土壤微流控芯片簡介

在這篇綜述中，將討論所謂的片上土壤系統(tǒng)領域的進展，包括到目前為止已經(jīng)獲得的一些最有趣的應用，以及未來一些有前途的研究領域。土壤是一個由礦物質、水、氣體、有機物、微生物和植物根系組成的復雜環(huán)境。所有這些要素都是相互聯(lián)系的，它們的相互作用在不斷變化的情況下形成了一個異質但平衡的環(huán)境。研究這一系統(tǒng)的挑戰(zhàn)來自這樣一個事實：到目前為止，沒有任何直接技術可以在不對其性質進行根本改變的情況下對其進行分析，也沒有任何模型能夠重建和控制可靠地模擬其環(huán)境條件所需的時空變化。

微生物生態(tài)學在土壤研究中面臨的許多障礙的潛在解決方案可以在微流體學中找到。不僅土壤結構的規(guī)模在應用范圍內(nèi)，而且所需試劑的減少、透明度和微流控系統(tǒng)提供的特定定制方法都是使其適合這一目的的寶貴優(yōu)勢。

圖1：土壤的結構和成分，包括有機和無機物

微流控土壤芯片中的繁殖異質性

從結構角度看，土壤是由微團聚體和孔隙組成的復雜結構。微團聚體由不同性質的填充顆粒組成，可以是礦物或有機物。這些微團聚體通過靜電力和有機結構(如真菌菌絲和根)結合在一起形成大聚集體。因此，可以說，土壤的主要特征是其非均質性，在多個層面上都是有效的，根據(jù)研究的重點，可以用不同的微流體模型來模擬它。

圖2：在微流控芯片中實現(xiàn)的不同地形，以模擬土壤物理結構。A)生成形狀和大小不同的顆粒圖案，B)通道交叉點(Voronoi鑲嵌)，C)孔復制

化學異質性。
如前所述，土壤的組成遠不是一成不變的，不僅組成團聚體的物質有很大的變化，以梯度和流動的形式存在的其他物質也有很大的變化。這些物質大多是重要的生物資源，如水、氮、二氧化碳和氧氣，并隨著外部條件的不同而不斷變化。在這方面，微流體設備可以通過使用瓊脂塊(缺點是不透明度增加)和水凝膠來實現(xiàn)受控釋放，或者通過使用樹形通道流、壓力平衡(OB1)或膜來控制流量，從而產(chǎn)生類似的梯度。

圖3：流動控制產(chǎn)生的化學梯度。A)膜，B)樹形通道流動和C)壓力平衡

生物異質性。
土壤有機體主要是指細菌和真菌，盡管植物和一些動物，特別是線蟲，也必須被考慮才能對系統(tǒng)進行完整的分析。傳統(tǒng)上，微生物培養(yǎng)的重點是單一物種，該設備的物理和化學要求是適應的。然而，對于土壤微生物，這些要求還包括存在另一組共享協(xié)同新陳代謝途徑或交流的物種，即群體感應。更好地了解這些影響是芯片上土壤系統(tǒng)的目標之一，因此，通過不同的方法探索了幾個物種共種的想法。一方面，在隔離芯片上探索了單獨培養(yǎng)的選擇，其中每個細胞被限制在其自己的滲透室中。實際的細胞和群體并不相連，但可以接觸到相同的介質和其他人產(chǎn)生的產(chǎn)品。另一方面，一個類似的微流控概念是基于不同物種通過不同的通道循環(huán)，但緊密地在一起，只是被膜分開。

