微生物直接种间电子传递:机制及应用

微生物种间电子传递(Interspecies electron transfer,IET)是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系,从而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象。IET分为间接种间电子传递(MediatedIET,MIET)和直接种间电子传递(Direct IET,DIET)。其中,前者一般需要氢、甲酸、核黄素等作为电子载体,而后者是指微生物间通过纳米导线、氧化还原蛋白、导电颗粒等进行直接电子交换。DIET是最新发现的IET方式,DIET的发现改变了微生物互营代谢必须依赖氢/甲酸等能量载体的传统认识。本文在论述MIET的同时,重点阐述了DIET的三种介导机制,列举了参与IET的典型微生物种类,系统介绍了IET在厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等重要环境过程中的作用机制及应用潜力,并展望了微生物种间电子传递的未来研究方向。本综述有助于加深对微生物IET发生机制的认识,为理解微生物IET在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用提供理论基础,为IET的实际工程应用提供可能。     

湿地变形菌门甲烷氧化菌群的缺氧能量代谢

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源,在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色。甲烷生物氧化过程跨越不同氧化还原生态位,近年来的研究表明,在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力,但其能量代谢机制尚不清楚。本研究基于生物电化学技术、矿物学实验及微生物组学方法,结果表明变形菌门甲烷氧化菌主导的菌群具有直接和间接胞外电子传递潜力;在氧气耗尽时,甲烷氧化菌群可利用水铁矿作为电子受体完成能量代谢过程,缺氧体系中γ-Proteobacteria纲的甲烷氧化菌和非甲烷氧化微生物共同驱动铁矿还原。本研究探讨了变形菌门甲烷氧化菌主导菌群的缺氧能量代谢过程,拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论,为甲烷生物控制提供了理论支持。     

湿地变形菌门甲烷氧化菌群的缺氧能量代谢

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源，在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色。甲烷生物氧化过程跨越不同氧化还原生态位，近年来的研究表明，在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力，但其能量代谢机制尚不清楚。本研究基于生物电化学技术、矿物学实验及微生物组学方法，结果表明变形菌门甲烷氧化菌主导的菌群具有直接和间接胞外电子传递潜力；在氧气耗尽时，甲烷氧化菌群可利用水铁矿作为电子受体完成能量代谢过程，缺氧体系中γ-Proteobacteria纲的甲烷氧化菌和非甲烷氧化微生物共同驱动铁矿还原。本研究探讨了变形菌门甲烷氧化菌主导菌群的缺氧能量代谢过程，拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论，为甲烷生物控制提供了理论支持。     

冻融作用对农田磷素转化迁移影响研究进展

冻融作用引起水土流失,造成磷分等无机污染物流到下游江河湖泊等水体,引起非点源污染,造成土壤肥力下降、生态环境恶化等问题。首先从农田土壤磷分、植物体内磷分以及微生物生物量磷3方面介绍冻融作用对磷分转化迁移的影响;然后对冻融作用磷流失的防治提出增施有机肥、合理密植、恢复并改良植被、封育、退耕还林(草)等建议;最后,提出我国未来冻融作用对磷分转化迁移研究在土壤磷分水平、垂直方向上迁移转化机制,植物体内磷分迁移转化机制,微生物生物量磷迁移转化机制,以及冻融过程磷分流失模型方面提出研究展望。     

土壤微生物—腐殖质—矿物间的胞外电子传递机制研究进展

微生物胞外电子传递是地球表层系统元素循环与能量交换的重要驱动力。近年来,以微生物—腐殖质—矿物之间电子转移为核心的生物地球化学过程得到重视,拓展了以带电的土壤胶体与离子之间的相互作用为重心的土壤界面过程的内涵,成为地球表层系统物质间相互作用新的关注点,启示我们从化学与生物两个角度重新认识地球表层系统过程。本文从微生物、腐殖质和矿物等要素入手,综述了其地球化学角色与功能,讨论了它们之间的相互关系以及胞外电子传递的途径与方式;从热力学的角度探讨了胞外电子传递过程的能量变化,从动力学的角度探讨了胞外电子传递的传质与速率;介绍了若干胞外电子传递的研究方法;并提出了今后需要重点关注的重要科学问题。     

