极端微生物及其适应机理的研究进展

极端微生物是生物对极端环境适应的特殊种类 ,研究极端微生物的特性对探索生命的起源、微生物的育种及开发利用等具有重要意义。从嗜热微生物、嗜冷菌和耐冷菌、极端嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物等方面总结了极端微生物及其适应机理的多样性以及其研究进展 ,旨在为极端微生物的开发利用提供一定的参考依据。     

深海极端微生物菌群及代谢产物多样性的研究进展

海洋覆盖了地球表面积的四分之三,它不仅是生命的起源,而且还孕育了各种极端微生物。它们存在于海洋极端环境中,如热液喷口、热泉、咸湖和深海层等,由于生境太过恶劣,一度被认为是生命的禁区。随着人类对深海极端环境微生物研究的不断深入,已经探索到那里具有丰富的菌群资源和具有潜在价值的天然生物活性产物。这些极端微生物能够适应极高温、极低温、高压、高盐、高放射性和极度酸碱性等极端环境,具有特殊的生物多样性、遗传背景和代谢途径,能够产生各种具有特殊功能的酶类及其他活性物质,展现出巨大的研究价值和应用潜力。研究海洋极端微生物对探索生物多样性、新资源开发利用及对地球生物学研究等都具有重要意义。     

嗜酸嗜热浸矿微生物

随着人们对浸矿菌的研究不断加深,嗜热嗜酸菌的浸矿潜力及在微生物冶金中的作用和地位得到认识,利用嗜热菌对矿石进行高效浸出已成为微生物冶金领域的研究重点。嗜热微生物包括中度嗜热微生物和极端嗜热微生物,主要栖息于热泉、工厂高温废水排放区以及火山口等高温环境中。本综述总结了嗜热浸矿微生物种类,分析了嗜中温菌和极端嗜热菌等嗜酸菌种的生长习性、利用的能源物质、浸矿能力等,并进一步介绍了嗜热嗜酸微生物在高温生物冶金中的发展及应用。     

深海微生物高压适应与生物地球化学循环

深海是典型的高压环境,嗜压微生物是深海生态系统中的重要类群.随着深海采样技术的发展及高压微生物特殊培养设备的开发,已从深海环境中分离到一系列嗜压微生物,包括一些常压环境不能生长的严格嗜压菌.对这些嗜压菌的研究,不仅对微生物适应极端高压环境的机制有一定了解,而且发现了一些特殊的代谢产物.研究微生物高压嗜压机理,还有助于探索地球生命的温度压力极限及生命起源和演化等科学问题.从深海嗜压微生物多样性、深海微生物高压环境适应机理及深海微生物在生物地球化学循环中的作用等方面对嗜压微生物的研究进展进行综述.     

极端嗜热微生物及其高温适应机制的研究进展

极端嗜热微生物在高温条件下生长繁殖,其必然具有适应高温环境的特殊细胞结构、基因类型以及生理生化机制。极端嗜热微生物的研究对探索生命的起源以及极端嗜热微生物的开发和应用具有重要意义。对极端嗜热微生物中细胞膜、核酸分子、蛋白质分子、代谢产物和辅酶的高温适应机制的研究进展进行了概述,旨为极端嗜热微生物以及来源于极端嗜热微生物的各种生物分子的开发和应用提供理论依据。     

嗜热微生物及在高温生物冶金过程中的应用

嗜热微生物包括中度嗜热微生物和极端嗜热微生物,主要栖息于热泉、火山口、海底热液喷口、高温反应器以及工厂高温废水排放区等自然或人为产生的高温环境中。它们可以生活在40-80°C、甚至更高的温度中,其中有些具备嗜酸性及特殊的代谢类型,在高温生物冶金过程中具有应用潜力。高温生物冶金较传统中温生物冶金更具优势,其能浸出某些难处理矿、解决浸矿过程的钝化问题,以及提高浸出效率等,目前已引起了生物冶金工业的重视。本文概述了应用于生物冶金的主要嗜热微生物的生理特点、耐热机制以及对铁、铜和砷等离子的耐受机制,进一步介绍了嗜热微生物在高温生物冶金中的发展及应用。     

