宏组学方法及在污水生物处理系统研究中的应用

近年来随着测序、质谱等技术的高速发展,基于核酸分子信息为基础的包含宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学与代谢组学等核心内容的生物分子宏组学方法逐渐成熟,成为揭示污水生物处理系统中的关键微生物菌群结构和功能特征的有力工具,也在检测污水系统中多种ARGs以及探究其传播机制上发挥出无法替代的巨大优势,在污水生物处理研究中应用宏组学,对于深化认知污水处理系统本质、提高污水处理效率以及控制ARGs在环境中的传播具有重要指导意义.本文对宏组学方法进行了简单的介绍,着重综述了其在污水生物脱氮、强化生物除磷及探究抗生素抗性基因等方面的进展,并展望了其在污水生物处理系统中的广泛应用前景.     

紫色土中微生物群落结构及功能特征对土壤pH的差异响应

为明确紫色土中pH对土壤微生物群落结构和功能的影响,选取3种发育于相同母质但pH不同的紫色旱地土为研究对象,通过宏基因组测序技术来研究不同pH紫色土中微生物群落的结构和功能特征的差异.结果表明,宏基因组测序总共发现89门、 222纲、 527目、 1 009科、 2 769属和14 354种.不管是从门还是属分类水平,3种不同pH紫色土的微生物群落结构都有显著差异.RDA结果佐证了3种不同pH紫色土中微生物群落结构差异显著,且测定的土壤性质对微生物群落结构都具有显著的影响,其中土壤pH对微生物群落结构的影响最大（R²=0.998 5,P=0.001）.然而,对微生物群落功能的研究发现,3种不同pH紫色土中微生物群落的功能代谢过程都主要涉及功能未知、全局和总览、氨基酸代谢、碳水化合物代谢和氨同化过程等.不管是COG/KEGG功能分类数据库还是氮循环功能数据库,3种不同pH紫色土中注释到同一功能途径的微生物相对丰度基本都没有显著差异,说明土壤微生物群落水平的总体功能是相对保守的,不容易受环境因子的影响.     

宏基因组学(Metagenomics)的研究现状和发展趋势

随着分子生物学技术的快速发展及其在微生物生态学和环境微生物学研究中的广泛应用,促进了以环境中未培养微生物为研究对象的新兴学科--微生物环境基因组学(又叫宏基因组学、元基因组学,Metagenomics)的产生和快速发展.宏基因组学通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,利用基因组学的研究策略研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能.在短短几年内,宏基因组学研究已渗透到各个领域,包括海洋、土壤、热液口、热泉、人体口腔及胃肠道等,并在医药、替代能源、环境修复、生物技术,农业、生物防御及伦理学等各方面显示了重要的价值.对宏基因组学的主要研究方法、热点内容及发展趋势进行了综述,建议在我国尽快启动有关宏基因组学的研究,从国家层面上开展联合攻关,拓展当前的研究领域,发展相关研究策略和技术,开展广泛的国际合作,使我国在宏基因组学研究领域占据有利地位.     

元基因组和元转录组学在环境微生物中的应用

元基因组学直接针对从环境中提取的微生物遗传物质进行分析和研究,不仅巧妙避开了微生物纯培养的步骤,而且可以根据不同的研究目的对特定环境中所有的DNA序列进行分析,为研究未培养微生物开辟了新的途径。伴随元基因组学的发展,元转录组学也应运而生,成为研究功能基因组学的重要方法。将2种方法结合起来更有助于了解复杂环境微生物的基因组成与表达情况,获得一些新的发现。该文就元基因组学和元转录组学的概念、优势、研究方法、基本思路,以及在环境微生物学中的最新成果进行总结和展望。     

基于高通量测序和代谢组学解析重金属污染对农田微生物群落组成和功能的影响

重金属污染会影响微生物组成和群落结构,其与微生物的相互关系一直是重金属污染生态学研究的热点.河南省新乡市是中国著名的电池生产城市,因电池生产废水污灌造成严重的土壤重金属污染.目前有关新乡市长期灌溉电池废水造成的重金属污染对微生物群落组成和代谢功能的影响鲜见报道.采集了新乡市某长期生产电池厂旁3个重金属污染位点,重金属含量测定表明Cd和Pb超过相关标准,分别超标34~66倍和1.5~2.32倍.采用高通量测序分析了细菌和真菌群落组成,结果表明细菌由芽孢杆菌属、节杆菌属、鞘氨醇单胞菌属和类诺卡氏菌属等优势属,真菌由油壶菌属、小不整球壳属、Gibellulopsis和被孢霉属等优势属组成,表明经过长期的重金属胁迫,新乡长期重金属污染土壤富含重金属抗性细菌和真菌.环境因子和微生物群落相关性分析表明,总量Cu、DTPA提取态Cu和水溶态Pb显著影响细菌群落组成,总量Cd、Ni、Pb、Zn、DTPA提取态Cu和水溶态Pb显著影响真菌群落组成.目前,关于重金属污染对微生物群落代谢影响的研究较少,采用非靶向代谢组学分析表明,不同位点间代谢产物具有差异.通路富集分析表明,这些差异代谢物涉及代谢过程、环境信息处理和翻译等遗传信息加工等,在微生物缓解重金属导致的胁迫和环境适应中可能起到作用.     

