微生物生态学理论框架

微生物是生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与所有的生态过程。微生物生态学是基于微生物群体的科学,利用微生物群体DNA/RNA等标志物,重点研究微生物群落构建、组成演变、多样性及其与环境的关系,在生态学理论的指导和反复模型拟合下由统计分析得出具有普遍意义的结论。其研究范围从基因尺度到全球尺度。分子生物学技术的发展,使人们可以直接从基因水平上考查其多样性,从而使得对微生物空间分布格局及其成因的深入研究成为可能。进而可以从方法学探讨微生物生物多样性、分布格局、影响机制及其对全球变化的响应等。在微生物生态学研究中,群落构建与演化、分布特征(含植物-微生物相互关系)、执行群体功能的机理(生物地球化学循环等)、对环境变化的响应与反馈机理是今后需要关注的重点领域。概述了微生物生态学的概念,并初步提出其理论框架,在对比宏观生态学基础理论和模型的基础上,分析微生物多样性的研究内容、研究方法和群落构建的理论机制,展望了今后研究的重点领域。     

城市景观格局视角下空气微生物研究进展

城市化进程将原有自然生态系统改造为以不透水面为主的人工景观,这种变化影响了空气微生物群落的生存环境及其时空异质性。空气微生物受城市化的影响程度与其生态功能的发挥关系密切,微生物群落特征的改变会在一定程度上影响当地生态环境质量并给人群健康带来潜在威胁。城市化进程和空气微生物群落动态分属两个时空尺度差异巨大的生态过程,二者的联合分析已成为目前生态安全与环境健康领域的研究热点。从空气微生物的来源及其组成特征、空气微生物群落的时空异质性及其影响因素以及空气微生物的生态环境效应三个方面系统梳理和总结了近年来探索城市化和空气微生物群落动态之间关系的研究,从宏观视角探讨了当前空气微生物研究的不足,并引入社会-经济-自然复合生态系统、景观格局与过程等相关理论和方法来分析城市化对空气微生物群落特征的影响,旨在明确城市景观格局作用下的空气微生物群落对人群健康的潜在威胁程度,为快速城市化过程中的人居环境的改善提供参考。     

宏观生态系统科学整合研究的多学科知识融合及其技术途径

综合认识大尺度的宏观生态系统结构功能、空间变异和动态演变的过程机理和模式机制,实现对生态系统变化及其对人类福祉影响的定量模拟、科学评估和预测预警,服务生态系统的利用保护及调控管理,是当代宏观生态系统科学的重要发展方向,正在孕育并形成大尺度的宏观生态系统科学整合生态学(IEMES)研究新领域。本研究通过对宏观生态系统科学整合生态学研究的基础理论、多学科知识融合途径及其关键技术问题的系统分析,形成以下几个基本认识: 1)宏观生态系统科学整合生态学研究是以区域、大陆和全球尺度的宏观生态系统为研究对象,采用多学科知识融合方法和技术,致力于解决人类社会发展的食物安全、资源安全、生态安全、环境安全等重大资源环境问题。2)宏观生态系统科学整合生态学研究的基本科技任务是: 理解宏观生态系统的结构功能基本属性,监测生态系统状态变化,解释生态系统时空演变规律,认知生态系统运维过程机理,定量评估生态系统功能状态及服务能力,预测生态系统动态演变及地理格局,预警生态系统变化及生态环境灾害。3)宏观生态系统科学整合生态学研究需要重新构造“多源数据分析-多模型模拟-多学科知识融合”的理论和方法学体系,发展“多尺度观测、多方法印证、多过程融合、跨尺度模拟”的多学科知识融合关键技术。4)大陆尺度的地基-空基-天基多时空尺度生态系统观测试验网络是承载多学科知识深度融合研究的基础科技设施,需要围绕区域、大陆和全球尺度的宏观生态系统科学问题,发展多要素-多过程-多界面-多介质-多尺度-多方法的多学科维度生态学知识融合关键技术。     

