T_RFLP技术及其在硝化细菌群落分析中的应用

T_RFLP是建立在PCR基础上的,一种不依赖于传统培养方法的微生物生态学的研究方法.具有快速、灵敏的特点.自1997年首次被报道以来,T_RFLP技术已广泛应用于菌种鉴定、群落对比分析、群落中系统发育种群多样性的评估等领域,并成为环境微生物群落结构分析的强有力工具之一.目前T_RFLP在国内的应用较少,硝化细菌的群落分析上还未见报道.但作为一种研究微生物群落结构特征的理想方法,将会得到广泛地应用.本文主要介绍了T_RFLP的基本原理,概括了在微生物群落分析上的应用,阐述了硝化细菌传统研究的局限性及T_RFLP在硝化细菌群落结构分析上的应用前景.     

末端限制性片段长度多态性技术分析硝化细菌微生物多样性

利用T_RFLP(末端限制性片段长度多态性)技术,分析硝化细菌富集反应器中的微生物群落结构,并对硝化细菌的丰度进行半定量研究。结果表明,培养48h后,硝化细菌富集效果最佳,多样性指数与初始培养相比下降了62.80%,富集出的硝化细菌主要为亚硝酸盐氧化菌(Nitrobacter)。同时对投加该硝化细菌前后的对虾养殖水体进行微生物多样性的动态研究,并推测了虾塘水中可能稳定存在的几种主要细菌种类,其中投加富集硝化细菌前后均存在的细菌种类包括短芽孢杆菌Brevibacillus brevis、微杆菌Microbacterium lactium、固氮弧菌Azoarcus indigens或者霍氏鲍特菌Bordetella holmesii。     

牛场肥水灌溉对土壤nirK、nirS型反硝化微生物群落结构的影响

以徐水县梁家营长期定位施肥试验田为研究对象,利用末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析和克隆文库构建,研究了5种施肥处理(清水灌溉CK、无机肥灌溉CF、牛场肥水不同浓度、不同次数灌溉T4、T5和T11)下土壤中nirK、nirS型反硝化细菌群落多样性及其群落结构的演变。结果表明,不同施肥处理下nirK、nirS型反硝化细菌群落多样性无显著差异,但群落结构却有明显变化:nirK型反硝化细菌群落结构既受施肥种类又受施肥量影响,优势种群尤其对施肥种类和施肥量响应显著;nirS型反硝化细菌则主要受施肥种类影响,施肥量影响微弱。牛场肥水处理和无机肥处理分别促进和抑制不同的nirS型反硝化细菌,群落主成分受无机肥促进、牛场肥水抑制。系统发育分析结果表明,土壤中nirK型反硝化细菌主要与假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)和根瘤菌属(Rhizobium)的反硝化细菌具有较近的亲缘关系;nirS型反硝化细菌主要与劳尔氏菌(Ralstonia)和红长命菌属(Rubrivivax)有较近的亲缘关系。试验土壤中反硝化微生物多与目前已报道的好氧反硝化细菌亲缘关系较近,这可能与微生物分析取自表层土有关。     

微生物生态学一种新研究方法-T-RFLP技术

T RFLP是建立在PCR基础之上一种新的微生物生态学研究方法。该方法克服了传统微生物培养方法的限制、应用快速、灵敏度高且输出定量的数据结果 ,被广泛应用到菌种鉴定、群落对比分析、群落中系统发育种群多样性的评估等领域。目前我国仍没有关于此方法应用的相关报道 ,但作为一种研究微生物群落特征的理想方法 ,T RFLP已经越来越受到相关研究人员的重视。该文主要介绍了该方法的基本原理、阐述了该方法的关键技术及其应用发展现状。     

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。     

干湿交替对生物滞留系统中氮素功能微生物群落的影响

【目的】为探究生物滞留系统干湿交替下环境因子对氮素功能微生物群落的影响。【方法】应用高通量测序技术(Illumina MiSeq PE300),并以amoA和nirS功能基因为分子标记,对无植物型和植物型生物滞留系统在干湿交替下不同土壤空间位置(种植层、淹没层)的硝化和反硝化细菌的多样性和群落结构进行研究,并对微生物群落与环境因子的相互关系进行相关性分析。【结果】微生物种群的功能基因存在显著的空间差异,相比淹没层,种植层的功能细菌更丰富。种植层的OTUs高于淹没层,而进水再湿润促使两种功能基因在种植层和淹没层的OTUs占比差异性增大。群落组成分析表明,amoA型硝化细菌和nirS型反硝化细菌的优势细菌门均为变形菌门(Proteobacteria)。虽然植物根系对氮素功能微生物的多样性指数影响不显著,但在属水平上,植物系统种植层的反硝化菌群种类高于淹没层,而无植物系统则刚好相反。CCA/RDA分析表明,土壤空间位置是影响硝化和反硝化菌群结构的最重要环境因子。【结论】本研究证实干湿交替运行下生物滞留系统中的氮素功能微生物群落受土壤空间位置、水分含量和植物根系的共同调控,其机制有待进一步研究。     