微生物纳米导线的结构与功能：争议及进展

土壤胞外呼吸是驱动元素生物地球化学循环的引擎，而微生物纳米导线是实现土壤胞外呼吸的重要途径。微生物纳米导线是一类生长于微生物表面，可长达数十微米的具有导电性的纤维状结构。它直接作用于微生物与土壤矿物、产甲烷与甲烷氧化微生物间的电子传递，从而影响了土壤矿物的迁移转化及温室气体减排。Geobacter sulfurreducens是研究微生物纳米导线的模式微生物。长久以来，基于分子生物学实验证据表明，G. sulfurreducens纳米导线是PilA-N菌毛。而最近基于冷冻电镜技术的纳米导线结构分析发现，G. sulfurreducens实际上表达着各种形式的细胞色素c纳米导线。自此，关于“纳米导线本质”的问题成为学术界争论的焦点。以G. sulfurreducens纳米导线理论发展为主线，综述了不同时期对纳米导线结构与功能的认识，并系统分析了作为“纳米导线本质”争议的证据基础，将推动该争议的早日解决，并助力土壤胞外呼吸理论的成熟及微生物纳米导线的应用研究。     

黄土高原采煤沉陷对土壤微生物群落的影响

采矿对环境本底影响极大,近自然恢复是唯一可行的手段。土壤微生物影响物质循环转化,对生态恢复起重要作用。厘清土壤微生物群落如何适应和进化,不同菌群之间如何互作,哪些功能群更适应干旱、贫瘠的环境,对提升矿山生态恢复力至关重要。利用高通量测序和分子生态网络方法探索东坪煤矿和大柳塔煤矿地表沉陷区土壤微生物群落结构与组成、主要种群及与环境因素间的互馈机制。结果表明:沉陷环境对土壤微生物群落多样性、结构和分布模式影响显著,但放线菌门(Actinobacteria)一直最为丰富。东坪煤矿分子生态网络互作关系较大柳塔煤矿更复杂、网络节点和连接数更多。前者的关键菌群属于放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和奇古菌门(Thaumarchaeota),后者的关键菌群属于变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)。此外,网络结构与土壤性状之间存在显著相关性。为适应矿山土壤营养贫瘠,微生物种群间更偏向相互合作,其中Holophagae与Aquabacterium为优势菌属,或可助力矿山生态修复。     

水源地水库沉积物中营养盐与微生物群落的空间分布特征

[目的]调查研究水源地水库沉积物中营养盐分布与微生物群落分布状况,揭示沉积物微生物与营养盐迁移转化的相互关系。[方法]在浙江省东部低山丘陵区汤浦水库现场采集沉积物样品,分析其中氮、磷等营养盐与总有机碳含量,并对沉积物中微生物群落结构特征进行克隆文库分析。[结果](1)沉积物中总有机碳平均含量为14.6g/kg,总氮平均含量为1.6g/kg。总有机碳和总氮含量最高的采样点都是H点,最低的都是F采采样;总磷含量最高的采样点是G(含量为1.08g/kg),含量最低的采样点是L(含量为0.5g/kg),平均含量为0.8g/kg。速效磷和铵态氮在在河流入库段含量最高,在库区中部和坝前位置含量较低。(2)沉积物样品中微生物种群差异较大。鉴别出来的10种已知门的细菌,只有变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和疣微菌门共同存在于各样品。变形菌门在所有样品中的数量最多,约占细菌总数50%~70.8%。[结论]微生物群落分布与沉积物营养盐有一定相关性。皮尔逊相关分析表明,γ变形菌和δ变形菌与总磷存在显著的负相关性,厚壁菌门却与总氮(p0.05)存在显著的正相关性。     

