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.     

南大西洋中脊热液区异化铁还原微生物及其矿化产物分析

【目的】从深海热液区获取异化铁还原微生物(Dissimilatory iron reducing microorganisms,DIRM),分析其矿化速率和矿化产物,认识其参与的深海生物地球化学循环。【方法】以羟基氧化铁(FeOOH)为电子受体,以乙酸等简单有机物做电子供体,在60°C恒温厌氧条件下,对南大西洋中脊深海热液区硫化物样品中的DIRM进行富集、培养;采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)以及能谱仪(EDS)等方法对矿化产物进行形貌观察与成分分析。【结果】从2个硫化物样品中,共获得了139个铁还原培养物,它们均能将培养基中FeOOH (Fe3+90 mmol/L)转化为矿化产物。电镜下可见明显的晶体形态,以立方体形晶体为主,边长为5.0–20.0 nm;EDS分析表明,所有矿物晶体的主要元素为铁和氧,推测是由菱铁矿和磁铁矿组成的混合矿物。矿物晶体形成的时间差异较大,从3d到54d不等,多数培养物可在11 d到20 d内形成晶体。微生物多样性表明,培养物中优势菌主要为厚壁菌门(Firmicutes)和广古菌门(Euryarchaeota),包括一氧化碳胞菌(Carboxydocella)与脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)近似新物种(16SrRNA基因同源性89%–91%)和广古菌地丸菌(Geoglobus)。【结论】热液区高温厌氧细菌与古菌可以利用简单有机物为电子供体进行铁还原,形成铁氧化物晶体。实验结果对于微生物参与铁元素的生物地球化学循环与矿物形成的潜力具有支持作用。然而它们是否参与了热液区铁元素的生物地球化学循环与矿物形成还需要大量研究工作验证。     

地下水微生物功能群及生物地球化学循环

地下水系统是地球关键带的重要组成部分,为微生物提供了特殊的栖息环境和复杂的生存条件,进而演化出复杂的生物地球化学过程.随着多技术、多学科的交叉融合及发展,近几十年地下水微生物功能群及生物地球化学循环研究取得了引人瞩目的 重要进展.本文从地下水中的微生物群功能分区、微生物介导的地球化学元素循环、污染与修复中的生物地球化学...     

南大西洋深海热液区可培养硫氧化微生物多样性及其硫氧化特性

【目的】探索南大西洋热液环境中的硫氧化细菌多样性并研究其硫氧化特性。【方法】通过富集培养和分离纯化获得硫氧化细菌,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析富集菌群组成结构,采用离子色谱法对获得的硫氧化细菌硫氧化特性进行检测。【结果】从南大西洋深海环境样品中共分离到48株菌,分属于alpha-Proteobacteria(28株,58.3%)、Actinobacteria(11株,22.9%)和gama-Proteobacteria(9株,18.8%)共3个门,其中Thalassospira、Martelella和Microbacterium为优势属。DGGE结果表明深海热液环境样品中微生物多样性丰富且不同站位存在差异。硫氧化特性研究结果表明,约60%的分离菌株具有硫氧化能力,可以氧化S_2O_3~(2–)生成SO_4~(2–)。获得一株硫氧化能力较强的潜在新种L6M1-5,在实验条件下可高效氧化S_2O_3~(2–),最大氧化速率可达0.56 mmol/(L·h)。【结论】南大西洋深海热液环境中可培养硫氧化细菌多样性丰富,为研究热液环境中的硫循环过程提供了实验材料和理论参考;同时高效硫氧化菌的获得,为工业化含硫废水的处理提供了良好的菌种资源。     

光照对深海热液喷口周围可培养微生物的生长影响

研究采用析因实验设计,探讨了光照和培养温度对深海热液喷口周围可培养微生物生长繁殖的影响。样品培养10天后,对培养液中细菌量进行显微计数,实验数据用SPSS11.0统计软件中的方差分析程序进行处理。统计结果显示:在标准大气压下,在33℃、50℃和65℃三个实验温度中,当温度为33℃时,光照培养液中细菌浓度约为暗培养液中的3.5倍;而在50℃和65℃的培养液中其细菌浓度均比暗培养液中的要低。研究结果为进一步获取、认识与开发利用深海喷口周围细菌资源打下了基础。     

微生物在近海氮循环过程的贡献与驱动机制

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.     

