環(huán)境微生物領(lǐng)域分子生物技術(shù)的應(yīng)用進展

石 琛 王璐

1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.公安部天津消防研究所，天津 300381

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展與人們生活水平的提高，諸如多環(huán)芳烴、含氯有機物和硝基苯類化合物等大量人工合成的污染物排入自然環(huán)境中，由于這些污染物多數(shù)具有致癌性，致畸性，致突變性而被認(rèn)為是危險物質(zhì)，嚴(yán)重威脅人類及其他生物正常生存和發(fā)展。此外，這些物質(zhì)往往難以被迅速降解轉(zhuǎn)化，故其會對土壤、水、大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。如何治理此類環(huán)境污染，已成為新世紀(jì)人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一，引起世界各國的普遍關(guān)注。

人們通過研究發(fā)現(xiàn)了對受污染環(huán)境進行處理的一種新途徑——微生物技術(shù)，部分微生物可以對環(huán)境污染物進行降解，而且選擇性高、抗中毒能力強，因此環(huán)境微生物學(xué)技術(shù)表現(xiàn)出光明的應(yīng)用前景。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們又將該技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境微生物學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)其對環(huán)境污染物的治理具有很好的效果[1-3]。首先，通過分子生物學(xué)技術(shù)可以對降解污染物能力強的微生物進行培養(yǎng)；其次，分子生物學(xué)技術(shù)還為人們從分子水平上解決污染問題提出了一種切實可行的方法。

分子生物學(xué)技術(shù)除了可以用于環(huán)境污染的微生物治理之外，還可以用于污染生態(tài)學(xué)的機理研究，并為環(huán)境微生物的監(jiān)測、環(huán)境污染物危險性的科學(xué)評價提供幫助。本文就環(huán)境微生物領(lǐng)域分子生物技術(shù)研究的最新進展及應(yīng)用情況進行了分析研究。

1 環(huán)境微生物領(lǐng)域中的分子生物學(xué)技術(shù)

分子生物學(xué)是從分子水平上研究生命現(xiàn)象物質(zhì)基礎(chǔ)的學(xué)科。研究細胞成分的物理、化學(xué)的性質(zhì)和變化以及這些性質(zhì)和變化與生命現(xiàn)象的關(guān)系，如遺傳信息的傳遞，基因的結(jié)構(gòu)、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、表達調(diào)控和表達產(chǎn)物的生理功能，以及細胞信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)等。分子生物學(xué)從誕生至今，已經(jīng)取得了迅速的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)日趨成熟，部分技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到環(huán)境微生物領(lǐng)域[4-6]。

1.1 核酸探針檢測技術(shù)

該技術(shù)即利用某些已知的核苷酸片段作為探針檢測DNA序列的組成或功能。其中已知的核苷酸探針以核酸印跡雜交、原位雜交等不同方法探測同源核酸序列，從而起到檢測微生物的目標(biāo)，也可以輔助科研人員分析得到微生物的相關(guān)信息。研究表明在環(huán)境微生物領(lǐng)域中，核酸探針檢測技術(shù)在檢測污染物質(zhì)對微生物及其他生物的影響機理和影響效果有著十分廣泛的應(yīng)用[7-8]。目前，核酸探針檢測技術(shù)主要包括放射性標(biāo)記核酸探針技術(shù)、核酸印跡雜交技術(shù)、熒光原位雜交技術(shù)（FISH）等。

1.2 電泳分離純化技術(shù)

環(huán)境微生物領(lǐng)域中的電泳分離純化技術(shù)包括很多種，主要有瓊脂凝膠電泳（EB）溴乙啶染色法、聚丙烯酰胺凝膠電泳（PAGE）銀染法等。除此之外，在分子標(biāo)記純化方面還應(yīng)用了一些特殊電泳分離技術(shù)[9]。如溫度梯度凝膠電泳（TGGE）、變性梯度凝膠電泳（DGGE）、單鏈構(gòu)象多態(tài)性（SSCP）等，都是利用了不同序列的DNA片段因其解鏈程度的不同，從而造成DNA分子在電泳中的遷移速度不同的原理，實現(xiàn)了對微生物DNA分子或DNA片段的純化和分離。

1.3 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerase chain reaction，PCR）技術(shù)是一種體外擴增核酸序列而得到多個核酸拷貝的技術(shù)。該技術(shù)與生物體內(nèi)DNA的復(fù)制過程相似，都經(jīng)歷了一個DNA解鏈——堿基配對——形成DNA新鏈的過程，并在此過程中實現(xiàn)了對DNA的復(fù)制。近年來，PCR技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并成為分子生物學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展出了很多相關(guān)的新技術(shù)[10-11]。

目前比較受人關(guān)注的PCR技術(shù)主要包括：競爭PCR技術(shù)（C-PCR）、反轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)（RT-PCR）、擴增的rDNA限制酶切分析技術(shù)（ARDRA）等。總的來說，這些技術(shù)都具有各自的優(yōu)點，并且都可以彌補DNA分子直接雜交技術(shù)的不足，這些PCR技術(shù)已經(jīng)在環(huán)境微生物領(lǐng)域有所應(yīng)用。

