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        土壤微生物群落表征中磷脂脂肪酸(PLFA)方法研究進展

        2011-04-13 02:52:24張瑞娟林勤保郜春花
        山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年9期
        關(guān)鍵詞:磷脂土樣群落

        張瑞娟 ,李 華 ,林勤保 ,張 強 ,郜春花

        (1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西太原030006;2.山西大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所,山西太原030006;3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所,山西太原030006)

        土壤微生物(edaphon)是整個微生物界的重要成員。土壤具備微生物生存的基本條件,即營養(yǎng)物質(zhì)(有機質(zhì)、無機鹽、水分等)、自然環(huán)境(溫度恒定,中性環(huán)境)、生存空間(有氧或無氧),這些使得土壤成為微生物活動最適宜的場所,所以土壤素有微生物的“天然培養(yǎng)基”之稱。土壤中的微生物較水體和大氣中的數(shù)量要大,種類要多,因而土壤被稱為“微生物的大本營”[1]。

        土壤微生物是土壤的重要組成部分,它對土壤肥力的形成和轉(zhuǎn)化起著積極作用[2-5]。土壤微生物群落是土壤生物區(qū)系中最重要的功能成分,土壤微生物本身不僅是土壤養(yǎng)分重要的來源,支撐著土壤肥力,還對其所生存的微環(huán)境十分敏感,能對土壤生態(tài)機制變化和環(huán)境脅迫做出反應(yīng),導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。所以,土壤微生物群落被認為是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標,指示土壤質(zhì)量變化。

        土壤微生物生態(tài)學(xué)研究的蓬勃發(fā)展很大程度上歸功于其研究方法的改進[6]。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,用于評價土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的新方法主要有Biolog法、磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid,PLFA)法、DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)法等。鄭華等[7]對 Biolog法在土壤微生物群落功能多樣性研究中的應(yīng)用進行了綜述。Xue等[8]用 Biolog,DGGE,PLFA 方法對不同利用方式(荒地、森林、茶園)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)做了對比研究。Zaady等[9]結(jié)合PLFA,DGGE,物理及生物生理的方法對3種干旱水平(半干旱、干旱、過度干旱)的生物土壤結(jié)皮結(jié)構(gòu)的微生物量及多樣性進行調(diào)查研究,結(jié)果表明,半干旱地區(qū)革蘭氏陽性(G+)和革蘭氏陰性(G-)的生物標記物明顯高于過度干旱地區(qū),不同干旱水平下生物土壤結(jié)皮的不同可以作為評價全球氣候變化的依據(jù)。王曙光等[10]對Biolog法、PLFA法、DGGE法進行了闡述和比較,認為這3種方法均能針對土壤微生物特性、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化及差異進行獨立分析。

        本文重點對PLFA法研究進展作一介紹。

        1 土壤中磷脂脂肪酸(PLFA)簡介

        磷脂幾乎是所有微生物細胞膜的重要組成成分,含量在自然生理條件下相對穩(wěn)定,約占細胞干質(zhì)量的5%,只存在于活體細胞膜中,一旦生物細胞死亡,磷脂類化合物會迅速降解[11]。由于不同種類微生物體內(nèi)含有的磷脂脂肪酸(PLFA)的組成及含量差異顯著,一些脂肪酸可能只存在于某類微生物的細胞膜中,如:脂肪酸15∶0,i15∶0,a15∶0,17∶0,18∶1ω7 等用來表征細菌[11-12];cy17∶0,cy19∶0 指示厭氧菌[11,13];16∶0,18∶2ω6 等用來指示真菌;15∶0,a15∶0,i15∶0,10Me18∶0 等用來指示放線菌[11];10Me16∶0,i15∶0,a15∶0,i16∶0,i17∶0,a17∶0 等表征革蘭氏陽性菌 (G+);16∶1ω5c,16∶1ω7t,16∶1ω9c,18∶1ω5c,18∶1ω7c,cy17∶0,cy19∶0等可指示革蘭氏陰性菌(G-)[12]。所以,PLFA可以作為微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)變化的特征微生物標記物[13],且適合于微生物群落的動態(tài)監(jiān)測[14]。