海洋沉积物中细菌DNA和RNA水平群落差异

海洋沉积物中的微生物在生物地球化学循环中具有重要作用.目前,细菌群落的研究多基于16S rRNA基因(DNA)展开,但DNA不仅包括活性微生物DNA也包括非活性微生物DNA,而RNA水平则可表征环境中具有活性的微生物种群.本研究采用荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术,在DNA和RNA水平上研究了渤海和南黄海表层沉积物中细菌群落结构.结果表明,细菌DNA基因丰度比RNA基因丰度高1～2个数量级,DNA水平群落多样性高于RNA水平,二者群落结构差异显著.沉积物中的细菌具有活跃的化能异养、硫酸盐还原和硝化作用.基于16S rRNA基因的测序在探索微生物群落功能时可能会误判重要的功能微生物,总细菌群落中的"稀有生物圈"可能包含转录活跃者,发挥着重要的生物地球化学作用.总体而言,在分析来自稳定沉积环境的细菌群落结构时,基于16S rRNA的研究更能反映真实的生态状况.     

土壤微生物对环境胁迫的响应机制

微生物在生态系统物质循环和能量流动过程中起重要作用.研究土壤微生物对各种环境胁迫的响应有助于认识微生物对环境变化的适应与演变机理,维持土壤生态系统功能的稳定.土壤微生物群落多样性是衡量土壤生态系统稳定性的一个重要指标.多数研究表明,土壤微生物群落多样性越高,土壤生态系统越稳定.本文在总结土壤微生物群落多样性及其与环境胁迫响应关系的基础上,进一步讨论了土壤微生物对环境胁迫响应的生态学机制,包括:①抗性微生物的出现及抗性基因的水平转移.该过程导致了土壤微生物群落结构和多样性的改变,产生了更多抵抗能力较强的微生物类群,从而达到对外源干扰的适应,使土壤微生物群落对环境胁迫的抵抗力和恢复力随之提高.②土壤微生物群落功能的冗余.这些冗余程度越高,冗余组分缓冲维持生态系统正常功能的能力越强,从而提高微生物群落对环境胁迫的抵抗力和恢复力.研究土壤生态系统的稳定性与微生物多样性之间的关系,不仅有助于揭示土壤生态系统稳定性的内在机制,为合理调控提供科学依据,也可以为土壤环境质量管理提供参考.     

反硝化脱硫工艺中微生物群落结构及动态分析

为了研究反硝化脱硫工艺(denitrifying sulfide removal,DSR)中微生物群落与工艺运行的相关性,实验提取了反应器运行不同阶段污泥样品中微生物的全基因组DNA,利用高通量宏基因组学技术———基因芯片来解析各阶段功能微生物群落的结构特征及其演替过程.通过对功能基因的Simpson、Shannon多样性指数和聚类分析表明,微生物群落结构会随着反应器运行的阶段进行相应调整,且变化较大.在运行的前两个阶段,由于不适应环境,微生物群落的多样性指数比起始时明显减少,随着反应器的运行污泥逐渐成熟,多样性指数迅速增加,也标志着反应器进入稳定运行阶段.通过对反硝化脱硫过程中关键基因相对丰度的分析发现,功能基因的丰度不仅能反映功能菌群的活性,而且与工艺处理效果密切相关.     

基于高通量测序的微生物强化污泥减量工艺中微生物群落解析

利用高通量测序技术对微生物强化原位污泥减量工艺中微生物群落进行解析.结果表明,外源菌剂的投加改变了活性污泥中微生物群落结构,菌剂的有效成分乳杆菌属和醋酸杆属在强化组中含量显著增加.科水平上的群落多样性分析显示：强化组厌氧区Siompson指数、Shannon指数和Pielou指数均不同程度升高,群落多样性增加.聚类分析显示,微生物群落按时间顺序明显聚为3簇,强化组厌氧区微生物群落随时间发生较大演变.主坐标分析显示,强化组和对照组微生物群落明显聚为2类,其厌氧区群落分别按照不同的方向演变,微生物强化和DO降低的协同作用是强化组群落演变驱动力,DO降低是对照组群落演变驱动力.典范对应分析显示显著影响微生物群落结构的环境因子依次为pH值、水温和DO.     

