張超蕾， 周瑾潔， 姜莉莉,2， 王曉麗， 朱甲名， 權(quán)春善, 修志龍*

(1. 大連理工大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連 116024；2. 營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014；3.大連民族大學生命科學學院 生物技術與生物資源利用重點實驗室，遼寧 大連 116600)

微生物組學及其應用研究進展

張超蕾1， 周瑾潔1， 姜莉莉1,2， 王曉麗1， 朱甲名1， 權(quán)春善3, 修志龍1*

(1. 大連理工大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連 116024；2. 營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014；3.大連民族大學生命科學學院 生物技術與生物資源利用重點實驗室，遼寧 大連 116600)

隨著高通量測序技術和生物信息學的發(fā)展，尤其是宏基因組在人類腸道微生物鑒定方面的應用，微生物組學應運而生。概述了微生物組的多樣性及其在人體健康、農(nóng)作物生長、畜牧業(yè)發(fā)展、環(huán)境治理、工業(yè)生物技術產(chǎn)品生產(chǎn)等方面的應用，并對微生物組學的研究方向和應用前景作了展望。

微生物組學；微生物菌群；醫(yī)學；植物根際促生細菌；生物飼料添加劑；厭氧消化；工業(yè)生物技術

1 微生物組學簡介

近幾年隨著微生物測序及人體腸道微生物與疾病之間關系研究的逐漸深入和擴展，微生物組學(Microbiomes)越來越受到國內(nèi)外學者和企業(yè)界人士的關注，如美國科學家提出“聯(lián)合微生物組計劃(Unified Microbiome Initiative，UMI)”的建議[1]，中、德、美三位科學家則呼吁在UMI基礎上啟動“國際微生物組計劃(IMI)”[2]，我國科技工作者強調(diào)精細挖掘微生物組(宏基因組)的信息[3]。在生命科學領域，微生物組學將與“精準醫(yī)學”和“腦科學”共同成為21世紀上半葉最受矚目的三大科學計劃。微生物組學是揭示微生物多樣性與人和生態(tài)穩(wěn)定性之間關系的新興學科，其研究成果將應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)和醫(yī)藥等領域(圖1)，為人類解決食品、環(huán)境、能源、健康等方面所面臨的危機。

事實上人類在尚未了解微生物之前就廣泛使用自然界中的微生物資源，如傳統(tǒng)食品(奶酪、酸菜、釀酒、大醬等)的釀造，是多種微生物(如細菌和真菌)共同作用的結(jié)果；19世紀隨著顯微鏡的發(fā)明和生理學的認識，巴斯德才創(chuàng)立了細菌學，逐漸有了滅菌的意識和主動利用單一微生物的方法。20世紀以來人們對微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、遺傳特性、基因操作等有了更為豐富的知識和技能，以微生物發(fā)酵為主的生物技術產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，發(fā)酵產(chǎn)品(如氨基酸、有機酸、抗生素、酶等)的數(shù)量和規(guī)模不斷增長。與此同時，共培養(yǎng)(Co-culture)、混合培養(yǎng)(Mixed culture)和微生物菌群也得到新的認識和利用，利用產(chǎn)酸菌，如普通生酮基古龍酸菌(Ketogulonigeniumvulgare)，俗稱小菌和伴生菌巨大芽胞桿菌(Bacillusmegatherium)，俗稱大菌共培養(yǎng)，將L-山梨糖轉(zhuǎn)化為維生素C前體2-酮基-L-古龍酸(2-keto-L-gulonic acid，2-KLG)，其中小菌將L-山梨糖轉(zhuǎn)化成2-KLG，大菌可縮短小菌的生長延遲期，促進小菌的生長和產(chǎn)酸[4]。微生物菌群(Microbial consortium)能夠利用廉價復雜的基質(zhì)，產(chǎn)物范圍可控，并且培養(yǎng)過程通常不需滅菌操作，因此在環(huán)境修復、生物能源生產(chǎn)中表現(xiàn)出極強的優(yōu)越性，如活性污泥處理廢水、生物氣生產(chǎn)等?？梢灶A見，微生物組學的研究和應用將成為生命學科領域新的熱點之一。

圖1 微生物組學在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、健康和環(huán)境等領域的應用Fig.1 Application of microbiomes in industry, agriculture, healthy and environment

