現代微生物遺傳學技術在環境保護領域中的應用
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- 發布時間:2021-06-10
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【概要描述】現代微生物遺傳學是在研究對象上區別于經典遺傳學的一個分支,它以微生物作為一般遺傳學的研究對象,于本世紀40年代發展成為一門獨立的學科。由于微生物在物質循環中的重要作用,它在環境保護技術方法中一直扮演著重要角色。以微生物為研究對象的微生物遺傳學的基本原理和相關的技術方法,可為環境科學研究者提供新的視點、思路和更有效的技術手段,是環境科學工作者向更深更廣的學科領域行進時必不可少的知識工具。當前,這些基本理論和相關技術已在環境科學領域得到了較為廣泛的應用,正在為環境保護技術的研究與開發提供著具有革新意義的手段和方法,具有廣闊的發展前景。
現代微生物遺傳學技術在環境保護領域中的應用
【概要描述】現代微生物遺傳學是在研究對象上區別于經典遺傳學的一個分支,它以微生物作為一般遺傳學的研究對象,于本世紀40年代發展成為一門獨立的學科。由于微生物在物質循環中的重要作用,它在環境保護技術方法中一直扮演著重要角色。以微生物為研究對象的微生物遺傳學的基本原理和相關的技術方法,可為環境科學研究者提供新的視點、思路和更有效的技術手段,是環境科學工作者向更深更廣的學科領域行進時必不可少的知識工具。當前,這些基本理論和相關技術已在環境科學領域得到了較為廣泛的應用,正在為環境保護技術的研究與開發提供著具有革新意義的手段和方法,具有廣闊的發展前景。
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現代微生物遺傳學是在研究對象上區別于經典遺傳學的一個分支,它以微生物作為一般遺傳學的研究對象,于本世紀40年代發展成為一門獨立的學科。由于微生物在物質循環中的重要作用,它在環境保護技術方法中一直扮演著重要角色。以微生物為研究對象的微生物遺傳學的基本原理和相關的技術方法,可為環境科學研究者提供新的視點、思路和更有效的技術手段,是環境科學工作者向更深更廣的學科領域行進時必不可少的知識工具。當前,這些基本理論和相關技術已在環境科學領域得到了較為廣泛的應用,正在為環境保護技術的研究與開發提供著具有革新意義的手段和方法,具有廣闊的發展前景。
2微生物遺傳學相關技術在環境保護領域中的應用突變(誘變)技術、基因重組技術、基因置換、擴增技術等系列基因改造技術、染色體外遺傳物質的轉移、重組和改造技術以及一些利用生物遺傳物質(染色體DNA、RNA、質粒DNA)結構和性能上的特異性而發展起來的在基因水平上的監測技術等幾個方面。這些技術在環境科學領域中的應用主要集中在四大方面,分別是:篩選構建轉化降解微生物、改進工程菌的遺傳穩定性、提供更為科學快捷準確多樣的環境監測和環境評價技術手段,以及幫助合成生物可降解新型材料。
2.1篩選構建轉化降解微生物人類活動產生的許多化學物,尤其是難降解的化學物,已成為當今環境污染的主要根源之一。利用微生物遺傳工程技術篩選構建高效轉化降解微生物是解決此類問題很好的途徑。而獲得此類高效降解菌的方法通常有兩種。
一種是利用傳統的誘變育種和雜交育種技術進行篩選培育微生物高效菌株。目前,以此類方法獲較緩慢并種或幾種微生物的時Hshin來H許多學者對由多多種質粒構建的/擂程菌從不bookmark3得的菌株已在印染廢水、農藥生產廢水和尾礦廢水的處理,以及石油污染清除、垃圾降解等許多方面得到應用。
