多层液滴微流控芯片提高微生物可培养性的研究

The isolation and culture of microorganism are important for microbial research and their agricultural, environmental, and industrial applications. It has been proved that stimulating in-situ environmental conditions can improve the microbial cultivability. However, present methods still remain many shortcomings, such as, low throughput, failure in stimulating both environmental conditions and microbial interactions. In recent years, the fast development of microfluidic chips brings new opportunities for improving the culture of microorganisms, which shows huge potentials in microbial research and applications. This project aims to design a multi-layer droplet microfluidic chip to improve the microbial cultivability. Single cell droplet can be generated, cultured and isolated in this device which stimulates the in-situ environmental conditions and microbial interactions. Using this device, we will isolate and culture the targeted microbes from complex microbial communities. Our work will provide a new method and platform to improve the microbial cultivability.

微生物分离培养是微生物基础研究及其农业、环境和工业应用的重要基础。常规实验室方法已证实通过原位环境的模拟可以提高微生物的可培养性，但仍然存在很大的提升空间。近年来，微流控芯片的快速发展给提高微生物可培养性带来了新的发展机会，尽管这方面的研究还处于起步阶段，却已经显现出其在微生物分离培养研究中的巨大潜力。本申请项目从环境条件模拟、微生物间相互作用模拟、单细胞培养等多个角度进行设计，结合液滴微流控芯片和多层芯片技术，构建微生物培养的芯片平台，然后在进行芯片还原复杂微生物群落研究的基础上，探索关键未培养微生物的定向分离，为提高微生物可培养性的研究提供新的思路。

通过各种技术手段提高微生物的可培养性对于研究微生物生理代谢、进化、环境适应性等具有重要科学意义，并且对微生物的农业、环境和工业应用具有重要价值。在本项目中，我们首先设计制备了液滴微流控芯片并构建了液滴微流控体系，实现了微生物的单细胞包裹，确定了单细胞包裹所需的芯片尺寸、流动参数和菌液浓度，获得了最优的生成包裹微生物单细胞液滴的条件，并在单细胞液滴包裹的基础上实现了长达40天的液滴中单个细菌培养；其次，我们开发了PDMS微孔阵列芯片，利用单孔捕获单细胞，并在此基础上完成了单细胞表面增强拉曼光谱表征技术优化的工作，对PDMS微孔芯片中对单细胞进行SERS增强，微孔芯片中细胞的拉曼光谱信号和直接对细胞进行增强时拉曼光谱信号峰位置一致，从而为实现目标微生物原位种类和功能鉴别以及筛选提供了技术途径；最后，我们从实际应用出发，利用液滴微流控芯片和液滴单细胞培养体系在可降解塑料微生物的筛选方面进行了一些探索，使用油田附近土壤样品的浸出液与PHB塑料微粒进行共同包裹和培养，通过定量研究液滴中细菌生长随时间的变化，证明塑料颗粒会对液滴中的细菌生长产生显著影响，为后续通过液滴微流控单细胞包裹技术筛选出可降解塑料微生物奠定了基础。