土壤氢氧化细菌促进作物生长机理研究进展

综述了近十年来国内外关于豆科作物根际土壤促生菌中氢氧化细菌的研究进展,讨论了根瘤释放H2促进作物生长的可能机制.与豆科作物进行轮作、间作是提高土壤肥力、增加作物产量的一项传统的农业耕作方式.对于这种耕作方式优势的机制研究,过去大多数主要集中在土壤氮(N)元素含量的提高.而近期研究表明土壤氢氧化细菌以豆科作物根瘤菌在固氮过程中释放的H2为能量来源进行化能自养改变土壤微生物种群结构.一些土壤氢氧化细菌通过产生1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶和根瘤菌毒素抑制植物体内乙烯的合成,促进作物生长.此外,本文进一步讨论了利用现代分子生物学方法研究氢氧化细菌促进作物生长的途径.     

菌藻共培养对栅藻去除生活污水中氮磷和脂质积累的影响

对栅藻分别进行自养和菌藻共培养.自养利用BG11液体培养基，菌藻共培养则采用生活污水，对生活污水I和生活污水Ⅱ进行高压灭菌和未灭菌处理.测定栅藻的生长、去除污水中氮磷能力、甘油三酯积累、光合作用和菌群多样性等.结果显示，自养比菌藻共培养表现出更高的生长速率和更多的色素含量，但菌藻共培养条件下有更高的氮磷去除和油脂积累.特别是生活污水Ⅱ中，甘油三酯浓度比自养提高了140.05 mg·L^-1、107.65 mg·L^-1，总脂含量分别提高了6.62%、19.46%，但在自养情况下碳水化合物含量达到了45.05%.菌藻共培养中氮磷的去除率较高，其中氨氮的去除率均达到了90%以上.利用高通量测序对未灭菌污水的菌群多样性进行测定，结果显示，YG-2群落丰富度和物种多样性最高，对于抵抗外界环境变化较有利.主导菌群为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)，有助于污染物的降解.脂质积累较多的污水中菌群物种组成相对丰度在脂肪酸合成起始途径、脂肪酸延伸饱和、霉菌酸盐生物合成等脂肪酸生物合成的二级途径都较大，说明细菌对脂肪酸...     

氢气对刺槐根际土壤微生物种群和土壤酶活性的影响

模拟豆科植物根瘤在固氮过程中释放氢气,分析其对根际土壤产生的影响.从黄土高原人工刺槐林采集有根瘤的刺槐根际土壤样品,采用电解水产生氢气分次处理,对处理后与未处理的土壤样品内微生物种群数量、微生物代谢强度及土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶、转化酶等指标进行比较分析.氢气处理后的两批土样中,氢氧化细菌数量均显著增多,分别占9月、5月土壤微生物总量的34.9%和32.4%;微生物在土壤中代谢强度分别增加了140.2%和57.6%;土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶和转化酶含量均表现增加,其中9月处理土壤分别增加36.6%、57.1%、26.6%和147.0%,5月处理土壤分别增加37.2%、6.6%、108.8%和147.0%.研究结果为根瘤固氮过程中产生氢气对根际土壤微环境的影响及促生机制提供了实验资料.图2表3参14     

贝莱斯芽孢杆菌ES2-4的生防潜力及全基因组分析

葡萄座腔菌（Botryosphaeria dothidea）引起的苹果轮纹病易对苹果贮藏造成严重经济损失.从果园土壤中分离到一株细菌ES2-4,平板对峙试验显示其对葡萄座腔菌的抑制率为79.5%（扫描电镜观察到菌丝畸形）,其无菌发酵滤液处理苹果果实亦可显著抑制苹果轮纹病的发病程度.为探究其拮抗机制,采用Illumina和Pacbio第三代测序技术对菌株进行全基因组测序分析,基于管家基因gyrA测序鉴定,结合平均核苷酸一致性（ANI）和数字DNA杂交（dDDH）的比较基因组分析,将ES2-4鉴定为贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）. ES2-4基因组长3 929 792 bp,平均GC含量46.5%,共编码基因4016个,不含质粒.antiSMASH共预测到次级代谢产物基因簇14个,其中9个与surfactin、iturin、fengycin、macrolactin、difficidin、bacillaene、bacilysin、bacillibactin、amylocyclicin化合物合成相关基因簇完全一致或高度相似.此外,其基因组存在能够降解真菌细胞壁的糖苷水...     