土壤中有机复合污染物微生物组转化机制与调控原理：进展与展望

实际污染土壤中有机污染物通常以复合污染状态存在,有机复合污染物的微生物降解过程及其作用机制显得更为复杂。土壤微生物类群多样,具有丰富的功能多样性。而有机复合污染物的降解通常由微生物组操控,通过微生物群落代谢网络完成污染物的去除。近年来,研究者逐渐关注有机复合污染土壤中微生物群落适应机制-微生物组转化过程-合成微生物组设计-原位微生物组修复等方面的研究,对认知污染土壤治理和修复具有重要的科学意义。本文以具有代谢协同性及功能互补性的微生物组为切入点,系统阐述土壤中有机复合污染物的微生物组转化机制与调控原理等,探讨微生物组在复合污染土壤绿色可持续原位生物修复中的发展前景。     

海南岛尖峰岭热带雨林土壤固碳微生物群落特征

采集海南岛尖峰岭地区低地雨林次生林、山地雨林次生林和山地雨林原始林土壤,基于绝对定量PCR和高通量测序技术,探讨了热带雨林土壤中固碳微生物群落结构的多样性与组成及其影响因素。结果表明:固碳微生物的Alpha多样性与基因丰度均表现为低地雨林次生林高于山地雨林原始林;尖峰岭热带雨林土壤固碳微生物优势菌门为假单胞菌门(Pseudomonadota,44.28%～70.60%)和放线菌门(Actinomycetota,11.95%～33.73%),优势菌属为慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium,11.53%～31.06%)、诺卡氏菌属(Nocardia,4.97%～17.07%)、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium, 4.44%～12.97%)、分枝杆菌属(Mycobacterium, 2.62%～9.20%)、芽绿菌属(Blastochloris,4.34%～10.12%)、固氮弧菌属(Aromatoleum,1.97%～5.39%)、分枝菌酸杆形菌属(Mycolicibacterium,1.71%～3.78%)、固氮螺菌属(Azospirillum,1.97%～2.65%)、...     

温度耦合驱动下土壤-地下水有机污染物迁移规律与模拟研究进展

场地土壤-地下水有机污染空间分布受场地温度场、水动力场、化学场和生物场等多场控制。明晰有机污染物在土壤-地下水系统中的空间分布规律和驱动机制，定量模拟污染迁移过程，是有效开展污染控制与修复的前提。在众多的影响因素中，温度通过改变有机污染物的理化性质及多相流、化学/生物作用驱动参数，进而影响其在土水介质中的迁移及空间分布。本文综述了有机污染物理化性质（密度、黏度、溶解度）和有机污染化学/生物驱动（挥发、吸附和生物降解）关键参数与温度之间的解析关系，及考虑温度影响的土壤-地下水中有机污染传质过程模拟的研究进展，并针对目前模拟研究的不足提出了耦合温度场的土壤-地下水有机污染物迁移数学模型，为定量探究温度耦合驱动下的有机污染物迁移转化过程和规律提供启示。     

Elucidating the fundamental chemistry of soils: past and recent achievements and future frontiers

Contributions in the field of soil chemistry have immensely benefited humankind, including enhanced agricultural production and the quality of our environment. This review focuses on research breakthroughs since the mid-1970s and delineates frontiers in soil chemistry for the upcoming decade. However, early contributions in ion exchange, sorption phenomena, and soil acidity are highlighted. Beginning in the 1970s, soil chemistry paradigms shifted from the chemistry of plant nutrient reactions/processes in soils to studies on environmental soil chemistry. The latter included research on: acid rain effects on soils and waters; trace metal/metalloid, environmentally important plant nutrient, radionuclide, and organic chemical reaction mechanisms and retention; speciation of soil contaminants using chemical extraction and molecular scale analytical techniques; facilitated colloid transport of metals and organic chemicals; humic substance structure; kinetics of soil chemical processes; redox transformations of contaminants in soils; modeling of soil chemical reactions; and soil remediation. Frontiers in soil chemistry over the next decade will undoubtedly involve the use of advanced in situ technologies in combination with interdisciplinary research efforts to unlock important information on: speciation of contaminants in soils; cycling of trace elements and nutrients and impacts on global climate change; development of models to accurately predict the rate, fate, and transport of contaminants in the subsurface environment; elucidation of mechanisms for microbial transformations of contaminants; unraveling the precise structure of soil organic matter; and enhanced understanding of rhizosphere chemistry. In summary, the future of soil chemistry is bright for the 21st century.     

