地膜覆盖对土壤微生物群落结构的影响
摘要：地膜覆盖因其对改善耕层土壤的水热状况具有显著作用，在中国北方干旱半干旱地区被广泛应用。土壤的结构、通气性、水分状况、养分状况等对土壤微生物均有重要影响。本文研究了长期覆膜栽培条件下的土壤微生物种群和生物活性, 为地膜覆盖栽培技术的长期应用和持续发挥增产作用提供科学依据。
关键字：地膜覆盖；微生物群落结构
土壤微生物是陆地生态系统的重要组成部分,是土壤有机质及养分转化、循环的主要动力,在推动地球生物化学元素循环过程中起着重要作用[1]。土壤微生物组成的质与量的变化是土壤健康状况的重要敏感指示[2]。土壤微生物多样性可以定义为生命的丰富度,代表着微生物群落的稳定性,也反映土壤生态机制及土壤胁迫对微生物群落的影响。
土壤微生物群落结构主要指土壤中各主要微生物类群(包括细菌、真菌、放线菌等)在土壤中的数量以及各类群所占的比率,其结构和功能的变化与土壤理化性质的变化有关[3]。
1、水分对微生物的影响
水分微生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。游离态的水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，故能有效地吸收代谢过程中产生的热量，使细胞温度不致于骤然升高，能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。
水分的影响不仅取决于含量的多少，更重要的是其可给性。溶质浓度高低和固体表面对水的亲和力都影响水分对微生物的可给性。环境中水的可给性一般以活水度ａ
ｗ
（water activity）来表示。它是指在一定温度和压力条件
下，溶液蒸汽压（ｐ）与纯水蒸汽压（ｐ
０
）之比，公式为
ａ
ｗ＝ｐ／ｐ
０
各环境中ａ
ｗ值在0至1之间，纯水的ａ
ｗ
=1。水中有其他溶质时，溶质的
ａ
ｗ值降低，溶质愈多，ａ
ｗ
值越小，土壤中水活度在0.90至1.00之间。每种
微生物都有最适ａ
ｗ值，超过或低于最适ａ
ｗ
值，都会通过影响渗透压的变化而
影响微生物的生长。细菌、放线菌和真菌的孢子耐旱能力强，可在干旱条件下长期存活，当水分适宜时萌发生长。
2、温度对微生物的影响
温度是影响微生物生长繁殖最重要的因素之一[4]。不同微生物队温度的要求不同，这是由于不同微生物在长期进化过程中形成的队环境的适应机制决定的，表现出微生物分布生态环境的多样性[5]。在一定温度范围内，机体的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，当温度上升到一定程度，开始对机体产生不利的影响。当达到微生物生长的最适温度时，微生物迅速生长。值得指出的是，最适的生长繁殖温度不一定是微生物代谢的最适温度。
3、微生物群落结构的研究方法
传统上,土壤微生物群落的分析多依赖于培养技术,即使用培养基最大限度地培养各种微生物群体,由此了解土壤中的可培养微生物群落。但由于只有极小部分土壤微生物是可培养的[6],因而,此方法所获得的土壤微生物多样性的信息是有限的。
磷脂脂肪酸(PLFA)分析和核酸分析等多种现代技术,从不同角度来研究微生物多样性[7],这些方法可用于分析包括可培养微生物和不可培养微生物在内的整个微生物群落。其中,Biolog分析被用作表征微生物群落的功能潜力,即被用于估计碳源利用模式等功能多样[8];PLFA分析用于表征土壤中数量上占优势的微生物， PLFA的相对量可显示所指示微生的相对含量,PLFA的总量可被用作指示土壤微生物的生物量[9]。
核酸分析方法是目前最重要的土壤微生物多样性研究方法,该方法中最常用的是基于PCR的核DNA(rDNA)分析方法(即rDNA的DGGE/TGGE指纹分析方法),即从土壤微生物中扩增小亚基rRNA基因(165rDNA或185rDNA),扩增产物用变性梯度凝胶电泳 (DGGE)或温度梯度凝胶电泳(TGGE)分离,由DGGE或TGGE带谱及进一步对分离的DNA片段的克隆和序列分析,可了解土壤中微生物的种类及群落构。这些现代研究方法的采用使我们能够获取土壤微生物群落的更全面而完整的信息,较完全地了解环境过程和人类活动对土壤微生物多样性的影响[10]。
利用磷脂类化合物中的脂肪酸组成来估价土壤微生物群落结构是近几年一种常用微生物定量结构分析方法[11]。 PLFA 是微生物量的活性部分, 能较为准确地反映土壤微生物的相对生物量及脂肪酸图谱, 可以对土壤微生物群落进行动态监测, 更客观地反映土壤生态系统的健康程度和波动情况, 使之为人们所
了解和调控。磷脂是构成生物细胞膜的主要成分,约占细胞干重的5%[12],只存在
于所有活细胞膜中,一旦生物细胞死亡,其中的磷醋类化合物马上消失,生物中的磷酪类化合物能显示出快速转换率,而且生物可以含有相对固定量以磷酷类化合物形式作为它们的生物量[13]。一些学者曾发现使用直接从土壤中提取的磷醋类
化合物的量可准确地表达成土壤微生物的生物量[14]。此外,我们从磷酯类化合物的组成成分中还可以得到土壤微生物群落结构方面更为重要的信息、可见PLFA
分析是快速、高效的分析方法,不会像传统方法那样低估了微生物的多样性。
4、地膜覆盖对微生物群落结构的影响
北方旱作农区冬春季干旱多风，降雨量少且降雨时空分布不均匀，田间蒸
发量大，作物水分利用效率低[15]。因此，通过集雨保墒等技术措施提高降水利
用率是旱作农业发展的基本技术途[16]。地膜覆盖因其对改善耕层土壤的水热状
况具有显著作用，在中国北方干旱半干旱地区被广泛应用[17]。研究表明[18]，地
膜覆盖可增加土壤贮水量 30%、降低蒸散量 50%、减少水分亏缺 15%以上。
Choi等[19]通过置于土壤表面的热敏电阻记录下来的数据,分析得到,地膜覆膜分
别使表层5cm处的土壤温度分别升高了 2.8-9.4°C和0.93-7.3°C 。地膜覆
盖能改变土壤的温度、水分等环境因素, 必然导致土壤物理、化学性质和生物
学性状的变化[20]。
土壤微生物群落是土壤生物区系中最重要的功能组分,不仅土壤微生物本身是土壤养分重要的“源”和“汇”,支撑着土壤肥力, 它还对所生存的微坏境十分敏感,能对土壤生态机制变化和环境胁迫做出反应, 导致群落结构会发生改变, 所以被认为是土壤生态系统变化的预警及敏感指标, 指示土壤质量变化。此外, 土壤微生物多样性代表着群落结构的稳定性, 土壤微生物通过调节有机质的分
解动态平衡和营养对植物的可利用性来调节土壤生态系统[21]。
研究表明：（1）地膜覆盖对土壤微生物 PLFA 图谱的影响在玉米的不同生育期表现出不同的结果，说明覆膜后, 土壤微生物群落组成发生了改变[22]。地
膜覆盖条件下土壤微生物脂肪酸图谱发生变化, 一方面是因为覆膜导致微生物
种类的变化[23]; 另一方面, 是由于地膜覆盖使微生物生长的环境发生改变, 而
导致微生物发生的一系列生理反应[24]。PLFA 谱图发生变化更多的是源于样品中微生物的组成和生物量的变化。生物体内细胞中磷脂的含量通常可认为相对显
