测序技术在环境微生物方面研究与应用的新进展

副标题：【老王聊生物】九九归一计划·石头漫谈VOL.020

本文作者「过期石头」特约撰稿人：生物老王

前言

大家好呀！我是时不时断更（划掉）更新的石头呀！今天石头请来一位学习生物的带佬“老王”先森为大家讲一些生物学有关的研究，这将是“老王聊生物”的第一期，希望大家喜欢，同时也希望各位小伙伴能有所收获！

引言

目前，环境污染问题迫在眉睫，物理、化学等修复技术并不能有效改善环境问题。为了更好的解决环境污染问题，相关人士经大量研究发现利用环境微生物的降解、代谢或富集等独特的生物修复功能，能够改善、优化被污染的环境，使环境得到再生[1]。

景明[14]针对张家港某河道水色异常事件，采用高通量测序技术对18S rRNA基因V4区测序，结果显示数量较多且群落组成单一， Pedospumella encystans占93.94%。用高通量测序技术对16S rRNA基因V4区测序，结果显示数量相对较少且群落分布较为均匀，同时结合显微镜鉴定结果判断引起河道生态污染的微生物为一体积较小的真核浮游藻类Pedospumella encystans。

测序技术在土壤微生物方面的应用

土壤微生物作为土壤生态系统的重要组成部分，在土壤有机质分解、植物营养供给以及腐殖质形成过程中起着至关重要的作用[15]。当环境发生变化时，微生物的活动强度甚至群落组成都会产生相应地变化以适应新的环境。因此，可以用微生物群落的数量及组成结构来监测土壤环境的变化及生态系统恢复效果。

陈影[16]为明确辽河保护区河岸带生物多样性恢复现状以促进河岸带生态系统的健康管理，通过对土壤微生物高通量测序分析。在辽河干流的23个采样点河岸带土壤中微生物多样性呈波动性变化，不同微生物群落受环境因素影响存在显著性差异。据此可为辽河保护区河岸带恢复提供理论依据。候磊[17]等利用高通量测序技术对藏北高寒草甸土壤线虫的群落组成进行分析，讨论增温对土壤线虫群落的影响，有助于理解线虫群落对增温的适应过程，增强对气候变暖影响的认识，为藏北高寒草甸的管理维护提供借鉴。

测序技术在气体微生物中的应用

空气中广泛分布的细菌 、真菌孢子、放线菌和病毒等微生物粒子与空气环境质量以及人类健康等密切相关，小部分具有活性的生物粒子能够导致各种微生物疾病的发生[18]。由生物粒子组成的气溶胶，是大气的重要组成部分，并可通过直接散射或吸收太阳能辐射在全球气候变化中起着至关重要的作用[19]。

河南新乡受独特的盆地地形影响，大气污染物向外扩散能力差，是我国雾霾污染较严重的地区，因此容易引发中、重度污染。特别是在冬季,随着北方供暖季的到来,煤炭使用量急剧增大,更加剧了雾霾的严重程度。杨清香[20]等采集新乡市冬季严重雾霾天气下校园室外环境和医院门诊大厅的大气颗粒物样本,通过培养法和分子生物学技术研究了气传细菌和真菌的丰度与群落组成。结果显示，雾霾发生时校园室外环境中空气微生物的浓度高于医院室内环境，这与医院大厅内环境相对封闭,以及定期消毒杀菌有关。值得注意的是,不论是培养法还是SMRT测序，都检测出丰度较高的条件致病菌和致敏真菌且空气微生物的浓度均远高于这一标准（根据美国疾病控制预防中心调查，空气中游离菌数>500cfu/m3 时,就有发生感染的危险性）,说明雾霾天气下空气中的微生物具有危害人类健康的风险。

结束语

微生物调控的生物地球化学过程影响生态系统功能微生物与生态因子的相互作用是必不可少的。随着测序技术的突飞猛进，各种测序仪相继问世促进了对环境微生物的研究，但不同的方法有其固有的局限性。方法的选择和应用应根据具体的研究情况而定。