土壤微生物多样性海拔格局研究进展

生物多样性的海拔分布格局与维持机制是生物多样性与生态系统功能研究的热点领域。相比动植物多样性海拔分布格局,土壤微生物多样性海拔分布格局的研究还处在起步阶段。近年来,随着以罗氏454、Illumina Mi Seq等为代表的高通量测序平台的发展,土壤微生物海拔梯度分布格局的研究进展较快。对土壤微生物多样性海拔分布格局最新研究综述发现,土壤微生物海拔分布模式并不明确,表现为无趋势、下降、单峰或者下凹型等多种海拔分布模式。这与大型动植物并不相同,暗示其驱动机制可能存在一定的差异。微生物由于其个体微小、扩散能力强以及较高的多样性和个体丰度而在局域尺度上可能更易受到气候环境因素的影响。土壤pH、碳、氮等因子是影响微生物多样性和群落组成在海拔梯度上变异的重要因素。此外,温度和降水也具有重要作用。另外,除微生物自身属性以及取样限制外,测序深度可能是影响土壤微生物物种丰富度海拔分布格局的重要因素。目前,对土壤微生物群落的研究在功能基因、群落构建机制以及生态学理论的验证方面还存在着不足。未来的研究应进一步加大测序深度,增加取样密度,着重关注全球气候变化及生物多样性丧失背景下土壤微生物群落的构建和维持机制及其生态系统功能等方面。     

合成微生物体系研究进展

合成微生物体系作为自下而上构建的人工合成微生物群落,相比于自然微生物群落具有复杂度低及可控性、可操作性强等特点。其作为新兴的生物技术,综合借鉴了合成生物学、系统生物学、生物进化等知识,通过合理的设计、规划与调控,成为研究微生物生态学理论的实验平台,以及验证已知理论的微生物系统。本文首先简单介绍了合成微生物体系的概念及其由来,阐述了其基本构建原则,随后介绍了其生态学理论基础,并总结概括了近年来的实际应用,最后提出合成微生物体系的发展前景,包括需要设计构建更为复杂的人工合成微生物群落,以及优化生态模型。     

植物微生物组生态功能与群落构建过程研究进展

植物各个器官表面及内部定殖着高度多样化的微生物群落,这些微生物与植物长期共进化,作为宿主植物的“共生功能体”(holobiont)在植物生长发育、养分吸收、病害抵御和环境胁迫适应性等方面发挥了重要作用。得益于近10年来多组学技术的发展和应用,有关植物微生物群落的多样性、组成和功能特征、群落构建的驱动因素和植物–微生物互作机制等方面研究取得了一系列重要进展。然而,与土壤微生物组相比,目前对植物微生物组的认识及其应用尚且不足。本文系统总结了植物微生物组的组成特征,植物微生物在调节植物生长发育、促进养分吸收、提高病害抵御能力及环境胁迫适应性等方面的功能及作用机制,从宿主选择、环境因子以及生物互作3个方面总结了驱动植物微生物群落构建的因素,并着重阐述了植物–微生物互作如何塑造植物微生物群落以及如何调节对植物的有益功能。此外,我们对未来植物微生物组研究和应用面临的挑战进行了展望,如核心微生物组挖掘和合成群落构建,植物–微生物互作的分子调控机制,植物微生物群落水平上的互作机制等。深入理解植物微生物群落特征、生态功能以及构建过程对于精准调控植物微生物组以提高植物适应性和生产力以及维持生态系统健康具有...     

土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即: 改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题: 综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.     