地微生物学研究热点之一

地球表层或地球内部的一切极端环境中生存微生物是一个潜在的资源宝库。曾报道在温泉、深海热液出口交接处有嗜热细菌的存在,源于这些细菌含有很强的嗜极酶、如耐热酶、蛋白质及其他细胞组分,有些嗜热酶进入实用化,商品化。有的嗜热细菌全部基因组测序工作的完成,对嗜极酶基因组的研究与探索以及对嗜热菌适应极端环境的生存和繁衍与分子机制的研究有重要价值。这是深海火山口嗜热微生物研发的一个热点,也是地微生物学研究的新领域。英国“自然”(2005．元月)报道,地中海深处含盐量极高的4个盐盆地区,有一群活着的微生物,该地区水的含盐量极高,比酱油成2倍,这些微生物照样维持它们的生命活动。     

2020年地质微生物学专刊序言

中国微生物学会地质微生物学专业委员会第八届地质微生物学研讨会于2019年6月13-15日在青岛举行,来自国内外127所高校和科研院所的600余位专家学者齐聚此次会议,围绕地质微生物学领域相关的最新研究进展进行了深入交流和研讨。为展示与会学者的部分最新研究成果,特组织这期地质微生物专刊。
本期《微生物学报》专刊以地质微生物学为主题,选取了第八届地质微生物学学术会议报导的地质微生物学研究新技术、极端环境微生物、微生物与元素生物地球化学循环、微生物-矿物相互作用、地质微生物应用、以及环境微生物生态与进化等领域的19篇文章,与读者共享。在“地质微生物学研究新技术”专栏,提出了单细胞拉曼光谱在研究代谢过程、分选活细胞以及揭示细胞对物质利用等方面的应用前景;在“极端环境微生物”专栏,报导了贵州兴义喀斯特洞穴中的微生物多样性及抗菌活性,综述了嗜盐菌中甘氨酸甜菜碱的合成途径及其生物学功能;在“微生物与元素生物地球化学循环”专栏,报导了海洋异养细菌、好氧甲烷氧化耦合反硝化细菌、与农田土壤中丛枝菌根真菌-根际细菌及其在碳氮磷循环过程中作用,综述了海洋氮循环过程及基于基因组代谢网络模型预测研究进展、以及湖泊微生物参与硝化、反硝化与硫循环过程的研究进展;在“微生物-矿物相互作用”专栏,报导了铁还原菌与砷还原菌与矿物相互作用及其对元素循环的影响;在“地质微生物应用”专栏,报导了典型油气藏上方土壤甲烷氧化菌群落特征及其勘探意义与煤灰分和无机矿物对生物产气的影响;在“环境微生物生态与进化”专栏,报导了我国南海、东海与黄河三角洲沉积物微生物群落结构特征,综述了候选门级辐射类群（CPR）细菌与古菌ESCRT系统研究进展。
希望通过本专刊,进一步扩大地质微生物学在国内的影响、并促进地质微生物学相关学科的发展和融合。     

微生物生态学驱动社会与经济“绿色高效发展”

面对物种数量繁多、生态分布广泛、生态功能强大的微生物资源,微生物生态学的任务一方面在于不断发现和认识这类生命"暗物质"及其存在机制,另一方面要充分挖掘和利用这些微生物资源。微生物生态学的应用从最早的混合发酵发展到极端微生物资源利用、微生物生态制剂开发逐渐拓展到合成微生物生态等多个领域。2019年10月在湖南省长沙市举行的"中国生态学学会微生物生态专业委员会学术年会"设立了3个与微生物生态学应用相关的分会场,本期《微生物学通报》也开辟了"人工生态系统微生物"栏目,凸显了我国微生物生态学在资源、能源和环境等应用领域的成果,让我们看到了其成为社会与经济"绿色高效发展"重要驱动力的希望。     

