Vi sinh vật đất là gì? Các công bố khoa học về Vi sinh vật đất

Sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ giải trình đã thay đổi cảnh quan thực nghiệm của sinh thái vi sinh vật. Trong 10 năm qua, lĩnh vực này đã chuyển từ việc giải trình hàng trăm đoạn gen 16S rRNA mỗi nghiên cứu thông qua thư viện nhân bản sang việc giải trình hàng triệu đoạn mỗi nghiên cứu bằng các công nghệ giải trình thế hệ tiếp theo từ 454 và Illumina. Khi những công nghệ này tiến bộ, việc đánh giá sức mạnh, điểm yếu và độ phù hợp tổng thể của các nền tảng này để thẩm vấn các cộng đồng vi sinh vật là điều rất quan trọng. Tại đây, chúng tôi trình bày một phương pháp cải tiến để giải trình các vùng biến đổi trong gen 16S rRNA bằng nền tảng MiSeq của Illumina, nền tảng hiện có thể tạo ra các đoạn đọc 250 nucleotide cặp. Chúng tôi đã đánh giá ba vùng chồng lấp của gen 16S rRNA có độ dài khác nhau (tức là, V34, V4 và V45) bằng cách giải trình lại một cộng đồng giả mẫu và các mẫu tự nhiên từ phân người, phân chuột và đất. Bằng cách điều chỉnh nồng độ các amplicon gen 16S rRNA được áp dụng vào ô dòng và sử dụng phương pháp dựa trên điểm chất lượng để sửa chữa những chênh lệch giữa các đoạn đọc được sử dụng để xây dựng contig, chúng tôi đã có thể giảm tỷ lệ lỗi tới hai bậc độ lớn. Cuối cùng, chúng tôi đã xử lý lại các mẫu từ một nghiên cứu trước đây để chứng minh rằng một số lượng lớn mẫu có thể được đa tuyến và giải trình cùng một lúc với shotgun metagenomes. Các phân tích này cho thấy rằng phương pháp của chúng tôi có thể cung cấp dữ liệu ít nhất cũng tốt như dữ liệu được tạo ra bởi nền tảng 454 trong khi cung cấp độ phủ giải trình cao hơn đáng kể với chỉ một phần chi phí.

Đất được thu thập qua một thí nghiệm đã bón vôi lâu dài (pH 4.0–8.3), trong đó sự biến đổi của các yếu tố khác ngoài pH đã được giảm thiểu, được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng trực tiếp của pH lên sự phong phú và thành phần của hai nhóm chính trong vi sinh vật đất: nấm và vi khuẩn. Chúng tôi giả thuyết rằng các cộng đồng vi khuẩn sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi pH hơn là các cộng đồng nấm. Để xác định tỷ lệ phong phú tương đối của vi khuẩn và nấm, chúng tôi đã sử dụng PCR định lượng (qPCR), và để phân tích thành phần và đa dạng của các cộng đồng vi khuẩn và nấm, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật tuần tự song song có mã vạch. Cả tỷ lệ phong phú tương đối và đa dạng của vi khuẩn đều có quan hệ dương với pH, trong đó tỷ lệ phong phú gần như tăng gấp đôi giữa pH 4 và 8. Trái lại, tỷ lệ phong phú tương đối của nấm không bị ảnh hưởng bởi pH và độ đa dạng của nấm chỉ có liên hệ yếu với pH. Thành phần của các cộng đồng vi khuẩn được xác định chặt chẽ bởi pH của đất; có sự biến đổi thành phần cộng đồng vi khuẩn dọc theo khoảng cách 180 mét của thí nghiệm này cũng như so với đất thu thập từ nhiều biôma khác nhau ở Bắc và Nam Mỹ, nhấn mạnh sự chi phối của pH trong việc cấu trúc các cộng đồng vi khuẩn. Ảnh hưởng trực tiếp rõ ràng của pH lên thành phần của cộng đồng vi khuẩn có lẽ do phạm vi pH hẹp cho sự phát triển tối ưu của vi khuẩn. Thành phần cộng đồng nấm ít bị ảnh hưởng bởi pH hơn, điều này phù hợp với các nghiên cứu văn hóa thuần túy, cho thấy nấm thường có các phạm vi pH rộng hơn cho sự phát triển tối ưu.