若尔盖高原泥炭沼泽湿地土壤细菌群落空间分布及其驱动机制

了解高原泥炭沼泽湿地生态系统土壤微生物群落结构组成、多样性及空间分布特征对认识高原湿地生态特征及演化过程至关重要。利用高通量测序技术，在局域尺度上研究了四川若尔盖高原泥炭沼泽湿地土壤细菌群落结构与多样性特征。通过进一步测定土壤及植物基本理化指标，量化采样点之间的地理距离，比较了细菌群落不同成员（稀有种和丰富种）的空间周转差异，分析了土壤环境变量和空间因子对细菌群落结构的相对贡献。结果表明：若尔盖泥炭土壤细菌群落主要由绿弯菌门（Chloroflexi）（26.25%）、变形菌门（Proteobacteria）（23.21%）、厚壁菌门（Firmicutes）（10.56%）等优势物种门类组成；土壤细菌群落结构表现出较强的空间依赖关系，群落结构相似性随采样点地理距离增加而逐渐降低，细菌群落的周转速率表现为总细菌群落 > 丰富种 > 稀有种；Mantel检验结果显示，地上生物量与细菌群落呈极显著相关性（P<0.01），其中，影响稀有种空间分布特征的环境因子还包括土壤硫含量、活性磷、Mn和土壤pH值；方差分解分析表明，局域尺度上的土壤因子对若尔盖高原泥炭沼泽土壤细菌群落构建的相对贡献大于空间因子，土壤异质性是影响微生物空间分布特征的关键因素。研究为开展高原湿地泥炭土壤微生物多样性调查及揭示微生物群落构建机制提供了重要参考。     

黄土高原生态水文过程研究进展

以黄土高原水文过程为主线,围绕水资源短缺、水量分布不均衡、水文过程的复杂性和非稳态等特性,梳理了黄土高原水文过程的主要现状及研究进展,包括水资源分布、水量平衡和水文循环等过程;融合生态水文尺度效应,从土壤、微生物、植物冠层、坡面、流域和景观等方面归纳和总结了黄土高原生态水文过程;针对该区生态水文过程的时空异质性,提出未来更需要通过多学科交叉与融合手段,加强宏观与微观过程的集成与联网研究;采用多尺度、多要素、多时空的综合观测与模拟手段,定量重要生态功能区水分承载力及生态阈值;从生态学和水文学方面揭示不同时空尺度下水分转移与分配特征;为解决黄土高原水资源的宏观调控与最优分配模式提供理论基础。     

全球变暖背景下土壤微生物呼吸的热适应性:证据、机理和争议

土壤微生物呼吸的热适应性被认为是决定陆地生态系统对全球变暖反馈作用的潜在重要机制,可能显著改变未来的气候变化趋势,然而学术界对于这一机制是否真实存在尚有分歧。阐述了土壤微生物呼吸的热适应性概念,从证据、机理和争议3方面对已有研究进展进行了综述和分析。土壤微生物呼吸的热适应性是微生物在群落尺度上对温度变化的适应性,具有坚实的生物学与生态学理论基础,研究者们运用各类指标已在许多实验中证实土壤微生物物种及群落的呼吸过程能够在高温环境产生适应性变化。土壤微生物呼吸的热适应性机理涉及生物膜结构变化、酶活性变化、微生物碳分配比例变化和微生物群落结构变化等方面。关于土壤微生物呼吸热适应性的争议可能是由研究方法、微生物物种及环境条件的差异引起的。根据对已有研究的分析,认为土壤微生物呼吸的热适应性是真实存在的,未来的研究可进一步探索土壤微生物呼吸的热适应性机理,深入研究环境和全球变化对土壤微生物呼吸的热适应性影响,定量评估土壤微生物呼吸的热适应性对陆地生态系统反馈过程的影响。     

Applying population and community ecology theory to advance understanding of belowground biogeochemistry

Approaches to quantifying and predicting soil biogeochemical cycles mostly consider microbial biomass and community composition as products of the abiotic environment. Current numerical approaches then primarily emphasise the importance of microbe–environment interactions and physiology as controls on biogeochemical cycles. Decidedly less attention has been paid to understanding control exerted by community dynamics and biotic interactions. Yet a rich literature of theoretical and empirical contributions highlights the importance of considering how variation in microbial population ecology, especially biotic interactions, is related to variation in key biogeochemical processes like soil carbon formation. We demonstrate how a population and community ecology perspective can be used to (1) understand the impact of microbial communities on biogeochemical cycles and (2) reframe current theory and models to include more detailed microbial ecology. Through a series of simulations we illustrate how density dependence and key biotic interactions, such as competition and predation, can determine the degree to which microbes regulate soil biogeochemical cycles. The ecological perspective and model simulations we present lay the foundation for developing empirical research and complementary models that explore the diversity of ecological mechanisms that operate in microbial communities to regulate biogeochemical processes.     

