人类母乳微生物菌群的生态学分析

母乳是婴儿最健康、理想的营养来源,也是人类进化和文明最重要的特征之一.最新的宏基因组学研究表明母乳含有高达数百种细菌,而且包括一些常见的病原菌.母乳微生物菌群是人类与微生物协同进化相互适应的产物,而"微生物群落-宿主"生态系统的动态平衡则应是保持健康母乳的基础.然而,迄今为止,从生态学角度对母乳微生物菌群的研究近乎空白.本文应用宏观生态学中的"中性"理论和Taylor幂法则分析探讨了母乳菌群群落多样性的进化和维持机制、细菌种间相互作用的机制以及由此产生的细菌种群分布格局.两项理论模型分析交叉验证了母乳微生物群落分布的异质性和非随机性特征,预示了群落中物种间存在一定程度的生态位分化以及占主导作用的优势物种.     

锡林郭勒牧场人畜肠道微生物及土壤微生物多样性的比较分析

以内蒙古锡林郭勒镶黄旗呼日敦高勒嘎查牧场内牛、山羊、绵羊、马、人的粪便和土壤为研究对象,利用Pac Bio SMRT测序平台对细菌16S rRNA基因全长进行测序,运用生物信息学分析方法对人畜肠道微生物及土壤微生物多样性进行全面评估.结果发现,人畜肠道菌群均以厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌门,而土壤以酸杆菌门和变形菌门为优势菌门.在属水平,人畜以梭菌属、拟杆菌属为优势菌属,而土壤以Blastocatella和芽孢杆菌属为优势菌属.在种水平人以Escherichia/Shigella dysenteriae和Streptococcus salivarius为优势菌种,而4种家畜的优势菌种均为Oscillibacter valericigenes和Eubacterium coprostanoligenes.土壤以Blastocatella fastidiosa和Bacillus longiquaesitum为优势菌种.比较各样品α多样性发现,人肠道微生物的多样性显著低于其他食草动物.通过主坐标和层次聚类分析发现可将6种样品分为:组1(人)、组2(马)、组3(绵羊、牛、山羊)和组4(土壤)4组.本研究对差异OTU进行比对分析探究了造成该分组的原因.因此本研究揭示了土壤、人和家畜肠道微生物组成和结构存在显著的差异,为进一步研究不同生境中微生物多样性提供数据参考.     

海洋微生物与噬菌体间的相互关系

病毒是海洋中丰度最高的生物体, 其中绝大多数又为能够侵染细菌和古菌的噬菌体.它们在控制微生物死亡率、调节微生物群落结构与多样性、影响微食物网过程以及参与碳、氮等元素的生物地球化学循环等方面扮演着重要的生态角色. 本文对近年来关于海洋细菌与其病毒间相互关系的研究进行了概述, 并结合作者的工作对未来的研究进行展望.     

人类活动对深地微生物的影响

在深地环境中生活着数量庞大且种类众多的微生物,主要是细菌和古菌,并包括真菌和病毒.水-岩相互作用产生的氢气和甲烷是这些微生物主要的能量来源.人类活动改变了深地环境及其微生物群落组成和功能.页岩气是存在于深地页岩中的天然气,开采页岩气所使用的水力压裂技术会对深地微生物产生显著影响,在水力压裂开发的不同阶段,微生物群落结构存在显著差异,产甲烷菌能够提高页岩气产量,而产酸细菌则会造成储层酸化和设备锈蚀,降低页岩气的采收率.核废料是指含有高于安全剂量放射性同位素或被其污染的物质,核废料的安全处置是决定核工业能否持续发展的关键因素.地质处置是目前公认的、唯一可行的长期安全处置半衰期长、高放射性核废料的方式,但是,硫酸盐还原菌的活性会导致储存室的锈蚀,微生物产生的气体也会影响地下空间的气压,这些微生物作用都可能对处置安全产生负面影响.CO_2深地封存可以控制其向大气排放,缓解全球暖化,但深地封存的超临界态CO_2能够引起地下水酸化,加速岩石和矿物的溶解,从而改变深地的化学环境和微生物群落,并对CO_2的长期有效封存产生影响.目前有关人类活动对深地微生物的科学研究均侧重于其短期影响,今后的研究应重点关注其长期影响.     

