，EPS 結(jié)構(gòu)在干燥過程中也會(huì)發(fā)生變化，EPS 在快速干燥-潤(rùn)濕過程中誘導(dǎo)“水力解耦”，從而保護(hù)嵌入土壤生物膜內(nèi)的細(xì)菌，這可能是細(xì)菌生存策略操控的水分保留方式。考慮到土壤經(jīng)常遭受頻繁的干濕交替，細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)的滲透調(diào)節(jié)會(huì)損害細(xì)胞功能，所以細(xì)胞的適應(yīng)性反應(yīng)行為除了來自細(xì)胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)，更可能來自細(xì)菌EPS 的吸濕性調(diào)節(jié)，這暗示著土壤EPS 在細(xì)菌長(zhǎng)期抵抗?jié)B透壓波動(dòng)方面的作用可能更關(guān)鍵。

2.2 協(xié)調(diào)代謝功能

EPS 基質(zhì)可為胞外酶提供保護(hù)性載體，以使細(xì)菌在攝取養(yǎng)分前裂解高分子量的有機(jī)質(zhì)。胞外酶在EPS 基質(zhì)中的持留，促進(jìn)了胞外消化系統(tǒng)的形成，從而有利于細(xì)菌捕獲周圍環(huán)境中的化合物，并將其作為營養(yǎng)物質(zhì)和能源供給細(xì)胞生長(zhǎng)代謝。同時(shí)，EPS 促使胞外酶和有機(jī)質(zhì)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(dòng)，細(xì)菌EPS 可將受保護(hù)的胞外酶?jìng)鬟f到距離較遠(yuǎn)的底物上，并在收縮時(shí)捕獲胞外酶催化分解的營養(yǎng)物質(zhì)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(jìn)氣體擴(kuò)散并保持土壤異質(zhì)性。胞外酶可以通過其與胞外基質(zhì)的相互作用而穩(wěn)定化，Dilly 和Nannipieri認(rèn)為胞外酶對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的催化過程具有“酶促記憶”，并且Kemmitt等曾提出“非生物調(diào)節(jié)閥控制土壤有機(jī)質(zhì)礦化”假說。筆者認(rèn)為土壤EPS 對(duì)胞外酶的保護(hù)作用可能是解開有關(guān)土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)力學(xué)謎團(tuán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.3 影響細(xì)胞粘附

EPS 參與細(xì)菌細(xì)胞在介質(zhì)表面的粘附。對(duì)于27 種細(xì)菌菌株評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，EPS 量較少的菌株通過靜電排斥作用抑制細(xì)菌粘附，而表面富含EPS 的菌株則通過EPS 官能團(tuán)如糖醛酸基和乙?；g的相互作用增強(qiáng)細(xì)胞粘附。通過對(duì)比去除表面EPS 前后細(xì)菌的粘附行為，發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌（）表面EPS 的去除會(huì)降低細(xì)菌在黏土礦物上的粘附，而增強(qiáng)細(xì)菌在針鐵礦上的粘附。Zhao 等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)EPS的去除會(huì)抑制豬鏈球菌（）在土壤顆粒上的粘附，而增強(qiáng)大腸桿菌（）的粘附，化學(xué)鍵形成和靜電力是控制細(xì)菌粘附到土壤膠體表面的主要機(jī)制。細(xì)菌粘附性很大程度上取決于分子鏈構(gòu)象、內(nèi)部取代基和內(nèi)部/外部相互作用。近期研究發(fā)現(xiàn)希瓦氏菌（）MR-1 外膜型細(xì)胞色素（OmcA 和MtrC）在細(xì)菌-礦物界面吸附過程中具有重要貢獻(xiàn)，OmcA 蛋白和MtrC 蛋白分別在細(xì)菌定殖的初期過程和后期過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用。因此，EPS 對(duì)細(xì)胞黏附性能的貢獻(xiàn)程度仍有待深入探究。

3 EPS 調(diào)節(jié)土壤生物響應(yīng)

EPS 在保護(hù)土壤微生物免受環(huán)境壓力方面具有重要作用，除此之外，EPS 也為整個(gè)生物群體提供了合適的生態(tài)位，促使各自功能發(fā)揮并產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