典型集雨人饮地区窖水微生物群落多样性及差异解析

为阐释我国典型集雨饮水地区窖水水质自然变化机制,应用16S rRNA基因-Illumina Mi Seq高通量测序技术,对以庭院为组织单元、不同类型集流面和水窖组合模式构建的集雨水源地水体中微生物群落及功能多样性差异进行了研究,表明窖水微生物群落结构及其功能存在显著的差异,造成这种差异的主要因素是窖水内部环境因子、外部环境因子等的异质性.窖水微生物群落结构多样性差异呈现大量的稀有种和少数常见优势种的分布模式,不同类型集流面和水窖组合模式构建的集雨水源地水体中含有不同的显著差异性微生物类群;微生物群落功能多样性差异体现在:编码新陈代谢功能的基因序列与其他功能基因序列相比具有显著的优势性,氨基酸、碳水化物、能量、脂类、辅助因子和维生素、萜类和酮类化合物、核苷酸、多糖的合成与代谢、外来物质的降解与代谢是构成新陈代谢功能的主要基因序列类群,表明窖水中存在大量、具有相对特定生态功能的微生物进行着诸多活跃的与新陈代谢相关活动.研究认为混凝土集流面与混凝土水窖组合模式用于收集和贮存雨水,水质更好、更安全.研究结果加深了对窖水微生物群落结构和多样性的认识,为开展集雨窖水水源地优选及改善窖水水质提供了借鉴.     

沉水植物对沉积物微生物群落结构影响:以洪泽湖湿地为例

应用磷脂脂肪酸(PLFA)方法分析洪泽湖湿地典型沉水植物菹草群丛、蓖齿眼子菜群丛、菹-蓖混丛对其根系沉积物微生物群落结构的影响,以期了解沉水植物种类以及在不同生长时期对沉积物微生物群落结构的影响规律.结果表明,植物群丛根系沉积物PLFA总量在不同的时期发生了明显的变化,而同一时期的不同群丛PLFA总量差异不显著.沉积物微生物群落结构受沉水植物根系影响,菹草群丛中G~+/G~-(革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌)在3个不同生长时期比值为0.74、1.35、1.26,蓖齿眼子菜群丛G~+/G~-比值为0.89、0.98、1.49,菹-蓖混合群丛G~+/G~-比值为0.95、1.39、1.35,其G~+/G~-的变化和植物根系生长有密切关系.沉积物微生物群落结构受环境因子的影响,环境因子如T、p H、TOC、DO等与沉积物PLFA中特征磷脂存在相关性.     

Development and applications of functional gene microarrays in the analysis of the functional diversity, composition, and structure of microbial communities

Functional gene arrays (FGAs) are a special type of microarrays containing probes for key genes involved in microbial functional processes, such as biogeochemical cycling of carbon, nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals, biodegradation of environmental contaminants, energy processing, and stress responses. GeoChips are considered as the most comprehensive FGAs. Experimentally established probe design criteria and a computational pipeline integrating sequence retrieval, probe design and verification, array construction, data analysis, and automatic update are used to develop the GeoChip technology. GeoChip has been systematically evaluated and demonstrated to be a powerful tool for rapid, specific, sensitive, and quantitative analysis of microbial communities in a high-throughput manner. Several generations of GeoChip have been developed and applied to investigate the functional diversity, composition, structure, function, and dynamics of a variety of microbial communities from different habitats, such as water, soil, marine, bioreactor, human microbiome, and extreme ecosystems. GeoChip is able to address fundamental questions related to global change, bioenergy, bioremediation, agricultural operation, land use, human health, environmental restoration, and ecological theories and to link the microbial community structure to environmental factors and ecosystem functioning.     

石油污染土壤生物修复中试系统对微生物特性的影响

微生物作为土壤石油烃生物降解的主体,其活性是提高石油降解效率的关键要素.在石油污染土壤生物修复过程中,环境条件的改变造成微生物特性及其降解活性的相应变化.与现场调研的土壤相比,生物修复中试系统中微生物密度提高了1个数量级,FDA活性提高了1.5倍.由于环境胁迫产生的诱导作用,除油微生物优势明显.中试系统运行稳定后,除油微生物密度比微生物总密度低1个数量级,污染土壤中微生物的活性与除油微生物的密度变化更趋于一致.扫描电镜和显微镜观察结果表明,生物修复系统微生物以杆菌、球菌为主,革兰氏染色呈阳性.生物修复不同时期土壤与现场土样相比,其种群构成呈现各自的特点.在生物修复后期,微生物种群多样性有所降低,在强化生物修复中试系统中更为明显.这主要是因为随着反应的进行,环境胁迫对微生物的种群多样性及其相对丰度都产生了诱导.      