另一種方法則是利用遺傳工程技術構建高效轉化降解工程菌。一些情況下,自然界已有的,或采用傳統的育種方法篩選馴化獲得的處理菌株在繁殖速度、處理污染物的效率以及適應能力等方面滿足不了人類治理工程的需要,但其細胞內卻含有降解特定污染物的生物酶基因編碼,此時可利用一定的遺傳工程技術將其有關的基因轉入繁殖速度快、適應能力強的受體菌細胞內,構建出兼具多種優勢的新型工程菌。例如,美國Lehbach等將編碼有水楊酸羥基化酶的NAH7質粒的降解基因nahG克隆到Pseudomonassp.Bi3菌株,使Bi3變異菌株獲得了表達降解水楊酸為兒苯酚和降解氯代水楊酸鹽為氯代兒苯酚的能力;美國Ghosal等用24―D降解型質粒pP2和pP4中降解基因片段,以具有廣泛宿主范圍的pLAFRF和pCPi3質粒為載體,在Ps.cepacia 383菌株上進行克隆,結果宿主菌株獲得了降解24―D的新功能;Schwin等以Psudomonassp.Bi3菌株中降解氯代兒苯酚的基因轉至能在苯酚上生長的產堿桿菌(Al-caligenes)A7菌株,使變異菌株AlcaligenesA7-2獲得了利用三種氯代酚異構體的能力等。目前,新構建的基因工程菌用于環境污染清除的成功事例有清除石油污染的基因工程菌、降解化學農藥的工程菌、降解塑料的工程菌、降解木質素的工程菌、降解轉化某些重金屬的工程菌以及固定轉化氣體中CO2、SO2的工程菌等等。
還有一些情況下人們利用天然降解性質粒構建新功能菌株。質粒是染色體外的遺傳因子,它的基本特性之一是能相安無事地寄生在宿主細胞中,并和宿主細胞進行同步復制,在細胞分裂時,它能保持恒定地傳給子代細胞,在某些條件下,質粒能賦予宿主細胞以特殊的機能。降解性質粒是一類編碼有降解某些化學物代謝途徑的質粒,細菌對許多環境污染物的降解都是由質??刂频?。到目前為止,已報道從自然界分離的菌株中發現的天然降解性質粒共約20多種。降解性質粒攜帶有控制降解某些化學物所必需的基因,應用這些質粒進行育種比較簡便而有效。在自然界中,微生物對一些難降解化學物的降解是通過多種微生物的協同作用完成的,速度比候,還會導致某些中間產物的積累而依然污染環境,如何使僅是輔代謝的菌株變成全代謝,以擴大微生物降解廢物的范圍和提高降解效率使頑固性化學物徹底礦化,是解決環境污染的重要問題。而此類問題正可以利用質粒轉移構建新菌株得到解決。美國Chakrabarty等為消除海上溢油污染,將假單胞菌中不同菌株的CAN、OCT、XAL和NAH四種降解性質粒接合轉移至一個菌株中,構建成一株能同時降解芳香烴、多環芳烴、萜烴和脂肪烴的“多質粒超級菌”,該菌能將天然菌要花一年以上才能消除的浮油縮短為幾個小時。而對于一些人類合成的化合物,如氯(鹵)代烴類化合物,因為它們在自然界中很少產生,沒有相應的微生物能降解它們,因此,國內外學者也在努力擴大和構建具有此類降解功能的微生物。聯邦德國Reinke等將惡臭假單胞菌mt2(Ps.putidamt2)菌株中編碼有降解芳香環化合物關鍵酶系的ToL質粒,轉移至原來只能降解一氯苯甲酸(3Cb)而不能利用4一氯苯甲酸(4Cba)和3.5二氯苯甲酸(3,5DCb)的Psudomonassp.Bi3菌株中,結果建成了以4Cba和3,5―DCb為碳源和能源的新菌株。前蘇聯BgogB等將惡臭假單胞菌BS24(Ps.putidaBS240)菌株中編碼有萘和水楊酸降解酶系的pBS2質粒,接合轉移至能以輔代謝方式降株中,使后者獲得了利用萘、水楊酸和對二甲苯的能力,同時也大大提高了其降解DDT的效能。
此外,利用遺傳工程中的基因工程技術除了可以在微生物之間進行體外DNA重組,創造新菌株外,還可以打破一些種、屬親緣界線定向培育新菌種。
美國環境保護局曾撥巨款作過一項將哺乳動物肝臟的有關酶的基因克隆到能在土壤生長繁殖地釀酒酵母(S.Cerevisiae)中,以消除一些有機氯污染危害的研究。
2.2改進工程菌遺傳穩定性經過各種育種手段得到的工程菌在實際應用中所遇到的大障礙往往是其遺傳穩定性差,經過數十代或數百代后工程菌常會因變異或質粒丟失而逐漸喪失其特定功效。工程菌的遺傳穩定性對有效發揮工程菌的作用及大規模發酵應用至關重要。應用微生物遺傳學的基本原理和技術從多個角度對此類問題進行剖析、改進是行之有效的方法。比如近年同角度進行了研究,認為重組質粒的遺傳不穩定性分為兩種類型,一種是由質粒在細胞分裂時的缺陷分配導致整個質粒丟失而引起,稱為“分配性不穩定另一種是因重組質粒DNA的缺失、插入或重排而引起,稱為”結構不穩定“。由此,可對工程菌首先進行質粒的抽提監測和酶切物理圖譜的測定,確定其不穩定原因后,或改進控制質粒在子細胞中分配的途徑,或修整DNA片段編碼以提高工程菌的遺傳穩定性,確保新開發的工程菌具有實際應用,使其在保護環境、消除污染中充分發揮其神奇功效。
