1、毕业论文 文献综述 生物工程 Biolog方法 对 微生物多样性 的研究 摘要： 研究微生物群落功能多样性，可以提供环境质量情况的基本信息，同时为环境的治理提供理论指导。 Biolog 方法通过测定微生物对不同碳源利用程度上的差异来阐明微生物功能多样性水平，是研究微生物群落功能多样性的常用手段。 关键词： 微生物群落； Biolog 方法；功能多样性；碳源；利用程度 引言 微生物是生态系统的重要组成部分，它担负着有机质转化、污染物降解和土壤结构保持等多种功能，它对环境的变化十分敏感，微生物对环境的作用主要是通过群落代谢功能差异 来实现的，因此微生物功能多样性信息对于明确不同环境中微生物群落的作
2、用、深入了解生态系统内部结构和功能变化具有重要意义 1。自 1991 年， Garland 等 2首次将 Biolog 微孔板用来描述微生物的群落特征之后，通过 Biolog 法来测定微生物群落的功能多样性的研究越来越多 3，该方法操作简单，获得数据量丰富，能反映微生物种群的总体活性，近十几年在微生物生态及环境微生物检测方面应用十分广泛。 Biolog 方法通过测定微生物对不同碳源利用程度的差异来表征其生理特性的不同 ， 在研究空间及时间尺度上微生物群落变化方 面有较好的应用 4。 1 环境微生物群落的研究内容及意义 1.1 环境微生物群落的研究内容 环境微生物是由多个种群组成的微生物群落，不
3、同种群之间存在着共生、互利、共存、竞争等各种复杂的关系，在物质循环和能量转化过程中都发挥着重要作用；对环境微生物群落的研究可以从微生物的量、代谢活性、群落结构及代谢功能等几个不同层面上进行 5。其中， Biolog 方法因其能对微生物群落多样性进行阐述，是研究微生物群落功能多样性的主要方法。 1.2 环境微生物群落的研究意义 研究微生物群落结构及其代谢功能，可以揭示环境中污染 物迁移转化的生物学基础，提供评价和预测环境质量和安全性的基本信息；并且可以从群落水平上了解和评价生物修复和生物处理技术的机理与效果，同时为控制和优化微生物群落结构，强化其代谢功能提供理论指导 5。 传统的研究方法主要是通
4、过分离培养纯的微生物菌种，对分离出来的纯菌种分别研；这种方法存在着一定局限性，如可分离培养的微生物种类有限 6，分离培养后微生物的生理特性易发生改变等。 近年来，各种基于生物标志物的测定方法 （ 微生物醌法，脂肪酸法等 ） 和分子生物学方法 7（ FISH， TGGE， DGGE 等 ） 相继得到了广泛应 用。这些方法无须进行分离培养就可反映微生物的群落结构信息，但却无法获得有关微生物群落总体活性与代谢功能的信息，且需要较清晰的专业知识， Biolog 方法则弥补了这一不足。 2 Biolog方法研究微生物群落 2.1 Biolog 方法的测定原理 微生物在利用不同碳源过程中产生的自由电子，与
5、四唑盐染料发生还原显色反应，颜色的深浅可以反映微生物对碳源的利用程度。由于微生物对不同碳源的利用能力很大程度上取决于微生物的种类和固有性质，因此在一块微平板上同时测定微生物对不同单一碳源的利用能力 （ sole carbon source utilization， SCSU），就可以鉴定纯种微生物或者是比较分析不同的微生物群落 5。 该方法由美国的 BIOLOG 公司于 1989 年开发成功 8，最初应用于纯种微生物鉴定 9，至今已经能够鉴定包括细菌，酵母菌和霉菌在内的 2000 多种病原微生物和环境微生物。 2.2 Biolog 方法的优缺点 1） 灵敏度高 ， 分辨力强 。 对多种 SCS
6、U 的测定可以得到被测微生物群落的代谢特征指纹 （ metabolic finger print）， 分辩微生物群落的微小变化。 2） 无需分离培养纯种微生物，可最大限度地保留微生物 群落原有的代谢特性 。 3） 测定简便，数据的读取与记录可以由计算机辅助完成，因人工而出现的测定误差少。微生物对不同碳源吸收能力的测定在一块微平板上一次完成 ， 效率提高。 2.3 Biolog 方法的研究 Biolog 方法可根据其研究代谢类型微生物分为 GN 板， GP 板，真菌板等，还有根据其研究环境，如生态板 （ ECO 板 ） ，还有不加碳源的 TM 板。 3 Biolog方法在环境微生物群落中的研究进