水分非饱和条件下土壤矿物界面有毒有机物转化机制研究进展

土壤矿物作为土壤重要活性组分，可驱动土壤有毒有机物化学转化，降低污染风险。以往土壤矿物与有毒有机物界面行为研究主要集中于水环境或矿物悬浊液体系，然而实际环境中土壤及其矿物常处于干燥、湿润等水分非饱和状态。近年来，水分非饱和条件下土壤矿物界面有毒有机物转化及机制已成为研究热点，相关研究获得一系列新发现。低含水量铁锰矿物、黏土矿物和金属离子饱和黏土矿物能驱动多环芳烃、抗生素等疏水性有毒有机物化学转化。水分非饱和环境会减弱矿物界面水分子与有毒有机物竞争活性位点，并使矿物发生脱水、向高活性结构转变。此外，土壤矿物水分状态也会影响有毒有机物转化产物，水分非饱和环境更有利于持久性自由基和卤代二噁英等中间产物的形成和稳定。以往研究认为，电子转移反应是土壤矿物界面有毒有机物转化机制，随着检测技术与理论计算的发展，自由基催化和水解作用机制逐渐被发现，相关机制研究精准至矿物晶型和晶面层面。虽然水分非饱和条件下土壤矿物界面有毒有机物转化及机制已逐渐清晰，但其研究广度和深度有待进一步拓宽和加深。建议未来在实际水分非饱和土壤和矿物中开展有毒有机物转化研究，深入探究还原转化过程，研发原位反应装置及检测方法，尝试从微纳米尺度和分子水平解析有毒有机物在矿物界面转化机制。     

细菌胞外聚合物：基于土壤生态功能的视角

胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances,EPS）是微生物分泌到胞外环境的高分子量天然聚合物,其建立了生物膜结构和功能的完整性,是决定生物膜物理化学特性的关键组分。EPS是细菌生命的基础,为化学反应发生、养分捕获和抵抗环境胁迫提供了理想的环境。细菌分泌的EPS可以通过自身特性（如黏着性、吸湿性和络合性能等）实现土壤功能增益,如提高团聚体稳定性、增强保水持水能力,以及固持重金属等。本文梳理了细菌EPS的土壤生态功能,即充当细胞保护层、调节土壤生物响应、缓解土壤非生物胁迫和改善土壤整体功能,并探讨了土壤中细菌EPS未来研究的着眼点,以期呼吁更多学者关注细菌EPS及其在土壤生态系统中的功能。     

Environmental fate of petroleum hydrocarbons in soil: Review of multiphase transport, mass transfer, and natural attenuation processes

The increasing use of petroleum-derived fuels over the last few decades has subsequently augmented the risk of spills in the environment. Soil pollution with petroleum hydrocarbons (principally caused by leaks in pipelines and underground storage tanks) is one of the major sources of soil degradation. Once in soil, fuel hydrocarbons suffer from a wide variety of multiphase processes including transport (advection, diffusion, and dispersion) among and within phases (aqueous and non-aqueous liquid, gas, and soil solids), mass transfer among phases (volatilization, sorption, and solution), and other natural attenuation processes, such as biodegradation and plant uptake and metabolism. This review identifies and describes the major processes occurring in soil that have a significant influence on the environmental fate of petroleum hydrocarbons. The definition of the processes involved in pollutant migration and distribution in soil and the formulation of adequate equations using accurate parameters (e.g., diffusion coefficients, velocity of advective flows, and mass transfer coefficients) will allow prediction of the final fate of soil pollutants. In addition to transport and mass transfer processes, which are more widely studied, the incorporation of attenuation mechanisms driven by microorganisms and plants is essential to predict the final concentration of the pollutants in the whole multiphase scenario. This work underlines the importance of the determination of accurate parameters through the performance of laboratory and/or field-scale experiments to develop precise pollutant migration models.     