2 在醫(yī)學方面的應用

腸道中正常菌群與宿主之間的相互作用構(gòu)成了腸道微生態(tài)[5]。腸道微生態(tài)在輔助營養(yǎng)吸收、參與機體代謝、調(diào)節(jié)機體免疫等方面都起著重要作用(圖2)，同時也會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成影響[6]。

圖2 腸道菌群對健康的影響Fig.2 The influences of enteric microorganisms on human health

2.1腸道微生態(tài)與疾病之間的關系

腸道微生態(tài)失調(diào)會引發(fā)腸道炎癥性疾病，如潰瘍性結(jié)腸炎、結(jié)直腸癌；還會引發(fā)代謝類疾病，如動脈粥樣硬化、糖尿病、肥胖，腸道微生態(tài)的改變還會促使肝功能損傷[7]。潰瘍性結(jié)腸炎是一種位于結(jié)腸和直腸的慢性非特異炎癥性疾病，病變局限于大腸黏膜及黏膜下層，從潰瘍性結(jié)腸炎患者體內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)高含量的變形桿菌和低含量的厚壁門菌、雙歧桿菌和乳酸桿菌[8]，革蘭陰性菌硫酸鹽還原菌也呈升高趨勢，革蘭陽性細菌呈現(xiàn)降低趨勢。革蘭陰性細菌數(shù)量的上升造成脂多糖含量增加，使菌群發(fā)生易位，因此在患者體內(nèi)出現(xiàn)長期低水平炎癥的現(xiàn)象[9]。

2.2腸道微生態(tài)與神經(jīng)系統(tǒng)之間的關系

腸道系統(tǒng)可與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間建立“腦-腸軸”實現(xiàn)雙向信息傳輸與交流[10]。腸道中的微生物可以通過免疫、內(nèi)分泌、迷走神經(jīng)三種途徑影響中樞神經(jīng)，三者之間相互作用、相互協(xié)調(diào)形成了“菌群-腸-腦軸”[11]。腸道中存在多肽物質(zhì)(神經(jīng)肽、瘦素、促腎上腺皮質(zhì)激素等)和神經(jīng)信號物質(zhì)(多巴胺、褪黑激素、乙酰膽堿、5-羥色胺)，這些物質(zhì)使“腦-腸軸”保持良好的信息交流[12]。菌群失衡會導致中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，患上神經(jīng)性疾病，如帕金森病、多發(fā)性硬化、自閉癥等[13]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)兒童早期的腸道微生物菌群失調(diào)會引發(fā)自閉癥，主要表現(xiàn)為注意力不集中，人際交往和語言發(fā)展障礙[14]。自閉癥兒童的擬桿菌、放線菌和梭狀芽胞桿菌的含量高于健康兒童，普氏菌屬、糞球菌屬和未分類的韋榮球菌科含量卻低于正常發(fā)育兒童。給予自閉癥兒童口服萬古霉素，發(fā)現(xiàn)自閉癥狀有所改善，梭狀芽胞桿菌的數(shù)量下降，可見梭狀芽胞桿菌對自閉癥有一定影響[15]。影響腸道微生態(tài)因素有很多，如腸道的生理環(huán)境、年齡、飲食、抗生素都會使腸道菌群的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，菌群的改變會促使腸道炎癥發(fā)生，改變腸道黏膜通透性，使有毒物質(zhì)進入血液并對機體產(chǎn)生影響[16]。不良的環(huán)境和情緒可通過“腦-腸軸”影響胃腸道，長期的胃腸道疾病會導致神經(jīng)異常。

生物信息學與高通量測序技術的快速發(fā)展使人們能更清楚地認識到腸道微生態(tài)的變化與其宿主之間的關系，腸道微生態(tài)失調(diào)容易引起各種疾病。新型抗菌藥物和益生菌的開發(fā)，糞便微生物移植為疾病的治療提供了新的思路[17]，但宿主與其體內(nèi)菌群之間的相互聯(lián)系和作用仍有許多未解之謎，需要各領域的研究者相互合作應對這一挑戰(zhàn)。

