环境微生物学

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示范作者：Bradley Schmitz 土壤通常含有一定量的水分，可用“土壤含水量”来表示。这种水分存在于土壤团聚体之间的孔隙（团聚体间孔隙）以及土壤团聚体内部的孔隙（团聚体内部孔隙）中（图1）。通常情况下，这些孔隙中充满空气和/或水。如果所有孔隙均被空气占据，则土壤完全干燥；如果所有孔隙均被水充满，则称土壤处于饱和状态。 图1.

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示范作者：Luisa Ikner

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示范作者：Luisa Ikner

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示教作者：Bradley Schmitz 土壤构成地球表面的薄层，包含促进生命活动的生物和非生物因素。非生物部分包括大小和形状各异的无机颗粒，这些颗粒决定了土壤的质地。生物部分则包含植物残体、根系、有机质以及微生物。土壤微生物的数量和多样性极为丰富，每克土壤中含有107-8个细菌、106-8个放线菌、105-6个真菌、103个酵母菌、104-6个原生动物、103-4个藻类以及53个线虫。生物与非生物因素共同在植物根系周围形成被称为根际的结构，为土壤微生物提供了有利的生存环境。 生物和非生物因素共同促进土壤中的生命活动。然而，它们也带来了限制微生物生存的胁迫效应。生物胁迫是指生物之间为适应和在特定环境条件下生存而产生的竞争。例如，微生物可分泌抑制性或有毒物质，以损害邻近的微生物。Penicillium notatum...

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示范作者：Bradley Schmitz 真菌是一类异养型真核生物，除酵母外，均为需氧型。它们在表层土壤中广泛存在，在养分循环以及有机物和有机污染物的降解过程中发挥着重要作用。例如，白腐真菌（Phanerochaete chrysosporium）（图1）能够降解芳香族化合物。 图1.

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 演示作者：Luisa Ikner 对土壤中微生物群落的传统分析方法通常包括利用选择性和鉴别性培养基进行稀释与涂布培养的培养法，或直接计数法。直接计数法可提供样品中细菌总数的信息，但无法反映群落中不同种群的数量或多样性。平板计数法可用于对可培养的总菌群或特定可培养菌群进行计数，从而提供有关群落中不同种群的信息。然而，由于不到1%的土壤细菌易于培养，因此培养法仅能揭示群落特征的一部分。实际可培养的群落比例取决于用于培养计数的培养基种类，任何单一培养基都只会筛选出最适应该特定培养基的种群。

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 演示作者：Bradley Schmitz 聚合酶链式反应（PCR）是一种用于检测存在于土壤、水体和大气环境中的微生物的技术。通过扩增DNA的特定片段，PCR可实现对目标微生物的检测与鉴定，精确到物种、菌株以及血清型/致病变种水平。该技术还可用于表征样品中整个微生物群落的组成。 在实验室中使用特定培养基培养微生物是一种历史悠久的技术，至今仍用于检测环境样本中的微生物。自然界中的许多微生物虽然存活，但维持着较低的代谢活性和/或倍增时间，因此被称为“可存活但不可培养”（viable but non-culturable, VBNC）微生物。仅使用基于培养的技术无法检测到这些微生物，因而不能对样本中的微生物种群进行充分评估。PCR 技术的运用可以检测到可培养的微生物、VBNC 微生物以及已死亡或失活的微生物，因为遗传序列的扩增通常不需要对环境样本中存在的微生物进行预先富集。然而，PCR 无法区分上述各种存活与活性状态。当 PCR...

