环境微生物可培养性影响因素及培养方法研究进展

目前,已知并能利用的微生物只是自然界微生物很小的缩影,过低的可培养效率使人类在认识和利用微生物上处于瓶颈阶段。现综述了微生物活的非可培养状态及其检测方法,阐述了微生物可培养性的影响因素,探讨了提高微生物可培养效率的培养策略和方法进展,以期为提高微生物的可培养性和菌种资源开发提供依据。     

单细胞尺度下的微生物学研究:意义与方法

最近研究表明,即便是处于同一种群中的微生物细胞,在基因转录和翻译、蛋白活性、以及代谢物丰度等多个水平都可能存在显著差异,说明微生物细胞间存在着多个层次上的异质性;同时,传统微生物学研究方法需要将所研究的微生物对象在实验室实现再次培养,然后对纯培养的微生物种群进行研究,这样往往造成实验室的研究结果无法真实地反映微生物细胞在自然界中的原始状态,急需发展新的原位研究手段;此外,自然界中的微生物目前只有极少部分可以在实验室中进行培养,仍有大量微生物无法通过传统方法进行发掘和研究。单细胞尺度微生物学为解决这些微生物学研究中的重要挑战提供了一种新的策略和技术思路,有望帮助我们更为直观、深入地了解每个细胞内部的状态,以及其在自然界的生理生态功能。本文对单细胞尺度微生物学研究的意义以及当前单细胞尺度微生物学的研究方法,特别是新兴的微生物单细胞组学方法进行了介绍。     

微生物培养技术研究进展

微生物在自然界中分布广、种类多、资源丰富,绝大多数在现有条件下还不能被培养。了解微生物新的培养技术,提高微生物可培养性具有重要意义。文章就微生物不易培养的主要原因及改进微生物培养条件、设计开发新型微生物培养技术等方面进行了综述,旨在为微生物资源的开发利用提供借鉴。     

未培养微生物研究:方法、机遇与挑战

自然界中绝大部分的微生物仍是未培养的,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微生物多样性及其代谢特征,加深对环境中微生物参与的生态学过程的理解,还有利于重构生命之树,揭示微生物的进化历程,具有重要的科学意义。同时未培养微生物是发现新基因资源和新活性物质的巨大宝库。随着现代分子生物学研究方法和培养技术的成熟和完善,从环境中直接破译未培养微生物的遗传信息,并实现培养逐渐成为可能。本文主要介绍了基于宏基因组技术和单细胞基因组技术或两者结合运用,研究环境中未培养微生物的主要方法和挑战,总结分析了目前已经解析的未培养微生物的主要类群,并对未来研究的机遇进行了展望。     

自然界中处于VBNC状态微生物的研究进展*

自然界中大约有 90 %以上的微生物尚未被分离鉴定。 80年代初提出VBNC状态微生物的存在 ,所谓的VBNC是指微生物在自然界中生存的一种状态 ,本文综述了在实验室条件下VBNC状态的形成条件、培养性的恢复及处于VBNC状态微生物的检测方法等方面的研究进展 ,并介绍了第一个微生物生长因子Rpf。     

未/难培养微生物可培养策略研究：机遇与挑战

微生物分布广泛、种类众多、功能多样,虽体积微小但功能强大,关乎人类的安全健康和生态的稳定发展,在整个地球生命系统中起着举足轻重的作用。17世纪以来,研究者们一直努力获得、了解和利用这些微生物,然而目前分离方法的局限性使得环境中绝大部分微生物仍不能被纯培养,严重阻碍了我们对微生物生命活动规律的认知。因此,如何分离获得这些仍未被培养出来的“暗物质”是微生物研究面临的严峻挑战和重大机遇。本文分析了环境中制约微生物分离培养的因素,综述未/难培养微生物可培养研究的最新进展,着重论述优化的传统培养方法及网络导向培养、膜扩散培养、微流控分选培养和细胞分选培养等新型技术的应用,并对未来研究进行展望,探索多技术联合使用策略,为未/难微生物资源的挖掘及开发利用提供借鉴。     

