城市湿地公园使用者评价的影响因素及其行为偏好——以宜昌运河公园为例

城市湿地公园是城市水环境保护和市民活动的共同载体。如何达到保护城市水环境和满足使用者社会需求的平衡是本研究的关键问题。以景观绩效评价为基础,对宜昌运河公园的社会绩效进行了详细量化,并在调查结果上分析研究了影响城市湿地公园使用者评价的原因,以及在城市湿地公园内使用者的行为偏好和季节变化下使用者满意度和行为模式的变化情况,并提出了设计建议。结果表明,城市湿地公园的水环境治理目标与城市居民的公园服务需求是统一的。但是在公园生态和社会效益之间还是存在着冲突关系,如湿地面积和活动空间面积的权衡,消减河流污染物和维持公园水景质量的权衡以及湿地生境冬季景观效果不佳降低使用者满意度的情况。     

分子生物学技术在热泉地质微生物学研究中的应用

陆地热泉是一类典型的极端生命-环境互作的地质系统,是我们认识生命与环境协同演化的天然实验室。然而,受限于有限的研究手段,热泉中仍存在大量未解密的微生物"暗物质"。这种困境随着技术的革新得到了改善,尤其是近几年来基于组学、探针和同位素标记的多元化检测手段在嗜热微生物多样性的挖掘、新物种和新代谢途径的发现以及嗜热微生物对元素地球化学循环的调控和响应等方面取得了一系列令人瞩目的研究成果,使得热泉极端微生物和地质环境内在联系的研究也成为地质微生物学研究的热点。立足于前人研究成果,本文将简述常用于热泉地质微生物学研究的分子生物学手段的发展,重点总结其在挖掘热泉微生物多样性和热泉微生物的环境功能研究中的应用及进展,最后对未来研究方向提出展望。     

环境微生物宏基因组学研究中的生物信息学方法

高通量测序技术的发展促进了组学技术在环境微生物研究中的广泛应用,而宏基因组学是目前最为关键和成熟的组学方法。生物信息学在微生物宏基因组学研究中具有至关重要的作用。它贯穿于宏基因组学的数据收集和存储、数据处理和分析等各个阶段,既是宏基因组学推广的最大瓶颈,也是目前宏基因组学研究发展的关键所在。本文主要介绍和归纳了目前在高通量宏基因组测序中常用的生物信息学分析平台及其重要的信息分析工具。未来几年之内,测序成本的下降和测序深度的增加将进一步增大宏基因组学研究在数据存储、数据处理和数据挖掘层面的难度,因此相应生物信息学技术与方法的研究和发展也势在必行。近期内我们应该首先加强基础性分析和存储平台的建设以方便普通环境微生物研究者使用,同时针对目前生物信息分析的瓶颈步骤和关键任务重点突破,逐步发展。     

16S/18S/ITS扩增子高通量测序引物的生物信息学评估和改进

【背景】在过去的十几年里,基于核糖体RNA基因的扩增子测序技术被广泛用于各种生态系统中微生物群落的多样性检测。扩增子测序的使用极大地促进了土壤、水体、空气等环境中微生物生态的相关研究。【目的】随着高通量测序技术的不断发展和参考数据库的不断更新,针对不同的环境样本的引物选择和改进仍然需要更深入的校验。【方法】本文收集了目前在微生物群落研究中被广泛采用的标记基因扩增通用引物,包括16S rRNA基因扩增常用的8对通用引物和2对古菌引物、9对真菌转录间隔区(internal transcribed spacer,ITS)基因扩增引物,以及18S rRNA基因扩增的4对真核微生物通用引物和1对真菌特异性引物。这些引物中包括了地球微生物组计划(Earth Microbiome Project,EMP)推荐的2对16S rRNA基因扩增引物、1对ITS1基因扩增引物和1对18S rRNA基因扩增引物。采用最近更新的标准数据库对这些引物进行了覆盖度和特异性评价。【结果】EMP推荐的引物依然具有较高的覆盖度,而其他引物在覆盖度及对特定环境或类群的特异性上也各有特点。此外,最近有研究对这些通用引物进行了一些改进,而我们也发现,一个碱基的变化都可能会导致评价结果或扩增产物发生明显变化,简并碱基的引入既可以覆盖更多的物种,但同时也会在一定程度上降低关注物种的特异性。【结论】研究结果为微生态研究中标记基因的引物选择提供了一个广泛的指导,但在关注具体科学问题时,引物的选择仍需数据指导与实验尝试。     

农牧交错带草地土壤剖面微生物总量、多样性和互作网络的垂直分布特征

【背景】草地土壤微生物是维持草地生态系统功能和稳定的关键要素之一,探寻微生物在土壤剖面的垂直分布特征和构建规律对于理解其在草地生态系统的作用至关重要。【目的】在80cm深的土壤剖面内,全面分析微生物的总量、多样性和物种间的相互作用网络表现出的垂直分布特征。【方法】基于内蒙古农牧交错带上典型草原土壤中原核微生物的定量和高通量测序数据,比较微生物的总量和多样性,使用分子生态网络方法(molecular ecological network approach,MENA)探究微生物相互作用网络的垂直变化。【结果】原核生物的总量和多样性随深度增加而逐渐降低,且群落结构变异沿土壤剖面逐渐增大。网络结构在表层最为复杂,微生物物种间联系紧密;随着深度的增加,微生物间紧密的关联会逐渐变稀疏,网络结构变得简单。此外,酸杆菌是当地土壤生态系统中的优势种群以及网络核心微生物物种,可能对土壤生态服务功能的稳定发挥具有重要的作用。【结论】原核微生物的总量、多样性和物种间的互作网络都表现出高度一致的垂直变化规律,即总量、多样性与深度成负相关,且其群落结构变异会逐渐扩大,同时微生物网络相关性会减弱。这些结果为我们提供了微生物动态变化的重要见解,对典型农牧交错带草地的生态保护具有一定的参考价值。     

