稳定性同位素探测技术在微生物生态学研究中的应用

稳定性同位素标记技术同分子生物学技术相结合而发展起来的稳定性同位素探测技术（stableisotope probing,SIP）,在对各种环境中微生物群落组成进行遗传分类学鉴定的同时,可确定其在环境过程中的功能,提供复杂群落中微生物相互作用及其代谢功能的大量信息,具有广阔的应用前景.其基本原理是：将原位或微宇宙（microcosm）的环境样品暴露于稳定性同位素富集的基质中,这些样品中存在的某些微生物能够以基质中的稳定（性同位素为碳源或氮源进行物质代谢并满足其自身生长需要,基质中的稳定性同位素被吸收同化进入微生物体内,参与各类物质如核酸（DNA和RNA）及磷脂脂肪酸（PLFA）等的生物合成,通过提取、分离、纯化、分析这些微生物体内稳定性同位素标记的生物标志物,从而将微生物的组成与其功能联系起来.在介绍稳定性同位素培养基质的选择及标记方法、合适的生物标志物的选择及提取分离方法的基础上,举例阐述了此项技术在甲基营养菌、有机污染物降解菌、根际微生物生态、互营微生物、宏基因组学等方面的应用.     

土壤生态系统微生物多样性-稳定性关系的思考

自20世纪50年代以来,生物多样性与生态系统稳定性的关系一直是生态学中重点讨论的理论问题之一.在当今人类活动对自然生态系统产生重大影响的情况下,全面理解生态系统多样性与稳定性的关系,有助于我们更好地应对环境变化和生物多样性丧失等生态问题.在陆地生态系统中,关注重点多集中在地上植物生态系统;而对地下生态系统,尤其是对微生物多样性与系统稳定性关系的研究尚重视不够.事实上,土壤微生物作为生命元素循环的驱动者,主导和参与地下生态系统中一系列重要生态过程,对土壤能否正常有序地执行各项生态功能至关重要.对土壤微生物多样性的研究,能使我们明确土壤中微生物对各种环境条件(包括自然和人为因素)变化的响应机制,更好地维持土壤生态系统的稳定性及其生态服务功能.本文在介绍土壤微生物多样性概念、研究方法、地下生态系统稳定性的基础上,重点讨论了土壤微生物多样性对土壤生态系统稳定性的影响,对多样性-稳定性关系在土壤微生物生态学中的应用进行了较为深入和全面的思考.作者提出,土壤微生物系统是一个动态变化的自组织系统,通过遗传来维持其组成和结构的相对稳定性,通过变异而适应外界干扰,共同构成土壤微生物系统的抵抗力(resistance)和恢复力(resilience),维护土壤生态系统的稳定性.今后土壤微生物多样性-稳定性关系的研究,需要注重地上与地下生态系统的结合与统一,借鉴宏观生态学理论来构建微生物生态学的理论框架,建立微生物多样性-稳定性关系的机理模型,从定性描述向定量表征方向发展.     

极端环境下嗜热酸甲烷营养细菌研究进展

甲烷营养细菌能够将温室气体甲烷(CH4)转化为CO2或生物质,在碳生物地球化学循环及缓解由温室气体导致的全球气候变化方面发挥着重要的作用.甲烷营养细菌生存的条件范围较为广泛,但在中性pH (5～8)和中温(20～35℃)范围内生长最佳.系统进化分析认为,它们均属于γ-或α-变形菌门(Proteobacteria).最近3项独立完成的研究从极端热酸(pH接近1,温度高于50℃)环境中分离获得了具有甲烷氧化(营养)功能的微生物,经鉴定均属于疣微菌门(Verrucomicrobia).这些全新的、不同于以往的研究结果不仅是对现有关于甲烷营养细菌生态学认知的进一步拓展,同时也暗示着可能存在着新型的、由微生物介导的CH4氧化途径与机制. 因此,特就极端环境中嗜热嗜酸甲烷营养细菌的最新研究进展作一概述.     

