摘要:

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摘要: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。

摘要:由于研究环境变化和微生物群落的需要, 近年来高通量组学技术得到了迅猛开发和应用。其中, 基于测序和芯片技术的宏基因组学是一个关键的、最成熟的组学技术, 为大多数的其它组学技术提供了支撑。相比较而言, 宏转录组学、宏蛋白质组学和宏代谢组学也取得了少数的有限成功, 但已经显示出可喜的潜力。所有的组学技术都有赖于生物信息学, 使得后者成为组学技术应用的一个主要的技术瓶颈。这些新的组学技术对环境微生物学领域产生了革命性的影响, 极大地丰富了我们对于环境微生物基因资源和功能活性的了解。

摘要:人类对生态环境中微生物的认识从依赖于纯培养微生物的研究阶段已进入到结合各种组学方法的微生物群落代谢机制的研究阶段。在微生物群落组成的研究中, 基于“通用”引物的PCR扩增方法会“遗漏”很多种类微生物, 因此需要探索一些方法, 以找回这些被“遗漏”的微生物。目前生态环境中能培养的微生物种类较为有限, 但是通过培养方法的改进, 分离培养新的微生物或富集培养特殊功能的微生物依然是扩展微生物种类认知范围的重要途径。而且, 通过元基因组数据库分析, 可以了解常用的“通用”引物所不能覆盖的微生物范围, 并能阐明不同生态环境中各种微生物类型的分布情况。由于元转录组中最多的是核糖体RNA, 所以可通过改进的元转录组方法同时分析有活性的细菌、古生菌和真核微生物群落结构。追寻被“遗漏”的微生物不仅能扩展我们对微生物的认知范围, 同时也是研究并正确理解全球物质循环过程的一个重要领域。

摘要:人类活动导致海岸带氮超载而富营养化, 进而引起更多的生态环境问题。在全球变化背景下, 进一步揭示微生物驱动的氮循环过程的驱动机制及贡献, 对评价与预测近海生态系统服务功能变化、管理决策等至关重要。本文介绍了固氮、氨化、硝化、反硝化、硝酸盐铵化、厌氧氨氧化过程在近海多种生境沉积物中的生物地球化学(速率、通量、贡献)与微生物生态学(功能类群丰度)特征及时空变化规律, 阐述温度、溶氧、盐度、活性溶解有机碳、无机氮、沉水植物、底栖动物活动等因素对各过程速率的影响及对各竞争性类群或过程(氨氧化细菌/氨氧化古菌, 反硝化/硝酸盐铵化/厌氧氨氧化)的调控机制, 并简析了海岸带微生物氮循环研究所面临的机遇与挑战。

摘要: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。

摘要:在全球气候环境演变的背景下, 认识海洋微型生物对碳循环的贡献, 需要了解其过程和机制。最近提出的“微型生物碳泵”理论阐释了海洋储碳的一个新机制: 微型生物活动把溶解有机碳从活性向惰性转化, 从而构成了海洋储碳。这个过程当中, 自养与异养细菌、病毒、原生动物等具有不同生理特性微型生物类群扮演着不同的生态角色, 本文将围绕微型生物碳泵主线分别论述之。

摘要:湖泊是地球表层系统中水、土、气等各个圈层相互作用的联结点, 对区域物质如碳等元素循环具有重要影响。微生物是湖泊等水生态系统中的重要组成部分, 是湖泊等生态系统中碳等元素物质循环的主要驱动者, 是深入了解湖泊碳循环过程的关键。受人类活动等影响, 湖泊生态系统, 尤其是浅水湖泊生态系统往往表现出以高等水生植物(草型)为主要初级生产者的清水稳定态和以浮游藻类(藻型)为主要初级生产者的浊水稳定态, 而随着湖泊营养负荷和湖泊环境条件的变化, 这两个不同的稳定态之间可以发生转换或者剧变, 这种剧变不仅影响湖泊生态系统中的微生物结构, 而且对湖泊中有机碳的形成、循环过程及其微生物驱动机制产生重大影响。本文重点就湖泊生态系统中有机碳的转换与微生物关系以及草藻型稳定态的转换对微生物结构及其碳循环功能的影响等进行综述, 进一步分析其中的关键科学问题, 以期为深入了解湖泊生态系统中碳等元素循环的微生物驱动过程与机制提供帮助。

