综述 | 微流体技术在土壤生态学中的应用前景
土壤可能是地球上最复杂的生态系统。尽管土壤在全球生态系统中极具重要性和多样性，土壤可能是地球上最复杂的生态系统，对于土壤的深入研究一直是个难题。这里展示了如何创新性使用微流体技术来研究土壤微生物生态学，并探究土壤模型栖息地微观尺度的化学条件和物理结构。
原名：Build your own soil: exploring microfluidics to create microbial habitat structures
译名：建立自己的土壤：探索微流体创造的微生物栖息地结构
期刊：The ISME Journal
IF：9.664
发表时间：2017年
通信作者：Kristin Aleklett
通信作者单位：Department of Microbial Ecology, Lund University
1 土壤—一个研究的难题
土壤的物理化学环境在三维空间和时间上变化很大。即使是单一的土壤聚集体，也可以由空气，水和有机质基质中的矿物质组。土壤分解者附近的有机物会不断积累，使土壤成为世界上物种密度最高的生态系统之一。然而，人们还没有能够模拟或操纵微观尺度上的土壤和微生物变化。现在正在涌现新的技术，使研究人员能够模拟微观尺度的土壤生长环境。这些方法为研究土壤微生物生态学提供了帮助。
2 微流体在实验中应用的可能性
微流体平台技术在研究土壤系统过程中会遇到四个难题，1、存在很大的时空异质性；2、目前缺乏模拟土壤的适当方法；3、研究土壤微生物间相互作用的困难；4、在真正的土壤系统中缺乏光通路。该综述依次讨论这些问题，突出描述了这项技术在土壤系统中的重要进展，同时也提出了潜在的障碍。
2.1 模拟结构和化学栖息地的异质性
微流体技术可以通过合并微小到纳米尺度的结构来提高环境的现实性。并可以使用二维有机硅模塑系统和玻璃蚀刻或3D打印来创建复杂的拓扑结构，防止底物或信号分子的意外扩散。这些微观结构芯片系统为研究微生物与其物理环境的相互作用提供了一个新的平台。不同大小的土壤颗粒可以通过制成不同直径和形状的柱体，模拟土壤孔隙度，聚集程度和表面粗糙度来实现。通过不同角度模拟土壤聚集体，研究者可以研究不同土壤的耕作状态。这种新的方法将能够分析土壤结构效应、微生物性能和微生物分泌物对土壤的影响。
模拟化学非均质性的微流体方法是在芯片中设计了渐变发生器，并逐步混合流体，或在水凝胶中使用扩散梯度，随着控制液体的流入和流出，异质性在空间保持稳定后，能够研究趋化性，共存性或小生境分离等现象。
2.2 适当规模的土壤现实主义
微观环境对于我们宏观世界的人来说显得十分抽象。从微观角度考虑表面效应变得十分重要，如表面张力，粘附力和粘性阻力等。粘度超过惯性使的流动主要通过扩散进行混合。这意味着微流体系统中的微通道可以更好地反映土壤条件，微流体系统使用3D细菌群落打印微生物，这项技术能够精确的控制微生物群落的密度和大小。
图1 微流体装置的制造
2.3 促进微生物间相互作用
微流体技术提供了限制和指导微生物的方法，从而控制群落结构组成，同时还监测了特定细胞间的相互作用。它们还能够进一步研究代谢化合物，信号传导分子和抗生素耐药性等。这种芯片技术可以解决物种相互作用，还便于研究细菌驱动非移动性真菌的扩散机制。微流体的可操作性帮助研究人员解决了研究其间相互作用和控制的问题。iChip的发展体现了成功使用微芯片来改善土壤微生物的培养技术，并帮助培养以前不可培养物种。
图2 微流体可以用来模拟土壤环境和研究微结构环境中的微生物行为的五个方面
2.4 光学透明度
土壤的不透明性给人们的观察带来了很多障碍。如今“透明土壤”的发展有助于实时研究植物根际活动。微流体装置以更精细的等级进行相关分析，并且通常用玻璃或透明聚合物的透明材料制造，这有助于使用显微镜进行观测和原位分析。然而，最常用的芯片材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）可以吸收红外光，由此不允许使用例如IR-，RAMAN-或扫描透射X-射线显微镜进行观测。尽管如此，代谢的化学变化可以通过荧光观测，并追踪观察细胞内部或细胞周围环境，进行土壤生物的高级成像和视频分析。
3 其它领域带来的灵感
在过去的几十年中，它在生物医学方面的应用尤其成功，其中还应用于模拟人类体内细胞培养条件以研究细胞分化。这些研究为在土壤生态学中开发微流体芯片带来了灵感。
在神经生理学中，微流体系统在可控条件下促进神经元生长，还可进一步研究神经网络和信号的形成。由于神经元和其它尖端生长细胞有许多共同特征，因此这项研究可以作为研究根、菌丝和链霉菌的研究工具，神经科学中使用的芯片设计可以适用于研究真菌网络中的类似功能。研究人类微生物群的单芯片设计为研究根、真菌细胞与细菌定殖的相互作用、根瘤菌和生物组织提供了新的方向。
4 研究仍需探索
虽然开创性的工作已经成功地利用微流体技术来研究生物方向，但是在土壤生态学和一般微生物学方面仍存在许多问题，这些问题将从微工程系统的进一步发展中受益。尽管真菌对于生态系统服务和工业应用非常重要，但我们甚至对它们小尺度上的行为缺乏最基本的了解。微系统可以帮助人们揭示菌丝与周围环境的相互作用，并研究菌丝网络中的营养物质的重新分配。
5 微流体未来发展中的挑战和局限性
尽管微流体应用给土壤微生物生态学带来了优势和新的可能性，但在使用微流体系统时应该考虑到这些限制和障碍。即使微流体能够模拟比固体营养介质更真实的土壤性质，但是这些系统仍然是不自然的。微流体芯片通常由自然疏水的硅橡胶PDMS制成。它可以通过等离子处理变成亲水的，但是通过亲水和疏水表面的控制来改变模拟土壤仍然存在问题。土壤矿物的表面可以通过表面涂层来模拟，但高的空间分辨率和精确度极具挑战性。微观技术可以单独操控一些选定的实验因素来模拟土壤，但这种还原方法可能会忽略土壤性质之间的一些相互作用效应。
土壤生态学家使用微流体技术的最大障碍是技术方面，尽管可以购买适用于生物医学应用的芯片，但许多土壤科学的前沿问题仍需要开发定制设计插件，需要进行跨学科合作。一旦特定的芯片设计完成，芯片实验就可以很容易地重现。
在这篇文章展示了微流体如何应用于土壤微生物生态学，并且简述了微流体方法在生物医学细胞研究等其他领域的启发性事例，并批判性地反思了用这种技术研究土壤生态学存在的潜在不足和障碍。
微流体能够解决土壤生态学中出现的问题，这也将推动这个领域的快速发展。虽然我们研究土壤中的相互作用需要一些方法和工具，但是随着严谨的操作条件和新技术的应用，我们探究土壤系统方面将取得长足的进步。
本文由殷继忠编译，殷继忠、江舜尧编辑。