长期放牧改变了草地生态系统的土壤资源可利用性和微生物生物量化学计量.研究放牧荒漠草原土壤化学计量不平衡与微生物碳利用效率(CUE)的关系,有助于从微生物视角理解土壤碳动态.本研究依托2004年建立的内蒙古短花针茅荒漠草原长期放牧实验平台,以围封禁牧为对照,设置重度、中度和轻度放牧处理,测定了 土壤有效养分、微生物生物量及其获取的相关酶活性,并利用生态化学计量法对土壤微生物CUE进行计算.结果表明:与对照相比,放牧抑制了土壤微生物CUE,降幅为1.0％～10.3％;土壤C∶N不平衡在中度放牧处理下显著增加20.6％,C∶P不平衡和N∶P不平衡在重度放牧处理分别显著增加20.7％和25.2％,这表明土壤微生物群落更容易受N、P限制.土壤微生物群落通过调节元素阈值计量比和胞外酶的产生来维持自身化学计量平衡.结构方程模型结果表明,化学计量不平衡通过改变元素阈值计量比、微生物生物量化学计量和酶化学计量间接影响微生物CUE.

为探究刺槐人工林根际和非根际土壤微生物元素利用效率的季节差异及其影响因素,在黄土高原选取3个季节(春季、夏季、秋季)人工林根际和非根际土壤为研究对象,测定土壤理化性质、微生物生物量和酶活性等指标,计算化学计量失衡、矢量特征及元素利用效率.结果表明,季节动态显著影响化学计量失衡,根际和非根际C:N失衡在季节上均表现为先增加后降低的趋势,而C:P和N:P失衡则相反.矢量长度和矢量角度的变化表明根际与非根际土壤微生物均在夏季受到较强的碳、氮限制,而在春、秋季受到较强的磷限制.季节动态对微生物元素利用效率有显著影响,其中碳利用效率在夏季最低,而氮、磷利用效率在夏季最高.偏最小二乘路径模型结果表明,根际和非根际土壤微生物均通过矢量特征和胞外酶活性间接地影响元素利用效率,而非根际土壤微生物化学计量失衡对元素利用效率有直接影响.研究结果有助于深入理解人工林根际和非根际土壤微生物的养分利用机制,为生态脆弱地区的人工林管理提供理论依据.

二十二碳六烯酸(DHA)作为人体必需的多不饱和脂肪酸,在维护心血管健康、抗癌、支持视觉和脑功能等方面至关重要.传统的深海鱼油提取DHA方法存在鱼腥味重、工艺繁琐等问题,迫使研究者寻求更为高效、环保的替代方案.破囊壶菌(Thraustochytrids)凭借其生长迅速、低重金属污染以及高DHA含量的特性,成为工业化生产DHA的潜力微生物之一.当前在破囊壶菌发酵生产DHA的过程中,依然需要解决一系列关键问题,包括提高发酵产量、降低成本等.本文旨在全面阐述破囊壶菌发酵生产DHA的研究现状,包括菌株筛选与改良、DHA生物合成途径、遗传转化及代谢工程、发酵控制策略等方面.首先,总结归纳了对野生型菌株的自然筛选和诱变改良等方法,不断提高破囊壶菌中DHA产油量.其次,详细介绍了破囊壶菌DHA合成途径的研究进展,着重分析了生物合成途径中关键辅助因子在DHA生产中的作用.此外,概述了外源DNA传递到破囊壶菌细胞的遗传转化技术的应用现状,为提高其遗传转化效率和稳定性提供重要参考.在DHA代谢调控方面,探讨了氮限制对DHA合成的促进作用以及温度和氧气供应对生产效率的影响.最后,对利用破囊壶菌生产DHA存在的主要瓶颈问题和未来发展趋势进行了总结,以推动其在医药、保健品和食品等领域的广泛应用,实现工业规模下的高效生产.

目的 评估健脾养儿膏对岭南地区脾虚型体质厌食患儿的疗效,并利用宏基因测序方法分析其对患儿肠道菌群及功能信息的影响.方法 纳入2022年8月-2023年1月广州医科大学附属妇女儿童医疗中心中医科脾虚型体质厌食儿童144例,予健脾养儿膏,每次1包,每日2次,饭后服用,疗程28 d.分别在0、28 d进行访视,测量身高、体质量,记录症状、体征,观察不良反应情况.留取粪便,填写《岭南地区脾虚型体质厌食小儿临床指标评分表》.将临床痊愈患儿列入厌食组,以健康儿童作为健康对照组(HC组),对厌食组治疗0、28 d及HC组粪便进行宏基因分析.结果 与治疗0 d比较,患儿治疗28 d身高无明显变化(P>0.05),体质量明显变化(P<0.05),中医症状总分、主症积分及次症积分均下降(P<0.05),疗效指数为57.03%,总有效率为99.31%(143/144).所有患儿均未出现过敏、呕吐、腹泻等症状.粪便样本宏基因分析纳入临床痊愈患儿7例,健康儿童6例,主坐标分析结果表明,在门水平、属水平上,厌食组治疗28 d(JP2组)肠道菌群结构均与HC组更相似;门水平上,厌食组治疗0 d(JP1组)、JP2组与HC组比较,肠道菌群分布均未见明显差异;属水平上,与JP1组比较,JP2组拟杆菌属Bacteroides丰度有所下降,但差异无统计学意义(P>0.05);种水平上,JP1组和JP2组均以拟杆菌种Phocaeicola plebeius等和双歧杆菌种Bifidobacterium pseudocatenulatum等为主,2组有显著差异的生物标志物为考拉杆菌种s_Phascolarctobacterium_faecium,HC组以普雷沃氏菌Prevotella copri和双歧杆菌Bifidobacterium pseudocatenulatum为主;功能注释结果提示,健脾养儿膏治疗后大量与碳水化合物代谢相关的微生物功能基因发生显著改变.结论 健脾养儿膏能有效改善岭南地区脾虚型体质厌食患儿的临床症状,并调整肠道菌群结构,增加关键益生菌含量,调节肠道微生物短链脂肪酸的生成.

