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现代微生物遗传学技术在环境保护领域中的应用
作者:管理员    发布于:2016-08-04 10:58:59    文字:【】【】【

  现代微生物遗传学是在研究对象上区别于经典遗传学的一个分支,它以微生物作为一般遗传学的研究对象,于本世纪40年代发展成为一门独立的学科。由于微生物在物质循环中的重要作用,它在环境保护技术方法中一直扮演着重要角色。以微生物为研究对象的微生物遗传学的基本原理和相关的技术方法,可为环境科学研究者提供新的视点、思路和更有效的技术手段,是环境科学工作者向更深更广的学科领域行进时必不可少的知识工具。当前,这些基本理论和相关技术已在环境科学领域得到了较为广泛的应用,正在为环境保护技术的研究与开发提供着具有革新意义的手段和方法,具有广阔的发展前景。

  2微生物遗传学相关技术在环境保护领域中的应用突变(诱变)技术、基因重组技术、基因置换、扩增技术等系列基因改造技术、染色体外遗传物质的转移、重组和改造技术以及一些利用生物遗传物质(染色体DNA、RNA、质粒DNA)结构和性能上的特异性而发展起来的在基因水平上的监测技术等几个方面。这些技术在环境科学领域中的应用主要集中在四大方面,分别是:筛选构建转化降解微生物、改进工程菌的遗传稳定性、提供更为科学快捷准确多样的环境监测和环境评价技术手段,以及帮助合成生物可降解新型材料。

  2.1筛选构建转化降解微生物人类活动产生的许多化学物,尤其是难降解的化学物,已成为当今环境污染的主要根源之一。利用微生物遗传工程技术筛选构建高效转化降解微生物是解决此类问题很好的途径。而获得此类高效降解菌的方法通常有两种。

  一种是利用传统的诱变育种和杂交育种技术进行筛选培育微生物高效菌株。目前,以此类方法获较缓慢并种或几种微生物的时Hshin来H许多学者对由多多种质粒构建的/擂程菌从不bookmark3得的菌株已在印染废水、农药生产废水和尾矿废水的处理,以及石油污染清除、垃圾降解等许多方面得到应用。

  另一种方法则是利用遗传工程技术构建高效转化降解工程菌。一些情况下,自然界已有的,或采用传统的育种方法筛选驯化获得的处理菌株在繁殖速度、处理污染物的效率以及适应能力等方面满足不了人类治理工程的需要,但其细胞内却含有降解特定污染物的生物酶基因编码,此时可利用一定的遗传工程技术将其有关的基因转入繁殖速度快、适应能力强的受体菌细胞内,构建出兼具多种优势的新型工程菌。例如,美国Lehbach等将编码有水杨酸羟基化酶的NAH7质粒的降解基因nahG克隆到Pseudomonassp.Bi3菌株,使Bi3变异菌株获得了表达降解水杨酸为儿苯酚和降解氯代水杨酸盐为氯代儿苯酚的能力;美国Ghosal等用24―D降解型质粒pP2和pP4中降解基因片段,以具有广泛宿主范围的pLAFRF和pCPi3质粒为载体,在Ps.cepacia 383菌株上进行克隆,结果宿主菌株获得了降解24―D的新功能;Schwin等以Psudomonassp.Bi3菌株中降解氯代儿苯酚的基因转至能在苯酚上生长的产碱杆菌(Al-caligenes)A7菌株,使变异菌株AlcaligenesA7-2获得了利用三种氯代酚异构体的能力等。目前,新构建的基因工程菌用于环境污染清除的成功事例有清除石油污染的基因工程菌、降解化学农药的工程菌、降解塑料的工程菌、降解木质素的工程菌、降解转化某些重金属的工程菌以及固定转化气体中CO2、SO2的工程菌等等。

  还有一些情况下人们利用天然降解性质粒构建新功能菌株。质粒是染色体外的遗传因子,它的基本特性之一是能相安无事地寄生在宿主细胞中,并和宿主细胞进行同步复制,在细胞分裂时,它能保持恒定地传给子代细胞,在某些条件下,质粒能赋予宿主细胞以特殊的机能。降解性质粒是一类编码有降解某些化学物代谢途径的质粒,细菌对许多环境污染物的降解都是由质粒控制的。到目前为止,已报道从自然界分离的菌株中发现的天然降解性质粒共约20多种。降解性质粒携带有控制降解某些化学物所必需的基因,应用这些质粒进行育种比较简便而有效。在自然界中,微生物对一些难降解化学物的降解是通过多种微生物的协同作用完成的,速度比候,还会导致某些中间产物的积累而依然污染环境,如何使仅是辅代谢的菌株变成全代谢,以扩大微生物降解废物的范围和提高降解效率使顽固性化学物彻底矿化,是解决环境污染的重要问题。而此类问题正可以利用质粒转移构建新菌株得到解决。美国Chakrabarty等为消除海上溢油污染,将假单胞菌中不同菌株的CAN、OCT、XAL和NAH四种降解性质粒接合转移至一个菌株中,构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃的“多质粒超级菌”,该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油缩短为几个小时,从而获得了美国的专利权。而对于一些人类合成的化合物,如氯(卤)代烃类化合物,因为它们在自然界中很少产生,没有相应的微生物能降解它们,因此,国内外学者也在努力扩大和构建具有此类降解功能的微生物。联邦德国Reinke等将恶臭假单胞菌mt2(Ps.putidamt2)菌株中编码有降解芳香环化合物关键酶系的ToL质粒,转移至原来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,结果建成了以4Cba和3,5―DCb为碳源和能源的新菌株。前苏联BgogB等将恶臭假单胞菌BS24(Ps.putidaBS240)菌株中编码有萘和水杨酸降解酶系的pBS2质粒,接合转移至能以辅代谢方式降株中,使后者获得了利用萘、水杨酸和对二甲苯的能力,同时也大大提高了其降解DDT的效能。

