2024-11-26
前言
生物地球化学循环是自然界中各种化学元素在不同环境和生物体之间不断转移和转化的过程，对维持生态系统的平衡和功能至关重要。从碳、氮、磷、硫到铁、砷、汞、硒等微量元素，这些循环不仅支撑着生命的基本需求，还深刻影响着全球气候变化、环境污染和人类健康。近年来，随着工业化进程的加快和人口增长，人类活动对这些循环产生了前所未有的干扰，引发了诸如温室气体排放、水体富营养化和重金属污染等一系列环境问题。面对这一系列的环境问题，微生物参与生物地球化学循环的研究日渐火热，下面小编整理了一些研究微生物参与生物地球化学循环的典型研究方向，让我们一起看看吧！
1、土壤肥力与可持续管理
微生物通过多种途径影响养分的转化和循环，对土壤肥力和植物生长具有重要作用。例如，固氮菌能够将大气中的氮气转化为植物可利用的铵态氮，而硝化细菌和反硝化细菌则分别负责铵态氮向硝态氮的转化以及硝态氮向氮气的还原。微生物还能分解有机质，释放出磷、硫等养分，提高其有效性。在轮作、间作等不同耕作模式中，微生物参与影响土壤养分转化，豆科作物与非豆科作物轮作可以促进固氮菌的活动，增加土壤氮素；间作则通过增加生物多样性，提高微生物群落的功能多样性，增强养分循环效率。
案例
文章标题：热带草-玉米间作系统土壤功能氮循环基因与N2O排放
期刊：Soil Biology and Biochemistry
影响因子：9.8
年份：2022
研究背景：植物和种植制度直接或间接影响土壤无机氮动态。牧草（Megathyrsus 属和 Urochloa属）可以抑制硝化作用，对土壤无机氮动态和氧化亚氮（N2O）排放产生直接或间接的影响。然而，氮肥处理下土壤化学性质对间作玉米氮素功能基因动态和氮素损失的影响尚不清楚。
研究方法：细菌16S（338F / 518R）、古菌16S（519F / 915R）、nifH、AOA、AOB、nirS、nosZ
研究结论：本研究提供了关于玉米与牧草间作系统中氮循环功能基因与土壤参数及N2O排放通量之间关系的新信息，认为牧草具有抑制土壤硝化的能力。结果显示，施氮处理下的N2O累积排放量高于不施氮处理。此外，土壤性质以及氨氧化细菌（AOB）基因丰度与N2O排放之间存在密切关系，反硝化基因的丰度与N2O排放通量之间未发现显著相关性。主成分分析（PCA）进一步揭示了N2O排放与AOB之间的关系，这表明AOB可能会增加间作系统中的N2O排放。
主要分析结果展示
2、环境污染
环境污染已成为全球面临的严峻挑战，对生态系统和人类健康造成重大威胁。水体污染破坏水源安全，土壤污染影响农作物质量和食品安全，并且这些污染还加剧了气候变化。在土壤污染胁迫下，微生物能够通过降解有机污染物、转化重金属和参与养分循环，有效减轻污染影响。在水体污染治理中，微生物通过好氧和厌氧代谢过程降解有机物，参与氮磷循环，减少富营养化，并通过吸附和沉淀去除重金属。在气候变化方面，微生物参与碳氮硫循环，减少温室气体排放。
案例
文章标题：Thiobacillus spp. and Anaeromyxobacter spp.在两种不同类型的砷污染土壤中介导亚砷酸盐氧化依赖的生物固氮
期刊：Journal of Hazardous Materials
影响因子：12.2
年份：2023
研究背景：砷污染土壤是一个全球性的环境问题，亚砷酸盐（As(III)）的高毒性对生态系统和人类健康构成严重威胁。生物固氮是维持土壤肥力的关键过程之一，但在砷污染条件下，这一过程可能受到抑制。
研究方法：16SV4、宏基因组、Binning
研究结论：与Thiobacillus spp.相关的细菌对于砷污染的表面土壤中的砷依赖的生物固氮过程中扮演着重要的角色，而Anaeromyxobacter spp.则在砷污染的河流沉积物中负责依赖砷氧化的生物固氮菌。宏基因组分箱及DNA稳定同位素的分析结果鉴定了砷依赖的生物固氮过程中固定氮、碳及氧化砷的关键功能基因，于此同时，关键基因相关的金属抗性也表明这些细菌在重金属严重污染的生态环境中的生存策略。
主要分析结果展示
3、食品安全
微生物群落的多样性和相互作用对控制病原菌、提高作物抗逆性和减少重金属积累具有重要作用，从而保障食品的安全性和营养价值。微生物可以参与重金属的形态转变，降低其生物可利用性和毒性，通过微生物的生物修复技术，可以有效去除土壤和水体中的重金属污染物，提高食品的安全性和环境质量。
案例
文章标题：宏基因组和机器学习辅助鉴定驱动两个水稻品种根相关微生物组独特Cd积累特征的生物标志物。
期刊：ISME Communications
影响因子：5.1
年份：2023
研究背景：开发低镉（Cd）水稻品种已成为解决镉污染农田食品安全问题的一个有前景的途径。研究表明，水稻根系微生物组能够促进水稻生长并减轻镉胁迫。然而，不同水稻品种间，不同Cd积累特性下，根系微生物的抗镉机制仍不完全清楚。深入研究根系微生物作用和机制，将有助于进一步优化低镉水稻品种的培育，提高受污染农田的食品安全性。
研究方法：宏基因组、Binning
研究结论：本研究比较了5种土壤改良剂对低镉品种XS14和杂交水稻YY17镉积累的影响。结果表明，与YY17相比，XS14根际具有更多变的群落结构和稳定的共生网络。XS14根际群落的随机过程较YY17强，说明XS14对土壤性质变化的抵抗能力较强。同时，在这两个品种的根相关微生物群落中分别观察到参与硫循环和氮循环的基因。XS14根际和根际微生物组在功能上表现出较高的多样性，氨基酸和碳水化合物运输代谢及硫循环相关功能基因显著富集。
主要分析结果展示