利用光能驱动二氧化碳(carbon dioxide,CO2)还原生产化学品对于缓解环境压力、解决能源危机具有重要意义.光捕获、光电转化和 CO2 固定等作为影响光合作用效率的关键因素,同时也制约着CO2 的资源化利用效率.为了解决上述问题,本文从生物化学与代谢工程相结合的角度,系统总结了光驱动杂合系统的构建、优化与应用,并从酶杂合系统、生物杂合系统以及杂合系统应用 3 个方面分析了光驱动 CO2 还原合成化学品的最新研究进展.在酶杂合系统方面,采用的策略主要有提升酶催化活性、增强酶稳定性等;在生物杂合系统方面,采用的方法主要包括增强生物捕光能力、优化还原力供应以及改善能量再生等;在杂合系统应用方面,主要阐述了光驱动CO2还原生产一碳含能化合物、生物燃料以及生物食品等.最后,从纳米材料(包括有机材料和无机材料)和生物催化剂(包括酶和微生物)两个方面,展望了人工光合系统的进一步发展方向.

土壤微生物是土壤有机质和养分循环的主要驱动者,研究土壤微生物生物量碳氮变化、稳态特征及其对环境因子内在的长期响应机理具有重要意义.以南亚热带常绿阔叶林土壤为对象,对土壤微生物生物量碳和氮(MBC和MBN)、土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、可溶性碳(ROC)、速效氮(AN)、pH、土壤温度(ST)和土壤含水量(SWC)进行连续 10 年监测;应用方差分析、相关性和回归分析及稳态分析等探究MBC和MBN的年际变化和稳态特征及主要影响因素.研究结果表明:(1)旱季MBC和MBN 含量分别在 171.32-358.45 和 25.90-54.08 mg/kg 区间波动,雨季分别在 394.01-507.97 和 68.40-88.05 mg/kg区间波动;旱、雨季的MBC含量年际间变化显著(P＜0.05),但MBN含量仅在旱季变化显著(P＜0.05).雨季MBC和MBN含量均显著高于旱季(P＜0.01),且雨季的MBC和MBN含量是旱季的2 倍以上.(2)旱、雨季的MBC与MBN之间均呈显著正相关(P＜0.05).在旱季,MBC和MBN均与ROC和AN含量显著正相关(P＜0.05),此外,MBN含量也与TP(P＜0.05)和SOC(P＜0.01)显著正相关.在雨季,仅SOC与MBN呈显著正相关(P＜0.05).(3)在旱季,MBC含量变化主要受ROC(P＜0.05)和AN(P＜0.001)影响,MBN则受AN控制(P＜0.05).在雨季,AN(P＜0.05)主导了MBC的变化,TP(P＜0.05)和SOC(P＜0.05)是MBN变异的主导因子.AN(P＜0.001)和SOC(P＜0.001)是旱、雨季土壤MBC和MBN变化的主导因子.(4)土壤MBC和MBC/MBN稳态指数在年际间均为绝对稳态型(P＞0.05);雨季的MBN(P=0.685)为绝对稳态型,但旱季为非稳态(P＜0.01,H＞1).雨季微生物熵显著高于旱季(P＜0.01),表明土壤有机质质量及养分利用效率更高.综上,MBC和MBN含量受季节更替显著影响,且主要受土壤SOC和AN的影响;受旱季水分限制,MBN的稳态更差.

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品,其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品,可降低碳排放,有助于实现"双碳"目标,因此受到越来越多的关注.然而,木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤,其中,预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能,是制约生物转化效率的瓶颈之一.大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主,被广泛应用于多种化合物的生产,研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性,对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义.本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构,对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述;随后,总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性,以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点;最后,综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略,包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等,为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考.

