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怎样用拉曼光谱检测单细胞水平的固态氮

编辑:本站编辑 来源:中国科学院城市环境研究所 发布时间:2018年09月06日

氮是维持生命活动最重要的营养元素之一。氮气是氮元素的丰富来源,但由于性质惰性,不能为生物直接利用。氮的生物地球化学循环是将氮转化成生物可利用形式的关键过程。固氮微生物,包括固氮细菌和固氮古菌,可将惰性的氮气转化成生物可利用的氨态氮或硝态氮。据估计,生物可利用氮的半数由生物固氮过程提供。然而,由于微生物种类和功能极其丰富多样,并且超过99%的环境菌目前无法实现纯培养,造成了对环境中固氮菌功能和活性的认识仍非常不足。环境微生物的不可纯培养性,带来了方法学上的很大挑战。从单细胞水平上研究环境微生物可克服纯培养或富集培养的限制,实现在环境介质下的原位研究。拉曼光谱(包括SERS、常规和共振拉曼)可在单细胞水平上对微生物进行无损检测,并提供微生物组成的指纹图谱。并且,拉曼光谱与稳定同位素标记结合(Stable isotope probing, SIP),利用微生物同化SIP标记底物引起蛋白、脂类、色素的特征拉曼谱峰偏移,已实现从单细胞水平上检测环境功能菌。

中国科学院城市环境研究所城市土壤与生物地球化学研究组(朱永官团队),在发展单细胞拉曼-15N2 SIP技术用于固氮功能菌的研究上做了开拓性工作。针对土壤中的固氮菌,首次建立了单细胞共振拉曼与15N2标记联用技术,发掘出15N2相关的指示固氮菌的特征偏移谱峰,即细胞色素c共振拉曼峰的偏移。利用此指示峰,实现了在单细胞水平上检测复杂土壤环境中的固氮菌,并利用指示峰的偏移程度,在单细胞水平上,比较了土壤固氮菌的固氮活性。另外,与牛津大学Wei Huang教授合作,针对包括固氮菌在内的多种氮循环(N2、NH4、NO3)功能菌,率先发展了表面增强拉曼光谱(SERS)-15N SIP联用技术,利用SERS对微生物中含氮生物分子腺嘌呤的选择性增强,获得了不同15N标记氮源引起的细菌腺嘌呤谱峰的显著线性偏移,并利用SERS-15N SIP研究了厦门杏林湾水体中细菌对15N2、15NH4Cl、15NO3不同氮源的选择性代谢。上述工作促进了对大量未知环境菌群的深入认识,尤其是氮循环功能菌及其活性的深入解析。

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