著恒定, 不过, 磷脂含量并非绝对不变, 环境压力会影响膜脂[25]。环境压力会
导致磷脂双分子层流动性的增加, 这会导致形成磷脂非双分子层相, 进而影响
细胞膜的渗透性[26]。为了消除环境压力带来的双分子层流动性 PLFA 加大的变
化, 细胞膜改变自身磷脂脂肪酸的结构而发生适应性改变, 是生物体内消除这些影响的机制之一[27]。（2）覆膜后土壤微生物群落组成发生了改变, 尽管土壤的施肥处理不同, 但覆膜处理使土壤微生物的群落在结构上有一致化的发展趋势。这可能是因为地膜覆盖有提高地温, 抗旱保墒, 有机质分解加快和养分活化及利用率提高的作用[28], 从而改善微生物生长的环境, 使微生物种内和种间及微生物与作物之间对养料和水分的竞争较小, 从而使各类微生物生长繁殖较好, 所以没有明显的优势种群, 群落结构较稳定且较相似, 有一致化的发展趋势[29]。
ALVEY S等通过研究裸地、半覆膜、全覆膜处理氨氧化细菌和氨氧化古菌的影响表明：覆膜处理通过直接影响土壤温度、水分变化,从而间接影响农田生态系统中参与硝化过程的氨氧古菌、氨氧化细菌尤其是氨氧化细菌群落结构组成和多样性发生变化,加速了氮的矿化速率,导致硝态氮急剧增加,但覆膜处理对参与反硝化过程的ｎｉｒＫ基因群落结构组成及多样性没有明显的影响,暗示着合理的覆膜技术应用有利提高土壤肥力,增加农作物产量,而对生态环境没有明显的影响[30]。
长期覆膜处理增加了作物产量,但同时改变了土壤的内在属性,对于农田生态系统的可持续性发展是否产生影响却不得而知。土壤微生物是土壤生态系统生命力的表征,是维持土壤质量的重要组成部分,能敏感的对环境变化作出相应的反应,因此被认为是土壤质量最敏感的生物学指标。地膜覆盖栽培土壤微生物数量增多,生物活性加强, 采用适当的培肥措施保持土壤养分状况、协调生物间相互关系, 对于地膜覆盖栽培技术的长期应用和持续发挥增产作用是十分重要的[31]。
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(5)高通量测序：环境微生物群落多样性分析 微生物群落多样性的基本概念 环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究 热点。长期以来，由于受到技术限制，对微生物群落结构和多样性的认识还不全面， 对微生物功能及代谢机理方面了解的也很少。但随着高通量测序、基因芯片等新技术 的不断更新，微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化。第二代高通量 测序技术（尤其 是Roche 454高通量测序技术）的成熟和普及，使我们能够对环境微生物进行深度测序，灵 敏地探测出环境微生物群落结构随外界环境的改变而发生的极其微弱的变化，对于我 们研究微生物与环境的关系、环境治理和微生物资源的利用以及人类医疗健康有着重 要的理论和现实意义。 在国内，微生物多样性的研究涉及农业、土壤、林业、海洋、矿井、人体医学等诸多领域。以在医疗领域的应用为例，通 过比较正常和疾病状态下或疾病不同进程中人体微生物群落的结构和功能变化，可以 对正常人群与某些疾病患者体内的微生物群体多样性进行比较分析，研究获得人体微 生物群
落变化同疾病之间的关系；通过深度测序还可以快速地发现和检测常见病原及新发传 染病病原微生物。研究方法进展 环境微生物多样性的研究方法很多，从国内外目前采用的方法来看大致上包括以下四 类：传统的微生物平板纯培养方法、微平板分析方法、磷脂脂肪酸法以及分子生物学 方法等等。 近几年，随着分子生物学的发展，尤其是高通量测序技术的研发及应用，为微生物分 子生态学的研究策略注入了新的力量。 目前用于研究微生物多样性的分子生物学技术主要包 括:DGGE/TGGE/TTGE 、 T-RFLP 、SSCP、FISH 、印记杂交、定量 PCR、基因芯片等。 DGGE 等分子指纹图谱技术，在其实验结果中往往只含有数十条条带，只能反映出样品中少数 优势菌的信息；另一方面，由于分辨率的误差，部分电泳条带中可能包含不只一种 16S rDNA 序列，因此要获悉电泳图谱中具体的菌种信息，还需 对每一条带构建克隆文库，并筛选克隆进行测序，此实验操 作相对繁琐；此外，采用这种方法无法对样品中的微生物做 到绝对定量。生物芯片是通过固定在芯片上的探针来获得微
土壤微生物群落结构影响因素及研究方法的现状与展望 摘要: 土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分, 在土壤有机物质分解和养分释放、能量转移等中起着重要作用。随着人们对生物群落结构多样性重要性认识的不断深入及研究方法的不断改进, 土壤微生物群落结构多样性, 尤其是群落结构的研究工作逐渐受到生态学家的重视。本文从土壤微生物群落结构多样性的影响因素以及研究方法等方面阐述了目前国内外土壤微生物群落结构多样性的研究现状, 并对其未来研究方向进行了合理展望。 关键词:微生物,群落结构, 土壤微生物群落 Review and prospects on methodology and affecting factors of soil microbial community structure Abstract:Soil microorganisms are important components of soil ecosystem and play central roles in biogeochemicalcycling such as organic matter decomposition, mineral nutrient release, and energy transformation. Along with the intensive comprehension of the importance of microbial community structure diversity and the rapid development of methodology, more and more studies have focused on soil microbial community structure diversity. This review introduces the current development of methodology and affecting factors of soil microbial community structure diversity. We also discussed the directions of future research on soil microbial community structure diversity. Key words: biodiversity, community structure ; soil；microbial community 引言 土壤微生物主要指土壤中那些个体微小的生物体,主要包括细菌、放线菌、真菌,还有一些原生动物和藻类等。土壤微生物是影响土壤生态过程的一个重要因素, 土壤微生物在土壤形成、生态系统的生物地球化学循环、污染物质的降解和维持地下水质量等方面都具有重要作用。由于土壤中微生物个体微小, 数量多,土壤微生物分离和鉴定困难,土壤环境条件复杂等原因, 目前为止大约仅1～10%的土壤微生物被分离和鉴定,这些限制了对土壤微生物在陆地生态系统中重要作用的认识。虽然,对土壤微生物的认识有限,但这并没有影响它们在维护整个陆地生态系统稳定中的重要作用。近年来,随着研究的日益深入,对土壤微生物群
