重金屬污染土壤微生物多樣性研究方法

李焱+李云云

摘 要：該文主要對(duì)近年來重金屬污染土壤微生物多樣性的研究方法進(jìn)行歸納概括，并對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用情況進(jìn)行分析，對(duì)微生物的研究方法進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：重金屬污染；土壤微生物；微生物多樣性；研究方法

中圖分類號(hào) X172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）13-0036-03

Study on Soil Microbial Diversity in Heavy Metal Contaminated Soil

Li Yan1 et al.

（1Anhui Huajing Resources and Environment Technology Co.，Ltd.，Hefei 230094，China）

Abstract：In this paper，the research methods of microbial diversity of heavy metal contaminated soils in recent years are summarized，and their advantages and disadvantages and their application are analyzed. The research methods of microbes are also discussed.

Key words：Heavy metal pollution；Soil microbes；Microbial diversity；Research methods

近年來，由于農(nóng)藥、化肥的大量使用，以及冶金、采礦業(yè)的迅猛發(fā)展，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1]。重金屬污染不僅會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品以及農(nóng)作物的品質(zhì)，而且會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康。土壤是微生物棲息的最重要環(huán)境之一，提供了微生物生長所必要的營養(yǎng)物質(zhì)。土壤微生物種類十分豐富，主要分為細(xì)菌、真菌、古菌以及放線菌等。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)以及土壤養(yǎng)分C、N、P、S等循環(huán)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)等[2]。土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演者十分重要的角色[3]，對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)靈敏[4]，其群落多樣性和相對(duì)組成，是評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量的重要參數(shù)[5]。一旦土壤生態(tài)系統(tǒng)受到污染，土壤微生物就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[6]。有研究報(bào)告指出，土壤重金屬污染能明顯影響土壤微生物的活性及結(jié)構(gòu)[7]，李晶等[8]研究也表明，土壤微生物對(duì)重金屬脅迫特別敏感，可通過微生物群落結(jié)構(gòu)的變化來反映土壤質(zhì)量和健康狀況[9]。因此，研究土壤微生物具有十分重要的意義。本文對(duì)研究微生物傳統(tǒng)以及各種新型研究方法進(jìn)行了分類介紹，并對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用場合進(jìn)行說明。

1 土壤微生物研究方法

1.1 傳統(tǒng)的分離純培養(yǎng)和稀釋平板計(jì)數(shù) 在固體瓊脂培養(yǎng)基上接種培養(yǎng)微生物，可利用微生物的表面特征差異，在固體培養(yǎng)基上對(duì)微生物進(jìn)行分離純化，也可利用該方法對(duì)微生物在平板上進(jìn)行簡單的計(jì)數(shù)[10]。同時(shí)可以通過配制不同成分的培養(yǎng)基對(duì)微生物進(jìn)行篩選馴化，從而得到我們需要的菌種。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，便于對(duì)微生物的狀況做出初步的判斷。缺點(diǎn)是由于自然界中存在大量的不可培養(yǎng)的微生物，且存在很多對(duì)溫度要求苛刻并微生物，如嗜低溫菌和嗜高溫菌，傳統(tǒng)的固體培養(yǎng)基的培養(yǎng)溫度并不能滿足這些微生物的生存所需溫度。

1.2 Biolog微平板法 Biolog微平板原理是基于測定微生物對(duì)單一碳源利用程度的差異來表征微生物的生理特性[11]。Biolog微平板由對(duì)照孔和95種不同單一碳源孔組成并在其中添加染料，當(dāng)接種純培養(yǎng)的菌液時(shí)，其中一些孔的營養(yǎng)物質(zhì)被利用，使各孔呈現(xiàn)出不同的顏色，從而形成微生物特有的代謝指紋，可通過與標(biāo)準(zhǔn)菌種的數(shù)據(jù)庫做對(duì)比，從而可鑒定出被測菌種。與傳統(tǒng)培養(yǎng)方法相比，此方法可以估算微生物群落代謝多樣性和功能多樣性。同時(shí)可根據(jù)各孔的顏色差異來反映出微生物群落的均勻度，從而可以反映出群落的穩(wěn)定性[12]。該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境差異不大時(shí)，這些指數(shù)并不能較敏感地區(qū)分菌群之間的差異[13]。同時(shí)由于不同的生長和競爭的結(jié)果，菌種之間會(huì)相互影響導(dǎo)致種群發(fā)生變化，影響測定結(jié)果[14]。

1.3 磷酸脂肪酸分析法（PLFA） 磷酸脂肪酸存在于活細(xì)胞的細(xì)胞膜中，具有屬的特異性，不同屬的微生物通過不同生化途徑而形成不同的磷酸脂肪酸（PLFAs）[15]。因此，土壤中的PLFAs組成和含量變化在一定程度上可反映土壤中微生物量和群落的動(dòng)態(tài)變化。通過對(duì)微生物的磷酸脂肪酸進(jìn)行提取，并依據(jù)其中的特征脂肪酸指示的微生物種類[16]，可對(duì)土壤中微生物群落特征進(jìn)行表征。此種方法具有對(duì)試驗(yàn)條件要求低、無需對(duì)微生物進(jìn)行培養(yǎng)、測試功能多和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[17]。但PLFA法也具有一定的局限性。該方法只能鑒定到屬，PLFA圖譜并不能給出一個(gè)實(shí)際的微生物種類組成，僅能反映微生物群落的概圖[18]；另外，該方法容易受微生物生理狀態(tài)影響[19-20]；古菌不能使用PLFA圖譜進(jìn)行分析，因?yàn)樗臉O性脂質(zhì)是以醚而不是以酯鍵的形式出現(xiàn)[21]。同時(shí)由于目前尚未建立土樣中所有微生物的特征脂肪酸，并且在很多情況下，還無法確定土樣中某些脂肪酸與特定微生物或微生物群落的對(duì)應(yīng)關(guān)系[22]。

