微生物与重金属的相互作用机理研究进展

微生物在自然界内种类繁多,并在重金属元素的生物地球化学循环中扮演着重要的角色。近年来,细菌与真菌对重金属的富集、转化作用成为此领域内的研究焦点。研究结果表明,细菌对重金属的富集、转化作用主要是通过胞壁吸附、氧化还原、细菌淋滤及与其它生物协同作用而进行的;真菌则主要是通过表面吸附与重金属硫蛋白的络合作用来富集环境中的重金属。文章对这些研究进展进行了综述,同时还介绍了菌根真菌在重金属的植物修复中所起的重要作用。     

黄河三角洲盐沼湿地甲烷厌氧氧化潜力及微生物群落对铁锰输入的响应研究

铁、锰是滨海湿地环境中重要的变价金属元素,金属依赖型甲烷厌氧氧化（Anaerobic oxidation of methane, AOM）过程与碳循环相耦合,在生物地球化学循环过程中起到重要的驱动作用.研究铁、锰对湿地甲烷厌氧氧化潜力及微生物群落的作用对于减缓因甲烷释放而带来的 全球气候变暖具有重要意义.以黄河三角洲滨海湿地为研究对象,通过室内厌氧培养及高通量测序方法,系统研究了碱蓬盐沼湿地下甲烷厌氧氧化潜力及微生物群落对Fe³⁺、Mn⁴⁺输入的响应.结果表明：向土壤输入不同浓度的Fe³⁺和Mn⁴⁺后,浅层土的AOM潜力皆被抑制,深层土的AOM潜力则受到促进作用,且作用显著（p<0.05）,说明不同土层对铁、锰输入的响应不同,这可能取决于土壤中铁、锰含量的本底值;在微生物层面,铁、锰输入对土壤微生物的丰富度及均匀度产生影响,土壤中的微生物群落结构同时也发生了显著变化,在门水平下,细菌中的Proteobacteria（变形菌门）和古菌中的Euryarchaeota（广古菌门）丰度显著升高,科、属水平下富集了可以促进甲烷氧化的Methylomonaceae（甲基单胞菌）且使其成为优势种,表明该菌可能深度参与了甲烷消耗及金属元素循环过程.本研究对滨海湿地甲烷厌氧氧化的机理研究及黄河 三角洲微生物的多样性保护具有重要意义,同时也可为滨海湿地CH₄减排提供科学依据.     

洁净环境样本低浓度微生物高效富集检测及应用

为了研究对洁净环境样本的低浓度微生物监测方法,制备了低浓度的革兰氏阳性菌和阴性菌各3种,使用修饰后的新型磁珠对模拟样本中的微生物进行富集评价实验.革兰氏染色和菌落计数结果表明,磁珠对3种革兰氏阳性菌和3种阴性菌均具有显著富集浓缩作用,与大肠杆菌相比,磁珠对金黄色葡萄菌的富集浓缩比更高.使用磁珠富集液对自来水、桶装水和瓶装矿泉水中的微生物进行非特异性吸附后,比较上清和磁珠-微生物复合物的细菌16S rDNA基因拷贝数和菌落总数指标,结果表明磁珠对自来水和桶装水中的微生物均具有显著的吸附效果（P<0.01,P<0.001）.通过比较,抽滤法和磁珠法对自来水中的微生物富集效果有差异（P=0.002）,2种方法对桶装水和矿泉水的富集效果无显著差异（P=0.362）.采集实际空气样本进行磁珠富集微生物的菌落计数及细菌16S rDNA基因拷贝数进行分析,磁珠-微生物复合物中的绝对基因拷贝数和菌落总数均显著高于磁分离后上清液中基因拷贝数和菌落计数（P=0.0001）.此方法对微生物具有一定的高效富集作用.     