Khám phá các tập dữ liệu môi trường lớn được tạo ra bởi các công nghệ giải trình tự DNA nhanh đòi hỏi những phương pháp phân tích mới để vượt ra ngoài các mô tả cơ bản về thành phần và đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật tự nhiên. Để điều tra các tương tác tiềm năng giữa các taxa vi sinh vật, phân tích mạng của các mẫu đồng tồn tại của taxa có ý nghĩa có thể giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật phức tạp qua các gradient không gian hoặc thời gian. Ở đây, chúng tôi đã tính toán các mối liên kết giữa các taxa vi sinh vật và áp dụng các phương pháp phân tích mạng cho một tập dữ liệu giải trình tự pyrosequencing theo mã vạch gene 16S rRNA chứa hơn 160,000 chuỗi vi khuẩn và archae từ 151 mẫu đất thuộc một loạt các loại hệ sinh thái. Chúng tôi đã mô tả hình thái của mạng lưới kết quả và định nghĩa các loại đơn vị phân loại hoạt động dựa trên sự phong phú và sự chiếm đóng (tức là, những chuyên gia chung về môi trường và những chuyên gia đặc thù về môi trường). Các mẫu đồng tồn tại đã được tiết lộ dễ dàng, bao gồm sự liên kết không ngẫu nhiên tổng quát, các chiến lược lịch sử sống phổ biến ở các cấp thuế học rộng và các mối quan hệ bất ngờ giữa các thành viên của cộng đồng. Tổng thể, chúng tôi đã chứng minh tiềm năng của việc khám phá các tương quan giữa các taxa để có được một hiểu biết toàn diện hơn về cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật và các quy tắc sinh thái hướng dẫn sự hình thành cộng đồng.

Các nguyên tố nặng, tùy thuộc vào trạng thái oxi hóa của chúng, có thể phản ứng mạnh và do đó, độc hại cho hầu hết các sinh vật. Chúng được sản xuất từ một loạt các nguồn gốc nhân tạo đang mở rộng, cho thấy vai trò ngày càng quan trọng của dạng ô nhiễm này. Tác động độc hại của các nguyên tố nặng dường như liên quan đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS) và tình trạng redox không cân bằng của tế bào. Tảo phản ứng với các nguyên tố nặng thông qua việc kích thích một số chất chống oxy hóa khác nhau, bao gồm các enzym đa dạng như superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase và ascorbate peroxidase, cũng như tổng hợp các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp như carotenoids và glutathione. Ở các mức độ ô nhiễm kim loại cao, hoặc cấp tính, tế bào tảo bị tổn thương do mức độ ROS vượt qua khả năng ứng phó của tế bào. Ở các mức độ thấp hơn, hoặc mãn tính, tảo tích lũy các nguyên tố nặng và có thể truyền chúng sang các sinh vật ở các bậc thức ăn khác như động vật nhuyễn thể, giáp xác và cá. Chúng tôi đánh giá ở đây các bằng chứng liên kết giữa sự tích lũy kim loại, độc tính tế bào và sự tạo ra ROS trong các môi trường thủy sinh.

Khối lượng và tỷ lệ luân chuyển của sinh khối và carbon hữu cơ hòa tan trong nước (WSOC) đã được đo tại các thửa đất Breton nơi có tư liệu quản lý dài hạn của đất Gray Luvisol. Các thửa đất (đối chứng, bón phân chuồng và NPKS) đã được trồng theo chu kỳ cây lúa mì-nghỉ hoặc chu kỳ cây lúa mì-yến mạch-lúa mạch-thức ăn-thức ăn trong 50 năm đã được lấy mẫu 13 lần trong các năm 1981 và 1982. Carbon sinh khối và khí nitơ vi sinh vật đã được đo bằng kỹ thuật xông chloroform. Năng suất cây trồng lâu dài đã được sử dụng để xác định nguồn carbon cho các thửa đất. Phân tích hồi quy đã được sử dụng để liên hệ giữa sự biến động theo mùa của các điều kiện môi trường và động lực sinh khối cùng với động lực WSOC. Việc tái nhiễm với đất là không cần thiết nhưng Lysobacter sp. tạo thành tỷ lệ cao hơn của các mẫu phân lập sau khi ủ đất xông hơi so với các mẫu không xông hơi. Rất có khả năng rằng việc tái nhiễm với Lysobacter sp. sẽ cung cấp các kiểm định sinh học chuẩn hóa hơn. Chu kỳ 5 năm có 38% lượng nitơ nhiều hơn nhưng 117% nitơ vi sinh vật nhiều hơn so với chu kỳ 2 năm, và các phương pháp bón phân chuồng có chứa gấp đôi lượng nitơ vi sinh vật so với các thửa đất NPKS hay đối chứng. Một hiệu ứng quản lý đối với chất lượng chất hữu cơ trong đất được chỉ ra. Tỷ lệ luân chuyển trung bình của sinh khối nằm trong khoảng 0.2–3.9 năm⁻¹; nhanh hơn 1.5–2 lần trong chu kỳ 2 năm so với chu kỳ 5 năm. Việc bổ sung thành phần WSOC sẽ phải xảy ra 26–39 lần năm⁻¹ để cung cấp sự luân chuyển của vi sinh vật. Hầu hết sinh khối phải ở trong trạng thái ngủ nghỉ vì lượng carbon hàng năm đầu vào ít hơn hai bậc so với yêu cầu năng lượng duy trì. Các biến đổi theo mùa trong sinh khối có mối liên hệ nhất quán nhất với tổn thất trong quá trình khô kiệt và tái sinh khi được làm ẩm. Tái sinh dường như là một khoản chi phí cho carbon hữu cơ trong đất bản địa. Các thực hành quản lý và điều kiện môi trường do đó ảnh hưởng đến lượng chất hữu cơ bằng cách kiểm soát cả đầu vào carbon và luân chuyển sinh khối. Từ khóa: Các chu kỳ cây trồng, Luvisol, chất hữu cơ, sinh khối, carbon hòa tan, các đoạn đất Breton

