环境微生物培养新技术的研究进展

遍布于地球上各种生境中的微生物具有丰富的物种多样性.迄今为止,能够在实验室条件下培养的微生物仅仅是其中的一小部分,微生物物种的绝大多数还都难以在现有培养技术和条件下进行繁殖和生长.人们把那些尚未在实验室获得培养生长的微生物称之为未培养微生物(Uncultured microorganisms).本文概述了一些制约微生物培养生长的影响因素,重点介绍了近年来出现的一些新颖独特的环境微生物培养技术和方法,包括稀释培养法、高通量培养技术、模拟自然环境的扩散盒技术、土壤基质膜装置、细胞微囊包埋技术等.此外,本文还总结了通过改善微生物培养条件、设计开发新型的微生物培养基等方面取得的令人瞩目的进展.这些新颖培养技术和培养方法的出现,显著提高了微生物的可培养性,发现和鉴定了许多新的微生物物种,极大地丰富了可培养微生物的多样性和微生物资源,并为深入研究和开发微生物奠定了良好的资源研究基础.     

连续流生物反应器技术在微生物培养中的应用

自然环境中99%微生物在实验室条件下仍是不能被培养的,称之为"未培养"微生物或微生物"暗物质"。对其进行研究不仅有助于认识环境中微生物代谢多样性,丰富生命之树,同时未培养微生物还蕴含着巨大的新基因和新天然产物资源。但传统培养技术的局限性阻碍了"未培养"微生物资源的开发和利用。虽然随着分子生物学技术的发展,可以直接从环境中获得未培养微生物的遗传信息,分析微生物的广泛代谢多样性,但微生物的生理特征和代谢产物等分析仍然需要建立在研究纯菌株的基础上。目前,已经有很多新颖的培养技术被研发,如原位培养技术、共培养技术和连续流生物反应器培养技术等用于挖掘未培养微生物资源。本文主要介绍了连续流生物反应器培养新技术的发展与改进,探讨了"未培养"微生物培养技术及设备的发展方向,以进一步促进"未培养"微生物资源的开发与利用。     

海洋微生物多样性研究技术进展

海洋微生物资源丰富,开发潜力巨大,综述了稀释培养、高通量培养、扩散盒培养和微囊包埋等新的海洋微生物可培养技术的发展,重点阐述了基于现代分子技术的PCR、DGGE/TGGE、gyrB基因、基因芯片、环境基因组学和质谱等方法在未培养海洋微生物多样性研究中的应用。通过上述研究技术和方法的创新,人类开发海洋微生物资源进入一个崭新的时代。     

未培养环境微生物培养方法的研究进展

自然界中微生物种类繁多、功能多样、分布广泛,对人类健康安全、生态稳定和物种进化等发挥不可替代的作用。尽管微生物培养技术至今已有一百多年,然而由于各种限制因素的制约,目前成功分离培养的微生物仅占0.1%-1.0%,自然界中仍有十分丰富的微生物资源有待挖掘和开发利用。如何理解难培养微生物的制约因素并探索作用机制,同时借此开发新型微生物培养方法则尤为必要。本文首先分析了典型环境微生物生长的限制因素,然后介绍了目前利用传统培养改进措施进行分离筛选的研究成果,进一步综述了原位培养、共培养、微流控培养技术、细胞分选技术等新型培养技术在难培养微生物分离培养中的应用,最后对目前培养法存在的瓶颈问题进行深入分析,提出今后可在多技术联合使用、难培养微生物复苏机制、微生物互作机制、代谢途径与调控机制等方面进行研究,以期为今后微生物资源开发利用提供借鉴。     

海洋动物来源微生物分离培养的新方法

海洋动物体内有着丰富的微生物,它们可以帮助动物宿主合成一些营养物质或者抵御其他动物侵害所需的化合物。在海洋动物来源微生物的生物活性化合物中,目前已有功能较好且应用于临床治疗的化合物。由于实验室分离培养条件的限制,目前仅有小部分的微生物被分离利用。因此开展新颖而有效的海洋动物来源微生物分离培养方法的研究十分必要。本文概括了近些年从海洋动物中分离微生物的新方法的结果和不足,这些方法包括原位培养技术、电回收法和培养基的改良等,重点介绍了扩散盒技术、I-tip技术和微囊包埋技术等。这些新方法的应用有助于获得更多新的微生物菌种和微生物次生代谢产物,了解微生物与动物宿主之间的关系,以及扩大海洋微生物资源的开发和利用。     

提高微生物可培养性的方法和措施

目前自然界中只有极少部分微生物能够得到培养,严重阻碍了对微生物生命活动规律的研究和微生物资源的开发。改进传统培养方法,采用新型培养技术,提高微生物可培养性,大量培养自然界中存在的微生物,从而更全面、准确地了解微生物细胞的生命规律、获悉微生物群落中各种微生物之间的动态相互作用和相互协调的规律,对环境微生物工艺进行准确地设计、精细地调控和高效地利用。简要介绍了微生物不可培养的原因,系统总结了有关提高微生物可培养性方法的最新研究进展,提出研究中存在的问题,并阐述了模拟自然环境条件、强调微生物相互关系是提高微生物可培养性的关键。     

