环境微生物组研究的主要目的是解读特定环境中微生物的多样性、结构、功能、相互作用和进化，以及它们与环境因子和生态系统功能之间的关系等。相较于人类、动物植物基因组来说，微生物基因组研究面临着更多挑战：大部分（＞99%）的微生物无法培养，且由于环境的变化，微生物会快速的适应和进化，从而导致微生物基因组在时间和空间上发生较快速的变异。因此，要求我们需要对在特定环境下存在的微生物进行解析。本文将针对土壤、水体、肠道这三大领域，围绕以下几个部分（研究热点、研究样本类型、研究方向、不同样本的前处理方案）进行介绍。
01 土壤生态密码解锁
研究热点：元素循环 | 污染修复 | 植物-微生物互作
研究样本类型：
① 土壤：农田、森林、沙漠、冻土、盐碱地、草地、湿地等不同生态类型的土壤；
② 泥：污泥、混凝土、矿地、泥炭地、生活垃圾；
③ 沉积物：湖泊、近海、海洋底泥。
核心方向：
① 元素循环：微生物驱动的碳氮循环（如甲烷氧化菌、硝化菌）；
② 污染修复：污染物（重金属、农药）的微生物降解机制；
③ 植物微生物互作：植物根际促生菌（PGPR菌群）与土壤健康研究。
✨创新前处理方案：
① 针对含水量较多的样本（如湿地等，如图1.1）采用高速离心脱水技术：为了富集微生物，取完样本后高速离心去除湿地中的水分，避免导致后续提取得到的核酸量偏少不足下游PCR反应；
② 针对于矿地等矿物元素以及重金属含量丰富的土壤（见图1.2）采用PBS富集+重金属去除：①介于重金属胁迫下微生物丰度可能降低，为了获取更多微生物，前处理会用无菌PBS buffer对微生物进行富集处理。②重金属（如As、Cd、Pb）可能结合核酸或抑制酶活性，为了避免重金属残留对后续PCR反应的抑制作用，前处理初步除重金属等杂质；
③ 针对于微生物含量较低的砂土（见图1.3）采用低微生物量增强富集方案：砂土中的微生物含量相对较低，正常的样本取样量提取后的核酸浓度极低，很难满足下游反应。为了解决这一问题，前处理会用无菌PBS buffer对更多组织样本进行组织涮洗，富集微生物；
④ 针对于腐殖质含量较高的土壤（如黑土等，见图1.4）采用腐殖质深度清除工艺：为了减少腐殖质对提取后核酸的下游反应的抑制作用，在提取过程中增加除杂剂以达到充分去除腐殖质的效果。
02 水体微生物组
研究热点：元素循环 | 重金属污染修复
研究样本类型：
① 自然水体：海洋/河流/湖泊/地下水/冰川水；
② 人工水体：污水处理厂/养殖池
核心方向：
① 元素循环：农田径流对水质的影响。
② 污染修复：重金属的微生物降解机制；
✨创新前处理方案：
① 滤膜样本：碎片化裂解+二次过滤建议（图2.1）：将滤膜（使用0.22 μm或0.45 μm滤膜过滤大体积水样）剪碎后放入裂解缓冲液。（若滤膜很干净，说明微生物含量很低，建议继续过滤更大体积水样至滤膜表面有明显痕迹。）
② 液态样本：离心富集法（图2.2、2.3）：若样本较澄清，为了富集更多微生物，取2ml-50mL液体样本离心富集收集微生物沉淀。若样本较浑浊，则正常取样。
03 肠道微生态探秘
研究热点：中药治疗 | 代谢疾病 | 肠X轴 | 免疫疾病
研究样本类型：
①家畜（牛、猪）肠道微生物、粪便堆肥；
②鱼类、昆虫、哺乳动物肠道、粪便微生物。
核心方向：
① 中药治疗：中草药与肠道微生物组成密切相关。
② 代谢疾病：微生物对宿主代谢（肥胖、糖尿病等）的影响。
③ 肠X轴：八大肠X轴，如肠-脑轴（Gut-Brain Axis）与神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的关联。
④ 免疫疾病：肠道微生物与宿主免疫系统的交互（如调节T细胞分化）。
✨创新前处理方案：
① 肠道样本（图3.1、3.2）：采用粘膜剥离+多级除杂技术：为了初步去除宿主以及大分子杂质，前期会将肠道的内容物从肠道黏膜中释放，充分获取微生物并进行初步除杂。
② 硬质粪便：强化研磨破壁工艺：相较于图3.4的小鼠粪便来说，图3.3的小鼠粪便使用普通的研磨珠无法打碎从而导致提取后的核酸含量较低，为了使微生物充分释放，提取时会进行充分研磨获取粪便微生物。
经验分享：
百迈客生物近年来承接的样本包含且不局限于上文所述的各种组织类型。利用目前现有成熟的提取技术，针对不同组织类型采用最精准的提取方法，使得微生物样本合格率可以达到97%以上，其中扩增子二代样本合格率可以高达99%以上。
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