极端微生物及其应用研究进展

极端微生物是指在高/低温、高/低p H、高盐、高压等极端环境条件下生存的微生物.特殊的生存条件导致其具有特殊的遗传背景和代谢途径,并可产生功能特殊的酶类和活性物质.随着系统生物学和合成生物学技术的发展,极端微生物作为一类特殊的微生物群体,在生物医疗、生物能源和生物材料等领域具有巨大的应用潜力.极端微生物相关研究也对生命起源与演化、生物工程技术等领域的发展具有重大意义.本文对极端环境及极端微生物的概念和分类进行了回顾,综述了极端微生物在不同环境条件下的适应机制及其酶的应用,并介绍了合成生物学在极端微生物研究中的应用情况.此外,由于极端微生物和极端酶的特殊性和高效性,本文还探讨了极端微生物开发过程中的挑战,以及其在航空航天与国防安全领域的综合应用潜力,并指出了相关研究的必要性.     

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.     

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。     

极端嗜酸硫杆菌高密度培养的研究进展

极端嗜酸硫杆菌属微生物在生物冶金、生物脱硫以及固体废弃物的处置中扮演重要作用,但该类微生物在培养过程中细胞浓度很低,限制了该类微生物的广泛应用。高密度培养是提高微生物生产效率的有效手段。高密度培养技术在嗜酸微生物中的应用能够显著减少微生物培养的生成成本,缩短生产周期,极端嗜酸硫杆菌微生物菌剂的输出速率。本文从菌种选育、培养条件、培养方式综述了极端嗜酸硫杆菌高密度培养的研究现状。     

宏基因组学在发现新基因方面的应用

现代分子微生物生态学研究表明,自然环境中约99%的微生物不能用传统的分离培养方法获得其纯培养,使得环境微生物中的多样性基因资源难以得到充分的开发和应用.宏基因组学是近年来发展起来的,通过直接提取特定环境中全部微生物的总基因组DNA并克隆到合适的可培养微生物宿主中,来筛选目的基因的方法.它已在微生物新功能基因筛选、活性物质开发和微生物多样性研究等方面取得了显著成果.该文旨在介绍宏基因组学在新功能基因发现方面的应用概况并结合我们的研究情况,对这一崭新领域中的最近研究进展进行简要综述.     

元基因组学方法在环境微生物中的研究进展

新一代测序技术的快速发展,使得元基因组学研究方法成为了理解环境微生物群落结构和相互作用的重要手段之一。元基因组学方法不需要将环境样本中的微生物单独分离培养,而是作为整体进行研究,因而可以回避传统研究时分离培养微生物的困难。基于这一优势,人体、海洋和土壤等环境有关的各项环境微生物测序计划相继启动,并取得了一系列重要的研究进展。探讨了元基因组测序数据分析中所经常采用的方法,以及有关流程的优势和局限性,并进一步讨论了这些方法在各种环境微生物研究中的应用和成果。     

环境微生物基因组技术研究

绝大多数微生物难以有效地进行人工培养,而且实验室工程菌几乎没有野生型功能,因此限制了基于自然微生物多样性的生物技术的应用.为了把对生物群落的结构、功能和细菌在自然环境中进化的认识应用到微生物工艺学中、微生物学家们正致力于把基因组学和相关的高通量技术应用到微生物培养体系和环境样品中,而这必将增添对生态系统及其生物学功能的新见解并带动生物技术的发展.从微生物鉴别及其基因功能的分析、确证和评价等方面综述了基因组技术在环境样品中的应用,提出了现今面临的问题,同时也对环境基因组技术做了展望.     

宏基因组学挖掘新型生物催化剂的研究进展

微生物蕴藏着大量具有工业应用潜力的生物催化剂。然而,传统培养方法只能从环境中获得不到1%的微生物。宏基因组学是通过提取某一特定环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库并对文库进行筛选,寻找和发现新的功能基因的一种方法。它绕过了微生物分离培养过程,成为研究环境样品中不可培养微生物的有力手段。因此,从宏基因组中挖掘新型生物催化剂一直倍受生物学家的关注。以下主要对宏基因组文库的样品来源、DNA提取方法、文库的构建和筛选策略的选择这4个方面的研究状况进行了综述,列举了近年来利用宏基因组技术所获得的新型生物催化剂,并对其今后的研究方向提出了展望。     