自然界中不可培养微生物的研究进展

尽管微生物培养技术已经发展了几十年,但是环境中可培养的微生物比例仍然较低。目前研究者对微生物不可培养的原因有了进一步的了解,其关键在于：高浓度的营养基质、无法实现原位培养、不明确环境中微生物之间的相互作用、缺乏尖端的微生物检测方法等。研究者为了克服这些培养障碍,不断研究出许多提高微生物培养效率的方法,简要介绍改进培养基、发展新的培养条件等提高微生物可培养性的方法。     

自然界中处于VBNC状态微生物的研究进展

自然界中大约有90％以上的微生物尚未被分离鉴定。80年代初提出VBNC状态微生物的存在,所谓的VBNC是指微生物在自然界中生存的一种状态,本综述了在实验室条件下VBNC状态的形成条件、培养性的恢复及处于VBNC状态微生物的检测方法等方面的研究进展,并介绍了第一个微生物生长因子Rpf.     

昆虫肠道微生物分离培养策略及研究进展

昆虫肠道作为一种特殊生境,生存着多种多样的共生微生物,并且肠道内的很多微生物与自然界其他生境的微生物种类显著不同。基于对纯培养微生物的研究,科学家们发现,肠道微生物与昆虫营养、生长发育及免疫等功能密切相关。因此,分离培养是发现微生物新种类、新基因和新功能的基础。然而,自然界可培养的微生物大约只占总数的1%。为了能够对更多的微生物进行分离和培养,近二十年来,微生物学家们发展了诸多新的培养技术和策略并利用它们从昆虫肠道分离出了很多新的难培养微生物。这些新的微生物种类极大地丰富了我们对肠道共生微生物生理作用与功能的认识。以此为基础,本文综述了昆虫肠道微生物分离培养的策略及研究进展,并对未来该领域的发展进行了展望。     

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。     

近自然纯培养法对细菌培养的初步研究

依据微生物在自然生境中协作生长的基本特性,提出一种对传统纯培养技术的改进思路及方法：设计一种有孔培养皿,皿内覆盖有不允许细菌通过、但营养物质可以自由流动的微孔滤膜。培养时将该培养皿放入被分离微生物所需生境中,可以克服传统纯培养难以提供外源活性物质的缺陷,一定程度上弥补了混合培养法和传统纯培养法的弱点,从而达到增强部分微生物可培养性、甚至培养出未培养微生物的目的。     

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。     

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。     

Commensal bacteria make a difference

Nowhere is the relationship between microorganisms and eukaryotes as diverse, intimate and clinically relevant as in the gastrointestinal tract. An estimated 500-1000 mostly anaerobic species reside in the intestine, approaching enormous densities of 10(11)-10(12) organisms per gram colon content. The commensal interactions between intestinal microorganisms and animal hosts have been difficult to study in the past because of the diversity of microorganisms involved and because of the lack of culturability that accompanies many microbial consortia. However, recent work has provided new insights into these interactions.     

土壤微生物群落多样性解析法:从培养到非培养

土壤微生物群落多样性是土壤微生物生态学和环境科学的重点研究内容之一.传统的土壤微生物群落多样性解析技术是指纯培养分离法(平板分离和形态分析法以及群落水平生理学指纹法).后来,研究者们建立了多样性评价较为客观的生物标记法(磷脂脂肪酸法和呼吸醌指纹法).随着土壤基因组提取技术和基因片段扩增(PCR)技术的发展,大量的现代分子生物学技术不断地涌现并极大地推动了土壤微生物群落多样性的研究进程.这些技术主要包括:G+C％含量、DNA复性动力学、核酸杂交法(FISH和DNA芯片技术)、土壤宏基因组学以及DNA指纹图谱技术等.综述了这些技术的基本原理、比较了各种技术的优缺点并且介绍了他们在土壤微生物群落多样性研究中的应用,展望了这些技术的发展方向.     