第27卷增刊V ol 127,Sup 1广西农业生物科学Journal o f Guangx i A g ric 1and Biol 1Science 2008年6月June,2008 收稿日期:20080122。 基金项目:广西大学博士启动基金项目(X05119)。 作者简介:姚晓华(广西大学副教授,博士;E -mail:x hy ao@g xu 1edu 1cn 。文章编号:10083464(2008)增008405 土壤微生物群落多样性研究方法及进展 姚晓华 (广西大学农学院,广西南宁530005) 摘要:微生物多样性是指群落中的微生物种群类型和数量、种的丰度和均度以及种的分布情况。研究 土壤微生物群落多样性的方法包括传统的以生化技术为基础的方法(直接平板计数、单碳源利用模式等) 和以现代分子生物技术为基础的方法(从土壤中提取DN A ,进行G+C%含量的分析,或杂交分析,或进 行PCR,产物再进行D GGE/T GG E 等分析)。现代生物技术与传统微生物研究方法的结合使用,为更全面 地理解土壤微生物群落的多样性和生态功能提供了良好的前景。 关键词:微生物多样性;生化技术;分子生物学技术;DN A 中图分类号:.Q 938115 文献标识码:A Advancement of methods in studying soil microbial diversity YAO Xiao -hua (Co llege of Ag ricultur e,G uangx i U niv ersit y,N anning 530005,China) Abstract:Species div ersity consist o f species richness,the total number of species,species ev enness,and the distribution of species 1Methods to measure microbial diversity in so il can be categ orized into tw o g roups:biochemica-l based techniques and m olecular -based techniques 1The fo rmer techniques include plate counts,sole carbon so urce utilizatio n patterns,fatty acid methy l ester analysis,and et al 1The latter techniques include G +C%,DNA reassociation,DNA -DNA hy br idization,DGGE/TGGC,and et al 1Ov er all,the best w ay to study soil microbial diversity w o uld be to use a variety of tests w ith differ ent endpoints and degr ees o f r esolutio n to o btain the bro adest picture possible and the most inform ation r eg ar ding the microbial co mmunity 1 Key words:microbial diversity;biochem ica-l based techniques,mo lecular -based techniques,DNA 微生物多样性研究是微生物生态学最重要的研究内容之一。微生物在土壤中普遍存在,对环境条件的变化反应敏捷,它能较早地预测土壤养分及环境质量的变化过程,被认为是最有潜力的敏感性生物指标之一[1] 。但土壤微生物的种类庞大,使得有关微生物区系的分析工作十分耗时费力。因此,微生物群落结构的研究主要通过微生物生态学的方法来完成,即通过描述微生物群落的稳定性、微生物群落生态学机理以及自然或人为干扰对群落产生的影响,揭示土壤质量与微生物数量和活性之间的关系。利用分子生物学技术和研究策略,揭示自然界各种环境中(尤其是极端环境)微生物多样性的真实水平及其物种组成,是微生物生态学各项研究的基础和核心,是重新认识复杂的微生物世界的开端。
第26卷第10期 2006年10月生 态 学 报ACT A EC O LOGIC A SI NIC A V ol.26,N o.10Oct.,2006 污染土壤微生物群落结构多样性及 功能多样性测定方法 陈承利,廖 敏3 ,曾路生 (污染环境修复与生态健康教育部重点实验室,浙江大学环境与资源学院,杭州 310029)基金项目:国家重点基础研究发展规划“973”资助项目(2002C B410804);国家自然科学基金资助项目(40201026) 收稿日期:2005206227;修订日期:2006205220 作者简介:陈承利(1982～),男,浙江平阳,硕士,主要从事土壤环境化学与环境生态毒理学研究.E 2mail :clchen1982@1631com 3通讯作者C orresponding author.E -mail :liaom in @https://www.doczj.com/doc/973500679.html, or liaom inzju1@1631com Found ation item :The project was supported by National K ey Basic Research Support F oundation of China (N o.2002C B410804)and National Natural Science F oundation of China (N o.40201026) R eceived d ate :2005206227;Accepted d ate :2006205220 Biography :CHE N Cheng 2Li ,M aster ,mainly engaged in s oil environmental chem istry and ecotoxicology.E 2mail :clchen1982@1631com 摘要:土壤微生物在促进土壤质量和植物健康方面发挥着重要的作用,土壤微生物群落结构和组成的多样性及其变化在一定程度上反映了土壤质量。