环境微生物群落结构与功能多样性研究方法

微生物群落的结构及群落内种间相互作用是影响其生态功能的决定性因素。尽管微生物群落是地球生物化学循环的主要驱动者,但是由于传统的微生物培养方法只能分离约1%10%的环境微生物,对复杂的环境微生物群落结构和功能多样性了解甚少。元基因组学、单细胞分析和群落遗传学等方法的出现,及其与微生物学的交叉融合,使得人们能够从微生物群落组成、物种功能、种间相互作用和预测模型等方面分析微生物群落。重点综述了元基因组学、单细胞分析和群落遗传学等方法及其在环境微生物群落结构和功能多样性中的应用进展。     

油藏微生物及其在石油工业中的应用

油藏是一种特殊环境,其高温、高压、高矿化度、无氧、多孔介质及其流体等因素对微生物的存活及生长繁殖都会产生明显影响。油藏极端环境对微生物群落结构组成和数量也会有大的影响。该文介绍了与微生物采油关系紧密的微生物群落的生理生化特征及其多样性。主要有烃降解菌、发酵菌、硫酸盐还原菌及产甲烷菌。还介绍了激活本源微生物和筛选外源微生物在提高石油采收率方面的应用。最后就分子生物技术在研究油藏中可培养微生物和未培养微生物中的应用进行了讨论。     

西南亚高山针叶林主要树种互作及增温对根区土壤微生物群落的影响

温度与植物种类是生态系统土壤微生物群落组成与结构的重要影响因子。气候变暖背景下, 不同树种及树种互作对土壤微生物群落产生的影响仍不清楚。该文以西南亚高山针叶林主要建群种粗枝云杉(Picea asperata)和岷江冷杉(Abies faxoniana)为研究对象, 采用红外加热器模拟增温, 通过不同种植方式(云杉、冷杉单种和二者混种, 以及裸地对照), 研究不同物种及增温对土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)含量与群落结构的影响。结果表明: (1)无论增温与否, 与裸地相比, 云杉与冷杉单种均显著增加了土壤微生物群落主要类群及总PLFAs含量, 而混种仅在非增温条件下增加了微生物群落PLFAs含量; 另一方面, 增温显著促进了裸地真菌(F)和云杉根区革兰氏阴性菌(GN)的生长, 但对冷杉与冷杉-云杉混种小区微生物群落具有显著的抑制作用。(2)主成分分析(PCA)表明, 非增温条件下, 植物种植对土壤微生物群落组成的影响更为明显。非增温情况下云杉、冷杉单种和混种均对微生物群落结构有显著影响, 显著降低了土壤革兰氏阳性菌/阴性菌(GP/GN), 增加了土壤真菌细菌比(F/B)(64.29%-35.71%), 而增温时, 仅冷杉单种对GP/GN和F/B有显著影响。(3) PLFAs含量与土壤碳含量显著正相关, 微生物群落结构(F/B)则与土壤pH及无机氮含量有显著相关关系。以上结果说明, 在非增温情况下, 无论单种还是混种均有利于土壤微生物生长, 但在增温情况下混种对微生物群落PLFAs含量无显著影响, 两个物种对微生物群落结构的影响在增温条件下也有减弱的趋势。     

Effects of plant interspecific interaction and warming on soil microbial community in root zone soil of two dominant tree species in the subalpine coniferous forest in southwestern China

温度与植物种类是生态系统土壤微生物群落组成与结构的重要影响因子。气候变暖背景下, 不同树种及树种互作对土壤微生物群落产生的影响仍不清楚。该文以西南亚高山针叶林主要建群种粗枝云杉(Picea asperata)和岷江冷杉(Abies faxoniana)为研究对象, 采用红外加热器模拟增温, 通过不同种植方式(云杉、冷杉单种和二者混种, 以及裸地对照), 研究不同物种及增温对土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)含量与群落结构的影响。结果表明: (1)无论增温与否, 与裸地相比, 云杉与冷杉单种均显著增加了土壤微生物群落主要类群及总PLFAs含量, 而混种仅在非增温条件下增加了微生物群落PLFAs含量; 另一方面, 增温显著促进了裸地真菌(F)和云杉根区革兰氏阴性菌(GN)的生长, 但对冷杉与冷杉-云杉混种小区微生物群落具有显著的抑制作用。(2)主成分分析(PCA)表明, 非增温条件下, 植物种植对土壤微生物群落组成的影响更为明显。非增温情况下云杉、冷杉单种和混种均对微生物群落结构有显著影响, 显著降低了土壤革兰氏阳性菌/阴性菌(GP/GN), 增加了土壤真菌细菌比(F/B)(64.29%-35.71%), 而增温时, 仅冷杉单种对GP/GN和F/B有显著影响。(3) PLFAs含量与土壤碳含量显著正相关, 微生物群落结构(F/B)则与土壤pH及无机氮含量有显著相关关系。以上结果说明, 在非增温情况下, 无论单种还是混种均有利于土壤微生物生长, 但在增温情况下混种对微生物群落PLFAs含量无显著影响, 两个物种对微生物群落结构的影响在增温条件下也有减弱的趋势。     