3 在農(nóng)業(yè)方面的應用

3.1土壤中微生物與農(nóng)作物生長的關系

土壤微生物是土壤生態(tài)的重要組成部分，微生物肥料是利用微生物參與土壤中有機質(zhì)的分解與合成，釋放養(yǎng)分供給植物營養(yǎng)以刺激植物的生長，同時還具有抑制病菌和改良土壤等功能[18]，因此微生物具有藥、肥雙重作用。微生物肥料主要分為促生細菌劑、固氮菌接種劑和根瘤菌接種劑，其作用是通過微生物代謝影響植物生長與發(fā)育[19]。目前植物根際促生細菌(plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)的研究和應用最多，是最有潛力的微生物肥料與微生物農(nóng)藥。PGPR是存在于根圈周圍、能夠通過自身代謝產(chǎn)生促進植物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，并具有抑制有害生物的有益菌[20]。PGPR的直接作用是通過菌群代謝產(chǎn)生促生長的營養(yǎng)物質(zhì)(如生長素)直接供給植物，或者轉(zhuǎn)變土壤中某些無效元素為植物可利用的有效元素(如固氮、解磷等)；其間接作用是PGPR產(chǎn)生一些抗生素、抗菌肽物質(zhì)，抑制根部病原菌生長，促進植物根系的生長發(fā)育，從而影響植物的長勢和產(chǎn)量[21-22]。一些具有固氮、溶磷和解鉀作用的微生物，如硅酸鹽細菌已經(jīng)被認定為 PGPR[23]。已鑒定的PGPR主要包括芽胞桿菌屬(Bacillus)、短芽胞桿菌屬(Brevibacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、伯克霍爾德氏菌屬(Burkholderia)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)、不動桿菌屬(Acinetobacter)、農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)、纖維單胞菌屬(Cellulomonas)、固氮螺菌屬(Azospirillum)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、弗蘭克氏菌屬(Frankia)、泛菌屬(Pantoea)、根瘤菌屬(Rhizobium)、沙雷氏菌屬(Serratia)、鏈霉菌屬(Streptomyces)、硫桿菌屬(Thiobacillus)等[24]?；旌衔⑸锕餐饔么龠M植物生長、抑制病原菌作用(圖3)將是未來研究和應用的重點。

圖3 混合微生物對植物的生長作用Fig.3 Effect of microbial consortia on plant growth

3.2生物飼料添加劑

早期飼料中添加低劑量的抗生素、激素及磺胺類藥物以防治畜禽疾病、促進生長、提高產(chǎn)量，這些藥物長期使用會破壞家禽腸道中益生微生物和病原微生物的生態(tài)平衡，并且殘留在動物食品中給人類健康帶來隱患。為提高動物食品的質(zhì)量安全，生物飼料添加劑在畜牧養(yǎng)殖業(yè)逐漸被廣泛應用。生物飼料添加劑又稱為微生態(tài)制劑，一般是以農(nóng)產(chǎn)品加工的副產(chǎn)物為原料，運用微生物培養(yǎng)或發(fā)酵技術進行單種或多種益生菌的液態(tài)或固態(tài)培養(yǎng)，制備出多功能的飼料添加劑[25]。用于微生態(tài)制劑的主要菌種有乳酸菌屬：嗜酸性乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)、短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)、乳酸乳桿菌(Lactobacilluslactis)、植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)等；雙歧桿菌屬：動物雙歧桿菌(Bifidobacteriumanimals)、嗜熱雙歧桿菌(Bifidobacteriumthermophilum)；鏈球菌屬：乳鏈球菌(Streptococcuslactis)、糞鏈球菌(Streptococcusfaecium)、中間型鏈球菌(Streptococcusintermendius)；芽胞桿菌屬：蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)、芽胞乳桿菌(Lactobacillussporogens)、枯草芽胞桿菌(Bacillussubtilis)；酵母菌屬：球擬酵母(Torulopsis)、釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)；曲霉屬：黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)以及丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)等[26]。

