土壤微生物网络复杂性预测黄土高原造林恢复生态系统多功能性

人类活动导致黄土高原土地退化和生物多样性丧失,进而降低了生态系统功能。人工造林是该区域退化土地恢复的重要措施。现有的生态修复研究通常侧重于微生物群落物种多样性的恢复对单一生态系统功能的影响,而忽略了微生物间存在的相互作用与生态系统多功能性(Ecosystem multifunctionality,EMF)的关系。为探究造林恢复过程中土壤微生物多样性和网络复杂性与EMF的关系,本研究采用时空代换法(space-time substitution method),沿50年造林恢复时间序列,分析了黄土高原地区造林恢复对土壤微生物群落多样性、土壤微生物网络复杂性以及与土壤养分循环相关的10个生态系统功能指标的影响,明确了土壤微生物群落特征与EMF的关系。结果表明,随造林恢复时间序列的增加,土壤微生物群落的综合多样性、网络复杂性和EMF均呈现出显著增加后下降的趋势(P<0.05),其中土壤微生物综合多样性和网络复杂性在第8年达到最高值,EMF在第20年达到最大值。在未控制土壤环境因素时,细菌和古菌多样性与EMF无显著相关性,真菌多样性与EMF呈显著正相关(P<0.001);土壤微生物群落的综合多样性和网络复杂性均与EMF显著正相关(P<0.001),其中土壤微生物网络复杂性对EMF的解释度更高。通过偏回归分析(Partial least squares regression,PLSR)控制土壤因子影响后发现,尽管土壤微生物的综合多样性和网络复杂性对EMF的解释度(P<0.001)均降低,但土壤微生物网络复杂性对EMF的解释度仍高于微生物综合多样性。结构方程模型(Structural Equation Model,SEM)进一步分析表明,土壤微生物多样性通过土壤微生物网络复杂性对造林修复地的EMF产生间接影响。综上所述,相较于土壤微生物综合多样性,微生物网络复杂性能够更好地预测EMF。而且,土壤微生物综合多样性主要通过促进网络复杂性间接正向影响EMF。本研究揭示了造林恢复生态系统中微生物群落特征与EMF的关系,为退化修复生态系统功能恢复提供了新的微生物调控机制解析。

微生物生态系统代谢网络研究进展

微生物生态系统代谢网络是自然生态系统中微生物遗传分子发挥功能作用的主要形式。本文通过全面介绍微生物生态系统代谢网络的特点及其研究的重要意义,综述了基于共培养技术、免培养高通量技术和计算生物学模拟技术的微生物生态系统代谢网络研究进展和所取得的主要发现,以及近年来快速发展的微生物生态系统代谢网络研究技术和方法体系。在此基础上,提出目前微生物生态系统代谢网络研究中存在的主要问题和重点研究方向,并对其在环境污染治理和资源化利用方面的应用潜力进行了展望。

土壤微生物多样性通过共现网络复杂性表征高寒草甸生态系统多功能性

土壤微生物多样性在生态系统功能的维持方面发挥着至关重要的作用,但是土壤生物多样性与生态系统功能(Biodiversity-ecosystem function, BEF)关系仍存在争议。以往的研究多基于简单多样性指标(如物种数、香浓多样性指数等)对BEF关系进行探究,忽略了物种间复杂的相互作用在BEF关系中的重要性。以青藏高原米拉山高寒草甸为研究对象,使用Illumina MiSeq高通量测序技术测定了6个海拔高度(3755 m、3994 m、4225 m、4534 m、4900 m、5120 m)土壤细菌和真菌群落特征,分析了简单微生物多样性指标(物种数)和共现网络复杂性与生态系统多功能性(Ecosystem multifunctionality, EMF)的关系,以期进一步揭示微生物多样性与EMF的关系。共现网络分析表明,表征土壤细菌和真菌网络复杂性的节点(Node)和边(Link)沿海拔高度的升高显著下降(P<0.05)。土壤细菌和真菌的多样性和网络复杂性均沿海拔的升高显著下降(P<0.05),而且网络复杂性比相应的多样性下降明显。在未控制环境因素时,真菌和细菌的多样性和网络复杂性均与EMF显著正相关(P<0.05);其中真菌和细菌网络复杂性对EMF的解释度高于相应多样性对EMF的解释度。通过偏回归分析(Partial least squares regression, PLSR)控制年降水、年均温、黏粒含量、盐基离子和酸性离子等气候及土壤环境因子影响后,土壤细菌和真菌物种多样性与EMF的显著正相关关系变为不相关(P>0.05),而网络复杂性与EMF的显著正相关关系(P<0.05)仍然存在。利用方差分解分析(Variance partition analysis, VPA)将环境因子纳入对EMF的影响后发现,土壤微生物网络复杂性和环境因子对EMF变化的解释度可达80%,高于土壤微生物多样性与环境因子对EMF变化的解释度。结构方程模型(Structural equation model, SEM)分析进一步显示,土壤细菌多样性和真菌多样性通过促进对应共现网络的复杂性,间接对EMF产生正向影响。综上所述,相较于简单的多样性指标,土壤微生物网络复杂性对EMF具有更好的解释度和预测性,微生物多样性主要通过促进网络复杂性间接正向影响EMF。研究结果扩展了BEF关系的研究,证明微生物物种多样性主要通过促进对应的网络复杂性维持EMF。

