论文部分内容阅读
人类现有生物资源只占陆源生物的百分之一，海洋生物的千分之一左右。这些未能分离筛选的生物绝大多数为单细胞的微生物，如细菌、古菌、病毒等等，但直到最近几年单细胞技术在环境微生物研究重要性逐渐引起关注。与动植物细胞相比，微生物生物细胞数量和种类繁多，尺寸大多在微米到纳米之间，近年来一些特殊功能微生物，如胞外电传微生物的发现，使得环境微生物领域的单细胞研究的必要性和研究方法有其自身特点。以单细胞为研究对象的生物学研究，必然涉及单细胞分离、分选、转移操纵、单细胞微培养等微型过程系统，结合后续的分子生物学技术和物理化学法的检测分析技术，形成多种多样的单细胞研究方法。这些研究方法大致可分为单细胞分子生物学技术和单细胞物理化学技术。多重置换扩增技术和第二代高通量测序方法使得许多难分离培养的微生物获得基因组序列，这种基于单细胞的基因组提供了不同于传统的基于多细胞技术的环境基因组的信息，为微生境种群和群落结构的辨识提供更好的精度。也特别适合那些生态重要，但在生态某些演替阶段数量不占优势的关键功能微生物种群的辨识。结合高精度的显微技术，多标记的荧光原位杂交技术，能研究目标分子在单个细胞的时空分布的超精细结构。基于液滴微流控的PCR技术则综合了传统PCR的优势和液滴分割下PCR管内非全混流技术的优势。单细胞物理化学技术是一类以物理化学为主，采用单个细胞为材料的细胞生理生物研究法，如激光共聚焦荧光显微成像、荧光寿命图像显微成像、扫描电化学显微成像、原子力显微成像、红外与拉曼显微成像、核磁共振等技术。目前科学家已经能够在单细胞、亚细胞及单分子水平上研究细胞的形态结构、功能特征。随着研究的深入，单细胞亮场光度测量、多光谱图像分析等新型技术也开始在单细胞分析中暂露头脚。细胞主要由细胞质和细胞膜及其附属物组成，前者是各种生化反应的主要场所，而后者通常认为与底物、产物扩散进出细胞的隔膜。胞外电传微生物是今年来发现的一类具有特异功能的微生物，此类微生物能将代谢产生的电子通过某种胞外电子传递途径传递给位于胞外的最终电子受体，如氧化态的金属氧化物、电极等，或者反过来将来自电极的电子反向传递给微生物细胞。由于此类微生物具有电化学活性，容易吸附在电极表面，因此也叫具有电催化活性微生物、嗜电极微生物，或者叫产电菌。由于胞外电传微生物的特异性部位在于细胞膜及其附属物，因此，采用电化学等物理化学法，研究其胞外电子传递机理具有重要意义。产电菌细胞在电极表面会形成类似分子自组装方式的多层结构，不同位置的细胞生理是不一样的。根据是否具有胞外电子传递能力，可能微生物划分为胞外呼吸微生物和胞内呼吸微生物(即几乎所有的传统微生物)。采用单细胞物理化学法是物理化学相关技术在微生物领域一个崭新的发展方向。