未培养微生物原位培养技术研究进展

近几十年来,可培养微生物被不断重复培养和筛选,从中分离结构新颖、活性显著的化合物越来越困难,而这些可培养微生物却仅占微生物总数的1%。未培养微生物是指迄今为止在实验室中还无法纯培养的微生物(占99%)。为了解决未培养微生物问题,科学家们突破了传统的培养方式建立了新型原位培养技术。文章详细介绍了未培养微生物在自然环境中的多样性及重要性、微生物不可培养的原因,重点介绍研究策略以及基于原位培养技术原理发展起来的5种未培养微生物培养分离方法,指出了未培养微生物培养技术的发展方向以进一步促进难培养微生物资源的开发与利用。     

从环境中分离培养微生物:培养基营养水平至关重要

根据目前的微生物学知识体系,利用现有的微生物培养技术仅仅能够分离和培养部分微生物,自然环境中绝大多数微生物暂不能培养。本文总结归纳了部分微生物培养技术和培养策略,包括采取生境隔离、延长培养时间以及模拟自然环境条件等方法,尤其是培养基的营养水平对可培养微生物数量及种类产生重要影响。简要总结了寡营养微生物及其生态意义,以及营养物浓度影响微生物生长的机理。提出可根据微生物的生态环境条件及细胞生理特性,设计合理的培养条件和培养方法,以及采用多种分离培养方法联合,以期最终提高环境微生物的可培养性。     

单细胞分选技术在微生物分离与培养中的应用与展望

自然界相当多的微生物是未培养的,对这些"微生物界暗物质"进行研究,对于研究微生物的进化过程,充分利用微生物资源具有重要意义。对未培养微生物的分离与培养已成为当前国际研究热点,本文对显微操作、荧光活化分选、微流控分选、光镊技术、激光诱导向前转移等可用于微生物分离与培养的技术原理、发展历程进行简单介绍,对比分析了每种分选技术的优点与不足,重点阐述了激光诱导向前转移技术应用于微生物分离的技术优势,并进一步对未来应用于未培养微生物的研究进行了初步展望。     

植物内生微生物及其“暗物质”开发技术的研究进展

植物内生微生物包含内生菌、内生细菌、内生真菌、内生放线菌、内生古细菌等领域,其"暗物质"是指尚未被开发的菌种资源、遗传资源和代谢物资源。根据对宿主植物的作用,可以将内生微生物分为共生内生微生物、有益内生微生物和潜在的病原微生物三类。内生微生物在植物促生、提高植物抗逆性、提高植物的环境适应性、影响植物代谢物合成、参与被污染环境的修复等方面具有广泛的应用。具有生理活性的次级代谢产物的开发和利用是植物内生微生物研究的另一个热门领域,但由于大多数不能被分离培养、次级代谢物的分离分析技术不足等原因,使得大量的植物内生微生物资源仍处于未知状态。表面消毒技术、分离培养技术的改进,"多-组学"技术的联合使用和次级代谢物分离分析技术的发展极大促进了植物内生微生物的研究。在此基础上,开展微生物组研究和多单位多地域的协同研究将会进一步加快植物内生微生物资源的研究、发掘和利用。以上述内容为基础,本文综述了植物内生微生物的功能及其代谢产物研究进展,当前植物内生微生物研究的分离培养方法和组学技术,并在文章最后对该领域的研究方向提出了建议。     

筛选微生物降解木质纤维素的研究进展

木质纤维素资源是自然界中含量丰富的可再生资源,利用微生物降解木质纤维素是一种重要的策略。在综合国内外对木质纤维素降解微生物的筛选方法和研究策略的基础上,从单一菌株、复合微生物菌系和组学技术三个方面对筛选微生物降解木质纤维素进行了总结和分析,阐述了各个策略的优势特点和应用价值,即单一菌株易于培养但降解能力较低,复合菌系降解能力强但传代稳定性较差,组学技术能够更好的解释微生物降解木质纤维素的机理,为筛选木质纤维素降解微生物提供一定的指导。同时提出使用合成生物学的策略进行相应微生物的筛选,旨在为筛选高效降解木质纤维素的微生物提供一定的参考。     

油藏微生物群落研究的方法学

油藏微生物群落的解析和认知是开发和应用微生物采油技术的基础。利用各种提高油藏微生物可培养性的方法和非培养技术解析不同油藏微生物的群落结构、功能和多样性,对定向调控油藏微生物群落、开发和应用有效微生物驱油技术具有重要的指导意义。通过调查新近发展的提高微生物可培养性的方法和措施以及不依赖于培养的分子微生物生态学技术,总结了油藏微生物群落研究方法学的最新进展。提高微生物可培养性的方法和措施主要通过模拟微生物的生存环境,减少富营养的毒害作用、添加信号分子维持微生物细胞间的作用和提供新型电子供体和受体等手段采用稀释法、高通量培养法等方法得以实现;不依赖于培养的分子微生物生态学技术主要包括荧光原位杂交、末端限制性片断长度多态性分析、变性梯度凝胶电泳和构建克隆文库等技术。这些方法学的进展为更有效的获得各种油藏微生物资源、调控油藏微生物群落以提高石油采收率提供理论指导。     