化能自养细菌Calvin循环相关基因的组织和调节研究进展

Calvin循环是化能自养细菌同化CO2的主要途径.该循环大多数酶由cbb基因编码.除保守的内在基因排列次序外,不同化能自养细菌cbb基因簇在基因大小和操纵子结构上存在差异.兼性化能自养菌cbb操纵子比专性化能自养菌受到更严格的调控,其调控作用主要由位于cbb操纵子上游编码LysR家族转录激活蛋白的cbbR基因执行.最近的研究表明,另外一些蛋白因子也可能参与cbb基因调控.尽管操纵子调控元件接收到的代谢信号仍是未知的,但一般认为细胞的氧化还原状态起着关键作用.推测cbb操纵子的表达调控整合于一个调控网络中.图2参58     

亚硝酸细菌amoA基因的克隆、测序与表达

采用PCR技术对亚硝酸细菌的特异性amoA基因进行克隆、测序 ,以确定其准确性 ;然后采用基因重组技术构建亚硝酸细菌的基因工程菌 ,并进行鉴定与功能初步评价 .结果表明 ,克隆得到的 4种亚硝酸细菌的amoA基因 ,与标准菌株Nitrosomonassp.GH2 2的amoA基因同源性达到 98%～ 99% ;构建了一种含有特异性amoA基因的大肠杆菌基因工程菌株 ,并采用直接比色法对重组细菌的氨氧化活性进行测定 ,发现基因工程菌的氧化氨氮速率明显高于分离的野生菌株 .研究表明 ,利用基因重组技术对亚硝酸细菌等自养菌进行改造 ,构建高效基因工程菌在水污染治理领域具有可行性 .图 6表 1参 12     

氮肥对土壤氧化大气甲烷影响的机制

综合评述了氮氧化甲烷的抑制机制。包括：（1）竞争甲烷单氧化酶的竞争抑制机制,（2）代谢产物的毒害抑制机制,（3）外源盐引起的微生物生理缺水抑制机制和（4）氮素周围作用引起的抑制机制。提出了氧化菌竞争利用土壤空气有限O2的竞争抑制机制,即氨氧化菌利用更多的土壤有限氧气→产生优势氨氧化菌→形成优势菌群→限制甲烷氧化菌繁殖和功能发挥的氨长期抑土壤化大气甲烷的机制,并认为这种抑制作用是不可逆的。     

高效固氮大豆根瘤菌SMH12的全基因组测序及比较基因组分析

费氏中华根瘤菌SMH12(Sinorhizobium fredii SMH12),生长代时较短,属于快生型大豆根瘤菌. SMH12具有高效固氮、宿主范围广、匹配性强、遗传物质稳定等特点,为充分开发该菌应用潜力和研究价值,有必要解析SMH12的基因组序列.采用Illumina Hiseq与Pacbio测序技术相结合对SMH12菌株进行全基因组测序.进一步使用相关软件对测序数据进行基因组的组装、基因预测与功能注释、COG/GO聚类分析以及比较基因组分析.测序结果显示,SMH12基因组包含1条染色体和2个质粒,染色体大小为4 022 924 bp,质粒pSfSMH12a大小为2 394 395 bp,质粒pSfSMH12b大小为556 376bp,序列已提交至GenBank数据库,登录号为CP035038-CP035040.基因预测与rRNA、tRNA查找显示,SMH12基因组含有6 836个基因,有9个rRNA和55个tRNA.比较基因组分析的直系同源基因比对与共线性分析显示,SMH12与S. fredii HH103大部分基因相同,亲缘关系最密切;只有约17%的基因不同.COG分类比较分析显示,SMH12中转座因子和碳水化合物的转运与代谢这两类相关基因的占比明显高于Bradyrhizobium diazoefficiens USAD110.本研究首次报道SMH12基因组序列并分析了其基因组基本特征,与其他代表性大豆根瘤菌进行了比较基因组分析.结果丰富了根瘤菌基因组数据库,也为构建高效固氮的大豆根瘤菌工程菌提供了一定依据和基因资源.(图6表2参35)     

