环境微生物组多样性及功能研究进展

快速发展的测序技术和各种高通量手段使我们能够深入探索环境微生物的多样性及其功能。本文中提及的环境微生物组(environmental microbiome)界定为特定环境中所有微生物基因组的集合。环境微生物组研究的主要目的是解读特定环境中微生物的多样性、结构、功能、相互作用和进化,以及它们与环境因子和生态系统功能之间的关系等。本文重点关注土壤、水体及空气中的微生物组研究,回顾了目前的高通量测序技术和主要的环境微生物组学数据分析工具,然后综述了不同的生态环境中微生物组研究的主要的进展,最后,提出了环境微生物组研究中的关键科学问题,并突出了在未来环境微生物组研究中微生物功能和生态机制的重要性。     

土壤微生物多样性与植物多样性

土壤中生活着丰富的微生物类群,是一个重要的地下生物宝库.土壤微生物是土壤中的主要分解者,对环境起着天然的“过滤”和“净化”作用,在自然生态系统的功能发挥和维持能力方面极其重要.植物、土壤和微生物相互作用,构成了一个植物-土壤-微生物的有机整体.土壤微生物多样性代表着微生物群落的稳定性,指生命体在遗传、种类和生态系统层次上的变化.从遗传、分类、生态功能以及系统发育等多方面阐述了当前土壤微生物多样性的研究工作.同时探讨了植物多样性与土壤微生物多样性之间的内在联系,植被的破坏可直接导致土壤微生物多样性的丧失,而土壤微生物对植物物种多样性的维持又具有重要作用.因此,加强土壤微生物多样性研究对植物多样性保护具有重要意义.     

基因芯片技术在环境微生物分子生态学研究中的应用

基因芯片技术是20世纪90年代发展起来的一门高新技术,其作为不依赖于微生物培养、高通量和高灵敏度的新技术在环境微生物分子生态学研究中得到广泛的应用。环境微生物生态学研究主要包括环境中微生物的种类、数量、功能、动态变化规律以及环境因子、微生物种群和数量对微生物及环境的影响。探讨了基因芯片技术在微生物群落和多样性、微生物功能基因以及微生物群落动态变化和相互作用关系等环境微生物分子生态学研究中的应用。     

微生物共培养产生新颖活性次生代谢产物的研究进展

微生物源天然产物是药物先导化合物的重要资源之一.近年来,利用微生物共培养产生各类天然产物的研究发展迅速.微生物共培养是一种通过模拟（微生物）栖息地/栖息环境以激活可能的沉默生物合成基因簇并进而诱导微生物产生新次生代谢物的有效方法.与菌株纯培养相比,共培养不仅增加了次级代谢产物的种类多样性,而且其生物活性及产量也得到了提高.文章就近5年来真菌与真菌、真菌与细菌、细菌与细菌等3种类型的微生物共培养研究成果进行了综述,同时简要介绍了用于分析共培养作用机制的多组学技术,并在此基础上探讨了微生物共培养相互作用机制研究的进展及挑战.综述旨在为微生物共培养的深入研究提供借鉴,并为微生物药物的开发提供新思路.     

宏基因组技术及其在厌氧消化研究中的应用

在介绍基因（组）富集、基因（组）DNA提取、文库构建及筛选等宏基因组技术的基础上,论述了宏基因组技术在厌氧消化研究中应用的重要性,认为该技术可成为研究微生物群落多样性的首选技术之一,有助于了解厌氧消化微生物的多样性、生态功能和动态变化,揭示厌氧消化微生物学机理,提高厌氧消化效能等.同时宏基因组技术为微生物资源的深层次开发利用提供了技术平台,并在工业、农业、海洋等领域具有广泛的应用前景.     

未培养微生物研究的两种新技术及其寻找功能基因的应用

在微生物筛选过程中,99%的未培养微生物是用传统的方法无法分离的,这极大地限制了微生物生态领域中的多样性和利用生物资源等方面的研究.采用新技术成为研究未培养微生物的技术瓶颈.综述应用于未培养微生物的两种新技术--宏基因组和稳定同位素,探讨这两种新技术在寻找功能基因中的应用,特别是在生态环境中寻找功能微生物.探讨降解微生物及其功能基因对污染的生态环境进行的生物修复,为进一步研究微生物生态多样性及其功能基因的开发应用打下基础.     