動物胃腸道的微生態(tài)系統(tǒng)中，宿主和微生物之間存在相互依存關系。宿主為微生物提供棲息的環(huán)境和養(yǎng)分，微生物菌群有益于動物消化吸收食物。益生菌劑能夠維持動物腸道菌群平衡，抵抗病原微生物的侵入和定殖，增強動物的免疫功能，從而促進動物生長，防治疾病。目前對益生菌制劑作用機理研究有限，大多集中在微生態(tài)平衡理論，有以下幾種學說：①優(yōu)勢菌群學說：正常情況下，動物腸道內(nèi)的益生微生物和有害微生物菌群之間及微生物菌群與宿主之間保持穩(wěn)定的平衡關系，在這個平衡體系中，具有益生作用的是厭氧或兼性厭氧菌群，其中乳桿菌和雙歧桿菌是優(yōu)勢菌群，生長代謝產(chǎn)生有機酸、抗菌物質(zhì)等阻止病原微生物的入侵和繁殖。有機酸能刺激腸道蠕動，增加機體將病原菌排出體外的能力[27]。②生物奪氧學說：該學說是針對芽胞桿菌和酵母菌制劑提出的。芽胞桿菌為好氧菌，當其芽胞進入消化道后，可迅速萌發(fā)成營養(yǎng)細胞并生長繁殖，因此消耗腸道內(nèi)有限的氧氣，造成局部厭氧環(huán)境，降低氧化還原電勢，使病原菌因缺氧而生長受到限制，厭氧環(huán)境又促進厭氧益生菌的生長。酵母菌屬于兼性厭氧菌，在有氧條件下進行好氧呼吸，為宿主提供營養(yǎng)[28]。 ③菌群屏障學說：飼喂益生菌劑后動物腸道內(nèi)有益微生物增加，有益菌通過細胞表面的糖蛋白和磷壁酸與腸道黏膜上皮細胞相互作用，占據(jù)腸黏膜表面，形成一種天然屏障，從營養(yǎng)競爭、空間位阻等方面限制病原微生物的生存繁殖。有益菌中和或結(jié)合毒素物質(zhì)，防止毒素和有害物質(zhì)被宿主吸收，從而有助于腸道內(nèi)建立正常的有益微生物區(qū)，排除或抑制潛在的病原菌[29]。

4 在環(huán)境/生態(tài)方面的應用

微生物降解是治理環(huán)境污染，尤其是降解人工合成的高分子污染物的有效途徑[30]。由于污染物的結(jié)構(gòu)復雜性及種類多樣性，純種微生物往往很難有效完成這一使命?；旌衔⑸锞壕哂胸S富的種群多樣性，包含降解各種有機質(zhì)的酶系及代謝途徑，各類微生物相互配合、互利共生，在生物降解過程中起到不可替代的作用。

厭氧消化(Anaerobic digestion, AD)是微生物菌群在環(huán)境治理中最經(jīng)典的應用實例[31]。厭氧消化過程依賴富集的混合菌群，通過復雜的代謝網(wǎng)絡，將高分子有機物逐步降解為甲烷及二氧化碳。該過程不僅可以消除污染，殺滅潛在病原體，更能將廢棄物中蘊含的潛在能源轉(zhuǎn)變?yōu)檎託猓瑢崿F(xiàn)資源的循環(huán)利用[32]。厭氧消化廣泛應用于城市及工業(yè)污水及固體廢棄物處理，是目前重要的污染物處理手段[33-34]。厭氧消化主要分為四個階段：水解、酸化、乙酸化及甲烷化(圖4)。

首先，廢棄物中的不溶性有機質(zhì)及高分子污染物在水解菌分泌的胞外酶作用下分解為可溶性低分子有機物，如氨基酸、脂肪酸等；這些可溶性有機物在酸化過程中被產(chǎn)酸菌進一步降解為揮發(fā)性脂肪酸，并伴隨氨氣、二氧化碳、硫化氫等氣體產(chǎn)生；在乙酸化過程中，揮發(fā)性脂肪酸被產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸，并生成二氧化碳及氫氣；最后進入甲烷化階段，不同類型的甲烷菌或?qū)⒁宜岱纸鉃榧淄?，或以二氧化碳為電子受體、氫氣為電子供體合成甲烷[35]。在厭氧消化過程中，水解菌、產(chǎn)酸菌、產(chǎn)乙酸菌及產(chǎn)甲烷菌在活性污泥中穩(wěn)定共存，不同微生物扮演不同的角色，相互協(xié)同、互利共生，共同完成降解廢棄污染物的任務。相比于單一菌種，微生物混合菌群對于有機高分子污染物，如聯(lián)苯[36]、偶氮染料[37-38]、多環(huán)芳烴[39]等具有更強的降解能力。

圖4 厭氧消化過程的不同階段及微生物作用Fig.4 Microbial functions at different stages in anaerobic digestion

