七月每日一文（7.11-7.20）
七月流火
7.11
沿亚马逊河-海连续生境的细菌生物地理分布
卢瑟菌 李小圆
浮游细菌（Bacterioplankton）在河流陆源有机质降解、固氮及各种颗粒附着/自由生活相关的细菌生态功能中发挥关键作用。然而，对河流-海洋连续生境下细菌群落的季节性变化了解仍不充分。近日，来自美国马里兰大学的Doherty等在Frontiers in Microbiology上发表了题为“Bacterial Biogeography across the Amazon River-Ocean Continuum”的研究论文。作者通过16S rRNA基因扩增子高通量测序解析了沿亚马逊河的河流-海洋连续生境水体中细菌多样性的时空分布模式。研究发现，①不同河流支流（tributaries）的微生物群落存在差异，但河流干流（mainstem）的微生物群落具有空间均匀性（spatially homogeneous）并且随河流径流及共变因子（co-varying factors）的季节性变化而变化。②共发生网络分析（Co-occurrence network）表明在丰水期（5月）和枯水期（12月）河流微生物间存在较强的相关性。③相比河流，羽流（plume）细菌群落表现出较小的季节性差异，取而代之的是随盐度变化而变化。④但盐度仅能解释一小部分群落变化，硅藻-固氮微生物（diatom-diazotroph）爆发的羽流微生物群落与其他高盐羽流样品微生物群落差异显著。上述结果表明，虽然盐度可塑造羽流的浮力及混合状态，但羽流的特异微生物群落组成是受其他因子（如营养盐、浮游光合藻类群落组成、溶解有机质等）所控制。⑤网络分析表明，近岸低盐高生产率区域、藻华爆发区及羽流边缘区微生物群落间有较强相关性，但高盐区相关性弱。对热带河流和沿海生态系统微生物多样性分布模式的研究较少，通过将本研究（热带河流-海洋连续生境）与温带与寒带生态系统比较，发现河流径流量（discharge）与盐度（salinity）是河流-海洋连续生境下微生物群落分布的主要影响因素。
表1 Spearman相关系数展示环境数据与细菌群落组成间的相关性
图3 亚马逊河及羽流盐度及优势微生物类群分布图
A 不同生境细菌群落多维尺度分析 B 不同生境细菌平均物种多样性组成
全文免费链接：
http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fmicb.2017.00882/full
7.12
吸水链霉菌B04的分离、鉴定、固体发酵及对草莓根腐病的防治
小丸子
根腐病是全球草莓生产的主要制约因素之一，目前尚无有效的控制措施。南京农业大学沈其荣教授课题组在Applied Soil Ecology上发表了题为“Identification,solid-state fermentation and biocontrol effects of Streptomyces hygroscopicus B04 on strawberry root rot”的文章，目的是开发一种控制这种疾病的新型生物制剂。实验从健康草莓植株的根际土壤中分离出拮抗菌株B04，它能够强烈抑制植物病原真菌，特别是尖孢镰刀菌（Phusarium oxysporum）的生长。菌株B04通过形态、培养特征以及16S rRNA基因序列分析鉴定为吸水链霉菌。此外，它可以利用多种碳源并产生胞外真菌细胞壁降解酶，包括几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶、纤维素酶和蛋白酶。将工农业废料，特别是麦麸和蚯蚓粪用菌株B04进行固态发酵可以生产生物有机肥。发酵第七天孢子数达到5.3×1010CFU g-1。通过田间实验来评估生物有机肥B04（BOF-B04）对侵染土壤的影响。每个实验包括三个处理：（1）对照处理；（2）有机肥；（3）生物有机肥B04（BOF-B04）。结果显示：（1）与对照相比，BOF-B04显着增加了草莓植物的鲜重，同时也降低了根腐病的发病率；（2）BOF-B04在盆栽实验和田间实验的生物防治效率分别为63.35％和56.77％；（3）BOF-B04的施用改变了根际土壤的微生物群落结构，根际土壤真菌数量明显下降82.43％；（4）与对照相比，细菌和放线菌密度显著升高；（5）BOF-B04的施用降低了相关应激酶活性和丙二醛水平。因此，本研究表明，生物有机肥B04是控制草莓根腐病的潜在生物防治剂。