3.1 協(xié)助共生合作

EPS 在固氮根瘤菌與植物之間建立共生關(guān)系中發(fā)揮著重要作用。根瘤菌表面多糖被認(rèn)為是豆科植物形成根瘤的基礎(chǔ)。例如，為了侵入苜蓿產(chǎn)生結(jié)瘤并建立成功的共生關(guān)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(chǎn)生結(jié)瘤，但在混合接種中野生型菌株處于優(yōu)勢(shì)地位，競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)瘤能力更強(qiáng)。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(dá)的受體所介導(dǎo)，百脈根產(chǎn)生的受體Epr3 僅與產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)EPS 的細(xì)菌結(jié)合并允許侵染，EPS 結(jié)構(gòu)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(shí)別根瘤菌EPS 結(jié)構(gòu)。同時(shí)，EPS 也充當(dāng)著阻礙活性氧（ROS）擴(kuò)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(hù)細(xì)菌抵御植物宿主產(chǎn)生的ROS，減緩根瘤菌氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而增加侵染成功率。此外，EPS 過量產(chǎn)生的突變體可以保護(hù)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(duì)抗生素的耐受性涉及一系列機(jī)制，包括運(yùn)輸限制、營養(yǎng)梯度形成和表層細(xì)胞適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)等。EPS 具有豐富的負(fù)電荷基團(tuán)，通過靜電作用阻抗不同類型抗生素，從而降低抗生素的擴(kuò)散速率和保護(hù)內(nèi)部細(xì)胞免于接觸。早期研究針對(duì)醫(yī)學(xué)上重要的致病性細(xì)菌，測(cè)試了細(xì)菌EPS 對(duì)抗生素的阻抗?jié)摿?。例如，由葡萄球菌（sp）產(chǎn)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(hù)細(xì)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(xì)菌在氯水中的存活能力，而去除EPS 黏液會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的耐氯性消失。Wang 等發(fā)現(xiàn)暴露于磺胺甲二唑溶液中，去除EPS 的生物膜中細(xì)菌的群落多樣性和豐富度指數(shù)下降；EPS-蛋白質(zhì)通過疏水作用結(jié)合磺胺甲二唑，從而減輕了磺胺類抗生素對(duì)生物膜中細(xì)菌的直接損害。Qiu 等探究了土壤細(xì)菌在抵抗磺胺嘧啶脅迫方面的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)兩類土壤中EPS 量與施入的磺胺嘧啶濃度存在正相關(guān)關(guān)系；土壤EPS 的官能團(tuán)提供對(duì)磺胺嘧啶的胞外吸附位點(diǎn)，從而降低磺胺嘧啶的生物利用度；土壤EPS 中色氨酸類物質(zhì)的增加可能是微生物緩解高濃度磺胺嘧啶的一種適應(yīng)機(jī)制，有效減輕土壤中磺胺嘧啶類抗生素對(duì)細(xì)菌的脅迫壓力。

3.3 影響遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移

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

4 EPS 緩解土壤非生物脅迫

4.1 增強(qiáng)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(guān)注。EPS-多糖和EPS-蛋白質(zhì)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(jié)合機(jī)制保持土壤水分。EPS 的持水量是其自身質(zhì)量的15 倍～20 倍。目前已報(bào)道的高保水性能的細(xì)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(zhì)土壤的持水量，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)接種細(xì)菌的砂粒中EPS 產(chǎn)量增加，當(dāng)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(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的微流控體系，學(xué)者們探究了細(xì)菌EPS 對(duì)土壤孔隙中水分滯留的影響，發(fā)現(xiàn)EPS 和土壤微孔結(jié)構(gòu)對(duì)土壤保水性具有協(xié)同作用。近期研究報(bào)道了不同碳底物及其可及性對(duì)微生物EPS 的化學(xué)性質(zhì)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(zhì)刺激微生物群落產(chǎn)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(jié)構(gòu)，間接改變EPS的性質(zhì)和保水性能，反之也會(huì)影響土壤微生物群落對(duì)干旱的適應(yīng)性。作為最嚴(yán)重的非生物環(huán)境脅迫，缺水將嚴(yán)重影響作物的生產(chǎn)力，適當(dāng)?shù)墓芾泶胧╅g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(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要途徑之一。