深海热液区超嗜热古菌Thermococcus sp. TVG2的培养分离与鉴定

【目的】培养分离大西洋脊热液区的超嗜热古菌,为进一步认识该生态系统中的物种及其特点奠定基础。【方法】将大西洋脊热液区海水样品用YTSV培养基富集培养,选取其中富集效果最佳的TVG2培养物用减绝稀释法分离纯化。对所分离菌株进行形态、生理生化特征等分析,并通过分子生物学手段对其进行初步鉴定。【结果】菌株TVG2属于超嗜热厌氧球菌,直径约1.0 μm;生长温度范围50?88 °C,最适生长温度82 °C;生长pH范围为5.0?9.0,最适生长pH 6.5;生长NaCl浓度为1.0%?4.0% (质量体积比),最适生长浓度为2.5%;元素硫可显著提高菌株TVG2的生物量,但非生长必需;丙酮酸钠能显著促进该菌株生长,但葡萄糖对其生长则有抑制作用。根据其形态特征、生理生化特性及16S rRNA基因序列分析,确定菌株TVG2属于热球菌属。【结论】用YTSV培养基从大西洋脊热液区样品中分离获得超嗜热厌氧菌株TVG2,并确定其为Thermococcus属成员,命名为Thermococcus sp. TVG2。     

深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus氢酶及其对H2的响应特点

化能自养菌中的氢酶在深海热液区生态系统的物质和能量转化中具有重要作用。以Caminibacter profundus为研究对象,通过设计PCR引物,克隆编码膜结合的类型I NiFe-氢酶大亚基基因序列hynL并进行生物信息学分析;研究hynL相对表达、甲基紫晶(MV)还原氢酶活性以及菌株生长对H2浓度变化的响应特点。结果表明,从C.profundus克隆获得864 bp的hynL基因片段,其编码的氨基端序列与Lebetimonas acidiphila的相似性为99%,与热液区化能自养的Epsilonproteobacteria D类群的类型I NiFe氢酶大亚基属同一分支。hynL相对表达量和MV还原的氢酶活性分别于12 h和24 h达到最高,此时菌体处于指数生长期;hynL相对表达量和MV还原的氢酶活性和菌株生长的最适H2浓度均为60%。提示C.profundus通过调控hynL的表达,响应环境中H2浓度的变化,以影响菌株能量代谢的催化过程和生长繁殖。     

长期免耕对黑土氮磷硫循环微生物功能潜力的影响

探究不同耕作方式对黑土氮(N)、磷(P)、硫(S)循环功能微生物丰度及组成的影响,对黑土可持续利用具有重要意义。本研究基于吉林省长春市为期8年的定位试验,对免耕(NT)和传统耕作(CT)下不同土层黑土N、P、S循环功能微生物丰度和组成及其驱动因素进行分析。结果表明：与CT相比,NT显著增加了0～20 cm土层土壤含水量(WC)和微生物生物量碳(MBC)。NT显著增加了0～20 cm土层与N、P和S循环功能相关的编码基因丰度：包括编码氧化亚氮还原酶基因nosZ、固氮酶基因nifH和脲酶基因ureC的丰度,有机磷矿化过程关键基因phnK和phoD、编码吡咯喹啉醌合成酶基因ppqC和外切多聚磷酸酯酶基因ppX的丰度,以及硫氧化过程关键基因soxY和yedZ的丰度。方差分解分析和冗余分析结果表明,土壤基本特性是N、P、S循环功能微生物组成的主要影响因素(总解释率为28.1%),并且耕作方式导致的土壤MBC和WC变化是黑土N、P、S循环微生物功能潜力最主要的驱动因子。综上,长期免耕可通过影响土壤环境间接增加土壤特定微生物功能基因丰度,本研究从分子生物学角度阐明免耕可以作为改善土壤健康和维持农业绿...     

