微生物分子生态学进展[综述]

现代分子生物学技术在生态学研究中的应用大大推动了微生物生态学的发展,导致了微生物分子生态学的产生．微生物分子生态学方法弥补了传统的微生物生态学方法的不足,使人们可以避开传统的分离培养过程而直接探讨自然界中微生物的种群结构及其与环境的关系．微生物生态学研究中采用的分子生物学方法主要有核酸探针技术、ＰＣＲ扩增技术、ｒＲＮＡ序列同源性分析方法、剃度凝胶电泳方法等．这些技术方法的采用,取得了一系列重要的成果和微生物生态学研究中的突破［１～６］,使得对某些微生物的研究成为可能,并在分子水平上阐述了生态问题…     

缺氧嗜甲烷古菌研究进展

综述了缺氧嗜甲烷古菌的分布、生态位、形态与代谢特征的新发现,并讨论了其与产甲烷菌的关系.在无氧条件下,缺氧嗜甲烷古菌与硫酸盐还原菌互养,氧化甲烷气体以阻止其进入大气.缺氧嗜甲烷古菌主要分布于深海甲烷渗漏区和冷泉区域,在其他多种缺氧环境中也能发现,由于还未获得纯培养,对这类微生物的生态位知之甚少.其细胞呈球状、杆状,有时聚集成球状集合体或连接形成丝状体.缺氧甲烷氧化可能经过"反甲烷合成"、"甲基合成"等路径.嗜甲烷古菌与产甲烷菌有着较近的亲缘关系,并且存在许多相似点.图1表1参37     

硝化作用微生物的分子生物学研究进展

回顾了硝化作用微生物的分子生物学研究进展 ,主要介绍了硝化作用微生物的种类 ,包括氨氧化菌、亚硝酸氧化菌、异养氨氧化菌和厌氧氨氧化菌 .这些微生物的系统发育分析表明亚硝化菌的系统发育相对简单 ,而硝化细菌则要复杂许多 .还介绍了在硝化作用微生物生态学研究中应用的分子生物学技术 ,如PCR、变性梯度胶电泳 (DGGE)、原位荧光杂交 (FISH)等 ,以及不同类群细菌中与硝化作用相关的酶类及其基因 .文章的最后还提出了一些研究展望 .图 3参 35     

土壤微生物生态学研究方法进展

土壤微生物研究方法经历了微生物纯培养、土壤酶活性(BIOLOG微平板分析)、微生物库(如微生物生物量)和流(C和N循环)、微生物生物标记物(FAMEs)、微生物分子生物学技术(从土壤中提取DNA,进行PCR-DGGE、PCR-SSCP、RLFP分析等),揭示了土壤微生物群落丰富的多样性和生态功能;现代生物技术和传统微生物研究方法的配合将为土壤微生物学研究提供较好的前景。     

废水生物强化处理技术研究进展

生物强化技术具有高效去除目标污染物、加速系统启动、提高系统抗水力及有机负荷能力以及优化系统菌群结构和增强功能稳定性等功能,在废水生物处理实际应用中潜力巨大.总结了国内外废水生物强化处理技术研究进展,在功能微生物选育方面,通过传统选育手段与基因工程手段并举来实现;在功能菌应用与生物强化处理工艺方面,主要通过所投加的功能菌直接作用或是利用基因水平转移(HGT)来实现生物强化;在分子检测技术方面,随着分子生物学的发展,一些技术如变性梯度凝胶电泳(DGGE)、核糖体间隔基因分析方法(RISA)及荧光原位杂交(FISH)等在与微生物生态学研究中得到了广泛应用.分析认为,应用分子生物学等先进技术手段,探讨废水生物强化处理工程应用过程中的微生物生态学机制,并以此为指导研发高性能菌剂,将是本领域的研究重点与方向之一.     

宏基因组技术及其在环境保护和污染修复中的应用

宏基因组学是分子生物学技术应用于微生物生态学研究而形成的一个新概念,以环境中末培养微生物为研究对象,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.从1998年提出至今,该项技术已经广泛应用于工业、农业、医学等研究领域.文章在对宏基因组学的概念、研究方法、存在问题的综述基础上提出了相应的解决方法,并指出该技术在环境保护和污染修复中存在潜在的应用价值.利用该技术可以深入了解特定环境中微生物空间分布和动态变化,为环境监测、预警和评价提供理论依据.     