为了更好地了解土壤健康状况,非常有必要发展有效的方法来研究污染土壤微生物的多样性、分布以及行为等。回顾了近年来国内外污染土壤微生物群落结构多样性及功能多样性的测定方法,包括生物化学技术和分子生物学技术,现将它们的原理、优缺点、实用性及其发展动态作一阐述,同时指出结合这两种技术可为微生物群落分析提供一个更全面的、精确的方法。 关键词:污染土壤;微生物多样性;分子生物学;BI O LOG;P LFA ;PCR ;DNA 文章编号:100020933(2006)1023404209 中图分类号:Q143,Q938,S154 文献标识码:A Methods to measure the microbial community structure and functional diversity in polluted soils CHE N Cheng 2Li ,LI AO Min 3,ZE NG Lu 2Sheng (MOE K ey Laboratory ,Environmental Remediation and Ecosystem H ealth ,College o f Environmental and Resources Sciences ,Zhejiang Univer sity ,Hangzhou ,310029,China ).Acta Ecologica Sinica ,2006,26(10):3404～3412. Abstract :S oil m icroorganisms ,such as bacteria and fungi ,play im portant roles in prom oting soil quality and im proving plant health and nutrition ,thus in fluencing terrestrial ecosystems.Increasing anthropogenic activities ,such as spraw ling urbanization ,agricultural development ,pesticides utilization ,and pollutions from all sources ,can potentially affect soil m icrobial community com position and diversity ,leading to deterioration of soil quality and fertility.H owever ,it is yet to be determ ined how these changes in m icrobial diversity can in fluence surface and ground ecosystems.T o that end ,there is an acute need for reliable and accurate methods to study the community structure and tax onomy of soil m icroorganisms.W ithout the development of effective methods for studying the m icrobial diversity ,distribution ,and behavior in polluted soil ,a thorough understanding of m icrobial diversity ,as well as its im pact on soil health ,cannot be achieved. The determ ination of species diversity depends on several factors including the intensity of each species ,the total number of species present ,species evenness ,and the spatial distribution of species.M ethods to measure m icrobial community structure and functional diversity in polluted soils can be classified into tw o groups ,i.e.,biochem ical 2based techniques and m olecular biological 2based techniques.T ypically ,diversity studies include the relative com parisons of communities across a gradient of stress and disturbance.W ith current techniques ,it is difficult to study true diversity due to lack of know ledge on com position and the techniques to determ ine the accuracy of the extraction or detection methods.T raditionally ,the analysis of soil m icrobial
目前用于湿地微生物群落结构分析的技术主要有平板计数法、荧光染色法、Biolog微平板分析、微生物醌指纹法、磷脂脂肪酸(PLFA)谱图、荧光原位杂交(FISH)技术等。近年来，变性梯度凝胶电泳、随机扩增多态性DNA标记、单链构象多态性等方法在湿地研究中也开始应用，对湿地中微生物的研究起到显著的推动作用。以期为利用现代分子技术研究人工湿地中微生物种群净化机理提供参考。 1 PCR-DGGE(Polymerase Chain Reac-tion and Denaturing Gradient Gel Electro-phoresis) 1.1 DGGE 原理 DGGE(变性梯度凝胶电泳)技术是由Fischer和Lerman于1979年最先提出的，主要是用于检测DNA突变的一种电泳技术。1993年Muzyers等首次将DGGE 技术应用于分子微生物学研究领域。DGGE利用序列不同的DNA片段在聚丙烯酰胺凝胶中解链温度不同的原理，通过梯度变性胶将DNA分开。与其它电泳系统相比，它不是基于核酸分子量的不同将DNA片段分开，而是根据序列的不同将片段大小相同的DNA序列分开。