磷脂脂肪酸谱图分析方法及其在微生物生态学领域的应用

应用磷脂脂肪酸谱图分析技术对微生物群落进行定量分布,克服了传统的微生物培养方法和显微技术的局限性。介绍了磷脂脂肪酸谱图分析方法及其在微生物生态学领域中的应用,包括对微生物群落的生物量、群落结构、营养状况和新陈代谢活动等方面的研究。     

静态好氧高温牛粪堆肥中nirK型反硝化细菌群落动态变化

【背景】堆肥过程中,不同反硝化微生物相互作用产生大量气态氮,不仅导致氮素流失使得堆肥肥效降低,而且造成环境污染。但是目前关于堆肥中反硝化细菌群落结构变化,尤其是群落结构与堆肥理化因子间相关性方面的报道较为欠缺。【目的】对堆肥中反硝化细菌进行研究,旨在揭示反硝化细菌群落动态变化,为深入理解堆肥氮循环机理提供科学数据。【方法】设计一种静态好氧高温堆肥技术处理牛粪和水稻秸秆,利用高通量测序技术研究堆肥中nirK型反硝化细菌群落组成的动态变化,并分析优势反硝化细菌菌属与理化指标之间的相关性。【结果】堆肥全程共17d,各项堆肥理化指标以及生物学指标表明堆肥已经基本腐熟。高通量测序结果表明,在堆肥的不同阶段nirK型反硝化细菌群落结构差异显著。门水平上,堆肥中反硝化细菌属于变形菌门(Proteobacteria)和一未分类门;目水平上,优势类群主要属于根瘤菌目(Rhizobiales)、红杆菌目(Rhodobacterales)和伯克氏菌目(Burkholderiales),其中根瘤菌目(Rhizobiales)的种类最多,而伯克氏菌目(Burkholderiales)的相对丰度最高。Spearman相关性分析表明未分类门的反硝化细菌和未分类科根瘤菌目的反硝化细菌与全碳、碳氮比、含水率以及pH呈显著负相关(P0.05),与凯氏氮和硝态氮呈显著正相关(P0.05);其他优势菌属与全碳、碳氮比、含水率以及pH呈显著正相关(P0.05),与凯氏氮和硝态氮呈显著负相关(P0.05);未分类科伯克氏菌目的反硝化细菌、未分类纲变形菌门的反硝化细菌、产碱杆菌科的Pusillimonas属和副球菌属(Paracoccus)与铵态氮显著相关(P0.05)。【结论】静态好氧高温堆肥技术可以缩短堆肥周期。在堆肥的不同阶段nirK型反硝化细菌群落结构差异显著,并且该菌群落结构的变化受到堆肥理化因子的显著影响。本研究有助于揭示堆肥中氮素转化规律,并为改进堆肥工艺提供理论依据。     

基因芯片技术在环境微生物群落研究中的应用

基因芯片技术作为一种快速、敏感、高通量的检测技术,近几年来在环境微生物群落研究中的应用越来越广泛并且得到充分的发展.它不仅可以研究环境微生物群落的微生物分布、种类、功能、动力学变化,还能分析环境污染等环境因素改变对其微生物生态的影响.本文按照基因芯片探针的设计方法,将环境样品群落研究基因芯片分为系统寡核苷酸芯片、功能基因芯片、群落基因组芯片、宏基因组芯片,并简要综述了该技术在活性污泥、土壤、水等环境样品微生物群落研究上的应用,最后,本文展望了该技术的研究方向和在寻找不同环境微生物群落之间差异微生物、差异基因或差异表达基因研究中的应用前景.     

