環(huán)境微生物組研究的主要目的是解讀特定環(huán)境中微生物的多樣性、結(jié)構(gòu)、功能、相互作用和進(jìn)化，以及它們與環(huán)境因子和生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系等。相較于人類(lèi)、動(dòng)物植物基因組來(lái)說(shuō)，微生物基因組研究面臨著更多挑戰(zhàn)：大部分（＞99%）的微生物無(wú)法培養(yǎng)，且由于環(huán)境的變化，微生物會(huì)快速的適應(yīng)和進(jìn)化，從而導(dǎo)致微生物基因組在時(shí)間和空間上發(fā)生較快速的變異。因此，要求我們需要對(duì)在特定環(huán)境下存在的微生物進(jìn)行解析。本文將針對(duì)土壤、水體、腸道這三大領(lǐng)域，圍繞以下幾個(gè)部分（研究熱點(diǎn)、研究樣本類(lèi)型、研究方向、不同樣本的前處理方案）進(jìn)行介紹。

01 土壤生態(tài)密碼解鎖

研究熱點(diǎn)：元素循環(huán) | 污染修復(fù) | 植物-微生物互作

研究樣本類(lèi)型：

① 土壤：農(nóng)田、森林、沙漠、凍土、鹽堿地、草地、濕地等不同生態(tài)類(lèi)型的土壤；

② 泥：污泥、混凝土、礦地、泥炭地、生活垃圾；

③ 沉積物：湖泊、近海、海洋底泥。

核心方向：

① 元素循環(huán)：微生物驅(qū)動(dòng)的碳氮循環(huán)（如甲烷氧化菌、硝化菌）；

② 污染修復(fù)：污染物（重金屬、農(nóng)藥）的微生物降解機(jī)制；

③ 植物微生物互作：植物根際促生菌（PGPR菌群）與土壤健康研究。

?創(chuàng)新前處理方案：

① 針對(duì)含水量較多的樣本（如濕地等，如圖1.1）采用高速離心脫水技術(shù)：為了富集微生物，取完樣本后高速離心去除濕地中的水分，避免導(dǎo)致后續(xù)提取得到的核酸量偏少不足下游PCR反應(yīng)；

② 針對(duì)于礦地等礦物元素以及重金屬含量豐富的土壤（見(jiàn)圖1.2）采用PBS富集+重金屬去除：①介于重金屬脅迫下微生物豐度可能降低，為了獲取更多微生物，前處理會(huì)用無(wú)菌PBS buffer對(duì)微生物進(jìn)行富集處理。②重金屬（如As、Cd、Pb）可能結(jié)合核酸或抑制酶活性，為了避免重金屬殘留對(duì)后續(xù)PCR反應(yīng)的抑制作用，前處理初步除重金屬等雜質(zhì)；

③ 針對(duì)于微生物含量較低的砂土（見(jiàn)圖1.3）采用低微生物量增強(qiáng)富集方案：砂土中的微生物含量相對(duì)較低，正常的樣本取樣量提取后的核酸濃度極低，很難滿(mǎn)足下游反應(yīng)。為了解決這一問(wèn)題，前處理會(huì)用無(wú)菌PBS buffer對(duì)更多組織樣本進(jìn)行組織涮洗，富集微生物；

④ 針對(duì)于腐殖質(zhì)含量較高的土壤（如黑土等，見(jiàn)圖1.4）采用腐殖質(zhì)深度清除工藝：為了減少腐殖質(zhì)對(duì)提取后核酸的下游反應(yīng)的抑制作用，在提取過(guò)程中增加除雜劑以達(dá)到充分去除腐殖質(zhì)的效果。

02 水體微生物組

研究熱點(diǎn)：元素循環(huán) | 重金屬污染修復(fù)

研究樣本類(lèi)型：

① 自然水體：海洋/河流/湖泊/地下水/冰川水；

② 人工水體：污水處理廠(chǎng)/養(yǎng)殖池

核心方向：

① 元素循環(huán)：農(nóng)田徑流對(duì)水質(zhì)的影響。

② 污染修復(fù)：重金屬的微生物降解機(jī)制；

?創(chuàng)新前處理方案：

① 濾膜樣本：碎片化裂解+二次過(guò)濾建議（圖2.1）：將濾膜（使用0.22 μm或0.45 μm濾膜過(guò)濾大體積水樣）剪碎后放入裂解緩沖液。（若濾膜很干凈，說(shuō)明微生物含量很低，建議繼續(xù)過(guò)濾更大體積水樣至濾膜表面有明顯痕跡。）

② 液態(tài)樣本：離心富集法（圖2.2、2.3）：若樣本較澄清，為了富集更多微生物，取2ml-50mL液體樣本離心富集收集微生物沉淀。若樣本較渾濁，則正常取樣。

03 腸道微生態(tài)探秘

研究熱點(diǎn)：中藥治療?|?代謝疾病?|?腸X軸?|?免疫疾病

研究樣本類(lèi)型：

①家畜（牛、豬）腸道微生物、糞便堆肥；

②魚(yú)類(lèi)、昆蟲(chóng)、哺乳動(dòng)物腸道、糞便微生物。

核心方向：

① 中藥治療：中草藥與腸道微生物組成密切相關(guān)。

② 代謝疾?。何⑸飳?duì)宿主代謝（肥胖、糖尿病等）的影響。

③ 腸X軸：八大腸X軸，如腸-腦軸（Gut-Brain Axis）與神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ。┑年P(guān)聯(lián)。

④ 免疫疾?。耗c道微生物與宿主免疫系統(tǒng)的交互（如調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化）。

?創(chuàng)新前處理方案：

① 腸道樣本（圖3.1、3.2）：采用粘膜剝離+多級(jí)除雜技術(shù)：為了初步去除宿主以及大分子雜質(zhì)，前期會(huì)將腸道的內(nèi)容物從腸道黏膜中釋放，充分獲取微生物并進(jìn)行初步除雜。

② 硬質(zhì)糞便：強(qiáng)化研磨破壁工藝：相較于圖3.4的小鼠糞便來(lái)說(shuō)，圖3.3的小鼠糞便使用普通的研磨珠無(wú)法打碎從而導(dǎo)致提取后的核酸含量較低，為了使微生物充分釋放，提取時(shí)會(huì)進(jìn)行充分研磨獲取糞便微生物。

經(jīng)驗(yàn)分享：

百邁客生物近年來(lái)承接的樣本包含且不局限于上文所述的各種組織類(lèi)型。利用目前現(xiàn)有成熟的提取技術(shù)，針對(duì)不同組織類(lèi)型采用最精準(zhǔn)的提取方法，使得微生物樣本合格率可以達(dá)到97%以上，其中擴(kuò)增子二代樣本合格率可以高達(dá)99%以上。