产氢细菌FSC-15对稻草秸秆厌氧发酵产甲烷的影响

产氢细菌是厌氧发酵过程中重要的功能微生物.将分离自纤维素降解产甲烷复合菌系FSC的产氢细菌FSC-15回补至复合菌系,通过监测氢气产量、甲烷产量、脂肪酸浓度及秸秆降解效率,探究产氢细菌对水稻秸秆水解产甲烷代谢及微生物群落结构的影响.结果显示:添加菌株FSC-15使FSC中纤维素、半纤维素和木质素降解率分别提高了17.33%、28.61%和47.21%,对复合菌系FSC中秸秆降解效率有一定促进作用.培养第3天,氢气产量相比复合菌系FSC提高了41.18%,为产甲烷菌提供更充足的底物,使甲烷产量提高1倍.高通量测序结果显示,Ruminococcaceae和Methanobacteriaceae分别是水稻秸秆厌氧发酵产甲烷体系中水解纤维素和产甲烷的主要类群,Methanobacteriaceae是厌氧发酵体系挥发酸含量较高时产甲烷的主要物种,补加产氢细菌FSC-15对厌氧降解纤维素产甲烷菌系中的细菌群落结构无明显影响,但可以改变古菌的物种多样性及丰度.本研究证明向水稻秸秆厌氧发酵体系补加功能微生物能有效提高体系甲烷产量,可为调控水稻秸秆厌氧消化技术提供理论支撑.     

磁性壳聚糖凝胶微球固定反硝化菌去除地下水中硝酸盐氮

本研究从活性污泥中分离出氢自养反硝化细菌,在厌氧条件下利用氢气作为电子受体,将硝酸盐氮污染物彻底还原为氮气.通过原位共沉淀/柠檬酸钠交联法制备了一种磁性壳聚糖微球,将氢自养反硝化菌固定于磁性壳聚糖微球上组成固定化微生物反硝化体系.利用16SrDNA菌种鉴定、扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)对固定化前后的材料进行了表征,并与游离的氢自养反硝化菌进行对比,同时进行静态批实验考察了在不同影响因素下硝酸盐去除效果.结果表明,分离出的氢自养反硝化菌属于陶厄氏菌属(MK928401),且被成功固定在磁性壳聚糖微球上;相同时间内,固定化氢自养反硝化菌对硝酸盐氮去除率高出游离细菌59%,说明固定化菌克服了由于游离菌易团聚而限制反硝化速率的缺点;磁性壳聚糖微球的加入,在一定程度上拓宽了氢自养反硝化菌对硝酸盐氮浓度的适应范围,同时拓宽了氢自养反硝化菌对pH的耐受范围;固定化氢自养反硝化菌经5次重复利用后,仍能高效还原硝酸盐氮,相比于游离细菌具有可回收和循环利用性.以上结果得出,以磁性壳聚糖微球固定氢自养反硝化菌,为高效去除地下水中的硝酸盐氮提供了一种更有效的途径.     

不同C/N值下亚硝酸盐氧化菌和异养菌混合体系的微生物多样性

采用PCR-RFLP技术研究了不同C/N比下亚硝酸盐氧化菌及异养菌混合体系的微牛物多样性,并探讨了微生物菌群结构与其功能(硝化件能)的关系.C/N=0时,混合体系主要由自养菌和寡营养菌(85.1%)组成,包括亚硝酸盐氧化菌(NOB)、拟杆菌门、α-变形菌纲、浮霉菌门和绿色非硫细菌中的一些菌株.C/N=0.44时,混合体系中的自养菌减少,异养菌(主要是γ-变形菌纲的成员)大量出现.C/N=8.82时,γ-变形菌纲的菌株尤其是反硝化菌Pseudomonas sp.占主导(93.8%),与此同时,随着C/N升高,该混合体系的硝化性能也由专一的亚硝酸盐氧化过程转变为同时硝化反硝化过程.微生物菌群结构的转变较好地解释了其硝化性能的改变.本研究揭示了微生物菌群结构与其功能的内在联系,同时表明PCR-RFLP技术与化学分析相结合是研究微生物菌群结构与功能的有力工具.图3表2参13     