2.3提供更為科學快捷、準確多樣的環境監測和環境評價技術手段在環境保護的許多開發研究和工程實踐中,都需要對環境微生物狀況進行檢測和評價。微生物的存在離不開環境,而微生物的數量分布和種群組成、理化性狀、遺傳變異等,又是環境狀況綜合而客觀的反映。利用環境中微生物的生存變異情況可對環境質量狀況進行評價。污染處理場可通過對微生物狀況的監測實現環境污染的監控和管理。生物處理工程中微生物種類、數量、生存狀態可作為工程進行狀況優劣的判別標志。在生物處理技術和新菌種的開發實踐過程中,需要對微生物的生長變異情況進行跟蹤監測。如此等等,微生物監測在環境科學的研究和應用中具有重要的作用。與微生物遺傳學相關的新理論、新技術正不斷地滲透和應用到這些監測和評價中去,使微生物監測和評價方法不斷完善,更為靈敏、快捷、準確,它正悄悄地帶來一場微生物監測基本技術的革命。
目前已在基因水平上發展起來的應用于環境微生物的分類鑒定、分子遺傳、種間及種內親緣關系、菌株持久性等方面的技術主要有:核酸探針檢測技術、DNA―DNA雜交、rRNA和rRNA基因序列分析、質粒指紋圖譜分析、聚合酶鏈式反應(PCR)技術、低分子量RNA分布圖等。這些利用生物遺傳物質(染色體DNA、RNA、質粒DNA)結構和性能上的特異性而發展起來的技術在應用上具有快速、準確的特點,一般人工培養測定需數天至數周方可完成的工作,使用此類技術僅需數小時即可完成,尤其對于人工難以分離培養的菌株的監測更具有巨大的優越性。對于需跟蹤檢測的菌株,例如在對人工改造或構建的基因工程菌的研究和應用時,此類技術可從和遺傳變異情況。
另一類已被較為廣泛應用的技術是通過環境化學物質對微生物的致變作用評價該物質的生態毒性強度。致變作用通常反應在兩個方面:一是受測微生物解毒系統基因RNA蛋白及酶活性的增加,二是DNA的改變。其中DNA的損傷度反映了化學物的遺傳毒性。與此相關的監測技術有免疫法、高效液相色譜法、P后標志法、Ames試驗等。
2.4幫助合成生物可降解新型材料隨著科學技術和工業文明的發展,污染物源頭控制和發展清潔生產已越來越受到人們的重視,成為環境保護的又一重要領域。在此領域中利用微生物合成可降解性材料受到了廣泛的關注,具有廣闊的應用前景。例如利用微生物發酵生產已是當前獲得生物可降解性塑料的主要途徑。在此類技術中所需生產的材料從特定微生物的發酵工藝過程獲得,為微生物與特定底物的發酵產物。相關的微生物遺傳學技術在此類技術中幫助篩選、培養、馴化和重組構造發酵工程菌,從而為其引入新的代謝途徑、合成新型聚合物、拓寬底物利用范圍、提高生產速度和降低生產成本。例如在聚羥基烷酸(PHA)生物可降解性塑料的生產中,利用重組DNA技術在重組大腸桿菌中引入真養產堿菌的PHA合成基因,即獲得了較大的成功,既大幅降低了生產成本又大大提高了生產效率。目前,設法在此類工程菌中插入噬菌體熱敏溶解基因,使工程菌易于裂解而自動釋放出胞內聚合物是其主要開發方向。
3結束語科學的發展史告訴我們,任何一門學科的發展都與其相關基礎學科的發展密切相關。尤其是環境科學學科,作為一門邊緣學科,它與多種學科的發展更為密不可分。環境科學研究者密切注意其他相關學科的發展動態及其不斷出現的新技術,對于開拓研究思路、確定更為合理的研究方向、尋找更為有效的研究手段和工具具有重要意義?,F代微生物遺傳學的相關理論與技術的發展,為環境科學提供了具有革新意義的技術方法乃至評價管理手段,它在環境保護領域中必將有更為廣闊的應用前景。
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