微生物研究在土壤质量评估中的应用

为了防止土壤退化,实现资源的持续利用,必须对土壤质量进行评估.传统的理化指标已难满足需要,寻找能够全面反映土壤质量动态变化和判别胁迫环境或人为干扰下土壤质量变化的灵敏指标,已成为土壤生态学的研究热点.土壤微生物是土壤生态系统的重要组分,在生物地球化学循环过程中有重要的作用,对土壤环境变化和胁迫的反应十分灵敏.但由于土壤微生物种类繁多且难以培养,限制了其在土壤质量评价中的应用.近年来围绕土壤微生物总量、活性和组成的测定发展出了很多新的技术,如微生物生物量测定、土壤酶活件测定、土壤诱导呼吸强度测定、Biolog微量分析、纯培养、磷脂脂肪酸谱图分析和分子生物学技术等,极大地促进了微生物指标在土壤质量评价中的应用.本文就这3个方面的土壤微生物研究技术及其在土壤质量评价中的应用进行评述.表1参70.     

未培养微生物的培养方法进展

在自然界庞大的微生物资源中,传统条件下可分离培养的微生物仅占1%,绝大多数则是尚未在人工条件下获得生长活性的未培养微生物(Uncultured microorganism).未培养微生物的难培养在于无法全面掌握它们原位(In situ)生长的环境信息及在人工条件下的准确复制,从而阻碍了环境微生物的特性研究和资源开发.本文详细介绍了目前对未培养微生物原位生长信息的主要认知及限制实现条件,系统总结了当今未培养微生物的最新培养方法进展.以新型培养基、高通量和微流控等为代表的各种新型培养装置与技术的应用,显著提高了未培养微生物的分离及培养效率,分离出不同环境中的多种未培养微生物,例如肠道细菌Ruminococcaceae、浮游细菌Formosa和土壤细菌Candidate N.defl uvii等.分子生物学技术在近十几年快速发展和广泛应用,特别是通过高通量测序和宏基因组测序,在基因功能水平上探索微生物代谢途径和生理生化机制的研究,为快速寻找适宜人工培养条件、规避传统方法的长周期弊端提供了可能.总之,新培养技术的出现显著提高了微生物的可培养比例,基于分子生物学方法的研究结果不仅大大丰富了微生物资源库,为种群多样性的深入研究及在生态系统中的作用奠定了良好的基础,更是为今后微生物分离与培养技术的提高指出了明确方向.(图2参60)     

云南,西藏热泉中主要微生物类群及其金成矿作用的研究

从地质微生物生态学的角度研究和阐述了云南和西藏热泉中主要微生物类群及其金成矿作用．发现了热泉中存在的嗜热好氧菌优势菌属为并孢杆菌（Racillus）,放线菌中的优势菌属为链霉菌（Streptomyces）,真菌中优势菌属为曲霉（Aspergillus）,厌氧菌中优势菌为硫酸盐还原菌的脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum）和核状芽孢杆菌属（Clostridium）,对吸附聚金、沉淀金的功能菌进行的研究发现．嗜热细菌对溶解金有明显的吸附聚金作用,表明原溶液金大多富集于细胞体;并以芽孢杆菌属K12－1菌株等进行了吸附聚金条件试验．     

利用PCR-DGGE技术分析乳制品中的乳酸菌

在食品发酵行业,需要一种简捷有效的方法检测发酵产品中的有益微生物.聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(Ploymerase chain reaction and denaturing gredient gel electrophoresis,PCR-DGGE)技术广泛应用于微生物生态学的研究.采用PCR-DGGE对5种含有乳酸菌的乳制品进行了菌群组成分析,并通过传统培养方法和核酸序列分析进行了验证.结果表明,所有测试样品中的活菌数量都在106～109 cfu/mL之间,通过平板培养法分离出了形态明显的杆状菌和链球状菌,对其进行16S rDNA核酸序列测定及同源性分析,将其鉴定为德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus).建立了由已知乳酸菌组成的DGGE参考阶梯(Reference ladder),可用其对相应菌株进行DGGE鉴定.用两对不同引物进行PCR-DGGE分析,除样品1外,试样中均检测到德氏乳杆菌和嗜热链球菌.对DGGE参考阶梯未能直接鉴定的样品1的电泳条带进行同收、序列分析,分别鉴定为卷曲乳杆菌(L.crispatus)和鼠李糖乳杆菌(L.rhamnosus).同时发现,引物R518-F357对嗜热链球菌模板的识别效率高于引物Lac1GC-HDA2.以上结果表明,RCRDGGE技术可以对样品中的乳酸菌进行快速的分析和鉴定.图4表1参30     