微生物代谢产物影响肠道微生态系统的研究进展

肠道微生态系统是人体最重要、最复杂的微生态系统,是人体新陈代谢的重要环节之一。分子生物学、微生物组学、代谢组学的发展,高通量测序及其他检测技术的成熟,使肠道微生物及其代谢产物在机体健康、疾病中的作用机制逐渐被揭示。本文综述了微生物代谢产物对肠道微生态平衡的影响及其对机体健康的影响,并简要概括了微生物代谢产物的相关衍生应用,为代谢产物的临床干预辅助治疗应用提供参考并为生物发酵产业的发展提供科学依据。

激活地层微生物引起的地下生态系统和地层流体变化

在大港孔店稠油油田,将混气营养物(含氮含磷化合物)从11口注水井注入油藏,激活本源微生物以提高油气采收率。在不同时间取注水井返排水(返排量8m3和25m3,来自近井地带浅部和深部)和4口油井产出水(来自深1200m、温度60℃的储层),测定水样中菌数、代谢速率及代谢产物浓度,还测定了产出的油、气、水组成特点。好氧的烃氧化菌及厌氧的产甲烷菌和硫酸盐还原菌在返排水和产出水中的数量显著增加,增加1～4个数量级不等。硫酸盐还原速率在8m3和25m3返排水中分别增加168倍和2209倍,在产出水中除1口井外增加1 4～15倍。产甲烷速率在返排水和产出水中增加14～772倍。乙酸根、甲酸根浓度在产出水中分别增加1 5～40倍和3 0～31倍,在8m3和25m3返排水中乙酸根分别增加1 3、7 0倍,甲酸根分别增加1 7、21倍。HCO-3浓度普遍增加14%～40%。返排水中H2S浓度随返排量增大而减小。油井产出的天然气量增加,一些井产出的天然气中甲烷含量增加2%～5%。产出的原油粘度、密度、含蜡、含胶质沥青质量均有所下降。本次激活地层菌试验尽管激活剂注入量较少,从初步结果看是成功的。图1表4参5。

全球冰川退缩下冰川径流微生物代谢的响应研究

冰冻圈生态系统的能量通常有限,面对气候变化,冰冻圈生态系统的能量响应机制尚不明晰。以冰川径流为代表,其与冰冻圈直接相连,形成了庞大的河流系统。基于“消融的冰川”(Vanishing Glaciers)项目,通过资源化学计量和微生物能量学方法,研究了全球154份主要山脉冰川径流样本数据。结果表明:这些生态系统及其底栖微生物群的发展总体上受碳和磷的限制。

超网络视角下产业生态系统资源代谢均衡研究

为了优化产业生态系统的资源代谢过程,构建了一个以资源为网络流,以生产者、消费者和分解者为主体构成的产业生态系统超网络模型。基于各类主体的行为特征,得到了产业生态系统资源代谢的均衡状态,并分析了系统资源利用率、单位产品环境费用、环境补贴等参数对均衡状态的影响。最后通过数值算例对模型进行了验证。