        2 PLFA方法介紹

        2.1 土壤的預(yù)處理

        Stenberg等[15]比較了土樣在(2±2)℃和(-20±2)℃下保存 1,3,6,13 個月對土壤微生物量的影響,研究結(jié)果顯示,土樣在-20℃下保存13個月的測定結(jié)果與鮮土的分析結(jié)果幾乎相同。該結(jié)果為我們在野外進行大批量采樣而無法及時完成分析測試工作,需經(jīng)過冷凍保存過程提供了理論依據(jù)。

        吳愉萍等[16-17]研究了不同土壤質(zhì)量、土壤含水量、保存條件(鮮土和-70℃下冷凍干燥1 a的土壤)及提取方法(單個提取和連續(xù)提取)對PLFA方法的影響,結(jié)果表明,隨著土壤質(zhì)量的增加,檢測到的PLFA越多,這就要求對于同一組試驗要保持土壤質(zhì)量的恒定;調(diào)節(jié)土壤含水量沒有對PLFA的譜圖產(chǎn)生顯著影響;自制柱與商品柱(SPE柱)得到的結(jié)果幾乎相同;經(jīng)冷凍干燥保存的土壤PLFA總量顯著下降,PLFA譜圖也發(fā)生了變化,因此,最好盡早對采集到的土樣進行PLFA分析。

        劉岳燕[18]研究了淹育水稻土壤預(yù)處理與保存方法(淹育、淹育晾干、淹育冷凍、淹育晾干冷凍、淹育晾干冷藏)對土壤微生物多樣性的影響,結(jié)果證實,淹育水稻土的預(yù)處理和不同保存方法影響微生物群落結(jié)構(gòu),通過進一步分析發(fā)現(xiàn),淹育冷凍處理的土壤微生物多樣性與淹育對照處理的結(jié)果更接近,表明淹育冷凍處理對淹育土壤微生物結(jié)構(gòu)多樣性的影響較小。

        ?ernohlávková 等[19]研究了不同的保存溫度(4℃冷藏、-20℃冷凍、自然風(fēng)干)和保存時間(2,4,8,16,32 周) 對土壤微生物生物量碳的影響,結(jié)果表明,保存時間超過4周,微生物生物量碳會發(fā)生顯著變化;-20℃冷凍保存8~16周,微生物生物量碳含量顯著降低;自然風(fēng)干保存8周之后微生物量碳也顯著降低;4℃冷藏保存產(chǎn)生的影響最小,但并未對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化作出評價。

        劉艷青等[20]研究了新鮮和凍干土樣對河濱緩沖帶土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明,用凍干土測定的微生物群落結(jié)構(gòu)分布與用新鮮土測定的結(jié)果密切相關(guān)(r=0.972,P<0.000 1),但凍干土測定的PLFA總量的變異系數(shù)小于新鮮土樣,且用凍干土測得的PLFA總量、種類和樣品分析過程中加入的內(nèi)標回收率均大于新鮮土樣,最終得出利用PLFA法分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)時采用凍干土樣更加適合。

        有很多學(xué)者對土樣的保存條件做了研究,但其結(jié)果不統(tǒng)一,甚至相反。Stenberg等[15]對造成這種結(jié)果的原因進行了探討,得出3個主要原因:一是微生物對特定的環(huán)境有適應(yīng)能力,而自然條件不恒定;二是采樣時微生物的生長狀態(tài)不一,生長旺盛的細胞對冷凍或冷藏更為敏感;三是外界條件與微生物自身生長環(huán)境的差異幅度大小可能對微生物量產(chǎn)生影響。

