宏基因組技術在環境保護及污染改善中的應用

O 李 陽

（遼寧石油化工大學 遼寧 113000）

宏基因組技術在環境保護及污染改善中的應用

O 李 陽

（遼寧石油化工大學 遼寧 113000）

宏基因組學是現代微生物生態學研究中分子生物學技術的一個新理論，它以環境中沒有培養的微生物為研究媒介，通過獲取環境中全部微生物的DNA，形成宏基因組的庫，利用基因組學的研究方法分析環境中全部微生物的遺傳分組和他們各自群落的功能。自1999年以來，這項技術已經在很多領域有廣泛的應用，如，工業、醫療、農業等。本文將從宏基因組的基本理論，現階段的研究方法，以及潛在的問題這幾個方面為基礎并提出解決問題的方法，解析它在環境保護及污染改善中的應用。該項技術的應用對于環境中微生物的變化有很大的幫助，而且為環境中的各項指標和改善提供理論依據。

宏基因組技術；環境保護；污染改善

由于微生物學和現代生命科學都在不停的進步與發展，所以衍生出一門新型的科學技術，即宏基因組學，它的出現也越來越受到研究者的重視。因為宏基因組技術可以利用環境中現成的樣品資源而無需預先培養就可以獲得新的活的物質基因，從而避免了各種細菌的干擾。它的這種能直接從自然環境中提取所需要的信息的能力，大大的提高了微生物資源的利用率，所以成為當今生命科學研究的重點，并且已經應用在各個生態環境中。或許該項技術還可以發現新基因和物種，為環境保護和治理環境污染帶來更大的突破。本文將從宏基因組技術的本質，核心技術以及環境保護和污染改善幾個方面來展開討論。

一、宏基因技術的本質

宏基因組的基本概念是有美國威斯康星大學的Handdelsman教授于1998年提出的，它的最初意愿是用來定義土壤細菌的混合基因組，后來發展成為環境中所有的微小生物的遺傳物質的總和，而且特指環境中的真菌和細菌的基因組的全部組合。它的研究方法是不需要通過其他途徑而是直接從環境中獲取環境中的DNA，經過一定的處理，將它分配到合適的載體上，轉化成我們需要的一種菌，進而形成一個全新的DNA庫。通過各種分析、檢測基因的方法提取目的基因。所以宏基因組技術包含環境中的樣品DNA的篩選，提煉，載體和基因組文庫的挑選等多方面的影響因素，這些步驟的成功與否對宏基因組技術的成敗都起著決定性的作用。

1.環境樣本中DNA的提煉

在環境樣品中混雜著各種基因，從中獲取高質量的樣本DNA是宏基因組技術的一個重要的步驟。在自然的大環境中存在著各種各樣的物質，包括顆粒、粉塵、微生物等，其實微生物在其中的比率是很小的，而且細胞是附著在顆粒或粉塵的表面上的，所以要想完整地提煉出樣品中的DNA是很困難的。

但是為了充分利用宏基因組技術的優勢，研究者們還是迎難而上，最終還是發現了兩種比較有用的提煉方法。一種是原位裂解法，即將樣品經過聲波處理或是機器處理粉碎后，然后放在裂解緩沖液中，最后再進行提煉。這種方法的操作不復雜，樣品的提煉效率也比較高，但是人為的處理后，DNA的片段就會變得不緊簇，影響文庫的建立。另一種是異位裂解法，即先將微生物從環境中分離開來，再用比較柔和的方法提取樣品DNA。該方法主要應用于提煉片段比較大的DNA，但是這樣方法的操作比較復雜，提煉的成本也相比前者高，而且在微生物的分離過程中還會損失一部分微生物細胞，柔和提煉DNA的方法會使一部分微生物的DNA提取不到，這樣會造成DNA的大量浪費。

2.載體的挑選

載體在宏基因組技術中起著一種媒介的作用，它的地位自然是不言而喻了，因為基因組進入宿主細胞需要載體的傳送，合適的載體直接影響基因組的傳送效率。質粒、福斯黏粒、細菌人工染色體等都是比較常用的載體。挑選載體時需要考慮目的基因的長度，是否有利于目的基因的增長，以及在挑選過程中的細胞量的控制等。如，對于小于10kb的基因選擇質粒載體比較合適，而對于DNA片段比較大的基因則采用Cosmid、BAC、PI等載體。但是這兩種載體各有利弊，所以在研究中需要視具體而定，并且試著尋找新的更適合的載體。

3.宿主菌的挑選

宿主菌是目的基因承接上載體后的產物，宿主菌的挑選決定著重組基因克隆或表達的效率，在挑選宿主菌時需要將重組后的細胞的表達效果以及轉化率作為參考因素。

目前，大腸桿菌作為宿主菌是比較常見的，因為它的遺傳特性比較明顯，生命周期特性健康，而且處理它所需的器材也比較成熟，但是有些真菌細胞不能在其中很好的表達，還有可能新生出有毒有害的物質，抑制微生物的正常生長。于是又發現了比較理想的宿主菌—鏈霉菌，已經有好幾個國家取得了成功，同時也提高了宿主菌的生命周期。