Overlooked nitrogen-cycling microorganisms in biological wastewater treatment

• AOA and comammox bacteria can be more abundant and active than AOB/NOB at WWTPs. • Coupled DNRA/anammox and NO_x-DAMO/anammox/comammox processes are demonstrated. • Substrate level, SRT and stressors determine the niches of overlooked microbes. • Applications of overlooked microbes in enhancing nitrogen removal are promising. Nitrogen-cycling microorganisms play key roles at the intersection of microbiology and wastewater engineering. In addition to the well-studied ammonia oxidizing bacteria, nitrite oxidizing bacteria, heterotrophic denitrifiers, and anammox bacteria, there are some other N-cycling microorganisms that are less abundant but functionally important in wastewater nitrogen removal. These microbes include, but not limited to ammonia oxidizing archaea (AOA), complete ammonia oxidation (comammox) bacteria, dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA) bacteria, and nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidizing (NO_x-DAMO) microorganisms. In the past decade, the development of high-throughput molecular technologies has enabled the detection, quantification, and characterization of these minor populations. The aim of this review is therefore to synthesize the current knowledge on the distribution, ecological niche, and kinetic properties of these “overlooked” N-cycling microbes at wastewater treatment plants. Their potential applications in novel wastewater nitrogen removal processes are also discussed. A comprehensive understanding of these overlooked N-cycling microbes from microbiology, ecology, and engineering perspectives will facilitate the design and operation of more efficient and sustainable biological nitrogen removal processes.     

基于宏基因组技术获得的对厌氧氨氧化菌代谢的新理解

厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonium oxidation bacteria,AAOB)是化能自养菌,由于其生理代谢的奇异性、细胞结构的特殊性以及对氮素循环的重要性,已成为环境工程、微生物以及海洋生物学等领域的研究热点.然而,AAOB未能实现纯培养的现状已成为AAOB代谢途径研究的巨大障碍.近年来兴起的宏基因组技术(Metagenomics)为AAOB代谢途径的研究提供了新手段.采用宏基因组技术,可直接研究微生物群体中某特定微生物基因组的结构与功能,摆脱了传统微生物学研究对纯培养的依赖,使未培养微生物的认识和开发成为可能.本文首先简述获取AAOB宏基因组信息的过程,然后通过比较由传统代谢研究方法和宏基因组技术获得的AAOB代谢途径的研究成果,论述基于宏基因组技术获得的对AAOB代谢的新理解,得出以下结果和结论:1)AAOB的碳素固定途径为乙酰辅酶A途径,碳素固定的还原力来自NADH或者QH2;2)AAOB氮素转化的重要中间产物是NO,而非NH2OH,并提出了以NO为核心的AAOB代谢的改进模型;3)AAOB的ATP合成途径为氧化磷酸化,推测的电子传递途径为N2H4—QH2—细胞色素bc1复合体;细胞色素bc1复合体再将电子用于NO2-还原和N2H4合成.AAOB的宏基因组技术使AAOB代谢途径的研究更具方向性.随着分子生物学理论和技术的不断发展,宏基因组学的升级技术(如宏转录组学、宏蛋白质组学)将为AAOB代谢途径的研究提供新的方法与平台.图3表1参51     

大气颗粒物中微生物分析方法及分布特征的研究进展

大气颗粒物(particulate matter, PM)可能携带病原微生物,会对人体健康产生影响,因此,对大气颗粒物中微生物的采集和分析已成为当今的研究热点。本文对大气颗粒物中微生物的采集方法和分析方法(培养法、菌群多样性组成谱测序和宏基因组学技术)的研究进展进行简要概括,着重介绍不同条件下(区域、时间、粒径、天气条件和气象因素)大气颗粒物中微生物的分布状况差异,并对引起相关差异的原因进行了探讨,旨在为深入认识大气颗粒物中微生物的分布特征提供参考。     

Genetic Structure of Herpetofauna on Halmahera Island,Indonesia: Implications for Aketajawe‐Lolobata National Park

Abstract: Genetic variation within species—a priority for biodiversity conservation—is influenced by natural selection, demography, and stochastic events such as genetic drift. We evaluated the role of these factors in 14 codistributed species of reptiles and amphibians on the Indonesian island of Halmahera by testing whether their molecular variation was correlated with geographic distance, ecology, riverine barriers, or Halmahera's paleoisland precursors. We found support for isolation by distance effects in four species. Two of these four were also significantly affected either by rivers or by ecology. A fifth species was significantly affected by ecology and a sixth was significantly affected by Halmahera's paleoislands. [Correction added after publication 9 December 2009: the previous sentence was edited for clarity.] These findings—the most comprehensive survey of multispecies genetic variation on Halmahera to date—bode well for the efficacy of the recently established Aketajawe‐Lolobata National Park in conserving a substantial component of vertebrate genetic variation on this island. Future success of conservation efforts will depend crucially, of course, on funding for and enforcement of conservation management of this park.     

