能够促进植物生长的植物根际细菌统称为植物根际促生菌(PGPR).PGPR的应用可以减少农药化肥的使用,有助于农业可持续性发展.过去二十多年中,围绕PGPR功能与作用机理相关的理论与应用研究取得了显著进展.本文旨在总结PGPR的促生与生防机制,重点探讨PGPR在参与植物营养元素的改善与摄取、产生植物激素、分泌信号小分子、合成挥发性有机化合物促进植物生长以及合成抗生素类物质拮抗植物病原菌五个方面的生物学功能,并探讨了PGPR在基础与应用两方面的后续研究方向,以期为未来PGPR相关研究提供理论参考.

植物的根际促生菌能使植物增产,其中菌群产生的挥发性成分起重要作用.3-甲基-1-丁醇(3-methyl-1-butanol),即异戊醇,作为一种常见的微生物挥发性有机成分,但3-甲基-1-丁醇对高等植物种子萌发和生长的影响尚鲜见报道.本文研究了3种浓度(1、10和100mg·L-1)的3-甲基-1-丁醇对小麦和玉米种子萌发的影响.结果表明,1和10mg·L-1的3-甲基-1-丁醇处理均可提高玉米和小麦种子的活力指数;在低浓度的3-甲基-1-丁醇处理下,玉米和小麦种子可溶性糖和可溶性蛋白质含量减少,而幼芽SOD活性和叶绿素含量比对照组显著增加.本文研究表明,3-甲基-1-丁醇在适宜的浓度下可以促进玉米和小麦生长.

针对当前我国大部分地区夏季出现的高浓度地表臭氧污染,综述了目前在地表臭氧的生态环境效应方面取得的研究进展及未来的研究展望.主要进展包括地表臭氧的污染水平,及其对植物的影响机制,具体包括地表臭氧对植物叶片的表观伤害、光合固碳能力、植物源挥发性有机化合物(BVOCs)释放、土壤微生物和土壤温室气体排放等方面的影响;在此基础上,提出了减少臭氧生态环境效应的管理措施.此外,对我国未来的研究进行了展望,建议加强在农田和森林布设臭氧浓度监测点、开展多因子同时存在的交互作用、气孔臭氧吸收量-响应(生物量或产量)关系以及臭氧对地下生态过程累积效应的长期定位等方面的研究,以期为我国地表臭氧污染的生态环境效应研究起到一定的推动作用.

外生菌根真菌能与很多高等植物共生,广泛存在于自然界,在促进植物生长和养分吸收、增强宿主抗逆性及维持森林生态系统稳定等方面发挥着重要作用.除与寄主植物密切联系外,外生菌根真菌,在其生命周期中与细菌群落进行物理和代谢相互作用,常形成共生关系.这些细菌对外生菌根真菌菌丝生长、生物量增加及子实体的形成具有积极影响.本文阐述了外生菌根真菌与内生细菌共生现象的发现、共生关系的建立、内生细菌促进外生菌根真菌生长和发育及宿主与微生物组的研究方法等,以期更好地巩固外生菌根真菌的生物学及生态学等基础性知识,并利用细菌与真菌的相互作用为可食用外生菌根真菌的生物防治、菌肥研究、人工驯化及栽培提供思路.

酒糟是良好的沼气发酵原料,但其发酵中间产物极易累积导致体系酸化.采用批次试验研究中温条件下酱酒丢糟沼气发酵特性.以总固体(TS)含率分别为4.3％和7.8％的酱香白酒丢糟为发酵原料,在发酵30 d和50 d时,甲烷产量分别为287 mL/g TS和360 mL/g TS;TS去除率分别为20.8％和27.4％.酱酒糟发酵过程中主要的中间代谢产物有乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸;此外,还检测出芳香族化合物有苯酚、对甲酚、苯甲酸和苯丙酸;其中丙酸在酒糟降解过程中明显累积(2894-4495 mg/L),推测丙酸累积为影响反应器稳定运行的重要因素.利用高通量测序技术对两组中温厌氧酒糟驯化培养系JO和JN进行解析.细菌结果表明,拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、互养菌门(Synergistetes)和阴沟单胞菌门"Cloacimonetes"(WWE1)为主要的优势菌群.WWE1中未培养W5属和W27属在酒糟厌氧消化系统中占比为13.8％-30.67％.古菌解析检测到乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcina mazei及氢营养型产甲烷菌Methanofollis ethanolicus近缘微生物为优势古菌.本研究表明丙酸累积是影响酱酒丢糟沼气发酵稳定性的重要因素,WWE1中未培养微生物在酒糟厌氧发酵体系中发挥重要作用.

植物-内生菌联合处理技术不仅可以克服微生物和植物单独处理污染物时的缺陷,而且更加高效、无二次污染.对内生菌的接种方式、定殖过程、作用机理、影响因素以及植物-内生菌联合技术在土壤、水体、大气中的应用和作用机理进行全面综述.植物与内生菌二者可以相互合作,内生菌不仅可以促进植物的生长,而且在适应和耐受胁迫环境中起着重要的调节作用;内生菌通过释放抗菌化合物、产生铁载体、争夺空间和营养以及调节植物的抗逆性,对宿主植物产生生物和非生物胁迫的抗性或耐受性.一些菌株可以通过阻断植物乙烯合成途径来缓解植物胁迫.同时协同植物隔离、转化、降解、吸收环境中的污染物质,特别是一些难降解的物质.但这些研究大都以土壤、水体为介质,关于大气处理的研究非常缺乏,关于内生菌的定殖过程和机理研究也较少.此外总结了大气污染物如颗粒物(particulate matters,PMs)、挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)、无机污染物的处理和修复.虽然目前关于植物-内生菌联合处理环境中污染物的研究较多,但是二者相互作用的机理,特别是内生菌的定殖动态和植物-内生菌相互作用的持续性还不清楚,需要深入研究.