        2.2 PLFA的提取方法

        常用的PLFA提取方法有2種[21],一種是PLFA(Phospholipid Fatty Acid)法,另一種叫 EL提取法(Ester-Linked Extraction Method),也叫TSFAME(TotalSoilFattyAcidMethylEsters)法。2 種方法的主要區(qū)別[22]:前者分析的PLFA僅來自活體細胞膜,可了解土壤微生物群落的即時狀態(tài);后者分析的PLFA部分來自土壤穩(wěn)定有機質(zhì)(土壤腐殖質(zhì)、根系),反映土壤微生物代謝史。MIDI法是21世紀初新興起的一種直接提取脂肪酸的方法,最先應(yīng)用于細菌純培養(yǎng)的分離鑒定,后推廣到土壤領(lǐng)域。

        2.2.1 Phospholipid Fatty Acid(PLFA)法 此方法由Bligh等[23]于1959年創(chuàng)建,采用提取劑氯仿∶甲醇∶水,提取凍魚中的脂質(zhì)物質(zhì),方法簡便、快速,但此方法當(dāng)時僅限于食品,特別是魚類的磷脂提取。隨著現(xiàn)代研究領(lǐng)域的拓寬,該方法也被用于諸如土壤等其他方面,但前提是必須保證氯仿∶甲醇∶水的體積比為1∶2∶0.8。20世紀70年代末,White等[24]將提取劑改為氯仿∶甲醇∶磷酸鹽緩沖液(體積比為1∶2∶0.8),對江河、海洋沉積物中的微生物區(qū)系進行分析研究,并指出氯仿∶甲醇∶水的體積可以改變,只要滿足在單一相萃取中體積比為1∶2∶0.8,在第2階段分離時維持在1∶1∶0.9即可。20世紀90年代初,F(xiàn)rosteg?rd 等[25]認為,用酸性檸檬酸代替中性磷酸鹽緩沖液提取酸性高的有機質(zhì)土壤,可提高磷脂回收率且避免無機磷污染。

        PLFA法通用的步驟概括為 3步[26-28]:(1)提?。ㄌ崛槁确隆眉状肌脵幟仕峋彌_液=1∶2∶0.8,取上清液,提取2次,合并上清液,加檸檬酸緩沖液和氯仿,使氯仿∶甲醇∶檸檬酸緩沖液=1∶1∶0.9,下層液(氯仿相)中包含磷脂);(2)分離(固相萃取柱,洗脫劑為氯仿、丙酮、甲醇,收集甲醇相);(3)甲酯化(甲醇∶甲苯混合液(體積比為1∶1),KOH甲醇溶液(新鮮配制),水?。?。

        2.2.2 EL提取法 該方法由 Schutter等[29]于2000年提出,也叫溫和堿性甲酯化法。具體步驟為:將15 mL的0.2 mol/L的KOH甲醇溶液和3 g的新鮮土樣加到35 mL的玻璃離心管中,混合均勻,在37℃下溫育1 h(脂肪酸釋放,并甲酯化,樣品10 min渦旋1次)。培養(yǎng)結(jié)束后,加入3 mL 1.0 mol/L的醋酸溶液中和pH值,充分搖勻。隨后加入10 mL正己烷,480 r/min離心10 min,使磷脂脂肪酸(PLFA)轉(zhuǎn)移到有機相中,將上層正己烷轉(zhuǎn)至干凈試管中,在氮氣流下吹干溶劑。將磷脂脂肪酸(PLFA)溶解在0.5 mL體積比為1∶1的正己烷∶甲基丁基醚溶液中。

        2.2.3 MIDI提取法(MIDI Extraction Method)[29-30]

        該方法操作簡單,提取的脂肪酸來自土壤微生物、土壤腐殖質(zhì)和植物根系。該方法分4步進行:(1)皂化(NaOH 甲醇溶液,水?。唬?)甲酯化(HCl∶甲醇(1∶0.85),水?。唬?)提取(體積比為1∶1的正己烷∶甲基丁基醚溶液);(4)洗滌(NaOH溶液)。與EL提取法相比,該方法多了洗滌步驟。