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士的实验室 演示作者：Bradley Schmitz 逆转录-聚合酶链式反应（RT-PCR）与常规PCR过程相同，即通过温度循环来扩增核酸。然而，常规PCR仅扩增脱氧核糖核酸（DNA），而RT-PCR则通过合成互补DNA（cDNA）实现对核糖核酸（RNA）的扩增。这使得环境中存在的以RNA为基础的生物体能够利用专为DNA设计的方法和技术进行分析。 环境中发现的许多病毒以RNA作为其遗传物质。一些基于RNA的病毒病原体，例如 诺如病毒以及指示性生物（如胡椒轻斑驳病毒（PMMoV））尚无基于培养的定量检测方法。为了检测土壤、水体和农业等环境样品中这些RNA病毒的存在， 等等。，分子检测依赖于逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）将RNA转化为DNA。若无RT-PCR，微生物学家将无法检测和研究多种对人类及环境健康构成威胁的RNA病毒。

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 演示作者：Bradley Schmitz 定量聚合酶链式反应（qPCR），也称为实时PCR，是一种广泛用于定量环境中微生物的分子生物学技术。在此方法出现之前，微生物的定量主要依赖于传统的基于培养的技术。然而，从环境样品中培养微生物往往极具挑战性，通常认为使用这些技术仅能检测到环境中实际存在微生物的1%至10%。因此，qPCR在环境微生物学研究中的应用极大地推动了该领域的发展，使得能够更准确地测定环境样品中诸如致病病原体等微生物的浓度。然而，qPCR作为一种应用性微生物学技术存在一个重要局限性，即无法区分活的、有活性的微生物群体与失活或非存活的微生物群体。

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 演示作者：Luisa Ikner

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 演示作者：Luisa Ikner 用于农业、娱乐和家庭用途的水质至关重要，因为存在水源性疾病的暴发风险。与这类事件相关的微生物病原体包括寄生虫、细菌和病毒，这些病原体可由感染者或感染动物的粪便中大量排出。当摄入受污染的水后，可能通过粪-口途径将病原体传播给新的易感宿主。因此，监测水源中是否存在致病性微生物对于保障公共卫生具有重要意义。

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 演示作者：Alex Wassimi 病毒是一类独特的生物实体，可感染真核生物和原核生物。它们是专性寄生体，自身没有代谢能力，必须依赖宿主的代谢系统来复制，以产生可在宿主细胞内自我组装的病毒组分。 病毒属于超显微结构——体积过小，无法通过光学显微镜观察，只能借助分辨率更高的电子显微镜才能看见。病毒颗粒由核酸基因组（DNA 或 RNA）构成，其外包裹着称为衣壳的蛋白质外壳，衣壳由蛋白质亚基或壳粒组成。某些结构更复杂的病毒，其衣壳外还包被着额外的脂质包膜，部分病毒具有刺突状的表面附属物或尾部结构。 感染人类和动物肠道的病毒被称为肠道病毒。它们通过粪便排出，可从生活污水中分离得到。感染细菌的病毒称为噬菌体，而感染大肠菌群的噬菌体则称为大肠菌噬菌体（图1）。大肠菌噬菌体存在于所有大肠菌群存在的环境中。 图1.

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示范作者：Bradley Schmitz 和 Luisa Ikner 表层土壤是由无机颗粒和有机颗粒组成的异质混合物，这些颗粒相互结合形成次级团聚体。在团聚体内部及团聚体之间存在孔隙，这些孔隙在视觉上同时含有空气和水。此类环境为细菌提供了理想的生态系统，因此所有土壤都含有大量细菌，通常每克土壤中的细菌数量超过100万。

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示教作者：Luisa Ikner

来源：亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室 示范作者：Bradley Schmitz 藻类是一类高度异质性的微生物，其共同特征是含有光合色素。在环境中，藻类可在水中生长，给泳池管理者带来困扰。藻类还会在湖泊和水库等水体中引发问题，因为藻华会释放毒素。近年来，藻类正被评估作为新型能源，例如通过藻类生物燃料获取能量。蓝绿藻实际上是被归类为蓝细菌的细菌。蓝细菌不仅能进行光合作用，还具有固定大气中氮气的能力。其他藻类则属于真核生物，从单细胞生物到海藻等复杂的多细胞生物均有涵盖。这些藻类包括绿藻、眼虫藻、甲藻、金褐藻、硅藻、褐藻和红藻。在土壤中，藻类的数量通常为每克土壤约106个。这一数量低于细菌、放线菌和真菌的数量，主要原因在于光合作用所需的阳光无法深入土壤表层以下。