Diversity and structural characteristics of nitrogen-fixing bacterial community in tobacco-growing soils at different elevations in Panzhihua北大核心CSCD

固氮细菌在土壤氮素转换过程中发挥重要作用.为深入认识攀枝花地区农田土壤固氮细菌群落特征及其与土壤理化性质的关联性,以攀枝花米易县不同海拔高度(1 600 m、1 800 m、2 000 m)植烟土壤为研究对象,采用高通量测序技术(high-throughput sequencing)对nifH基因进行测序,分析固氮细菌群落结构特征和多样性.结果显示,固氮酶活性随海拔升高而逐渐降低,并与土壤有机碳及全氮呈极显著正相关(P <0.01);固氮细菌群落多样性指数在海拔1 800 m处达到最大值.3个海拔土壤共获得高质量序列1 159 980条,所检测到的固氮细菌分属于4个门、11个纲、19个目、29个科、40个属.基于门分类水平分析结果,变形菌门(Proteobacteria)在所有海拔土壤中均为优势固氮菌群,相对丰度达64.69%-78.36%;而蓝细菌门(Cyanobacteria)仅在海拔高度2 000 m时为优势类群.在属水平上,伯克霍尔德菌属(Burkholderia)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)相对丰度分别为海拔高度1 800 m与2 000 m土壤优势菌属,而类伯克霍尔德氏菌属(Paraburkholderia)是所有海拔土壤中的主要菌属.采用随机森林分析评估和筛选标志物种,确认Azohydromonas对固氮细菌群落结构差异存在重要影响.结合Pearson相关性分析与冗余分析结果,土壤含水量、硝态氮、碱解氮与有效磷是造成不同海拔土壤固氮细菌群落特征差异的主要环境因子.本研究表明海拔梯度及响应其变化的土壤理化因子,对调控固氮细菌群落结构与多样性有较大影响.(图8表3参41)     

室温条件下油藏采出液微生物群落结构稳定性

获得准确的油藏微生物群落信息是开展油藏微生物工业化应用的重要前提.为了解油藏采出液脱离油藏环境后微生物群落结构的变化以及一个时间点的单次取样的代表性,利用目前最先进的高通量测序技术,对胜利油田油藏采出液室温放置5 d内的微生物群落结构以及连续5 d独立取样的同一油井水样间的微生物群落结构开展研究.结果显示,室内放置0-5 d过程中,细菌和古菌群落结构中的优势菌群没有发生明显改变,细菌的优势菌为热硫还原杆菌属(Thermodesulforhabdus)、无色杆菌属(Achromobacter)、沙雷氏菌(Serratia)以及一些未分类的细菌,古菌的优势菌为古生球菌属(Archaeoglobus)、产甲烷球菌属(Methanococcus)和甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta).但是细菌和古菌的多样性存在逐渐降低的趋势,其中古菌多样性的变化比细菌更为明显.同时研究也证实同一口油井连续5 d独立取样的样品间,细菌和古菌群落结构中的优势菌群也没有发生较大的变化,与室内放置样品的优势菌属一致,多样性分析同样发现油藏内不同时间点古菌多样性的波动较细菌的大.本研究说明油藏采出液室温放置短期内优势菌群结构具有稳定性,一次取样的油水井样品具有阶段代表性,这可为高通量测序技术在油藏微生物群落结构解析中的应用提供重要理论支撑.     