微生物菌群在環(huán)境治理方面也存在代謝機理復雜、污染底物種類及濃度限制及污染物去除率有限等諸多局限，為此國內(nèi)外學者在功能基因挖掘、菌群選擇及馴化、降解工藝優(yōu)化等方面做出了不懈努力，成效顯著。研究表明微生物降解復雜有機質(zhì)，尤其是異型生物質(zhì)的基因一般存在于質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子等可移動元件上，功能微生物菌群內(nèi)存在水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[40]。對于環(huán)境中存在的頑固污染物，原始微生物菌群往往降解能力有限，通過向原始混合菌群中添加帶有降解特定污染物基因質(zhì)粒的基因工程菌株或其他高效功能菌株，可擴展降解污染物范圍，增強菌群降解能力[41-43]。在降解工藝中，固定化技術具有菌群細胞可循環(huán)利用、污染物降解效率高以及對溫度及pH變化穩(wěn)定性更強等優(yōu)勢，可顯著提高微生物降解污染物能力及效率[44-45]。此外，將污染物處理與微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)結(jié)合，通過微生物菌群將廢水的化學能轉(zhuǎn)化為電能，也成為一條新興的治理環(huán)境污染的可持續(xù)發(fā)展途徑[46]。

5 在工業(yè)方面的應用

傳統(tǒng)食品，如奶酪、酸菜、釀酒、大醬等生產(chǎn)中利用微生物菌群進行發(fā)酵已有上千年的歷史，在生物能源(如生物氣、生物氫氣、燃料乙醇等)、生物基化學品 (如1,3-丙二醇)、生物材料 (如聚羥基脂肪酸酯) 等工業(yè)生物技術產(chǎn)品生產(chǎn)中微生物菌群也有相應的研究和應用。

厭氧條件下，微生物菌群可以將有機廢棄物轉(zhuǎn)化成各種生物質(zhì)能源，如甲烷、氫氣或乙醇等，菌群中有一些菌需要特殊的生長條件，它們很難通過傳統(tǒng)的純培養(yǎng)技術進行培養(yǎng)。已有研究利用嗜熱微生物菌群在60 ℃下，以垃圾和廢紙為基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生氫氣和甲烷。盡管整個過程在不滅菌的條件下進行，但嗜熱過程有效地降低了染菌的機率[47]。氫氣作為一種理想的燃料[48]，其生物法制備受到轉(zhuǎn)化率低的制約，最大理論摩爾轉(zhuǎn)化率為4 mol氫氣/mol葡萄糖，但實際發(fā)酵過程的產(chǎn)率通常不超過2 mol氫氣/mol葡萄糖[49]。乙醇被視為替代和節(jié)約汽油的最佳燃料，利用非糧食原料，如農(nóng)業(yè)秸稈生產(chǎn)乙醇已成為研究熱點。天然微生物菌群具有高效穩(wěn)定降解纖維素的能力，而傳統(tǒng)的釀酒酵母純培養(yǎng)技術無法對其高效利用轉(zhuǎn)化[50]。

微生物菌群發(fā)酵方式為生物基化學品生產(chǎn)過程中目標產(chǎn)物的分離純化提供了新的解決思路。1,3-丙二醇 (1,3-PD) 作為聚對苯二甲酸丙二酯 (PTT) 和聚呋喃二甲酸丙二酯 (PTF) 的單體，市場需求量逐年增多。傳統(tǒng)純培養(yǎng)技術生產(chǎn)1,3-PD會產(chǎn)生醇類、有機酸等副產(chǎn)物，為目標產(chǎn)物的分離純化帶來了困難，增加了生產(chǎn)成本[51]。已有研究表明利用微生物菌群發(fā)酵生產(chǎn)1,3-PD不僅可以利用較為廉價的粗甘油作為原材料，同時還可以降解大部分副產(chǎn)物有機酸，顯著降低原料和后期分離純化的成本，從而受到人們越來越多的關注[52-53]。

在生物材料方面，聚羥基脂肪酸酯(Poly hydroxyalkanoates，PHA) 是微生物合成的一種細胞內(nèi)聚酯，是一種天然的高分子生物材料，具有良好的生物相容性、生物可降解性和塑料的熱加工性，已成為近年來生物材料領域最為活躍的研究熱點。已有研究表明利用微生物菌群發(fā)酵法生產(chǎn)PHA可以克服純培養(yǎng)技術的一些缺點，如生產(chǎn)過程中需要進行無菌操作、利用較高純度的底物并對細菌進行無菌培養(yǎng)等，從而顯著地降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟上的競爭力[54]。