  此外,利用遗传工程中的基因工程技术除了可以在微生物之间进行体外DNA重组,创造新菌株外,还可以打破一些种、属亲缘界线定向培育新菌种。

  美国环境保护局曾拨巨款作过一项将哺乳动物肝脏的有关酶的基因克隆到能在土壤生长繁殖地酿酒酵母(S.Cerevisiae)中,以消除一些有机氯污染危害的研究。

  2.2改进工程菌遗传稳定性经过各种育种手段得到的工程菌在实际应用中所遇到的大障碍往往是其遗传稳定性差,经过数十代或数百代后工程菌常会因变异或质粒丢失而逐渐丧失其特定功效。工程菌的遗传稳定性对有效发挥工程菌的作用及大规模发酵应用至关重要。应用微生物遗传学的基本原理和技术从多个角度对此类问题进行剖析、改进是行之有效的方法。比如近年同角度进行了研究,认为重组质粒的遗传不稳定性分为两种类型,一种是由质粒在细胞分裂时的缺陷分配导致整个质粒丢失而引起,称为“分配性不稳定另一种是因重组质粒DNA的缺失、插入或重排而引起,称为”结构不稳定“。由此,可对工程菌首先进行质粒的抽提监测和酶切物理图谱的测定,确定其不稳定原因后,或改进控制质粒在子细胞中分配的途径,或修整DNA片段编码以提高工程菌的遗传稳定性,确保新开发的工程菌具有实际应用,使其在保护环境、消除污染中充分发挥其神奇功效。

  2.3提供更为科学快捷、准确多样的环境监测和环境评价技术手段在环境保护的许多开发研究和工程实践中,都需要对环境微生物状况进行检测和评价。微生物的存在离不开环境,而微生物的数量分布和种群组成、理化性状、遗传变异等,又是环境状况综合而客观的反映。利用环境中微生物的生存变异情况可对环境质量状况进行评价。污染处理场可通过对微生物状况的监测实现环境污染的监控和管理。生物处理工程中微生物种类、数量、生存状态可作为工程进行状况优劣的判别标志。在生物处理技术和新菌种的开发实践过程中,需要对微生物的生长变异情况进行跟踪监测。如此等等,微生物监测在环境科学的研究和应用中具有重要的作用。与微生物遗传学相关的新理论、新技术正不断地渗透和应用到这些监测和评价中去,使微生物监测和评价方法不断完善,更为灵敏、快捷、准确,它正悄悄地带来一场微生物监测基本技术的革命。

  目前已在基因水平上发展起来的应用于环境微生物的分类鉴定、分子遗传、种间及种内亲缘关系、菌株持久性等方面的技术主要有:核酸探针检测技术、DNA―DNA杂交、rRNA和rRNA基因序列分析、质粒指纹图谱分析、聚合酶链式反应(PCR)技术、低分子量RNA分布图等。这些利用生物遗传物质(染色体DNA、RNA、质粒DNA)结构和性能上的特异性而发展起来的技术在应用上具有快速、准确的特点,一般人工培养测定需数天至数周方可完成的工作,使用此类技术仅需数小时即可完成,尤其对于人工难以分离培养的菌株的监测更具有巨大的优越性。对于需跟踪检测的菌株,例如在对人工改造或构建的基因工程菌的研究和应用时,此类技术可从和遗传变异情况。

  另一类已被较为广泛应用的技术是通过环境化学物质对微生物的致变作用评价该物质的生态毒性强度。致变作用通常反应在两个方面:一是受测微生物解毒系统基因RNA蛋白及酶活性的增加,二是DNA的改变。其中DNA的损伤度反映了化学物的遗传毒性。与此相关的监测技术有免疫法、高效液相色谱法、P后标志法、Ames试验等。

  2.4帮助合成生物可降解新型材料随着科学技术和工业文明的发展,污染物源头控制和发展清洁生产已越来越受到人们的重视,成为环境保护的又一重要领域。在此领域中利用微生物合成可降解性材料受到了广泛的关注,具有广阔的应用前景。例如利用微生物发酵生产已是当前获得生物可降解性塑料的主要途径。在此类技术中所需生产的材料从特定微生物的发酵工艺过程获得,为微生物与特定底物的发酵产物。相关的微生物遗传学技术在此类技术中帮助筛选、培养、驯化和重组构造发酵工程菌,从而为其引入新的代谢途径、合成新型聚合物、拓宽底物利用范围、提高生产速度和降低生产成本。例如在聚羟基烷酸(PHA)生物可降解性塑料的生产中,利用重组DNA技术在重组大肠杆菌中引入真养产碱菌的PHA合成基因,即获得了较大的成功,既大幅降低了生产成本又大大提高了生产效率。目前,设法在此类工程菌中插入噬菌体热敏溶解基因,使工程菌易于裂解而自动释放出胞内聚合物是其主要开发方向。

  3结束语科学的发展史告诉我们,任何一门学科的发展都与其相关基础学科的发展密切相关。尤其是环境科学学科,作为一门边缘学科,它与多种学科的发展更为密不可分。环境科学研究者密切注意其他相关学科的发展动态及其不断出现的新技术,对于开拓研究思路、确定更为合理的研究方向、寻找更为有效的研究手段和工具具有重要意义。现代微生物遗传学的相关理论与技术的发展,为环境科学提供了具有革新意义的技术方法乃至评价管理手段,它在环境保护领域中必将有更为广阔的应用前景。

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