4.2 提升耐鹽能力

細(xì)菌通過多種機(jī)制減輕環(huán)境中的鹽脅迫，如增加ACC 脫氨酶活性、磷酸鹽增溶作用、產(chǎn)生吲哚乙酸、減少鹽誘導(dǎo)的丙二醛含量、分泌鐵載體以及EPS。細(xì)菌EPS 能夠防止?fàn)I養(yǎng)失衡和滲透脅迫，提升細(xì)菌對(duì)鹽脅迫的耐受性，促使環(huán)境中微生物和相關(guān)植物雙方受益。泛生菌（sp.）、芽孢桿菌（sp.）、放線菌（sp.）、根瘤菌（sp.）、節(jié)桿菌（sp.）和假單胞菌（sp.）均會(huì)在鹽脅迫下合成分泌EPS。細(xì)菌在鹽堿條件下產(chǎn)生EPS 的現(xiàn)象是一種適應(yīng)性策略，可以減輕細(xì)菌細(xì)胞外膜上的脅迫應(yīng)力。在高鹽濃度條件下，可變鹽單胞菌（）HT1 和萊比托游動(dòng)球菌（）RT4 會(huì)刺激EPS 產(chǎn)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(duì)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(tuán)聚，限制了Na進(jìn)入植物根系的被動(dòng)通量，從而促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，添加分泌EPS 的植物生長(zhǎng)促生菌到小麥根際，小麥表現(xiàn)出更高的生物量產(chǎn)量和更好的耐鹽性。

4.3 適應(yīng)極端環(huán)境

EPS 能保護(hù)細(xì)菌應(yīng)對(duì)極端環(huán)境條件。細(xì)菌合成分泌EPS 是適應(yīng)低溫和高鹽環(huán)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(jié)構(gòu)和脫鹽的作用，提高了微生物的可居住性和生存能力。當(dāng)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(jìn)一步利用細(xì)菌死活染色觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)假單胞菌30-3在4℃下形成了更密集的活細(xì)胞聚集體，從而保護(hù)了細(xì)菌免受寒冷和霜凍的損傷。EPS 也通過保護(hù)細(xì)菌免受高溫而成為嗜熱細(xì)菌的保護(hù)因子。熱泉環(huán)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(chǎn)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(xì)菌會(huì)通過分泌EPS 作為響應(yīng)熱浪事件的反應(yīng)策略之一，因此，Bérard 等認(rèn)為土壤EPS是理想的土壤生化指標(biāo)之一，可用于評(píng)估熱浪事件下的土壤生物地球化學(xué)過程。

5 EPS 改善土壤整體功能

5.1 驅(qū)動(dòng)土壤顆粒團(tuán)聚

EPS 在土壤顆粒團(tuán)聚方面受到廣泛關(guān)注，這對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力和土壤健康至關(guān)重要。細(xì)菌EPS 是一類具有豐富官能團(tuán)的黏液，易于粘附在礦物表面（圖2），形成有機(jī)-礦物復(fù)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(jī)-礦物復(fù)合體的主要礦物。復(fù)合體的形成直接影響著微生物衍生有機(jī)質(zhì)的歸趨以及礦物的反應(yīng)活性。近年來，細(xì)菌EPS 在土壤礦物表面吸附的研究取得了顯著進(jìn)展。枯草芽孢桿菌（）的EPS 中蛋白質(zhì)和磷酸化的大分子優(yōu)先吸附在針鐵礦表面，且組分分布具有顯著的空間異質(zhì)性。EPS-蛋白質(zhì)主要通過氫鍵作用優(yōu)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(jī)-礦物復(fù)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(shí)，相關(guān)研究也使用共聚焦顯微鏡或顯微譜學(xué)可視化了EPS-礦物復(fù)合體中多糖、蛋白質(zhì)和核酸的空間分布。Ren 等研究不同pH 和離子強(qiáng)度下EPS 在土壤膠體上的吸附能力，證明了EPS-蛋白質(zhì)和磷酸基團(tuán)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(tài)EPS 會(huì)改變礦物表面電荷，進(jìn)而影響礦物顆粒的團(tuán)聚行為。Chen 等發(fā)現(xiàn)在NaCl 和MgCl溶液中，模式EPS 多糖成分海藻酸鈉會(huì)促進(jìn)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(tuán)聚，EPS 與Ca的橋接作用有助于顆粒團(tuán)聚。模式EPS 成分海藻酸鈉和牛血清蛋白會(huì)通過空間位阻效應(yīng)降低氧化錳顆粒的團(tuán)聚速率，而海藻酸鈉和Ca結(jié)合則增加氧化錳顆粒的團(tuán)聚速率。EPS-多糖促進(jìn)納米顆粒團(tuán)聚，而EPS-蛋白質(zhì)則有助于納米顆粒穩(wěn)定。EPS 對(duì)礦物顆粒的團(tuán)聚效果受控于體系pH、離子強(qiáng)度以及EPS 濃度。EPS 既可以充當(dāng)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(yīng)所主導(dǎo)。

