近年來，人們對于微生物領(lǐng)域的研究通常從分類和遺傳學(xué)的角度來考慮它在不同條件下是如何變化。同樣的，微生物之間以及微生物與宿主之間的相互作用也可以被理解為元素的交流。這些元素組成了微生物的很多重要結(jié)構(gòu)，也參與代謝和免疫相關(guān)的各級流程。目前，同位素示蹤劑已廣泛應(yīng)用于環(huán)境研究中，用于研究微生物生理生態(tài)和養(yǎng)分循環(huán)。其中穩(wěn)定同位素標(biāo)記（Stable Isotope Probing，SIP）是同位素示蹤的常用方法，該方法在使用初期被用于標(biāo)記DNA或RNA，常見的SIP標(biāo)記有¹³C、¹⁵N、²H、¹⁸O等。隨著非放射性同位素使用范圍的擴(kuò)大和其他蛋白/有機(jī)物檢測手段的增加，該技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于標(biāo)記氨基酸、肽段、糖蛋白等有機(jī)化合物，進(jìn)而探究微生物循環(huán)相關(guān)的代謝機(jī)制。

SIP-穩(wěn)定同位素技術(shù)

SIP技術(shù)的原理是通過將穩(wěn)定同位素標(biāo)記的底物提供給微生物，然后追蹤和分離含有穩(wěn)定同位素的細(xì)胞組分，從而確定哪些微生物參與了特定底物的代謝活動。這項(xiàng)技術(shù)在環(huán)境科學(xué)、土壤生態(tài)學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。SIP可以與拉曼光譜、熒光原位雜交（FISH）、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、納米級二次離子質(zhì)譜（NanoSIMS）等技術(shù)聯(lián)用，在標(biāo)記微生物種群功能和探究單細(xì)胞代謝活性方面起到了不可替代的作用。

SIP-Raman技術(shù)

SIP-Raman技術(shù)作為一種能夠在單細(xì)胞層面上檢測與識別SIP標(biāo)記微生物的技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于微生物的碳、氮代謝循環(huán)機(jī)制探究，以及部分異養(yǎng)/自養(yǎng)微生物的生長速率的量化檢測等。其原理為被SIP標(biāo)記的微生物個體，在拉曼譜線中會顯示出特定峰位強(qiáng)度和頻率的變化。例如，將培養(yǎng)基中部分H₂O用D₂O替代，經(jīng)過短時(shí)間培養(yǎng)，具有代謝活性的微生物拉曼光譜中位于2900-3100 cm^-1處的C-H峰，將部分轉(zhuǎn)化為C-D峰并紅移至2100-2300 cm^-1附近，通過計(jì)算每個微生物個體C-D的相對強(qiáng)度，可以量化表征其代謝活性。

目前，D₂O-Raman技術(shù)被廣泛應(yīng)用于耐藥菌、極端耐受菌、微生物活性等研究中。其他穩(wěn)定同位素也可與Raman技術(shù)聯(lián)用，例如，使用¹³C標(biāo)記底物，可引起有機(jī)物降解菌與碳相關(guān)的拉曼峰位出現(xiàn)紅移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測；而¹⁵N-Raman能夠?qū)崿F(xiàn)對固氮菌及參與氮循環(huán)的菌株的識別。此外，SIP-Raman還可與FISH、電鏡等技術(shù)串聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)更多維度的代謝分析。

進(jìn)一步地，SIP-Raman識別到的功能微生物個體，還可以應(yīng)用基于激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）原理的單細(xì)胞可視化分選技術(shù)精準(zhǔn)分離出來，進(jìn)行單細(xì)胞全基因組擴(kuò)增與測序，再根據(jù)基因序列反向推測目標(biāo)功能菌。

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