6 展 望

微生物組學將在人體健康、農(nóng)作物生長、家禽養(yǎng)殖、環(huán)境治理、工業(yè)化學品生產(chǎn)等方面發(fā)揮重要作用。平衡的腸道微生態(tài)有助于人體消化代謝食物，提供營養(yǎng)物質(zhì)，減少有害菌對人體的侵害；同樣道理，益生菌的補充對家禽畜牧業(yè)養(yǎng)殖也是有益的，有助于降低抗生素和激素的殘留，提升肉、奶、蛋等動物食品的安全性。微生物菌劑替代化肥和農(nóng)藥同樣可以在源頭上解決食品安全的問題，改善農(nóng)作物根系微生物菌群的分布是關鍵，既可以改善土壤，又可以降解殘留的農(nóng)藥、吸附重金屬。通過活性污泥中的微生物菌群降解人造高分子物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣等燃料。相似地可以利用微生物菌群轉(zhuǎn)化廉價的非糧生物質(zhì)原料生產(chǎn)能源、化學品和生物材料，有望降低成本，推動產(chǎn)業(yè)化進程。

微生物組學技術的快速發(fā)展使我們有可能了解特定條件下菌群豐度的動態(tài)變化，以及菌群與環(huán)境或宿主之間的相互作用與聯(lián)系。但菌群內(nèi)不同種微生物細胞之間的信號交流和群體效應，菌群的穩(wěn)定性，未知和未培養(yǎng)微生物的作用，菌群與周圍環(huán)境的相互作用方式等方面仍有許多機制尚未被了解和闡述，有待于生物學、信息學、醫(yī)學、農(nóng)學等不同領域的學者協(xié)同攻關，共同推動微生物組學的發(fā)展與進步。

[1] Alivisatos A P, Blaser M J, Brodie E L, et al. A unified initiative to harness Earth′s microbiomes[J].Science, 2015, 350(35): 507-508.

[2] Dubilier N, Mcfall-Ngai M, Zhao L P. Great a global microbiome effort: understanding how microbes affect health and the biosphere requires an international initiative[J].Nature,2015,526(75): 631-634.

[3] Wang J, Jia H. Metagenome-wide association studies: fine-mining the microbiome[J].Nature Reviews: Microbiology, 2016, 14(8): 508-522.

[4] 呂淑霞, 張云鶴, 白玲, 等. 維生素C前體2-酮基-L-古龍酸二步混菌發(fā)酵研究新進展[J].微生物學雜志, 2015, 35(3): 1-8.

[5] 白文元, 王娜. 腸道微生態(tài)對人類健康的影響[J]. 醫(yī)學綜述, 2015, 9(1): 811-813.

[6] 郭慧玲, 邵玉宇, 孟和畢力格, 等.腸道菌群與疾病關系的研究進展[J]. 微生物學通報, 2015, 42(2): 400-410.

[7] 岳意茹, 王俊平, 劉萍, 等. 腸道微生態(tài)與腸道免疫相互作用的研究進展[J]. 中華內(nèi)科雜志, 2014, 12(1): 988-991.

[8] 廖博雅, 王莎莎, 張軍東, 等. 腸道微生物在人類疾病中的作用[J]. 胃腸病學, 2015, 20(2):126-128.

[9] Sokol H, Seksik P, Furet J P, et al. Low counts ofFaecalibacteriumprausnitziiin colitis microbiota[J]. Inflammatory Bowel Disease, 2009, 15(8): 1183-1189.

[10] 劉萍, 羅本燕. 腸道微生態(tài)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的相關性[J]. 中國神經(jīng)精神疾病雜志, 2016, 42(4): 251-254.

[11] 王文建, 鄭躍杰. 腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相互作用及相關疾病[J]. 中國微生態(tài)學雜志, 2016, 28(2): 240-245.

[12] 仇艷光, 時蘭春, 孫芳, 等. 腸道微生物菌群對腦及行為的影響[J]. 生命的化學, 2014, 30(4): 572-576.

[13] Lin W, Ren Z W, Liang W, et al. Application of metagenomics in the human gut microbiome[J].World Journal of Gastroenterology, 2015, 21(3): 803-814.

[14] Hsiao E Y, Mcbride S W, Hsien S, et al. Microbiota modulate behavioral and physiological abnormalities associated with neuro-developmental disorders[J]. Cell, 2013, 155(7): 1451-1463.

[15] Finegold S M. Therapy and epidemiology of autism-clostridial spores as key elements[J].Medical Hypotheses,2008, 70(3): 508-511.