代谢异速生长理论及其在微生物生态学领域的应用

新陈代谢是生物的基本生理过程,影响生物在不同环境中参与物质循环和能量转化的过程。代谢速率作为生物体重要的生命过程指标,几乎影响所有的生物活性速率,且在很多研究中均表现出异速生长现象。所谓代谢异速是指生物体代谢速率与其个体大小(或质量)之间存在的幂函数关系。代谢异速生长理论的提出,从机制模型角度解释了代谢异速关系这一普遍存在的生命现象。该理论利用分形几何学及流体动力学等原理,从生物能量学角度阐释了异速生长规律的机理,证实了3/4权度指数的存在;但同时有研究表明,权度指数因环境因素等影响处于2/3—1范围之间而非定值。随着研究工作的深入,代谢异速生长理论研究从起初的宏观动植物领域拓展到了微生物领域,在研究微生物的代谢异速生长理论时,可将微生物的可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)或具有特定功能的功能群视为一个微生物个体,基于其遗传多样性和功能多样性特征进行表征,以便于将微生物群落多样性与其生态功能性联系起来,使该理论在微生物生态学领域得到有效的补充和完善。尽管细菌具有独特的生物学特性,但与宏观生物系统中观测到的现象表现出明显的一致性。有研究表明,3个农田土壤细菌基于遗传多样性的OTU数的平均周转率分别为0.71、0.80和0.84,介于2/3与1之间,可能与生物代谢异速指数有一定关联,为微生物代谢异速指数的研究提出了一个参考解决方案。鉴于微生物个体特征和生物学特性,在分析代谢速率与个体大小关系中,从微生物单位个体的定义、个体大小表征到计量单位的统一,仍需更多的理论支持。分析了代谢异速生长理论在微生物与生态系统功能关系研究中的可能应用,延伸了该理论的应用范围,并对尚待加强的研究问题进行了评述和展望。

陆地生态系统碳氮水循环的关键耦合过程及其生物调控机制探讨

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题,而陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前,对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果,预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳氮水循环的耦合过程基础上,论述了制约生态系统碳氮水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制,制约典型生态系统碳氮水循环耦合关系的生物生理生态学机制,以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳氮水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展,包括:(1)植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳氮水耦合循环控制机制,以及二者之间的关联与互作关系;(2)土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响;(3)生态系统碳氮水交换通量的时空变化规律,以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目"森林生态系统碳氮水耦合循环的生物控制机制"的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。

微生物代谢网络模块性与鲁棒性分析

目的模块性和鲁棒性是微生物代谢网络的2个重要性质,但对于模块性和网络的结点度分布间的关系、网络鲁棒性和物种环境间的关系等问题仍不清楚。方法基于KEGG的代谢数据库,构建了已有全基因组序列的1015种微生物代谢网络,利用现有方法计算了代谢网络的模块性和鲁棒性,分析了网络模块性和结点度分布、鲁棒性和物种环境间的关系。结果微生物代谢网络的模块度显著高于度序列相同的模拟随机网络,而其紧密度低于这些随机网络。生活环境变化性大的物种的环境鲁棒性也较高,环境鲁棒性好的物种在自身环境下的网络鲁棒性相对较差。结论代谢网络的高模块性不能完全由度序列分布情况来解释,物种代谢网络的鲁棒性和其生活环境密切相关。

土壤–根系–微生物系统中影响氮磷利用的一些关键协同机制的研究进展

根际是养分进入作物系统的门户,也是土壤-根系-微生物相互作用的微域。根际界面过程决定了氮磷养分的供应强度和有效性,最终影响了氮磷养分的利用效率和作物生产力。近年来,国内外在揭示农田土壤-根系-微生物系统中不同界面的养分转化、吸收和运输机制方面取得了一些新进展。在不同时空尺度上分析了影响土壤氮磷转化微生物组成的影响因子;研究了丛枝菌根系统形成的信号机制及其对氮磷吸收的基因调控机制;从信号网络、根系质子分泌和根构型的角度系统揭示了作物根系应对根际环境氮磷养分供应的形态和生理响应机制。未来针对根际氮磷高效利用问题,需要深入研究土壤-根系-微生物不同界面的协同机制和调控原理,在根际微域和土壤团聚体尺度开展微生物食物网及其关键功能微生物分布格局和演替规律的研究;揭示根构型对根系–微生物协同结构和功能的影响,研究养分缺乏条件下根内质子分泌和关键转运蛋白对根系生长和养分吸收的调控机制;针对粮食作物,研究根系-微生物对话中已知信号物质(如独脚金内酯和N-酰基高丝氨酸内酯)和新的信号物质(小RNA)的网络作用机制及其对多养分协同代谢的影响;最后,针对不同气候、土壤、作物类型区,提出提高氮磷利用效率的根际生物调控途径和措施。