目前微生物多样性研究中以第二代测序为主，而基因组测序以及环境总基因测序以第三代测序为主。但随着测序技术的创新发展，第三代测序技术必将成为主流。而SMRT测序技术在环境微生物研究领域应用最成熟且最多的还是微生物全基因组测序，在复杂环境微生物宏基因组研究中还存在诸多问题需要解决，已有的研究也只是浅尝辄止。在我们文献查阅的范围之内，还没有发现真正将 SMRT测序技术应用于复杂环境微生物研究。因此 ，这方面还需要进一步探索。

参考文献

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[2] 李晓然，吕毅，宫路路，等．微生物分子生态学发展历史及研究现状［Ｊ］．中国微生物学杂志2012,24(4) :366-369．

[3] 艾铄,张丽杰,肖芃颖,张晓凤,邢志林.高通量测序技术在环境微生物领域的应用与进展[J].重庆理工大学学报：自然科学,2018,32(9):111-121.

[4] 段曌,肖炜,王永霞,赖泳红,崔晓龙.454测序技术在微生物生态学研究中的应用[J].微生物学杂志,2011,31(05):76-81.

[5] 许亚昆,马越,胡小茜,王军.基于三代测序技术的微生物组学研究进展[J].生物多样性,2019(5):534-542.

[6] 杜贞娜,程斐,单之初,郭怀宇,孙剑秋,臧威.高通量测序技术及其在黄酒微生物多样性研究中的应用[J].中国酿造,2021,40(8):14-19.

[7] ALGAR C K,VALLINO J J.Predicting microbial nitrate reduction pathways in coastal sediments [J].Aquatic Microbial Ecology,2014,71(3):223-238.

[8] 张子敬,刘燕蓉,张顺进,贺花,李佳霄,刘贤,吕世杰,李志明,王二耀,雷初朝,黄永震.第三代测序技术的方法原理及其在生物领域的应用[J].中国畜牧杂志,2020,56(6):11-15.

[9] 韩迎亚,杨乔乔,王倩楠,安贤惠,刘有华,李联泰.单分子实时测序技术在环境微生物研究中的应用[J].微生物学通报,2019,46(11):3140-3147.

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[11] 承中雪.高通量测序技术在水环境微生物群落多样性中的应用[J].环境与发展,2018,30(7):95-95+97.

[12] 刘晓华,魏天兴.高通量测序分析黄土高原退耕还林区土壤细菌群落特征[J].环境科学,2021,42(9):4489-4499.

[13] 董焕成,买文宁,吕志栓.高通量测序法对苯胺类染化废水中微生物菌群多样性的试验研究[J].天津化工,2020,34(05):48-50.

[14] 景明,陈瑜,高昕,李继影.高通量测序技术在水生态污染监测中的应用[J].实验室研究与探索,2021,40(1):27-31.

[15] 邢肖毅,黄懿梅,安韶山,闫浩.黄土丘陵区不同植被土壤氮素转化微生物生理群特征及差异[J].生态学报,2013,33(18):5608-5614.

[16] 陈影,陈苏,马鸿岳,单岳,冯天朕,张鸿龄.辽河干流河岸带植物及微生物多样性研究[J].农业环境科学学报,2020,39(09):2048-2057.

[17] 侯磊,薛蓓,薛会英.利用高通量测序法对模拟增温条件下藏北高寒草甸土壤线虫群落的研究[J].草地学报,2019,27(2):443-451.

[18] 温占波,李劲松.分子生物学在空气微生物气溶胶研究中的应用进展[J].微生物学免疫学进展,2007(02):69-71.

[19] 方治国,郝翠梅,姚文冲,欧阳志云.空气微生物群落解析方法:从培养到非培养[J].生态学报,2016,36(14):4244-4253.

[20] 杨清香,辛媛,李慧君,王瑞民.新乡市冬季严重雾霾下医院和校园气传微生物群落组成研究[J].河南师范大学学报(自然科学版),2020,48(04):78-88+2.

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