引入养殖鳖对稻田土壤固氮菌的影响

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,为了解稻田综合种养殖模式的土壤细菌尤其是功能型菌群的群落结构特征,采用高通量测序技术对稻鳖共作组(R-T)与稻田单作组(R-M)两种种养模式下根系土壤微生物(nif H基因)多样性特征进行比较.结果显示,稻田根系土壤中,属分类级别的固氮菌主要为慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、地杆菌属(Geobacter)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、除硫单胞菌属(Desulfuromonas)、嗜盐红螺菌属(Halorhodospira)、固氮菌属(Azotobacter)、脱硫球茎菌属(Desulfobulbus)、甲基单胞菌属(Methylomonas)、固氮螺菌属(Azospirillum)、Pseudacidovorax、Anaeromyxobacter、Sideroxydans共12类.R-T组根系土壤固氮菌的多样性指数高于R-T组,为6.85±0.07.稻田根系土壤固氮菌在不同种养模式间的差异性占23.86%,在不同水稻生长时期的差异性占16.97%.本研究表明,水稻的生长时期与不同种养模式对稻田根系土壤固氮微生物均具有影响,且生长时期对稻田根系土壤固氮微生物的影响更大.     

34株假单胞菌的泛基因组分析

假单胞菌属在各种环境广泛分布且具有重要的生态应用价值,然而当前研究对其环境适应性遗传基础的解析尚不充分.选择33株有效发表且具有全基因组序列以及一株新分离的假单胞菌的全基因组进行泛基因组学分析.结果表明,选择的假单胞菌属菌株泛基因组含有173 271条蛋白序列,共有30 847个同源基因家族,包括1 505个核心基因,基因组呈开放型.通过分析不同基因组的基因组演化特征,发现通过基因水平转移获得的基因占整个基因组的比例为32%-48%,其平均基因岛数量为53个.发现假单胞菌属泛基因组的开发性与其频繁的基因水平转移事件和快速的基因进化有关.进一步分析表明,不同基因组中的功能基因家族按照菌株的环境分布进行聚类,表明对特殊环境的适应决定了假单胞菌的遗传特征.本研究初步揭示了假单胞菌属细菌遗传特征的共性与特性,结果可为解析假单胞菌属环境适应性的遗传基础与功能多样性的演化发生机制提供研究线索.(图8表1参37)     

几株光合细菌的气体代谢及对产甲烷细菌甲烷生成的影响

三株分别属于光合细菌三个主要类群（紫无硫细菌、紫硫细菌和绿硫细菌）的菌种和两种产甲烷细菌进行了混合培养试验，结果表明，自养生长的光合细菌减少了产甲烷菌有ＣＨ４生成，而异养生长时紫无硫细菌Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｌｏｍｏｕｓ ｐａｌｕｓｔｒｉｓ能利用乙酸放出ＣＯ２供产甲烷菌利用。在光照厌氧条件下，三株光合细菌的生长培养物和静止细胞都能利用有机酸产氢，有时还伴随着ＣＯ２产出。同时试验了不同ｐＨ值、温度和光照     

稻—稻—油菜轮作土壤细菌群落的特征

为了解南方地区稻—稻—油菜轮作后土壤中细菌群落的变化特征,以长达30年的水稻—水稻—油菜轮作和水稻—水稻连作定点栽培试验土壤为研究对象,采用克隆文库和基因序列分析法,通过细菌16S r DNA基因通用引物对土壤提取DNA进行PCR扩增,然后将扩增片段构建克隆文库对克隆子进行测序分析.结果显示,2015年7月、10月和2016年4月3次取样中轮作土壤细菌的香农-维纳指数和辛普森指数均高于连作土壤,轮作土壤细菌多样性高于连作.克隆子序列OTU与Gen Bank比对结果显示,轮作土壤中常见的变形菌(Proteobacteria)占细菌种类的55%,连作土壤为45%;轮作土壤芽单胞菌(Gemmatimonadetes)占细菌种类的13%,连作土壤为10%;轮作土壤中的酸杆菌(Acidobacteria)、厚壁菌(Firmicutes)和浮霉菌(Planctomycetes)所占细菌比例数小于连作土壤;变形菌和芽单胞菌构成了轮作土壤中的优势菌群,土壤优势菌群的变化对细菌群落结构特征产生影响.测序结果显示稻—稻—油菜轮作土壤优势菌群中α-变形菌、β-变形菌和γ-变形菌高于稻—稻连作;稻—稻—油菜轮作中发现与绿弯菌(Chloroflexi)序列相似菌类,而稻—稻连作土壤中未发现.本研究表明微生物群落结构组成与土壤耕作方式相关,稻—稻—油菜轮作增加了细菌群落丰度.     

