微生物多样性研究

微生物群落的种群多样性一直是微生物生态学和环境学科研究的重点。近几年来，微生物群落结构成为研究的热点。首先，群落结构决定了生态功能的特性和强弱。其次，群落结构的高稳定性是实现生态功能的重要因素。再次，群落结构变化是标记环境变化的重要方面。因此，通过对目标环境微生物群落的种群结构和多样性进行解析并研究其动态变化，可以为优化群落结构、调节群落功能和发现新的重要微生物功能类群提供可靠的依据。 从年代上来看，微生物群落结构和多样性解析技术的发展可以分为三个阶段。20世纪70年代以前主要依赖传统的培养分离方法，依靠形态学、培养特征、生理生化特性的比较进行分类鉴定和计数，对环境微生物群落结构及多样性的认识是不全面和有选择性的，方法的分辨水平低。在70和80年代，研究人员通过对微生物化学成分的分析总结出了一些规律性的结论，从而建立了一些微生物分类和定量的方法即生物标记物方法，对环境微生物群落结构及多样性的认识进入到较客观的层次上。在80和90年代，现代分子生物学技术以DNA为目标物，通过rRNA基因测序技术和基因指纹图谱等方法，比较精确地揭示了微生物种类和遗传的多样性，并给出了关于群落结构的直观信息。 1 传统培养分离方法 传统培养分离方法是最早的认识微生物群落结构和多样性的方法，自1880年发明以来一直到现在仍被广泛使用。传统培养分离方法是将定量样品接种于培养基中，在一定的温度下培养一定的时间，然后对生长的菌落计数和计算含量，并通过在显微镜下观察其形态构造，结合培养分离过程生理生化特性的观察鉴定种属分类特性。培养分离方法采用配比简单的营养基质和固定的培养温度，还忽略了气候变化和生物相互作用的影响，这种人工环境与原生境的偏差使得可培养的种类大大减少(仅占环境微生物总数的0.1%～10%[1])。而且，此方法繁琐耗时，不能用于监测种群结构的动态变化。 2 群落水平生理学指纹方法(CLPP) 通常认为微生物所含的酶与其丰度或活性是密切相关的。酶分子对于所催化的生化反应特异性很高，不同的酶参与不同的生化反应。如果某一微生物群落中含有特定的酶可催化利用某特定的基质，则这种酶-底物可作为此群落的生物标记分子之一，标记了某种群的存在。由Garlan和Mills[2]于1991年提出的群落水平生理学指纹方法(CLPP)是通过检测微生物样品对底物利用模式来反映种群组成的酶活性分析方法。具体而言，CLPP分析方法就是通过检测微生物样品对多种不同的单一碳源基质的利用能力，来确定那些基质可以作为能源，从而产生对基质利用的生理代谢指纹。由BIOLOG公司开发的BIOLOG氧化还原技术，使得CLPP方法快速方便。商业供应的BIOLOG微平板分两种：GN和MT，二者都含有96个微井，每一128 生态环境 第14卷第1期（2005年1月） 微井平板的干膜上都含有培养基和氧化还原染料四唑[3]。其中，BIOLOG的GN微平板含有95种不同碳源和一个无碳源的对照井，而MT微平板只含有培养基和氧化还原染料，允许自由地检测不同的碳源基质[3]。检测的方法是：将处理的微生物样品加入每一个微井中，在一定的温度下温育一定的时间(一般为12 h)，在温育过程中，氧化还原染料被呼吸路径产生的NADH还原，颜色变化的速率取决于呼吸速率，最终检测一定波长下的吸光率进行能源碳的利用种类及其利用程度的分析[4]。 BIOLOG方法能够有效地评价土壤和其它环境区系的微生物群落结构[3~6]。其优点是操作相对简单快速，而且少数碳源即能区别碳素利用模式的差别[5]。然而，BIOLOG体系仅能鉴定快速生长的微生物，而且，测试盘内近中性的缓冲体系、高浓度的碳源及有生物毒性的指示剂红四氮唑(TTC)使得测试结果的误差进一步增大。姚槐应[5]的研究表明，应根据测试对象的特点（例如pH，碳源利用类型及利用能力）改进BIOLOG体系，并且，有必要研究更好的指示剂来取代TTC。 