许多人可能从没听说过周丛生物，实际上，周丛生物广泛分布在自然界。它们常年淹没在水下，处于水-土界面之间，发挥着重要的生态功能，具有重要的环境和农学效应。如果你走进它们的世界，就会发现它们虽不起眼，却是令人难以置信的庞大家族，在人类的农业生产和环境保护中发挥着不可估量的作用。
俗话说“人是铁，饭是钢”，粮食问题一直是全球关注的重要话题。我国拥有约14亿人口，是一个粮食生产和需求大国。稻米是我国最重要的主食之一，提高水稻产量，满足粮食需求，在我国的可持续发展计划中具有举足轻重的地位。
近年来，我国水稻产量不断增加，伴随而来的是肥料施用量持续处于高位，但养分利用率却普遍较低。大部分肥料不仅没有发挥功效，反而大量进入土壤，造成土壤酸化和板结，导致土壤质量退化、肥力下降和作物产量下滑等。在这种情况下，人们又会不断增加化肥施用量，最终形成恶性循环，造成更加严重的环境问题。
过量施肥还会增加氨挥发，农田氨挥发是造成我国大气雾霾频发的主要原因之一。大量流失的肥料进入水体，也是造成我国地表水体污染的重要原因之一，常见的黑臭水体、水体富营养化和蓝藻“水华”的很大一部分原因就是大量未被利用的养分进入了水体。过量施肥还会使硝酸盐等淋溶渗入地表20米以内的浅层地下水中，使地下水硝酸盐含量超标，长期饮用此类水源会危害人类身体健康。
因此，探索更多环保、有效的技术来提高肥料利用率和减少田间肥料施用量，是我国农业生产面临的一个亟待解决的重要问题。
什么是周丛生物？
周丛生物，又称自然生物膜，是附着于水下任何基质表面的微生物聚集体，其实质是一个完整的微生态系统，包括了微藻（如硅藻、蓝藻和绿藻等）、真菌（如鞭毛菌和半知菌）、细菌（如芽孢杆菌和假单胞菌）、原生动物（如草履虫和鞭毛虫）和后生动物（如轮虫和线虫）等生物组分，以及矿物质、胞外聚合物和碎屑等非生物组分。其中，微藻是在周丛生物群落中占据主要地位并发挥重要作用的成分。
周丛生物的适宜生境和表面基质具有广泛性和多样性的特点，不同周丛生物中微藻的种类、相对占比（丰度）和物理形态结构等千差万别。另外，这种附生生物膜的颜色是由其内部包含的主要藻类类型决定的，可以是附着在某些固定基质上的亮绿色黏稠生物膜，也可以是漂浮着的一些绿色或者褐色的浮块，其形状可以从简单的单细胞到可运动的多细胞丝状结构不等。它们喜欢生长在岩石、植物和沉积物等沉水实体上，并且可以在这些基质间自由移动。
值得一提的是，周丛生物可以像大部分浮游植物一样普遍存在于各种淹水环境中。除了充满泥泞和砂质的小溪流以外，在水库、池塘，甚至是淹水的稻田中都可以找到它们的踪迹，河流、湖泊和海洋中也能发现它们的身影。可以说，周丛生物在自然环境中极易形成并且随处可见。
不过，周丛生物极易受到外界环境的影响，如光照、水体营养物质、大型水生植物、牧食者和沉积物等。这些外界因素均会改变周丛生物的内部结构。因此，即便是在冬季，如果光照强度和温度较为适宜，周丛生物的生长也会非常旺盛，甚至会超过夏季。
周丛生物是如何形成的？
周丛生物的形成过程可以大致分为三个阶段：
第一阶段，在有营养元素的存在下，细菌首先附着在淹水固体表面，并形成细菌膜，产生胞外聚合物（一种由细菌等微生物分泌的有机高分子混合物，主要成分有多糖、蛋白质和核酸等）；
第二阶段，胞外聚合物慢慢将附近的微藻黏附起来，促进微藻菌团的形成，并供给其他微生物生长繁殖，真核生物也逐渐被胞外聚合物吸引过来，开始在基质表面生长；
第三也是周丛生物形成过程中最漫长的阶段，微生物（如原生动物、藻类和浮游动物）开始在基质表面繁殖，形成具有三维结构的微生物聚集体――周丛生物。
正是这种有序的生长过程形成了周丛生物，使它能够在水体的食物网和营养循环中发挥重要作用。
周丛生物是由细菌、细胞簇、胞外聚合物和颗粒（如矿物质和有机碎屑等）经过一系列空间排列构成的，这些结构通过影响生物膜内的运输阻力来改变生物膜的活性。我们认为，生物膜内的结构应该有几个固定的隔室，如基质室、生物膜室、零散的液体室以及可能存在的顶部空间，其中，生物膜室可以细分为基膜和表面膜。各生物膜室间存在空隙、通道、空腔和孔隙等，对于生物膜内的质量传递，基质和产物与水相的交换有相当大的影响。
综上所述，周丛生物的基本组成是细胞和胞外聚合物，它们排列复杂，结合形成二级结构，如离散的细胞簇（可能有各种形式和尺寸）和基膜；最后，基膜、细胞簇和簇间空隙区域的三维排列构成整个生物膜结构。