深海微生物的研究进展*

从生态学的角度介绍了深海微生物的营养来源、生物多样性及相关研究方法并展望深海微生物资源的开发前景。     

Copepoda from deep-sea hydrothermal vents and cold seeps

Recent explorations of hydrothermal vents in the eastern Pacific (Juan de Fuca spreading zone, Guaymas Basin in the Gulf of California, East Pacific Rise at 21° N and 13° N, and Galapagos Rift) and on the Mid-Atlantic Ridge have revealed many copepods, mostly siphonostomatoids with few poecilostomatoids. In these habitats in depths from 1 808 to 3 650 m water temperatures may reach nearly 15 ° C. Among more than 22 000 copepods from vents examined two new families, 11 new genera, and 32 new species were represented.In addition, two new copepods were found in 3 260 m at cold seeps at the base of the West Florida Escarpment in the Gulf of Mexico, an environment not thermally active, with water temperatures about 4.39 °C.Some of these copepods were associated with host invertebrates such as a Nuculana-like protobranch bivalve, a polychaete, and two species of shrimps. Others were obtained from washings of bivalves or vestimentiferans or by means of corers or slurp guns.     

基于功能基因的微生物碳循环分子生态学研究进展

碳循环是生态系统中重要的生物地球化学元素循环之一。微生物参与碳固定、甲烷代谢、碳降解等多个重要的碳循环过程,深入了解微生物群落在碳循环过程中的功能和作用,有助于获悉微生物对全球气候变化的响应、适应和反馈机制,这也是微生物生态学研究的关键问题之一。传统的研究多集中于微生物分离培养技术,无法覆盖绝大部分未培养微生物,并且无法深入解析碳循环过程中微生物群落的结构和功能,宏基因组学技术的出现克服了这些缺陷,成为研究微生物群落结构和功能的有效手段。本文对目前宏基因组学的主要技术——定量PCR、DNA分子指纹图谱、基因芯片、克隆文库和高通量测序等技术进行了简要介绍,着重介绍了参与碳固定、甲烷生成和氧化、碳降解等主要碳循环过程的关键功能基因的研究现状,最后对碳循环过程中微生物宏基因组学研究的未来发展进行了总结与展望。     

Carrier of reduced sulfur is a possible role for thiotaurine in symbiotic species from hydrothermal vents with thiotrophic symbionts

Experiments supporting the possible role of the free sulfur-containing amino acid thiotaurine, as a transport and storage compound for sulfide in invertebrates with thiotrophic symbionts are described. The free-living chemotrophic sulfur-oxidising bacterium, Thiobacillus hydrothermalis (strain DSMZ 7121), was used as a model for the symbionts as the actual symbionts have not been obtained in culture.Thiotaurine contains two sulfur atoms, namely the inner sulfone and the outer sulfane sulfur; the latter presents a potential source of reducing equivalents for the symbiont. Nevertheless, we observed no oxidation of thiotaurine when this compound was added to a culture of T. hydrothermalis pre-grown on sulfide. In contrast, when thiotaurine was added to the culture together with an extract of the trophosome of a vestimentiferan tubeworm from the Manus basin, we observed that thiotaurine was oxidised to hypotaurine with concomitant acidification and formation of bacterial biomass. Thus, the trophosome contains an unknown catalytic factor. We suggest that thiotaurine requires reduction prior to oxidation by T. hydrothermalisand that the host may catalyse the conversion of thiotaurine through the glutathione redox couple. This way, the host can accurately control energy delivery (as reduced sulfur) to the symbionts and can therefore control their symbiont biomass.     

反硝化菌功能基因及其分子生态学研究进展

由微生物推动的反硝化作用是地球氮素循环的重要分支,尽管已被发现广泛存在于细菌、真菌和古生菌中,其功能基因的研究仍仅限于很少几个物种。现代分子生物学的发展为研究环境微生物提供了行之有效的方法,以反硝化功能基因作为分子标记的分子生态学研究迅猛发展。综述近年来国内外微生物反硝化功能基因研究及以其为标记的分子生态学研究进展。     

A substrate-induced growth-response method for estimating the biomass of microbial functional groups in soil and aquatic systems

Abstract A substrate-induced growth-response (SIGR) method is presented for estimating the biomass or density of microorganisms capable of carrying out specific metabolic functions in natural and human-made systems. The biomass of active organisms can be estimated based on the concentration of substrate needed to induce the growth of the standing population. Curves of substrate mineralization or depletion are used as indirect indicators of growth. Estimates of population size are obtained by using non-linear regression techniques to fit simple models, that contain biologically relevant parameters, to the substrate mineralization curves. In the present study, the SIGR method was used to estimate the numbers of organisms capable of mineralizing 2,4-dinitrophenol in soil and in a model waste-treatment system. The SIGR approach was tested by comparison of model estimates to estimates for the same parameters obtained by independent means.     