图2 基于16S rRNA的链霉菌系统发育树
图3 在固态发酵过程中吸水链霉菌B04菌落形成单位的变化
图4 不同处理对超氧化物歧化酶（SOD），多酚氧化酶（PPO），过氧化物酶（POD）酶活性和丙二醛含量（MDA）的影响
全文免费下载链接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139316300506
7.13
温度变化对Styggedalsbreen（挪威）亚北极区冰川前缘不同年代土壤
微生物多样性和群落结构的影响
坚果儿
北极地区在过去的50年里冬季温度平均提高了4℃，温度的升高对北极生态系统产生了巨大的影响，如冰川的消退。冰川前缘为研究冰川消退对极地和高山地区微观和宏观的演替产生的影响提供了极好的环境。2016年，来自挪威的Mateos-Rivera等在FEMS上发表了一篇题为“The effect of temperature change on the microbial diversity and community structure along the chronosequence of the sub-arctic glacier forefield of Styggedalsbreen (Norway)”的研究论文。首次对Styggedalsbreen冰川（挪威中部）前缘微生物群落进行了研究，按形成的不同年代从新暴露的土壤到有植被覆盖的土壤，通过对16S rRNA基因进行高通量测序研究微生物群落。将采集的土壤样品在3个不同的温度（5℃，10℃，22℃）培养一周，以监测温度对微生物群落演替的短期影响。结果：微生物群落组成因距冰川末端的距离和培养温度不同而不同。① 5℃和10℃时，靠近冰川末端的样品变形菌门占优势；22℃时，绿弯菌门，酸杆菌门，疣微菌门，变形菌门占优势，表明靠近冰川末端的位点与之前的冰川下环境更接近。② 对于古菌，广古菌门的成员在靠近冰川末端的样品中占优势，土壤形成时间久，奇古菌门-泉古菌门的成员越优势。数据表明，冰川前微生物群落的组成和多样性不只决定于暴露时间（exposure time），在很大程度上受到土壤表面温度（surface temperature）和土壤熟化（soil maturation）的影响。
不同温度下土壤不同发展阶段门水平16S rRNA基因的分布
NMDS（非度量多维尺度法）显示不同温度下群落结构与采样点的关系
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https://academic.oup.com/femsec/article/doi/10.1093/femsec/fiw038/2197786/The-effect-of-temperature-change-on-the-microbial
7.14
综述：植物内生促生细菌
参天大葱
内生菌是生活在健康植物内的一类微生物，内生菌普遍存在于各种植物，在世界各地都有被发现。有一类内生菌能够促进植物生长，已知的促生内生细菌其作用机理与根际微生物类似。2016年，Microbiological research上刊登了一篇文章“Plant growth-promoting bacterial endophytes”，对植物内生促生细菌进行了论述。
由于内生促生细菌的作用机理与根际微生物相似，就有研究认为内生菌可能是从外界环境中进入植物组织的。作者对外界微生物进入植物的几种方法进行了归纳（图1）。最主要的途径是通过植物的根进入，如通过根毛、裂纹、创伤或者水解根细胞；其他途径包括通过气孔，尤其是叶和幼嫩的茎气孔进入；通过皮孔或萌发的胚根进入；根瘤菌可以通过形成根瘤定植在植物组织；内生菌也可以通过种子传递给下一代。
究竟哪种微生物可以在植物内定植，是何影响其定植？作者对影响内生菌定植的基因/功能进行了统计（图2）。在对Gluconacetobacter diazotrophicus PAL5研究中发现，胞外多糖（exopolysaccharide，gumD）及活性氧（ROS）降解功能（如谷胱甘肽还原酶gr，超氧化物歧化酶sod）可以影响其在植物中定植；在Azoarcus sp. Strain BH72中，pilA（运动相关基因），eglA（葡聚糖内切酶）在定植中起到重要作用。此外，在对B. phytofirmans PsJN的研究中发现，ACC脱氨酶基因acdS在植物促生和抵御高盐胁迫中起到重要作用。