[背景]磁性纳米颗粒介导分离(magnetic nanoparticle-mediated isolation,MMI)技术是近年来发展起来的一种无须底物标记就能从复杂菌群中分离活性功能微生物的方法,目前尚无研究报道该技术应用于难降解污染物 3,3′,4,4′-四氯联苯(3,3′,4,4′-tetrachlorobiphenyl,PCB77).[目的]从土壤中筛选 PCB77 活性降解菌并研究其污染物降解特性.[方法]利用磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticles,MNPs)富集原位活性PCB77 降解菌群,通过高通量测序分析细菌群落变化,经平板筛选得到PCB77 降解菌,并研究其对多氯联苯和多溴联苯醚的降解特性.[结果]基于MMI技术获取的富集培养液能够高效地转化 PCB77,与对照组相比底物降解效率从 6%提升至 79.3%,同时该富集培养液中细菌物种多样性显著降低,群落组成发生明显变化.从对照组和MMI处理组中分别筛选到PCB77 降解菌红球菌CT2 和类芽孢杆菌MT2,发现红球菌为对照组中唯一的优势物种,而MMI处理组的优势物种由红球菌和类芽孢杆菌共同组成.菌株MT2 对PCB77 具有优异的降解能力,唯一碳源条件下对PCB77 的降解率高达 65.2%,接近于富集菌群的降解效果,并显著高于菌株CT2(26.3%).同时,菌株MT2 也对多种多氯联苯和多溴联苯醚表现出相对更好的降解效果.[结论]通过 MMI 技术有效富集出 PCB77 的高效降解菌群,并从中筛选到多氯联苯高效降解菌Paenibacillus sp.MT2,为发展高效的多氯联苯污染土壤生物修复技术提供了理论参考.

[背景]随着代谢工程与合成生物学的快速发展,通过对异养微生物进行代谢改造,利用生物法进行二氧化碳固定成为一个新的趋势.生物代谢途径中存在着大量固碳酶,这些酶尚待挖掘与应用,不同的酶固碳效率之间也缺少比较.[目的]在体外和体内对固碳功能和效率进行评价.[方法]选取 3 种固碳酶,即核酮糖 1,5-二磷酸羧化加氧酶(ribose 1,5-diphosphate carboxylation oxygenase,RuBisCo)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PCK)和乙酰辅酶A羧化酶(acetyl coenzyme A carboxylase,ACC)在大肠杆菌中异源表达并纯化.测定纯酶的酶活,并建立无细胞催化实验-液质联用评价酶固碳能力的方法.在厌氧发酵条件下检测代谢指标,比较过表达固碳酶的地衣芽孢杆菌相较于原始菌的代谢差异.[结果]3 种酶均实现可溶性表达,纯酶的比酶活分别为66.43、1.16 和 12.52 U/mg.通过体外无细胞催化实验,ACC在 3 种酶中表现出最高的固碳效率.分别过表达了 PCK、ACC 的重组地衣芽孢杆菌,厌氧发酵主产物乳酸的转化率从 48.6%分别提升至 58.1%和 59.7%.[结论]可以通过体外、体内结合的方式对固碳酶的效率进行评价,该研究可为固碳酶在微生物遗传改造中理性、精准地应用提供参考.

为探究毛竹林下种植茶树对土壤有机碳储量与碳组分的影响,该研究以毛竹纯林、竹茶混交林和常绿阔叶林为研究对象,采集这 3 种林分类型的表层(0～10 cm)土壤,测定土壤有机碳(SOC)、碳组分、生物与非生物因素指标.结果表明:(1)竹茶混交林林下植物多样性相较于毛竹纯林显著降低,但其土壤有机碳密度(22.54±2.09)t.hm-2、碳组分与毛竹纯林无显著差异(P>0.05).竹茶混交林的矿物结合态有机碳(MOC)为(20.13±1.83)g.kg-1,占总有机碳的 92.66%.常绿阔叶林土壤有机碳密度比竹茶混交林和毛竹纯林高土壤有机碳密度分别高 41.15%和 41.00%(P<0.05).(2)3 种林分类型土壤微生物量碳(MBC)含量范围为 0.58～3.08 g.kg-1,土壤 16S rRNA丰度范围为 2.18×1010～5.65×1010copies.g-1,固碳基因cbb L丰度范围为 0.37×108～1.10×108 copies.g-1,土壤微生物碳利用效率范围为 0.03～0.28;3 种林分类型之间微生物相关指标不存在显著差异(P>0.05).(3)3 种林分类型SOC与土壤pH、砂粒含量和地上凋落物生物量呈显著负相关,与土壤黏粒含量、粉粒含量、总氮、C ∶ N、总磷和铵态氮含量呈显著正相关(P<0.05).(4)就不同碳组分而言,颗粒有机碳(POC)和MOC均与土壤pH、砂粒含量和根系生物量呈显著负相关,与土壤含水量、黏粒含量、粉粒含量、总氮、C ∶ N、总磷和铵态氮含量呈显著正相关(P<0.05).综上表明,竹茶混交改造会造成原生毛竹纯林林下植被多样性下降,但并未造成土壤碳储量下降;而相较于常绿阔叶林,毛竹经营措施需要改进,以提升其碳汇效益.