七月每日一文（7.01-7.10）

七月流火

7.10

凤梨科植物储水器（bromeliad tank）微生物组功能结构受当地地化条件强烈影响

卢瑟菌

凤梨科植物（Bromeliaceae）的植物储水器（Phytotelmata）被认为是水体生态的一个微型模型（miniature model），但关于其微生物组的详细研究较少。因此，关于凤梨科储水器的生物地理化学（biogeochemistry）过程认识不足。近日，来自加拿大的Louca等在Environmental Microbiology上发表了题为“Functional structure of the bromeliad tank microbiome is strongly shaped by local geochemical conditions”的研究论文。作者通过宏基因组测序及16S扩增子测序的方法，分别研究了巴西沙丘森林中两种常见凤梨科植物（Aechmea nudicaulis和Neoregelia cruenta）的储水器（tanks）内部碎屑颗粒上的细菌、古菌群落功能及物种组成。研究发现，①在所有凤梨科植物中，微生物群落形成了适应缺氧条件的代谢网络，具体包括反硝化（denitrification）、氨化（ammonification）、硫酸盐呼吸（sulfate respiration）、产甲烷（methanogenesis）、还原乙酸化（reductive acetogenesis）及不产氧光合（anoxygenic phototrophy）等过程。②整体而言，CO2还原微生物丰度高于硫酸盐还原微生物，光合不产氧型微生物远多于光合产氧类群。③不同凤梨种间及同种内的功能群落结构与环境变量强烈（strongly）相关。④产甲烷及还原产乙酸微生物与碎屑（detrital）体积及林冠覆盖率（canopy coverage）密切相关，且在N. cruenta凤梨种中相对丰度更高。⑤通过与全球淡水沉积物及土壤样品的比较，揭示了其在微生物群落组成及功能轮廓上明显的差异。

图1 A 采样位点；B & C 两种不同的凤梨科植物；D 从凤梨科植物储水器底部提取的碎屑物；E-X：两种凤梨科植物的理化因子箱线图

图3 微生物功能类群与环境变量间相互关系

全文免费下载链接：

http://sci-hub.bz/10.1111/1462-2920.13788

7.9

在河流沉积物与农业废弃物堆肥过程中，生物炭对重金属和微生物群落结构的影响

小超人

河流重金属污染是矿山冶炼、金属加工等行业发展引起的全球环境问题，在一定程度上，沉积物可以看作是河流中重金属的储存库和最终归宿。近年来，沉积物中的重金属污染因其环境持久性、生物地球化学循环和生态风险特性引起了人们的广泛关注。近日，来自湖南大学的陈耀宁教授团队在Bioresource Technology上发表了一篇题为“Influence of biochar on heavy metals andmicrobial community during composting of river sediment with agricultural wastes”的文章。该研究评估了生物炭添加对农业废弃物与沉积物堆肥过程中物理化学过程、重金属转化和细菌群落多样性的影响。同时，作者通过冗余分析（RDA）评估了包括重金属和细菌群落组成在内的参数之间的关系。结果表明：①DTPA萃取重金属的提取效率在两个堆肥处理中都下降，并且加入生物炭的处理比空白处理重金属萃取量减少约0.1-2.96％；②生物炭添加在堆肥过程中对细菌群落结构具有显著影响；其中细菌群落组成与添加生物炭堆肥处理中的C/N比、水溶性碳（WSC）和有机物（OM）显著相关；与空白处理中的温度、WSC和C/N比显著相关。本研究将为改善重金属污染河流沉积物的堆肥处理提供一些有价值的信息。