3 生物标记物方法 生物标记物(Biomakers)通常是微生物细胞的生化组成成分，其总量通常与相应生物量呈正相关。由于特定结构的标记物标志着特定类型的微生物，因此一些生物标记物的组成模式(种类、数量和相对比例)可作为指纹估价微生物群落结构。由于分类的依据是从混合微生物群落中提取的生化组成成分，潜在地包括所有的物种，因而具有一定的客观性。并且分析简便快速，适于定性甚至半定量地检测微生物体系的动态变化。20世纪80年代以来常用于研究微生物群落结构的生物标记物方法包括：醌指纹法(Quinones Profiling)、脂肪酸谱图法(PLFAs和WCFA-FAMEs)。测定时，首先使用合适的提取剂提取环境微生物样品中的这些化合物并加以纯化，然后用合适的溶剂制成合适的样品用GC或LC检测，最后用统计方法对得到的生物标记物谱图进行定性定量分析。 3.1 醌指纹法(Quinones Profiling) 呼吸醌广泛存在于微生物的细胞膜中，是细胞膜的组成成分，在电子传递链中起重要作用[7]。醌的含量与土壤和活性污泥的生物量呈良好的线性关系的研究表明，醌含量可用作微生物量的标记[8]。有两类主要的呼吸醌：泛醌(ubiquinone, UQ)即辅酶Q和甲基萘醌(menaquinone,MK)即维生素K[9]。醌可以按分子结构在类(UQ和MK)的基础上依据侧链含异戊二烯单元的数目和侧链上使双键饱和的氢原子数进一步区分。研究表明，每一种微生物都含有一种占优势的醌[7]，而且，不同的微生物含有不同种类和分子结构的醌[9]。因此，醌的多样性可定量表征微生物的多样性，醌谱图（即醌指纹）的变化可表征群落结构的变化。 用醌指纹法描述微生物群落的参数[7]有：(1)醌的类型和不同类型的醌的数目；(2)占优势的醌及其摩尔分数含量；(3)总的泛醌和总的甲基萘醌的摩尔分数之比；(4)醌的多样性和均匀性；(5)醌的总量等。对两个不同的群落，由上述分析所得数据可以计算出另一个参数____非相似性指数(D)，用于定量比较两个群落结构的差异。 醌指纹法具有简单快速的特点，近几年来广泛用于各种环境微生物样品(如土壤，活性污泥和其它水生环境群落)的分析。考察了醌指纹法分析活性污泥群落的分析精度，证明此方法是一种可靠的分析方法。然而，醌指纹法也存在一定的局限性，它不能反映具体哪个属或哪个种的变化。 3.2 脂肪酸谱图法(PLFAs、WCFA-FAMEs和其它方法) 从微生物细胞提取的脂肪类生化组分是重要的生物量标记物，例如，极脂(磷脂)、中性脂类(甘油二酯)可分别作为活性和非活性生物量的标记物[10]。更重要的是，提取脂类的分解产物____具有不同分子结构的混合的长链脂肪酸，隐含了微生物的类型信息，其组成模式可作为种群组成的标记。多种脂肪酸谱图法广泛用于土壤、堆肥和水环境微生物群落结构的分型和动态监测[11~13]。 常用的脂肪酸谱图法可分为两种：磷脂脂肪酸(PLFAs)谱图法和全细胞脂肪酸甲酯(WCFA-FAMEs)谱图法[14]。二者分析的对象实质上都是脂肪酸甲酯，不同之处在于提取脂肪酸的来源不同。磷脂脂肪酸(PLFAs)谱图法提取的脂肪酸主要来源于微生物细胞膜磷脂即来源于活细胞，全细胞脂肪酸甲酯(WCFA-FAMEs)谱图法提取的脂肪酸来源于环境微生物样品中的所有可甲基化的脂类即来源于所有的细胞（包括活细胞和死细胞）。因此，磷脂脂肪酸(PLFAs)谱图法的优点在于准确，可靠；全细胞脂肪酸甲酯(WCFA-FAMEs)谱图法的优点在于提取简捷，所需样品量少。对多个环境微生物样品分析而言，先用WCFA-FAMEs谱图法预先筛选再用PLFAs法进行分析是提高效率的较佳选择。 脂肪酸谱图分析包括两种形式：一种是脂肪酸，采用GC分析仪达到分离不同结构的分子的目的；另一种是脂肪酸甲基化产物____脂肪酸甲酯，采用GC-MS分析仪进行不同分子的分离和鉴定。