洁净环境样本低浓度微生物高效富集检测及应用

为了研究对洁净环境样本的低浓度微生物监测方法,制备了低浓度的革兰氏阳性菌和阴性菌各3种,使用修饰后的新型磁珠对模拟样本中的微生物进行富集评价实验.革兰氏染色和菌落计数结果表明,磁珠对3种革兰氏阳性菌和3种阴性菌均具有显著富集浓缩作用,与大肠杆菌相比,磁珠对金黄色葡萄菌的富集浓缩比更高.使用磁珠富集液对自来水、桶装水和瓶装矿泉水中的微生物进行非特异性吸附后,比较上清和磁珠-微生物复合物的细菌16S rDNA基因拷贝数和菌落总数指标,结果表明磁珠对自来水和桶装水中的微生物均具有显著的吸附效果（P<0.01,P<0.001）.通过比较,抽滤法和磁珠法对自来水中的微生物富集效果有差异（P=0.002）,2种方法对桶装水和矿泉水的富集效果无显著差异（P=0.362）.采集实际空气样本进行磁珠富集微生物的菌落计数及细菌16S rDNA基因拷贝数进行分析,磁珠-微生物复合物中的绝对基因拷贝数和菌落总数均显著高于磁分离后上清液中基因拷贝数和菌落计数（P=0.0001）.此方法对微生物具有一定的高效富集作用.     

微生物介导的铁氧化机制及应用研究进展

微生物介导的铁氧化过程是铁循环的重要组成部分。参与铁氧化过程的微生物主要是细菌和古菌,依据生长环境及电子受体情况可将其分为四类：嗜酸铁氧化菌、中性微氧铁氧化菌、中性厌氧光合铁氧化菌和中性厌氧硝酸盐还原铁氧化菌。铁氧化微生物驱动着环境中C、N、O、S等生源要素的元素地球化学循环。目前已经阐明的微生物铁氧化电子传递机制都有着一个共同范式,即亚铁都是在外膜细胞色素上被氧化,细胞从亚铁获得电子,由细胞外膜经周质电子传递蛋白,而后传递至细胞内膜各蛋白上,用于电子受体还原或固碳。现代环境中铁氧化微生物的研究已被广泛运用于地球早期生命演化研究、环境污染修复、新材料合成及生物浸矿等领域。铁氧化菌的分离鉴定、铁氧化代谢途径及其地球化学效应的详细解析及铁氧化在环境污染治理等方面还有大量的工作有待开展。     

藿类生物标志物及其对海洋碳氮循环过程的指示

由微生物介导的海洋碳氮生物地球化学循环对全球气候变化具有重要影响.五环三萜的藿类化合物（hopanoids）,包括以细菌藿多醇（BHPs）为主的生物藿类和藿烷等地质藿类,是指示近现代环境和重建古环境中碳氮循环过程的重要类脂生物标志物.本文总结了藿类化合物的生物合成途径和生理功能,及在海洋碳氮循环关键过程（固氮、硝化、厌氧氨氧化、甲烷氧化和陆源有机质输入）中的指示作用.微生物膜脂中的藿类化合物主要由hpn基因编码的藿类合成和修饰酶调控,与微生物理化特征及环境条件具有密切关系.2-甲基藿类、2-甲基环醇醚和不饱和环醇醚等藿类化合物可调节细胞膜的氧渗透性以发挥固氮酶保护作用,可指示环境中固氮蓝细菌及其固氮过程.细菌藿四醇异构体之一的BHT-x是海洋厌氧氨氧化菌Candidatus Scalindua的专属产物,可指示海洋厌氧氨氧化和低氧环境.土壤标志物BHPs及陆源输入指标R_soil可追踪陆源有机质向海洋环境的输入和迁移.35-氨基BHPs和3-甲基（氨基） BHPs可指示好氧甲烷氧化活动.细菌藿六醇和3-甲基细菌藿六醇可指示亚硝酸盐型甲烷氧化活动.未来,随着分子生物学、基因组学和仪器分析技术的不断发展,藿类化合物在指示海洋碳氮循环过程方面势必会发挥更加重要的作用.     