表 3 堆肥过程中的重金属浓度情况

图 5 河流沉积物中细菌物种与农业废弃物堆肥化学变量的冗余分析

全文免费下载链接：

http://sci-hub.bz/10.1016/j.biortech.2017.06.100

7.8

意想不到的广泛分布海洋胞内细菌基因组特征：海洋衣原体运动性证据

卢瑟菌

衣原体（Chlamydiae）是专性胞内细菌（obligate intracellular bacteria），其中有很多是重要的人类病原菌和原生生物共生菌。如沙眼衣原体（Chlamydia trachomatis）每年可引起全球超过一亿人的感染。因为与真核宿主共生，衣原体通常基因组简化，很多生物合成相关的通路都依赖宿主。目前，还未发现自由生活（free-living）的衣原体，但经常在原生生物及陆地来源的节肢动物细胞中发现。在大量海洋生物，如鱼的鳃中，也发现了大量衣原体。另外，宏基因组及扩增子测序数据也表明在海洋环境中存在大量、多样的衣原体。但目前对衣原体的认识主要局限在陆地来源，海洋来源的衣原体知之甚少。近日，维也纳大学的Collingro等在ISME J发表了题为“Unexpected genomic features in widespread intracellular bacteria: evidence for motility of marine chlamydiae”的研究论文。作者通过对不同深度的海洋沉积物中微生物的单细胞基因组测序，获得了三个不同进化枝来源的海洋衣原体的基因组信息。通过分析揭示了其生活史特征。意想不到的是，这些衣原体的基因组中存在编码完整鞭毛系统的基因，这在所有之前的研究中未见报道。作者认为鞭毛是衣原体的一个古老性状，现存衣原体存在不同程度的鞭毛基因丢失。同时也检测到了趋化系统，表明这些海洋衣原体可能具有运动性，这可能在衣原体感染宿主过程中至关重要。本研究扩展了我们对衣原体生物学特性的认识，表明我们以前大大低估了衣原体适应宿主及环境的潜力。

表1 通过单细胞测序获得的三个衣原体基因组基本信息

图1 基于16S rDNA的海洋衣原体系统发育树

图2 海洋来源衣原体基因组中检测到的鞭毛系统各组分示意

全文免费下载链接：

www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/pdf/ismej201795a.pdf

7.7

斑马鱼肠道微生物的“生活史”

 参天大葱

肠道微生物号称是宿主的第二基因组，它不单可以作为反映宿主健康状况的重要指标，更是在宿主的生长、发育、健康和免疫过程中发挥着重要的作用。既然如此，那么不同个体的肠道微生物群落组成有无规律可循；个体的不同生长阶段肠道微生物又有哪些变化；这些变化是受宿主自身影响，还是受饮食、环境或是其他因素的影响？16年ISME J刊登了一遍文章“The composition of the zebrafish intestinal microbial community varies across development”，文章作者系统研究了斑马鱼（Danio rerio）不同的发育阶段肠道微生物群落的演替。作者从斑马鱼形成受精卵开始计时（0 days post fertilization，0dpf），历经孵化、肠腔形成（4dpf）、初始捕食（10dpf）、后天免疫获得（21、28、35dpf）、性别分化（75dpf），到衰老（380dpf）最后一次取样，共取样7次。在此期间，斑马鱼的食谱也历经了草履虫、虾、干食的转变。研究发现，斑马鱼肠道微生物群落组成有着明显的生长阶段特征性；然而，同一生长阶段的不同个体间却存在广泛的个体差异。研究还发现，每次食谱或环境的变化，斑马鱼的肠道微生物都存在着明显的变化；与此类似，随着斑马鱼年龄的增加，群落结构也在发生着变化。基于上述发现，作者总结，斑马鱼肠道微生物随生长阶段有不同的分布模式，环境条件的改变将会进一步增加群落组成的差异。

图1 斑马鱼生长阶段及实验设计

图2 排序分析及种系距离

文章下载链接：

https://www.nature.com/ismej/journal/v10/n3/pdf/ismej2015140a.pdf

 7.6

通过高通量测序比较分析玉米根际细菌群落结构

坚果儿

玉米是最重要的经济作物之一，根际微生物结构在植物生长中起到关键作用，因此必须更好地理解它们的作用。最近，中国药科大学生命科学与技术学院的叶波平研究团队和环境保护部南京环境科学研究所的王娜团队在PLoS ONE上发表了一篇文章题为“Comparative analysis of bacterial community structure in the rhizosphere of maize by high-throughput pyrosequencing”，目的为了评估和了解生长阶段对根际和非根际土细菌群落组成的影响，鉴定优势和敏感的土壤细菌。设计实验采集生长14d，35d，63d玉米根际土（rizosphere soil）和非根际土（bulk soil），提取DNA，对16S rRNA基因V3-V4区进行测序，探究玉米根际土和非根际土细菌群落的组成。结果显示：在根际和非根际土样品中发现了978-1239个OTUs（相似性97%水平）。根际土和非根际土有相同的特点，例如占优势的为酸杆菌门、变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门和TM7。在属水平，许多占优势的根际属（噬几丁质菌属、硝化螺旋菌属、黄杆菌属等）相对于非根际土显示出不同的时间变化模式，说明根际对土壤微生物产生更多的影响。拟杆菌门、变形菌门、放线菌门（主要的属，伯克氏菌属、Flavisolibacter、假单胞菌属）表现出显著的与玉米生长相关的动态变化，表明不同的生长阶段影响玉米土壤细菌群落组成存在差异。另外，一些独特的属尤其是植物生长促进根际细菌（PGPR），如Nonomuraea、硫杆菌属和慢生根瘤菌属等，似乎在根际土比非根际土中更丰富，表明根对根际微生物的选择是导致根际土和非根际土细菌群落结构差异的重要机制。