虽然内生菌和根际细菌在促进植物生长方面的作用机制相似，但作者认为，植物组织和根际的环境存在较大的差异，而且根际是一个竞争激烈的环境，这或许会影响一些微生物的生活策略。对于内生菌我们依然有太多的盲区，需要更多的研究来解读由根际到内生的定植过程，及内生菌的促生机制。
图1 外界微生物进入植物内部的途径
图2 内生微生物定植或促生相关基因
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S094450131530029X
7.15
缺氧触发的次级代谢变化的生态学意义
微风
链霉菌属放线菌类具有庞大的组成成员，为了进行药物研发和生产，链霉菌属在医药工业中得到了广泛应用。它们被认为是专性需氧菌，需要氧气作为末端电子受体才能进行生长。但是当它们的自然栖息地（包括土壤和海洋沉积物）的氧气减少时，它们又会做出怎样的反应？这在之前几乎没有被研究过。加州大学的Gallagher等人有一篇已经被Environmental Microbiology41 37180 41 15287 0 0 3708 0 0:00:10 0:00:04 0:00:06 3708pan>接收的题为“Ecological Implications of Hypoxia-Triggered Shifts in Secondary Metabolism”的文章，文中阐述了缺氧对海洋沉积物中细菌次生代谢的影响，这也是人类在该领域进行的首次研究。研究表明，海洋链霉菌菌株CNQ-525可以通过扩散机制来还原二氧化锰（MnO2）。作者还研究了缺氧对次生代谢产物的影响，观察到了抗生素产物从napyradiomycin向8-amino-flaviolin（napyradiomycin生物合成途径的中间产物）转移的现象。作者纯化出了8-amino-flaviolin，并验证了其有可逆的氧化还原活性，表明其拥有作为内源胞外电子穿梭体（endogenous extracellular electron shuttle）的潜力。研究结果表明，环境引发的次生代谢产物的变化，可能会为研究特定化合物的生态功能提供线索，革兰氏阳性菌作为专性好氧菌可能在生物地球化学循环中通过某些机制（如胞外电子穿梭）扮演着以前不为人知的角色。这些结果为海洋沉积物中细菌产生次级代谢物的生态学意义提供了一个全新的视角。
图1 （A）菌株CNQ-525还原MnO2在生长的菌株周围形成了一个透明圈
（B）E. coli DH5α菌株（阴性对照）尽管生长，但不能还原MnO2
图2 次级代谢产物的产生
图3 菌株CNQ-525在富氧和缺氧条件下（A）8-氨基-淡黄霉素和（B）萘吡酮霉素的产生情况
图5 8-氨基-淡黄霉素的循环伏安图
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http://sci-hub.cc/10.1111/1462-2920.13700
7.16
黄孢原毛平革菌接种对铅污染农业废弃物堆肥中细菌群落和金属固定的影响
小超人
堆肥现在被认为是保持农业生态系统可持续发展的有效策略，它可以将农业废弃物转化为有价值的有机产品，以便重新利用。但是农业废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中木质素是一种高度不溶性和不规则的苯基丙烷的聚合物，自然条件下降解缓慢，因此具有木质素降解能力的各种真菌引起了研究者的兴趣。近日，来自湖南大学的曾光明教授团队在Bioresource Technology上发表了一篇题为“Effect of Phanerochaete chrysosporium inoculation on bacterial community and metal stabilization in lead-contaminated agricultural waste composting”的文章，作者将具有木质素降解能力的黄孢原毛平革菌接种到了铅污染的农业废弃物中进行堆肥，探究细菌群落结构和铅稳定性的变化。