环境微生物群落结构与功能多样性研究方法

2015-08-15邢少峰

生物技术世界 2015年2期

邢少峰

(呼和浩特职业学院内蒙古呼和浩特 010000)

微生物作为一种低等级的生物,同时也承担着最终分解者的角色,对自然环境和生态有着十分重要的影响。众所周知,微生物是以一种群落形式而存在,因而研究微生物的群落结构和群落之间的分布状况十分有意义。从微生物群落的生态特征的两个维度——结构特征和功能特征出发,探讨微生物群落的特性和主要功能,是研究微生物的重要突破口。微生物群落的行为,与与宿主或环境的相互作用都具有十分重大的研究价值。

1 微生物群落结构特征和鲁棒性

微生物群落的种群多样性是微生物群落最重要的特征之一,也是生态学研究的重点,通过对微生物群落的种群多样性研究,确定微生物群落的基本结构特征。其中,最主要是研究环境微生物群落结构和鲁棒性,这是研究微生物群落生态功能的基础。

1.1 结构特征

微生物群落的结构特征是微生物群落研究中最有价值的东西之一,主要是通过研究微生物群落的组成种类及其丰度,来确定其结构与特征[1]。众所周知,微生物是地球环境的最终分解者,是维护生态平衡的重要力量。然而在对微生物的研究方面,传统的试验方法只能培养出大约10%的微生物种类,对于大多数的微生物不能通过培养的方式进行研究,这就使得研究的范围十分有限。采用微生物群落结构与功能多样性研究就可以打开新的突破口,这种方式不拘泥于传统的培养方式,将微生物群落置于宿主存在的自然环境中,通过系统分析微生物群落结构的方式,来了解其结构特征。

1.2 鲁棒性

微生物群落的鲁棒性是微生物群落最主要的特性之一,它主要指的是微生物群落结构的稳定性,即当为生物群落受到外界干扰时,如何继续稳定的发挥群落的固有功能。一般来说,生物的鲁棒性主要是通过整个系统之中的各个部分来表现的,即生物的细胞、分子、器官等等都具有鲁棒性[2]。生物系统所处的环境在不断变化,然而在生物系统内部的环境却相对稳定,生物在各种环境中都能够逐渐适应,这是其鲁棒性的最重要体现。鲁棒性对于维持系统的功能性有着重要作用,当系统结构受到损伤之时,由于鲁棒性的存在,系统的行为不会发生大的变化,只会发生微小的改变。微生物群落的鲁棒性主要表现在两个方面,一是结构鲁棒性,即微生物群落内部的结构都是相对稳定的,一个群落在一定时期内受外界的影响不大,稳定性能良好;二是功能鲁棒性,微生物群落发挥着其固有的功能,不会因为外界环境的变化发生大的改变。

2 微生物群落的研究方法

微生物群落研究是当前生物领域的新兴研究,目前所取得的成果较为有限,主要是通过分离微生物的方法将微生物与宿主的相互作用割裂开来,这种研究方式不仅效果不理想而且在研究中容易发生方向性的错误,采用新的研究方式十分重要。群落结构与功能多样性解决了这一难题。

2.1 群落组成

微生物是以群落的形式存在,这是微生物的基本组成方式,也是微生物发挥其基本功能的前提和基础。而传统的研究方法认为,研究微生物的特征需要将微生物与其宿主的相互作用之中分离出来,通过培养的方式来实现,这种方法目前仅适用于10%左右的微生物种类[3]。此外,还有一中不依赖于培养微生物的方法,即16SrRNA分析为基础研究方法,通过对微生物进行分类和标记,确定微生物的种类和群落。基于微生物群落结构的研究方法将微生物置于其固有的生存环境中,通过系统分析的方式,将微生物与宿主之间的相互作用表现出来,从而研究微生物的群落结构。这种方式能够清晰的显示微生物群落的组成及结构方式,以及对周围生态的影响。

2.2 物种功能

微生物群落对自然界的作用和影响是研究微生物群落的出发点和最终目的。传统方法建立在微生物的生理学基础之上的,通过研究微生物群落的生理代谢特点,研究其功能,采用富集培养的方法,通过对生物的参与发酵物与生成物之间的联系,分析微生物群落在这一过程之中的作用。另一种方法是采用元基因组学。通过基因工程克隆微生物DNA,通过对微生物的主要功能及其形状进行序列分析,以确定微生物群落的物种功能。此外还有稳定同位素探针。通过稳定同位素的方法,确定与微生物有着稳定关系的群落有着何种功能,以判定该种微生物群落功能。