细胞分子生物学

分子生物学在环境中的应用摘要介绍了与环境污染相关研究中的分子生物学技术，如分子标记技术、生物传感技术、基因重组及基因芯片技术等以及这些相关技术在环境微生物分类、环境微生物监测和环境微生物治理污染中的应用。

结果表明，分子生物学技术在研究环境微生物中发挥了重要作用。

关键词环境微生物；分子生物学技术；环境监测；应用一、引言随着工农业的发展，世界范围内的环境污染日益严重，生态平衡不断被破坏。

大量人工合成的并难以被天然微生物迅速降解转化的污染性化合物进入到自然环境中，严重威胁人类及其他生物正常生存发展。

因此，治理各种环境污染已成为世界各国普遍关注并努力攻克的热点问题。

随着研究的深入，污染治理已逐渐由宏观向微观研究发展，对精确性的要求日益增强，分子生物学技术的应用为污染、防治提供了新的思路和方法。

随着该技术的日臻完善，将被越来越多地引入到环境污染治理中。

利用分子生物学技术已揭示了许多污染生态学中的重要机理，同时，先进的分子生物学技术也为环境监测、污染环境的治理和生物修复等应用技术提供了更快速、更灵敏、更科学的依据与方法，从而极大地推进了污染治理的实践进展。

二、与环境相关的分子生物学技术分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的功能、形态结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学[7]。

分子生物学的研究内容包含4个方面：DNA重组技术，基因表达调控研究，生物大分子的结构功能研究，基因组、功能基因组与生物信息学研究。

在环境中应用的分子生物技术有：基因重组技术、电泳技术、分子杂交与印记技术等。

随着分子生物学的发展，越来越多的新技术应用到了环境中。

(一)PCR—DGGE技术利用分子生物学技术可以进行微生物群落结构分析及种群丰度和群落动态分析、环境微生物分子分类、环境微生物群落功能基因与表达分析等。

PCR技术即多聚酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)，该技术是一种选择性体外扩增DNA的方法，是1985年由美国PE—Cetus公司Kary Mullis等人发现。

此技术可在生物体外将微量的目的基因进行扩增，该法结果相对可靠，为基因分析与研究提供了一种强有力手段。

变性梯度凝胶电泳(Denatured Gradient Gel Electrophoresis，DGGE)最初是Lerman等人于20世纪80年代初期发明的，起初主要用来检测DNA片段中的点突变。

Muyzer等人在1993年首次将其应用于微生物群落结构研究[5]。

后来又发展出其衍生技术，温度梯度凝胶电泳(Tempera—ture Gradient Gel Electrophoresis，TGGE)[4]。

此后，该技术被广泛用于微生物分子生态学研究的各个领域，目前已经发展成为研究微生物群落结构的主要分子生物学方法之一。

DGGE／TGGE技术在一般的聚丙烯酰胺凝胶基础上，加人了变性剂(尿素和甲酰胺)梯度或是温度梯度，从而能够把同样长度但序列不同的DNA片段区分开来。

当用DGGE／TGGE技术来研究微生物群落结构时，要结合PCR(Polymerase Chain Reaction)扩增技术，用PCR扩增的16S rRNA产物来反映微生物群落结构组成。

通常根据16S rRNA基因中比较保守的碱基序列设计通用引物，其中一个引物的5 7一端含有一段GC夹子，用来扩增微生物群落基因组总DNA，扩增产物用于DGGE／TGGE 分析。

陈竹等阐述了PCR—DGGE技术在造纸废水中微生物检测的应用[6]。

(二)荧光原位杂交(FISH)技术原位杂交技术是将放射性标记的DNA或28SRNA杂交到细胞制备物上，然后通过放射自显影技术检测杂交位点。

随着荧光标记的发展，非同位素染料替代了放射性标记。

FISH 即一种非放射性原位杂交技术，荧光原位杂交技术采用特殊的荧光素标记核酸探针，可在染色体、细胞和组织切片标本上进行DNA杂交，检测细胞DNA或RNA的特定序列是否存在。

与放射性探针相比，荧光探针具有更好的安全性，而且不需要额外的检测步骤，灵敏快捷。

此外，还可用不同激发和散射波长的荧光染料标记探针，在一步杂交试验中检测几个靶序列。

目前FISH 技术已广泛的应用于微生物生态学中。

(三)PCR—SSCP技术单链构象多态(Single Ttrand Conformation Polymorphism，SSCP)是指构成基因组DNA 双链之一的单个碱基发生变化影响到其空间构象，进而影响到电泳图谱的现象。

在不含变形剂的中性聚丙烯酰胺凝胶中，单链DNA迁移速率除了与DNA的长度还与DNA单链的空间构象有关，相同长度的单链DNA因其顺序不同或单个碱基有差异，所形成的构象就不同，PCR产物经变性后进行电泳，靶DNA中若发生碱基缺失、插入或单个碱基置换时，就会出现变位，从而提示该片段有基因变异的存在。

(四)免疫技术采用免疫分析技术进行污染物检测，其原理为抗原进入动物体内能产生抗体，所产生的抗体能与抗原进行特异性结合，对抗原或抗体进行标记，则可以进行定量测定。

免疫分析根据对抗原和抗体标记方法的不同可分为放射免疫分析(Radio—Immunoassay，ILIA)、酶联免疫分析(En—zyme—Linked Immunosorbent Assay，ELISA)和荧光免疫分析(Fluorescence Immunoassy，FIA)。