城市污泥堆肥温度的空间变异性研究

利用半变异函数对城市污泥堆肥温度的空间变异特性进行了研究 ,对堆体温度进行了克里格法 ( KRIGING)插值。采用通风静态垛堆肥工艺 ,试验了 0 .79、2 .0 3m3 / ( min·m3 )两种通风量。沿着堆肥池长度方向设定 2个纵剖面 ,每个纵剖面的面积为 6 .0 m× 1 .0 m,按 0 .5 m× 0 .1 m布设网格。结果表明 ,在水平方向上堆肥温度的半变异函数用球状模型进行拟合效果较好 ,而在垂直方向上的半变异函数用线性模型进行拟合效果较好 ;在水平方向上两个剖面的温度变程 ( range)分别为 0 .90 m、1 .2 5 m,在垂直方向上的变程分别为 0 .75 m、1 .0 0 m;利用克里格法进行最优内插估值得到的温度等值线图表明 ,高温区域一般位于堆体中层 0 .4～ 0 .6 m,低温区域一般位于堆体下层 0～ 0 .4 m;从温度剖面等值线图判断 ,中试规模的城市污泥堆肥 ,其合理通风量小于 0 .79m3 / min· m3 。     

代谢异速生长理论及其在微生物生态学领域的应用

新陈代谢是生物的基本生理过程,影响生物在不同环境中参与物质循环和能量转化的过程.代谢速率作为生物体重要的生命过程指标,几乎影响所有的生物活性速率,且在很多研究中均表现出异速生长现象.所谓代谢异速是指生物体代谢速率与其个体大小(或质量)之间存在的幂函数关系.代谢异速生长理论的提出,从机制模型角度解释了代谢异速关系这一普遍存在的生命现象.该理论利用分形几何学及流体动力学等原理,从生物能量学角度阐释了异速生长规律的机理,证实了3/4权度指数的存在;但同时有研究表明,权度指数因环境因素等影响处于2/3-1范围之间而非定值.随着研究工作的深入,代谢异速生长理论研究从起初的宏观动植物领域拓展到了微生物领域,在研究微生物的代谢异速生长理论时,可将微生物的可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)或具有特定功能的功能群视为一个微生物个体,基于其遗传多样性和功能多样性特征进行表征,以便于将微生物群落多样性与其生态功能性联系起来,使该理论在微生物生态学领域得到有效的补充和完善.尽管细菌具有独特的生物学特性,但与宏观生物系统中观测到的现象表现出明显的一致性.有研究表明,3个农田土壤细菌基于遗传多样性的OTU数的平均周转率分别为0.71、0.80和0.84,介于2/3与1之间,可能与生物代谢异速指数有一定关联,为微生物代谢异速指数的研究提出了一个参考解决方案.鉴于微生物个体特征和生物学特性,在分析代谢速率与个体大小关系中,从微生物单位个体的定义、个体大小表征到计量单位的统一,仍需更多的理论支持.分析了代谢异速生长理论在微生物与生态系统功能关系研究中的可能应用,延伸了该理论的应用范围,并对尚待加强的研究问题进行了评述和展望.     

猪粪中铜对东北黑土的污染风险评价

集约化养殖使用大量铜(Cu)作为饲料添加剂，养殖废物的排放和利用可导致一定的环境问题.本文以东北黑土为供试材料，通过在盆栽试验中添加不同Cu浓度的猪粪来模拟不同施肥年限的菜园土，研究土壤中Cu累积对小白菜地上部分Cu浓度、地上部分生物量、土壤微生物生物量碳和土壤酶(脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶)活性的影响.结果表明：单独施用猪粪显著增加了小白菜地上部分生物量，对其Cu浓度则没有显著影响.猪粪的施用在一定时期内显著促进了脱氢酶和脲酶的活性，但随土壤Cu浓度的增加，脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶活性逐渐受到抑制.当土壤全Cu浓度达到301.3 mg·kg^-1后，小白菜地上部分生物量、土壤微生物生物量碳及脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶活性均受到强烈抑制.小白菜地上部分Cu浓度与土壤全Cu和水溶态Cu浓度呈显著正相关(P<0.01)，而地上部分生物量与土壤全Cu浓度呈显著负相关(P<0.05).研究表明，可用于种植蔬菜的黑土Cu浓度阈值应小于301.3 mg·kg^-1.     

土壤宏基因组学技术及其应用

传统的基于培养的研究方法只能反映土壤中少数(0.1%～10 %)微生物的信息,而大部分微生物目前还不能培养,因而这部分微生物资源尚难以被有效地开发利用.宏基因组学是分子生物学技术应用于环境微生物生态学研究而形成的一个新概念,主要技术包括土壤DNA的提取、文库的构建和目标基因克隆的筛选.它可为揭示微生物生态功能及其分子基础提供更全面的遗传信息,并已在微生物新功能基因筛选、活性物质开发和微生物多样性研究等方面取得了显著成果.本文对土壤宏基因组学技术的方法和应用作了详细介绍.