原创 关于微流控土壤芯片综述

土壤微流控芯片简介

在这篇综述中，将讨论所谓的片上土壤系统领域的进展，包括到目前为止已经获得的一些最有趣的应用，以及未来一些有前途的研究领域。土壤是一个由矿物质、水、气体、有机物、微生物和植物根系组成的复杂环境。所有这些要素都是相互联系的，它们的相互作用在不断变化的情况下形成了一个异质但平衡的环境。研究这一系统的挑战来自这样一个事实：到目前为止，没有任何直接技术可以在不对其性质进行根本改变的情况下对其进行分析，也没有任何模型能够重建和控制可靠地模拟其环境条件所需的时空变化。

微生物生态学在土壤研究中面临的许多障碍的潜在解决方案可以在微流体学中找到。不仅土壤结构的规模在应用范围内，而且所需试剂的减少、透明度和微流控系统提供的特定定制方法都是使其适合这一目的的宝贵优势。

图1：土壤的结构和成分，包括有机和无机物

微流控土壤芯片中的繁殖异质性

从结构角度看，土壤是由微团聚体和孔隙组成的复杂结构。微团聚体由不同性质的填充颗粒组成，可以是矿物或有机物。这些微团聚体通过静电力和有机结构(如真菌菌丝和根)结合在一起形成大聚集体。因此，可以说，土壤的主要特征是其非均质性，在多个层面上都是有效的，根据研究的重点，可以用不同的微流体模型来模拟它。

图2：在微流控芯片中实现的不同地形，以模拟土壤物理结构。A)生成形状和大小不同的颗粒图案，B)通道交叉点(Voronoi镶嵌)，C)孔复制

化学异质性。
如前所述，土壤的组成远不是一成不变的，不仅组成团聚体的物质有很大的变化，以梯度和流动的形式存在的其他物质也有很大的变化。这些物质大多是重要的生物资源，如水、氮、二氧化碳和氧气，并随着外部条件的不同而不断变化。在这方面，微流体设备可以通过使用琼脂块(缺点是不透明度增加)和水凝胶来实现受控释放，或者通过使用树形通道流、压力平衡(OB1)或膜来控制流量，从而产生类似的梯度。

图3：流动控制产生的化学梯度。A)膜，B)树形通道流动和C)压力平衡

生物异质性。
土壤有机体主要是指细菌和真菌，尽管植物和一些动物，特别是线虫，也必须被考虑才能对系统进行完整的分析。传统上，微生物培养的重点是单一物种，该设备的物理和化学要求是适应的。然而，对于土壤微生物，这些要求还包括存在另一组共享协同新陈代谢途径或交流的物种，即群体感应。更好地了解这些影响是芯片上土壤系统的目标之一，因此，通过不同的方法探索了几个物种共种的想法。一方面，在隔离芯片上探索了单独培养的选择，其中每个细胞被限制在其自己的渗透室中。实际的细胞和群体并不相连，但可以接触到相同的介质和其他人产生的产品。另一方面，一个类似的微流控概念是基于不同物种通过不同的通道循环，但紧密地在一起，只是被膜分开。

图4：允许同一环境中不同物种间接接触的微流控芯片。A)隔离芯片B)膜分离

关于土壤微流控芯片中相互作用的研究

之前所有类型的异质性都可以相互关联，以结合它们的影响。环境元素之间的这些直接相互作用是更现实的特征的关键，甚至包括更复杂的生物体，如植物的根和线虫。分析直接相互作用的一般方法是使用基于液滴的微流体，其中每个液滴都是一个孤立和完整的环境。根据其中存在的要素，根据所建立的互动和关系，将达到不同的发展阶段。这项技术被证明对检测共生关系特别有用，因为只有两个物种的直接接触才会引发它们的扩散。还值得注意的是，液滴格式提供了一些优势，即同时进行多个实验的并行性能，根据结果对液滴进行分类，总体上更容易筛选和处理。可替换地，使用单细胞捕获还允许直接接触当前元件并分析静态隔离环境中可能的相互作用。

图5：多种元素直接相互作用的微流控方法。A)基于液滴的微流体，B)细胞捕获

土壤微流控芯片的应用

除了了解土壤生态系统的研究之外，还可以设想芯片上土壤系统的进一步应用。这些都源于受控环境的优势，在这种环境中，每个重要参数都可以相应地进行调整，以前不可培养的物种可以在培养中保持不变。

生物修复。
土壤是一个易受污染的环境，但与水或空气相反，介质大多是静态的，彻底的解毒意味着它的根本改变。避免对生态系统进行激进干预的一种更环保、更可行的选择来自利用微生物代谢目前的有毒物质的可能性。然而，为了这一过程的成功，正确的物种需要有足够的数量，能够获得代谢途径所需的污染物和额外的资源。这些条件在自然系统中很难满足，通常必须进行优化。因此，需要可靠的土壤模型来得到最有效的解。便利的是，有许多土壤微生物，特别是细菌和真菌，能够降解对环境有害的物质，如原油、杀虫剂和重金属。

图6：土壤生物修复示意图。在接种有机体和营养素后，注入空气以促进物质的膨胀，在某些情况下，促进物质的部分回收土壤芯片上的生物膜。
在适当的条件下，微生物可以在被称为生物膜的超细胞结构中相互作用，生物膜由嵌入细胞外聚合物底物的细胞群落组成。这些结构的主要兴趣来自于这样一个事实，即与它们的自由运动状态相比，微生物的集体行为可以发生重大变化。因此，不仅它们产生的物质发生了变化，而且它们生存所需的资源也发生了变化。通过生物膜内不同物种的联合可以进一步增强这种效果，这些物种相互补充，保护环境不受变化的影响，增加群落的整体生存能力。就土壤而言，即使经常在生物膜中发现微生物，微流体研究仍然是相当新的[23]。更好地了解生物膜的形成机制可能会导致培养许多新的土壤物种，这可能会有重要的应用，如生物修复或发现新的药物化合物。

图7：生物膜的生命周期和分散性。自由和嵌入的阶段显示

结论

简而言之，对土壤的研究试图回答许多问题，这些问题可能通过微流体学来回答。尽管已经取得了一些显著的进展，但大多数研究都是在最近几年完成的，该领域的真正发展还没有到来。此外，考虑到土壤的复杂性，我们还远没有一个可靠的单一设备来完全模拟土壤，但正在开发适用于这种多方面环境的几个特定方面的不同模型。这一课题的研究进展缓慢也可能与当今芯片上土壤器件的可用性较低有关，因此这些新工具的存在将使更广泛的受众获得所需设备，从而极大地受益于该领域。

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