正是因为周丛生物膜的这种复杂结构及其在水-土界面中的广泛存在，越来越多的人开始关注周丛生物，并将其应用到各种水污染的治理中。
周丛生物在污染防控中的应用
先说说水污染。当前我国地表水体面临的主要问题是水体富营养化，即水中的营养元素（主要是氮、磷）含量过高，引起浮游植物疯长，严重时会使水体变为“死水”。一般来说，河湖的富营养化主要是由生活污水的大量排放引起的。目前污水处理厂大多采用活性污泥法，即利用微生物把污水中的营养物质富集起来，进而去除。
周丛生物中的藻类对氮、磷也有良好的富集效果，而且相较于细菌，藻类拥有更大的生物量和更高的去除效率，也更易于回收。此外，藻类和细菌同时存在时，它们的分泌物会对彼此的生存生长产生促进作用，形成一种共生关系。利用这种共生关系研发的藻菌共生污水处理系统在处理城市生活污水和低浓度地表水时有良好的表现。
周丛生物比单纯的藻菌共生系统复杂，对污染物的耐受性也更高。浙江嘉兴市石臼漾水厂水源保护区利用周丛生物建造的湿地公园，无论是污染物去除率还是经济效益都优于传统的污水处理设施。
稻田中同样生长着大量的周丛生物，对水稻的生长有双向影响：一方面，周丛生物具有固氮、解磷等功能，可以促进水稻对养分的利用，有利于水稻生长；另一方面，过多的周丛生物也会与水稻竞争养分。在生产实践中，施放的肥料不可能在整个生长期都符合水稻的养分需求曲线，过量与不足的情况都存在。尤其是过量时，多出来的氮、磷等养分往往流失到水体和大气中，造成污染。这时，周丛生物就像仓库一样将部分氮、磷吸收和储存起来，能有效减少污染。
微藻能吸收多种重金属，并能改变重金属的价态，降低其毒性。含有大量藻类的周丛生物同样具有这方面的功能。例如，科学家研究含铜污水处理时发现，周丛生物可以有效去除污水中的铜，其中吸附作用占主导。将周丛生物与生物炭联合使用的处理系统可以在重金属砷的剧烈毒性威胁下顽强存活，并能将污水中的砷吸附和固定住，进而去除。
周丛生物还可以有效去除有机染料。例如，周丛生物可通过生物降解，破坏苋菜红（一种有机染料）的偶氮键，将苋菜红转化为无毒的脂类化合物（如异丁烯、乙酸乙酯等无毒化合物），达到去除苋菜红的目的；通过生物降解和生物吸附的协同作用，还可以去除结晶紫和甲基橙染料，使染料废水完全脱色，从而达到农业灌溉用水的标准。
近些年掀起了纳米材料研发和应用的热潮，但随之而来的生态风险也应引起人们的注意。毒理学研究发现，纳米材料可导致细胞层面的损伤，包括DNA断链和结构破坏等，最终可造成细胞凋亡。环境中的纳米材料残留会抑制微生物生长，对动物造成氧化损伤等，存在危害人类的风险。
而周丛生物对纳米颗粒毒性具有抵抗和适应机制。首先，纳米材料进入周丛生物后造成损伤，但周丛生物能够通过调整群落结构来适应纳米材料的胁迫，并保持污染物去除能力；其次，周丛生物分泌的大量胞外聚合物对纳米材料的毒性有良好的抵抗作用；再次，复杂的三维结构和微生态使周丛生物在抵抗纳米材料毒性上具有天然优势。因此，新型纳米材料与周丛生物可联合应用于处理地表水，将光催化技术的高效率和生物技术的安全性融合到一起。
光明的生态前景和应用价值
俗话说“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃泥巴”，这里的“泥”是指浮游植物，即浮游藻类。研究表明，周丛生物凭借其包含的多种固氮蓝藻和固氮菌，同样具有固氮功能，可以充当初级生产者的角色，为水中的植食性动物提供充足的食物。在贫营养、光照足的水中，能够进行光合自养生长的周丛藻类，其生物量甚至能超过浮游植物。而且草食性鱼类有取食周丛生物的天然倾向，所以周丛生物在水产养殖上也有广泛应用。
周丛生物在水体中分布极为广泛，而且其群落组成极易受到水质变化的影响，可以将其应用到生态监测上。尤其是在周丛生物的复杂组成中，某些物种会对特定的污染物特别敏感，具有良好的指示作用。
周丛生物在农业面源污染的防治以及重金属、有机污染物、纳米材料等污染物的治理方面也具有很大的潜力及应用前景。
目前对周丛生物的应用研究仍较少：一方面，周丛生物应用于污水处理仍需更多的实践，在应用中发现问题、解决问题，工艺方能成熟；另一方面，将周丛生物用于环境监测时，其群落组成变化蕴含的信息还需要进一步研究。
（作者单位：张慧洁 赵婧宇 高波 吴永红，中国科学院南京土壤研究所）
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