当双链DNA分子在含梯度变性剂(尿素、甲酰胺)的聚丙烯酰胺凝胶中进行电泳时，其解链的速度和程度与其序列密切相关，相同碱基对数目的双链DNA分子由于碱基对组成的不同，解链所需要的变性剂浓度也不同，当某一双链DNA序列迁移到变性凝胶的一定位置，并达到其解链温度时,即开始部分解链，解链程度越大，迁移阻力大，DNA分子的迁移速度随之减小，产生的迁移阻力与电场力相平衡时，具有不同序列的DNA片段则停留于凝胶的不同位置，形成相互分开的条带图谱。理论上只要选择的电泳条件足够精细，最低可检测到只有1个碱基差异的DNA片段。 1.2 PCR-DGGE 在人工湿地研究中的应用 1.2.1 微生物数量、丰度及多样性 Dong等用PCR-DGGE技术鉴别分析用来处理猪圈废水的湿地基质中微生物的情况，得出菌种的分布与总磷、硝酸盐、磷酸盐的浓度显著相关，从进水到出水中微生物的多样性及丰度显著降低，其优势种为Pseudomonas sp.(假单胞菌), Arthrobac-ter sp.(节细菌属), Bacillus sp.(杆状菌)。通过系统发育分析表明一部分16S rRNA的基因序列与不可培植的反硝化细菌具有极大的相关性，而这些反硝化细菌的活动对湿地中氮的去除起着重要的作用。Yin等利用DGGE技术分析处理受污染景观湖水的三个水平潜流湿地中微生物的多样性、总的微生物群落的改变以及氨氧化细菌的组成。通过PCR对携带单加氧酶的基因序列进行扩增，得出季节的变化对微生物群落的多样性和组成具有影响；序列分析说明湿地中氨氧化细菌是不可培养的，其菌群中含有大量的亚硝化单胞菌类似序列。Guo等利用
第四章种群和群落 第3节群落的结构 授课人：授课时间: 授课地点： 一、教材分析 本节属于高中生物必修3第四章种群与群落中第三节，是之后要学习的群落演替以及生态系统的基础，因此，是本章的重点内容之一。 群落的结构在课程标准中相关的具体内容标准为“描述群落的结构特征”。该条内容标准属于了解水平，要求同学们能够对群落的结构进行简单的描述，能从生命系统的角度说出群落是具有一定的组成和结构。 二、学生分析 在前面的学习中，学生就已经掌握了种群的相关知识，这为本节的学习奠定了基础。但学生毕竟有着基础和其它方面非智力因素的差异，因此要进行因材施教。从疑问的设置，到问题的回答要适合不同层次的学生；从基础知识的掌握，再到能力的培养，包括探索创新能力，学习兴趣等，教师要对不同层次学生进行相应点拨。 三、教学目标 1、知识与能力 1).学生能识别群落，说出群落水平上研究的问题。 2)学生能分析群落的物种组成，并说明不同群落有不同物种组成的原因。 3)学生能举例说出一个群落中不同生物种群间的种间关系。 4)学生能说出群落的空间结构，理解群落的空间结构形成是生物适应环境的结果。 2、过程与方法 通过分析讨论让学生学会合作学习，培养分析归纳问题的能力。凭借概念对具体的生物学现象作出判断和推理，训练学生应用知识、解决问题的能力。 3、情感态度与价值观 通过对群落动态规律的研究，懂得合理开发利用生物资源、保护生态平衡的重要意义，从而进一步树立环保意识。 四、教学重点和难点 1、教学重点 1)群落的结构特征； 2)丰富度的概念； 3)生物种群内各物种之间的关系； 4)种群的空间特征及应用。 2、教学难点 1)生物种群内各物种之间的关系； 2)种群的空间特征及应用。 五、教学思路 在引入课题中，通过设问，引导分析池塘中的各种种群，从而引出群落的概念。在此基础上，进一步引导学生探究的欲望，通过剖析某池塘中的生物群落，引出群落水平上所研究的问题和群落结构
人体微生物群落与疾病 人体从一出生开始就有微生物寄生，在慢慢成长的过程中形成性对稳定的微生物菌落平衡。肠道微生物菌落与宿主健康状况的关系十分密切。大多数情况下，微生物菌落与疾病维持着一个简单的关联，但目前还不清楚微生物群的变化是否会精确地引起疾病或者只是简单地反映某种疾病的状态。进一步说，还不清楚微生物平衡是如何或者为什么会朝着菌群失调这种非健康的方向变化。目前的研究认为有三个因素可能会对人体肠道微生物群落产生影响：1、抗菌药的使用。抗菌药物的使用有可能大量杀死某一类型的微生物，从未破坏人体微生物群落。2、饮食。人们的日常饮食会影响人体内微生物的组成，而且食物中的一些化学制剂或者与某些化学制剂具有类似功能的成分都有可能影响体内的微生物菌落。3、心理压力。心理压力也会改变人体内的微生物群落状况，可能引起一些微生物的增加，同时也会降低某些微生物的数量。人体肠道微生物菌落异常与自身免疫疾病、肥胖、糖尿病、自闭症神经系统疾病等很多疾病或健康问题相关。 治疗癌症 法国巴斯德研究所等机构的研究人员在美国期刊《科学》上报告说，常用于癌症化疗的药物环磷酰胺能够破坏肠道黏液层，让肠道细菌进入循环系统，其中一些到达脾和淋巴结的细菌能促进形成免疫细胞，而后者会攻击癌细胞。但当研究人员用抗生素杀死实验鼠的肠道细菌后，环磷酰胺间接促生免疫细胞的能力会大大降低。 《科学》同期发表的美国国家癌症研究院的另一项研究显示，科研人员选取正接受化疗、存活率为70%的癌症实验鼠，并用抗生素杀死其肠道细菌。结果导致这些实验鼠摄入的化疗药物不再起作用，它们的存活率在两个月后下降到20% 生物夺氧 需氧微生物，特别是芽胞杆菌消耗肠道内的氧气，形成厌氧的环境，有利于乳酸杆菌等有益微生物的生长，抑制有害需氧菌和兼性厌氧菌的增值，防止发病。 双歧杆菌 1、维护肠道正常细菌菌群平衡，抑制病原菌的生长，防止便秘，下痢和胃肠障碍等； 2、抗肿瘤； 3、在肠道内合成维生素、氨基酸和提高机体对钙离子的吸收；
生活污水处理厂微生物群落结构解析 发表时间：2018-11-27T16:00:33.133Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第21期作者：安海金[导读] 其中共有19种优势微生物的丰度在1%以上，共有355中菌属的所占比例高于0.01%。通过试验结果可以分析得到A城的城市污水处理厂的水质中有比较丰富的微生物资源，这些微生物资源也为污水处理提供微生物基础。 安海金 山西华瑞鑫环保科技有限公司山西省太原市 030024摘要：本文的研究对象是A城的城市生活污水处理厂，研究方法为高通量测序技术，最终获得解析功能单元中微生物群体结构结果。通过高通量测序得出ACE指数为20653.4，Chaol指数为12145.8，Shannon指数为6.6，Simpson指数为0.005。其中共有19种优势微生物的丰度在1%以上，共有355中菌属的所占比例高于0.01%。通过试验结果可以分析得到A城的城市污水处理厂的水质中有比较丰富的微生物资源，这些微生物资源也为污水处理提供微生物基础。 关键词：生活污水；微生物群体；结构解析引言：随着工业经济的不断发展，国家越来越重视对工业污染的处理要求，污水处理也是一项重要内容。如果污水处理不达标，排放出不符合要求的污水，会直接对湖水、河水产生负面影响，比较常见的就是水体富营养化。