活性污泥微生物群落宏组学研究进展

活性污泥是全球最常用的废水生物处理人工生态系统,微生物是驱动其污染净化能力的关键。活性污泥微生物群落所有物种与基因(简称"微生物组")的研究先后经历了"显微镜观察和纯菌培养分离"(1915)、"PCR扩增-测序"(1994)和"高通量测序-宏组学分析"(2006)三个重要阶段的发展变迁。相应地,我们对活性污泥微生物组的认知经历了从最早对微型动物(如钟虫和轮虫)及其他微生物的形貌观察和纯种培养鉴定到今天对整个微生物组的全局多样性认识的飞跃。近13年来,基于高通量测序的宏组学方法被广泛应用于揭示活性污泥微生物群落组成结构和功能,我们现在充分意识到活性污泥微生物组蕴藏着大量不可培养新物种和基因多样性,驱动着各类污染物的降解与转化。目前,特异性分子标记基因的扩增子测序技术已经被广泛应用于揭示城市和工业废水处理活性污泥微生物组和典型功能种群(如硝化细菌和聚磷菌)的时空多样性和群落构建机制,进而为未来实现活性污泥微生物组功能的精准调控奠定理论基础。宏基因组学研究在群落、种群和个体基因组水平全面解析了活性污泥微生物组驱动的碳、氮、磷元素循环过程,以及有机微污染物的生物降解和转化机理。将来活性污泥微生物组学研究需要在"标准化的组学分析方法和绝对定量""高通量培养组学""高通量功能基因组学"和"多组学方法的结合及多种方法并用"4个方面取得实现精准生态基因组学所需的技术突破,以最大限度发掘活性污泥微生物组在污水处理与资源回收领域的生态学与工程学价值。     

微生物组学研究的“淘金时代”

人体及动物肠道中生存着数量庞大的共生微生物;这些微生物无时无刻不参与着宿主的生命活动。揭示这些共生微生物在宿主体内的变化规律、与宿主之间的依存和博弈关系等,将使人类更加全面的认知高等生物体的生命本质。本专刊从肠道微生物与疾病、肠道微生物群落结构、肠道微生物与宿主互作、肠道微生物资源和肠道微生物研究方法 5个层面展示了我国科研工作者在肠道微生物研究领域的新进展及新观点。     

微生物组学的技术和方法及其应用

微生物组是指一个特定环境或生态系统中全部微生物及其遗传信息的集合, 其蕴藏着极为丰富的微生物资源。全面系统地解析微生物组的结构和功能, 将为解决人类面临的能源、生态环境、工农业生产和人体健康等重大问题带来新思路。然而, 微生物组学研究在很大程度上取决于其技术与方法的发展。在高通量测序技术出现以前, 微生物研究主要基于分离培养和指纹图谱等技术, 然而, 由于这些技术存在的缺陷, 人们对于微生物的认识十分有限。自21世纪初以来, 尽管高通量测序和质谱技术的革命性突破极大地促进了人们对于微生物的认识, 微生物组学技术在微生物组研究中的应用仍面临着诸多挑战。此外, 目前微生物组的结构和多样性等描述性研究已臻成熟, 微生物组学研究正处于从数量到质量、从结构到功能的关键转变时期。因此, 该文首先介绍了微生物组学的基本概念及其发展简史, 其次简述了微生物组学研究的相关技术和方法及其发展历程, 并进一步阐述了微生物组学的技术和方法在生态学研究中的应用及存在的主要问题, 最后从技术、理论和应用层面阐述了未来微生物组学技术和方法发展的前沿方向, 并提出了今后微生物组学研究的优先发展领域。     

微生物转录组学技术研究进展

随着分子生物技术的不断进步,转录组学技术已广泛应用于生物基因表达水平的研究。近年来,针对微生物转录组学的研究技术也在不断发展。在基因层面上,由片段RNA与微生物样本进行互补验证,发展到直接对全长RNA进行测序得到序列信息;在空间上,由传统群体转录组发展到空间、单细胞以及表观等层面的研究。随着转录组学技术在微生物研究领域中的应用,相应的缺陷也逐渐显现并不断被完善。本文主要是对微生物研究方面传统的和新型的转录组学技术进行了总结归纳,为微生物转录组学研究提供参考。     

微生物组学及其在厌氧消化中的研究进展

我国每年产生大量的有机废弃物,如果处置不当将会对生态、气候以及人类健康造成重大影响。厌氧消化是一种可靠的、绿色的、可持续的有机废弃物处理方式,但由于缺乏准确有效的监测手段,厌氧消化微观过程常常被视为“黑盒”。随着微生物组学的发展,学者们在菌群与运行参数关联性分析、代谢途径分析等方面有了更深入的认识。本文从“三阶段、四菌群”的厌氧消化过程出发,介绍了常用微生物组学的类型,包括:16S rRNA基因组、宏基因组、宏转录组和宏蛋白组;详细阐述了物种组成分析、α多样性分析、OTU相似性分析以及多元统计学分析等6种常用的微生物群落生物信息学分析方法;系统回顾了厌氧消化过程的微生物学研究进展,以期能为分析厌氧消化的微生物群落结构和功能、开发新的厌氧消化工艺和技术提供支持。     

