基于ATP生物发光法的微生物数量快速检测技术的研究进展

微生物数量的快速检测一直是工业生产与食品行业需要解决的问题,腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)生物发光法具有操作简便、检测周期短等优点,可满足一般微生物检测的需求。然而,ATP生物发光法的准确性也受到不同因素的影响,如微生物的ATP检测限值较高、微生物自身及其他因素(如非微生物ATP、提取剂种类、荧光素酶活性等)均对微生物数量的检测产生影响。本文简述了不同微生物数量检测方法的优缺点,介绍了ATP生物发光法的发展历程及原理,综述了非微生物ATP与游离ATP、微生物量、ATP提取剂、荧光素酶等因素对ATP生物发光法灵敏度与稳定性的影响,归纳总结了ATP生物发光法及检测设备在食品、医疗、污水处理等领域的应用现状,并就ATP生物发光法体系的优化及ATP在线检测的应用等方面进行了展望,以期为ATP生物发光法的高效应用提供新的思路。     

利用ATP扩增反应与生物发光法结合检测微量微生物

摘要:【目的】腺苷酸激酶（adenylate kinase, ADK）和多聚磷酸盐激酶（polyphosphate kinase, PPK）偶联催化的ATP扩增反应结合生物发光检测法能够对微量微生物进行检测。但是PPK当中结合的内源性的ADP会产生背景干扰,影响测定。本文旨在融合表达ADK和PPK,并建立一种方便有效的内源性ADP的去除方法,降低背景,使之与传统生物发光法结合,实现高灵敏生物发光法检测微量ATP及微生物。【方法】PCR扩增得到PPK、ADK基因,插入表达载体pET28a (+)中构建重组表达质粒pET28a (+)-PPKADK,表达PPK-ADK融合蛋白。利用表面包裹聚胺醇（Polyurethane）的磁珠（magnetic beads）,通过化学反应将腺苷酸双磷酸酶（apyrase）固定于磁珠表面,制备固相腺苷酸双磷酸酶（Beads-apyrase）,用于除去与融合蛋白结合的内源性ADP,降低ATP扩增反应的背景,从而使之与生物发光反应相结合,测定微量外源ATP及细菌菌落数。【结果】表达的融合蛋白具有PPK和ADK的活性,利用Beads-apyrase可以方便而有效的去除内源性ADP,显著地降低反应背景,从而实现了利用ATP扩增反应与传统生物发光反应结合,测定了小于1 fmol的外源微量ATP,使生物发光法检测ATP及微生物的灵敏度提高至少100倍。【结论】利用Beads-apyrase能够方便、有效地降低PPK-ADK中的ADP背景,从而使PPK-ADK催化的ATP扩增反应能够与传统生物发光法相结合,极大地提高了生物发光法的灵敏度。     

ATP生物发光法检测喷气燃料中真菌的污染程度

目的:以ATP生物发光法为基础,建立一套可以快速检测喷气燃料中真菌污染程度的方法。方法:筛选喷气燃料中的枝孢霉菌、曲霉菌及青霉菌这3种主要污染真菌的ATP释放条件,比较3种ATP荧光素-萤光素酶体系的标准荧光曲线,考察ATP生物发光法与传统平板计数法计量主要污染真菌数量的相关性。结果:以表面活性剂苯扎氯铵(BAC)作为裂解液提取ATP效果最佳,最佳作用浓度与作用时间分别为0.15%和30 s,筛选得到的荧光素-萤光素酶反应体系有良好的荧光效率,其检测限可达10~(-15)mol ATP,用ATP生物发光法与传统平板计数法计量主要污染真菌的数量,两者相关系数均在0.96以上,具有良好的相关性。结论:ATP生物发光法可以用于检测喷气燃料中真菌污染程度,且能将检测时间缩短至10 min内,适用于现场快速检测,具有良好的应用前景。     

ATP生物发光测定试剂研究进展

萤火虫荧光素酶是ATP生物发光试剂的关键组成部分,可通过萤火虫尾提取纯化或基因工程技术制备,酶的活力和纯度决定了ATP生物发光试剂的性能。迄今许多先进技术在ATP生物发光试剂的制备中均有应用,包括酶基因工程改造技术、ATP循环的酶法放大技术、荧光素酶蛋白的活力及发光稳定技术,特异的细胞ATP提取技术等。ATP生物发光试剂的研究焦点主要集中在提高发光试剂的检测灵敏度和性能、增加产品的适应性等方面。     