RIA应用于20世纪60年代末，但采用该法的放射性元素不易获得且仪器设备昂贵，安全性较差，分析的可行性受到放射性同位素半衰期的限制。

ELISA法是一个改进，由1971年见诸报道，克服了需要放射性物质标记的特点。

荧光免疫则是采用荧光进行标记。

(五)生物传感技术生物传感器的概念是1962年Clark和Lyo．s最先提出来的，目前生物传感器已在发酵工程、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到极大应用，其在环境中的应用也开始广泛起来。

生物传感技术是利用生物活性物质为识别原件对一些物质进行识别。

生物传感器由分子识别原件及感受器和换能器构成，主要的生物活性物质的分子识别机理有酶促反应、免疫化学反应和离子在膜上的运输。

因此，传感器有酶传感器、微生物传感器、免疫传感器和组织传感器等。

生物传感器在环境检测有很多应用，尤其是在对有毒物质的检测。

(六)生物芯片生物芯片是采用光导原位或微量点样等方法，将大量生物大分子，如核酸切片、多肽分子、细胞、甚至组织切片等生物样品有序固化于支持物的表面，组成密集的二维排列，然后与已标记的待测生物样品中的靶分子进行杂交，通过特定的仪器，进行快速、高效、并行的检测分析，从而判断靶分子的数量及质量。

生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片等，基因芯片有成为DNA微阵列技术[13] .三、分子生物学技术在环境中的应用(一)环境微生物中的应用采用生物法处理废水，除了处理工艺的选择及工艺参数和设计参数的优化外，微生物的种群结构稳定性和功能稳定性在污水处理系统有效性中起着重要作用，对微生物的研究及生物处理系统中微生物的种群结构以及微生物多样性的研究也受到人们越来越多的重视。

研究水处理工艺中微生物的组成结构、数量以及多样性对于提高废水生物处理效果，研究生化反应的机理、污染物降解和转化途径具有非常重要的意义。

但是传统的微生物法用于环境生物学研究时环境中只有不超过10％的微生物可以培养[8]，并且由于常规检测方法受到采样和分析条件的影响，不仅检测时间长，结果准确率差，而且有些种类分离较困难。

因此，传统的方法不能充分揭示微生物群落结构和空间分布的有关信息，不利于根据微生物群落多样性的变化来迅速地判断环境的变化。

分子生物学方法作为一个研究手段在微生物中得到了重要的应用，其中有PCR—DGGE技术、PCR—SSCP技术、FISH技术等。

陈竹等阐述了PCR—DGGE技术在造纸废水中微生物检测的应用[6]，邢德峰、任南琪等采用该技术进行了生物制氢反应器微生物多样性解析，研究表明，不同时期的厌氧活性污泥中存在共同种属和各自的特异种属，群落结构和优势种群数量具有时序动态性，微生物多样性呈现出协同变化的特征。

Kyu—Jung Chae等采用FISH技术进行反硝化菌群的分析，Hong Wang通过荧光原位杂交对处理沼气滤池中生物膜上的产甲烷菌进行了量化分析，解决了起主要作用的膜的位置。

(二)在环境检测中的应用1．环境致病微生物的检测致病微生物的检测也可以采用分子生物学方法，根据其特有的序列，采用PCR技术、核酸探针杂交技术、免疫分析技术等对致病微生物的检测。

采用PCR技术可将环境样品中微量的DNA成千上万倍的扩增，然后对器产物进行检测，即可完成对致病微生物的检测。

寡核苷酸即核酸探针有敏感、特异、简便、快速等特点，在短时间即可达到特异高效的结果，DNA 芯片技术进行环境致病微生物的快速诊断。

2．环境污染物的检测对环境中污染物的检测，可采用免疫技术、生物传感器等技术，其对环境中有毒污染物的检测较为灵敏、具有特异性，为环境监测节省了时间；高选择性同时对特异性污染物的检测提供了新的方法。

酶联免疫反应(ELISA)，是一项重要的免疫技术，用该种方法可以进行农药残留的分析、环境毒素检测(真菌、细菌毒素诊断)和一些有三致作用的有毒物质，例如PCBs(多氯联苯)、PACs(多环芳化物)等。

生物传感器可进行BOD测量有毒物质及残留农药的检测。

(三)污染环境治理利用微生物来治理污染快速高效，因此，利用基因重组技术构建高效菌种来治理污染，特别是环境中复杂或难以降解的有毒有害化合物，如人工合成塑料、除草剂、杀虫剂等成为环境微生物技术的热点之一。

如超级细菌就在石油烃污染的环境修复中发挥了重要作用；微生物分解纤维素和木质素的基因转入到中温细菌中，能使发酵在较高温度下进行，提高转化速度，用于发酵某些废弃物产生天然气。

基因重组技术对污染物的治理、预报、修复都做出了重大贡献。

四、结论分子生物学技术能在分子水平上揭示生物体吸收、迁移、积累有害物质，最终被毒害及适应、产生抗性等、生态过程，同时，先进的分子生物学技术也为环境监测、污染环境的治理、污染环境的生物修复等提供了更快速、更灵敏、更科学的依据与方法，从而极大地推进了污染治理的实践进展。

随着分子生物学技术的进一步发展成熟，分子生物学技术越来越多地被引入到环境污染控制的研究中，其在环境污染治理中的应用将更为广泛，为环境治理提供更多的研究方法与解决途径。

在环境污染治理的应用性研究中。

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