海洋微生物纤维素酶及半纤维素酶基因克隆与表达研究进展

海洋极端酶因在极端环境中具有更高的酶活性及更好的稳定性而具有重要的理论价值和工业应用前景。由于海洋极端微生物培养条件苛刻,难以作为工业生产菌使用。采用基因工程技术,用常用的宿主表达极端酶基因,是开发海洋微生物酶的主要研究内容。随着海洋微生物极端酶的研究开发,对海洋微生物纤维素酶、半纤维素酶的研究也逐渐受到学者们的关注,相关研究取得了较大进展。综述海洋微生物纤维素酶、半纤维素酶的基因克隆与表达的国内外研究现状。     

宏基因组学及其在口腔微生物研究中的应用

宏基因组是指环境中所有微生物的遗传物质总和。宏基因组学技术可以最大限度地利用环境中的微生物资源,受到了国内外微生物研究者的重点关注。口腔中寄居着大量的微生物群落,以往对口腔疾病微生物的研究大多局限于单纯的细菌培养技术,然而,由于培养技术的局限性,部分微生物很难或根本不能培养,宏基因组学技术打破了这一局限性,帮助人类发掘更丰富的口腔微生物资源。最近,以宏基因组学测序为基础的研究描绘出了口腔生态系统的图谱,越来越多的实验证明口腔微生物组在各种口腔疾病甚至全身系统性疾病中的重要作用。同时,这也为基于人类微生物组的诊断和治疗开辟了新的途径。本综述旨在说明宏基因组学是研究人类口腔疾病及全身疾病相关微生物的得力工具,而且具有广阔的发展前景,同时也讨论了宏基因组学在应用中有待克服的局限性。     

宏基因组学在未培养微生物研究中的应用

自然环境中约99%的微生物不能用传统的分离培养方法获得其纯培养。随着宏基因组技术的出现,人们可以对这一庞大的未知世界进行多方面的研究,包括微生物的生理、生态及其基因功能等。利用这一技术,研究者已经对地球上的许多生境进行了研究,并取得了很多新的成就。简要概述这一技术在研究未培养微生物方面的应用。     

Applications of sequencing technology in clinical microbial infection

Infectious diseases are a type of disease caused by pathogenic microorganisms. Although the discovery of antibiotics changed the treatment of infectious diseases and reduced the mortality of bacterial infections, resistant bacterial strains have emerged. Anti‐infective therapy based on aetiological evidence is the gold standard for clinical treatment, but the time lag and low positive culture rate of traditional methods of pathogen diagnosis leads to relative difficulty in obtaining the evidence of pathogens. Compared with traditional methods of pathogenic diagnosis, next‐generation and third‐generation sequencing technologies have many advantages in the detection of pathogenic microorganisms. In this review, we mainly introduce recent progress in research on pathogenic diagnostic technology and the applications of sequencing technology in the diagnosis of pathogenic microorganisms. This review provides new insights into the application of sequencing technology in the clinical diagnosis of microorganisms.     

南极乔治王岛冰锥洞微生物培养探索

【目的】南极洲具备独特的环境和相对的生物地理隔离,南极洲各类生境中蕴藏了大量尚未培养和难培养的微生物,也是新颖微生物物种的重要来源之一。本研究以南极冰锥洞这类特殊生境为研究对象,通过培养条件的多样化提升南极微生物的培养率和多样性,揭示南极冰锥洞可培养微生物类群多样性,为该环境可培养微生物功能研究奠定基础,也为南极极端环境未培养微生物的培养方法提供借鉴。【方法】通过采用不同培养基添加复苏促进因子(resuscitation promoting factor, Rpf)的方式,提高南极柯林斯冰盖冰锥洞生境中微生物的可培养率,探究该生境中微生物的多样性。采用4种不同营养水平的培养基,平行添加Rpf进行菌株培养,经分离纯化与16S rRNA基因鉴定,分析冰锥洞可培养微生物的多样性及培养条件对多样性的影响。【结果】本研究共分离培养细菌407株,涵盖5个门、18个科、29个属,其中：放线菌门(Actinomycetota)为优势门,占72.73%;微杆菌科(Microbacteriaceae)为优势科,占69.78%;Lacisediminihabitans属为优势属,占45.70%。从培养基效果...     

A perspective on the biotechnological potential of extremophiles.

It is well recognized that many environments considered by man to be extreme are colonized by microorganisms which are specifically adapted to these ecological niches. A diverse range of bacteria, cyanobacteria, algae and yeasts have been isolated from such habitats and it is now widely accepted that these microorganisms provide a valuable resource not only for exploitation in novel biotechnological processes but also as models for investigating how biomolecules are stabilized when subjected to extreme conditions. This short review summarizes our current state of knowledge of this unique group of microorganisms and their enzymes, and attempts to identify their future biotechnological potential.     

