基于GeoChip分析环境微生物功能基因群落结构研究

李游

摘  要：微生物在自然界无处不在，微生物参与并承担着重要的生态功能。本文针对基于GeoChip分析环境微生物功能基因群落结构进行分析，通过提出了环境微生物总基因组的提取和纯化、酸性矿坑水中微生物群落、气候变化对于土壤微生物群落三项研究方案，证明了GeoChip技术在分析微生物功能基因群落的重要性。

关键词：GeoChip技术;环境微生物;基因群落结构

前言：就目前而言，自然界中约99%的微生物没有被有效培养，因此无法准确地判断微生物在环境基因群落中的关系。这也是全国学者主要的研究方向之一，在未来新技术的扶持下，微生物领域将会开辟出一条新道路。

1.基于GeoChip分析环境微生物功能基因群落结构应用

GeoChip是一种高通量的基因芯片，主要作用是用在分析微生物群落上，并且研究了其所在的群落结构对生态系统的作用。该高通量的基因芯片，在微生物的研究上颇有成就。主要包括了编码参与主要地球化学循环（碳循环、氮循环、金属抗性、有机物降解、硫循环和磷循环等等）的微生物酶类的挂具核苷酸探针。该生物芯片是由生物生态学家周集中教授研发，教授在生物学领域做出了多项的研究。近年来，研究學者将使用该应用在全球气候变化对微生物群落影响的研究、油田污染物对微生物生态的影响、矿山酸性矿坑水中微生物群落功能结构的分析等领域。就目前而言，一共分为3个版本，分别为GeoChip2.0、3.0和4.0。其中GeoChip2.0是一个基于功能基因分析的寡聚核苷酸芯片，该芯片体内包含了24000只探针，这些探针的作用重大，涵盖了包括碳循环、氮循环、硫循环和金属抗性等150个功能区组的10000个基因。而GeoChip3.0体内包含了28000个探针，涵盖了大约292个基因家族，GeoChip3.0在与GeoChip2.0的比较下，比GeoChip2.0更加发现了数据库中的新型功能基因，还增加了抗生素抗性基因。GeoChip4.0是GeoChip3.0的升级版，主要采用了原位合成技术来合成探针，在GeoChip4.0的运用下，可以有效地分析12种样品。GeoChip4.0体内中含有125789个微型探针，GeoChip其中有89733个探针，在与GeoChip3.0的比较下，增加了耐受性功能基因和环境病毒基因等[1]。

2.基于GeoChip分析环境微生物功能基因群落结构研究

2.1环境微生物总基因组的提取和纯化研究

环境微生物是一种特殊微生物，需要将环境微生物中物质有效地提取。著名生物学家提出了第一个基于土壤DNA的提取和纯化的方法。在过去的研究中，因为设备与技术的不完善，导致了不能有效地对环境微生物总基因进行提取和纯化。在过去的实验中，科学家们运用了大量的技术研发出了多种环境生物总基因组的样品，通过样品对环境微生物进行提纯。根据资料记载，科学家进行提纯使用的方法大致分为2种。其中一种为间接法，一种为直接法。根据研究显示，间接法主要是对细胞下手，浆细胞中从土壤中分离出来，接下来在对核酸进行提取，达到最终效果。而直接法则是直接将裂缝中的土壤样品取出，并加以提取，将体内核酸提取出来。通过科学的数据分析，直接法相比于间接法更为稳定，因为直接法更易于操作，并且直接法具有核酸回收率高和需求样品少的特点。在一些学术领域的研究中，一些学者主要运用直接法将DNA用于PCR土壤微生物的分析研究中去，抑制了土壤中微生物的生长。然而，土壤中广泛存在的微生物包括腐蚀物、重金属有机物等。在核酸抽离的那一刻，同核酸一同抽离沉淀，导致核酸降解并且抑制了之后反应的酶活性，最终导致了实验出现了数据损失。因此，在提取后必须进行纯化操作。通过纯化保证了实验的准确性[2]。

2.2酸性矿坑水中微生物群落的研究

存在于自然矿洞中。在日常自然风化作用下，人类对于矿物的过度需求，导致去矿洞内采集矿石。但是在开采过程中，由于硫化矿石常年暴露在空气、水、微生物中，会与空气发生反应，形成了大量的酸性矿坑水，这些酸性物质体内含酸性，且PH值较低，同时这些矿物质内还含有高浓度的金属和非金属离子。在人们眼中比较常见的有：硫、铜、铁、镁、锌等。在这种PH值极低的情况下，会生成化能无机生产微生物，比如铁氧化原核生物和硫氧化原核生物等等。

从另一方面来看，由于特殊的环境存在着微生物群落，在已经过去的几十年中，酸性矿坑水中的微生物群落被各种学者作为模式样本在微生物群落领域，在研究中得出，其中分离出来的金属氧化还原作用的金属被运用在商业化运作和环境治理与修复中。例如从酸性矿坑水中微生物分离出来的铁氧化和硫氧化主要被用在环境的修复中。酸性矿坑水中微生物的系统发育具有多样性。在生态学中，空间距离被认为是另外一个对微生物影响极大的因素。但是所谓的空间距离是否真正对酸性矿坑水有没有影响至今仍是一个谜。在此之外，一些学者很少有研究酸性矿坑水微生物群落功能的多样性结构和其中的生理代谢过程。在学者不断的探索中，酸性矿坑水技术将为国家微生物的群落的创新提供了帮助。

2.3气候变化对于土壤微生物群落研究

土壤微生物是一种极易与空气发生反应的微生物。在土地领域发展迅速。由土地使用及燃油的使用给人类的全球变暖带来了巨大的挑战。根据专业的数据报告可知，大气层中二氧化碳的危害值在逐渐地增大。由于二氧化碳的危害增大，通过连锁地表温度也在不断的上升，按照这个增长速度，预计在21世纪末，全球的气温都会受到影响，也将会对人类是一种新危害。这一变化会对包括陆地在内的生态系统及机体功能造成深远的影响。

气温升高会与环境变化之间相互相应，并相互反馈。这也是研究学者对全球气候变暖可能性后果反馈的关键。就目前而言，相关学者能力有限，对气候变暖研究已经达到了瓶颈。由于对全球变暖机制的不理解，导致了无法顺利的建立可预测气温变化的生态模型，建立生态模型对世界的经济、能源、技术和贸易都有着重要的影响，也将改变未来的命运。在相关资料中，发现美国的一处高原中经过三次试验后，植物的生长受到了影响，植物的变化将影响土壤微生物的化学过程。因此，在未来，我们需要前方的及时反馈，来攻克微生物的难关。

结论：综上所述，微生物群体多样性非常高，不仅是在土壤、水体还是食品中，对微生物的检测还是困难的。微生物参与了多个生态过程，对研究有重要帮助。因此，要检测和描述自然环境中的微生物的群落动态和功能，就要积极参加新技术的研究中去，使用GeoChip技术为国家的微生物事业贡献力量。

参考文献：

[1]郑耀通.UbD设计在环境微生物学教学中的应用——以微生物特性与功能单元为例[J].微生物学杂志，2021，41（01）：119-122.

[2]鲍彤. 季节性变化对漠河河流淤泥和水体环境微生物群落的影响[D].东北林业大学，2020..