SIZE DOESN'T MATTER: MICROBIAL SELECTION EXPERIMENTS ADDRESS ECOLOGICAL PHENOMENA

Experimental evolution is relevant to ecology because it can connect physiology, and in particular metabolism, to questions in ecology. The investigation of the linkage between the environment and the evolution of metabolism is tractable because these experiments manipulate a very simple environment to produce predictable evolutionary outcomes. In doing so, microbial selection experiments can examine the causal elements of natural selection: how specific traits in varying environments will yield different fitnesses. Here, we review the methodology of microbial evolution experiments and address three issues that are relevant to ecologists: genotype-by-environment interactions, ecological diversification due to specialization, and negative frequency-dependent selection. First, we expect that genotype-by-environment interactions will be ubiquitous in biological systems. Second, while antagonistic pleiotropy is implicated in some cases of ecological specialization, other mechanisms also seem to be at work. Third, while negative frequency-dependent selection can maintain ecological diversity in laboratory systems, a mechanistic (biochemical) analysis of these systems suggests that negative frequency dependence may only apply within a narrow range of environments if resources are substitutable. Finally, we conclude that microbial experimental evolution needs to avail itself of molecular techniques that could enable a mechanistic understanding of ecological diversification in these simple systems.     

海洋微生物来源的天然产物开发研究进展

综述了近年来海洋微生物来源天然产物研究的新进展,总结了该类天然产物的开发策略.通过对样品采用不同的预处理方式、不同的分离培养基以及新的培养方法,讨论如何获得海洋来源的特有微生物和增加海洋来源微生物类群的多样性.阐述了在海洋微生物天然产物的开发过程中,采用宏基因组技术及基因组测序等手段,来发现难培养或不可培养微生物中的天然产物以及处于"沉默"状态的天然产物.最后介绍了异源生物合成、组合生物合成以及核糖体工程等技术在海洋微生物天然产物开发和改造中的应用,并举例论述了海洋微生物天然产物的开发.     

Removal of odors and VOCs in municipal solid waste comprehensive treatment plants using a novel three-stage integrated biofilter: Performance and bioaerosol emissions

• TSIBF was composed of ABRS, FRS and HBRS. • THIBF can effectively remove various odors, VOCs and bioaerosols. • Different reaction segments in TSIBF can remove different types of odors and VOCs. • TSIBF can reduce the emission of bioaerosols through enhanced interception. A novel three-stage integrated biofilter (TSIBF) composed of acidophilic bacteria reaction segment (ABRS), fungal reaction segment (FRS) and heterotrophic bacteria reaction segment (HBRS) was constructed for the treatment of odors and volatile organic compounds (VOCs)from municipal solid waste (MSW) comprehensive treatment plants. The performance, counts of predominant microorganisms, and bioaerosol emissions of a full-scale TSIBF system were studied. High and stable removal efficiencies of hydrogen sulfide, ammonia and VOCs could be achieved with the TSIBF system, and the emissions of culturable heterotrophic bacteria, fungi and acidophilic sulfur bacteria were relatively low. The removal efficiencies of different odors and VOCs, emissions of culturable microorganisms, and types of predominant microorganisms were different in the ABRS, FRS and HBRS due to the differences in reaction conditions and mass transfer in each segment. The emissions of bioaerosols from the TSIBF depended on the capture of microorganisms and their volatilization from the packing. The rational segmentation, filling of high-density packings and the accumulation of the predominant functional microorganisms in each segment enhanced the capture effect of the bioaerosols, thus reducing the emissions of microorganisms from the bioreactor.     

土壤和地下水中多环芳烃生物降解研究进展

多环芳烃是一类普遍存在于环境中的难降解的危险性"三致"有机污染物。受污染的土壤和地下水中的多环芳烃,生物降解是其归宿的主要途径。研究表明,对于土壤中低分子量多环芳烃类化合物,微生物一般以唯一碳源方式代谢;而大多数细菌和真菌对四环或四环以上的多环芳烃的降解作用一般以共代谢方式开始。文章重点论述了多环芳烃的来源、降解多环芳烃的微生物、生物降解机理、影响生物降解的因素以及生物修复方法。认为今后的研究方向是高分子量多环芳烃的降解机理与降解途径,基因工程技术在多环芳烃生物降解方面的应用,以及生物表面活性剂产生的机理及其在实际处理中的应用等。