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。     

磷脂脂肪酸谱图分析方法及其在环境微生物学领域的应用

 传统的微生物鉴定和群落分析方法建立在微生物纯种培养分离的基础之上。但是在自然环境中,99%以上的微生物未能通过人工培养,在微生物的分析和研究中存在很大的局限性。与传统的基于培养基的微生物分离技术以及生理学方法和分子生物学方法相比,基于现代生物化学技术——脂肪酸可作为生物标记物而发展起来的磷脂脂肪酸谱图分析方法(PLFA)具有不依赖于培养体系影响,能够直接有效地提供微生物群落中的信息;脂肪酸成分不受质粒数量的影响,试验结果客观、可靠;试验条件要求低、操作难度小、测试功能多;由脂肪酸谱图可以对整个微生物群落进行定量描述等诸多优点,在环境微生物学领域的应用日趋广泛。本文综述了PLFA谱图分析方法及其在环境微生物学领域的应用,包括在微生物检测、鉴定和微生物多样性研究中的应用。     

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。     

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．     

环境微生物的资源挖掘、代谢机制及其群落代谢功能的研究进展

自然生境中分布着数量极其庞大、种类繁多的微生物,它们在物质循环、能量流动、环境保护和人类健康等方面担当着重要的角色.然而,天然微生物种群大多由未培养微生物组成,对于在纯培养条件下详细研究这些生物体的生物化学和生理学来说,是个巨大的难题.由于自然微生物群落的高度复杂性,在原位进行代谢潜能的鉴别和表征也是困难重重.分子生物...     

末端限制性酶切片段长度多态性分析技术进展

末端限制性酶切片段长度多态性分析(Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism,T-RFLP)是近年来发展起来的、不依赖于培养的微生物群落分析方法之一.由于其在微生物群落结构分析方面的特点,包括分辨率高、易于实现自动化及互联网海量数据共享等优势,自1997年最先被报道以来得到了广泛的应用,成为环境微生物群落分析的最强有力的工具之一.类似于其他的分子微生物生态学技术,T-RFLP也有自身的缺陷,本文详细介绍了T-RFLP技术的原理及其解析环境微生物群落的基本流程,简述了近年来T-RFLP技术在群落分析中的研究进展,重点讨论了该技术的局限性及相应的解决办法.     

氮沉降对植物共生微生物的影响研究进展

植物和微生物的相互作用可能在植物适应和减缓气候变化中发挥重要功能.初始陆地植物是一种半水生的原始藻类和水生真菌的共生产物，氮沉降会使植物共生微生物群落的组成、多样性和功能发生改变，减少植物和功能微生物之间的潜在联系，引起可预测的功能特征变化，进而对生态系统产生影响.植物共生微生物直接影响植物的生长和生理生态功能，微生物多样性和群落结构与生态系统功能之间的交互作用一直是生态学的关键科学问题之一.系统研究氮沉降对于植物微生物群落功能团的影响以及植物与其共生微生物之间的协同进化关系，对于揭示未来全球变化背景下植物共生微生物对生态系统功能的影响机制及其调控手段具有重要意义.     

辽河口湿地生态修复过程中土壤微生物群落结构特征

通过比较辽河口湿地天然芦苇沼泽地、人工栽植芦苇斑块及无芦苇生长光滩地3种不同生境土壤理化性质及微生物群落结构变化,探讨了退化芦苇湿地修复过程中的土壤微生物群落响应特征.结果表明,与光滩区相比,植物修复后芦苇湿地的土壤理化性质有所改善,微生物数量随之增加,且表现出细菌占绝对优势,同时微生物多样性显著提高;但与天然芦苇沼泽地相比,土壤养分(有机质、总氮、总磷)仍不足,湿地微生物的数量稍低.微生物群落结构DGGE解析表明,3种生境土壤中多为不可培养细菌.     

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.     

江西龙宫洞不同季节土壤微生物群落结构比较

采用非培养法和传统培养法相结合,利用Illumina 高通量测序技术对江西省九江市彭泽县龙宫洞微生物的16S rDNA 和ITS相关区域进行测序及生物信息学分析,通过实时荧光定量PCR(qPCR)对洞穴土壤中细菌和真菌含量进行绝对定量,探究不同季节对洞穴土壤微生物群落结构的影响,同时观察相应可培养微生物分布情况.结果表明:随着季节的变化,洞穴土壤的理化性质发生改变,继而引起土壤菌群结构的改变,其中土壤含水率是影响菌群结构的重要因素之一; 利用高通量测序技术获得非培养微生物的群落分布,根据其基因组信息,调整培养条件将可能有助于实现未培养微生物的可培养化.     

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.     

16S rRNA sequences reveal numerous uncultured microorganisms in a natural community.

Microbiologists have been constrained in their efforts to describe the compositions of natural microbial communities using traditional methods. Few microorganisms have sufficiently distinctive morphology to be recognized by microscopy. Culture-dependent methods are biased, as a microorganism can be cultivated only after its physiological niche is perceived and duplicated experimentally. It is therefore widely believed that fewer than 20% of the extant microorganisms have been discovered, and that culture methods are inadequate for studying microbial community composition. In view of the physiological and phylogenetic diversity among microorganisms, speculation that 80% or more of microbes remain undiscovered raises the question of how well we know the Earth's biota and its biochemical potential. We have performed a culture-independent analysis of the composition of a well-studied hot spring microbial community, using a common but distinctive cellular component, 16S ribosomal RNA. Our results confirm speculations about the diversity of uncultured microorganisms it contains.     

