环境微生物领域分子生物技术的应用进展

石 琛 王璐

1.天津现代职业技术学院，天津 300350；2.公安部天津消防研究所，天津 300381

随着社会经济的飞速发展与人们生活水平的提高，诸如多环芳烃、含氯有机物和硝基苯类化合物等大量人工合成的污染物排入自然环境中，由于这些污染物多数具有致癌性，致畸性，致突变性而被认为是危险物质，严重威胁人类及其他生物正常生存和发展。此外，这些物质往往难以被迅速降解转化，故其会对土壤、水、大气环境造成严重的污染。如何治理此类环境污染，已成为新世纪人类面临的最大挑战之一，引起世界各国的普遍关注。

人们通过研究发现了对受污染环境进行处理的一种新途径——微生物技术，部分微生物可以对环境污染物进行降解，而且选择性高、抗中毒能力强，因此环境微生物学技术表现出光明的应用前景。近年来，随着分子生物学技术的不断发展，人们又将该技术应用于环境微生物学领域，发现其对环境污染物的治理具有很好的效果[1-3]。首先，通过分子生物学技术可以对降解污染物能力强的微生物进行培养；其次，分子生物学技术还为人们从分子水平上解决污染问题提出了一种切实可行的方法。

分子生物学技术除了可以用于环境污染的微生物治理之外，还可以用于污染生态学的机理研究，并为环境微生物的监测、环境污染物危险性的科学评价提供帮助。本文就环境微生物领域分子生物技术研究的最新进展及应用情况进行了分析研究。

1 环境微生物领域中的分子生物学技术

分子生物学是从分子水平上研究生命现象物质基础的学科。研究细胞成分的物理、化学的性质和变化以及这些性质和变化与生命现象的关系，如遗传信息的传递，基因的结构、复制、转录、翻译、表达调控和表达产物的生理功能，以及细胞信号的转导等。分子生物学从诞生至今，已经取得了迅速的发展，相关技术日趋成熟，部分技术已经开始应用到环境微生物领域[4-6]。

1.1 核酸探针检测技术

该技术即利用某些已知的核苷酸片段作为探针检测DNA序列的组成或功能。其中已知的核苷酸探针以核酸印迹杂交、原位杂交等不同方法探测同源核酸序列，从而起到检测微生物的目标，也可以辅助科研人员分析得到微生物的相关信息。研究表明在环境微生物领域中，核酸探针检测技术在检测污染物质对微生物及其他生物的影响机理和影响效果有着十分广泛的应用[7-8]。目前，核酸探针检测技术主要包括放射性标记核酸探针技术、核酸印迹杂交技术、荧光原位杂交技术（FISH）等。

1.2 电泳分离纯化技术

环境微生物领域中的电泳分离纯化技术包括很多种，主要有琼脂凝胶电泳（EB）溴乙啶染色法、聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）银染法等。除此之外，在分子标记纯化方面还应用了一些特殊电泳分离技术[9]。如温度梯度凝胶电泳（TGGE）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、单链构象多态性（SSCP）等，都是利用了不同序列的DNA片段因其解链程度的不同，从而造成DNA分子在电泳中的迁移速度不同的原理，实现了对微生物DNA分子或DNA片段的纯化和分离。

1.3 聚合酶链式反应（PCR）技术

聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术是一种体外扩增核酸序列而得到多个核酸拷贝的技术。该技术与生物体内DNA的复制过程相似，都经历了一个DNA解链——碱基配对——形成DNA新链的过程，并在此过程中实现了对DNA的复制。近年来，PCR技术得到了迅猛的发展，并成为分子生物学领域的一个研究热点，并以此为基础发展出了很多相关的新技术[10-11]。

目前比较受人关注的PCR技术主要包括：竞争PCR技术（C-PCR）、反转录PCR技术（RT-PCR）、扩增的rDNA限制酶切分析技术（ARDRA）等。总的来说，这些技术都具有各自的优点，并且都可以弥补DNA分子直接杂交技术的不足，这些PCR技术已经在环境微生物领域有所应用。