在城市污水处理的过程中，脱氮除磷是重要内容，污水处理厂中存在大量的微生物菌属，了解其群落结构特征可以为脱氮除磷在理论上提供帮助，便于脱氮除磷工作在实际工作中的推 进。目前，城市污水处理厂使用的主要方法是氧化沟工艺，从微生物群体结构出发来解析的还比较少。本文以A城的污水处理厂为例，使用污水处理厂中的活性污泥作为研究对象，采用高通量测序技术从各级分类水平上分析污水处理厂中的微生物多样性以及其群落结构特征，希望能为氧化沟污水处理提供补充性的理论支持。 1材料与方法 1.1污水处理厂概况 A城污水处理厂位于市区东南河边，每天处理污水量达10—15吨。该污水处理厂的进水水质中TP（总磷）为2.7mg/L，氨氮为18.7mg/L，YN（总氮）为24.5mg/L，化学需氧量为242.8mg/L，升华需氧量为109.5mg/L。处理污水主要使用氧化沟，水力停留时间为十小时。 1.2高通量测序 该方法是指将氧化沟厌氧池中的活性泥污放入冰盒后带回实验室立即试验，借助试剂盒的帮助提取微生物基因组DNA，为了检测抽取基因的完整性，需要使用到1%的琼脂糖凝胶电泳，之后用试剂盒来检验基因组DNA的浓度。每个样品需重复三道工序，首先进行3分钟的95℃预变；之后是保持30s的95℃、55℃、72℃的循环，包含25个循环；最后是在72℃下保持5分钟。对PCR产物进行琼脂糖电泳并回收，使用Qubit2.0DNA检测产物的定量，再通过IlluminaMiseq测试平台对PCR产物做高通量测序。 1.3微生物群落结构分析 通过对所得序列的质量控制除去不合格的引物序列、短片段和低质量序列，对剩下的序列进行相似性分析，使用uclust软件划分操作分类单元。同时对所选序列进行物种分类，分为门、纲、目、科、属这几个基本单位，根据各单位内的序列数量进行统计分析，绘制物种有关图表。 2结果与讨论 2.1污水处理效果 试验时的污水温度处于25—35℃的区间内，笔者对该污水处理厂的进水浓度进行了累计频率分析，结果为该污水处理厂的出水水质是符合一级B类排放标准的。在该污水处理厂升级改良后，出水水质满足一级A类排放标准。 2.2污泥中微生物多样性分析 最初共获得了28560条有效序列，通过质量控制后分为4435个分类操作单元，即OUT。对有效序列进行的是α指数多样性分析，结果为ACE指数为20653.4，Chaol指数为12145.8，Shannon指数为6.6，Simpson指数为0.005。后续可根据OUT数目、ACE指数、Chaol指数等绘制丰富度稀疏图或Shannon指数图等，从数值中可以分析出序列数量是接近饱和的，这也表明了污泥中有较多的微生物物种，并且其丰度与多样性都很高。 3微生物群落结构解析 3.1门水平群落结构分析 试验结果表明大部分的细菌为变形菌门和浮霉菌门这两类，这两类细菌也是比例超过了20%比例的细菌。变形菌门细菌都是革兰氏阴性菌，有学者指出变形菌门有利于污水中有机物的祛除。浮霉菌门对去除水体中的氨氮和亚硝酸盐氮也有很大的作用，它主要存在于淡水水体、海洋沉积物、污水处理系统、土壤等厌氧环境中。其他占比比较大的细菌还有酸杆菌门、衣原体门、放线菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门，这些细菌都可以处理污水中的有机物，具有相似的作用。 3.2纲水平群落结构分析 在纲水平下，浮霉菌纲是最主要的，比例达23%左右，其他比较重要的有γ-变形菌纲、α-变形菌纲、β-变形菌纲等，加起来的比例在25%左右。α-变形菌纲是一种自养微生物，可以在硝化过程中发挥作用；γ-变形菌纲与β-变形菌纲具有相同点，都为兼性异氧菌，参与COD 的降解过程，在污水处理中发挥重要作用。 3.3目水平群落结构分析 目水平下的细菌种类较多，比例最高的是浮霉菌目，比例在20%以上，明显高于其他目。变形菌门比例也不低，但种类很多，包括根瘤菌目、红螺菌目、假单胞菌目、黄色单胞菌目、军团菌目、交替单胞菌目、脱硫弧菌目、伯克氏菌目、交替单胞菌目等。衣原体目的比例也比较多，同样包括很多种类，比如鞘脂杆菌目和暖绳菌目等。 3.4科水平群落结构分析
环境微生物群落多样性分析 微生物群落多样性的基本概念 环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点。长期以来，由于受到技术限制，对微生物群落结构和多样性的认识还不全面，对微生物功能及代谢机理方面了解的也很少。但随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新，微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化。第二代高通量测序技术（尤其是Roche 454高通量测序技术）的成熟和普及，使我们能够对环境微生物进行深度测序，灵敏地探测出环境微生物群落结构随外界环境的改变而发生的极其微弱的变化，对于我们研究微生物与环境的关系、环境治理和微生物资源的利用以及人类医疗健康有着重要的理论和现实意义。 在国内，微生物多样性的研究涉及农业、土壤、林业、海洋、矿井、人体医学等诸多领域。以在医疗领域的应用为例，通过比较正常和疾病状态下或疾病不同进程中人体微生物群落的结构和功能变化，可以对正常人群与某些疾病患者体内的微生物群体多样性进行比较分析，研究获得人体微生物群落变化同疾病之间的关系；通过深度测序还可以快速地发现和检测常见病原及新发传染病病原微生物。 研究方法进展 环境微生物多样性的研究方法很多，从国内外目前采用的方法来看大致上包括以下四类：传统的微生物平板纯培养方法、微平板分析方法、磷脂脂肪酸法以及分子生物学方法等等。 近几年，随着分子生物学的发展，尤其是高通量测序技术的研发及应用，为微生物分子生态学的研究策略注入了新的力量。 目前用于研究微生物多样性的分子生物学技术主要包括:DGGE/TGGE/TTGE、T-RFLP、SSCP、FISH、印记杂交、定量PCR、基因芯片等。DGGE等分子指纹图谱技术，在其实验结果中往往只含有数十条条带，只能反映出样品中少数优势菌的信息；另一方面，由于分辨率的误差，部分电泳条带中可能包含不