微生物生态学中分子生物学方法及T-RFLP技术研究

根据微生物基因 (DNA)多态性来研究微生物的多样性 ,是建立在多聚酶链式反应 (PCR)基础之上分子生物学的新方法 ,克服了传统微生物培养方法的限制。从理论、实验及应用角度出发 ,介绍了几种在微生物生态学中应用较为广泛的分子生物学技术 ;详细阐述了微生物生态学中分子生物学的一种新研究方法---末端限制性片段长度多态性 (T -RFLP)技术 ,该技术作为一种研究微生物群落特征的理想方法已经越来越受到人们的重视。     

Molecular analysis of bacterial community succession during prolonged compost curing

The compost environment consists of complex organic materials that form a habitat for a rich and diverse microbial community. The aim of this research was to study the dynamics of microbial communities during the compost-curing phase. Three different methods based on 16S rRNA gene sequence were applied to monitor changes in the microbial communities: (1) denaturing gradient gel electrophoresis of PCR-generated rRNA gene fragments; (2) partial rRNA gene clone libraries; and (3) a microarray of oligonucleotide probes targeting rRNA gene sequences. All three methods indicated distinctive community shifts during curing and the dominant species prevailing during the different curing stages were identified. We found a successional transition of different bacterial phylogenetic groups during compost curing. The Proteobacteria were the most abundant phylum in all cases. The Bacteroidetes and the Gammaproteobacteria were ubiquitous. During the midcuring stage, Actinobacteria were dominant. Different members of nitrifying bacteria and cellulose and macromolecule-degrading bacteria were found throughout the curing process. In contrast, pathogens were not detected. In the cured compost, bacterial population shifts were still observed after the compost organic matter and other biochemical properties had seemingly stabilized.     

OLAND生物脱氮系统中硝化菌群16S rDNA的DGGE分析

为了考察生物脱氮系统中硝化菌群（氨氧化菌和亚硝酸氧化菌）的种群多样性及硝化菌群随溶解氧降低的种群变化规律,并建立一套行之有效的用于自养生物脱氮系统中功能微生物菌群的快速分子检测技术,采用DGGE（变性梯度凝胶电泳）分子检测技术对硝化菌群的16SrDNA的特异性PCR扩增产物进行了分析,结果表明：OLAND生物脱氮系统中氨氧化菌和亚硝酸氧化菌随溶解氧的降低表现出了不同的种群变化规律,氨氧化菌种群多样性受溶解氧的影响非常大,而非亚硝酸氧化菌的种群多样性比较单一,且不受溶解氧的影响。结合FISH（全细胞荧光原位杂交）分析结果表明,在OLAND限氧稳定运行后期,亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）是主要的氨氧化菌,占OLAND限氧亚硝化阶段反应器中总细菌数的72.5%左右。     

16S rRNA序列分析法在大气微生物检测中的应用

随首微生物核糖体数据库的日益完善,１６Ｓ ｒＲＮＡ序列分析技术已应用于海洋、湖泊和土壤等环境微生物多样性的分析,但尚未见其在大气微生物菌群分析中的应用报道。本研究选择５株大气中采集分离的菌株,通过细胞１６Ｓ ｒＲＮＡ通过引物ＰＣＲ扩增其对应序列,直接对ＰＣＲ产物进行测序,分析鉴定其对应细胞的种属,并将该结果同细胞表型鉴定、全自动微生物分析仪以及相色谱分析结果加以比较。结果表明１６Ｓ ｒＲＮＡ序列分     

变性梯度凝胶电泳(DGGE)在微生物生态学中的应用

由于从环境样品中分离和培养细菌的困难,分子生物学方法已发展用来描述和鉴定微生物群落。近年来基于DNA方法的群落分析得到了迅速的发展,如PCR扩增技术,克隆文库法,荧光原位杂交法,限制性酶切片段长度多态性法,变性和温度梯度凝胶电泳法。DGGE已广泛用于分析自然环境中细菌、蓝细菌,古菌、微微型真核生物、真核生物和病毒群落的生物多样性。这一技术能够提供群落中优势种类信息和同时分析多个样品。具有可重复和容易操作等特点,适合于调查种群的时空变化,并且可通过对切下的带进行序列分析或与特异性探针杂交分析鉴定群落成员。DGGE分析微生物群落的一般步骤如下：一是核酸的提取,二是16S rRNA,18S rRNA或功能基因如可容性甲烷加单氧酶羟化酶基因(mmoX)和氨加单氧酶a一亚单位基因(amoA)片段的扩增,三是通过DGGE分析PCR产物。DGGE使用具有化学变性剂梯度的聚丙烯酰胺凝胶,该凝胶能够有区别的解链PCR扩增产物。由PCR产生的不同的DNA片段长度相同但核苷酸序列不同。因此不同的双链DNA片段由于沿着化学梯度的不同解链行为将在凝胶的不同位置上停止迁移。DNA解链行为的不同导致一个凝胶带图案,该图案是微生物群落中主要种类的一个轮廓。DGGE使用所有生物中保守的基因片段如细菌中的16S rRNA基因片段和真菌中的18S rRNA基因片段。然而同其他分子生物学方法一样,DGGE也有缺陷,其中之一是只能分离较小的片段,使用于系统发育分析比较和探针设计的序列信息量受到了限制。在某些情况下,由于所用基因的多拷贝导致一个种类多于一条带,因此不易鉴定群落结构到种的水平。此外,该技术具有内在的如单一细菌种类16S rDNA拷贝之间的异质性问题,可导致自然群落中微生物数量的过多估计。DGGE是分析微生物群落的一种有力的工具。不过为了减少DGGE和其它技术的缺陷,建议研究者结合DGGE和其它分子及微生物学方法以便更详细的观察微生物的群落结构和功能。     