1.4 變性梯度凝膠電泳技術(shù)（PCR-DGGE） 該技術(shù)是以復(fù)雜的環(huán)境樣品如土壤為研究對(duì)象，直接提取微生物DNA，利用通用引物進(jìn)一步對(duì)提取的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。將擴(kuò)增產(chǎn)物開展DGGE凝膠電泳分析[23]。DGGE不是將分子量不同的DNA分開，而是通過聚丙烯酰胺凝膠中變性劑濃度梯度的不同，將序列不同的DNA分開[24]。該方法的原理是根據(jù)DNA的解鏈特性，不同堿基組成的DNA雙螺旋發(fā)生變性所需要的變性劑濃度不同。在普通的聚丙烯酰胺凝膠基礎(chǔ)上加入變性劑，根據(jù)其遷移行為決定于其分子大小和電荷的原理能夠?qū)㈤L度相同但序列不同的DNA片段區(qū)分開[25]。該方法具有可靠性高、重現(xiàn)性強(qiáng)、方便快捷、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[26]，但同時(shí)也存在一定的局限性。DGGE還不能全面分析土壤中全部微生物，該方法只能檢測出土壤中相對(duì)豐度大于1%的微生物[27]；同時(shí)DGGE對(duì)實(shí)驗(yàn)要求較高，凝膠濃度、溫度、電壓等電泳條件選擇不當(dāng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生共遷現(xiàn)象[26]，即同一條帶不止包含一種微生物，微生物的種類被低估。

1.5 高通量測序技術(shù) 高通量測序技術(shù)也稱“下一代”測序技術(shù)，1次并行能對(duì)幾十萬到幾百萬條DNA分子進(jìn)行序列測定。以Illumina公司的Solexa，ABI公司的SOLiD，和Roche公司的454技術(shù)為代表[28-29]。該技術(shù)對(duì)于研究土壤微生物具有極大的意義。該技術(shù)極大地降低了微生物測序成本，實(shí)驗(yàn)了大規(guī)模土壤微生物直接測序[30]；同時(shí)該方法極大地提高了測序通量，豐富了研究的信息量，便于研究者更加深入地了解所研究課題。但同時(shí)該方法也存在一定的局限性，主要局限性如下：海量數(shù)據(jù)分析難的問題，該測序方法所測數(shù)據(jù)之深，所獲信息之大，都極大地加大了實(shí)驗(yàn)研究者分析數(shù)據(jù)的難度；數(shù)據(jù)去偽存真難的問題，在土壤微生物高通量測序中，存在物種豐富度被高估的情況[30]，對(duì)高通量測序結(jié)果去偽存真，探索新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法成為研究者面臨的一大難題[31]。

1.6 基因芯片技術(shù)（GeoChip） 基因芯片（GeoChip）是研究土壤微生物非常有效的技術(shù)手段，作為新一代的核酸雜交技術(shù)，可用于檢測環(huán)境微生物參與物質(zhì)循環(huán)、污染物降解等過程中參與的功能基因[32]。該方法是在芯片上含有編碼各種與生態(tài)學(xué)和生物功能過程或生物降解作用有關(guān)酶的基因[33]。由此可見，功能基因芯片為土壤微生物研究提供了全新強(qiáng)有力的技術(shù)分析工具，有利于更加有效地利用微生物對(duì)污染土壤進(jìn)行修復(fù)[34]?；蛐酒夹g(shù)具有高密度、高靈敏度、自動(dòng)化和低背景水平等顯著優(yōu)點(diǎn)[35]。但是任何技術(shù)都存在一定的局限性，基因芯片技術(shù)也不例外。該技術(shù)雖能檢測出微生物在生物學(xué)過程中所發(fā)揮作用的功能基因，但是卻不能直接表征微生物的群落多樣性組成和豐富度。應(yīng)結(jié)合DNA與mRNA測序，可以更加真實(shí)全面地反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)信息及其生理活動(dòng)[34]。同時(shí)該方法在取樣、標(biāo)記、雜交條件、圖像處理、數(shù)據(jù)歸一化以及所得數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估等都會(huì)帶來很多誤差[36]。

2 不同方法在重金屬污染土壤中的應(yīng)用

劉云國等[37]在湖南臨鄉(xiāng)桃林礦區(qū)土壤中采用稀釋涂布法在馬丁固體培養(yǎng)基上篩選出一株高抗銅、鋅菌株；張秀等[38]利用Biolog微平板法來分析生物質(zhì)炭對(duì)鎘污染土壤微生物多樣性的影響；孫婷婷等[39]利用磷酸脂肪酸分析法來分析羥基磷灰石-植物聯(lián)合修復(fù)對(duì)Cu/Cd污染植物根際土壤微生物群落的影響；鄭涵等[40]利用PCR-DGGE分析方法對(duì)鋅脅迫對(duì)土壤中微生物群落變化的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；江玉梅等[41]利用Illumina平臺(tái)高通量測序技術(shù)分析重金屬污染對(duì)鄱陽湖底泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響；路桃香對(duì)植物非根際土壤微生物進(jìn)行454高通量測序。

目前對(duì)于微生物研究方法有很多種，有最先進(jìn)的技術(shù)，也有傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，每種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在研究土壤微生物時(shí)，應(yīng)結(jié)合土壤特征以及研究目的合理選擇研究方法。如條件允許的情況下，可以結(jié)合多種技術(shù)方法同時(shí)使用，可以更好地研究土壤微生物的群落特征。

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（責(zé)編：張宏民）