根际土和非根际土门水平相对丰度图

不同采样时间点玉米根际土和非根际土不同属的分布和变化表

全文下载链接：

http://journals.plos.org/plosone/articleid=10.1371/journal.pone.0178425

7.5

中国干旱地区不同盐度梯度灌溉水对土壤微生物菌群结构和代谢活性的影响

小丸子

淡水稀缺迫使干旱和半干旱地区的农民用盐水灌溉旱地作物，但连续用盐水灌溉可能导致土壤盐渍化、土地退化和产量下降。虽然人们正在努力防止或限制作物根区盐分积累，但盐水灌溉不可避免地会改变土壤的物理化学和生物特性，从而影响土壤微生物过程。在田间实验的基础上，兰州市西北生态环境与资源研究所研究团队在Science of the Total Environment上发表了名为“Shifts in soil microbial metabolic activities and community structures along a salinity gradient of irrigation water in a typical arid region of China”的文章，利用Biolog和宏基因组学方法研究了5种不同梯度盐水灌溉土壤的微生物代谢活性和群落结构的变化。这5种盐水的电导率（ECw）分别为1.09 dS m^-1（低度）、2.40 dS m^-1（轻度）、3.64 dS m^-1（中度）、4.88 dS m^-1（高度）、6.12 dS m^-1（重度）。结果表明：（1）在盐水灌溉土壤中，微生物代谢活动受到了极大的限制，平均颜色变化率（AWCD）下降；（2）虽然在轻度、中度、高度和重度盐水灌溉处理中，六个类别的碳底物利用率没有显著差异，但唯一碳源的消耗量却有明显的差别，特别是天冬酰胺、半乳糖醛酸、腐胺和4-苯甲酸在引起差异方面起着决定性作用；（3）土壤细菌丰富度和多样性随着盐度的增加而增加，但细菌数量减少；（4）在盐水灌溉土壤微生物主要类群中，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）显著增加，浮霉菌门（Planctomycetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）显著减少，而芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）和酸杆菌门（Acidobacteria）无明显变化。

不同处理条件下土壤细菌门（A）和纲（B）的相对丰度

在五种盐水灌溉处理下31种碳底物利用热图

盐水灌溉对微生物代谢活性（A）和六种功能类别碳底物（B）的影响

全文下载链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717309403

7.4

人工湿地中古菌群落的时空分布特征

李小圆

人工湿地在改善水源质量方面发挥着重要作用。然而目前对表流区人工湿地中古菌群落与及其相关环境因子的研究仍鲜有报道。近日，北京大学的谢曙光课题组在Science of the Total Environment发表名为" Spatio-temporal shifts inthe archaeal community of a constructed wetland treating river water "的论文，对人工湿地中古菌群落的时空分布特征进行了研究。结果显示，古菌丰度在不同采样时间与地点变化差异较大，进一步研究发现，古菌的丰度受高温影响较大，夏季拷贝数相对低于春冬季。此外，时空变化也对此环境中古菌的丰富度、多样性及群落结构造成一定影响。硝酸盐和C/N比被发现是对古菌群落结构影响最大的两个环境因子。广古菌门和深古菌门是此湿地沉积物中最优势的古菌群落，而奇古菌门是湿地土壤中最优势的类群。同时研究发现，古菌群落与环境植被类型也有着相关联系。此研究为人工湿地的水源改善提供了一定理论基础。

不同季节与采样点中古菌16S基因丰度

不同样点古菌群落结构

全文免费下载链接

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717316418

7.3

城市污水处理主流中的部分亚硝化-厌氧氨氧化（综述）

胖鱼

自2010年初以来，人们对能量驱动污水处理厂主流菌群——部分亚硝化-厌氧氨氧化(PN/A)的进程进行了很多研究。2017年1月13日，Appl Microbiol Biotechnol杂志发表了Yeshi Cao等人的“Mainstreampartial nitritation–anammox in municipal wastewater treatment: status, bottlenecks, and further studies”一篇综述。该综述概述了当前主流的PN/A过程的研究进展，并分析其全面应用中面临的瓶颈问题。具体从以下几方面展开论述：①当前主流中PN/A工艺应用面临的挑战及壁垒；②PN/A关键微生物类群及其互作，包括好氧氨氧化细菌、好氧亚硝酸盐氧化细菌、厌氧氨氧化细菌及异养细菌等；③好氧亚硝酸盐氧化细菌的抑制；④工艺和反应器；⑤对未来研究的建议，包括对碳集中预处理的有效方法进一步研究、深化理解自养氮转化微生物之间的竞争关系、进一步增强生物膜厌氧氨氧化活性及提升反应器的设计升级等。