生态学，是研究生物与生物， 生物与非生物之间关系的一门学科，也就意味着，微生物生态学，是指研究微生物与其他生物（包括微生物），微生物与环境之间的学科。而微生物多样性，是一个多样性的概念，讲的是微生物的物种的多样性，微生物基因的多样性和微生物生存的生态系统的多样性。微生物生态学的重点在于关系的研究，而微生物多样性在于现状的研究。

1、微生物生活环境的多样性：在地球的极端环境下都能找到微生物活动的踪迹，接近沸点的温泉、极寒地带、高压、高盐、极酸、极碱环境都有微生物生存，这是其他物种无法比拟的。2、营养代谢类型的多样性：以碳源、氮源、利用光能、化学能等各种代谢途径制造完成生命周期所需的能量，这种代谢途径、营养物质需求的多样性在其他物种很少见到的。3、微生物分类学上类群的多样性：包括原核生物：细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体、衣原体以及真核生物中的：真菌、藻类、原生动物以及非细胞生命体：病毒和亚病毒（阮病毒、类病毒等）。4、微生物生活方式、繁殖方式的多样性：由于微生物所涉及的种类繁多决定了它们的生活方式、繁殖方式也具有动物植物所不能比拟的多样性。5、遗传基因的多样性：遗传基因决定了生命的活动形式，微生物巨大的种类数量决定了其具有巨大的遗传资源。不同的微生物其基因决定了其生命活动方式、代谢途径等，加上微生物具有所有物种中最快的变异速度，也在一定程度上增加了其遗传物质的多样性。基于以上这些，微生物的多样性也包括了其开发用途的多样性，在医药、环境、化工各个方面微生物都得到广泛的研究和应用，具有多样的现实意义。

答：遗传（heredity或inheritance）和变异（variation）是生物体的最本质的属性之一。所谓遗传，讲的是亲子间的关系，指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。在讨论遗传、变异问题时以下四个概念十分重要：（1）遗传型（genotype）又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因的总和。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下，通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。 （2）表型（phenotype） 指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现。所以，它与遗传型不同，是一种现实性。 （3）变异 指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。变异的特点是在群体中以极低的几率（一般为10-5～10-10）出现；性状变化的幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。 （4）饰变（modification） 指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。其特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。例如，Serratiamarcescens（粘质沙雷氏菌）在25℃下培养时，会产生深红色的灵杆菌素，把菌落染成鲜血似的（因此过去称它为“神灵色杆菌”或“灵杆菌”）。可是，当培养在37℃下时，群体中的所有个体都不产色素。如果重新降温至25℃，所有细胞产色素能力又可以恢复。所以饰变是与变异有着本质差别的另一种现象。上述的S．marcescens产色素能力也会因发生突变而消失，但其几率仅10-4，且突变株的遗传性是稳定的。 ⑸由于微生物有一系列非常独特的生物学特性，因而在研究现代遗传学和其他许多重要的生物学基本理论问题中，微生物成了最热衷的研究对象。这些生物学特性包括：个体的体制极其简单；营养体一般都是单倍体；易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖；繁殖速度快；易于累积不同的中间代谢物或终代谢物；菌落形态特征的可见性与多样性；环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性；易于形成营养缺陷型；各种微生物一般都有相应的病毒；以及存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式等。 ⑹对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且还为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作向着从不自觉到自觉，从低效到高效，从随机到定向，从近缘杂交到远缘杂交等方向发展。在微生物育种工作上最有代表性的例子，当推近50年来对青霉素生产菌进行诱变、选育及其卓越的成果了。