5.2 促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定

通過向土壤中添加產(chǎn)EPS 的細(xì)菌或EPS 組分，學(xué)者們將EPS 與團(tuán)聚體穩(wěn)定性聯(lián)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(xì)菌。接種惡臭假單胞菌（）GAP-P45可提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性50%以上。無論有無脅迫條件下，接種 EPS 產(chǎn)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(tuán)聚體的穩(wěn)定性。HYD-B17 菌株是最為有效的砂粒團(tuán)聚菌株，這些砂粒團(tuán)聚細(xì)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(cè)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(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)以及緩解干濕交替的破壞作用，兩種多糖結(jié)構(gòu)的差異是其團(tuán)聚效果不同的原因。添加黃原膠也會(huì)顯著提高砂質(zhì)土壤的孔隙度和持水能力。水分含量的變化造成孔隙結(jié)構(gòu)的波動(dòng)，使EPS 與更多的礦物顆粒接觸，進(jìn)而增加形成穩(wěn)定團(tuán)聚體的可能性。Cheng 等從森林土壤中分離出產(chǎn)生EPS 的綠針假單胞菌（）A20 和解蛋白芽孢桿菌（）A27，測(cè)試了添加兩株細(xì)菌或其EPS 對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)添加的兩株細(xì)菌均使土壤中水穩(wěn)性大團(tuán)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(jìn)大團(tuán)聚體形成的比例更高。因此，分泌EPS 的土壤細(xì)菌對(duì)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定以及土壤結(jié)構(gòu)改善具有重要意義。

由于克服了一些方法學(xué)的難題，土壤EPS 受到越來越多的關(guān)注，土壤EPS 已經(jīng)被作為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)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(yù)處理后的土壤進(jìn)行超聲處理和密度梯度分餾，測(cè)試土壤顆粒有機(jī)碳的釋放動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)酶處理增加了土壤顆粒有機(jī)質(zhì)的釋放，表明土壤EPS 有助于顆粒有機(jī)質(zhì)附著在土壤團(tuán)聚體上。Redmile-Gordon 等發(fā)現(xiàn)土壤中可提取的EPS 主要受當(dāng)前土地利用方式的影響，并且土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與EPS-蛋白質(zhì)含量之間存在較好的相關(guān)性。Sher 等通過溫室培養(yǎng)和田間采樣，發(fā)現(xiàn)柳枝稷草的種植可以促進(jìn)土壤微生物產(chǎn)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(tuán)聚體穩(wěn)定性之間存在正相關(guān)關(guān)系，該現(xiàn)象為種植柳枝稷草改善貧瘠土壤結(jié)構(gòu)提供了一種潛在的解釋機(jī)制。Zethof 等研究了半干旱草原植物對(duì)原核生物群落組成、土壤EPS 含量和微團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)植物根部分泌物提供了易獲取的能量和養(yǎng)分物質(zhì)，刺激了根際微生物生長(zhǎng)以及EPS 產(chǎn)生量，微生物群落受到植物種類和土壤母質(zhì)的影響最大；土壤的團(tuán)聚程度和EPS-多糖含量隨著遠(yuǎn)離根際而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。隨后通過網(wǎng)絡(luò)分析研究，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)微生物分類群與EPS-多糖含量和/或土壤團(tuán)聚之間存在正相關(guān)關(guān)系。土壤EPS組分對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)程度可能取決于土壤質(zhì)地、土地利用方式和植被類型等。此外，基于結(jié)構(gòu)方程模型分析表明，土壤中多價(jià)陽離子通過增加EPS 產(chǎn)量和改變EPS 結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了土壤EPS對(duì)微團(tuán)聚體的穩(wěn)定作用。