表2 已发表文献中AOB、NOB的Monod生长动力学参数

全文免费下载链接

http://sci-hub.bz/10.1007/s00253-016-8058-7

7.2

不同类型废弃物在堆肥成熟期的微生物动态演变

小超人

堆肥是在需氧条件下通过不同微生物种群的作用对固体有机底物进行生物降解的过程，产生稳定、湿润并且适合添加到土壤中的产物。有机物质在堆肥过程中经历不同的阶段：升温阶段（mesophilic phase），其特征在于微生物群的增殖；高温阶段（thermophilic phase），其生物降解率高，嗜热生物的生长并抑制非耐热生物体；最终阶段包括冷却，稳定和成熟阶段，其特征在于中温微生物的生长和堆肥的腐殖化。在堆肥过程中，设施通常对生物氧化阶段施加更多的控制，在该阶段使用特定技术，并且具有固定的持续时间。而在此阶段之后，材料沉积成熟，堆肥成熟阶段进行的监测则较少。成熟阶段所需的时间可以从几周到一两年不等。该过程的缺乏控制除了对堆肥的质量产生不利影响外，也可能会导致环境问题。最近，来自西班牙维戈大学的Iria Villar在Waste Management上发表了一篇题为“Evolution of microbial dynamics during the maturation phase of the composting of different types of waste”的文章，评估了不同废弃物材料对堆肥成熟阶段微生物动态变化的影响。该研究使用三种废弃物：来自水产加工厂的污泥、城市污水污泥和猪粪，各自独立混合松木碎屑作为填充剂。每种废弃物类型的堆肥系统包括生物氧化阶段，在容量为600L静态反应器中进行；稳定和熟化阶段，每个样品一式三份，放置在200L的木箱中112天。在整个成熟阶段测量磷脂脂肪酸、酶活性和物理化学参数的变化，结果发现：①总细菌生物量，革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌，真菌和酶活性（β-葡糖苷酶，纤维素酶，蛋白酶，酸和碱性磷酸酶）的演变显著依赖于废弃物的类型（p<0.001）；②每种废物类型的主要微生物群落在整个成熟过程中保持存在，表明废物类型决定了在此阶段能够发育的微生物；③在水产品加工厂污泥的成熟期间，真菌占主导地位，而粪便和城市污泥的成熟阶段占较大比例的是细菌。在监测堆肥过程，微生物群落的结构和酶活性都提供了的重要信息，我们需要更加注意堆肥的成熟期，以优化堆肥过程。

图1 堆肥反应器图示

图4 （a）微生物生物量，（b）真菌，（c）革兰氏阳性细菌和（d）革兰氏阴性菌，在鱼类加工业污泥（FI），城市污水污泥（MSS）和猪粪（PM）中的变化情况

图5 （a）b-葡萄糖苷酶，（b）纤维素酶，（c）酸性磷酸酶，（d）碱性磷酸酶和（e）蛋白酶，在鱼类加工业污泥（FI），城市污水污泥（MSS）和猪粪（PM）的酶活性变化情况

免费下载链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956053X16302434

7.1

采用原位翻译活性可视化的手段鉴定分离缓慢生长的古菌-细菌共生体

微风

微生物是生态系统的重要组成部分，为生态系统的物质和能量流动提供了主要的推动力。要了解环境中的微生物在生物地球化学循环中所起到的作用，首先要明确它们在什么时间什么状态下可以保持代谢活性。生物正交非典型氨基酸标记（Bioorthogonal noncanonical amino acid tagging，BONCAT）法可以帮助我们了解这些问题。这种方法通过追踪氨基酸掺入新合成的蛋白质中的过程来确定哪些细胞具有活性。去年，Hatzenpichler等人在PNAS上发表了一篇题为“Visualizing in situ translational activity for identifying and sorting slow-growing archaeal−bacterial consortia”研究论文，文章将BONCAT-FISH技术与BONCAT-FACS（fluorescenceactivated cell sorting）技术结合，对参与甲烷厌氧氧化（AOM）过程的菌群进行标记和分类鉴定，并通过全基因组测序和16S rRNA测序，发现一种甲烷厌氧古菌（ANME）和硫酸盐还原菌的互作组合。因为这些微生物原位生长速度非常缓慢，所以采用过去的研究手段很难对它们进行研究，但从目前的研究结果来看，未来我们对于AOM菌群的共生关系将会有更加广泛的了解。

 图1 可视化，鉴定和分选翻译活性细胞的概念模型

 图2 通过BONCAT-FISH显示的微生物翻译活动随时间的动态变化

图5 AOM群落微生物成员的鉴定

全文免费下载链接：

http://sci-hub.cc/10.1073/pnas.1603757113

往期每日一文：