怎樣用拉曼光譜檢測單細胞水平的固態氮

　　氮是維持生命活動最重要的營養元素之一。氮氣是氮元素的豐富來源，但由于性質惰性，不能為生物直接利用。氮的生物地球化學循環是將氮轉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，可將惰性的氮氣轉化成生物可利用的氨態氮或硝態氮。據估計，生物可利用氮的半數由生物固氮過程提供。然而，由于微生物種類和功能極其豐富多樣，并且超過99%的環境菌目前無法實現純培養，造成了對環境中固氮菌功能和活性的認識仍非常不足。環境微生物的不可純培養性，帶來了方法學上的很大挑戰。從單細胞水平上研究環境微生物可克服純培養或富集培養的限制，實現在環境介質下的原位研究。拉曼光譜（包括SERS、常規和共振拉曼）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。并且，拉曼光譜與穩定同位素標記結合（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，已實現從單細胞水平上檢測環境功能菌。

　　中國科學院城市環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，首次建立了單細胞共振拉曼與15N2標記聯用技術，發掘出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，實現了在單細胞水平上檢測復雜土壤環境中的固氮菌，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。另外，與牛津大學Wei Huang教授合作，針對包括固氮菌在內的多種氮循環（N2、NH4、NO3）功能菌，率先發展了表面增強拉曼光譜（SERS）-15N SIP聯用技術，利用SERS對微生物中含氮生物分子腺嘌呤的選擇性增強，獲得了不同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研究了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境菌群的深入認識，尤其是氮循環功能菌及其活性的深入解析。