马兰冰芯细菌菌群结构变化与气候环境的关系

为了解冰芯细菌菌群结构与过去气候环境变化的关系, 我们利用直接PCR和DNA分子克隆技术从代表不同温度变化时期的3个马兰冰芯样品中, 克隆并构建了3个含有马兰冰芯细菌的16S rDNA基因的文库, 从中筛选出94个阳性克隆, 获得了11个克隆序列, 并与已报道的另8个DNA序列一起构建出它们的系统发育树. 结果表明, 马兰冰芯细菌菌群具有一定限度的基因多样性, 包括α, β, γ-Proteobacteria; CFB, 和其他细菌组等5个大的类群. 其中相当大一部分属于嗜冷细菌和新的细菌属, 可能代表了在马兰冰川极端环境中生存的细菌. 对这一部分细菌菌群在冰芯剖面上的数量分析结果表明, “典型的马兰冰川细菌”菌群数量与氧同位素记录的温度变化呈现负相关的对应关系, 与冰层中的污化层具有密切的关系. 说明, 大气温度变化对冰芯中微生物记录的作用主要是通过影响“典型的马兰冰川细菌”(嗜冷菌和耐冷菌)菌群数量的消长而起作用的. 同时, 冰川中的营养物质也是影响冰芯微生物记录的一个重要的限制因素. 此外, 马兰冰芯细菌优势类群的垂直分布表现出明显的层状分布特征, 反映了微生物对冰芯深度所代表的不同时期的气候环境变化的响应.     

一个可能的植物入侵机制: 入侵种通过改变入侵地土壤微生物群落影响本地种的生长

测定了紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)重度入侵地土壤(对照于轻度入侵地土壤)的pH, 有机质, N, P, K养分状况和细菌群落特征(Biolog EcoPlate^TM)的变化; 并通过紫茎泽兰的水浸提液处理土壤, 检测了紫茎泽兰对土壤细菌群落作用; 然后通过盆栽实验研究了土壤性质的改变对外来植物紫茎泽兰入侵过程的意义. 土壤性质分析结果表明, 2个样地间的土壤pH, 有机质, 全N, 全P和全K差异较小, 而重度入侵地土壤的NH₄⁺-N, NO₃^--N和有效性P, K比轻度入侵地显著地提高, 2个样地间的土壤细菌群落结构存在明显的差异; 紫茎泽兰水浸提液处理的轻度入侵地土壤在细菌功能群结构上与原土壤存在较大差异, 而与重度入侵地土壤具有很高的相似性. 盆栽实验结果表明, 当生长于重度入侵地土壤时, 紫茎泽兰和三叶鬼针草的生长不受影响, 但本地植物生长受到明显的抑制, 在用活性炭除去土壤中可能残留的紫茎泽兰化感物质后, 仍然表现出相同的规律. 在以上结果中, 土壤养分状况的差异无法解释生长于二种土壤上的本地植物生长的差异, 而土壤细菌群落特征在样地间的变化与本地植物的生长表现出明显的相关性, 暗示着改变土壤细菌群落可能是紫茎泽兰入侵过程的一个重要组成部分. 土壤微生物群落可能在外来植物与本地植物的关系中起到了重要的“桥梁”的作用, 外来植物可以通过改变重度入侵地土壤微生物群落结构阻碍本地植物的生长和更新.     

设施农业土壤微塑料污染及其对细菌群落多样性的影响

设施农业土壤普遍使用塑料薄膜覆盖和施加大量有机肥,可能成为微塑料污染区.对杭州湾沿岸集中连片设施农业区54个表层土壤样品的调查研究表明,黑色地膜覆盖土壤中微塑料丰度普遍高于透明棚膜、棚膜与地膜结合覆盖土壤,微塑料最高丰度可达1560个/kg,聚乙烯薄膜类微塑料普遍存在.进一步通过聚乙烯微塑料污染土壤暴露培养29 d的试验结果表明,微塑料的添加会一定程度抑制土壤细菌群落丰富度的恢复. 16S r RNA高通量测序结果显示,土壤细菌群落结构的改变不随微塑料暴露量的增加而加剧, 1%暴露量时聚乙烯微塑料对土壤细菌群落结构的影响比5%暴露量时更为显著;土壤中的微塑料暴露主要使鞘脂单胞菌目(Sphingomonadales)、黄色单胞菌目(Xanthomonadales)、丙酸杆菌目(Propionibacteriales)、Chitinophagales、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)和黄杆菌目(Flavobacteriales)等相对丰度显著上升,而未分类的放线菌目(unclassified Actinobacteria)、β-变形菌目(Betaproteobacteriales)、粘球菌目(Myxococcales)、芽单胞菌目(Gemmatimonadales)等相对丰度显著下降; KEGG代谢通路预测显示土壤微塑料污染可能会影响异黄酮等次级代谢产物的生物合成,促进多环芳烃的降解.未来需进一步从相关功能基因角度探讨微塑料污染对土壤中养分和外源污染物生物转化的影响.     