Nitrospira community composition in nitrifying reactors operated with two different dissolved oxygen levels

Nitrospira is a dominant member of nitrite-oxidizing bacteria (NOB) in nitrifying bioreactors as well as in natural habitats. In this study, Nitrospira NOB were investigated in the two nitrifying reactors operated with high and low dissolved oxygen (DO) concentrations for a period of 300 days. Phylogenetic and terminal restriction fragment length polymorphism analyses based on 16S rRNA gene sequences revealed that the Nitrospira community compositions of the two reactors during the early period related to group 1 and half of the Nitrospira community composition shifted to group 2 in the high-DO reactor after day 179, although there was no significant change in the low-DO reactor. These results suggested that DO was an important factor affecting Nitrospira community compositions in the nitrifying reactors.     

Enumeration and identification of dominant types of sulfate-reducing bacteria in pulp from a paper-recycling plant: a multiphasic approach

Multiple independent approaches were applied for monitoring the abundance and identity of sulfate-reducing bacteria (SRB) in pulp of a paper-recycling plant suffering from excessive sulfide emission. The methods applied included most-probable-number (MPN) enumeration of cultivable SRB, rate measurements, FISH and PCR-based retrieval of the functional marker genes dsrA and B (encoding the two major subunits of dissimilatory bisulfite reductase) and 16S rRNA genes. The SRB community was composed of phylogenetically highly different lineages all of low abundance relative to the total microbial community in the pulp, which hampered the applicability of FISH. It was also demonstrated that dsrA- or B -targeted PCR primers commonly used for denaturing gradient gel electrophoresis and real-time PCR analyses were biased. However, using a novel approach combining MPN-PCR and terminal restriction fragment length polymorphism analysis of dsrAB amplicons generated from serially diluted DNA extracts allowed the enumeration and identification of the quantitatively most important members of the SRB community. For fast quantification of SRB in the pulp, the dsrAB -MPN-PCR assay and sulfate reduction rate measurements were found to be most suitable.     

Phylogenetic characterization of the epibiotic bacteria associated with the hydrothermal vent polychaete Alvinella pompejana.

Alvinella pompejana is a polychaetous annelid that inhabits active deep-sea hydrothermal vent sites along the East Pacific Rise, where it colonizes the walls of actively venting high-temperature chimneys. An abundant, morphologically diverse epibiotic microflora is associated with the worm's dorsal integument, with a highly integrated filamentous morphotype clearly dominating the microbial biomass. It has been suggested that this bacterial population participates in either the nutrition of the worm or in detoxification of the worm's immediate environment. The primary goal of this study was to phylogenetically characterize selected epibionts through the analysis of 16S rRNA gene sequences. Nucleic acids were extracted from bacteria collected from the dorsal surface of A. pompejana. 16S rRNA genes were amplified with universal bacterial primers by the PCR. These genes were subsequently cloned, and the resulting clone library was screened by restriction fragment length polymorphism analysis to identify distinct clone types. The restriction fragment length polymorphism analysis identified 32 different clone families in the library. Four of these families were clearly dominant, representing more than 65% of the library. Representatives from the four most abundant clone families were chosen for complete 16S rRNA gene sequencing and phylogenetic analysis. These gene sequences were analyzed by a variety of phylogenetic inference methods and found to be related to the newly established epsilon subdivision of the division Proteobacteria. Secondary structural model comparisons and comparisons of established signature base positions in the 16S rRNA confirmed the placement of the Alvinella clones in the epsilon subdivision of the Proteobacteria.