摘要:微生物是驱动土壤元素生物地球化学循环的引擎。氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一, 其四个主要过程, 即生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用, 均由微生物所驱动。近10年来, 随着免培养的分子生态学技术和高通量测序技术等的发展, 在硝化微生物多样性及其作用机理、厌氧氨氧化过程和机理等研究方面取得了突破性进展。本文重点阐述了我国有关土壤硝化微生物方面的研究进展, 在此基础上, 简要介绍了反硝化微生物和厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用的研究进展, 并对今后的研究工作提出了展望。今后土壤氮素转化微生物生态学的研究, 应瞄准国际微生生态学发展的前沿, 加强新技术新方法的应用, 结合我国农业可持续发展、资源环境保护和全球变化研究的重大需求, 重点开展以下几方面的工作: (1) 开展大尺度上土壤硝化作用及氨氧化微生物分布的时空演变特征及驱动因子的研究; (2) 加强氮素转化关键微生物过程与机理的研究, 并与相关过程的通量(如氨挥发、N2O释放)和反应速率(如矿化速率、硝化速率)关联起来; (3) 在特定生态系统中系统研究各个氮转化过程的耦合关系, 构建相关氮素转化和氮素平衡模型, 为定向调控土壤氮素转化过程, 提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据。

摘要:水稻田是温室气体甲烷(CH4)的重要释放源之一, 有机质在水稻土中通过厌氧分解途径最终产生CH4和CO2。短链脂肪酸互营氧化是水稻土有机质降解的关键环节, 但是由于互营微生物独特的生理生态特性, 目前人们对于参与该过程的微生物群落及功能了解甚少。稳定同位素探针(SIP)技术被认为是实现环境中参与物质转化微生物种类与功能相耦合的有力工具。本文首先讨论互营过程的热力学基础和互营微生物的种间相互作用模式, 然后简要讨论了互营过程的环境影响因子, 最后详细综述稳定同位素探针技术在水稻土短链脂肪酸互营氧化过程中的相关研究。目前的研究表明: 参与水稻土脂肪酸互营氧化过程的互营细菌种类丰富、多样性高; 除已知互营细菌的作用外, 大量未培养、功能未知的细菌类型也可能参与短链脂肪酸的互营氧化; 对于互营细菌的伙伴而言, 新型产甲烷胞菌属(Methanocella)类型的古菌在不同脂肪酸互营降解过程中均起主要作用, 揭示了这类产甲烷古菌在水稻土厌氧产甲烷过程中的重要作用。

摘要:高寒生态系统分布在高纬度或高海拔、气候寒冷的地区, 包括北极苔原、高山苔原、青藏高原等。高寒生态系统对气候变化非常敏感, 其土壤中储存大量的有机碳, 对全球的碳平衡起关键作用。微生物是生物地球化学循环的主要驱动者, 微生物群落对气候变化的响应和反馈影响生态系统的功能与稳定性。本文回顾了高寒生态系统微生物群落组成、多样性与空间分布, 以及微生物群落对气候变化(增温、氮沉降、火干扰)的响应, 为拓展我国高寒生态系统微生物研究提供基础。

摘要:甲烷是重要的温室气体, 低温湿地是大气甲烷的重要来源, 因为湿地土壤中生活着大量的微生物包括甲烷古菌, 它们将有机物降解转化为甲烷。本文总结了近年来低温湿地甲烷古菌群落组成、甲烷产生途径及其与环境的关系。研究显示, 乙酸是低温湿地中主要的产甲烷物质, 氢产甲烷过程主要发生在中温地区或酸性泥炭土中, 而在盐碱水域中甲醇、甲胺是甲烷的重要底物。位于我国青藏高原的若尔盖湿地具有高海拔但低纬度的地理特征, 我们的前期研究却显示甲醇在该湿地的甲烷排放中具有重要贡献。相应地, 低温湿地中的甲烷古菌主要是利用甲基类化合物/乙酸的甲烷八叠球菌目和氢营养型的甲烷微球菌目。然而不同类型湿地甲烷排放途径及甲烷古菌的差异主要与环境的土壤类型、pH及植被类型相关, 如刚毛荸荠生长的若尔盖湿地土壤中来源于甲醇的甲烷占全部甲烷的17%; 而木里苔草土壤中乙酸是产甲烷的主要前体物质。尽管已知冷适应的甲烷古菌在低温湿地的甲烷排放中发挥重要作用, 但目前获得培养的嗜冷甲烷古菌却很少。冷响应的组学研究显示甲烷古菌的冷适应涉及到全局性生物学过程。