土壤、稻杆和稻米中己唑醇残留量的检测方法

土壤、稻杆、稻米中的己唑醇经有机溶剂振荡提取,提取液在旋转蒸发仪上浓缩至干,2mL色谱甲醇定容,经GC-ECD检测,外标法定量。样品前处理无需净化过程,省时省力。方法有较高的准确度、精密度、灵敏度,平均回收率、变异系数、最低检出浓度分别为86.06%、6.32%、0.003mg/kg。     

DNA提取对微生物多样性测序分析的影响

运用高通量测序技术分析复杂样品中微生物种群的变化情况,已经成为目前微生物研究领域的热点问题之一。而微生物的样品准备,如DNA提取和16S可变区的扩增等,对于测序完成后的数据分析以及微生物原始群落组成的影响是至关重要的。采用国产试剂盒(天根土壤微生物基因组提取试剂盒)和进口试剂盒(MOBIO土壤微生物基因组提取试剂盒)分别对土壤样品和羊瘤胃食糜样品进行DNA提取。然后选取总DNA起始量为25ng,对16S V3可变区进行PCR扩增和文库构建,最后通过数据分析比较不同试剂盒提取的DNA对微生物多样性变化的影响,包括OTU数目、稀释曲线、微生物数量及物种种类等。研究发现,在相同DNA模板量和PCR条件下,进口试剂盒提取的DNA能够获得更多的微生物种类。     

内参基因加标法定量土壤微生物目标基因绝对拷贝数

【目的】通过荧光定量PCR技术对土壤微生物目标基因进行绝对定量,其定量结果的准确性容易受到DNA提取得率以及腐殖酸抑制性的影响。【方法】采用内参基因加标法,利用构建的突变质粒DNA,对供试水稻土壤样品中的微生物16S r RNA目标基因的绝对拷贝数进行荧光定量PCR检测,用来表征该样品中细菌群落总体丰度。在定量前通过双向引物扩增方法验证突变质粒中的内参基因对供试土壤的特异性。【结果】不同水稻土壤样品的DNA提取量在样品间差异较大。通过内参基因加标法对DNA提取量进行校正,显著提高了16S r RNA基因绝对定量的精确度。不同水稻土壤样品间的变异系数为17.8,与未加标处理相比降低了66.7%。在此基础上,进一步通过内参基因加标法对土壤有机质和含水率均呈现典型空间特征差异的6处亚热带湿地土壤样品中的16S r RNA基因进行绝对定量。16S r RNA基因绝对拷贝数与土壤微生物生物量碳具有显著的线性相关性(R2=0.694,P0.001),表明内参校正后的16S r RNA基因绝对拷贝数可以准确反映单位质量土壤中微生物的丰度。【结论】内参基因加标法可以对DNA提取得率以及腐殖酸对PCR扩增的抑制性进行校正,从而提高绝对定量的准确性。基于内参基因加标法的目标基因绝对定量PCR检测,可作为土壤微生物生物量测量,以及微生物功能基因绝对丰度定量的一种核酸检测方法。     

半干旱地区不同土地利用方式下土壤团聚体的微生物量属性

团聚体是土壤基本结构单元,是土壤质量和肥力的基础,研究了解不同土地利用方式下,不同团聚体的生物学属性,有助于深入了解土壤肥力本质,以及不同土壤肥力差异的根本原因。采集半干旱地区林地、旱地、灌溉耕地和草地4种土壤利用类型的表层土壤,用干筛法获得6级团聚体,测定微生物量碳(MBC)、三磷酸腺苷(ATP)含量、基础呼吸速率(BR)和基质诱导呼吸量(SIR)等指标。结果表明:土壤微生物量ATP浓度在7.79—9.26μmol ATP/g Cmic,灌溉耕地最高、林地最低;微生物代谢熵(q CO2)和SIR分别为0.35—0.69μL CO2g-1Cmicd-1和88.7—132.2μg CO2g-1d-1,灌溉耕地最高、旱地最低。土壤团聚体的微生物量ATP浓度在6.54—9.32μmol/g Cmic之间,平均值为8.22μmol/g Cmic;q CO2和SIR分别为0.29—0.71μL/g Cmic和64—120μg CO2/g土,大团聚体含量总体上高于小团聚体,可能暗示不同团聚体土壤微生物群落活性及生理状态存在差异。土壤ATP含量、SIR和q CO2与微生物量碳呈显著相关性(r=0.929、0.865、0.885,P0.01),SIR和BR之间也有存在较高的相关性(r=0.828、P0.01),说明尽管各级团聚体微生物学属性的绝对值存在很大的差异,但相互关系并未随团聚体大小而变化。     