盐城滨海滩涂湿地典型植物群落土壤微生物组成与结构特征

土壤微生物是生态系统维持正常结构与功能的重要组成部分,为探究盐城滩涂典型湿地土壤微生物群落结构特征,以江苏盐城滩涂互花米草、藨草、盐地碱蓬、芦苇及淤泥质光滩5种典型群落为对象,采用16S rRNA高通量测序技术分析0—10 cm(表层)、10—30 cm(中层)、30—60 cm(深层)土壤微生物多样性及群落结构。结果表明：(1)几种植物群落间,土壤微生物群落结构差异较大,主要体现在细菌群落结构的差异性,古菌群落结构差异相对较小。光滩与植物群落间,在土壤细菌种类及相对丰度上差异相对较大,互花米草群落与本土植物群落间,在微生物群落的细菌种类组成上存在较大差异;藨草群落土壤表层微生物群落结构与互花米草群落相似,深层与盐地碱蓬、芦苇群落相似。(2)同一群落不同层次土壤微生物群落结构相似,差异小于不同群落间土壤微生物群落的结构差异性;不同群落对应层次间,表深层土壤中五种群落土壤微生物多样性存在显著差异,中层土壤中五种群落微生物多样性差异不显著。总体上,植物群落类型对土壤微生物群落结构的影响大于土壤深度;与本土植物群落相比,互花米草群落土壤主要优势门微生物种类差异较小,但部分优势门微生物相对丰度...     

转基因作物对土壤微生物多样性影响的研究方法

土壤微生物是土壤生态系统的一个重要组成部分,对土壤中的生物化学循环起着不可替代的驱动作用。转基因作物在生长过程中会不可避免地与土壤微生物发生交流,开展转基因作物对土壤微生物群落影响的研究对于科学评价转基因作物的潜在风险具有重要意义。随着现代生物技术的不断发展,土壤微生物多样性及其分析方法已经从传统的分离培养发展到从种群角度去研究整个土壤微生态系统内的微生物。但是由于土壤微生物的各种特性(如大部分不可培养、体积微小及群体效应等)和仪器设备检测性能的局限性,单一的研究方法会存在一些弊端,还需要结合其他的手段共同研究土壤生态系统中的微生物多样性。目前,人们对土壤微生物多样性的研究主要包括物种多样性、功能多样性、结构多样性及遗传多样性等4个方面,国内外关于转基因作物对土壤微生物多样性及其群落结构影响的研究方法很多,对常见的研究方法进行了总结,并提出了今后转基因作物对土壤微生物多样性及群落结构影响的研究策略。     

三峡库区水体中固氮微生物多样性及其影响因素

【目的】研究分析不同时空条件下三峡库区水体固氮微生物多样性,并探讨其与地球化学参数的相关性。【方法】采集三峡库区不同时间(三月份和六月份)和空间(干流与支流)的水体样品,对其进行地球化学参数分析,并通过构建克隆文库分析样品中固氮功能基因(nifH)的多样性进而探讨其与水体地化参数的相关关系。【结果】统计分析显示三峡库区水体固氮微生物α-多样性和群落组成具有时空差异。支流水体样品的固氮微生物α-多样性高于干流水体样品;六月水体样品的固氮微生物α-多样性高于三月水体样品。三峡库区三月水体样品中的固氮微生物群落以Proteobacteria (50.3%)和Firmicutes (40.0%)为主;六月水体样品的固氮微生物群落以Proteobacteria(48.4%)、Firmicutes(25.4%)和Cyanobacteria(19.0%)为主。Mantel检验结果显示:固氮微生物群落结构的差异与温度、pH和DIC等地球化学参数具有显著(P0.05)相关性,其中温度和pH的相关性系数最大。【结论】三峡库区固氮微生物的种群结构和多样性具有时空差异,影响三峡水库水体中固氮微生物群落结构与多样性的主要环境因素为温度和pH,同时浊度、DIC、氨氮也对库区水体固氮微生物群落结构和多样性有一定的影响。     

