0551-69105010
氮是維持生命活動最重要的營養(yǎng)元素之一。氮氣是氮元素的豐富來源，但由于性質(zhì)惰性，不能為生物直接利用。氮的生物地球化學循環(huán)是將氮轉(zhuǎn)化成生物可利用形式的關鍵過程。固氮微生物，包括固氮細菌和固氮古菌，可將惰性的氮氣轉(zhuǎn)化成生物可利用的氨態(tài)氮或硝態(tài)氮。據(jù)估計，生物可利用氮的半數(shù)由生物固氮過程提供。然而，微生物種類和功能豐富多樣，超過99%的環(huán)境菌目前無法實現(xiàn)純培養(yǎng)，因而對環(huán)境中固氮菌功能和活性的認識仍非常不足。環(huán)境微生物的不可純培養(yǎng)性，帶來了方法學上的挑戰(zhàn)。從單細胞水平上研究環(huán)境微生物可克服純培養(yǎng)或富集培養(yǎng)的限制，實現(xiàn)在環(huán)境介質(zhì)下的原位研究。拉曼光譜（包括SERS、常規(guī)和共振拉曼）可在單細胞水平上對微生物進行無損檢測，并提供微生物組成的指紋圖譜。拉曼光譜與穩(wěn)定同位素標記結合（Stable isotope probing, SIP），利用微生物同化SIP標記底物引起蛋白、脂類、色素的特征拉曼譜峰偏移，已實現(xiàn)從單細胞水平上檢測環(huán)境功能菌。
中國科學院城市環(huán)境研究所城市土壤與生物地球化學研究組（朱永官團隊），在發(fā)展單細胞拉曼-15N2 SIP技術用于固氮功能菌的研究上做了開拓性工作。針對土壤中的固氮菌，首次建立單細胞共振拉曼與15N2標記聯(lián)用技術，發(fā)掘出15N2相關的指示固氮菌的特征偏移譜峰，即細胞色素c共振拉曼峰的偏移。利用此指示峰，實現(xiàn)在單細胞水平上檢測復雜土壤環(huán)境中的固氮菌，并利用指示峰的偏移程度，在單細胞水平上，比較了土壤固氮菌的固氮活性。此外，研究組與牛津大學教授Wei Huang合作，針對包括固氮菌在內(nèi)的多種氮循環(huán)（N2、NH4、NO3）功能菌，率先發(fā)展表面增強拉曼光譜（SERS）-15N SIP聯(lián)用技術，利用SERS對微生物中含氮生物分子腺嘌呤的選擇性增強，獲得不同15N標記氮源引起的細菌腺嘌呤譜峰的顯著線性偏移，并利用SERS-15N SIP研究廈門杏林灣水體中細菌對15N2、15NH4Cl、15NO3不同氮源的選擇性代謝。上述工作促進了對大量未知環(huán)境菌群的深入認識，尤其是氮循環(huán)功能菌及其活性的深入解析。
相關研究成果分別以Functional Single-Cell Approach to Probing Nitrogen-Fixing Bacteria in Soil Communities by Resonance Raman Spectroscopy with 15N2 Labeling為題，發(fā)表在Anal. Chem.上；以Surface-enhanced Raman spectroscopy combined with stable isotope probing to monitor nitrogen assimilation at both bulk and single-cell level為題，發(fā)表在Anal. Chem.上。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等的資助。
城市環(huán)境所在發(fā)展單細胞拉曼光譜揭示氮循環(huán)功能菌研究中取得進展
文章來源：中國科學院
文章鏈接：http://www.cas.cn/syky/201808/t20180807_4660380.shtml
文章報道：林東岳
文章編輯：李樹平