圖4：允許同一環(huán)境中不同物種間接接觸的微流控芯片。A)隔離芯片B)膜分離

關于土壤微流控芯片中相互作用的研究

之前所有類型的異質性都可以相互關聯(lián)，以結合它們的影響。環(huán)境元素之間的這些直接相互作用是更現(xiàn)實的特征的關鍵，甚至包括更復雜的生物體，如植物的根和線蟲。分析直接相互作用的一般方法是使用基于液滴的微流體，其中每個液滴都是一個孤立和完整的環(huán)境。根據(jù)其中存在的要素，根據(jù)所建立的互動和關系，將達到不同的發(fā)展階段。這項技術被證明對檢測共生關系特別有用，因為只有兩個物種的直接接觸才會引發(fā)它們的擴散。還值得注意的是，液滴格式提供了一些優(yōu)勢，即同時進行多個實驗的并行性能，根據(jù)結果對液滴進行分類，總體上更容易篩選和處理?？商鎿Q地，使用單細胞捕獲還允許直接接觸當前元件并分析靜態(tài)隔離環(huán)境中可能的相互作用。

圖5：多種元素直接相互作用的微流控方法。A)基于液滴的微流體，B)細胞捕獲

土壤微流控芯片的應用

除了了解土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究之外，還可以設想芯片上土壤系統(tǒng)的進一步應用。這些都源于受控環(huán)境的優(yōu)勢，在這種環(huán)境中，每個重要參數(shù)都可以相應地進行調(diào)整，以前不可培養(yǎng)的物種可以在培養(yǎng)中保持不變。

生物修復。
土壤是一個易受污染的環(huán)境，但與水或空氣相反，介質大多是靜態(tài)的，徹底的解毒意味著它的根本改變。避免對生態(tài)系統(tǒng)進行激進干預的一種更環(huán)保、更可行的選擇來自利用微生物代謝目前的有毒物質的可能性。然而，為了這一過程的成功，正確的物種需要有足夠的數(shù)量，能夠獲得代謝途徑所需的污染物和額外的資源。這些條件在自然系統(tǒng)中很難滿足，通常必須進行優(yōu)化。因此，需要可靠的土壤模型來得到最有效的解。便利的是，有許多土壤微生物，特別是細菌和真菌，能夠降解對環(huán)境有害的物質，如原油、殺蟲劑和重金屬。

圖6：土壤生物修復示意圖。在接種有機體和營養(yǎng)素后，注入空氣以促進物質的膨脹，在某些情況下，促進物質的部分回收土壤芯片上的生物膜。
在適當?shù)臈l件下，微生物可以在被稱為生物膜的超細胞結構中相互作用，生物膜由嵌入細胞外聚合物底物的細胞群落組成。這些結構的主要興趣來自于這樣一個事實，即與它們的自由運動狀態(tài)相比，微生物的集體行為可以發(fā)生重大變化。因此，不僅它們產(chǎn)生的物質發(fā)生了變化，而且它們生存所需的資源也發(fā)生了變化。通過生物膜內(nèi)不同物種的聯(lián)合可以進一步增強這種效果，這些物種相互補充，保護環(huán)境不受變化的影響，增加群落的整體生存能力。就土壤而言，即使經(jīng)常在生物膜中發(fā)現(xiàn)微生物，微流體研究仍然是相當新的[23]。更好地了解生物膜的形成機制可能會導致培養(yǎng)許多新的土壤物種，這可能會有重要的應用，如生物修復或發(fā)現(xiàn)新的藥物化合物。

 圖7：生物膜的生命周期和分散性。自由和嵌入的階段顯示

結論

簡而言之，對土壤的研究試圖回答許多問題，這些問題可能通過微流體學來回答。盡管已經(jīng)取得了一些顯著的進展，但大多數(shù)研究都是在最近幾年完成的，該領域的真正發(fā)展還沒有到來。此外，考慮到土壤的復雜性，我們還遠沒有一個可靠的單一設備來完全模擬土壤，但正在開發(fā)適用于這種多方面環(huán)境的幾個特定方面的不同模型。這一課題的研究進展緩慢也可能與當今芯片上土壤器件的可用性較低有關，因此這些新工具的存在將使更廣泛的受眾獲得所需設備，從而極大地受益于該領域。