未培养微生物研究策略概述

基于未培养微生物数量巨大、种类繁多、基因资源丰富等特点。扼要介绍了未培养微生物的纯培养分离策略和分子生物学研究方法。随着新型培养策略如原位仿生境培养、限制性培养、单细胞微操作等的出现,使未培养微生物的纯培养成为可能。同时由于宏基因组学和高通量DNA测序等现代分子生物学方法技术的逐渐成熟,使来源于未培养微生物的新基因和新活性物质的分离筛选出现了新的机遇与挑战。     

New approaches for isolation of previously uncultivated oral bacteria

A significant number of microorganisms from the human oral cavity remain uncultivated. This is a major impediment to the study of human health since some of the uncultivated species may be involved in a variety of systemic diseases. We used a range of innovations previously developed to cultivate microorganisms from the human oral cavity, focusing on anaerobic species. These innovations include (i) in vivo cultivation to specifically enrich for species actively growing in the oral cavity (the "minitrap" method), (ii) single-cell long-term cultivation to minimize the effect of fast-growing microorganisms, and (iii) modifications of conventional enrichment techniques, using media that did not contain sugar, including glucose. To enable cultivation of obligate anaerobes, we maintained strict anaerobic conditions in most of our cultivation experiments. We report that, on a per cell basis, the most successful recovery was achieved using minitrap enrichment (11%), followed by single-cell cultivation (3%) and conventional plating (1%). Taxonomically, the richest collection was obtained using the single-cell cultivation method, followed by minitrap and conventional enrichment, comprising representatives of 13, 9, and 4 genera, respectively. Interestingly, no single species was isolated by all three methods, indicating method complementarity. An important result is the isolation and maintenance in pure culture of 10 strains previously only known by their molecular signatures, as well as representatives of what are likely to be three new microbial genera. We conclude that the ensemble of new methods we introduced will likely help close the gap between cultivated and uncultivated species from the human oral cavity.     

活性污泥微生物菌群研究方法进展

活性污泥是活性污泥法处理污水系统的功能主体。人类对活性污泥微生物菌群的认识随着其研究方法的发展而逐步深入。传统培养方法只能检测到活性污泥中1％～15％的微生物。随着一系列基于免培养的分子生物学技术的出现,活性污泥中菌群的复杂性和多样性以惊人的速度被人们认识,大量依靠传统检测方法未能发现却在活性污泥中起关键作用的微生物逐渐被发现。许多模拟活性污泥菌群生存环境条件的现代培养技术开始发展,且已成功培养了一部分传统培养方法不能培养的细菌类群,这为研究基于免培养方法发现的大量新的微生物菌群的生理特性和作用机制提供了可能,也无疑将把人们对活性污泥菌群的认识推向一个新的层次．主要介绍活性污泥微生物菌群研究的一系列方法,从传统培养方法到基于免培养的现代分子生物学技术,再到现代培养技术,着重论述了现代分子生物学技术及其在活性污泥微生物菌群研究中的进展。     

青海两盐湖细菌多样性研究

用DGGE法和纯培养法,对青海柯柯盐湖、茶卡盐湖底泥及周边土壤样品的细菌多样性进行了研究。结果显示,两个盐湖存在大量的未知细菌, 分离到的纯培养仅占实有细菌的小部分。采用多相分类方法,鉴定了12株纯培养细菌,属5个可能的新种,另有一株菌可能成立一个新属。认为提出新思路、设计新程序,从自然极端环境取样,分离未知菌,是微生物资源开发利用的关键之一。     

Tapping into microbial diversity

Even though significant advances have been made in understanding microbial diversity, most microorganisms are still only characterized by 'molecular fingerprints' and have resisted cultivation. Many different approaches have been developed to overcome the problems associated with cultivation of microorganisms because one obvious benefit would be the opportunity to investigate the previously inaccessible resources that these microorganisms potentially harbour.     

粘细菌产生的水解酶类研究进展

粘细菌隶属于δ变形菌纲(Deltaproteobacteria),是重要的药源微生物类群,但是其分离培养困难,严重限制了粘细菌资源的发掘和开发利用。粘细菌是微生物捕食者,通过产生丰富多样的胞外水解酶,如淀粉酶、蛋白酶、几丁质酶、纤维素酶、磷酸酶、蛋白酶等来裂解其他微生物或分解纤维素等作为营养物质来源。目前,粘细菌分离纯化技术主要是利用被捕食菌或纤维素诱导法。可以说,粘细菌胞外水解酶是研究其分离培养方法的物质基础。然而,目前研究者们对粘细菌产生的水解酶类关注较少。本文主要对粘细菌产生的水解酶种类、性质及其功能进行归纳总结,为今后粘细菌分离培养技术和开发利用等相关研究提供参考。