长期以来，新污染物的生态效应评估主要依赖单一物种的实验数据。然而，自然界中的生物通过复杂的种间相互作用形成紧密联系。在水环境中，藻类与细菌建立的共生关系对生态系统至关重要。最新研究发现：十种不同抗生素在环境浓度下，会抑制单培养的藻类和细菌生长，却在共培养体系中促进藻类和细菌的共同增殖（图1）。这种群落水平的“兴奋效应”在阿奇霉素胁迫下尤为突出，并在自然藻-菌群落中得到验证。
图1 不同抗生素对单培养和共培养中细菌和衣藻生长的影响
为探究这一现象背后的机制，北京大学孙卫玲教授团队构建了藻-菌共培养体系，通过整合生理学与多组学分析，揭示了藻-菌互作的响应机制。研究发现，抗生素胁迫增强了衣藻和细菌间的物理接触和化学趋化（图2）。值得注意的是，藻-菌互利关系的建立需要直接物理接触——虽然细菌可通过衣藻的可扩散物质获益，但衣藻的生长促进严格依赖于与细菌的直接接触，凸显了藻际细菌在胁迫环境中的关键作用。
图2 衣藻与细菌保持空间毗邻性和增强趋化性来应对抗生素胁迫
抗生素胁迫重塑了藻际菌群结构。阿奇霉素胁迫下，藻际富集了能够利用多种衣藻衍生物的“通才型”细菌，这些细菌同时具备提供多种促藻生长物质的能力（图3）。在氮循环方面，衣藻与其藻际细菌形成了精巧的补偿机制：衣藻的硝酸盐利用受抑时，藻际菌群通过固氮作用和异化硝酸盐还原为衣藻提供替代氮源——氨氮。相应地，共培养体系中氨氮浓度显著升高，支持衣藻生长需求。在磷代谢方面，藻际菌群的膦酸盐降解基因显著上调，将衣藻不可利用的有机磷转化为可利用的无机磷。此外，细菌还提供维生素B12和生长素等高级代谢产物促进衣藻生长。衣藻则为藻际细菌提供糖类、嘌呤和氨基酸等有机碳源作为回报，形成互利合作。研究还发现，共培养体系建立了高效的解毒策略（图3）。衣藻展现出比河流细菌更强的抗生素去除能力；同时，藻际细菌通过上调大环内酯类抗性基因，实现抗生素的磷酸化失活。这种双重解毒策略有利于提升整个群落的抗胁迫能力。
图3 抗生素胁迫下衣藻与细菌的互利相互作用
该研究在群落水平上揭示了污染物诱导的兴奋效应，证明种间互作是环境胁迫下生物响应的关键调节因子。研究结果表明，基于单一物种的评估体系不能全面反映污染物在真实生态系统中的复杂效应。从群落水平出发，理解物种间错综复杂的互作关系，有助于准确评估污染物生态风险，为未来的环境风险评估和管理提供新的视角。
研究结果以“Antibiotic stress-induced hormesis in phytoplankton and bacteria through their mutual cooperation”为题发表在Science Advances。论文第一作者为游秀琪，北京大学孙卫玲教授为通讯作者。
原文链接：
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adv7921