1.4 基因重組技術(shù)

近年來，基因重組技術(shù)得到飛速發(fā)展，在諸多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，與其他學(xué)科交叉取得了良好的應(yīng)用效果?；蛑亟M技術(shù)是以遺傳基因工程方法改良植物、動物或微生物等生物體的特性，而形成一種新的生命體。基因可以通過復(fù)制將遺傳信息傳遞給下一代，從而達到控制生物個體性狀的目的。具體在環(huán)境污染的微生物上，可以將具有降解污染物功能的微生物基因復(fù)制傳遞到生命、繁殖能力都比較頑強的微生物上，從而達到大量培養(yǎng)繁殖的目的[12]。

2 分子生物學(xué)技術(shù)在環(huán)境污染微生物治理中的應(yīng)用

2.1 核酸雜交生物傳感器對微生物的檢測

基于DNA堿基配對原理，人們發(fā)展出了核酸雜交生物傳感器技術(shù)，該傳感器主要由電化學(xué)檢測儀器組成，該儀器具有極高的靈敏度，可以對DNA雜交反應(yīng)進行檢測，由于DNA雜交反應(yīng)具有高度的專一性，從而使得該核酸雜交生物傳感器可以對環(huán)境中的微生物進行靈敏度極高的檢測[13]。例如，澳大利亞的科研工作者就利用核酸雜交生物傳感器對活性污泥中的微生物生長速率進行了測定，眾所周知活性污泥法在水處理、生物處理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，因此該科研成果就將分子生物學(xué)技術(shù)在環(huán)境污染物微生物處理中的應(yīng)用提供了一個可行的途徑。

2.2 環(huán)境污染的生物修復(fù)

重金屬也是環(huán)境污染物的一個重要組成因素，處理重金屬污染的諸多方法中，植物修復(fù)技術(shù)是比較有效的一種。可是有些重金屬處理能力強的植物繁殖能力不強或抗病害能力差，都制約了植物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境污染治理中的大規(guī)模推廣。為此，我們可以利用電泳分離純化、基因重組等分子生物學(xué)技術(shù)，將性能優(yōu)良的污染物修復(fù)基因從植物、微生物和動物中分離出來，并進行復(fù)制，傳遞到生存和繁殖能力強的受體上，大幅度的提高轉(zhuǎn)基因受體對污染物降解、富集的能力，實現(xiàn)對環(huán)境重金屬污染物的高效處理[14]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，大量人工合成的有機化合物被廣泛使用，并由于其不能被降解從而對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。通過近些年的研究，人們發(fā)現(xiàn)這些難以降解的有機污染物可以通過PCR技術(shù)進行處理，即對環(huán)境污染進行生物修復(fù)。具體來說，PCR技術(shù)可從DNA分子的水平上對生物體進行設(shè)計，將降解性能優(yōu)良的某些微生物基因或DNA片段進行復(fù)制，并通過基因重組等技術(shù)，培養(yǎng)出新型的微生物，并利用這些微生物特殊的功能來解決環(huán)境中難以處理的有機污染物[15]。例如，可以用PCR等分子生物學(xué)技術(shù)培養(yǎng)的環(huán)境工程變異菌處理廢水，其處理效果要明顯優(yōu)于活性污泥法。

2.3 對環(huán)境污染物的危險性評價

在環(huán)境污染物的治理過程中，人們首先需要對污染物的危險性進行科學(xué)的評價。而通過分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，可以將靈敏的生物分子標(biāo)記物用于污染物危險性的科學(xué)評價中，并通過與現(xiàn)代原子核分子技術(shù)的聯(lián)合使用，高精度的檢測出污染物在生物群落、體內(nèi)、細胞，乃至分子中的存在情況，從而對其危險性做出判斷[16]。例如，使用加速器質(zhì)譜法（AMS）與生物分子標(biāo)記物相結(jié)合，可以精確的研究尼古丁與DNA等生物分子的作用，靈敏度比傳統(tǒng)的化學(xué)同位素標(biāo)記法高出1到2個數(shù)量級。由此可見，先進的分子生物學(xué)技術(shù)與其他新興技術(shù)一起，將會在環(huán)境污染的微生物治理中發(fā)揮出更加重要的作用。

3 結(jié)語

綜上所述，分子生物學(xué)技術(shù)正在經(jīng)歷著日新月異的發(fā)展，各類新技術(shù)在環(huán)境污染物的微生物治理中也得到了廣泛的應(yīng)用。通過分子生物學(xué)技術(shù)可以在分子水平上對微生物進行研究和應(yīng)用，利用電泳分離技術(shù)可以分離、純化基因或DNA片段，利用PCR探針技術(shù)可以對DNA進行復(fù)制和傳遞，甚至利用基因重組技術(shù)可以重新培養(yǎng)出新型的微生物品種，以實現(xiàn)對環(huán)境污染物的高效降解。此外，通過分子生物技術(shù)，研究人員可從微觀角度更細致地了解微生物對污染物降解的機制，從而篩選到更多有利用價值的微生物。通過本文的研究，有理由相信分子生物學(xué)技術(shù)也必將在環(huán)境污染的微生物治理中發(fā)揮越來越大的作用。

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