基于高通量测序的禁牧对土壤微生物群落结构的影响

麋鹿的采食、躺卧和践踏行为均会对栖息地土壤环境造成影响,进而影响土壤微生物群落结构。利用高通量测序技术,分析江苏大丰麋鹿国家级自然保护区禁牧点和补饲点土壤细菌和真菌群落结构差异,并结合土壤理化性质探究禁牧对土壤微生物群落结构的影响。结果表明细菌群落的优势菌门为变形菌门,真菌群落的优势菌门为子囊菌门。禁牧改变了土壤微生物群落结构,在门水平上提高了变形菌门、放线菌门和担子菌门的相对丰度,降低了绿弯菌门、厚壁菌门和子囊菌门的相对丰度,禁牧点与补饲点土壤微生物群落多样性的相似性较低。冗余分析中,细菌受土壤环境因子的影响大于真菌,其中土壤pH是影响细菌和真菌群落最大的土壤环境因子。研究揭示了禁牧对土壤微生物群落结构的影响,为保护区制定麋鹿生境恢复方案提供参考。     

微生物组大数据管理与分析

高通量技术的迅猛发展促使微生物生态学研究获得了重大突破,掀起了元基因组学(Metagenomics)研究的热潮。元基因组学通常被定义为对未培养的环境样本中微生物群体的DNA序列分析。随着微生物组学数据的日益剧增,微生物大数据的高效管理与分析越来越受到研究者的关注。如何从海量的微生物组数据中挖掘出具有科研价值的数据信息并应用于实际问题成为当前的研究热点。目前已有很多计算生物学程序工具及数据库用于元基因组数据的分析与管理。本文主要综述了随着高通量测序技术的进步,国际上主要的微生物组计划及微生物组数据平台,如人类微生物组项目(human microbiome project,HMP)、地球微生物组项目(earth microbiome project,EMP)、欧盟的肠道微生物组计划(metagenomics of human intestinal tract,MetaHIT)、MG-RAST、i Microbe、整合微生物组(integration microbial genomes,IMG)以及EBI Metagenomics等;介绍了微生物数据分析的主要流程与工具;提出了建设多源异构的微生物生态数据管理与分析系统的必要性。     

人体皮肤微生物群落研究进展

皮肤作为人体最大的器官,上面定居着各种各样的微生物,它们大部分是无害的,甚至对人体有益。皮肤表面的生态环境因不同的表面特征和外部因素而呈现不同的格局,使得分布于皮肤上的微生物群落出现差异。分子生物学技术的发展使研究皮肤表面微生物群落的高度多样性和多变性成为可能,而且可从生态系统角度去理解和认识皮肤微生物。本文就皮肤微生物群落的主要特点、微生物群落与疾病的联系及其具体应用等方面作一综述。     

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3...     

汾河入黄口夏季微生物群落结构分析

【背景】河流交汇区日益成为流域生态治理的焦点和热点之一。【目的】探明汾河入黄口微生物群落结构及其主要环境影响因子。【方法】应用16S rRNA基因Illumina MiSeq高通量测序技术,分析了汾河入黄口夏季微生物群落结构,并利用典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)了解影响微生物群落的主要环境因子。【结果】多样性指数分析表明该区域微生物群落多样性较高。微生物多样性分析发现优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria);在属分类水平上,相对丰度最高的菌属为芽孢杆菌属(Bacillus),其次为乳球菌属(Lactococcus)和hgcI_clade。Spearman相关性分析及典范对应分析表明环境因子对水体微生物群落结构具有显著影响。【结论】汾河与黄河微生物群落组成具有一定的差异,不同环境因子对不同微生物的影响程度不同,p H和溶解氧(Dissolved oxygen,DO)是汾河入黄口微生物群落结构的主要影响因子。     

2020微生物组测序与分析专题序言

微生物是人体、动植物、土壤、沉积物、水体、空气等生境中最重要的生命体。对这些生境中微生物的分析已经成为一项基础的研究技术。微生物组测序与分析作为近年来快速发展的技术,已经在人类健康、环境污染治理、食品工业以及农牧业等领域得到了广泛应用。为了梳理和总结微生物组测序与分析技术的现状、发展状况和应用前景,本专题收录了16篇本领域的论文,分别从样本保存和处理、单菌基因组测序与分析、特殊生境中的微生物组特征分析、微生物组相关数据库和算法以及微生物组测序与分析专家共识等方面,详细介绍了微生物组测序与分析领域的发展态势,为推动我国微生物组测序与分析产业和科研的快速发展、促进微生物组相关产业的良性发展提供必要的参考。     