高浓度镍环境中不同培养条件对浸矿微生物群落的影响

为了解高浓度镍环境中不同能源条件对浸矿微生物群落组成的影响,以59g/L(1 mol/L)的镍离子作为选择压力,在不同培养条件下富集酸性环境中的微生物,并通过聚合酶链式反应-限制性片段长度多态性(PcR-RFLP)技术分析微生物群落多样性.研究结果表明:在高浓度镍离子胁迫下仍存在多种微生物,分别属于变形菌门、酸杆菌和厚壁菌门.此外,研究还发现,不同的富集条件对微生物群落影响很大.当pH值为4时,以亚铁为能源的富集物中,其微生物群落主要以Acidiphilium属和Acidobacterias属为主;在以单质硫为能源的富集物中,90%的微生物属于Acidiphilium;在以硫酸亚铁、单质硫及酵母粉为能源的富集条件下,Acidiphilium和Pseudomonas 为优势种群.     

变性梯度凝胶电泳技术在海洋微生物分子生态学中的应用

变性梯度凝胶电泳技术是近年来研究微生物分子生态学的有利工具,因其具备可靠、简便、可重复等优势,被广泛应用于海洋微生物群落的多样性和动态性分析。文章综述了基于PCR的变性梯度凝胶电泳技术的基本原理、技术步骤、影响因素及其在海洋微生物群落多样性和动态性研究的应用现状。     

海洋微生物次生代谢的生理生态效应及其生物合成机制研究

研究可望取得海洋微生物新物种、新基因、新结构、新机制和新功能研究的重大突破,全面提升我国海洋微生物次生代谢科学研究的水平。属重要科学前沿交叉综合研究。海洋微生物是最具优势和特色的海洋生物资源。海洋微生物的研究,关乎海洋生物资源的国家权益保障、创新药物的资源安全、生态环境安全与健康修复和国家重大科技战略。海洋微生物次生代谢的研究是创新药物和生态环境健康修复的基础,也是组合生物合成技术的起点。组合生物合成技术将为海洋微生物产业提供健康、快速、和谐发展的新途径。围绕"海洋微生物的特有次生代谢过程及其生物学意义"关键科学问题,选择我国特有海洋环境和特色海洋生态系统的微生物类群,关注物种多样性和遗传多样性,发现具有生理与生态学效应的新颖次生代谢产物,研究海洋微生物的关键次生代谢过程和主要功能基因,揭示生物合成途径和调控机制,发展基因重组技术、代谢工程技术,丰富生物合成基础理论,开发组合生物合成新技术,从而为创新药物和特色环保制品的开发奠定基础。     

龙门山地震带不同植被类型土壤微生物群落多样性分析

采用BIOLOG-ECO (Ecology Plate,ECO)技术,探讨龙门山地震带——银厂沟地区杂木林、竹林和松树林3种植被类型对土壤微生物群落多样性的影响.结果表明,随着培养时间的延长,土壤微生物群落的平均颜色变化率(Average Well Color Development,AWCD)均呈"S"型曲线增长,但3种植被类型土壤的AWCD值在增长速率和最大值方面存在一定的差异性;碳水化合物类、氨基酸类、醇类和酯类碳源是土壤微生物群落主要利用的碳源类型;当培养0～144 h时,竹林微生物群落的多样性最高,其次是杂木林,松树林最低,当培养144～240 h时,杂木林微生物群落的多样性高于竹林,松树林最低.研究结果说明植被类型可以影响其土壤微生物群落的多样性,同时也为龙门山地震带土壤生态系统的恢复和重建提供了科学依据.     

垂直森林绿化系统中土壤微生物多样性研究

采用高通量基因条形码技术分析了45份土壤样品的微生物多样性格局.结果发现,垂直森林绿化与周边绿地具有相似的α多样性以及较大的群落特征差异和β多样性.这些结果表明,垂直森林建筑能够容纳丰富的土壤微生物种类,促进城市生物多样性保护.     

斑点福寿螺肠道菌群结构及功能研究

肠道微生物被认为是动物机体的共生体,在营养物质代谢、免疫调控等方面发挥重要作用.入侵生物斑点福寿螺(Pomacea maculata)严重威胁农业生产和生态系统功能.本研究利用高通量测序技术对11只雌、雄斑点福寿螺的肠道微生物多样性、结构和功能进行研究.结果表明,在门水平上,斑点福寿螺肠道内容物主要优势菌为变形菌门(P...     

