文/胡月 中山大学 贺志理教授
微生物通常是指肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称,包括细菌、古菌、真菌、病毒、原生生生物等,是地球上多样性最高的生物类群,种类估计达1000亿种。
微生物广泛分布于我们生活的环境甚至是极端环境中,不仅在全球生产力、营养元素(如碳、氮、磷、硫等)循环、环境污染治理、人类健康和生态环境保护等方面发挥着重要作用,而且也可能为应对全球变暖和实现碳中和提供了新策略。
微生物通常不是单个存在,而是与周围环境中的其他微生物形成群落,通过复杂的相互作用表现出生态系统功能。环境微生物组定义为特定环境中所有微生物基因组的集合,包括自然环境(如红树林湿地、河流、湖泊、海洋、土壤、大气、动植物体内、极端环境)和人工环境(如养殖池塘、生物反应器)等。
最近,微生物组学研究的迅速崛起对生物、环境、海洋、医药、卫生等多学科交叉发展具有重要的支撑和推动作用,已成为世界关注的热点。一系列国际国内微生物组学研究计划相继推出,如人体微生物组计划、地球微生物组计划、美国国家微生物组计划、中国科学院微生物组计划、中国国家微生物科学数据中心和中山大学环境微生物组学研究中心等,这充分展示了微生物组学的重要性和发展前景。
环境微生物组学旨在揭示特定环境中微生物多样性、功能、互作、动态和演化,包括了环境微生物组-环境互作、环境微生物组-宿主互作、环境微生物组演替与进化、合成微生物生态学和环境微生物组工程。研究发现,土壤微生物能帮助植物抵抗疾病、促进生长、增强抗逆性和影响作物的产量及质量等;海洋微生物不仅在表层水中比较常见,而且在深海海底也有广泛的分布,被认为是海洋碳、氮、硫循环的引擎;大气微生物对人类健康、农业生产力和生态系统稳定性也极其重要。这些研究预示环境微生物组学将成为环境科学与技术的前沿学科,同时具有重要的环境应用价值。
在环境微生物组学研究方面,我国科学家也做出重大贡献。比如,红树林湿地是滨海重要的蓝碳生态系统,而微生物在维持其生态系统的功能和稳定性方面具有重要作用。我国科研团队聚焦红树林湿地微生物驱动的碳氮硫循环及其耦合机制的研究。如研究发现,与本地种红树秋茄相比,引进种红树无瓣海桑具有更快的养分循环,导致沉积物中养分含量下降和环境条件的改变,从而增加甲烷微生物群落的多样性和减少甲烷氧化菌的丰度来影响甲烷循环微生物群落,最终增加甲烷排放、影响碳汇功能。同时,通过构建碳氮磷硫循环及甲烷代谢等微生物功能基因数据库,深入研究了红树林湿地微生物驱动的甲烷代谢、固氮、硫酸盐代谢等关键生物地球化学循环过程及红树林湿地碳汇形成过程及机制。这些结果为减缓全球变暖和实现碳中和目标提供了科学依据。
自然环境中微生物的组成和功能复杂,限制了对其多样性与稳定性、生态功能和生产力的关系等微生物生态学理论的研究。合成微生物生态学作为新兴的研究领域,旨在利用已知微生物菌株和生态学理论人工构建特有功能的微生物群落,是研究群落中微生物互作强有力的工具。
在合成微生物生态学研究方面,基于反硝化细菌种类多、分布广,在污水脱氮处理中起重要作用,我国科学家通过构建合成反硝化群落探索了微生物多样性与功能和稳定性的关系及其机制。利用硝化细菌、硝化古菌、亚硝酸盐氧化菌及全程硝化菌构建了合成硝化微生物群落,研究了它们的生态位、相互作用及机制,丰富了微生物生态学理论,这将为合成微生物群落在环境治理、工业生产等应用奠定基础。
尽管环境微生物“无处不在、无所不能”,但由于其多样性高、相互作用复杂和环境多变等特点,急需进一步阐明环境微生物组的互作机制和环境适应性,从而增强其生态功能。因此,将来环境微生物组学研究可能会聚焦五个方面:阐明环境微生物组-环境互作机制,提升环境质量;揭示环境微生物组-宿主互作机制,增强动植物和人体健康;研究和发展合成微生物生态学理论及方法,阐明微生物组成员之间的互作机制;利用合成微生物生态学的理论和方法,构建高效、稳定的功能微生物组,实现微生物驱动的环境污染(如富营养、重金属、持久有机物)治理;通过综合分析环境微生物组与生态系统功能的关系及其演变规律,实现社会和经济的可持续性发展。
因此,微生物虽小,却在我们生活中发挥重要的作用;经过微生物组工程,可增强其功能,为环境治理、减缓全球变化和实现碳中和目标提供科学与技术支撑。