简单说即微物丰富程度专业说微物群落结构与性微物群落结构比例细菌某态位通许同种类微物真菌等微物性占比例

微生物是一大群小生物的总称，因其形体小而得名。投入少、收效快的微生物基因组研究，是当今世界基因组研究中的前沿领域。我国地理环境复杂，含有丰富的微生物资源，研究这些微生物，无论对于生物进化研究，还是特殊酶以及蛋白质的结构和功能研究都有重要意义。1998年初，我国科研人员在云南腾冲地区考察时在沸泉中发现了一种嗜热细菌，最适合在75度左右高温下生长。在进行分类、形态方面的研究后，研究人员发现，国内第一个被发现的这种极端嗜热菌，是国际上从未报道过的新菌种。科研人员从培养的细菌中提取了基因组DNA，构建了测序模板文库，还建立了反映测序进展与存在问题以及用于组装、注释、寻找基因的软件。在基因测序中，获得了单机日产、序列读长、准确率等指数与国际同行并驾齐驱的好结果。

生物多样性具有直接价值、间接价值、选择价值、遗传价值及存在价值，还具有巨大的无形资产。1，直接价值直接价值表现在当地消费使用价值（如食物，消费等）和生产使用价值（野外收获进入贸易市场）2，间接价值它的间接使用价值一般表现为涵养水源、净化水质、巩固堤岸、防止土壤侵蚀、降低洪峰、改善地方气候、吸收污染物，并作为二氧化碳汇集在调节全球气候变化中的作用，等等。3，选择价值选择价值也是潜在价值。今天，没有人敢确定现在还未被利用的那些物种在将来也不会有利用的价值。栽培植物的野生亲缘种究竟能提供多少对农林业发展有用的遗传材料也很难确定。4，存在价值存在价值，指伦理或道德价值，自然界多种多样的物种及其系统的存在，有利于地球生命支持系统功能的保持及其结构的稳定。存在价值常常受保护愿望来决定，反映出人们对自然的同情和责任。一个物种的存在价值有多大，它的消失究竟带来多大的损失，目前人们还难以准确评估，正如人们不能评估一只恐龙的存在价值一样。

其根本在于基因的多样性，还包括生态系统的多样性和生物种类的多样性（我说的是生物的多样性，希望对你有所帮助）其中最重要的是表现在物种种类的多样性上

浓香型白酒的生产是以酒醅为原料,以窖池为载体,在窖池发酵过程中大曲微生物、窖池微生物形成复杂的微生物群体进行一系列的物质能量代谢[1]。在发酵过程中,窖池内的微生物群落系统将酒醅中的淀粉转化为白酒的主要成份及其微量的香味物质,窖内的理化指标呈现一定规律的变化,同时酒醅中成份的改变也引起了微生物群落生存环境的改变,如营养成份复杂化,环境酸度增加等,群落结构也有相应的改变,窖内优势菌群逐渐呈现稳定状态。微生物对酒醅的作用与窖内环境对微生物的选择使得酒醅经过一个周期的发酵能够产生具有独特风味的浓香型白酒。近年来PCR-DGGE技术愈加成熟的运用于对组织结构和土壤样品种的微生物群落结构研究[2~4],该技术也逐步运用于白酒窖内微生物多样性研究,对白酒窖内样品中微生物的多样性、丰度、准确反应[5~7],利用PCR-DGGE对浓香型白酒窖泥中细菌和古菌群落进行研究,发现细菌有9~22条条带,古菌有7~12条条带,利用PCR-SSCP对浓香型白酒酒醅进行研究,发现酒醅中的细菌和真菌各有9~20和7~16条条带[6~7]。