嗜极微生物的多样性

嗜极微生物(extremophilicmicrobes)指的是极端条件下生存及繁衍的微生物,也称极端环境微生物。这个微生物世界的成员,有的能培养,从中获得培养物;有的则否,但它是客观存在的,通过间接的方法推断其存在。这些年来,人们较为熟悉的嗜极微生物有嗜碱微生物、嗜酸微生物、嗜高温微生物、嗜冷微生物、嗜盐微生物、嗜高压微生物;还有把抗辐射微生物、耐干旱微生物列为嗜极微生物。这充分表明,嗜极微生物生存于地球、宇宙间的多样性。就那些嗜盐微生物而言,也有它的多样性,丰富多彩。在美国,研究人员发现结晶盐中存在着微生物世界,也就是说,在大块…     

高通量测序分析云南腾冲热海热泉微生物多样性

【背景】云南腾冲热海热泉中蕴含着丰富的极端微生物资源。【目的】揭示云南腾冲热海热泉中微生物物种多样性及群落结构差异,发掘酸性热泉中铁、硫氧化功能微生物。【方法】采用Illumina HiSeq高通量测序技术对3处热泉15个水体样品中微生物16SrRNA基因V4-V5区进行测序及生物信息学分析。【结果】3处热泉中共获得578061条有效序列,聚类为141个可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU),包括19个门66个属。鼓鸣泉(GMQ)、蛤蟆嘴(HMZ)、黄瓜箐(HGQ)3处热泉均以泉古菌门(Crenarchaeota)和厚壁菌门(Firmicute)为主。从属水平分析,碱性热泉鼓鸣泉(GMQ)和中性热泉蛤蟆嘴(HMZ)分别注释到37、32个属,优势属均为芽孢杆菌属(Bacillus)和热棒菌属(Pyrobaculum)。酸性热泉黄瓜箐(HGQ)共注释到20个属,优势属为酸杆菌属(Acidibacillus)和酸硫杆状菌属(Acidithiobacillus),此外,具有铁、硫氧化潜力的菌属有喜酸菌属(Acidicaldus)、硫化芽孢杆菌属(Sulfobacillus)、硫化叶菌属(Sulfolobus)及生金球菌属(Metallosphaera)等,进一步通过硫氧化培养基分离获得了这些菌属中的纯菌株。【结论】云南腾冲热海热泉水体中蕴含丰富的微生物资源,热泉间微生物物种组成差异明显;酸性热泉中存在多种具有潜在铁、硫代谢功能的菌种;未分类类群、非培养类群丰度很高,尤其是蕴藏着可观的古菌资源。     

冰川生态系统固碳微生物研究进展

[目的] 海南海口含有丰富的温泉资源,对温泉微生物多样性进行研究,有助于进一步开发和利用海南温泉微生物资源。[方法] 本文采用Illumina HiSeq高通量测序技术对海口3个温泉[海甸岛荣域温泉（S1）、火山口开心农场温泉（S2）和西海岸海长流温泉（S3）] 水样中微生物ITS序列和16S rRNA基因V3-V4区进行测序及生物信息学分析,探究海口市3个不同区域的温泉真菌多样性与细菌多样性。[结果] （1）α多样性分析表明,真菌群落中,S3 > S1 > S2,而在细菌群落中,S2 > S1 > S3。β多样性分析表明,3个温泉真菌群落和细菌群落组成差异皆显著。（2）分类分析表明,温泉真菌群落优势菌门为子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）,细菌群落优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、Thermi、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、绿菌门（Chlorobi）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）。（3）CCA（Canonical correspondence analysis）分析表明,3个温泉的真菌群落主要影响因子是温度,细菌群落主要影响因子是总磷。[结论] 海南省海口市温泉中含有丰富的微生物资源,其微生物群落组成受多种环境因子影响,且影响真菌和细菌的主要环境因子不同。     