宏基因组方法揭示草地土壤微生物群落响应全球变化

草地在生物圈中发挥着重要的生态服务功能,而草地土壤微生物又是维持生态系统功能和稳定的关键要素之一。过去十几年间,宏基因组方法的进步为微生物群落分析提供了有力的工具。本文综述了宏基因组方法应用于草地土壤微生物群落响应全球变化的最新研究进展,特别是针对气候变化、大气组成变化、土地利用方式改变和外来物种入侵等条件下微生物群落的响应规律和反馈机制的研究。这些研究对于我们认识和了解微生物群落的生态功能十分重要,同时也对维持地球生态系统平衡具有积极的意义。最后,我们对未来应用宏基因组方法研究草地微生物群落进行了展望。     

放射性污染对铀矿区土壤微生物群落结构的影响

为探究放射性及其伴生污染对铀矿区附近土壤微生物群落功能多样性的影响，采集退役铀矿冶周围不同辐射值的土壤为研究对象，通过测定其土壤理化性质、土壤可培养微生物计数及Biolog-ECO微孔板培养，分析土壤放射性污染程度及理化性质对土壤微生物群落功能多样性和数量的影响。结果表明，矿区放射性污染土壤中重金属含量普遍较高，尤其是铅已超出管控标准。随着辐射值的增加，土壤中可培养微生物数量显著下降，特别是放线菌和真菌的数量；微生物群落功能多样性指数、物种丰富度指数、优势度、均一性指数显著下降；对碳源利用也逐渐下降，尤其是对酚酸类和胺类碳源，利用率分别下降25.8%、29.7%。RDA分析发现放射性核素是该区域驱动土壤微生物群落代谢发生变化的主要因素。铀矿区放射性污染及伴随的重金属污染明显改变土壤微生物群落结构，抑制了土壤微生物群落的代谢活性，造成土壤微生物群落功能多样性下降。     

长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响

为了阐明长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响,以山东寿光12年番茄定位施肥试验土壤为对象,采用磷脂脂肪酸(PLFA)分析方法,研究了传统施氮(CN)、传统施氮+秸秆(CNS)、优化施氮(SN)、优化施氮+秸秆(SNS)、有机肥+秸秆(MNS)5种施肥方式对土壤主要理化性质和微生物群落结构的影响,...     

中国东北黑土土壤剖面微生物群落碳源代谢特征

利用Biolog Eco微平板培养法,对中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站农田(CL)、恢复草地(GL)和人工林地(FL)土壤剖面不同深度土壤中微生物群落碳源代谢特征进行研究。理化性质结果显示,有机碳、全氮和碱解氮含量随深度增加逐渐减少,p H则是上层土壤低于底层。可培养微生物数量从表层(0—20 cm)到底层(180—200 cm)逐渐减少,在表层(0—20 cm)3种可培养微生物数量均为草地农田林地。可培养微生物主要生活在近地表0—60 cm土层中,在60—200cm土层中3种利用方式下可培养细菌、真菌和放线菌数量基本相同。Biolog结果显示,在0—40 cm土层中微生物群落活性最大,底层(180—200 cm)土壤微生物群落活性最小。3种利用方式剖面微生物群落Shannon多样性指数和碳源利用数量从表层到底层逐渐减少,并且与SOC和TN呈极显著正相关关系(P0.05)。与农田相比恢复草地和人工林地剖面20—40 cm土层中微生物群落对各类碳源的利用强度都较高,说明没有农业机械作业的植被自然生长条件下根系会打破原来农田中的犁底层,促进表层(0—20 cm)以下微生物群落活性。碳源利用率和主成分分析结果表明长期不同植被覆盖已经改变了剖面微生物群落碳源代谢特征,而且根系已经影响到100 cm的微生物群落,但还没有影响到180—200cm中的微生物群落。     

