微生物是土壤中最活躍的組成，它們種類繁多，數(shù)量巨大，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中各自行使著獨特的功能，在地球物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換、環(huán)境與健康等方面發(fā)揮著重要作用。據(jù)估計,1克土壤中生存著成千上萬種多達上十億(109)個的微生物個體(細胞),是人類取自不盡的生物資源庫、基因資源庫、代謝產(chǎn)物庫。土壤微生物在維持生態(tài)系統(tǒng)整體服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要作用，常被比擬為土壤C，N，S，P等養(yǎng)分元素循環(huán)的“轉(zhuǎn)化器”、環(huán)境污染物的“凈化器”、陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的“調(diào)節(jié)器”。同時，土壤又為微生物生長和繁殖提供了良好的物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)營養(yǎng)，是微生物最好的“天然棲息地”。
生物與環(huán)境之間的相互影響，是地球上的生命出現(xiàn)以來就普遍存在的一種自然現(xiàn)象。土壤與土壤微生物之間也是如此，不同的土壤環(huán)境下會形成不同的微生物種群結(jié)構(gòu)，甚至強酸性、鹽漬化、高溫、低溫、干旱等等極端土壤環(huán)境條件下，也有特定類型的土壤微生物適于生存，比如嗜熱微生物就生活在高于40~50℃的高溫環(huán)境中,如火山口及其周圍區(qū)域、溫泉、工廠高溫廢水排放區(qū)等。目前對土壤中絕大多數(shù)微生物多樣性與功能的認識還十分有限，土壤微生物研究已成為國際關(guān)注的熱點問題。
從1676年，虎克用自制的單式顯微鏡觀察到細菌個體開始，傳統(tǒng)的土壤微生物研究主要采用樣品富集培養(yǎng)和分離、顯微直接計數(shù)、活菌計數(shù)法等。這個階段顯微鏡是我們認識微生物的主要武器，它讓這些土壤中這些比頭發(fā)絲的直徑還小十倍、百倍的微小精靈展現(xiàn)在我們的眼前。
顯微鏡下的微生物世界
富集培養(yǎng)，是利用不同微生物間生命活動特點的不同制定特定的環(huán)境條件使得僅適用于該條件的微生物旺盛生長，從而使其在群落中的數(shù)量大大增加，人們能夠更容易地從自然界中分離到所需的特定微生物。富集條件可根據(jù)所需分離的微生物的特點，從物理、化學(xué)、生物及綜合多個方面進行選擇，如溫度、pH、紫外線、高壓、光照、氧氣、營養(yǎng)等許多方面。如圖描述了采用富集方法從土壤中分離能降解酚類化合物對羥基苯甲酸的微生物的實驗過程。
反硝化微生物分離培養(yǎng)方案示意圖
事實上，土壤中能夠通過富集培養(yǎng)分離得到的微生物量還相當?shù)男 ?jù)估算，每克土壤中約含數(shù)萬個物種，100億左右微生物，而其中僅有1%的物種可通過分離培養(yǎng)進行研究。
新技術(shù)的發(fā)展，特別是分子技術(shù)的引進為土壤微生物學(xué)家展示了研究土壤微生物組成、活性和原位研究的美好情景，分子生物學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究而形成的生態(tài)學(xué)新的分支科學(xué)——分子生態(tài)學(xué)，使生態(tài)學(xué)的實驗研究一躍進入分子水平。分子生態(tài)學(xué)是應(yīng)用分子生物學(xué)的原理和方法來研究生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用的機理及其分子機制的科學(xué)。
大家最熟知的DNA檢驗，估計要數(shù)親子鑒定了吧，事實上，DNA是引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機能運作的“藍圖”；而RNA則是遺傳信息的載體。通過研究土壤中微生物DNA的種群與數(shù)量，可以分析具有某些特定功能的微生物種群多樣性和豐度，甚至進一步，RNA水平的研究，可以知道某些功能基因在微生物體內(nèi)是否起作用。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們就可以探索微生物種群對環(huán)境變化的響應(yīng)機理、功能變化與環(huán)境之間的關(guān)系、功能演變與環(huán)境長期變化的關(guān)系以及其它生命層次生態(tài)現(xiàn)象的分子生態(tài)學(xué)機理等。
隨著環(huán)境的惡化、污染的加劇, 許多寶貴的土壤微生物資源正在消失, 這就更加激發(fā)人類迫切了解、認識微生物物種的緊迫性。當前的各種分子生物學(xué)研究方法是非常行之有效的, 但是各自都有一些局限因子,相信只要針對各種方法優(yōu)缺點,結(jié)合以傳統(tǒng)方法, 無疑會在土壤微生物生態(tài)研究上開辟一個全新的研究領(lǐng)域, 也會讓我們更全面、深入地認識土壤中的微生物。