定量稳定性同位素探针技术及其在微生物生态学研究中的应用

定量稳定性同位素探针技术(qSIP)是将生态系统中微生物分类性状与代谢功能联系起来的有效工具,能够定量测定特定环境中单个微生物类群暴露于同位素示踪剂后微生物代谢活动或生长速率。qSIP技术采用定量PCR与高通量测序技术并结合稳定同位素探针技术(SIP),通过向环境样品添加标记底物进行培养,提取微生物生物标记物,利用超高速等密度梯度离心将被同位素标记的重链核酸与未被标记的轻链核酸进行分离,并对所有组分微生物类群进行绝对定量和测序分析,基于GC含量和未标记处理DNA密度曲线量化参与吸收转化的DNA同位素丰度。本文重点阐述qSIP的技术原理、数据分析流程及其在微生物生态学研究中的应用进展,并对该技术存在的问题进行了分析和展望。     

生物耐铜的分子机理及铜污染环境的生物联合修复

铜是动植物和人类必需的微量元素,缺乏或过多都将产生不良影响。随着社会经济的发展,人类活动对环境的干扰日益加剧,工业和农业生产活动常可导致土壤铜污染,铜已成为土壤重金属污染的主要元素之一。总结了铜在植物体内的自发内稳态调节机制,在细菌和真菌体内的吸收、分布、解毒和调节因子,同时以蚯蚓为例简要阐述了土壤动物对铜的解毒机理;从分子生物学角度对重金属铜在生物体内的代谢机理及生物对环境中过量铜的联合修复研究进展进行了综述,以期为铜污染环境的植物、微生物和动物联合修复的分子机理研究提供借鉴。     

古菌细胞膜脂在古菌群落组成及其对环境响应研究中的应用

古菌作为区别于细菌和真核生物的第3种生命形式广泛分布于各种生境,与碳、氮等元素的生物地球化学循环密切相关,在整个生态系统中具有重要作用.古菌细胞膜脂作为古菌重要的生物标志物,在其群落组成和对环境变化响应的研究中具有重要指示作用.本文介绍了古菌细胞膜脂的结构特征及不同古菌类群间细胞膜脂结构差异,用以表征古菌群落的组成特征.环境中细胞膜脂丰度可反映古菌生物量,并可与基于DNA的分子生物学手段在结果准确性、分析效率和经济成本方面互补和互证.在重点介绍应用古菌细胞膜脂分析古菌群落组成和丰度的难点和重要性的基础上,结合影响古菌群落变化的环境因子如温度和pH,进一步阐述古菌与所处生境的关系,分析古菌群落演化过程及其在地球化学和地质历史事件研究方面的应用前景.     

土壤病毒生态学研究方法

病毒是地球上最丰富的生物实体,每克土壤中可包含数以亿计的病毒,它不仅影响土壤中其它微生物的群落组成、土壤元素的生物地球化学循环,还会影响土壤微生物的物种进化,甚至影响植物、动物和人体健康。目前人们对土壤中病毒的种类及丰度、分布特征以及功能引起的生态环境效应还知之甚少。在概述病毒生态学研究方法的基础上,对土壤病毒的提取、纯化、定量及分子生态学方法等基本流程进行了比较分析,以期建立一套快速简便、高效稳定的适用于土壤病毒研究的方法,并用于研究土壤病毒的多样性及分布特征,探讨病毒在环境中的生存和传播机制,为土壤病毒的防控及开发利用提供支撑。     

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.     

土壤中温泉古菌研究进展

古菌一直被冠以嗜极端环境的特征,直到最近十几年,由于分子生物学技术的发展,越来越多的证据表明,在许多非极端环境,包括海洋、湖泊和土壤中,分布着一类特殊的古菌-非嗜热泉古菌(non-thermophilic Crenarchaeota).该类古菌不仅分布广泛,而且数量巨大.通过16S rRNA基因序列分析发现,中温泉古菌可能参与到全球碳、氮等生物地球化学循环,预示着其在整个生态系统中起着重要的作用.从古菌分类着手,阐述了中温泉古菌在土壤中的分布和数量特征、影响因素,进而对其在氮和碳循环过程中的潜在作用进行了简要介绍,并提出了今后的研究重点.     