水稻根际土壤中汞的微生物循环过程

甲基汞(MeHg)是一种具有神经毒性的环境污染物。稻田土壤中在微生物作用下由无机汞转化产生的甲基汞,经水稻根系吸收后最终会富集于稻米中,由此造成人体的甲基汞暴露风险。水稻根际土壤在此过程中可能扮演着至关重要的作用。受水稻根系分泌的有机碳及氧气等的影响,根际土壤被视为稻田环境中的特殊生境,其间的微生物群落结构与丰度以及若干关键元素的循环过程与非根际土壤相比存在巨大差异。这一特殊生境会对无机汞(IHg)以及甲基汞在稻田环境中的命运产生重要影响。本文首先简要综述了稻田土壤环境中甲基汞产生与降解的微生物学过程研究进展,并进一步着重分析了水稻根际土壤中Fe、S、C、N和P等关键元素对汞的微生物循环过程的影响。深刻认识这些过程,有助于研究者准确评估汞污染区稻田土壤甲基汞的产生及向水稻体内的转移效率,这对未来选择适当的农业手段降低人体甲基汞暴露风险具有重要意义。文章最后提出了若干值得探索的研究方向,期望能为相关研究提供新思考。     

天然铁基矿物修复土壤的机制

铁是地球物质循环的重要元素,它在地球环境中以各种铁基矿物的形式广泛存在.在此,介绍天然铁基矿物的基本性质及其在土壤修复中的作用机制,着重阐述铁基矿物的吸附交换作用,氧化还原作用和与微生物交互作用,总结和讨论它们的作用原理,并对铁基矿物在土壤修复领域的应用提出一些值得思考的问题.     

富硫沉积生境中微生物群落的垂直分布特征

为探讨富硫沉积环境中特定微生物类群对硫循环的贡献,人工建立富含硫酸盐的模型,对模型中各种环境化学参数进行监测,并采用不依赖于培养的微生物分子生态学技术对微生物群落垂向分布特征进行解析.结果表明,以沉积物-水界面为分界线,上层水相为好氧环境,硫化物浓度较底;而沉积物相中硫化物浓度较高,为厌氧生境.微生物群落分布与环境特征具有很好的吻合性,沉积物相中微生物群落相似性较高,多样性相对较低,而水相中微生物多样性较高,且与沉积物中微生物分离距离较大.在水-沉积物垂向剖面中,细菌域中的变形菌门(Protebacteria)(丰度为7.6%~32.8%)、绿弯菌门(Chloroflexi)(13.6%~22.3%)以及古菌域中的广古菌门(Euryarchaeota)(19.3%~29.2%)是微生物群落中的绝对优势类群.在该生境中,存在微生物主导的硫循环过程,在厌氧沉积物表层,δ变形菌纲(Deltaprotebacteria)中的硫酸盐还原细菌还原硫酸盐产生硫化物,同时降解有机质.硫化物向上层扩散时,被Thiobacillus、Acidithiobacillus和Halothiobacillus等属的硫氧化微生物氧化为单质硫,并进一步氧化为硫酸盐,在硫循环过程中有机质被逐渐降解.特定微生物种群的富集需要在不同的环境因素,多种微生物共同参与硫循环过程,完成有机质降解.     

微生物与重金属相互作用过程与机制研究进展

重金属污染对土壤、地下水和农作物等会产生重大影响,并通过生物链危害人体健康.微生物在环境中广泛存在,在矿物分解、元素释放、迁移、沉淀和再富集过程中起着重要作用,进一步发掘对不同重金属具有耐受性的特异性菌株,探究其对重金属的解毒和耐受性的机制,可更好地为微生物用于环境修复工作提供理论依据.综述了微生物与环境中重金属的相互作用过程与机制以及微生物在修复重金属污染中的应用,结果表明:①微生物自身生长过程中产生的大量氨基酸、蛋白质和多肽等物质可与重金属鳌合,促进重金属的溶解和吸附过程.②重金属对微生物产生毒性影响,微生物通过氧化还原、生物矿化和甲基化等作用改变重金属元素的化学形态,降低重金属的毒性.③微生物对重金属的修复效果与重金属的存在形态有关,在实际应用中可先将重金属元素转化为易于被微生物吸附的形态,再利用特异性菌株进行生物修复.④根际微生物对植物吸收重金属起着重要的调控作用,但植物根系分泌物和微生物的新陈代谢产物对重金属形态及生物有效性的协同拮抗作用机制及其微观的界面过程尚未明晰,有待进一步研究.      