Transport and survival of GFP-tagged root-colonizing microbes: Implications for rhizodegradation

Many recalcitrant organic contaminants pose unique and vast environmental challenges, potentially addressed through phytoremediation. Using molecular engineering to enhance enzymatic capabilities of root-colonizing microbes, additional contaminants can be targeted and contaminant fate can be altered to promote rhizosphere degradation of contaminants, which is desired among phytoremediation mechanisms. In this paper, rhizosphere bacteria were tagged with the green fluorescent protein genes (gfp) in order to monitor colonization, survival, and transport within the root zone and to evaluate the effectiveness of visual identification using GFP. Transport of the gfp-tagged root colonizers was observed to a one meter depth against a hydraulic gradient in less than 180 days revealing that plant's roots clearly enhanced movement of the recombinant strains through the rhizosphere although proliferation of the recombinant bacteria was not substantial. Over a 49-day plant growth period survival and colonization by the recombinant bacteria was monitored in soil and on roots, revealing a decreasing trend. Overall, this study showed that enhanced rhizosphere degradation is mechanistically promising, but that the specific plant-microbe pairing studied herein was not ideal. Using GFP for visual identification is not 100% efficient but provides a quick and simple marker to detect tagged microorganisms. Selection of root colonizing organisms to be engineered in enhanced rhizoremediation is a critical step in advancing the technology.     

土壤有机质对疏水性有机污染物的非线性吸附及其影响因素

土壤有机质(SOM)是土壤的重要组成部分,它对疏水性有机污染物(HOCs)的吸附作用对污染物在环境中的迁移转化有着至关重要的影响。近年来的一些研究表明,HOCs在SOM上的吸附行为并不严格地符合传统的线性分配模型。本文综述了近年来一些学者提出的SOM对HOCs的非线性吸附作用的机制及其影响因素,认为SOM的组成和结构均对HOCs的吸附有着重要的影响。SOM吸附在土壤矿物表面后,其结构或各组分的比例发生了改变,从而对其本身的吸附作用产生影响。溶液的化学环境(主要是阳离子)会对SOM的结构和吸附作用产生影响,特别是当溶液中存在一些过渡金属(如,铜或银)的离子时,共吸附的金属离子可能会与多环芳烃类分子形成阳离子-π键的作用,从而促进多环芳烃类物质在SOM上的吸附。     

横跨中国崇明岛河岸湿地缓冲区土壤中溶解性有机碳的空间分布及其荧光特征

The migration of soil dissolved organic carbon(DOC) from terrestrial to aquatic environments has important impacts on the adjacent water quality and the transport of organic and inorganic contaminants.However,few studies have investigated the sources and properties of DOC in riparian zones.A total of 34 soil samples were collected across four riparian buffer zones(Zones A-D) on Chongming Island,China.The vertical distributions of soil organic carbon(SOC) and DOC,fluorescence excitation-emission matrix(EEM) spectra of DOC and the optical indices,including fluorescence index(FI),index of recent autochthonous contribution(BIX),and humification index(HIX),were measured across the riparian environment to investigate the sources and fluorescence properties of DOC.The results showed that SOC stored in the surface soil(0-30 cm) accounted for 40%of the total soil profile SOC.The DOC accumulated in Zones A-C,which accounted for 5%of the SOC.The fluorescence EEM spectra of DOC showed that DOC contained humic-like and protein-like substances,which were mainly derived from recent plant debris by microbes.A large amount of humic-like substances were sorbed to minerals in the surface soil(0-30 cm).In addition,the riparian topography and soil physico-chemical properties(pH,EC and moisture) dictated the transformation and transport of DOC.The results suggested that EEMs could reveal the source of DOC in riparian soil systems,and that optical indices were complementary tools that revealed the characteristics of soil DOC and provided supplemental evidence about DOC sources.     

大环内酯类抗生素在土壤中的迁移转化与毒性效应分析

抗生素已成为一种新型土壤环境污染源,为确切评估大环内酯类抗生素对土壤生态环境的影响,对该物质在土壤中的吸附、迁移、降解行为及毒理效应进行了综述,重点分析了大环内酯类抗生素在土壤中的降解过程,主要阐述了微生物与植物对大环内酯抗生素的生物降解作用,旨在为土壤污染防治与修复提供理论依据。