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.     

长期施加氮肥及氧化钙调节对酸性土壤硝化作用及氨氧化微生物的影响

以长期施加氮肥及添加氧化钙调节的酸性土壤为研究对象,运用定量PCR和DGGE技术,探讨了土壤氨氧化微生物及硝化作用对不同施肥处理及氧化钙调节的响应。长期施化学氮肥导致酸性土壤p H(KCl)值(3.35—3.47)和硝化潜势(0.02—0.14μg NO-2-N g-1土壤h-1)进一步降低,而添加Ca O后土壤酸化得以缓解(p H值4.10—4.46),土壤硝化潜势(0.22—0.34μg NO-2-N g-1土h-1)显著增加。同时,添加Ca O处理对氨氧化古菌(AOA)的群落结构无明显影响,但明显提高了各施肥处理土壤中氨氧化细菌(AOB)的群落多样性,加Ca O处理的土壤中,AOA的数量降低而AOB的数量增加。这些结果表明虽然酸性土壤中AOA在数量和活性上占主导优势,AOB在功能上冗余,但当添加Ca O后,AOA和AOB对环境变化迅速作出响应,并根据其不同的生态位需求重新分配优势地位,二者交替作用共同驱动酸性土壤硝化作用。     

长期缺素施肥及石灰石膏施用对江西鹰潭红壤反硝化微生物功能基因丰度的影响

反硝化功能基因丰度是决定温室气体氧化亚氮(N₂O)排放潜力的重要生物因素。反硝化功能基因主要包括产生N₂O的关键基因nirK和nirS,以及将N₂O还原成氮气的基因nosZ I和nosZ II。本研究利用实时荧光定量PCR,研究了32年缺施氮(N)、磷(P)或钾(K)肥,以及施用石灰、石膏处理下江西鹰潭红壤反硝化功能基因的丰度,分析了其关键影响因素。结果表明: 与平衡施肥的NPK处理相比,缺施P肥显著降低了nirK、nirS、nosZ I和nosZ II基因丰度;缺施N肥显著降低了nirK、nosZ I和nosZ II丰度,对nirS丰度无显著影响;缺施K肥则对反硝化功能基因丰度无显著影响。逐步回归和随机森林分析表明,土壤pH值是影响旱地红壤nosZ I和nosZ II基因丰度的关键环境因子。施用石灰或石灰+石膏提高了土壤pH值,进而显著提高了nosZ II基因丰度和nosZ II/nosZ I比值,增幅分别为151%～233%和127%～155%。旱地红壤施用石灰或石灰+石膏更有利于nosZ II型N₂O还原菌生长,可能提高nosZ II在N₂O还原中的相对重要性。缺施P肥对红壤反硝化功能基因丰度的负面影响最大,而施用石灰或石灰+石膏可以提高nosZ II丰度和nosZ II/nosZ I比值,有利于降低红壤N₂O排放潜力。     

土壤氮素转化的关键微生物过程及机制

微生物是驱动土壤元素生物地球化学循环的引擎.氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一,其四个主要过程,即生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用,均由微生物所驱动.近10年来,随着免培养的分子生态学技术和高通量测序技术等的发展,在硝化微生物多样性及其作用机理、厌氧氨氧化过程和机理等研究方面取得了突破性进展.本文重点阐述了我国有关土壤硝化微生物方面的研究进展,在此基础上,简要介绍了反硝化微生物和厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用的研究进展,并对今后的研究工作提出了展望.今后土壤氮素转化微生物生态学的研究,应瞄准国际微生生态学发展的前沿,加强新技术新方法的应用,结合我国农业可持续发展、资源环境保护和全球变化研究的重大需求,重点开展以下几方面的工作:(1)开展大尺度上土壤硝化作用及氨氧化微生物分布的时空演变特征及驱动因子的研究;(2)加强氮素转化关键微生物过程与机理的研究,并与相关过程的通量(如氨挥发、N2O释放)和反应速率(如矿化速率、硝化速率)关联起来;(3)在特定生态系统中系统研究各个氮转化过程的耦合关系,构建相关氮素转化和氮素平衡模型,为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据.