1.4 基因重组技术

近年来，基因重组技术得到飞速发展，在诸多领域都得到了应用，与其他学科交叉取得了良好的应用效果。基因重组技术是以遗传基因工程方法改良植物、动物或微生物等生物体的特性，而形成一种新的生命体。基因可以通过复制将遗传信息传递给下一代，从而达到控制生物个体性状的目的。具体在环境污染的微生物上，可以将具有降解污染物功能的微生物基因复制传递到生命、繁殖能力都比较顽强的微生物上，从而达到大量培养繁殖的目的[12]。

2 分子生物学技术在环境污染微生物治理中的应用

2.1 核酸杂交生物传感器对微生物的检测

基于DNA碱基配对原理，人们发展出了核酸杂交生物传感器技术，该传感器主要由电化学检测仪器组成，该仪器具有极高的灵敏度，可以对DNA杂交反应进行检测，由于DNA杂交反应具有高度的专一性，从而使得该核酸杂交生物传感器可以对环境中的微生物进行灵敏度极高的检测[13]。例如，澳大利亚的科研工作者就利用核酸杂交生物传感器对活性污泥中的微生物生长速率进行了测定，众所周知活性污泥法在水处理、生物处理等领域具有广泛应用，因此该科研成果就将分子生物学技术在环境污染物微生物处理中的应用提供了一个可行的途径。

2.2 环境污染的生物修复

重金属也是环境污染物的一个重要组成因素，处理重金属污染的诸多方法中，植物修复技术是比较有效的一种。可是有些重金属处理能力强的植物繁殖能力不强或抗病害能力差，都制约了植物修复技术在环境污染治理中的大规模推广。为此，我们可以利用电泳分离纯化、基因重组等分子生物学技术，将性能优良的污染物修复基因从植物、微生物和动物中分离出来，并进行复制，传递到生存和繁殖能力强的受体上，大幅度的提高转基因受体对污染物降解、富集的能力，实现对环境重金属污染物的高效处理[14]。

随着科学技术的进步，大量人工合成的有机化合物被广泛使用，并由于其不能被降解从而对环境造成严重污染。通过近些年的研究，人们发现这些难以降解的有机污染物可以通过PCR技术进行处理，即对环境污染进行生物修复。具体来说，PCR技术可从DNA分子的水平上对生物体进行设计，将降解性能优良的某些微生物基因或DNA片段进行复制，并通过基因重组等技术，培养出新型的微生物，并利用这些微生物特殊的功能来解决环境中难以处理的有机污染物[15]。例如，可以用PCR等分子生物学技术培养的环境工程变异菌处理废水，其处理效果要明显优于活性污泥法。

2.3 对环境污染物的危险性评价

在环境污染物的治理过程中，人们首先需要对污染物的危险性进行科学的评价。而通过分子生物学技术的应用，可以将灵敏的生物分子标记物用于污染物危险性的科学评价中，并通过与现代原子核分子技术的联合使用，高精度的检测出污染物在生物群落、体内、细胞，乃至分子中的存在情况，从而对其危险性做出判断[16]。例如，使用加速器质谱法（AMS）与生物分子标记物相结合，可以精确的研究尼古丁与DNA等生物分子的作用，灵敏度比传统的化学同位素标记法高出1到2个数量级。由此可见，先进的分子生物学技术与其他新兴技术一起，将会在环境污染的微生物治理中发挥出更加重要的作用。

3 结语

综上所述，分子生物学技术正在经历着日新月异的发展，各类新技术在环境污染物的微生物治理中也得到了广泛的应用。通过分子生物学技术可以在分子水平上对微生物进行研究和应用，利用电泳分离技术可以分离、纯化基因或DNA片段，利用PCR探针技术可以对DNA进行复制和传递，甚至利用基因重组技术可以重新培养出新型的微生物品种，以实现对环境污染物的高效降解。此外，通过分子生物技术，研究人员可从微观角度更细致地了解微生物对污染物降解的机制，从而筛选到更多有利用价值的微生物。通过本文的研究，有理由相信分子生物学技术也必将在环境污染的微生物治理中发挥越来越大的作用。

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