Khối lượng sinh khối vi sinh vật và tỷ lệ hô hấp của đất giảm sau khi áp dụng 150 kg NH₄NO₃–N∙ha⁻¹ cho các mẫu đất podzol của rừng thông khác nhau. Sự giảm này đã được phát hiện sau 3 tháng bón phân và vẫn rõ rệt sau 3–5 năm. Những thay đổi về pH, chất hữu cơ, hoặc độ ẩm trong đất không thể giải thích được những sự giảm này. Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, một số mẫu đất rừng không bón phân được xử lý với 2 mg NH₄NO₃–N hoặc đạm urê∙g đất ẩm⁻¹. Việc bổ sung amoni nitrate dẫn đến sự suy giảm mạnh mẽ của tỷ lệ hô hấp trong suốt quá trình ủ và kéo dài đến 175 ngày, và sự giảm này đã được chứng kiến sau khoảng 1 tuần. Sự điều trị bằng urê ban đầu làm tăng tỷ lệ hô hấp của đất, nhưng điều này dường như chỉ là một hiệu ứng tạm thời.

Chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai loài thực vật khác nhau (ngô và đậu nành) và ba loại đất khác nhau đến cấu trúc cộng đồng vi sinh vật trong vùng rễ (rhizosphere). Giả thuyết làm việc của chúng tôi là hiệu ứng vùng rễ sẽ mạnh nhất đối với các vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí phát triển nhanh, trong khi sẽ có ít hoặc không có hiệu ứng vùng rễ đối với các vi sinh vật oligotrophic và các vi sinh vật phát triển chậm khác. Vi khuẩn và nấm có thể nuôi cấy có mật độ quần thể cao hơn trong vùng rễ so với trong đất tổng thể. Các cộng đồng được đặc trưng bởi phân tích axit béo trong đất và bằng các thử nghiệm sử dụng mẫu nền cho vi khuẩn và nấm. Phân tích axit béo cho thấy có một hiệu ứng đất rất mạnh nhưng ít hiệu ứng thực vật đối với cộng đồng vi sinh vật, cho thấy cấu trúc cộng đồng vi sinh vật tổng thể không bị ảnh hưởng bởi vùng rễ. Có một hiệu ứng vùng rễ mạnh mẽ được phát hiện qua thử nghiệm sử dụng mẫu nền đối với cấu trúc cộng đồng vi sinh vật hiếu khí dị dưỡng phát triển nhanh, với các mẫu kiểm soát đất và mẫu vùng rễ được phân biệt rõ ràng với nhau. Có một hiệu ứng vùng rễ yếu hơn nhiều trên các cộng đồng nấm so với các cộng đồng vi khuẩn như đã được đo bằng các thử nghiệm sử dụng mẫu nền. Ở cấp độ phân tích cộng đồng thô này, cộng đồng vi sinh vật vùng rễ bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi các hiệu ứng đất, và vùng rễ chỉ ảnh hưởng đến một phần nhỏ tổng số vi khuẩn. Từ khóa: vùng rễ, cộng đồng vi sinh vật, axit béo, sử dụng mẫu nền.