水相反应介质对有机相微生物脱硫的影响

以十二烷为模拟油相, 以革兰氏阴性菌德氏假单胞菌(Pseudomonas delafieldii)R-8作为有机相脱硫的微生物, 对脱硫过程中水相反应介质的组成(生长介质和非生长介质), pH, 含盐(NaCl)浓度和水相体积等对R-8静止细胞脱硫活性的影响进行了研究. 探讨了辅因子和不同烷烃对脱硫活性的影响. 结果表明, R-8在NaCl浓度高达60 g·L^-1, 油相体积分数大于83%的条件下仍具有较高的脱硫活性. 辅因子NADH的添加可有效提高菌株的脱硫速率. R-8可脱除C6 ~ C16烷烃中的DBT, 其中以在十二烷和十六烷中的活性最高, 分别为1.96和1.70 mg·g^-1·h^-1, 同R. erythropolis IGTS8的脱硫活性相当.     

基于界面追踪的黏弹性流体微观流动模拟

特高含水期后期,地层剩余油主要以油膜、盲端残余油等形态存在,水驱开发效果变差,采用黏弹性流体驱替是当前提高采收率的有效方法.为探索黏弹性流体驱替残余油的水动力学机理,基于N-S方程模拟黏弹性流体在微孔道内流动.采用Oldroyd-B本构方程描述流体的黏弹性,运用相场方法实时追踪驱替过程中两相界面.分别研究壁面油膜在黏弹性流体驱替下的运动和变形,黏弹性流体对盲端残余油的驱替效果,并分析残余油微观受力状况.采用有限元方法对模型进行求解,并验证模型与求解的正确性.研究结果表明:黏弹性流体可以有效驱动壁面油膜运动,相同注入流量下,黏弹性流体作用于壁面油膜上的水平应力差远大于水;作用于油膜上的法向应力分布不均匀导致油膜发生较大变形.同时黏弹性流体在盲端内的波及边界更深,有利于引发盲端残余油的运动,提高残余油采收率.黏弹性流体驱替对水湿油藏开发增产效果更明显.该研究初步揭示了黏弹性流体驱替残余油的水动力机理,为油田三次采油提供有效指导.     

地质微生物功能群: 生命与环境相互作用的重要突破口

微生物类型丰富、数量巨大, 是联系其他生物和环境的重要纽带. 但由于在地质体中保存下来的细菌和古菌缺乏形态和结构的多样性, 不能像动植物那样可以从形态上开展属种水平的研究, 这个难点问题一直影响着地质微生物的研究. 地质微生物功能群因在生理学、生态学和生物地球化学等方面的功能明确, 并能在地质体中留下各种记录而将成为瓶颈突破的关键点, 它是当前古生物学向地球生物学发展的一个重点研究内容. 本文评述了与碳、硫、氮和铁等重要元素代谢和循环有关的地质微生物功能群的特点、起源及其在地质体中的识别标志,分析了这些微生物功能群在参与形成地质历史时期的异常气候、硫化海洋、低浓度硫酸盐海洋、地质营养条件以及前寒武纪条带状铁建造等方面的重要作用.     

普通野生稻(Oryza rufipogon)内生固氮菌多样性及高固氮酶活性

从广东博罗、惠来和海南陵水县普通野生稻中分离到37株内生固氮菌, 并测定其固氮酶活性. 经固氮酶基因(nifH)的PCR扩增检测, 37株内生固氮菌均能扩增出固氮酶基因(nifH)片段. 在80%相似性水平上, IS-PCR指纹图谱聚类分析得到8个类群(Ⅰ~Ⅷ). SDS-PAGE全细胞蛋白电泳聚类分析与IS-PCR的聚类结果相似. 对各类群相应代表菌株(Ls13, Ls8, BL1, BL12, HL6, Ls4)进行脂肪酸含量和成分比较, 结果表明, 这些菌株的脂肪酸成分和含量具有较大的差异. 16S rDNA序列分析表明, 类群Ⅰ~Ⅶ的菌株均属于肠杆菌科(γ-变形菌纲), 其中类群Ⅰ和Ⅱ的菌株属于克雷伯氏菌属不同种群; 类群Ⅲ菌株Ls8与成团泛菌(Pantoea agglomerans)的相似性为96%, 可能代表该属内的一个新种或一个新属; 类群Ⅳ和类群Ⅴ的菌株代表肠杆菌属的不同种群; 类群Ⅵ菌株Ls4和Ls9与无丙二酸柠檬酸杆菌(Citrobacter amalonaticus)有98%的相似性; 类群Ⅶ菌株Ls15与成团泛菌关系最近, 有97%相似性, 属于泛菌属; 类群Ⅷ属于Ideonella属(β-变形菌纲). 这些表明普通野生稻内生固氮菌具有较大的多样性, 且部分菌株具高固氮酶活性, 达42.52 ?mol C2H4·mL^-1·h^-1. 水稻接种实验表明内生固氮菌能明显促进水稻生长.