结果发现：①在堆肥过程中接种黄孢原毛平革菌后，生物可利用性铅被转化为稳定的铅；②Pearson相关分析显示，总有机碳(TOC)和碳氮比(C/N)显著影响铅组分的分布；③铅胁迫下，减少的细菌群落丰富度和多样性，在接种黄孢原毛平革菌之后增加；④冗余分析表明，碳氮比、总有机质、温度和生物可利用性铅是影响细菌群落结构的重要参数，分别解释了14.7%、11.1%、10.4%和8.3%的细菌群落结构变化；⑤与有机物降解和铅固定有关的主要细菌物种被发现。这些结果将为重金属污染的有机废弃物堆肥提供有用的信息。
图 3 堆肥过程中的细菌群落变化
图 5 细菌群落和环境变量之间的相关性分析
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417310283
7.17
下向流挂海绵反应器（down-flow hanging sponge reactor）对高强度饮料废水直接处理的性能评价及微生物群落动态检测
胖 鱼
据统计，生产饮料的废水中可溶性和易降解的糖类作为化学需氧量(COD)的主要成分，从1200至8000mg/L不等。因此，高有机强度饮料废水急需处理，以符合相关法规要求的排放标准。2017年5月1日，Liao等人发表在Appl Microbiol Biotechnol上发表了“Direct treatment of high-strength soft drink wastewater using a down-flow hanging sponge reactor: performance and microbial community dynamics”一文。该文使用了一个具有两阶段系统的、独立的流挂海绵系统(DHS)，运行了700天来处理COD为3000mg/L的饮料废水。结果显示，第一阶段去除COD 和总有机碳(TOC)效率大于90%，最后留在第二阶段的仅有少于60mg/L的污水COD(TOC少于20 mg/L)。有机物去除效率较低与废水中pH值降低，高挥发性脂肪酸(VFA)浓度和高固体悬浮物(SS)有关。相对于有机物去除效率在小于50％的环境，变形菌门在去除效率大于80%的反应器中更为优势。与Tolumonas auensis和Rivicola pingtungensis相关的分类单元被确定为重要的群落，它们负责降解饮料废水中的主要底物。此外，反应器高丰度的拟杆菌门被认为是出水中VFA积累的主要原因。这项研究表明，独立DHS反应器可用于高强度的废水处理，从而给人们一些废水处理方法上的启示。有兴趣的同行可以戳下面的链接了解相关细节。
图1 DHS反应器的原理图与在每个反应器TOC的去除效率
a. 一个反应器的配置；b. 反应器中海绵和网格；c-e. 反应器A&B的TOC去除率和pH值变化。
图5 在所有的反应器的不同位置，分别从476天、666天收集的样本的门水平群落分布
全文免费链接：
http://sci-hub.bz/10.1007/s00253-017-8326-1
7.18
不同温度和pH条件下对厌氧氨氧化除氮率的影响
李小圆
厌氧氨氧化是污水处理系统中有效地除氮过程。温度和pH是影响厌氧氨氧化过程的两个主要的因素。目前，虽然一些研究对两个因素对厌氧氨氧化过程的影响机制分别进行了研究，但二者其综合影响效果的研究仍较少。近日，波兰研究者Mariusz对低温下pH对厌氧氨氧化过程的影响效果进行了研究，该研究以"Significance of pH control in anammox process performance at low temperature"为题发表在Chemosphere杂志。该研究通过正交试验研究了不同温度和pH下厌氧氨氧化除氮率的变化。结果表明，pH 7.0和7.5条件下除氮效率最高。响应曲面结果表明虽然pH和温度都会影响厌氧氨氧化除氮效率，但两因素间并无显著相关关系。此外，研究发现随着温度降低，最佳pH的范围也随着变小，这意味着通过校正和适当控制pH可以提高低温下厌氧氧化法的除氮效率。此研究为污水处理中厌氧氨氧化的高效除氮条件优化提供了理论基础。
不同温度与pH对厌氧氨氧化除氮效率的影响