宏基因组技术在氮循环功能微生物分子检测研究中的应用

氮循环是最重要的生物地球化学循环之一,而微生物是驱动自然环境中氮循环最重要的动力。应用宏基因组技术来研究自然环境中直接参与氮循环的功能微生物类群的总量和多样性是近年来环境微生物的研究热点之一。本文总结最新氮循环功能微生物类群的研究发现,聚焦各转化过程中(包括固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、氮同化/异化还原、氨化和同化作用等)分子标记基因的选择,重点介绍通过这些标记基因的分子检测方法在自然环境中检测到的微生物功能类群的分布状况,最后指出分子检测技术的革新和完善的数据分析平台的建立对未来氮循环功能微生物研究的重要意义。     

微生物组测序与分析专家共识

在过去的十几年,微生物组相关研究和应用持续升温。微生物组逐渐成为生命科学、环境科学和医学等领域的研究焦点。与此同时,全球多个国家和组织也都积极发起各自的微生物组计划,进行多方面的布局,力争在这一具有广阔前景的领域获得战略地位。此外,无论是科研还是产业应用已经迎来了研究高潮和投融资热潮,微生物组相关产品和服务也不断出现。然而,行业在快速发展的同时,也存在一些不足。由于微生物组测序和分析相关技术和方法发展迅速,各国研究和应用尚未在技术、方案和数据等标准上达成统一,国内行业参与者对微生物组也存在认识不足,对微生物组相关新方法、新技术、新理论等还未能充分掌握和使用。除此之外,已有的一些标准和指南,内容过于简单,实操性也不足,这不仅给科研数据的整合造成了困难和资源浪费,还给相关企业进行不良竞争、以次充好提供了机会。更重要的是,我国尚缺乏微生物组相关的国家标准,国家微生物组计划仍处于筹备过程。在此背景下,中国生物工程学会、中国科学院微生物研究所于2019年6月至2020年3月,共同设立了“微生物组测序与分析专家共识”专项研究课题。中国生物工程学会组织了微生物组相关领域的27位专家以及来自行业内的30多位专业人员,通过分成4个项目小组、召开4轮研讨会后,最终形成了涵盖从微生物采集与保存、DNA提取与建库、高通量基因测序和数据分析以及质控标准品等全流程的“微生物组测序与分析专家共识”。本专家共识具有较强可参考性和可操作性,不仅能指导国内科研和产业机构规范进行微生物组相关产、学、研,还能为国家相关职能部门提供可参考的技术依据,保障规模型和规范化的企业利益,加强行业自律,避免不规范的企业扰乱市场,最终促进微生物组相关产业的良性发展。     

全球变化下海岸带微生物生态研究进展

海岸带地区是元素循环最活跃的自然区域之一,微生物作为地球元素循环的主要驱动者,对该区域生态系统中物质转化与能量流动起着至关重要的作用。本文从典型海岸带生态系统：海岸带湿地、海草床与海藻森林、近岸水体出发,围绕微生物参与的碳、氮循环过程以及其中的温室气体排放情况,综述了在全球气候变化与人为活动干扰的作用下,海岸带地区的微生物群落对外界环境变化的响应机制以及生态功能维持机制,最后对海岸带系统中微生物生态研究进行了初步的展望。     

典型有机固废厌氧消化微生物研究现状与发展方向

经过人工富集和驯化的兼性和严格厌氧微生物是厌氧消化工艺的核心。不同厌氧消化体系中存在的问题大多可以通过改变微生物群落的代谢活性来得到有效改善。得益于微生物组学检测技术的快速发展,对厌氧消化系统中微生物多样性的认识获得了极大的拓展,同时在微生物类群间、微生物与环境的互作关系研究方面也取得了一系列新的进展。然而,有机固废厌氧消化系统中,各种微生物以及微生物和物质的相互作用构成了更为复杂的代谢网络,所以目前对这些互作关系的解析尚不完善。本文重点关注了厌氧消化过程中的典型菌群互作关系,阐述了典型有机固废厌氧消化系统中存在的问题及微生物在其中发挥的作用,最后,立足于现有组学技术推动的微生物组研究进展,对未来有机固废厌氧消化系统微生物组的研究提出展望。     

基于功能基因的微生物碳循环分子生态学研究进展

碳循环是生态系统中重要的生物地球化学元素循环之一。微生物参与碳固定、甲烷代谢、碳降解等多个重要的碳循环过程,深入了解微生物群落在碳循环过程中的功能和作用,有助于获悉微生物对全球气候变化的响应、适应和反馈机制,这也是微生物生态学研究的关键问题之一。传统的研究多集中于微生物分离培养技术,无法覆盖绝大部分未培养微生物,并且无法深入解析碳循环过程中微生物群落的结构和功能,宏基因组学技术的出现克服了这些缺陷,成为研究微生物群落结构和功能的有效手段。本文对目前宏基因组学的主要技术——定量PCR、DNA分子指纹图谱、基因芯片、克隆文库和高通量测序等技术进行了简要介绍,着重介绍了参与碳固定、甲烷生成和氧化、碳降解等主要碳循环过程的关键功能基因的研究现状,最后对碳循环过程中微生物宏基因组学研究的未来发展进行了总结与展望。