Cloning the soil metagenome: a strategy for accessing the genetic and functional diversity of uncultured microorganisms

Recent progress in molecular microbial ecology has revealed that traditional culturing methods fail to represent the scope of microbial diversity in nature, since only a small proportion of viable microorganisms in a sample are recovered by culturing techniques. To develop methods to investigate the full extent of microbial diversity, we used a bacterial artificial chromosome (BAC) vector to construct libraries of genomic DNA isolated directly from soil (termed metagenomic libraries). To date, we have constructed two such libraries, which contain more than 1 Gbp of DNA. Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequences recovered from one of the libraries indicates that the BAC libraries contain DNA from a wide diversity of microbial phyla, including sequences from diverse taxa such as the low-G+C, gram-positive Acidobacterium, Cytophagales, and Proteobacteria. Initial screening of the libraries in Escherichia coli identified several clones that express heterologous genes from the inserts, confirming that the BAC vector can be used to maintain, express, and analyze environmental DNA. The phenotypes expressed by these clones include antibacterial, lipase, amylase, nuclease, and hemolytic activities. Metagenomic libraries are a powerful tool for exploring soil microbial diversity, providing access to the genetic information of uncultured soil microorganisms. Such libraries will be the basis of new initiatives to conduct genomic studies that link phylogenetic and functional information about the microbiota of environments dominated by microorganisms that are refractory to cultivation.     

The appropriateness of swab cultures for the release of human allograft tissue

Surgeries utilizing human allograft tissues have increased dramatically in recent years. With this increase has come a greater reliance on the use of swab culturing to assess allograft tissues for microbial contamination prior to distribution. In contrast to the typical industrial microbiological uses for swabs, the tissue banking industry has relied on swab cultures as a sterility release method for allograft tissues. It has been reported in the literature that swabs have limitations, both in sensitivity and reproducibility, so their suitability as a final sterility release method was evaluated in this study. Two different swab-culturing systems were evaluated (COPAN, EZ Culturette) using human allograft tissues spiked with low levels of multiple bacterial and fungal microorganisms. The average microbial recoveries for all challenge microorganisms for each tissue type and each swab system were calculated. Percent recoveries for each challenge microorganism were also calculated and reported. The results indicated that both swab systems exhibited low and highly variable recoveries from the seeded allograft tissues. Further analysis indicated there was no statistical difference (∝=0.05) between the two swab systems. It is the recommendation of the authors that swab culturing not be used to assess relatively low levels of microbial contamination on allografts. Instead, alternative validated microbial detection methods with improved sensitivity and reproducibility should be employed and validated for this critical task.     

Microbial interactions involving sulfur bacteria: implications for the ecology and evolution of bacterial communities

A major goal of microbial ecology is the identification and characterization of those microorganisms which govern transformations in natural ecosystems. This review summarizes our present knowledge of microbial interactions in the natural sulfur cycle. Central to the discussion is the recent progress made in understanding the co-occurrence in natural ecosystems of sulfur bacteria with contrasting nutritional requirements and of the spatially very close associations of bacteria, the so-called phototrophic consortia (e.g. 'Chlorochromatium aggregatum' or 'Pelochromatium roseum'). In a similar way, microbial interactions may also be significant during microbial transformations other than the sulfur cycle in natural ecosystems, and could also explain the low culturability of bacteria from natural samples.     

Cloning the Soil Metagenome: a Strategy for Accessing the Genetic and Functional Diversity of Uncultured Microorganisms

Recent progress in molecular microbial ecology has revealed that traditional culturing methods fail to represent the scope of microbial diversity in nature, since only a small proportion of viable microorganisms in a sample are recovered by culturing techniques. To develop methods to investigate the full extent of microbial diversity, we used a bacterial artificial chromosome (BAC) vector to construct libraries of genomic DNA isolated directly from soil (termed metagenomic libraries). To date, we have constructed two such libraries, which contain more than 1 Gbp of DNA. Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequences recovered from one of the libraries indicates that the BAC libraries contain DNA from a wide diversity of microbial phyla, including sequences from diverse taxa such as the low-G+C, gram-positive Acidobacterium, Cytophagales, and Proteobacteria. Initial screening of the libraries in Escherichia coli identified several clones that express heterologous genes from the inserts, confirming that the BAC vector can be used to maintain, express, and analyze environmental DNA. The phenotypes expressed by these clones include antibacterial, lipase, amylase, nuclease, and hemolytic activities. Metagenomic libraries are a powerful tool for exploring soil microbial diversity, providing access to the genetic information of uncultured soil microorganisms. Such libraries will be the basis of new initiatives to conduct genomic studies that link phylogenetic and functional information about the microbiota of environments dominated by microorganisms that are refractory to cultivation.