微生物生态学

一门科学

微生物是生态系统的重要组成部分，直接或间接地参与所有的生态过程。微生物生态学是基于微生物群体的科学，利用微生物群体 DNA/RNA 等标志物，重点研究微生物群落构建、组成演变、多样性及其与环境的关系，在生态学理论的指导和反复模型拟合下由统计分析得出具有普遍意义的结论。

相关概念

微生物生态学( microbial ecology) 是基于微生物群体( guilds/consortium，community) 的科学。微生物生态学的研究在于探究微生物群体之间及微生物群体与环境之间的关系。微生物生态学的研究对象更强调把微生物作为一个群体，这些存在物质交换、能量流动和信息交流的群体有机地组成了微生物基本研究单元，如微生物种群、群落和一系列有机集合体等。这些研究单元共同生活在一个连续的环境中并互相影响，对它们的研究在于寻求这些集合体构建的方法和途径，不同物种间功能的交互影响及群落构建随时空的变化情况。微生物生态学的研究首先要以规范研究对象为出发点，明确地定义各项具体研究工作中微生物研究单元( 群体) 的含义。

生物多样性的分布格局和维持机制是生态学研究的核心问题，体现了生态系统应对环境条件变化的能力，同时反映出其自身与生态系统过程、功能、恢复力和可持续性间的联系。微生物群落多样性极高，参与自然界生物地球化学转化，对生态系统有着不可忽视的影响，但因其个体微小，且在研究单个细胞和生物活性分析方法方面存在局限性，其研究进展远远不及动植物。微生物生态学研究通过分析营养源和能量流的功能途径，了解微生物类群和周围环境的相互作用关系，以及微生物群落本身的复杂性；通过了解生物多样性与功能冗余和系统稳定性间的关系，探索微生物在生态系统中地位和作用。随着微生物生态学家逐步掌握了微生物群落分布和多样性特征，微生物所执行的功能备受关注，深入理解其动态变化对精确预测生物圈如何调节和应对未来环境条件变化尤为重要。即使从基础层面考虑，了解微生物群落特征仍有利于加深对生态系统功能的理解。

发展历程

微生物生态学是生态学的一个重要分支，是研究微生物群落与环境相互关系的科学。在该学科的发展过程中，一些科学家的早期工作起到了重要作用。1889 年，拜耶林克( Beijerinck MW) 设立发光细菌属; 1892年，维诺格拉斯基( Winogradsky S) 亚硝酸单胞菌属及亚硝酸杆菌属，他们的许多开创性微生物学研究中较早地涉及了微生物生态学的概念。克鲁维尔( Kluyver AJ) 于 1924 年发表了《微生物代谢的统整与分歧》一文，Kluyver 的贡献在于发现了微生物间的各种代谢过程都存在相互关系。20 世纪后半叶微生物生态学得以迅速发展，其重要的里程碑是 1972 年在瑞典乌普萨拉举行的有关微生物生态学现代方法的国际会议，此后国际知名学术期刊( 例如: Nature Reviews Microbiology，The ISME Journal，Molecular Ecology，Applied andEnvironmental Microbiology，Environmental Microbiology，FEMS Microbiology Ecology，Microbial Ecology 等) 不断创刊出版，这期间也见证了许多重要科研成果的诞生。1976 年，Woese 和 Fox 通过研究小亚基核糖体( SSUrRNA) 序列差异确立了三域学说，并定名古菌域( Archaea) 。随着研究的深入，传统的技术在非可培养微生物研究方面存在一定局限性，分子生物学研究技术被借鉴到微生物生态学研究中，在物种遗传多样性、分子适应性、变异分子机制及其进化意义等基础理论方面取得了突破。

研究内容

①研究微生物生态学所用的传统和现代分子生物学方法；

②在正常自然环境中的微生物种类、分布及其随着不同的环境条件变化而发生的变化规律；

③在极端自然环境中的微生物种类和它们所起的作用，在极端环境中微生物的生命机理；

④在自然界中微生物之间的相互关系，微生物与动植物之间的相互关系，这些相互关系对自然界的影响和环境因素对这些相互关系的影响；

⑤在正常自然环境中，微生物代谢活动对自然界的影响，环境条件的变化对这些代谢活动的影响；

⑥污染环境中的微生物学；

⑦微生物产生的生态友好物质；

⑧微生物的生态模型。

存在的问题和展望

微生物是生态系统的重要组成部分，直接或间接地参与所有的生态过程，在生态系统物质循环、能量转换以及人类环境与健康中起着重要作用。微生物的世界是否无章可循，通过不断的探索，事实证明并非如此。那么，微生物群落及其多样性如何随环境条件变化而表现出一定的分布特征，是什么机制驱动和维护着这些分布特征，是生物学和生态学亟待回答的问题。关于微生物群落分布特征和格局是否等同大型生物，如何解释其特征性的存在需要理论支持。现有的生态学理论体系应用于动植物领域相对比较完备，仅在微生物领域的研究有所不足，新理论的提出固然更可贵，但应在充分利用这些较为成熟的理论和方法研究未知的微生物领域的基础上，进而通过比较分析发现新的规律。分子生物学技术的发展，使人们可以打破以往微生物学研究中需要对其进行分离培养的限制，直接从基因水平上考查其多样性，从而使得对微生物空间分布格局及其成因的深入研究成为可能。结合文中提及的理论假设，在这些研究中充分地解释了现有的微生物群落组成和分布特征问题及功能特征的问题，需要做的就是发现区别，细化参数。

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