环境中生物氧化锰的形成机制及其与重金属离子的相互作用

微生物参与形成的锰氧化物是环境中一种高活性的锰氧化物.研究表明,锰氧化菌主要通过分泌多铜氧化酶来氧化Mn(Ⅱ)而形成锰氧化物.微生物形成锰氧化物过程的主要初级产物是与δ-MnO₂或与酸性钠水锰矿类似的层状锰酸盐.生物氧化锰是环境中重要的吸附剂、氧化剂和催化剂.通过吸附、氧化作用,生物氧化锰影响着重金属离子在环境中的迁移转化,在重金属元素生物地球化学循环中起重要作用.研究锰氧化物的生物形成过程、生物氧化锰的结构特征及其与重金属离子之间的相互作用,对于了解生物氧化锰在重金属元素生物地球化学循环过程中的作用以及在重金属污染修复中的应用有着重要意义.本文综述了环境中生物氧化锰的形成机制、性质、结构特点及其吸附、氧化重金属离子的机制.     

成熟锰砂表面细菌的分离及其氧化铁锰能力

从取自不同电厂成熟锰砂表面的活性滤膜中分离出7种细菌,经鉴定分别属于纤发菌属、球衣菌属、鞘铁细菌属.研究表明,这3个菌属的微生物对水中Fe2+都具有较好的去除效果,其中鞘铁细菌1号对铁的去除效果最好;纤发菌和鞘铁细菌对水中Mn2+都具有良好的去除效果,其中鞘铁细菌1号的去除能力最强,鞘铁细菌2号次之.将分别堵养的具有氧...     

盐碱化土壤细菌群落研究进展

盐碱地是重要的后备耕地资源,对其进行综合开发利用一直是各国关注的热点问题。微生物作为土壤重要的组成部分,在土壤形成发育、物质循环、肥力等方面具有重要作用。开展盐碱土壤微生物种类组成、群落结构、功能等方面的深入研究,对盐碱地的生态修复具有重要意义。该文从盐碱土环境特征、土壤微生物数量分布特征、细菌群落结构组成3个方面阐述了不同盐碱程度土壤细菌群落结构特征,提出了未来盐碱土壤微生物的研究方向,以期为盐碱地开发利用提供参考。     

铅锌矿床中镉的表生地球化学研究现状

铅锌矿床是镉主要来源,在其开采过程中,镉等重金属有毒元素会产生次生富集,同时不可避免向环境大量释放,严重影响周围环境。本文介绍了铅锌矿的表生地球化学研究现状,提出应加强镉等重金属元素在表生风化作用下活化-迁移-富集机理及影响因素,定量地描述镉等重金属元素的释放过程等地球化学研究,以揭示镉等有害元素在铅锌矿山表生风化过程中的活化、迁移、次生富集的规律及机理,探讨其通过岩(矿)石-水-土壤-植物影响环境和人类健康过程,这不仅对于铅锌矿山环境有重要意义,而且也将揭示一些矿床中镉高度富集机理,从而在理论上丰富镉的地球化学内容,对研究铅锌矿床中元素循环、矿山修复、环境评价及生态效应等具有重要意义。     

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.     