绪论（3分）第一章原核生物的形态、构造和功能（15分）第三章病毒和亚病毒（7分） 一、名词解释 微生物：一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。 微生物化： 模式微生物: 微生物多样性: 细菌：一类细胞细短、结构简单、胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。 古生菌：在进化途径上很早就与真细菌和真核生物相互独立的生物类群。 L细菌：实验室或宿主体内通过自发突变而行成的遗传性稳定的细胞壁缺损菌株。 伴孢晶体：在形成芽孢的同时，会在芽孢旁行车形成一颗菱形、方形或不规则的碱溶性蛋白质晶体。 菌落：菌落（colony）由单个细菌（或其他微生物）细胞或一堆同种细胞在适宜固体培养基表面或内部生长繁殖到一定程度；形成肉眼可见有一定形态结构等特征的子细胞的群落。 放线菌：一类主要呈菌丝状生长和以孢子繁殖的陆生性较强的原核生物。 静息孢子：一种长在细胞链的中间或末端的形大、壁厚、色深的休眠细胞，富含贮藏物，能抵御干旱等不良环境的孢子。 病毒:是一类核酸合蛋白质等少数集中成分组成的超显微“非细胞生物”。 基本培养基：仅能满足微生物野生型菌株生长需要的培养基。 最适生长温度：某菌分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。 巴氏消毒法：一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的消毒法。 细菌质粒：游离于细菌核基因组以外具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子。 温和噬菌体：能引起溶源性的噬菌体。 前噬菌体：凡能引起溶源性的噬菌体侵入的宿主细胞 病毒包涵体：病毒在增殖的过程中，常使寄主细胞内形成一种蛋白质性质的病变结构，一般是由完整的病毒颗粒或尚未装配的病毒亚基聚集而成。 噬菌体：原核生物的病毒。 阮病毒：一种不含核酸的传染性蛋白质分子。 周质空间：界于外膜和细胞质膜之间的透明空间。 溶原性细菌：温和噬菌体侵入的宿主细胞。 噬菌斑生成单位（效价）：每毫升试样中所含有的具侵染性的噬菌体粒子数。 一步生长曲线：定量描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线。 糖被：包被与某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的透明胶状物质。 二、填空题 1.微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称，其特点是个体微小、构造简单和进化地位低。
“群落的结构”知识点详解 一、知识梳理 二、知识拓展 1．种群与生物群落的关系 群落的概念：在一定空间内所有生物种群的集合体，它具有一定的结构、一定的种类构成和一定的种 间相互关系，并在环境条件相似地段可以重复出现。 群落的物种组 成和优势种 丰度 概念：群落中物种数目的多少称为物种丰度。 测定方法：识别组成群落的各种生物并列出它们的名录。 特点：不同群落的物种丰度有差别，是区别不同群落的重要特征。 优势种 概念：群落中，少数种类的生物能够凭借自己的大小、数量和生产力对群落 产生重大影响，这些种类常被称为群落的优势种。 识别特征：①个体数量多，通常会占有竞争优势； ②常常在群落中占有持久不变的优势。 群落结构 形成原因：群落结构与环境中生态因素有关，群落结构的具体表现都是在长期自然选择基 础上形成的对环境的适应。 类型 垂直结构：在垂直方向上，大多数群落（陆生群落、水生群落）具有明显的分层 现象，植物主要受光照、温度等的影响，动物主要受食物的影响。 水平结构：由于不同地区的环境条件不同，即空间的非均一性，使不同地段往往 分布着不同的种群，同一地段上种群密度也有差异，形成了生物在水平方向上的配置状况。 化。 意义：生物在垂直方向及水平方向上的位置配置关系有利于提高生物群落整体对自然资源 的充分利用。 物种在群落 中的生态位 生态位：是指物种利用群落各种资源的幅度以及该物种与群落中其他物种相互关系的总 和。它不只是说明物种的具体栖息地，还表示物种在群落中的地位、作用和重要性，所以生态位远比栖息地复杂。 完全重叠：当资源不足时，竞争优势较大的物种会把另一物种完全 排除，即竞争排除原理；当资源丰富时，有竞争关系的两个物种，可以共存。 部分重叠：当资源不足时，重叠部分由竞争优势较大的物种占有； 当资源丰富时，有竞争关系的两个物种，可以共存。 群 落 类型 形成原因：当多个种群利用同一资源或同共占有其他环境变量时，就会出 现生态位重叠。
基于二代高通量测序的环境微生物多样性分析 一般认为土壤、海洋、肠道等生态系统中的微生物数量繁多、种类多样。传统的培养方法只限于对环境样品中极少部分（0.1%-1%）可培养的微生物类群的研究，而变性梯度凝胶电泳（DGGE）、克隆文库等常规的分子生物学方法也因操作复杂、成本高、痕量菌发现困难等因素无法达到深入分析环境微生物多样性的目的。高通量测序技术的出现，极大的促进了对环境中不可培养微生物以及痕量菌的研究，为环境微生物多样性的研究开启了新的研究热潮。 微生物群落中物种的多样性依然是目前研究的重点。对群落结构的研究，将有助于了解种群结构的稳定性，进而了解种群内物种间的相互依赖、相互制约的内在联系，为将来构建功能性种群服务。鉴于微生物群落是一个多物种的集合体，其中高达95%以上的微生物物种无法分离也不能独立培养，拼装出每个独立个体的基因组现在也无法实现，细菌16S 或真菌ITS测序分析依然是现阶段微生物群落多样性和多态性分析的基石。 一、高通量测序背景介绍 高通量测序技术，可以一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，使得对PCR扩增产物直接进行序列测定成为可能。极大的促进了对环境中不可培养微生物以及痕量菌的研究，为环境微生物多样性的研究开启了新的研究热潮。目前高通量测序的主要平台代表有Illumina公司的Solexa基因组分析仪（Illumina Genome Analyzer）、罗氏公司(Roche)的454测序仪（Roch GS FLX sequencer）和ABI的SOLiD测序仪（ABI SOLiD sequencer）。微生物多样性分析中，以Illumina 及454测序平台应用最为广泛。 二、工作流程 1 PCR引物的设计 2 PCR扩增条件摸索 3琼脂糖凝胶电泳检测结果 4 全部样品进行PCR 5 PCR产物的凝胶回收及检测 6 PCR产物精确定量（Qubit 2.0 ）
地膜覆盖对土壤微生物群落结构的影响 摘要：地膜覆盖因其对改善耕层土壤的水热状况具有显著作用，在中国北方干旱半干旱地区被广泛应用。土壤的结构、通气性、水分状况、养分状况等对土壤微生物均有重要影响。本文研究了长期覆膜栽培条件下的土壤微生物种群和生物活性, 为地膜覆盖栽培技术的长期应用和持续发挥增产作用提供科学依据。 关键字：地膜覆盖；微生物群落结构 土壤微生物是陆地生态系统的重要组成部分,是土壤有机质及养分转化、循环的主要动力,在推动地球生物化学元素循环过程中起着重要作用[1]。土壤微生物组成的质与量的变化是土壤健康状况的重要敏感指示[2]。土壤微生物多样性可以定义为生命的丰富度,代表着微生物群落的稳定性,也反映土壤生态机制及土壤胁迫对微生物群落的影响。 土壤微生物群落结构主要指土壤中各主要微生物类群(包括细菌、真菌、放线菌等)在土壤中的数量以及各类群所占的比率,其结构和功能的变化与土壤理化性质的变化有关[3]。 1、水分对微生物的影响 水分微生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。游离态的水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，故能有效地吸收代谢过程中产生的热量，使细胞温度不致于骤然升高，能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。 水分的影响不仅取决于含量的多少，更重要的是其可给性。溶质浓度高低和固体表面对水的亲和力都影响水分对微生物的可给性。环境中水的可给性一般以活水度ａ ｗ （water activity）来表示。它是指在一定温度和压力条件 下，溶液蒸汽压（ｐ）与纯水蒸汽压（ｐ ０ ）之比，公式为 ａ ｗ＝ｐ／ｐ ０ 各环境中ａ ｗ值在0至1之间，纯水的ａ ｗ =1。水中有其他溶质时，溶质的 ａ ｗ值降低，溶质愈多，ａ ｗ 值越小，土壤中水活度在0.90至1.00之间。每种 微生物都有最适ａ ｗ值，超过或低于最适ａ ｗ 值，都会通过影响渗透压的变化而