5.3 捕獲貯存養(yǎng)分

不飽和土壤環(huán)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(yǎng)物質(zhì)。降解EPS 產(chǎn)生的小分子物質(zhì)可用作養(yǎng)分限制條件下細(xì)胞生長(zhǎng)的碳源和能源。然而，考慮到EPS 的分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(dāng)?shù)纯衫枚容^低情況下，土壤細(xì)菌會(huì)通過分泌的EPS-蛋白質(zhì)從土壤有機(jī)質(zhì)中進(jìn)行“氮挖掘”。細(xì)菌分泌EPS 可作為一種碳儲(chǔ)備的胞外策略，但很少有研究關(guān)注EPS 在微生物之間營養(yǎng)供給或交叉喂養(yǎng)中的作用。穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù)（SIP）可用于鑒別降解EPS 的微生物。Wang等利用同位素標(biāo)記印度貝氏固氮菌（）的EPS，觀察到EPS 可被低親緣性的細(xì)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(shù)結(jié)合宏基因組技術(shù)靶向研究降解EPS 的微生物群落和功能，并鑒定出產(chǎn)生糖苷水解酶的土壤細(xì)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(dān)子菌門（Basidiomycota）細(xì)菌同化。此外，研究人員分離出利用EPS 作為唯一碳源的細(xì)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(xì)菌分泌的EPS 可以增強(qiáng)對(duì)重金屬的吸附固持。大量研究已探討EPS 對(duì)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(fù)提供理論支撐。EPS 基質(zhì)的生物吸附能力歸因于豐富的官能團(tuán)，例如羧基、磷酸基、巰基、酚基和羥基等，能與陽離子之間產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電引力。生物吸附涉及EPS 官能團(tuán)與金屬之間的多種機(jī)制，包括物理吸附、離子交換、絡(luò)合和沉淀作用。EPS 的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)量和絡(luò)合能力與蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)含量相關(guān)。研究指出EPS 與重金屬之間的結(jié)合能力和鍵合強(qiáng)度很高，并且吸附遵循 Langmuir 或Freundlich 方程。同時(shí)，分泌的EPS 會(huì)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(rùn)土/水鐵礦復(fù)合物上的吸附動(dòng)力學(xué)；膨潤(rùn)土選擇性吸附EPS 的低分子量組分和含N 組分，礦物結(jié)合態(tài)EPS 增加了膨潤(rùn)土對(duì)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(duì)水鐵礦吸附重金屬具有負(fù)效應(yīng)。EPS-蛋白質(zhì)增強(qiáng)了針鐵礦對(duì)Hg（Ⅱ）的吸附能力。EPS 對(duì)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(fā)揮著重要作用。Nkoh 等發(fā)現(xiàn)添加細(xì)菌EPS 增加了土壤膠體表面的負(fù)電荷，導(dǎo)致對(duì)Cu和Cd的吸附量增加，靜電力、疏水力、范德華力以及絡(luò)合作用均有助于可變電荷土壤對(duì)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(huán)境行為。

細(xì)菌EPS 的滲透性屏障作用可以保護(hù)細(xì)胞免受高金屬濃度的毒性。通過對(duì)比Cu脅迫下熒光假單胞菌（）生物膜和浮游細(xì)胞的代謝響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)浮游細(xì)胞啟動(dòng)氧化應(yīng)激反應(yīng)，而金屬脅迫誘導(dǎo)了生物膜中EPS 相關(guān)代謝途徑表達(dá)。代謝過程的差異證明了EPS 的存在增加了細(xì)胞對(duì)重金屬的耐受性。近年來，研究發(fā)現(xiàn)EPS 也是電子傳遞介質(zhì)和電子供體。EPS 可以通過半縮醛基團(tuán)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(fā)現(xiàn)EPS 會(huì)顯著干擾硫化汞的沉淀，并導(dǎo)致可用于微生物甲基化的黑辰砂形成，從而增加了神經(jīng)毒素甲基汞的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。最新研究中將土壤EPS 納入土壤生化指標(biāo)之一，Redmile-Gordon 和Chen發(fā)現(xiàn)酸性土壤中細(xì)菌通過分泌 EPS-多糖和可溶性糖醛酸，作為一種應(yīng)對(duì) Zn脅迫的耐受機(jī)制。多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估了場(chǎng)地污染土壤中細(xì)菌群落的多金屬抗性和排毒途徑，發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌可通過分泌EPS-多糖和EPS-蛋白質(zhì)作為應(yīng)對(duì)Cr 脅迫的響應(yīng)策略。