一株高产灵菌红素粘质沙雷氏菌的分离鉴定及发酵条件优化

天然色素化合物灵菌红素具有抑制细菌、真菌、疟疾、藻类和肿瘤细胞等多种生物学活性;微生物发酵是生产灵菌红素的主要方法.从自然界植物根际土壤中分离得到一株产红色色素的菌株JWR.经形态和16S rDNA测序鉴定,菌株JWR为粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens);用酸性甲醇溶液对发酵液萃取得到灵菌红素的粗提物,利用FT-IR和HPLC鉴定产物,证明该菌株所产红色色素为灵菌红素.通过单因素以及正交优化法对发酵培养基组分和发酵条件进行优化,确定发酵培养基配方为橄榄油1.5 mL/L、牛肉膏0.5 g/L、硫酸镁0.25 g/L,发酵条件为接种量2.5%(V/V)、温度28℃、转速220 r/min.优化后灵菌红素产量提高到6.011 g/L,相比优化前提高了2.845倍.本研究分离粘质沙雷氏菌并优化发酵条件,提高了灵菌红素产量,可为其工业化生产奠定基础.     

抗生素和纳米银对大肠杆菌的联合毒性和抗性突变诱导效应

抗生素和纳米银因在各自领域的大量应用而不可避免地进入环境中，对生态环境尤其是微生物群体构成联合暴露的风险，但是二者对细菌生长和耐药性的联合作用，目前受到的关注较少.本研究测定了两种抗生素（四环素和氯霉素）以及纳米银（10—15 nm）对大肠杆菌的联合毒性及对细菌抗性突变的诱导作用，并对相关机制进行了初步探讨.结果表明，抗生素和纳米银对细菌的联合毒性呈现协同效应，但是二者联合作用下细菌对利福平的抗性突变频率显著降低. DNA测序和分子对接结果表明，编码利福平靶标蛋白的rpoB基因发生点突变，导致突变后的靶蛋白与利福平的结合能降低.同时，qPCR结果表明抗生素和纳米银联合作用时，细菌胞内rpoS、dinB和mutS等基因表达显著上调，可能是抗性突变频率在联合作用下降低的主要原因.本研究揭示了抗生素和纳米银联合作用对细菌抗性突变的影响，有利于全面认识二者联合暴露的环境和健康风险.     

互营烃降解菌系的短链脂肪酸降解特性

为研究互营烃降解菌系的短链脂肪酸(VFAs)降解能力,并解析相关的功能菌群,以3种不同温度下生长的互营烃降解菌系SK、M82和Y15作为接种物,分别添加甲/乙/丙/丁酸钠进行传代培养,应用高通量测序技术分析细菌和古菌的16S r RNA基因多样性.除M82不能代谢丁酸外,3个烃降解菌系都可以代谢甲/乙/丙/丁酸产甲烷.添加VFAs富集培养后,3种互营烃降解菌系中的已知互营菌群的相对丰度提升.Tepidanaerobacter,Thermotoga和Thermosyntropha在SK细菌菌群中的丰度增加,Tepidanaerobacter在M82中的丰度增加,Syntrophomonas在Y15中的丰度增加;在古菌菌群中,Methanothermobacter,Methanosaeta和un_Thermoprotei在SK的丰度增加,Methanothermobacter和un_Thermoprotei在M82中的丰度增加,Methanosaeta、Methanobacterium、Methanosarcina和un_Euryarchaeota在Y15中的丰度增加.本研究表明高、中、低温3种互营烃降解菌系SK、M82和Y15均具有互营代谢VFAs的能力,不同的互营VFAs降解体系中的功能微生物不同,结果可为今后开展油藏互营微生物分离工作提供良好材料、为进一步研究互营烃降解分子机理奠定基础.(图3参50)