根际微生物与植物再植病的发生发展关系

植物再植病严重危害农作物的生长发育,形成原因复杂,最新的研究显示它与根际微生态的变化相关,其中主要涉及根际微生物菌群结构的变化。现代高通量测序技术的迅速推广使得根际微生物和再植病间关系成为新的研究热点;本文根据国内外植物再植病病因、根际土壤微生物多样性以及它们与植物生长发育关系等多方面的研究成果,综合分析植物再植病与根际微生物间的关系,以期从根际微生物种群动态变化的角度认识植物再植病的病因并为防治提供新的思路。     

宽体金线蛭消化道的组织学观察

运用解剖学和组织学方法对宽体金线蛭消化道的结构进行了组织学研究。结果表明,宽体金线蛭的嗉囊向两侧伸出11对侧盲囊,第6对侧盲囊狭长并延伸到直肠两侧;咽主要由黏膜层、肌层和外膜构成,外膜几乎不可见;食道、嗉囊、肠和直肠管壁由黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜构成;咽和直肠的上皮具纹状缘。除肠外,其他消化道的上皮细胞均无发达的纤毛,且黏膜上皮皆为单层柱状上皮;除肠和直肠外,腺体及导管较少;直肠的黏膜肌层为内环外纵两层,其他各部均为纵行肌一层;消化道各部黏膜下层较发达;外膜为浆膜,与黏膜下层分界不明显。     

不同生境草鱼肠道微生物组成和群落特征分析

[目的]分析不同生境来源的草鱼前肠、中肠和后肠的微生物组成和群落特征.[方法]利用16S rRNA高通量测序技术比较河流、湖泊、高密度池塘养殖与水库低密度养殖4种不同生境来源的草鱼其前、中、后肠的微生物组成和群落特征.[结果]Venn图、稀释性曲线和Alpha指数分析结果显示,前肠微生物群落多样性以养殖生境草鱼更高,而...     

Culturable microorganisms from the earthworm digestive tract

The cultured aerobic copiotrophic bacteria and fungi from food-free digestive tracts of Aporrectodea caliginosa, Lumbricus terrestris, and Eisenia fetida earthworms, soil (compost), and fresh earthworm excrements were investigated. The microorganisms were isolated on nutrient media and identified by sequencing the fragments of bacterial 16S rRNA and fungal 28S rRNA (D1/D2 domain) gene sequences with subsequent phylogenetic analysis. Bacteria isolated from the digestive tracts of earthworms belonged to the families Aeromonadaceae, Comamonadaceae, Enterobacteriaceae, Flavobacteriaceae, Moraxellaceae, Pseudomonadaceae, and Sphingobacteriaceae (Bacteroidetes), as well as Actinobacteria. For five strains, namely Ochrobactrum sp. 341-2 (α-Proteobacteria), Massilia sp. 557-1 (β-Proteobacteria), Sphingobacterium sp. 611-2 (Bacteroidetes), Leifsonia sp. 555-1, and a bacterium from the family Microbacteriaceae, isolate 521-1 (Actinobacteria), the similarity to known 16S rRNA sequences was 93–97%; they therefore, probably belong to new species and genera. Bacterial groups isolated from the digestive tracts of earthworms were significantly different from those isolated from soil and excrements. Some bacterial taxa occurred in different sections of A. caliginosa intestine and in intestines of different earthworm species; however, the overall composition of bacterial communities in these objects is different. Existence of bacterial groupings symbiotically associated with intestines is proposed. Among the fungi, Bjerkandera adusta and Syspastospora parasitica were isolated from the cleaned digestive tracts as light-colored, sterile mycelium, as well as Geotrichum candidum, Acremonium murorum (A. murorum var. felina), Alternaria alternata, Aspergillus candidus, A. versicolor, Cladosporium cladosporioides, Rhizomucor racemosus, Mucor hiemalis, Fusarium (F. oxysporum, Fusarium sp.), and Penicillium spp. These fungi survive for a long time in the earthworm’s digestive environment. Investigation of the functional characteristics and role in the host organism is required to confirm the symbiotic status of the microorganisms associated with the earthworm digestive tract.     

光唇鱼消化道的形态结构特征

采用解剖及石蜡切片显微技术,观察研究了光唇鱼消化道的形态结构特征。消化道由口咽腔、食道、肠构成。口下位、马蹄形,无颌齿,具咽齿,齿式为4/4。舌较小,前端游离,舌粘膜表层为复层鳞状上皮,有较多的杯状细胞和味蕾。食道及肠均由粘膜层、粘膜下层、肌层及外膜构成。食道内皱襞发达,粘膜层有大量杯状细胞。肠道盘曲,由前、中、后肠组成,肠长/体长为1.84±0.24;前肠管腔较大,中、后肠管腔渐变小;前、中肠皱襞及纹状缘比后肠发达;前肠及后肠杯状细胞较少,中肠杯状细胞较多。光唇鱼消化道的形态结构特征与其食性相适应。