4.宏基因組文庫的挑選

宏基因組文庫是各種基因的組合，從中可以發現新生的物質基因。自然環境中的微生物的種類比較復雜，數量和種類也比較多，所以挑選基因組文庫是一個重工程。

目前比較常用的挑選方法有：功能推動挑選：根據重組基因的某一個或某些特定功能，獲取與之對應的克隆基因。如，根據裂解酶、淀粉酶、抗生素等基因的變現形狀不同來挑選。但是由于檢測的方法有限且和宿主菌的表達有關，因此挑選的效率低下。序列推動挑選：根據序列相似性的特點，利用PCR增加基因序列或通過雜交來挑選所需要的克隆基因，Sargasso海域的宏基因組技術的研究比較成熟，已經在10億對序列中有很大的突破。這種方法相比功能挑選的優勢是對宿主菌的依賴稍小，挑選效率也相對提高，但是必須對序列的特性非常了解，也很難發現新的序列。化合物結構挑選：依據的是物質結構的不同所呈現的色譜峰值也不同，根據比較轉入前后宿主細胞提取物的色譜圖，挑選出所需要的克隆基因，這種方法可以很容易的挑選出新生的物質，但是不一定是有生命力的，而且消費很高，需要大量的挑選。底物驅使基因表達挑選：該方法用于挑選基因接受底物觸發或者酶觸發的目標基因。該方法比較靈活，節省時間，但是對器材的要求很高，并且出現被誤檢測的錯誤幾率也相對較高。

上面這幾種挑選方法各有利弊，在宏基因組文庫的挑選時應當分析應用場合和各種挑選方法的特點，選擇合適的挑選方法來達到最優的挑選結果。

二、宏基因組技術在環境污染改善中的應用

生物修復是最近發展起來的一個熱詞，它是利用各種微生物或者是植物以及自由酶的新陳代謝過程，來改善環境中的污染，不要消費額外的資源，只需要給這些微生物或是植物創造一些有利的條件，如，保證充足的空氣和空氣的流通，供給所需的養分，加入一些菌種來促進生物自身分解有毒有害物質的能力，去除環境的污染物，從而達到保護環境的目的。

1.發現降解基因

研究者發現，自然環境中的微生物的數量是相當有限的，如果單純的依賴這些微量的微生物是很難有重大突破的。因為宏基因組學可以從環境中提取所需的克隆基因而且可以合成我們想要的基因，這對創造新的基因是一個很好的突破。我們可以利用宏基因組技術大量的挑選出能夠降解污染物的基因并大量培養，來降低環境污染改善的成本。

如今，自然界已經嚴重污染，森林的濫砍亂伐，水土流失，湖泊干涸，水質污染，空氣質量變差，空氣中的有毒有害物質增多，嚴重的影響了人們的身體健康。因此治理環境污染迫在眉睫，但是這些地方的環境溫度和微生物的生存溫度存在很大的差異，起不到降解的作用，因此需要利用宏基因組技術挑選出能在較低溫度下生存的微生物，目前研究者已經利用宏基因組技術挑選出的所需的基因并合成了其他可降解污染物的基因簇，并已經應用在工業廢水的處理中，已經發現可以降解塑料，有毒農藥，石油等的微生物。今后將會利用紅基因組技術發現更多的可降解菌，應用于更多的環境污染治理中，讓環境保護提升一大步。

2.剖析微生物種群多樣性

微生物的種群多樣性是受環境影響的，環境的變化會使微生物產生相應的變化，以此來適應環境，因此剖析微生物種群的多樣性對治理環境污染也是很有幫助的。所謂適者生存，大自然的改變必然帶來自然界所有生物的改變，只有順應自然發展才能長久生存。所以環境會迫使微生物的群落發生改變，因此只有清楚的了解微生物種群和自然環境的關系，才能更準確的分析影響環境的各種指標，為保護環境提出更有效的防護措施，對污染改善的治理提供針對性的方法。

三、展望

Whitman等研究人員通過對土壤、海洋、地表等地方的微生物檢測發現，自然環境中所包含的不同物種的基因的總量是非常大的，足以滿足宏基因組技術的要求，有了這個前提條件，宏基因組技術自然會不斷發展與進步的。通過該項技術挑選可降解的基因，并合成適合其他環境的新型的菌落，這些菌落可以應用于處于各種污染，通過這些菌落的自然降解方法能夠節省大量的人力物力，并能夠提高環境的恢復能力，給自然帶來更小的損害。雖然應用前景可觀，但是任然存在一些需要克服的困難，如挑選緊簇的、高質量的DNA和宿主菌直接影響整個技術的進展程度，還有基因組文庫的建立也是一個重大的工程，因為宏基因組技術需要大量提取環境中的DAN，不僅僅需要大量的人力物力，也需要一個良好的工作環境，并且需要結合其他技術來更好的管理宏基因組文庫。將生物學，計算機信息學，環境學等學科聯系起來，讓宏基因組技術在環境保護和污染改善中發揮更有效的作用。

四、總結

大自然是人類賴以生存的環境，人類的生存、健康依賴于良好的自然環境，社會的發展與進步也依賴于良好的自然環境，因此保護環境是每個人的職責，加強污染治理更是迫在眉睫的問題。雖然人們一直在為改善環境不斷努力，但是一直沒有突破，如今宏基因組技術的出現以及不斷成熟必將改善環境污染的治理問題，為環境保護帶來新一層的突破。

Application of Metagenome Technology in Environment Protection and Pollution Improvement

Li Yang
(Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology, Liaoning, 113000)

Metagenomics is a new theory of molecular biological technique in modern microbial ecology research, and it takes the microorganism which does not exist in environment as the study media, and by access to the DNA of all microorganisms in the environment to form the metagenomic library, besides,using the research methods of genomics to analyze the genetic group and the function of their respective communities of all microorganisms in the environment.Since 1999, the technology already has wide application in many fields, such as, industry, medical treatment, agriculture, etc. This article will put forward the measures on the basis of the basic theory of metagenomics, the present stage of research methods, as well as the potential problem such several aspects, and analyze its application in environment protection and pollution improvement.The application of the technology has a lot of help for changes of microorganism in environment, further more it provids theoretical basis for various indicators and improvement of environment.

metagenome technology；environment protection；pollution improvement

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李陽（1989～），女，遼寧石油化工大學，研究方向：環境工程專業。