Current molecular biologic techniques for characterizing environmental microbial community

Microbes are vital to the earth because of their enormous numbers and instinct function maintaining the natural balance. Since the microbiology was applied in environmental science and engineering more than a century ago, researchers desire for more and more information concerning the microbial spatio-temporal variations in almost every fields from contaminated soil to wastewater treatment plant (WWTP). For the past 30 years, molecular biologic techniques explored for environmental microbial community (EMC) have spanned a broad range of approaches to facilitate the researches with the assistance of computer science: faster, more accurate and more sensitive. In this feature article, we outlined several current and emerging molecular biologic techniques applied in detection of EMC, and presented and assessed in detail the application of three promising tools.     

海水入侵区含水层中原核微生物多样性和群落结构特征及其意义

海水入侵引起的地下水咸化是沿海地区面临的主要自然灾害之一,并由此产生了强烈的物理化学梯度变化,严重影响了原生态环境. 为研究海水入侵影响下含水层微生物的多样性和群落结构,揭示海水入侵对原位微生物群落的环境影响,采用基于高通量测序的微生物群落分析方法,对珠江三角洲含水层中微生物群落多样性和结构组成进行表征和比较,并探讨微生物群落对环境变化的响应. 结果表明:研究区地下水中微生物群落主要分属于47个原核微生物门类,其中最丰富的门是变形菌门(Proteobacteria),其次是厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),而古菌的群落结构以奇古菌(Thaumarchaeota)和广古菌(Euryarchaeota)为主,且Thaumarchaeota和Euryarchaeota在高浓度咸水中丰富度更高. 不同盐度梯度下微生物群落之间共有的OTUs占比为59%,在一些高浓度咸水样品中存在大量的脱硫弧菌属和甲烷球菌厌氧微生物. 虽然微生物群落的多样性并不完全与盐度梯度一致,但在溶解性总固体(TDS)浓度大于1 g/L的含盐地下水中,微生物群落的多样性随盐度的增加而增加. 典范对应分析(CCA)表明,TDS和总氮(TN)是影响微生物群落分布最显著的环境因子. 研究结果为进一步揭示海水侵蚀下的地下水中微生物群落的结构及其环境相互作用奠定了基础.      

室内微生物污染水平预测关键技术研究综述

室内微生物气溶胶来源多样,并受很多环境因素影响,可以利用统计学方法对室内微生物污染水平进行实时预测.本文首先介绍了预测模型的建立方法,并通过大量的文献调研,按照室内微生物污染水平预测模型建立的思路,介绍了现有研究得出的室内微生物气溶胶浓度与环境参数（换气次数、温湿度、人数、颗粒物、气流组织、CO₂）的关系,总结了室内微生物污染水平预测模型,并给出了未来发展方向.     

Microbial diversity accumulates in a downstream direction in the Three Gorges Reservoir

Organic and inorganic materials migrate downstream and have important roles in regulating environmental health in the river networks. However, it remains unclear whether and how a mixture of materials (i.e., microbial species) from various upstream habitats contribute to microbial community coalescence upstream of a dam. Here we track the spatial variation in microbial abundance and diversity in the Three Gorges Reservoir based on quantitative PCR and 16S rRNA gene high-throughput sequencing data. We further quantitatively assess the relative contributions of microbial species from mainstem, its tributaries, and the surrounding riverbank soils to the area immediately upstream of the Three Gorges Dam (TGD). We found an increase of microbial diversity and the convergent microbial distribution pattern in areas immediately upstream of TGD, suggesting this area become a new confluence for microbial diversity immigrating from upstream. Indeed, the number of shared species increased from upstream to TGD but unique species decreased, indicating immigration of various sources of microbial species overwhelms local environmental conditions in structuring microbial community close to TGD. By quantifying the sources of microbial species close to TGD, we found little contribution from soils as compared to tributaries, especially for sites closer to TGD, suggesting tributary microbes have greater influence on microbial diversity and environmental health in the Three Gorges Reservoir. Collectively, our results suggest that tracking microbial geographic origin and evaluating accumulating effects of microbial diversity shed light on the ecological processes in microbial communities and provide information for regulating aquatic ecological health.