7、展 Biolog 微平板在环境微生物群落功能多样性研究的应用较为广泛，涉及到土壤、水、污泥等方面的应用，并取得了不同的进展 1。 3.1 Biolog 方法在土壤中的研究 De Fede 等 10-11用 Biolog 方法对农田与森林中的土壤微生物群落进行了测定。研究结果表明，对微生物提取液进行稀释会使优势种群富集，劣势种群缺失。研究中还发现不同深度农田土壤中的微生物群落的代谢特征非常接近。 应用 Biolog 方法研究了不同森林恢复类型 （ 人工恢复的湿地松林、杉木林、油茶林和自然恢复的天然次生林 ） 土壤微生物群落对 Biolog GN 板不同类型碳源的利用情况，结果表明，自然恢复的天然
8、次生林土壤微生物群落的碳源代谢能力比 3 种人工林强。 4 种森林类型土壤微 生物群落比较偏好、利用率较高的 3 类碳源是糖类、羧酸类和氨基酸类；对 4 类森林恢复类型土壤微生物群落具有分异作用的主要碳源类型亦为糖类、羧酸类和氨基酸类，这 3 类碳源是研究森林恢复后导致土壤微生物群落变化的敏感碳源 12。 3.2 Biolog 方法在水体中的研究 水体微生物群落：美国的 Choi等 13利用 Biolog GN 和 Biolog ECO 平板对 6种不同水样中的微生物群落进行了比较。结果表明，来自于不同水体中的好氧异养微生物群落的代谢特征具有明显差别，研究中还发现，微量营养元素不同会引起微生物
9、对同种碳源的 代谢差异。 3.3 Biolog 方法在活性污泥中的研究 活性污泥中的微生物群落：美国的 Kaiser 等 14用 Biolog 方法对比了实验装置中的活性污泥与污水厂的活性污泥。 Biolog 测定表明，进水使用生活污水原水时， CAS 系统与 SCAS 系统中活性污泥的代谢特征均和污水厂污泥非常相似：并且 CAS 系统中微生物群落的代谢特征非常稳定，在 16 个月的实验周期内没有发生明显变化。进水使用葡萄糖蛋白胨废水时， SCAS 系统中的污泥代谢特征则发生了明显变化 5。 3.4 Biolog 方法的研究进展 应用 Biolog 方法研 究土壤微生物群落功能多样性存在着选择
10、培养的问题，只有能够利用 Biolog 微孔板上碳源的微生物才能反映出来，这种多样性类型也就不一定能反映整个土壤微生物群落的功能多样性 15-18。可见，培养基的选择对于反映土壤微生物群落功能多样性至关重要，如果 Biolog 微孔板上的部分碳源不能被土壤微生物群落利用，则无法反映真实情况而达不到应有的效果 12。 使用 Biolog 微平板只需简单的无菌接种操作 ， 相对于需要 DNA 抽提、纯化、引物设计、 PCR、电泳等复杂过程的分子研究手段 ， 研究者无需基因组学、蛋白组学方面的专业知 识即可快速上手 ， 是值得推广应用的一种实验手段 19。 4 展望 Biolog 方法 虽然操作方便
11、，但是 价格较高，我们可以从减少不必要 的 碳源方面 来 削减这部分的消耗 以减少成本 。 使用目的微生物敏感碳源 能够 更准确的反映微生物代谢多样性 ，我们可以先着手分析其中的可能菌种再选取主要碳源 。 因为对 Biolog 的了解不太全面， 目前仅限于鉴定菌种、测定 AWCD 值、Shannon 指数、 Mclntosh 多样性指数 等， 建立更多、更完善的 Biolog 数据分析方法势在必行。 参考文献 1 田雅楠 ,王红旗 .Biolog 法在环境微生物功能 多样性研究中的应用 J.环境科学与技术 ,2011,34(3):50-57. 2 Garland J L, Mills A L.
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