基于16S rRNA基因测序分析微生物群落多样性

微生物群落多样性的研究对于挖掘微生物资源,探索微生物群落功能,阐明微生物群落与生境间的关系具有重要意义。随着宏基因组概念的提出以及测序技术的快速发展,16S rRNA基因测序在微生物群落多样性的研究中已被广泛应用。文中系统地介绍了16S rRNA基因测序分析流程中的四个重要环节,包括测序平台与扩增区的选择、测序数据预处理以及多样性分析方法,就其面临的问题与挑战进行了探讨并对未来的研究方向进行了展望,以期为微生物群落多样性相关研究提供参考。     

分子微生物生态学及其研究进展

分子微生物生态学是分子生物学实验技术应用于微生物生态学研究领域而发展形成的一门交叉学科,在研究微生物生态系统组成结构、功能的分子机理以及微生物与生物和非生物环境之间相互关系等方面显示了巨大的潜力．十几年来分子微生物生态学研究所取得的成就证明：分子生物学研究技术向微生物生态学领域的不断渗透,为微生物生态学研究领域注入了新的活力,尤其在微生物多样性、微生物区系分子组成及变化规律以及微生物系统进化研究方面取得了重大突破．本文根据近年分子微生物生态学的研究进展,就分子微生物生态学概念的提出、发展历程、主要研究领域、主要研究方法以及未来研究热点领域作以简要综述。     

Bacterial and archaeal diversities in Yunnan and Tibetan hot springs,China

Thousands of hot springs are located in the north‐eastern part of the Yunnan–Tibet geothermal zone, which is one of the most active geothermal areas in the world. However, a comprehensive and detailed understanding of microbial diversity in these hot springs is still lacking. In this study, bacterial and archaeal diversities were investigated in 16 hot springs (pH 3.2–8.6; temperature 47–96°C) in Yunnan Province and Tibet, China by using a barcoded 16S rRNA gene‐pyrosequencing approach. Aquificae, Proteobacteria, Firmicutes, Deinococcus‐Thermus and Bacteroidetes comprised the large portion of the bacterial communities in acidic hot springs. Non‐acidic hot springs harboured more and variable bacterial phyla than acidic springs. Desulfurococcales and unclassified Crenarchaeota were the dominated groups in archaeal populations from most of the non‐acidic hot springs; whereas, the archaeal community structure in acidic hot springs was simpler and characterized by Sulfolobales and Thermoplasmata. The phylogenetic analyses showed that Aquificae and Crenarchaeota were predominant in the investigated springs and possessed many phylogenetic lineages that have never been detected in other hot springs in the world. Thus findings from this study significantly improve our understanding of microbial diversity in terrestrial hot springs.     

Life in Hot Spring Microbial Mats Located in the Trans-Mexican Volcanic Belt: A 16S/18S rRNA Gene and Metagenomic Analysis

The geothermal system of the Araró region, located in the Trans-Mexican Volcanic Belt of México, hosts various hot springs with unique physicochemical characteristics, including temperatures ranging from 45°C to 78°C. The microbial diversity in these hot springs has been explored only by culture-dependent surveys. In this study, we performed metagenomic Illumina MiSeq, and 16S and 18S rRNA pyrosequencing analysis of the microbial life are residing in the microbial mats of the springs called “Tina–Bonita”. Our results show the presence of 186 operational taxonomic units, 99.7% of which belong to bacteria, 0.27% to eukaryotes, and 0.03% to archaea. The most abundant bacterial divisions are the Proteobacteria, Chloroflexi, and Cyanobacteria, which include 105 genera. The ecological indexes indicate that the microbial mats have moderate microbial diversity. An abundant group of genes that participate in photosynthesis, including photosynthetic electron transport, as well as photosystems I and II, were detected. Another cluster of genes was found that participates in sulfur, nitrogen, and methane metabolism. Finally, this phylogenetic and metagenomic analysis revealed an unexpected taxonomic and genetic diversity, expanding our knowledge of microbial life under specific extreme conditions.     