5.5 吸附降解有機(jī)污染物

細(xì)菌EPS 的分泌能夠有效緩解有機(jī)污染環(huán)境的脅迫壓力。EPS 含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，有利于帶正/負(fù)電荷的有機(jī)污染物吸附。有機(jī)多溴二苯醚污染物在土壤中的命運(yùn)、遷移和生物利用度主要取決于土壤有機(jī)質(zhì)的吸附作用。土壤EPS 中的蛋白質(zhì)組分會(huì)增加土壤對(duì)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(jī)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(xiàn)出更好的乳化活性。土壤固氮菌產(chǎn)生的EPS 可增加難溶有機(jī)污染物的分散性，增強(qiáng)疏水性污染物與細(xì)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(huán)芳烴被認(rèn)為是行之有效的生物修復(fù)技術(shù)，其中EPS 增加了難溶性多環(huán)芳烴的生物利用度，加速了多環(huán)芳烴的生物降解。EPS 和多環(huán)芳烴之間的相互作用被認(rèn)為是自發(fā)放熱過程，兩者的結(jié)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(gòu)建生物膜群落，探究土壤生物膜超微結(jié)構(gòu)對(duì)苯并（a）芘吸附和生物降解的影響。研究結(jié)果表明，無機(jī)和有機(jī)載體均有利于生物膜的形成，并且有機(jī)載體上的生物膜具有更致密的EPS 基質(zhì)，加速了苯并（a）芘的生物降解。許多烴類降解細(xì)菌均具有產(chǎn)生乳化活性EPS 的能力，從而為生物修復(fù)有機(jī)污染環(huán)境提供了潛在的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論與展望

土壤細(xì)菌已經(jīng)發(fā)展出一系列適應(yīng)生存環(huán)境的策略。細(xì)菌EPS 的分泌是一種提供濕潤(rùn)環(huán)境、捕獲營養(yǎng)物質(zhì)、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)以及保護(hù)細(xì)胞應(yīng)對(duì)非生物脅迫、抗生素消殺和掠食者侵襲的重要策略。細(xì)菌EPS是高度多樣化的混合物，其功能取決于組成和結(jié)構(gòu)。EPS 可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚、改善土壤質(zhì)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(duì)養(yǎng)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(xì)菌具有巨大的環(huán)境功能潛力，通過促進(jìn)土壤生物膜的形成和改進(jìn)土壤EPS的組成，助力可持續(xù)和環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)發(fā)展。

EPS 是一類復(fù)雜的生物聚合物，對(duì)其組成結(jié)構(gòu)、環(huán)境功能和遺傳調(diào)控的理解雖然較為廣泛，但還遠(yuǎn)不完整。進(jìn)一步研究需要闡明EPS 生物合成和調(diào)控所涉及的基因和相關(guān)機(jī)制。同時(shí)，新型EPS 的發(fā)現(xiàn)和表征可能會(huì)帶來潛在的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在污染環(huán)境修復(fù)、土壤地力恢復(fù)和土壤肥力提升等方面。現(xiàn)代儀器分析技術(shù)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(huán)境掃描電子顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡、穩(wěn)定同位素探針、納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜和同步輻射技術(shù)等）以及與微生物組學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將更全面揭示EPS 的組成結(jié)構(gòu)和遺傳調(diào)控，并加速發(fā)掘EPS 在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的功能潛力。通過調(diào)控環(huán)境因素，EPS 的產(chǎn)生可能被觸發(fā)、停止或逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)土壤EPS 對(duì)養(yǎng)分存儲(chǔ)和釋放的調(diào)控，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤的物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況，為保障糧食安全和保護(hù)環(huán)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(guān)鍵科學(xué)問題有待進(jìn)一步明晰，以增進(jìn)對(duì)土壤EPS的理解：

