分子生物学在环境中的应用

中国环境科学学会学术年会论文集(2009)分子生物学在环境中的应用王晓磊郭建博杨景亮河北科技大学环境科学与工程学院石家庄050018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、引声随着工农业的发展，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。。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(PolymeraseChainReaction)，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KaryMullis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(DenaturedGradientGelElectrophoresis，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o。后来又发展出其衍生技术，温度梯度凝胶电泳(Tempera—tureGradientGelElectrophoresis，TGGE)H。。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(PolymeraseChainReaction)扩增技术，用PCR扩增的16SrRNA产物来反映微生物群落结构组成。通常根据16SrRNA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57一端含有一段GC夹子，用来扩增微生物群落基因组总DNA，扩增产物用于DGGE／第六章环境监督管理制度建设·589·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M。。(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(Fluores．cenceInSituHybridization)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(SingleTtrandConformationPolymorphism，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