[16] 楊云生, 王子凱. 腸道微生態(tài)的重要作用與研究展望[J]. 中國消化雜志, 2013, 33(12):803-805.

[17] Ghaisas S, Maher J, Kanthasamy A. Gut microbiome in health and disease: Linking the microbiome-gut-brain axis and environmental factors in the pathogenesis of systemic and neurodegenerative diseases[J]. Pharmacology & Therapy,2016, 158: 52-62.

[18] 張紀紅. 微生物肥料資源在農(nóng)業(yè)中的開發(fā)和利用[J]. 北京農(nóng)業(yè), 2011,(6): 84-84.

[19] 李英. 淺談微生物肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè), 2010,(3): 18-19.

[20] 王巖, 黃波, 蘇曉, 等. 植物根際促生細菌型生物肥料研究綜述[J]. 山東林業(yè)科技, 2013, 43(3): 92-95.

[21] Kloepper J W, Lifshitz R, Zablotowicz R M. Free-living bacterial inocula for enhancing crop productivity[J]. Trends Biotechnology, 1989, 7(2): 39-44.

[22] Xia Y, Xu X, Lin Y, et al. Research process of mechanism of action of growth promoting rhizobacteria[J]. Agricultural Science & Technology, 2014, 8(1): 87-90.

[23] 孫亞凱. 功能性微生物菌株的篩選及組合菌群活性研究[D]. 天津：天津大學, 2006.

[24] Taghavi S D, Barac T, Greenberg B, et al. Horizontal gene transfer to endogenous endophytic bacteria from poplar improves phytoremediation of toluene[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2005,71(12): 8500-8505．

[25] 劉燕,王靜慧.微生態(tài)理論和我國動物微生態(tài)制劑研究現(xiàn)狀[J]. 中國獸藥雜志，2002，36(8):35-38.

[26] 徐麗華, 張華, 婁愷. 微生物資源學[M]. 北京:科學出版社, 2010:413-414.

[27] Ouwehand A C, Kirjavinen P V, Shortt C, et al. Probiotics: mechanisms and established effects[J]. International Dairy Journal, 1999, 9(1): 43-52.

[28] 胡東興, 潘康成. 微生態(tài)制劑及其作用機理[J]. 中國飼料，2001, (3): 14-16.

[29] 洪堅平, 來航線. 應用微生物學[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2011:121-124.

[30] Mikeskova H, Novotny C, Svobodova K, Interspecific interactions in mixed microbial cultures in a biodegradation perspective[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2012, 95(4): 861-870.

[31] Henze M. Waste water treatment development[J]. Biological Wastewater Treatment, 2008: 1-7.

[32] Holm-Nielsen J B, Seadi T A, Oleskowicz-Popie I P. The Future of anaerobic digestion and biogas utilization[J]. Bioresour Technology, 2009, 100(22): 78-84.

[33] Mata-Alvarez J, Macé S, Llabrés P. Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives[J]. Bioresource Technology, 2000, 74(1): 13-16.

[34] Appels L, Baeyens J, Degrève J, et al. Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34(6): 755-781.

[35] 李東, 孫永明, 張宇, 等. 城市生活垃圾厭氧消化處理技術的應用研究進展[J]. 生物質(zhì)化學工程, 2008, 42(4): 43-50.

[36] Davison A D, Csellner H, Karuso P, et al. Synergistic growth of two members from a mixed microbial consortium growing on biphenyl[J]. FEMS Microbiology Ecology, 1994, 14(2):133-146.

[37] Khehra M S, Sniai H S, Chimini S S, et al. Decolorization of various azo dyes by bacterial consortium[J]. Dyes and Pigments, 2005, 67(1): 55-61.

[38] Khehra M S, Saini H S, Sharma D K, et al. Comparative studies on potential of consortium and constituent pure bacterial isolates to decolonize azo dyes[J]. Water Research, 2005, 39(20): 35-41.

[39] Jacques R J, Okeke B C, Bento F M,et al. Microbial consortium bioaugmentation of a polycyclic aromatic hydrocarbons contaminated soil[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(7): 37-43.

[40] Top E M, Springae I D. The role of mobile genetic elements in bacterial adaptation to xenobiotic organic compounds[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2003, 14(3): 262-269.

[41] Top E M, Springae I D, Boon N. Catabolic mobile genetic elements and their potential use in bioaugmentation of polluted soils and waters[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2002, 42(2):199-208.