旨在筛选出能产生促进植物生长的挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)的潜在植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR),考察其VOCs对植物的促生作用及其它促生功能,为研发微生物肥料提供新的思路及可靠的材料.以本实验室从海洋样品中分离保存的48株功能菌为供试菌株,通过二分隔平板实验、VOCs盆栽实验进行筛选,结合菌株的16S rRNA进行鉴定,通过气相色谱-质谱联用的方法(Gas Chromatography-Mass,GC-MS)对菌株所产VOCs成分进行分析.通过平板活性实验对细菌的固氮,溶磷及产IAA进行活性检测.研究结果显示:筛选得到1株潜在PGPR-GX14001,其所产生的VOCs对本氏烟草(Nicotiana benthamiana)和上海青(Brassica chinensis L.)均表现出明显的促生作用,菌株经16S rRNA鉴定为橙色微杆菌(Microbacterium aurantiacum).经GC-MS对其VOCs成分分析,共得到7种特异性化合物.经平板活性检测,GX14001具有较强的溶有机/无机磷活性和一般固氮活性,而其产IAA能力较弱,为1.737 μg/mL.PGPR可通过不同的促生机制对植物表现出促生作用,研究结果表明GX14001所产VOCs对植物有明显促生作用,其他方面的促生活性并不高,两者之间不存在较高的正相关性,说明其最主要的促生作用是通过所产生的VOCs获得的.

[目的]β-二甲基巯基丙酸(β-dimethylsufoniopropionate,DMSP)是海洋环境中重要的含硫有机化合物,会被海洋中的微生物裂解并释放出挥发性气体二甲基硫醚(dimethylsulfide,DMS).该反应的生物学意义尚不明确,前人曾有少量研究表明DMSP可能是趋化效应物.本研究旨在鉴定DMSP趋化作用中的信号分子以及该过程中的趋化受体基因.[方法]挖掘出基因组中含有甲基趋化受体蛋白结构域(methyl-accepting chemotaxis protein,MCP)的全部基因,并预测趋化受体蛋白的结构特征及功能.通过同源重组构建所有趋化受体的缺失突变株,并通过软琼脂平板实验观察趋化表型确定DMS的趋化受体.[结果]对不同化合物DMSP、DMS、丙烯酸进行鉴别后,明确趋化信号分子为DMS.从粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)J481基因组中一共挖掘到8个潜在编码趋化受体蛋白的基因,分别构建对应的缺失突变株,并通过实验筛选出D6I95_17420基因为编码识别DMS的趋化受体蛋白基因.[结论]D6I9517420基因为编码DMS的趋化受体蛋白的基因,为之后进一步阐明DMS作为信号分子在细胞内的调控作用奠定了基础.

[目的]探究土霉素残留对蔬菜自然发酵过程中微生物群落演替和代谢产物动力学的影响,为评估抗生素残留对蔬菜发酵的影响提供理论基础.[方法]超高效液相色谱-串联质谱法测定土霉素残留;高效液相色谱法测定有机酸、电子鼻和气相色谱-质谱联用测定挥发性成分和高通量技术测定微生物种类.[结果]蔬菜自然发酵过程中,土霉素残留从4.00 mg/L下降到2.53 mg/L;不含抗生素残留的蔬菜发酵含有同型和异型乳酸发酵,而土霉素残留的蔬菜发酵仅含有同型乳酸发酵;同时,其特征微生物由 Lactobacillus pentosus 和 Lactobacillus plantarum 转变为 Lactobacillus paratarrginis、Lactobacillus buchneri和Lactobacillus kisonensis;土霉素残留明显影响了 乳酸、柠檬酸、乙酸、香茅醇、3-辛醇、异硫氰酸烯丙酯、乙酸香叶酯、乙烯基硬脂醚和异硫氰酸苯乙酯等代谢产物的含量.[结论]土霉素残留影响了蔬菜乳酸发酵的类型、微生物群落的演替、有机酸和挥发性化合物的形成过程,因此应将抗生素残留纳入发酵蔬菜原料的质量控制指标.

微生物是废气生物净化的核心,近年来利用生物处理挥发性有机化合物(VOCs)己成为研究热点之一.首先总结国内外有关真菌或细菌为主的体系和真菌-细菌共存体系对于VOCs净化性能的研究,真菌-细菌共存体系在VOCs去除性能以及效果稳定性方面都具有明显的优势,且共存体系对于疏水性VOCs具有更好的净化性能;在此基础上进一步剖析细胞表面特性对于污染物降解性能的影响,真菌因其特殊的菌丝结构及较大比表面积、较高的细胞表面疏水性及细胞表面丰富的官能基团使得其对于疏水性VOCs净化性能较佳.此外,在共存体系中真/细菌之间也存在相互影响机制,真菌通过菌丝延展强化了细菌对污染物及营养物质的可及性,分泌物质提供营养或将疏水性VOCs降解为水溶性较好的中间产物来增强细菌对这些物质的降解性能;细菌则通过分泌物质促进真菌生长、刺激真菌酶活、消除真菌分泌的抑制其生长的化合物及强化生物膜形成来协同降解复杂有机化合物.真/细菌共存体系优异的VOCs净化性能应用前景广阔,未来的研究将集中在细菌细胞及VOCs随真菌菌丝迁移机制的剖析、功能基因对于VOCs降解性能强化机理的解析和共存体系中疏水性VOCs的传质-反应过程强化的数值模拟等.