石油污染对土壤微生物群落多样性的影响

土壤中的微生物主要有细菌、放线菌、真菌三大类群,微生物在石油污染的土壤中发挥着维持生态平衡和生物降解的功能。文中以四川省遂宁市射洪县某废弃油井周围不同程度石油污染土壤为供试土壤,首先对各组供试土壤的基本理化性质进行测定分析;然后采用平板菌落计数法测定了供试土壤中三大类微生物数量的变化,结果表明:相比未被污染的对照土壤,石油污染的土壤中细菌、放线菌、真菌数量均减少,并且土壤中可培养微生物的数量与土壤含水量呈正相关;再采用454焦磷酸测序技术对土壤中的细菌群落多样性及变化进行16S rRNA基因分析。在所有供试的4个土壤样品中,共鉴定出不少于23 982个有效读取序列和6 123种微生物,相比于未被污染的对照土壤,石油污染土壤中细菌的种类更加丰富,主要优势门类为酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门和变形菌门。但不同土壤样品中优势菌群的群落结构有所差异,石油污染的土壤中,酸杆菌门、放线菌门和变形菌门的数量最多,未被石油污染的土壤中,放线菌门、拟杆菌门和变形菌门的数量最多。     

26年长期施肥对土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影响

研究长期小麦连作施肥条件下土壤微生物量碳、氮,土壤呼吸的变化及其与土壤养分的相关性。以陕西长武长期定位试验为平台,应用氯仿熏蒸-K2SO4提取法、碱液吸收法和化学分析法分析了长达26a不同施肥处理农田土壤微生物量碳、微生物量氮和土壤呼吸之间的差异及其调控土壤肥力的作用。长期施肥及种植作物,均能提高土壤微生物量碳、氮含量,尤其是施用有机肥,土壤微生物量碳、氮含量高于单施无机肥的处理,土壤呼吸量也提高15.91%—75.73%,而施用无机肥对于土壤呼吸无促进作用。土壤微生物生物量碳氮、土壤呼吸与土壤有机质、全氮呈极显著相关。长期有机无机肥配施可以提高土壤微生物量碳氮、土壤呼吸,氮磷肥与厩肥配施对提高土壤肥力效果最好。微生物量碳氮及土壤呼吸可以反映土壤质量的变化,作为评价土壤肥力的生物学指标。     

高寒草甸不同植被土壤微生物数量及微生物生物量的特征

用稀释平板法和氯仿熏蒸法研究了藏嵩草草甸、小嵩草草甸、矮嵩草草甸、禾草草甸、杂类草草甸及金露梅灌丛土壤的微生物数量、生物量及有机质的变化特征.结果表明:0～40 cm土层细菌和放线菌数量、微生物生物量碳和土壤有机质含量均以藏嵩草草甸最高,其微生物生物量及土壤有机质显著高于其它5种植被;真菌数量以金露梅灌丛最高;由表层到深层,随着土壤深度的增加以上各项指标均呈下降趋势.通径分析表明:土壤各生物环境因子之间存在着不同程度的相关性;土壤微生物数量、生物量及土壤有机质含量均与土壤水分含量存在显著的相关关系,说明土壤水分是调节高寒草甸生态系统土壤微生物代谢及物质转化的关键因子.     

油气田土壤DNA提取方法及油气指示菌基因定量结果的比较

采用4种提取方法对油田上方6个土壤样品微生物总基因组DNA进行提取,并比较了其纯度和浓度。利用定量PCR技术定量分析各土壤中甲烷单加氧酶基因（pmoA）和丁烷单加氧酶基因（brnoX）。与DNA试剂盒法相比,玻璃珠击打法、液氮研磨法、反复冻融法得到DNA纯度较低,需纯化才能进行后续的PCR扩增。液氮研磨法得到的DNA完整性、纯度和得率较其他提取方法均较好,尤其对于生物量较少的深层油田土壤DNA提取较为实用,成本较低。甲烷单加氧酶基因（pmoA）和丁烷单加氧酶基因（bmoX）的定量PCR结果表明,液氮研磨法提取DNA样品的定量结果在气区和油区均出现一定的高值。液氮研磨法较其他方法更适合于油田土壤DNA的提取。下一步研究可以把丁烷氧化茵作为油气指示茵研究中的重点检测对象。     

