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(dú)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(jì),1克土壤中生存著成千上萬種多達(dá)上十億(109)個(gè)的微生物個(gè)體(細(xì)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(shí)，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(huì)形成不同的微生物種群結(jié)構(gòu)，甚至強(qiáng)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(duì)土壤中絕大多數(shù)微生物多樣性與功能的認(rèn)識(shí)還十分有限，土壤微生物研究已成為國際關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
從1676年，虎克用自制的單式顯微鏡觀察到細(xì)菌個(gè)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(jì)數(shù)、活菌計(jì)數(shù)法等。這個(gè)階段顯微鏡是我們認(rèn)識(shí)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(dòng)特點(diǎn)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(diǎn)，從物理、化學(xué)、生物及綜合多個(gè)方面進(jìn)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(duì)羥基苯甲酸的微生物的實(shí)驗(yàn)過程。
反硝化微生物分離培養(yǎng)方案示意圖
事實(shí)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(dāng)?shù)男?。?jù)估算，每克土壤中約含數(shù)萬個(gè)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(jìn)行研究。
新技術(shù)的發(fā)展，特別是分子技術(shù)的引進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究一躍進(jìn)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(jī)理及其分子機(jī)制的科學(xué)。
大家最熟知的DNA檢驗(yàn)，估計(jì)要數(shù)親子鑒定了吧，事實(shí)上，DNA是引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機(jī)能運(yùn)作的“藍(lán)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(jìn)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(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)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(jī)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(rèn)識(shí)微生物物種的緊迫性。當(dāng)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(duì)各種方法優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合以傳統(tǒng)方法, 無疑會(huì)在土壤微生物生態(tài)研究上開辟一個(gè)全新的研究領(lǐng)域, 也會(huì)讓我們更全面、深入地認(rèn)識(shí)土壤中的微生物。