叩开土壤微生物王国的大门

微生物是土壤中最活跃的组成,它们种类繁多,数量巨大,在土壤生态系统中各自行使着独特的功能,在地球物质循环、能量转换、环境与健康等方面发挥着重要作用。据估计,1克土壤中生存着成千上万种、数量多达上十亿(109)个的微生物个体(细胞),是人类取之不尽生物资源库、基因资源库、代谢产物库。土壤微生物在维持生态系统整体服务功能方面发挥着重要作用,常被比拟为土壤中C,N,S,P 等养分元素循环的“转化器”、环境污染物的“净化器”、促进陆地生态系统稳定的“调节器”。同时,土壤又为微生物生长和繁殖提供了良好的物理结构与化学营养,是微生物最好的“天然栖息地”。

生物与环境之间的相互影响,是地球上的生命出现以来就普遍存在的一种自然现象。土壤与土壤微生物之间也是如此,不同的土壤环境下会形成不同的微生物种群结构,甚至强酸性、盐渍化、高温、低温、干旱等等极端土壤环境条件下,也有特定类型的土壤微生物适于生存,比如嗜热微生物就生活在高于40~50℃的高温环境中,如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。目前对土壤中绝大多数微生物多样性与功能的认识还十分有限,土壤微生物研究已成为国际关注的热点问题。

从1676年,虎克用自制的单式显微镜观察到细菌个体开始,传统的土壤微生物研究主要采用样品富集培养和分离、显微直接计数、活菌计数法等方法。这个阶段显微镜是我们认识微生物的主要武器,它让这些在土壤中比头发丝的直径还小十倍、百倍的微小精灵展现在我们的眼前。

显微镜下的微生物世界

显微镜下的微生物世界

富集培养,是利用不同微生物间生命活动特点的不同而制定特定的环境条件、使仅适用于该条件的微生物旺盛生长,在群落中的数量大大增加,从而使得人们能够更容易地从自然界中分离到所需的特定微生物的培养方法。富集条件可根据所需分离的微生物的特点,从物理、化学、生物及综合多个方面进行选择,如温度、pH、紫外线、高压、光照、氧气、营养等许多方面。如图描述了采用富集方法从土壤中分离能降解酚类化合物对羟基苯甲酸的微生物的实验过程。

反硝化微生物分离培养方案示意图

事实上,土壤中能够通过富集培养分离得到的微生物种群数量还相当的小。据估算,每克土壤中约含数万个物种,100亿左右微生物,而其中仅有1% 的物种可通过分离培养进行研究。

新技术的发展,特别是分子技术的引进为土壤微生物学家展示了土壤微生物组成、活性和原位研究的美好情景,分子生物学原理和技术应用于生态学研究而形成的生态学新的分支科学——分子生态学,使生态学的实验研究一跃进入分子水平。分子生态学是应用分子生物学的原理和方法来研究生命系统与环境系统相互作用的机理及其分子机制的科学。

大家最熟知的DNA检验,估计要数亲子鉴定了吧。,事实上,DNA是引导生物发育与生命机能运作的“蓝图”;而RNA则是遗传信息的载体。通过研究土壤中微生物DNA的种群与数量,可以分析具有某些特定功能的微生物种群多样性和丰度,甚至进一步,RNA水平的研究,可以知道某些功能基因在微生物体内是否起作用。在此基础上,科学家们就可以探索微生物种群对环境变化的响应机理、功能变化与环境之间的关系、功能演变与环境长期变化的关系以及其它生命层次生态现象的分子生态学机理等。

随着环境的恶化、污染的加剧, 许多宝贵的土壤微生物资源正在消失,这就更加使人类意识到了解、认识微生物物种的紧迫性。当前的各种分子生物学研究方法是非常行之有效的, 但是各自都有一些局限因子,只要针对各种方法的优缺点进行选择,并结合以传统方法, 无疑会在土壤微生物生态研究上开辟一个全新的研究领域, 也会让我们更全面、深入地认识土壤中的微生物。

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