Nhiều phương pháp sinh hóa và phân tử được sử dụng để điều tra sự đa dạng vi sinh vật và những thay đổi trong cấu trúc cộng đồng vi sinh vật trong khu vực rễ và đất khối lượng do những thay đổi trong quản lý gây ra. Chúng tôi đã so sánh tác động của cây trồng lên cộng đồng vi sinh vật, sử dụng một số phương pháp, ở ba loại đất khác nhau. Các chậu chứa đất từ ba vị trí tương phản đã được trồng cây Lolium perenne (cỏ lúa mì). Các phương pháp vân tay sinh lý (Biolog), sinh hóa (PLFA) và phân tử (DGGE và TRFLP) đã được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi trong cộng đồng vi sinh vật đất do sự phát triển của cỏ lúa mì. Các phương pháp chiết xuất DNA khác nhau và PCR lồng trên các biểu đồ TRFLP đã được kiểm tra để xem liệu chúng có đưa ra những cái nhìn khác nhau về cấu trúc cộng đồng hay không. Các phương pháp phân tử được sử dụng cho cả đa dạng nấm và vi khuẩn. Phân tích thành phần chính dữ liệu Biolog cho thấy tác động đáng kể của cây trồng lên cấu trúc cộng đồng vi sinh vật. Chúng tôi đã tìm thấy những ảnh hưởng đáng kể của cả loại đất và cây trồng lên cộng đồng vi sinh vật trong dữ liệu PLFA. Dữ liệu từ TRFLP của cộng đồng vi sinh vật đất cho thấy tác động lớn của loại đất và tác động nhỏ nhưng đáng kể của cây trồng. Tác động của sự phát triển cây trồng lên cộng đồng nấm đất đã được đo bằng TRFLP và DGGE. Phân tích Procrustes đa biến cho thấy cả hai phương pháp đều cho kết quả tương tự, chỉ có loại đất có tác động đáng kể lên cộng đồng nấm. Tuy nhiên, TRFLP thì phân biệt hơn vì nó tạo ra nhiều mảnh ribotype cho mỗi mẫu hơn số lượng băng phát hiện được bởi DGGE. Cả hai phương pháp chiết xuất DNA cũng như PCR lồng đều không ảnh hưởng đến việc đánh giá cấu trúc cộng đồng vi sinh vật đất. Kết luận, các phương pháp khác nhau của dấu vết vi sinh vật đã cho kết quả tương tự một cách định tính khi các mẫu được xử lý đồng nhất và các phương pháp thống kê tương thích được sử dụng. Tuy nhiên, các phương pháp phân tử thì phân biệt hơn so với các phương pháp sinh lý và sinh hóa. Chúng tôi tin rằng những kết quả thu được từ thí nghiệm này sẽ có ảnh hưởng lớn đến sinh thái học vi sinh vật đất nói chung và các nghiên cứu tương tác giữa vi sinh vật và khu vực rễ nói riêng, vì chúng tôi đã cho thấy rằng các phương pháp dấu vết khác nhau cho cộng đồng vi sinh vật đã cho kết quả tương tự một cách định tính.

Đầu tiên trong quá trình tiến hóa của nó, Enterococcus faecium đã chiếm hữu những đặc điểm cho phép nó trở thành một tác nhân gây bệnh bệnh viện thành công. E. faecium có khả năng bền vững tự nhiên để xây dựng sự kháng thuốc kháng sinh và các yếu tố căng thẳng môi trường giúp loài này phát triển mạnh mẽ trong môi trường bệnh viện. Việc sử dụng rộng rãi kháng sinh trong y học đã trở thành yếu tố chính trong quá trình tiến hóa của E. faecium trở thành một tác nhân gây bệnh viện cực kỳ hiệu quả.

Để ngăn ngừa và giảm thiểu thành công các nhiễm trùng bệnh viện do E. faecium kháng vancomycin (VREfm), điều thiết yếu là cần tập trung vào việc giảm thiểu sự mang và lây lan VREfm. Mục tiêu của bài báo này là kết hợp các hiểu biết vi sinh vật của E. faecium vào các khuyến nghị thực tiễn về kiểm soát nhiễm trùng, nhằm giảm sự lây lan của VREfm do bệnh viện gây ra (mang và nhiễm). Việc kiểm soát sự lây lan của VREfm có thể được thực hiện bằng cách tăng cường các quy trình làm sạch, quản lý kháng sinh, sàng lọc nhanh sự mang VREfm tập trung vào các nhóm đối tượng có nguy cơ cao, và xác định các con đường lây truyền thông qua việc phát hiện và phân loại chính xác trong các tình huống bùng phát. Thêm vào đó, để quản lý thành công E. faecium, cần có sự đổi mới liên tục trong các lĩnh vực chẩn đoán, điều trị và tiêu diệt.