根际微生物组组装与植物健康

土壤微生物拥有高度多样化的群落结构,其通过与植物发生复杂的相互作用影响植物健康,也被称为植物的第二基因组。最近研究表明植物能通过改变根际分泌物的组成影响根际微生物群落的组装,反之,根际微生物群落组成的改变能够通过影响植物营养吸收和抵御生物及非生物胁迫的能力影响植物健康。除此之外,农艺管理也是影响土壤微生物群落组装方式的重要因素。但到目前为止,根际微生物与宿主植物及土壤微生物之间互作机制的研究尚不清楚。本文将从农艺管理和宿主植物对微生物群落组装的影响及根际微生物组对植物健康的影响进行总结,为增加作物产量提供机会。     

污染土壤微生物群落结构分子鉴定技术研究进展

土壤微生物群落结构多样性检测是土壤修复、监测、评估时的一个重要参数。由于绝大多数微生物在实验室条件下是不可培养,因而早期依赖于微生物培养的检测结果代表性不强。20世纪90年代以来,不依赖于微生物培养的分子生物学方法是研究微生物群落结构的重要手段。该文对近年来土壤污染微生物群落结构研究所采用的主要分子生物学方法按照其原理进行了比较、分析、总结。根据不同技术的灵敏度、优缺点分析了其适用范围。指出了目前技术中存在的一些共性问题和缺陷并展望了土壤修复领域分子生物学技术的发展趋势。     

洪水对大凌河河流浮游细菌群落的影响

洪水是一种突发性强、破坏力大的自然灾害,它不仅造成巨大的经济损失,而且对生态环境也有严重危害。在地球生物化学过程中起重要作用的微生物是否也受到影响值得深入研究。2012年采集了洪水暴发前后辽宁省锦州段大凌河表层水样,利用DGGE技术,结合PCA和RDA分析研究了洪水对河流表层水中细菌群落的影响。结果表明:(1)洪水发生前后河流表层水中的细菌群落发生了改变:洪水发生前河流中细菌群落结构与河段所处的自然环境有很大的相关性,而洪水发生后这一现象消失。(2)洪水发生前,影响细菌群落结构的主要环境因素是pH和盐度,而洪水发生后,影响细菌群落结构的主要环境因素是总磷。这一研究结果提示洪水通过改变河流表层水环境特性对其中的细菌群落进行重塑。     

马里亚纳海沟不同深度水样微生物分离与多样性分析

【背景】马里亚纳海沟挑战者深渊是地球表面最深点,认识其微生物群落结构和分离培养的微生物对挖掘新的微生物资源具有重要意义。【目的】对马里亚纳海沟不同深度水样进行细菌分离培养,并与这些样品的微生物群落结构进行比较,认识进一步要分离培养的微生物类型。【方法】采用不同培养基对马里亚纳海沟两个站位不同深度水样进行细菌分离培养,并通过Illumina MiSeq高通量测序分析各个水样的细菌和古菌的群落结构。【结果】从来自两个站位不同深度的6个水样样品中分离获得783株细菌,属于4个门6个纲28个属。其中,变形菌门占主导地位,67.8%的菌株属于γ-变形菌纲。分离获得的菌株主要属于亚硫杆菌属、假单胞菌属和交替假单胞菌属,它们在这些样品中广泛分布,且在高通量测序结果中也能检测到。高通量测序结果表明除浅层样品优势微生物为蓝细菌外,其他样品以变形菌门占主导;不同深度样品的微生物群落结构存在较大差异。【结论】马里亚纳海沟不同深度水样中不仅分离培养出了相对丰度较高的一些细菌属,也分离得到一些相对丰度较低的微生物类型。从马里亚纳海沟水样中分离培养获得的细菌菌株资源将用于功能微生物和功能酶挖掘等相关研究,这有利于...     

