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、動物植物基因組來說，微生物基因組研究面臨著更多挑戰(zhàn)：大部分（＞99%）的微生物無法培養(yǎng)，且由于環(huán)境的變化，微生物會快速的適應(yīng)和進化，從而導(dǎo)致微生物基因組在時間和空間上發(fā)生較快速的變異。因此，要求我們需要對在特定環(huán)境下存在的微生物進行解析。本文將針對土壤、水體、腸道這三大領(lǐng)域，圍繞以下幾個部分（研究熱點、研究樣本類型、研究方向、不同樣本的前處理方案）進行介紹。

01 土壤生態(tài)密碼解鎖

研究熱點：元素循環(huán) | 污染修復(fù) | 植物-微生物互作

研究樣本類型：

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 針對于礦地等礦物元素以及重金屬含量豐富的土壤（見圖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，前處理會用無菌PBS buffer對微生物進行富集處理。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 針對于微生物含量較低的砂土（見圖1.3）采用低微生物量增強富集方案：砂土中的微生物含量相對較低，正常的樣本取樣量提取后的核酸濃度極低，很難滿足下游反應(yīng)。為了解決這一問題，前處理會用無菌PBS buffer對更多組織樣本進行組織涮洗，富集微生物；

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

02 水體微生物組

研究熱點：元素循環(huán) | 重金屬污染修復(fù)

研究樣本類型：

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/養(yǎng)殖池

核心方向：

① 元素循環(huán)：農(nóng)田徑流對水質(zhì)的影響。

② 污染修復(fù)：重金屬的微生物降解機制；

?創(chuàng)新前處理方案：

① 濾膜樣本：碎片化裂解+二次過濾建議（圖2.1）：將濾膜（使用0.22 μm或0.45 μm濾膜過濾大體積水樣）剪碎后放入裂解緩沖液。（若濾膜很干凈，說明微生物含量很低，建議繼續(xù)過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：中藥治療?|?代謝疾病?|?腸X軸?|?免疫疾病

研究樣本類型：

①家畜（牛、豬）腸道微生物、糞便堆肥；

②魚類、昆蟲、哺乳動物腸道、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λ拗鞔x（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)退行性疾病（如阿爾茨海默?。┑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+多級除雜技術(shù)：為了初步去除宿主以及大分子雜質(zhì)，前期會將腸道的內(nèi)容物從腸道黏膜中釋放，充分獲取微生物并進行初步除雜。

② 硬質(zhì)糞便：強化研磨破壁工藝：相較于圖3.4的小鼠糞便來說，圖3.3的小鼠糞便使用普通的研磨珠無法打碎從而導(dǎo)致提取后的核酸含量較低，為了使微生物充分釋放，提取時會進行充分研磨獲取糞便微生物。

經(jīng)驗分享：

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