空间组织模式：微生物群落组装的“游戏”规则

在生物膜形成过程中,微生物种群之间通过主动或者被动的生物过程所形成的独特空间结构被称为空间组织模式。微生物空间组织模式广泛存在于自然和人工环境中,比如医疗、工业和生态系统等,是微生物形成和维持特定群落结构并发挥功能的主要方式,也是形成和维持微生物群落多样性的关键机制。然而,由于微生物群落的复杂性及相关研究方法的局限性,微生物空间组织模式方面的研究目前仍然处于起始阶段。本文梳理了微生物空间组织模式领域的研究进展,系统总结了空间组织模式初始阶段（微生物界面附着）和成熟阶段（空间自组织）的形成过程与协同机制,以及其对微生物养分利用和元素循环、微生物多样性维持和种群进化及功能的影响和调控机制,并分析了影响微生物空间组织模式的关键环境因素。     

Application of the microbial community coalescence concept to riverine networks

Flows of water, soil, litter, and anthropogenic materials in and around rivers lead to the mixing of their resident microbial communities and subsequently to a resultant community distinct from its precursors. Consideration of these events through a new conceptual lens, namely, community coalescence, could provide a means of integrating physical, environmental, and ecological mechanisms to predict microbial community assembly patterns better in these habitats. Here, we review field studies of microbial communities in riverine habitats where environmental mixing regularly occurs, interpret some of these studies within the community coalescence framework and posit novel hypotheses and insights that may be gained in riverine microbial ecology through the application of this concept. Particularly in the face of a changing climate and rivers under increasing anthropogenic pressures, knowledge about the factors governing microbial community assembly is essential to forecast and/or respond to changes in ecosystem function. Additionally, there is the potential for microbial ecology studies in rivers to become a driver of theory development: riverine systems are ideal for coalescence studies because regular and predictable environmental mixing occurs. Data appropriate for testing community coalescence theory could be collected with minimal alteration to existing study designs.     

废气处理生物滤器微生物生态学研究进展

废气生物处理是一项新兴的气体污染控制技术,已成为当前环境领域的研究热点.本文概述了生物滤器系统(包括生物过滤器系统和生物滴滤器系统)结构及其去除气体污染物的原理,重点阐述了生物滤器微生物的分离、鉴定及其降解特性,微生物丰度、活性与微生物群落结构多样性之间的相关性,运行条件对微生物群落的影响,微生物群落结构时空变化规律,生物膜形成机理和模型等方面的研究进展,并对今后废气处理生物滤器微生物生态学研究方向进行了展望.     

海拔梯度变化对中亚热带黄山松土壤微生物生物量和群落结构的影响

全球变暖对陆地生态系统造成一系列生态问题,使这些问题将随着全球平均气温的升高而进一步加剧。海拔梯度变化是研究气候变暖对陆地生态系统影响的一种重要手段。目前为止利用海拔梯度对微生物影响的研究尚未定论,其主要原因是忽略了植被类型的影响。因此,以中亚热带戴云山的3个海拔(1300、1450、1600 m)的黄山松(Pinus taiwanensis)林为研究对象,探究沿海拔梯度的变化,森林土壤微生物生物量和微生物群落结构的响应变化。结果表明:土壤碳氮磷养分(SOC、TN、TP)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)和丛枝菌根真菌(AMF)、革兰氏阴性菌(GN)、真菌(Fungi)、总磷脂脂肪酸(T_(PLFA)),细菌∶真菌(F∶B)均随海拔升高显著下降,而革兰氏阳性菌∶革兰氏阴性菌(GP∶GN)随海拔升高呈相反的趋势。冗余分析(RDA)表明,温度(T)和可溶性有机氮(DON)是影响微生物群落结构的最重要的环境因子。研究表明:与1600 m海拔相比,1300 m海拔温度较高,土壤有机质矿化作用较强,土壤速效养分及微生物生物量随之增加,从而提高(Fungi)、细菌(Bacteria)等。因此,未来气候变暖将通过改变土壤碳氮磷养分来影响本区域微生物群落组成结构。这对进一步深入了解气候变化对山地生态系统土壤养分循环过程具有重要意义。     