        2.3 PLFA的鑒定方法

        2.3.1 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(High Performance Liquid Chromatography-MassSpectrometry,HPLCMS)[22,31-33]HPLC-MS可分析完整磷脂種類(極性頭部)與脂肪酸側(cè)鏈(非極性尾部),能展示最初活體細胞膜磷脂分子所承載的全部信息。液質(zhì)聯(lián)用的缺陷是一般沒有商品化的譜庫對比查詢,只能自己建庫或自己分析譜圖。目前,HPLC-MS在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用于有標準物質(zhì)參照下的定性分析。該方法多用于食品方面,土壤方面應(yīng)用較少。

        2.3.2 Sherlock MIS4.5系統(tǒng)(Sherlock Microbial Identification System)[34-38]美國MIDI公司開發(fā)的基于細菌細胞脂肪酸成分鑒定的Sherlock MIS4.5系統(tǒng),含有碳原子數(shù)在8~20(C8-C20)的116種脂肪酸譜圖庫。MIDI公司已經(jīng)將PLFA技術(shù)商品化,常見的微生物PLFA譜圖基本上都包括在其數(shù)據(jù)庫內(nèi),儀器要求也由GC-MS降低為GC[39]。

        2.3.3 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)[9,40-43]GC-MS以氣相色譜作為進樣系統(tǒng),質(zhì)譜為檢測器,靈敏度較高,且可獲得更低的檢出限,分析效率也高,可同時做到定性與定量分析。不僅可識別那些不包括在MIDI系統(tǒng)中的脂肪酸,還可排除被MIDI系統(tǒng)錯誤識別的非酯成分;不僅可分析C8-C20的脂肪酸,并且可檢測到大于C30的脂肪酸。

        目前,GC-MS和Sherlock MIS4.5系統(tǒng)在土壤微生物群落研究中被廣泛應(yīng)用[44]。

        3 PLFA方法的優(yōu)缺點

        與傳統(tǒng)的基于培養(yǎng)基的微生物分離技術(shù)及生理學(xué)、分析生物學(xué)方法相比,PLFA方法具有一定的優(yōu)越性[44-47],具體表現(xiàn)在:(1)不需要分離和培養(yǎng)技術(shù),即可獲得微生物群落信息,適合微生物群落的動態(tài)追蹤;(2)減少分離和培養(yǎng)過程中的人為誤差,更為快速、簡便、精確;(3)試驗條件要求較低,結(jié)果較為客觀、可靠;(4)能定量描述環(huán)境樣品中的微生物群體;(5)最適合用作微生物群落的總體分析,而不是專一的微生物種類的研究。

        雖然PLFA方法在分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)方面有許多優(yōu)勢,但也存在不足之處[22,48-50]:(1)因目前并沒有搞清楚土壤中所有微生物的特征脂肪酸,因此,土壤中存在的某些脂肪酸無法與土壤中特定的微生物對應(yīng);(2)不同種類微生物的特征脂肪酸有可能重疊;(3)該方法很大程度上依賴特征脂肪酸來表征微生物群落結(jié)構(gòu),故標記上的變動將導(dǎo)致群落估算上的誤差;(4)PLFA譜圖分析不能從菌種和菌株的水平精確描述環(huán)境中微生物的種類;(5)土壤中難免會有植物殘體存在,所以植物體內(nèi)的磷脂脂肪酸可能會對土壤微生物群落的分析產(chǎn)生一定的干擾;(6)土樣保存條件不同,得到的PLFA分析結(jié)果也不同,因而在實際研究工作中受到一定限制;(7)PLFA方法不能分析古細菌。

        4 結(jié)語

        PLFA方法已廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落分析中,但其方法本身仍有改進之處,如分析結(jié)構(gòu)特異性的PLFAs,以不斷完善特定脂肪酸數(shù)據(jù)庫,使PLFA方法更加精確等。隨著PLFA方法的不斷完善,其應(yīng)用前景將會更加廣闊。

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