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。     

获取有机物厌氧降解产甲烷过程中关键功能类群——互营细菌培养物

互营代谢是微生物之间的重要种间互作关系之一,参与互营代谢的微生物广泛存在于土壤、淡水和海水沉积物、厌氧消化反应器、动物肠道和极端环境中(如地下油藏),在有机物厌氧降解转化为二氧化碳和甲烷的过程中发挥着关键性的作用。研究互营细菌的物质代谢和能量传递的分子机制,对认识缺氧环境中的元素生物地球化学循环具有重要意义,也为解决全球能源危机、缓解气候变暖提供理论指导。但是,互营细菌生长缓慢、对氧气敏感,其分离培养的难度大。本文主要回顾了互营细菌的分离策略及其生理生化特征,展望了互营细菌分离培养的发展趋势,并指出以高通量筛选与定向分离相结合的方法,获得具有特定生理生态学功能的互营细菌,是互营微生物资源和分类学研究的发展方向。     

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。     

肠道微生物培养的研究进展及应用

肠道中栖居着组成复杂、功能多样的微生物群,这些微生物群在宿主免疫、营养吸收、代谢调节等方面发挥着重要作用。随着测序技术的快速发展,肠道微生物研究通过16S rRNA基因测序和宏基因组测序产生了大量的数据,其中许多未组装的序列成为微生物“暗物质”。近年来,不少研究利用多种不同微生物分离培养方法,结合高通量鉴定技术,从人、小鼠、猪肠道中分离了大量的微生物,丰富了菌株资源,为解析微生物“暗物质”以及后续肠道微生物功能和应用研究提供了基础和保障。尽管微生物的可培养性受到多种因素的影响,大部分微生物尚处于“未培养”的状态,但无论是病因研究还是生理和遗传特征的解析都离不开微生物实体资源的获取。肠道微生物的分离培养对微生物研究从关联分析向菌群功能验证、因果机制解析和功能菌株开发的深入研究具有重要意义。本文旨在探讨和综述影响微生物可培养性的因素,总结回顾肠道微生物的培养方法并阐述肠道微生物培养研究的进展,以期为肠道微生物培养研究提供新的视角。     

Using Phenotype MicroArrays to Determine Culture Conditions That Induce or Repress Toxin Production by Clostridium difficile and Other Microorganisms

Toxin production is a central issue in the pathogenesis of Clostridium difficile and many other pathogenic microorganisms. Toxin synthesis is influenced by a variety of known and unknown factors of genetics, physiology, and environment. To facilitate the study of toxin production by C. difficile, we have developed a new, reliable, quantitative, and robust cell-based cytotoxicity assay. Then we combined this new assay with Phenotype MicroArrays (PM) technology which provides high throughput testing of culture conditions. This allowed us to quantitatively measure toxin production by C. difficile type strain ATCC 9689 under 768 culture conditions. The culture conditions include different carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur sources. Among these, 89 conditions produced strong toxin induction and 31 produced strong toxin repression. Strong toxin inducers included adenine, guanosine, arginine dipeptides, γ-D-Glu-Gly, methylamine, and others. Some leucine dipeptides and the triple-leucine tripeptide were among the strongest toxin repressors. While some results are consistent with previous observations, others are new observations that provide insights into toxin regulation and pathogenesis of C. difficile. Additionally, we have demonstrated that this combined assay technology can be applied broadly to a wide range of toxin producing microorganisms. This study is the first demonstration of simultaneous assessment of a large number of culture conditions influencing bacterial toxin production. The new functional cytotoxin quantitation method developed provides a valuable tool for studying toxigenic microorganisms and may also find applications in clinical and epidemiological research.     

Recent advances in biodegradation in China: New microorganisms and pathways,biodegradation engineering,and bioenergy from pollutant biodegradation

We are facing serious environmental challenges, and environmental biotechnology is an enabling technology to reduce or eliminate pollution. In recent years, environmental pollution in China has been receiving great attention, and this paper provides an up-to-date review on progress in biodegradation research in China. This progress includes the isolation of extremophilic microorganisms for pollutant degradation in extreme conditions and the study of genes and enzymes related to biodegradation pathways. Biodegradation engineering has potential as an interesting and powerful platform, where genetic engineering, process engineering, and signal transduction engineering are applied together. In addition, pollutant treatment combined with the production of renewable sources of bioenergy by microorganisms is attractive.