大庆盐碱地九种植物根际土壤微生物群落结构及功能多样性

盐碱土是陆地表面生态脆弱区域。它与荒漠化过程相伴而生,不但造成了资源的破坏、农业生产的巨大损失,而且还对生物圈和生态环境构成威胁。研究盐碱地植物根际土壤微生物群落的多样性,对于盐碱土壤的植被恢复和生态重建具有重要意义。运用PCR-DGGE技术和Biolog微平板法,对大庆盐碱地9种不同植物根际土壤微生物结构和功能的多样性进行了分析。结果表明,不同植物根际土壤微生物组成不同,同一科的植物具有相似的微生物组成。对11个克隆进行了序列测定,发现这一地区植物根际优势微生物菌群为变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)。利用Biolog微平板法分析了微生物群落功能多样性。结果表明,不同植物根际土壤细菌群落对底物碳源的代谢特征存在着一定的差异,其中豆科的野大豆根际土壤细菌对底物碳源的代谢能力最强。     

种子微生物生态学研究进展

植物种子微生物生态学是研究与种子相联合的微生物的组成﹑功能﹑演替、它们之间关系及其与宿主之间相互关系的科学。种子中蕴含着丰富的微生物资源,它们对种子以及植物的健康具有重要的影响。不同种类植物种子联合的微生物群落由于受到种子本身及外界环境因素的影响而有所差异。论述了种子微生物生态学的概念、主要研究方法、种子微生物生态系统中的微生物种类、相关影响因素,以及种子微生物生态学研究的发展方向。种子微生物生态学的研究对生产实践有重要意义,同时也将丰富种子生物学的内容,对种子科学的发展起到促进作用。     

Land use and climatic factors structure regional patterns in soil microbial communities

Aim  Although patterns are emerging for macroorganisms, we have limited understanding of the factors determining soil microbial community composition and productivity at large spatial extents. The overall objective of this study was to discern the drivers of microbial community composition at the extent of biogeographical provinces and regions. We hypothesized that factors associated with land use and climate would drive soil microbial community composition and biomass.
Location  Great Basin Province, Desert Province and California Floristic Province, California, USA.
Methods  Using phospholipid fatty acid analysis, we compared microbial communities across eight land-use types sampled throughout the State of California, USA ( n = 1117).
Results  The main factor driving composition and microbial biomass was land-use type, especially as related to water availability and disturbance. Dry soils were more enriched in Gram-negative bacteria and fungi, and wetter soils were more enriched in Gram-positive, anaerobic and sulphate-reducing bacteria. Microbial biomass was lowest in ecosystems with the wettest and driest soils. Disturbed soils had less fungal and more Gram-positive bacterial biomass than wildland soils. However, some factors known to influence microbial communities, such as soil pH and specific plant taxa, were not important here.
Main conclusions  Distinct microbial communities were associated with land-use types and disturbance at the regional extent. Overall, soil water availability was an important determinant of soil microbial community composition. However, because of the inclusion of managed and irrigated agricultural ecosystems, the effect of precipitation was not significant. Effects of environmental and management factors, such as flooding, tillage and irrigation, suggest that agricultural management can have larger effects on soil microbial communities than elevation and precipitation gradients.