异化铁还原对土壤中重金属形态转化及其有效性影响

铁的微生物还原是以Fe(Ⅲ)为末端电子受体在厌氧条件下氧化有机物的产能过程,在生物地球化学循环中起着重要的作用.铁呼吸被认为是地球上最古老的微生物代谢形式,与水体、土壤及沉积物中物质循环息息相关.铁的微生物还原对土壤中重金属形态转化有显著影响,对修复重金属及放射性核素污染的场地有着重要意义.本文综合评述了近年来铁微生物还原研究进展,从生态安全和可持续发展角度,探讨了异化铁还原对重金属的形态改变及重金属污染土壤修复的潜在价值,并对其应用前景进行客观分析.异化铁还原对重金属形态转化的影响机制,可初步归纳为异化铁还原对重金属的氧化还原作用、对重金属的甲基化作用、对重金属的固定作用,其作用机制包含生物过程和化学作用的相互穿插,值得进一步深入研究.     

噬菌体编码的抗生素抗性基因研究进展

噬菌体作为地球上丰度最高的生物体,对于全球生态系统的微生物群落组成与动态,生物地球化学循环和细菌进化等都具有重要作用,但噬菌体对抗生素抗性的贡献还所知甚少.通过宏基因组测序和定量PCR等技术,发现了海洋,河流,土壤,动物肠道等环境的噬菌体基因组中存在多种耐药基因(antibiotic resistance genes,ARGs).因此,噬菌体及其介导的转导作用可能对ARGs的富集扩散发挥着重要作用.本文综述了不同环境介质的噬菌体基因组中ARGs的分布特征以及噬菌体介导的ARGs水平转移的研究进展,同时展望了为阐明噬菌体对抗生素抗性贡献需要解决的科学问题.本文将为了解噬菌体在ARGs传播扩散中的作用以及扩展对可移动抗性组的认知奠定基础.     

零价铁与微生物耦合修复地下水的研究进展

主要总结了零价铁与微生物耦合体系修复污染地下水的作用效能与机制,介绍了零价铁与微生物耦合体系中零价铁的和微生物的主要来源及特征,总结了该耦合技术对地下水中氯代烃、重金属以及硝酸盐的去除效能、作用机制以及产物,由于零价铁与微生物之间的协同作用,相较于单一体系,耦合体系对多种污染物的去除效率具有明显的优势,且耦合体系中污染物的去除产物更加无害化.此外,从材料本身与环境因子两个方面概述了零价铁与微生物耦合体系降解效率的影响因素,阐明了零价铁与微生物之间的交互作用机制.零价铁的毒性作用和刺激作用对微生物的生长与群落变化起到了重要作用,同时微生物的存在影响了零价铁的电子传递与钝化产物的构成.最后,提出了零价铁与微生物耦合体系的未来研究需求,总结了该技术的优势与不足,有利于该技术在地下水修复中的高效应用.     

氨氧化微生物在河口与海洋中的生态位研究进展

氨氧化微生物（ammonia-oxidizing microorganisms AOMs）在氮素的地球化学循环中调控着硝化作用的第一步,其能够将生境中的NH₃有氧氧化为亚硝酸盐NO₂-。随着对微生物参与地球化学循环的功能与作用的深入研究,氨氧化微生物在世界各主要河口与海洋中的研究也备受关注。AOMs在不同环境中存在不同的生态位分化,在河口与海洋两种环境下,氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria,AOB）与氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea,AOA）的丰度差异明显,AOB和AOA的群落结构亦显著不同。在河口与海洋中,盐度、温度、氮含量、碳含量与溶解氧等环境因子有着明显的差异,通过分析不同环境因子对AOMs的作用,了解AOMs的时空动力学特征、群落结构变化规律及生态位分化特点,是研究微生物氮素地球化学循环的理论基础。     

趋磁细菌和磁小体在地质体中的分布及其研究意义

本文介绍了趋磁细菌的生长条件和磁小体的合成条件、趋磁细菌与磁小体在地质体中的分布及其特征。讨论了磁小体对沉积物磁性的影响 ,并指出沉积物中的磁小体不仅可为研究古环境、古地磁提供有意义的信息 ,而且由于磁小体在成分、形态、大小等方面的特征 ,有望在生物医学、高级电子等领域有较好的应用前景