1）EPS 成分的理化性質(zhì)：量化土壤EPS 及其成分EPS-多糖、EPS-蛋白質(zhì)和EPS-氨基酸等，可以闡明微生物群落的生物膜表型對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性。土壤中總糖、總肽及總氨基酸等的測(cè)定分析提供了豐富的土壤生化物質(zhì)信息，但由于無法準(zhǔn)確區(qū)分這些土壤生化物質(zhì)的來源，從而難以解答許多土壤科學(xué)的關(guān)鍵問題。對(duì)土壤生化物質(zhì)來源的模糊劃分和忽視行為阻礙了當(dāng)前土壤學(xué)科的發(fā)展，亟需進(jìn)一步區(qū)分生化物質(zhì)的來源。因此，土壤EPS的特異性提取和精準(zhǔn)分析將為理解相關(guān)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(guān)聯(lián)性。

2）EPS-蛋白質(zhì)與球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（Glomalin-related soil proteins，GRSP）：球囊霉素是叢枝菌根真菌的假設(shè)基因產(chǎn)物。GRSP 的提取方法值得重新審視，即對(duì)土壤進(jìn)行檸檬酸鹽緩沖溶液結(jié)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(xì)菌而非真菌的蛋白質(zhì)，并且未發(fā)現(xiàn)與GRSP 之間存在必然的關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，該方法裂解了微生物細(xì)胞，并共同提取了微生物胞內(nèi)成分和土壤有機(jī)質(zhì)。學(xué)者們進(jìn)一步推測(cè)GRSP 與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的良好關(guān)系可能歸因于土壤EPS-蛋白質(zhì)的有效共提取。Redmile-Gordon 等發(fā)現(xiàn)EPS-蛋白質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的潛在貢獻(xiàn)大于土壤有機(jī)質(zhì)或EPS-多糖。因此，闡明EPS-蛋白質(zhì)與GRSP 對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相對(duì)貢獻(xiàn)是必要的，有助于引導(dǎo)土壤科學(xué)工作者聚焦于更為關(guān)鍵的研究對(duì)象。

3）EPS 作為敏感的土壤健康指標(biāo)：基于避免微生物胞內(nèi)污染和降低腐殖質(zhì)共提取的判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步優(yōu)化陽離子交換樹脂（Cation exchange resin，CER）法提取土壤EPS。對(duì)土壤EPS 的認(rèn)知，有助于解析微生物細(xì)胞與土壤礦物/土壤有機(jī)質(zhì)之間的生物物理化學(xué)界面過程，揭開被隱藏的微生物界面響應(yīng)機(jī)制，推進(jìn)土壤EPS 發(fā)展為一類敏感的生物學(xué)指標(biāo)。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(fā)展為土壤健康指標(biāo)之一，并評(píng)估土壤EPS 與其他土壤健康指標(biāo)之間的相對(duì)重要性和相互關(guān)聯(lián)性。

4）EPS 推動(dòng)新型生物肥料研發(fā)：過度使用化學(xué)肥料和農(nóng)藥的環(huán)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(chǎn)力。生物有機(jī)肥料的出現(xiàn)為減少化肥和農(nóng)藥使用提供了有效途徑，有機(jī)肥與微生物接種劑的結(jié)合可以提供養(yǎng)分并改善土壤結(jié)構(gòu)。微生物接種劑已經(jīng)研究了幾十年，但仍然需要改善微生物的生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)接種劑的高生物量和高定殖存活率。考慮到EPS 對(duì)土壤細(xì)菌和土壤結(jié)構(gòu)的增益效應(yīng)，可以利用EPS 對(duì)微生物菌株進(jìn)行包封，進(jìn)而制備新型生物有機(jī)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(jié)構(gòu)。同時(shí)，將農(nóng)業(yè)廢棄物料作為大規(guī)模生產(chǎn)EPS 的底物，既可增加經(jīng)濟(jì)收益，也能解決廢棄物料堆積或焚燒帶來的環(huán)境問題。