污水生物处理功能微生物的多样性

综述了污水处理微生物学近期的研究现状,介绍了一些仍不能培养的细菌被鉴定为对污泥膨胀、提高生物学除磷、亚硝酸盐氧化和脱氮负责,而许多原来认为的优势群体却对污水处理不是最重要的.这些知识可以为微生物多样性、种群动态、生态稳定和特定微生物种群活性等提供新的视野,可以应用于污水生物反应器的设计和处理参数的控制,为改进污水处理厂的处理策略等提供更多的理论基础和依据.     

沼气发酵生态系统的微生物群落动态研究进展

 对沼气发酵生态系统中微生物群落的国内外研究动态进行了分析,指出了在生态学基本问题研究方面的不足之处,并提出了相关科学问题.在此基础上,针对生态学基本问题及相关科学问题,提出了相应的研究策略.首先,模拟某一区域（如云南）代表性气候区域沼气发酵系统的自然环境,在实验室建立对应生态系统模型,以及模拟自然环境（simulated natural environments）的纯培养分离、培养体系.其次,应用免培养分析法（culture-independent methods）和所建立的分离培养体系,对系统不同发酵时期微生物群落全面的微生物多样性（包括纯培养）、群落结构与功能的时空动态进行研究.同时,记录发酵全过程非生物因子的动态,并进而通过生态因子综合分析,揭示系统厌氧消化过程中微生物群落的演替规律,包括生物因子间、生物因子与非生物因子间,以及非生物因子间的相关性,亦即系统蕴藏的生态学基本问题.再者,依据研究结果,建立高效厌氧消化活性污泥富集、驯化与培养新方法,设计具有应用前景的高效沼气发酵系统,从而为规模化应用奠定基础.最后,提出未培养微生物的可培养策略,为特定区域沼气发酵相关微生物资源的收集、保藏、研究与利用奠定基础.     

环境生物工程技术的发展前景展望

环境生物技术是一门利用微生物介质为人类提供服务的技术科学，其核心思想是依据各类微生物的生态活动规律，从中寻找最有效的能解决目前一些环境问题的途径，如稀释污染物、截留废物中的可循环利用资源等．在过去15年里，分子生物技术的广泛使用，为逐步掌握微生物生态活动规律提供了可能，如：它们是如何自组织繁衍的，不同类体之间是如何相互影响的；同时，一些新的数学模型方法和新材料的尝试使用，也极大地拓宽了学科研究的手段．目前，有两种力量正在推动该学科的进行，一是其他学科领域的发展所带来的“推力”，二是社会的环境安全需求所产生的“拉力”．为了利用这种大好的发展时机，未来学科的研究耍注意以下4个方面：①把解决水和能源可持续发展问题放在首要位置；②开发和采用更有效的分子技术工具去揭示微生物的生态活动规律；③综合利用分子技术工具、模型分析工具和采用新材料去努力解决实际环境问题；④耍注重生物膜技术的研究．还提供了几个案例说明了如何把这4个方面的思想贯彻到实际研究之中。     

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。     

A hydrogen-based subsurface microbial community dominated by methanogens.

The search for extraterrestrial life may be facilitated if ecosystems can be found on Earth that exist under conditions analogous to those present on other planets or moons. It has been proposed, on the basis of geochemical and thermodynamic considerations, that geologically derived hydrogen might support subsurface microbial communities on Mars and Europa in which methanogens form the base of the ecosystem. Here we describe a unique subsurface microbial community in which hydrogen-consuming, methane-producing Archaea far outnumber the Bacteria. More than 90% of the 16S ribosomal DNA sequences recovered from hydrothermal waters circulating through deeply buried igneous rocks in Idaho are related to hydrogen-using methanogenic microorganisms. Geochemical characterization indicates that geothermal hydrogen, not organic carbon, is the primary energy source for this methanogen-dominated microbial community. These results demonstrate that hydrogen-based methanogenic communities do occur in Earth's subsurface, providing an analogue for possible subsurface microbial ecosystems on other planets.     

PCR-DGGE研究厌氧复合床反应器中微生物种群多样性

利用PCR-DGGE技术对处理抗生素废水的厌氧复合床中的微生物种群多样性进行研究.结果显示,厌氧复合床反应器中微生物种群丰富,距底部3m以下种群最多且相似性较高,3m以上的填料层部位微生物种群明显减少,除产甲烷菌为主外,污泥床层与填料层中分别有不同的优势菌种与产甲烷菌协同作用.     

Fine-scale phylogenetic architecture of a complex bacterial community

Although molecular data have revealed the vast scope of microbial diversity, two fundamental questions remain unanswered even for well-defined natural microbial communities: how many bacterial types co-exist, and are such types naturally organized into phylogenetically discrete units of potential ecological significance? It has been argued that without such information, the environmental function, population biology and biogeography of microorganisms cannot be rigorously explored. Here we address these questions by comprehensive sampling of two large 16S ribosomal RNA clone libraries from a coastal bacterioplankton community. We show that compensation for artefacts generated by common library construction techniques reveals fine-scale patterns of community composition. At least 516 ribotypes (unique rRNA sequences) were detected in the sample and, by statistical extrapolation, at least 1,633 co-existing ribotypes in the sampled population. More than 50% of the ribotypes fall into discrete clusters containing less than 1% sequence divergence. This pattern cannot be accounted for by interoperon variation, indicating a large predominance of closely related taxa in this community. We propose that such microdiverse clusters arise by selective sweeps and persist because competitive mechanisms are too weak to purge diversity from within them.