浓香型白酒大曲微生物群落结构研究进展

大曲通常作为发酵剂用于酿造传统中国白酒,其提供各类微生物菌系和酶系启动白酒发酵,影响白酒风味和独特风格。近年来,对大曲微生物群落结构的研究成为研究热点,研究人员对大曲微生物群落结构、基因功能和功能微生物等进行了广泛而深入的研究,对大曲微生物组成、变迁规律和功能的认识逐渐清晰。本文综述了浓香型大曲微生物群落结构分析方法、主要微生物组成、重要功能微生物和微生物溯源,为研究大曲微生物群落结构、优化大曲生产工艺和改善白酒品质提供一定的理论依据。     

冻融对温带土壤可溶性氮库、氮转化过程及细菌群落多样性的影响

土壤冻融会影响土壤氮的有效性。氮的转化与土壤微生物密不可分,而土壤冻融对温带土壤细菌群落的影响并不十分清楚。假设: 冻融影响细菌群落结构多样性及其组成,从而改变土壤可溶氮含量和氮转化过程。为了验证这一假设,本研究设计了不同冻融循环次数(分别为6次和15次循环)的培养试验,并以2 ℃恒温培养作为对照。结果表明: 随着冻融循环次数的增加,可溶性全氮、可溶性无机氮、微生物生物量氮和净氮矿化率均显著降低。冻融循环次数对细菌α多样性(包括Chao1和Shannon指数)无显著影响,恒温培养的培养周期数与细菌的α多样性呈显著正相关。冻融处理显著影响细菌群落功能和组成,但冻融循环次数对细菌群落结构的影响较小。偏冗余分析表明,冻融处理下细菌群落结构和功能多样性与土壤可溶氮含量和氮转化过程密切相关。     

鄱阳湖湿地不同土地利用方式下土壤微生物群落功能多样性

于2011年5月分别采集鄱阳湖围垦92、48a和38a的水稻田,退田还湖25a的退耕地以及自然湿地共5个样地的表层土壤,利用Biolog-ECO板技术对土壤微生物群落的单一碳源利用情况进行了测定,并结合群落指数和主成分分析(PCA)对培养72 h土壤微生物群落功能多样性变化进行了分析。结果表明:退耕地和自然湿地土壤微生物群落利用31种碳源的能力较强,来自不同围垦年限的土壤微生物群落利用碳源能力均较弱;且随围垦时间的增长,土壤微生物对碳源的利用能力呈降低的趋势。自然湿地、退耕地与围垦92、38a样地土壤之间存在显著的微生物功能多样性差异;围垦对土壤微生物代谢糖类、羧酸类、氨基酸类物质的影响最为明显。结果提示,围垦改变了湿地土壤微生物群落结构,退田还湖有助于湿地土壤微生物群落结构的恢复。     

不同腐熟程度有机物料对土壤微生物群落功能多样性的影响

室内培养条件下,施用有机物料初期土壤微生物群落代谢功能Shannon多样性指数降低,中期又提高。有机物料种类和腐熟水平可明显影响土壤微生物群落对Biolog微平板中碳源的利用能力,土壤微生物群落利用各类碳源的能力随培养试验的延长而降低,在25d内新鲜有机物处理对碳源的利用率的下降速度低于同类腐熟有机物料处理。糖类是各处理土壤微生物群落的主要利用碳源。土壤微生物群落主成分分析表明,在施用有机物料后25d内腐熟水平是影响土壤微生物群落的主要因素,新鲜有机物处理的土壤微生物群落相似,腐熟有机物处理的土壤微生物群落相似,培养50d后各处理的土壤微生物群落无差异。     

土壤微生物生物地理学研究进展

生物地理学是研究生物（包括种群、群落等不同层次）地理分布格局及成因的一门交叉学科。微生物生物地理学的研究长期滞后于宏生物地理学。鉴于土壤微生物在调控生物地球化学过程和维持生态系统功能方面的重要作用,对其空间分布格局及形成机制的认识具有十分重要的理论和实际意义。随着分子生物学技术的发展,对微生物多样性的认知日益深入。越来越多的证据表明,土壤微生物群落结构和多样性具有一定的时空分布格局,从而对微生物全球性随机分布的传统观点提出了挑战。对当前土壤微生物生物地理学研究中的一些概念性问题,如微生物物种的定义、微生物多样性的定量测度、对微生物全球性随机分布的争论等,进行了系统评述;以微生物种-面积关系和距离-衰减关系为例对当前最新的土壤微生物生物地理学研究成果进行总结,并初步探讨了土壤微生物群落的地带性分布问题;在传统生物地理学理论的指导下,提出了一个可用于验证土壤微生物空间分布格局形成和机制维持的简单研究框架。这些对今后土壤微生物生物地理学的研究有一定借鉴和指导意义。