青稞根腐病对根际土壤微生物及酶活性的影响

选取甘肃省卓尼县青稞种植区为研究地点,调查青稞根腐病的发病情况,并分别采集其健康植株和发病株根际的土壤,对比分析其土壤微生物生物量(碳、氮、磷)、微生物数量(细菌、真菌、放线菌)以及过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、纤维素酶5种酶活性。结果发现,研究区10个采样点均有青稞根腐病的发生,发病率在5%—20%之间,不同地点发病率不同。根腐病的发生,会显著影响青稞根际微生物生物量,导致微生物生物量碳、氮、磷的含量发生变化,其中微生物生物量氮和磷含量整体降低,且不同采样点微生物量不同。土壤微生物数量总体呈现细菌放线菌真菌的趋势,但不同微生物对根腐病发病的响应不同,细菌和放线菌数量因根腐病的发生而减少,真菌的数量则增多;不同采样点土壤微生物数量不相同,细菌和真菌呈现区域性特征,放线菌的数量不呈现地域性。根腐病的发生还造成土壤酶活性的改变,其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的含量因根腐病的发生而降低,而纤维素酶则升高,过氧化氢酶的变化没有规律。总而言之,根腐病的发生会使青稞根际土壤微生物组成发生改变,碳、氮、磷等物质代谢受到抑制,而能量代谢发生紊乱。因此,研究和防治青稞根腐病就必须重视土壤微生物及土壤酶的作用。     

Spectral imaging detection and counting of microbial cells in marine sediment

Semiautomated detection and counting techniques for microbial cells in soil and marine sediment using microscopic-spectral-imaging analysis were developed. Microbial cells in microscopic fields were selectively detected from other fluorescent particles by their fluorescent spectrum, based on the spectral shift between the conjunction and nonconjunction of DNA fluorochrome (SYBR Green II) with nucleic acids. Using this technique, microbial cells could be easily detected in soil and 30-cm deep sediment samples from Tokyo Bay, both of which contain particles other than microbial cells. Total cell density was semiautomatically estimated at 1-6 x 10(9) cells cm(-3) of sediment sampled at different depths in Tokyo Bay, which corresponded to 65-106% (mean 88%) of visual direct counting. This technique may be useful for detecting microbial cells in soil and sediment samples from the deeper subsurface environment.     

长期模拟升温对崇明东滩湿地土壤微生物生物量的影响

以崇明东滩芦苇湿地为对象,采用开顶室生长箱(Open top chambers OTCs)原位模拟大气升温试验,研究了连续升温8a对崇明东滩湿地0—40cm土层土壤微生物生物量碳氮含量的影响。结果表明:连续升温显著提高了崇明东滩湿地土壤微生物生物量碳氮含量,从土壤表层到深层(0—10,10—20,20—30,30—40cm),微生物生物量碳分别增加了39.32%、70.79%、65.20%、74.09%,微生物生物量氮分别增加了66.46%、178.27%、47.24%、64.11%。但升温对土壤微生物生物量的影响因不同土层和不同季节并未表现出统一的规律,长期模拟升温显著提高4月0—20cm土层和7月0—40cm土层微生物生物量碳氮含量,对10月0—40cm土层微生物生物量碳含量没有影响,但是显著提高了10月0—40cm土层微生物生物量氮含量,同时,微生物生物量碳氮比在7月也显著提高。相关分析表明:无论在升温条件还是在对照条件下,土壤温度、含水量、总氮与土壤微生物生物量碳氮及微生物生物量碳氮比均无相关关系,升温条件下,有机碳与微生物生物量碳氮含量以及微生物生物量碳氮比呈显著正相关,但是在对照条件下有机碳与微生物生物量碳氮含量以及微生物生物量碳氮比呈显著负相关。因此,土壤有机碳是影响土壤微生物生物量碳氮含量对长期模拟升温响应的重要生态因子。     

Comparison of methods for measuring soil microbial activity using cotton strips and a respirometer

In order to develop a method of measuring the level of microbial activity in soil that is suitable for use by farmers, land managers, and other non-scientists, a simple method for determining soil microbial activity was evaluated and compared with two standard techniques. Soils sampled from vegetable farms in south east Queensland were incubated in the laboratory under controlled moisture and temperature conditions. Three methods were used to measure soil microbial activity, a respirometry method and two methods using the cotton strip assay (CSA) technique (image analysis and tensometer). The standard CSA method measured loss of tensile strength over a 35 day incubation period of buried cotton strips using a tensometer. The new CSA technique measured the intensity of staining by microbes using a flatbed scanner to create an image of the cotton strip whose staining percentage was determined using Photoshop software. The respirometry method used the substrate induced respiration rate (SIR) to determine microbial biomass in the soil at day 12 of incubation. The strong correlation between the image analysis method and the tensometer method (r(2)=0.81), a technique used by scientific researchers, suggests that the image analysis method could be used to monitor aspects of soil biological health by general community land-care groups and farmers. The image analysis method uses equipment which is readily available and, while not strongly correlated with more precise measurements of soil biological activity such as microbial biomass (r(2)=0.26), it can detect gross trends in biological health in a soil monitoring program. The CSA method using image analysis was the cheapest technique to measure soil microbial activity. CSA using image analysis can be a valuable tool in conjunction with other simple indicators of soil physical and chemical health such as slaking and pH to monitor soil amelioration or rehabilitation programs.     