水体生物膜微生物群落结构特征研究 姓名：XXX 学号：xxxxx 专业：环境科学与工程导师：XXX 1研究背景 水体生态系统中包含大量的水生生物及微生物系统，其中生物膜即为微生物菌群在水体中的表现形式之一。水体中的生物膜主要是由大量微生物附着在固体表面，并以水体中的营养物质为养分不断地生长繁殖，通过微生物胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，以下简称EPS）对细胞的粘附、凝聚形成一定结构的微生物膜。生物膜广泛存在于河湖水体的表层沉积物、岩石及悬浮颗粒表面，它的存在对水体污染物质的吸附、降解起到很大的作用。水体生物膜中的微生物在水体物质循环及能量流动中起着重要作用，可影响水体中营养物质的分布及转化，同时生物膜特征的变化也主要是由于水体环境因子、营养元素的变化引起的，故水体生物膜特征是水体环境变化和演替的重要标志。 2研究意义 水体营养物质、温度及水动力是影响生物膜形成、生长的主要原因，同时微生物的生命活动可影响水体营养物质的分布及迁移转化。研究不同水体生物膜胞外聚合物含量、微生物群落结构特征对了解水环境变化、营养物质转换具有指导意义，对自然水体的自我修复、生态治理具有现实意义。 3研究内容 （1）不同水体生物膜EPS特征； （2）不同水体生物膜群落结构特征； （3）生物膜微生物群落与营养要素、EPS中蛋白、多糖的响应； 4创新点 大量的研究侧重于水体沉积物，而本研究主要侧重于上层水体边侧附着的生物膜分布特征，以及水流剪切力对生物膜的影响。
Research on Characteristics of Biofilm Microbial Community Structure in argodromile 1 Background Aquatic ecosystem contains a large number of aquatic organisms and microbial systems, including biofilm which is one of the manifestations of microbial flora in water. Biofilm is dominated by a large number of microorganisms which grow and reproduce with nutrients constantly, attached to a solid surface, with cells adhered and cohered to the extracellular polymeric substances(EPS) to form certain biofilm structure. Biofilm is widely present in sediments,surface of rock and suspended particles in water, its presence on the adsorption and degradation of water pollutants plays a significant role. Biofilms in water plays an important role in nutrient cycling and energy flow. affects the distribution and transformation of nutrients in water, the changes of water environment factors and nutrient elements can also affect the characteristics of the biofilm. Biofilm characteristics is an important symbol of water environment change and succession. 2 Significance Water nutrients, temperature, and hydrodynamics force are the main factor that affect the biofilm’s formation and growth, while microbial life events can also affect the distribution ,transformation and migration of nutrients in the water.Understanding the structure of the microbial community and biofilm extracellular polymer substances content in different kind of water has guiding significance to know the changes in water environment,and the conversion of nutrient.It also has practical significance for natural water body self-healing and ecological management. 3 Research (1) EPS characteristics of different water bodies; (2) Biofilm community structure characteristics of different water bodies; (3) The relationships between biofilm microbial communities and nutrients, proteins and polysaccharides in EPS.