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653517310779
7.19
长期施用氮肥减少了碱性土壤中无机磷酸盐增溶菌的丰度
小丸子
无机磷酸盐增溶细菌（iPSB）是促进碱性土壤中磷（P）迁移的关键，但iPSB群落系统发育结构仍然认识较少。中国科学院朱永官研究员课题组在Scientific Reports上发表了名为Long-term nitrogen fertilization decreased the abundance of inorganic phosphate solubilizing bacteria in an alkaline soil的文章，利用16S rRNA高通量测序技术分析iPSB群落分布。另外，还设计了一对新的pqqC引物来对iPSB丰度进行定量。作者选择了经过27年施肥处理的碱性土壤，施肥处理包括：（1）不施肥；（2）NK：施NK肥；（3）PK：施PK肥;（4）NP：施NP肥；（5）NPK：施NPK肥；（6）OM：施有机粪肥；（7）1/2OMN：施1/2 NPK肥和1/2粪肥。研究发现，①碱性土壤中iPSB所占百分比为1.10〜2.87％，iPSB的优势属与节杆菌（Arthrobacter）、芽孢杆菌（Bacillus）、短杆菌（Brevibacterium）和链霉菌（Streptomyces）密切相关。②长期施P肥对iPSB群落的丰度无显著影响。③长期单施N肥减少了iPSB丰度，这是通过pqqC基因（pqqC/16S）的相对丰度降低来验证的。④iPSB丰度降低与pH下降和总N增加密切相关，这表明长期施加N肥可能导致pH下降，随后P释放相对减少了对iPSB群落的需求。
图1 不同施肥处理iPSB丰度分布情况
图3 基于16S rRNA的iPSB丰度（a）和不同施肥处理pqqC基因相对丰度（b）
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5299424/
7.20
生物炭在黄土高原粉砂质壤土中应用2年后的微生物功能多样性响应
小超人
生物炭是低氧或无氧条件下生物质经过热分解产生的富碳副产品，广泛应用于农业土壤。它能通过改变土壤理化性质影响作物产量，而土壤理化性质与植物生长相结合的变化会导致土壤微环境的变化，从而影响土壤微生物和微生物群落。土壤微生物群落的结构和功能已被广泛应用于土壤质量与肥力的指标。关于应用生物炭对碳固定的影响研究较多，但对土壤微生物功能多样性的影响较少受到关注。近日，来自西北农林科技大学的沈玉芳教授团队在Ecotoxicology and Environmental Safety上发表了题为“Microbial functional diversity responses to 2 years since biochar application in silt-loam soils on the Loess Plateau”的文章，他们对黄土高原连续施加两年生物炭的粉砂质壤土的微生物功能多样性进行了研究。实验设置三个处理，（BC0）不施加生物炭、（BC10）每公顷10吨生物炭、（BC30）每公顷30吨生物炭，结果发现：①化学分析表明，生物炭没有改变pH值，而有机碳和氮的数量显著增加，并且减少了矿质氮的量和微生物商（microbial quotient）；②生物炭显著降低了两个土层在Biolog EcoPlate生态板上AWCD值，特别是BC10处理；生物炭显著降低了0-10厘米层中除BC30之外的基质丰富度(S)；③生物炭对香农多样性指数(H)和辛普森指数(D)的影响不显著，但是显著提高了BC10处理10-20厘米层的均匀度指数(E)；④虽然胺及酰胺底物的利用在三个处理组的深土层之间差异不显著，但主成分分析明显地区分了不同的处理，添加生物炭后显著降低了两个土层微生物对六类底物的利用率；⑤玉米地上干生物量和高度在三个处理之间没有显著差异，并且生物炭对玉米幼苗氮吸收无明显影响。作者认为，在该地区，生物炭影响下土壤微生物功能多样性的改变不是有效的早期玉米生长期的土壤质量指标。
图 2 三种生物炭添加处理在两个土层的主成分分析
图 3 培养96小时的不同处理土壤提取物对6类底物的利用率
全文免费链接：
http://sci-hub.bz/10.1016/j.ecoenv.2017.06.075