净水工艺中的微生物群落结构与优势菌

采用PCR-单链构象多态性(PCR-SSCP)技术对生物活性炭滤池与生物强化净水工艺中的微生物群落结构和多样性进行分析,并利用最大可能数法研究生物活性炭滤池与生物强化滤池中可培养的优势菌.实验结果表明,混凝、砂滤及生物强化过滤净水工艺对微生物的群落结构均无明显影响;生物活性炭净水工艺则可使原水微生物群落多样性降低,这是由于活性炭对微生物具有的较强吸附作用所致.通过分析R2A培养基上生长的微生物群落,发现各生物滤池中可培养的微生物群落具有丰富多样性,且滤池间Dice遗传相似系数为0.69～0.86,即群落种类差异较小.生物活性炭滤池与生物强化滤池中可培养的主要优势菌为巨大芽胞杆菌、短小芽胞杆菌、蜡样芽胞杆菌、弗劳地枸橼酸杆菌、豚鼠气单胞菌、恶臭假单胞菌和肺炎克雷氏菌等.将PCR-SSCP技术与传统培养方法相结合,可分析生物滤池中的优势菌群,提高饮用水的生物处理能力.     

16S rRNA基因技术在油藏微生物生态研究中的应用

分子生态学技术的发展大大促进了人们对环境中微生物群落的研究，也为研究油藏微生物群落和微生物采油技术提供了一个新的工具，尤其16S rRNA基因技术应用于油藏微生物生态研究．该技术克服了基于细胞水平研究方法的不足，能更准确、更客观地揭示油藏微生物的多样性、群落动态变化、种群结构及进化等方面的信息．文章简要综述了16S rRNA基因技术发展历程及在环境微生物生态学中的应用，详细概述了16S rRNA基因技术在油藏微生物生态研究中的地位和作用以及用于油藏微生物生态研究的16S rRNA基因技术，讨论了16S rRNA基因技术目前在油藏微生物生态研究中存在的问题，通过实例论证了该技术的现场应用效果，重点介绍了胜利油田利用T-RFLP、DGGE等分子生态学技术在河口采油厂罗801区块空气辅助微生物驱和单12区块内源微生物驱研究中的应用，阐明了分子生态学技术在微生物提高原油采收率研究中的重要的意义．     

宏基因组学技术与微生物群落多样性分析方法

从宏基因组学的2个主要技术——扩增子测序与宏基因组测序出发,对其在微生物群落检测中的基本分析流程进行了介绍.概述了微生物群落多样性的概念、相关的统计分析原理以及相关分析结果的解析方法等.提出利用正处于蓬勃发展时期的大数据分析技术与手段来克服宏基因组学数据解析,并将分析结果用更易理解的形式展现出来是未来研究的重点和难点,...     

鄱阳湖流域底泥微生物对环境变量的响应

以鄱阳湖流域4个支流共6个地点(信江XS1、信江下水湾XS3、饶河RS、饶河内湖RHS、修水SS、赣江GS)的底泥样品为研究对象,利用16 S rRNA基因扩增技术探究底泥微生物对环境变量的响应.结果显示:6个采样点的底泥样品的微生物群落结构大致分为4类; 底泥的pH值、TOC、TN、TP和重金属含量对微生物群落结构及微生物多样性存在着显著的影响.4条河流底泥微生物多样性指数顺序为赣江>信江>修水>饶河,同时发现饶河的Cu、Zn含量在4条河流中最高,这说明高Cu、Zn会对微生物多样性产生负面的影响; 河流与其所对应湖区底泥样品中微生物多样性指数比较发现:饶河>饶河内湖,信江下水湾>信江,这种结果顺序的不一致主要是由底泥中营养物质含量不同和某些重金属元素胁迫导致的.     