海洋微型生物储碳过程与机制概论

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.     

海底热液环境中嗜中性微需氧铁氧化菌的多样性、生物矿化作用及其代谢特征

铁元素是深海热液活动产物的主要成分之一,也是热液喷口处化能自养微生物生态系统的重要驱动元素。以Zetaproteobacteria为典型代表的嗜中性微需氧铁氧化菌是海底喷口及其周围环境中生物介导的Fe²⁺氧化这一生物矿化作用的主要驱动者。这些铁氧化菌通过氧化Fe²⁺获取维持自身代谢所必需的能量,同时分泌有机质将氧化后的不溶铁（氧化物或氢氧化物）沉淀于细胞外,形成具有螺旋丝带状、中空长杆状、分叉管状以及其他具有特殊形貌特征的显微结构体,进而堆积成广泛分布于海底的富铁氧化物/氢氧化物。越来越多的研究表明,编码细胞色素孔蛋白的cyc2基因是Zetaproteobacteria铁氧化菌进行Fe²⁺氧化的关键基因,而细胞色素c或其他周质细胞色素则是Fe²⁺氧化过程中的关键电子传递载体。基于宏基因组分析的系列研究揭示了Zetaproteobacteria普遍具有多种与氮、硫、氢以及砷元素循环密切相关的功能基因与代谢途径,暗示了其在上述元素循环过程中的潜在作用。本文系统地总结了海底热液喷口及其周围环境中发现的嗜中...     

肿瘤转移的分子机制及靶向干预研究新进展

肿瘤转移是一个多阶段的恶性进展过程,涉及肿瘤细胞从原发部位逃逸,侵入脉管系统并在其中存活,随循环系统到达远处靶器官并穿出脉管系统播散定植,最终克隆性生长形成转移瘤。转移过程的每一阶段与肿瘤细胞本身遗传和表观遗传改变以及微环境中诸多因素的综合调控密切相关。本综述概要介绍了恶性肿瘤转移多步骤过程中所涉的分子调控机制以及肿瘤转移靶向干预新措施等方面的研究进展;同时,就未来肿瘤转移研究相关的新技术和新方向作一简单的展望。     

Recent population expansion and connectivity in the hydrothermal shrimp Rimicaris exoculata along the Mid‐Atlantic Ridge

Aim Deep‐sea hydrothermal vents are unstable habitats that are both spatially and temporally fragmented. In vent species, a ‘short‐term insurance’ hypothesis would lead us to expect mostly self‐recruitment, limiting the loss of larvae in the deep ocean or water column and increasing genetic differentiation over the time elapsed since colonization. Alternatively, a ‘long‐term insurance’ hypothesis would support the prediction of selection for large‐scale dispersal, to ensure long‐term persistence in these ephemeral habitats. The main goal of this study was to infer the spatial and temporal distribution of genetic diversity of the shrimp Rimicaris exoculata, which forms high‐density local populations on hydrothermal vents along the Mid‐Atlantic ridge. Location Deep‐sea hydrothermal vents along the Mid‐Atlantic Ridge. Methods We used sequences of mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I (COI, 710 bp) to assess the spatio‐temporal distribution of genetic diversity across five hydrothermal fields from 36° N to 4° S. Results In contrast to previous results from pioneer studies, very high haplotype diversity was observed in vents across the entire region (i.e. 0.69–0.82), indicating current large effective population size and low drift. The star‐like shape of the network of haplotypes, the lack of spatial genetic structure and the significance of tests reflecting demographic effects, together with the fitting of a population expansion model, all support a recent population expansion. Main conclusions Our results suggest a very recent common history of R. exoculata populations/demes along the Mid‐Atlantic Ridge, derived after a common bottleneck or founder event and followed by a concomitant demographic expansion. This study therefore suggests a large effective population size and/or high dispersal capacity, as well as a possible recent (re)colonization of Mid‐Atlantic hydrothermal vents by R. exoculata.