最大或然数法在光合细菌计数中的应用及效果研究

1引言光合细菌(photosynthetic bacteria,PSB)是能进行不放氧光合作用的一大类细菌的总称,属水圈微生物,广泛分布于地球生物圈,无论江、河、湖、海,水田、旱地都有存在[3].光合细菌在水体自净、调节微生态平衡、促进动植物生长、增加产量和提高产品质量、防病、固氮等方面具有重要作用[3,22].近年来,光合细菌菌剂在水产养殖、家畜养殖、污水处理及植物生产上的应用日益广泛[3,13,19,27,28,31],相继推出多种产品,包括单菌菌剂、复合菌剂,剂型上有液体菌剂、浓缩菌剂和固体菌剂(粉剂)等[20].为保证产品质量和应用效果,有必要对光合细菌菌剂…     

Microbial biomass and bacteria in two pasture soils: An assessment of measurement procedures,temporal variations,and the influence of P fertility status

The reliability of three methods (microbial C and mineral-N flush by fumigation-incubation, and ATP) for measuring soil microbial biomass was assessed on two silt-loam soils of different P fertility status under grazed perennial pastures. The mineral-N flush and ATP methods provided a reasonably reliable index of microbial biomass, but the fumigation-incubation procedure for CO₂-C flush, using preincubated samples and an unfumigated 0–10 day control, was inappropriate for these soils. The numbers of bacteria (direct microscopy) and the percentage metabolically active were also measured. Generally, in both soils, total microbial biomass and the numbers, mass and metabolic activity of bacteria were influenced more by temporal factors in samples taken monthly than by the fertility status. Temporal fluctuations were greater in the high-fertility (Waikanae) soil, but no consistent seasonal trends in mineral-N flush and ATP values were apparent. In both soils, numbers and biomass of bacteria were at a minimum in spring. Values of two biomass indices (mineral-N flush and ATP contents) were similar in the high- and low-fertility (Pomare) soil, and comprised similar percentages of organic-matter contents. The percentages of metabolically active bacteria, however, tended to be higher in Pomare than in Waikanae soil, and, therefore, did not reflect soil fertility status. Methodological and field aspects of these results are discussed.     

Application of Most-Probable-Number Statistics to Direct Enumeration of Microorganisms

A novel method for rapid determination of total microbial cell numbers was investigated. The method involves the application of most-probable-number estimation statistics to direct microscopic counting of microbial cells by using a particle sizing graticule. Its accuracy and reliability were tested with computer simulations of bacterial cell distributions encountered in ecological studies. Good estimates of cell numbers were obtained when the cell density varied from 3 to 6,000 cells per field, i.e., over 3 orders of magnitude. Low levels of contagion did not markedly influence cell estimates, although high levels, corresponding to discrete scattered microcolonies, did. However, these could be recognized visually. Estimates of cell numbers in Breed smears confirmed its speed and good correlation with the standard quadrat counting technique under real experimental conditions.     

基于裂解酶与ATP生物发光法特异定量检测炭疽杆菌方法的研究简

目的：原核表达炭疽杆菌噬菌体叮裂解酶（PlyG）和萤光素酶（Luc）,结合这2种酶建立特异定量检测炭疽杆菌的方法。方法：PCR扩增得到带有His标签的裂解酶基因和萤光素酶基因,构建重组表达载体pET22b-p@G和DET22b-luc,转化至大肠杆菌BL21（DE3）并诱导表达,过镍柱纯化得到目的蛋白;利用裂解酶裂解和ATP生物发光定量检测蜡样芽孢杆菌RSVFl,与平板计数法对比建立线性关系。结果：表达了炭疽杆菌噬菌体γ裂解酶和萤光素酶,并建立了特异定量检测蜡样芽孢杆菌RSVF1的方法,与平板计数方法具有显著的线性相关。结论：因炭疽杆菌与蜡样芽孢杆菌RSVF1均对PlyG具有较强的敏感性,故本研究所建立的将炭疽杆菌噬菌体γ裂解酶与萤光素一萤光素酶系统相结合的检测方法对现场或临床定性定量检测炭疽杆菌提供了理论支持,具有良好的应用前景。