北部湾海洋微生物物种多样性与化学多样性研究进展

北部湾海域是我国生物多样性最丰富的海域之一,为人类发展提供了大量的生物资源。北部湾还蕴含着极丰富的微生物资源,是新物种、新基因、新药物、新生物材料的潜在来源。为更全面地了解北部湾海洋微生物的研究现状,促进北部湾海洋微生物资源的研究和开发利用,本文综述了北部湾海洋微生物的物种多样性和代谢产物活性成分多样性,为深入研究北部湾海洋微生物,开发和利用北部湾海洋微生物资源提供参考。     

小兴安岭3种原始红松混交林土壤nirK型反硝化微生物群落特征

【目的】分析小兴安岭地区3种典型原始红松林下土壤nirK型反硝化微生物的群落结构和多样性,探索影响原始红松林土壤nirK型反硝化微生物群落的关键土壤理化因子。【方法】在黑龙江省伊春市小兴安岭凉水自然保护区内采集3种原始红松林(云冷杉红松林、椴树红松林和枫桦红松林)林下土壤样品,提取土壤微生物总DNA,PCR扩增反硝化过程中的关键酶——硝酸盐还原酶的编码基因nirK高变区片段,采用Illumina MiSeq技术对其进行测序,并运用生物信息学技术分析nirK反硝化微生物的群落结构和多样性。【结果】共获得3种林型土壤nirK型基因的848 312条有效序列,761 912条优质序列,平均长度为320 bp。3种原始红松林土壤nirK型反硝化微生物分属于三界(细菌、古菌和无明确分类地位)。3种林型土壤中均含有大量未被鉴定的nirK型基因序列,在已鉴定的nirK型反硝化微生物中各林型均以变形菌门(Proteobacteria)为主,核心菌属为慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、固氮螺菌属(Azospirillum)和伯霍尔德杆菌属(Burkholderia)。α多样性分析显示:3种原始红松林nirK型反硝化微生物的4种α多样性指数(Shannon指数、Simpson指数、Ace指数和Chao1指数)没有显著差异。但β多样性分析显示:3种林型土壤nirK型反硝化微生物群落组成差异显著(R=0.25,P<0.05)。Metastats分析表明:3种林型土壤中丰度存在显著差异的是拟杆菌门(Bacteroidetes)、广古菌门(Euryarchaeota)和变形菌门(Proteobacteria)。土壤铵态氮和全氮含量是显著影响林下土壤nirK型反硝化微生物群落组成的主要理化因子(P<0.05)。【结论】3种原始红松林土壤理化性质差异没有对nirK型反硝化微生物的α多样性指数产生显著影响,但导致β多样性差异显著,其中铵态氮和全氮含量是显著影响3种原始红松林土壤nirK型反硝化微生物群落组成的主要因子。     

铁碳内电解耦合蕹菜(Ipomoea aquatica)对黑臭污水脱氮效果的研究

构建了铁碳内电解耦合蕹菜技术体系,用于原位净化河道黑臭污水,采用单因素模拟实验,探究耦合体系植株密度、铁碳填料用量和陶粒用量对黑臭污水脱氮效果的影响规律.结果表明,在植株密度为80株/m2、铁碳填料用量为18 g/L和陶粒用量为52 g/L的适宜组合下,处理22 d后,TN和NH₄+-N的去除率分别为74.1%和99.6%,其质量浓度分别稳定在(13.65±1.24) mg/L和(0.18±0.04) mg/L.水体微生物丰度和多样性有了显著提高,主要优势细菌门是Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes,主要优势细菌属为Pseudomonas、Escherichia-Shigella和Diaphorobacter,微生物群落演化更适宜脱氮.耦合体系通过协同作用净化水质,其作用过程包括:铁碳内电解产生质子[H]和Fe2+提供电子促进自养反硝化、蕹菜根际泌氧促进微生物硝化、陶粒生物膜与根际微生物之间的硝化反硝化作用、陶粒吸附氮.该研究为采用铁碳内电解耦合挺水植物净化河道黑臭污水提供了依据.     

察尔森水库水质特征及其微生物多样性分析

察尔森水库出险加固后,丰水期水质特征有待进行评价,水环境的变化对微生物群落也会构成影响.为了探究查尔森水库水质与微生物群落变化之间的联系,结合环境因子变化特征,利用高通量测序技术,对丰水期察尔森水库上游东、西入口及下游出口三个位点的微生物群落结构进行分析,对表层水体及水库底泥中沉积物微生物群落组成及分布特征进行分析.最终获得了hgcl-clade、不动杆菌属(Acinetbcter)、黄杆菌属(Flavbacterium)、CL500-29-marine-grup等465个属组成;底泥中微生物的多样性远多于水质中微生物多样性;微生物多样性排序为:DHN_2>DHN_1>DHN_3.明确了察尔森水库水质、水体和底泥中微生物群落结构及其多样性的变化,为察尔森水库富营养化的微生物指示作用提供理论依据和数据支持.