中国温泉微生物物种多样性及其酶活性研究进展

微生物作为生物群体的重要组成成员,其生长受外界物化条件(如温度、盐度、pH等)影响较大。温泉作为极端水生环境之一,属于相对稳定且较为特殊的生态系统,使生长于其中的微生物可能具有适应高温等特殊生境的独特生存生理机制,具体表现为微生物物种及其活性次级代谢产物呈现出一定的多样性与新颖性。本文从菌株物种多样性分析及其酶活性研究方面,综述了近5年来国内温泉微生物相关研究进展,以期为温泉等极端环境微生物资源开发与保护提供参考。     

Linkage of high rates of sulfate reduction in Yellowstone hot springs to unique sequence types in the dissimilatory sulfate respiration pathway

Diversity, habitat range, and activities of sulfate-reducing prokaryotes within hot springs in Yellowstone National Park were characterized using endogenous activity measurements, molecular characterization, and enrichment. Five major phylogenetic groups were identified using PCR amplification of the dissimilatory sulfite reductase genes (dsrAB) from springs demonstrating significant sulfate reduction rates, including a warm, acidic (pH 2.5) stream and several nearly neutral hot springs with temperatures reaching 89 degrees C. Three of these sequence groups were unrelated to named lineages, suggesting that the diversity and habitat range of sulfate-reducing prokaryotes exceeds that now represented in culture.     

Investigation of the Microbial Ecology of Intertidal Hot Springs by Using Diversity Analysis of 16S rRNA and Chitinase Genes

The microbial diversity of intertidal hot springs on the seashore of northwest Iceland was examined by combining directed in situ enrichments, artificial support colonization, and mat sampling. Analysis of 16S rRNA genes revealed the presence of clones related to both marine and terrestrial, thermophilic, mesophilic, and psychrophilic microorganisms scattered among 11 bacterial divisions. No archaea were found. The species composition of the enrichments was affected by the length of the hot periods experienced at low tide and was very different from those found in the biomass. A total of 36 chitinase genes were detected by molecular screening of the samples with degenerate primers for glycoside hydrolase family 18. The chitinase gene diversity was at least twofold higher in the enrichment samples than in the controls, indicating that a much higher diversity of hydrolytic genes can be accessed with this approach.     

Isolation and characterization of a moderately thermophilic nitrite-oxidizing bacterium from a geothermal spring

Geothermal environments are a suitable habitat for nitrifying microorganisms. Conventional and molecular techniques indicated that chemolithoautotrophic nitrite-oxidizing bacteria affiliated with the genus Nitrospira are widespread in environments with elevated temperatures up to 55 °C in Asia, Europe, and Australia. However, until now, no thermophilic pure cultures of Nitrospira were available, and the physiology of these bacteria was mostly uncharacterized. Here, we report on the isolation and characterization of a novel thermophilic Nitrospira strain from a microbial mat of the terrestrial geothermal spring Gorjachinsk (pH 8.6; temperature 48 °C) from the Baikal rift zone (Russia). Based on phenotypic properties, chemotaxonomic data, and 16S rRNA gene phylogeny, the isolate was assigned to the genus Nitrospira as a representative of a novel species, for which the name Nitrospira calida is proposed. A highly similar 16S rRNA gene sequence (99.6% similarity) was detected in a Garga spring enrichment grown at 46 °C, whereas three further thermophilic Nitrospira enrichments from the Garga spring and from a Kamchatka Peninsula (Russia) terrestrial hot spring could be clearly distinguished from N. calida (93.6-96.1% 16S rRNA gene sequence similarity). The findings confirmed that Nitrospira drive nitrite oxidation in moderate thermophilic habitats and also indicated an unexpected diversity of heat-adapted Nitrospira in geothermal hot springs.