微生物制造绿色化学品研究进展

微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产,显示出了巨大的二氧化碳减排潜力,是促进实现“碳中和”目标的重要途径,其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢流分析和代谢途径预测研究进展;介绍了新型基因组编辑工具助力微生物细胞工厂的高效开发;总结了代谢调控策略用于提升细胞工厂生产能力。此外,还概述了微生物制造关键技术在第三代生物制造中的应用。最后,展望了未来微生物制造在化学品生产中的应用和发展方向。

南疆枣树￣棉花间作对土壤微生物区系及代谢熵的影响

通过大田试验和实验室测定,研究南疆枣树-棉花间作对土壤微生物性状的影响.在阿克苏地区阿瓦提县巴格托拉克乡采集枣树-棉花间作、纯枣林及单作棉田土样,测定比较细菌、放线菌和真菌三大类群微生物及氮素生理群菌群数量、微生物代谢熵的变化特征.结果表明,不同种植模式土壤微生物数量分布有明显差异.枣树-棉花间作土壤细菌、放线菌、真菌和微生物总数总体呈现出显著低于单作棉田,降低幅度最大的位点在西侧冠下区（W80）;较纯枣林增加,增加幅度最大的是东侧冠下区（E80）.枣树-棉花间作系统比单作棉田土壤氨化细菌、硝化细菌数量有较大提高,反硝化细菌数量明显下降,氮化细菌、反硝化细菌相比纯枣林均为增加.间作系统内在枣树行的东、西两侧冠下区与近冠区及L1（0～20 cm）、L2（20～40 cm）及L3（40～60 cm）各层次土壤中的微生物数量都呈现出较大差异,具有明显的水平和垂直方向空间变异性.不同种植模式下土壤微生物代谢熵（qCO2）依次为纯枣林＞枣树-棉花间作＞单作棉花.不同种植模式下土壤微生物Shannon多样性、均匀度指数与微生物数量具有相似的变化特性.相关性分析表明,有机碳、全氮、碱解氮含量及pH与微生物多样性呈极显著正相关（P＜0.01）,与代谢熵则呈极显著负相关.研究结果证明,微生物群落多样性及代谢熵对间作种植模式响应灵敏,反映出枣树和棉花间作系统地下部分存在明显的竞争作用,影响土壤微生物的群落.

微生物生物工程的3个基本观点

工业发酵是微生物群体活动的动态过程 .此过程靠如下 3种流动来维系 :伴随能量形式的转换而发生的电子流动 ;伴随异化和同化作用而发生的物质流动 ;伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动 .在分析以上 3种流动的运行规律 ,以及归纳工业发酵和生物制药的大量信息的基础上 ,提出了关于微生物生物工程的三个基本观点 :生物能支撑观点 ;代谢网络观点 ;细胞经济观点 .这些观点揭示了工业发酵的生物学属性 ,工业发酵的能力和潜力 。

论人在微生物工业中的被动性和主观能动作用

人在发酵工业生产中处于被动的地位。微生物的生存利益与人类的经济利益 ,也就是微生物的生命活动规律和人的主观意志 ,既是对立的 ,又是统一的 ;发酵工程领域的科学家和工程师的工作就在于努力促使对立向统一的转化。“微生物生物机器”的创新思路和发酵工程的生物学理论 ,为促进其转化提供了一个思维框架。

微生物组学的大数据研究

微生物组学大数据在生态环境、人类健康和疾病研究方面都起到了重要作用。通过数学、统计等数据挖掘方法,从高维复杂数据中提取有用信息,是微生物组学大数据建模和分析的关键问题。本文分析了微生物组学大数据的特点,对当前数据分析和计算研究中存在的热点和难点进行了探讨分析,并综述了当前微生物组学大数据模式挖掘、网络重建与分析的研究概况。

传统发酵食品中合成微生物组的网络构建

在传统食品发酵过程中,天然微生物群的波动导致了食品质量的不稳定性。目前食品行业在发酵过程中出现微生物代谢不可控、安全性、功能性、资源利用率等诸多问题,利用核心微生物组的网络构建和发酵动力学调控技术研究复杂微生物种群之间的自然相互作用,从而建立一张清晰的种群互作网络,根据网络互作相关性的大小,筛选出参与整个发酵过程并且贡献重要的核心微生物组,探究发酵过程中微生物组的生态环境-群落演替规律及地理分布,构建核心功能微生物组,达到人为理想的发酵状态。定向提升产品质量和所需风味物质的代谢途径,最后利用数学模型对这些核心功能菌群构建发酵动力学模型,监控整个发酵过程。