摘要:土壤微生物作为生态系统中重要的分解者, 在对动植物残体以及土壤有机质降解的过程中, 一方面释放CO2到大气中, 是土壤碳排放的重要组成部分; 另一方面, 在分解的过程中, 形成了可供给植物利用的无机养分。由于温度对代谢活动的直接影响, 过去对微生物代谢的研究主要集中在生长季, 通常假设冬季土壤微生物的活力可以忽略。陆地表面近60%的区域经历着季节性积雪覆盖和季节性土壤冻结的影响。近年来的研究表明, 由于积雪的覆盖, 形成很好的绝缘层, 雪被下土壤中微生物仍然具有显著的活性, 对土壤碳排放和植物的养分吸收具有重要的贡献。本文就积雪和冻结土壤系统中的微生物碳排放和碳氮循环的季节性特征进行了全面的分析, 综述了国内外冬季雪下碳氮循环的研究现状, 提出了目前研究中存在的问题和未来的研究方向, 强调了开展温带冬季雪下土壤微生物碳氮循环研究的必要性和重要性。

摘要:菌根(mycorrhiza)是土壤真菌与植物根系形成的共生体(symbiont), 真菌一方面从植物获取碳水化合物, 同时帮助植物吸收氮等矿质养分, 因此, 菌根真菌在生态系统的碳氮循环过程中发挥重要的作用。研究结果表明, 菌根真菌可利用约4%?26%的植物净光合固定的碳水化合物, 而其生物量和分泌物(如球囊霉素)具有重要的土壤碳汇功能; 同时菌根真菌可参与土壤复杂有机质的降解过程。在菌根共生体系中, 氮从根外菌丝到根内菌丝的传输经历了一个“无机-有机-无机”的转变过程。本文重点总结分析了菌根真菌在碳氮代谢功能与机理等方面的国内外最新研究进展, 以及目前存在的主要问题与未来的研究重点。

摘要:粘细菌是一类革兰氏阴性细菌, 属于delta变形菌纲, 具有复杂的多细胞群体行为特性, 并能够产生丰富的次级代谢产物, 是重要的药源微生物和原核生物细胞间通讯、多细胞形态发生、生物进化等研究中的模式生物。在简要介绍粘细菌基本特性的基础上对粘细菌的生态多样性、生存策略及其在生态系统中功能进行了综述。

摘要:微生物诱导碳酸盐类矿物沉淀是地质微生物学的研究热点之一。微生物主要通过其代谢活动促进细胞周围微环境pH值及水体[CO32?]的升高, 最终表现为碳酸盐类矿物饱和指数的增加。此外, 微生物及其分泌的胞外聚合物可作为碳酸盐晶核的成核位点, 为碳酸盐矿物晶体的生长进一步提供有利条件。微生物成因与纯化学成因的碳酸盐类矿物相比具有不同的矿物特征(如形貌、微量元素含量及碳同位素等)。深入了解微生物诱导碳酸钙沉淀的行为对理解地质时期微生物活动及其在二氧化碳的地质封存中的潜在应用具有指导意义。本文综述了微生物诱导碳酸盐矿物沉淀的机理、代谢过程, 总结了该领域的最新进展, 探讨了生物成因以及化学成因碳酸盐矿物的区别, 最后指出了该项研究在微生物岩以及CO2地质封存上的一些可能的拓展方向。

摘要:自然界中微生物按其能量代谢途径主要分为两种: 光能营养微生物和化能营养微生物。化能营养微生物作为非光能营养微生物长期被排除在以日光为能量来源的能量利用途径之外。本文介绍了一种新的微生物能量利用途径, 即非光能营养微生物通过半导体矿物光催化作用来利用太阳能进行生长。实验室模拟体系中, 金属氧化物、金属硫化物等天然半导体矿物在模拟日光激发下产生的光电子促进了化能自养与异养微生物的生长。研究结果表明微生物的生长与光子能量和光子数量密切相关, 同时不同波长光辐照下的微生物生长情况与矿物的光吸收谱相吻合。这一能量利用途径的光能-生物能转化效率为0.13‰?1.90‰。在含有天然半导体矿物与天然微生物的红壤体系中, 进一步发现半导体矿物光催化能够明显改变环境微生物的种群结构。已有的研究揭示了一种新发现并极有可能长期在地球上存在的微生物能量利用途径, 即通过自然界中半导体矿物日光催化作用产生的光电子能够促进非光能营养微生物的生长代谢活动。