环境微生物对维持地球上的物质循环和能量流动至关重要。然而绝大多数微生物无法实现分离培养，传统的分离培养及组学方法难以探究环境微生物的表现型以及细胞间的异质性。拉曼光谱是一种无需培养的单细胞技术，可以收集单细胞内所有的分子振动信息。它能够快速无损地揭示环境样品单个细胞的原位表现型特征，是研究环境微生物的有效手段。

拉曼光谱具有样品需求量小，无破坏性，不同微生物具有高特异性等优点，且能够与多种技术联用探究目标环境微生物。拉曼光谱在环境微生物领域得到了越来越多的关注，本文综述了拉曼光谱与不同技术联用在环境微生物方面的研究及进展。第一部分介绍了拉曼光谱的原理，及其应用于环境微生物研究领域的优势、进展和分析方法。第二部分总结了拉曼光谱联合稳定同位素探测（SIP）、荧光原位杂交（FISH）、拉曼活性细胞分选（RACS）和基因组测序、机器学习在微生物研究中的应用。最后，本综述讨论了拉曼光谱与多种技术联用在检测环境微生物方面，尤其是在未培养微生物方面的应用前景。

文章亮点

1. 拉曼光谱能够原位检测环境微生物的“分子指纹”，获取微生物表现型特征；

2. 本综述整合了目前微生物细胞内常见物质对应的拉曼条带；

3. 拉曼光谱可以与机器学习等多种技术手段联用发挥更快速的检测和鉴定作用；

4. 拉曼光谱有助于破译环境微生物中的“暗物质”。

图1  未纯培养的海洋古菌MGII的拉曼图谱。拉曼图谱中的拉曼条带能够与胞内的某些生物大分子相对应，例如1004cm^-1处的苯丙氨酸，1420-1470 cm^-1处的蛋白质和脂质。微生物的拉曼图谱在指纹区（400-1800 cm^-1）与沉默区（1800-2700 cm^-1）和高波数区（2700-3600 cm^-1）存在显着差异。

表1  微生物胞内物质对应的拉曼条带波数

作者信息

第一作者  崔东禹，南方科技大学海洋科学与工程系硕士生，研究方向为利用单细胞拉曼光谱对海洋古菌生理生化特征的研究。

通讯作者  张传伦，南方科技大学海洋科学与工程系副主任，讲席教授，国家特聘教授。主要研究方向为微生物（特别是古菌）在环境及能源、地质历史演化及全球变化中的作用。在国际地球科学和生命科学期刊上发表学术论文220余篇，引用次数>10000次，H-index为58。担任欧洲“微生物前沿-古菌生物学（Frontiers in Microbiology-Biology of Archaea）”期刊主编，“古菌（Archaea）”和“中国科学：地球科学”期刊编委。

通讯作者 王艺，南方科技大学前沿与交叉学院博士后，牛津大学工程系访问学者。主要研究方向为单细胞水平的拉曼光谱与多种技术联用探究环境微生物的生理生化特征，包括人体肠道、土壤、地表水、海水等环境微生物。已在Analytical Chemistry、Environmental Microbiology 等期刊发表论文9篇。

论文ID

原文题目  In situ identification of environmental microorganisms with Raman spectroscopy

引用信息  Cui, D., Kong, L., Wang, Y., Zhu, Y., & Zhang, C. (2022). In situidentification of environmental microorganisms with Raman spectroscopy. Environmental Science and Ecotechnology 11: 100187.

doi: https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.100187