[42] Nzila A, Razzak S A, Zhu J. Bioaugmentation: An emerging strategy of Industrial wastewater treatment for reuse and discharge[J]. International Journal Environment Research Public Health, 2016, 13(9): 1-20.

[43] Fantroussi E I, Agathos S N. Is bioaugmentation a feasible strategy for pollutant removal and site remediation[J]. Current Opinion Microbiology, 2005, 8(3): 68-75.

[44] Lade H, Govindwar S, Paul D. Mineralization and detoxification of the carcinogenic azo dye congo red and real textile effluent by a Polyurethane Foam Immobilized Microbial Consortium in an Upflow Column Bioreactor[J]. International Journal Environment Research and Public Health, 2015, 12(6): 894-918.

[45] Wang J, Yang H, Lu H, et al. Aerobic biodegradation of nitrobenzene by a defined microbial consortium immobilized in polyurethane foam[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2009, 25(5): 875-881.

[46] Miran W, Nawaz M, Lee D S, et al. Microbial community structure in a dual chamber microbial fuel cell fed with brewery waste for azo dye degradation and electricity generation[J]. Environment Scienceand Pollution Research, 2015, 22(17): 77-85.

[47] Ueno Y, Fukui H, Goto M. Operation of a two-stage fermentation process producing hydrogen and methane from organic waste[J]. Environment Science Technology, 2007, 41(4): 1413-1419.

[48] Li C L, Fang H H P. Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures[J]. Critical Review Environment Science Technology, 2007, 37(1): 1-39.

[49] Selembo P A, Perez J M, Lloyd W A, et al. Enhanced hydrogen and 1,3-propanediol production from glycerol by fermentation using mixed cultures[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2009, 104(6): 1098-1106.

[50] Solomon K V, Haitjema C H, Henske J K, et al. Early-branching gut fungi possess a large, comprehensive array of biomass-degrading enzymes[J]. Science, 2016, 351(6278): 1192-1195.

[51] Xiu Z L, Zeng A P. Present state and perspective of downstream processing of biologically produced 1, 3-propanediol and 2, 3-butanediol[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 78(6): 917-926.

[52] Dietz D, Zeng A P. Efficient production of 1, 3-propanediol from fermentation of crude glycerol with mixed cultures in a simple medium[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2014, 37(2): 225-233.

[53] Szymanowska-Powalowska D, Piatkowska J, Leja K. Microbial purification of post fermentation medium after 1, 3-PD production from raw glycerol[J]. Biomedical Research International, 2013, 2013: 949107.

[54] Moita R, Freches A, Lemos P C. Crude glycerol as feedstock for polyhydroxy alkanoates production by mixed microbial cultures[J]. Water Research, 2014, 58: 9-20.

AdvancesinMicrobionomicsandItsApplications

ZHANG Chao-lei1, ZHOU Jin-jie1, JIANG Li-li1,2, WANG Xiao-li1, ZHU Jia-ming1,QUAN Chun-shan3, XIU Zhi-long1

(1.Schl.ofLifeSci. &Biotech.,DalianUni.ofTechnol.,Dalian116024; 2.Dept.ofChem.andMaterialsEngin.,YingkouInst.ofTechnol.,Yingkou115014; 3.KeyLab.ofBiotech. &Biores.Util.,DalianMinzuUni.,Dalian116600)

With the development of high throughput sequencing technology and bioinformatics, especially the application of metagenome in human intestinal microbial identification, microbionomics emerges as the times require. This paper summarizes the diversity of microbionome and its applications in human health, crop growth and development of animal husbandry, environmental management, and production of industrial biotech-products and other aspects. Moreover, the studies of microbionomics as well as their directions and application prospects in the future are forecasted.

microbionomics; microbial consortium; medicine; plant rhizobacteria growth promotion; biological feed additives; anaerobic digestion; industry biotechnology

生物技術與資源利用教育部重點實驗室開放課題(KF2015006)

張超蕾 女，博士研究生。研究方向為腸道菌群。E-mail: zhangchaolei@dlut.edu.cn

* 通訊作者。男，博士，教授，博士生導師。 研究方向為微生物發(fā)酵與生物分離工程。Tel: 0411-84706369，E-mail: zhlxiu@dlut.edu.cn

2016-11-20；

2017-01-22

Q939.9

A

1005-7021(2017)04-0074-08

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.04.012