環境微生物領域分子生物技術的應用進展

石 琛 王璐

1.天津現代職業技術學院，天津 300350；2.公安部天津消防研究所，天津 300381

隨著社會經濟的飛速發展與人們生活水平的提高，諸如多環芳烴、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境中，由于這些污染物多數具有致癌性，致畸性，致突變性而被認為是危險物質，嚴重威脅人類及其他生物正常生存和發展。此外，這些物質往往難以被迅速降解轉化，故其會對土壤、水、大氣環境造成嚴重的污染。如何治理此類環境污染，已成為新世紀人類面臨的最大挑戰之一，引起世界各國的普遍關注。

人們通過研究發現了對受污染環境進行處理的一種新途徑——微生物技術，部分微生物可以對環境污染物進行降解，而且選擇性高、抗中毒能力強，因此環境微生物學技術表現出光明的應用前景。近年來，隨著分子生物學技術的不斷發展，人們又將該技術應用于環境微生物學領域，發現其對環境污染物的治理具有很好的效果[1-3]。首先，通過分子生物學技術可以對降解污染物能力強的微生物進行培養；其次，分子生物學技術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。

分子生物學技術除了可以用于環境污染的微生物治理之外，還可以用于污染生態學的機理研究，并為環境微生物的監測、環境污染物危險性的科學評價提供幫助。本文就環境微生物領域分子生物技術研究的最新進展及應用情況進行了分析研究。

1 環境微生物領域中的分子生物學技術

分子生物學是從分子水平上研究生命現象物質基礎的學科。研究細胞成分的物理、化學的性質和變化以及這些性質和變化與生命現象的關系，如遺傳信息的傳遞，基因的結構、復制、轉錄、翻譯、表達調控和表達產物的生理功能，以及細胞信號的轉導等。分子生物學從誕生至今，已經取得了迅速的發展，相關技術日趨成熟，部分技術已經開始應用到環境微生物領域[4-6]。

1.1 核酸探針檢測技術

該技術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，也可以輔助科研人員分析得到微生物的相關信息。研究表明在環境微生物領域中，核酸探針檢測技術在檢測污染物質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用[7-8]。目前，核酸探針檢測技術主要包括放射性標記核酸探針技術、核酸印跡雜交技術、熒光原位雜交技術（FISH）等。

1.2 電泳分離純化技術

環境微生物領域中的電泳分離純化技術包括很多種，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，在分子標記純化方面還應用了一些特殊電泳分離技術[9]。如溫度梯度凝膠電泳（TGGE）、變性梯度凝膠電泳（DGGE）、單鏈構象多態性（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，實現了對微生物DNA分子或DNA片段的純化和分離。

1.3 聚合酶鏈式反應（PCR）技術

聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）技術是一種體外擴增核酸序列而得到多個核酸拷貝的技術。該技術與生物體內DNA的復制過程相似，都經歷了一個DNA解鏈——堿基配對——形成DNA新鏈的過程，并在此過程中實現了對DNA的復制。近年來，PCR技術得到了迅猛的發展，并成為分子生物學領域的一個研究熱點，并以此為基礎發展出了很多相關的新技術[10-11]。

目前比較受人關注的PCR技術主要包括：競爭PCR技術（C-PCR）、反轉錄PCR技術（RT-PCR）、擴增的rDNA限制酶切分析技術（ARDRA）等?？偟膩碚f，這些技術都具有各自的優點，并且都可以彌補DNA分子直接雜交技術的不足，這些PCR技術已經在環境微生物領域有所應用。

1.4 基因重組技術

近年來，基因重組技術得到飛速發展，在諸多領域都得到了應用，與其他學科交叉取得了良好的應用效果?；蛑亟M技術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?；蚩梢酝ㄟ^復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，從而達到大量培養繁殖的目的[12]。

2 分子生物學技術在環境污染微生物治理中的應用

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，人們發展出了核酸雜交生物傳感器技術，該傳感器主要由電化學檢測儀器組成，該儀器具有極高的靈敏度，可以對DNA雜交反應進行檢測，由于DNA雜交反應具有高度的專一性，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、生物處理等領域具有廣泛應用，因此該科研成果就將分子生物學技術在環境污染物微生物處理中的應用提供了一個可行的途徑。

2.2 環境污染的生物修復

重金屬也是環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，植物修復技術是比較有效的一種?？墒怯行┲亟饘偬幚砟芰姷闹参锓敝衬芰Σ粡娀蚩共『δ芰Σ?，都制約了植物修復技術在環境污染治理中的大規模推廣。為此，我們可以利用電泳分離純化、基因重組等分子生物學技術，將性能優良的污染物修復基因從植物、微生物和動物中分離出來，并進行復制，傳遞到生存和繁殖能力強的受體上，大幅度的提高轉基因受體對污染物降解、富集的能力，實現對環境重金屬污染物的高效處理[14]。

隨著科學技術的進步，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境造成嚴重污染。通過近些年的研究，人們發現這些難以降解的有機污染物可以通過PCR技術進行處理，即對環境污染進行生物修復。具體來說，PCR技術可從DNA分子的水平上對生物體進行設計，將降解性能優良的某些微生物基因或DNA片段進行復制，并通過基因重組等技術，培養出新型的微生物，并利用這些微生物特殊的功能來解決環境中難以處理的有機污染物[15]。例如，可以用PCR等分子生物學技術培養的環境工程變異菌處理廢水，其處理效果要明顯優于活性污泥法。

2.3 對環境污染物的危險性評價

在環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的評價。而通過分子生物學技術的應用，可以將靈敏的生物分子標記物用于污染物危險性的科學評價中，并通過與現代原子核分子技術的聯合使用，高精度的檢測出污染物在生物群落、體內、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，使用加速器質譜法（AMS）與生物分子標記物相結合，可以精確的研究尼古丁與DNA等生物分子的作用，靈敏度比傳統的化學同位素標記法高出1到2個數量級。由此可見，先進的分子生物學技術與其他新興技術一起，將會在環境污染的微生物治理中發揮出更加重要的作用。

3 結語

綜上所述，分子生物學技術正在經歷著日新月異的發展，各類新技術在環境污染物的微生物治理中也得到了廣泛的應用。通過分子生物學技術可以在分子水平上對微生物進行研究和應用，利用電泳分離技術可以分離、純化基因或DNA片段，利用PCR探針技術可以對DNA進行復制和傳遞，甚至利用基因重組技術可以重新培養出新型的微生物品種，以實現對環境污染物的高效降解。此外，通過分子生物技術，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技術也必將在環境污染的微生物治理中發揮越來越大的作用。

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