環(huán)境保護和污染治理中宏基因組技術(shù)的實踐分析

王惠

摘 要：作為微生物生態(tài)學研究的新概念，宏基因組技術(shù)能夠直接從環(huán)境樣品中，提取微生物DNA，構(gòu)建完善的宏基因組文庫，然后結(jié)合基因組學的相關策略，針對環(huán)境樣品中包含的微生物種類、遺傳組成和群落結(jié)構(gòu)等進行研究，其在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等領域有著比較廣泛的應用。本文結(jié)合宏基因組技術(shù)的相關概念，對其在環(huán)境保護和污染治理中的實踐應用進行了簡要分析。

關鍵詞：環(huán)境保護；污染治理；宏基因組技術(shù)；實踐應用

前言：工業(yè)化進程的加快，帶來了比較嚴重的環(huán)境污染問題，不僅影響了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，還給人們的健康造成了很大的威脅，因此，做好環(huán)境保護和污染治理工作，是可持續(xù)發(fā)展理念下社會各界普遍關注的問題。利用宏基因組技術(shù)，開展環(huán)境保護和污染修復，能夠取得良好的效果，而且不會對環(huán)境產(chǎn)生二次破壞。

1 宏基因組技術(shù)概述

宏基因組的概念最早出現(xiàn)了1998年，用以定義土壤細菌的混合基因組，經(jīng)過了十數(shù)年的發(fā)展和演變，現(xiàn)在的宏基因組指的是環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的綜合，也稱環(huán)境基因組或者元基因組。宏基因組的主要研究流程，是從自然環(huán)境中會，直接提取總DNA，經(jīng)純化及部分酶切后，接入到合適的載體中，確保其能夠在適當?shù)沫h(huán)境下轉(zhuǎn)化為宿主菌，進而形成全新的DNA文庫，結(jié)合功能檢索和序列分析等，可以針對獲得的克隆子進行篩選，得到目的產(chǎn)物。這里針對其主要流程進行簡單分析[1]。

（1）環(huán)境樣本提取：環(huán)境樣本的質(zhì)量是宏基因組技術(shù)應用的關鍵所在，在環(huán)境樣本中，存在大量的有機和無極顆粒，微生物占據(jù)的比例很小，而且其一般都是與顆粒緊密依附，想要在充分保證目的基因完整的前提下，完全提取樣本中的DNA，對于相關技術(shù)有著極高的要求。在當前的技術(shù)條件下，比較常見的兩種樣品提取方法包括原味裂解法和異位裂解法。

（2）載體選擇：載體的選擇關系著基因組轉(zhuǎn)入宿主細胞的效率和效果，一般常見的載體包括了有質(zhì)粒、福斯黏粒、細菌人工染色體、哺乳動物人工染色體等，在進行選擇的過程中，主要參照對象是目的基因的大小以及是否有利于實現(xiàn)目的基因的擴增和表達等。每一種載體都有著各自的優(yōu)勢和不足，在實際研究過程中，技術(shù)人員應該結(jié)合具體的需求，對載體進行合理選擇。

（3）宿主菌選擇：目的基因在連接載體之后，需要轉(zhuǎn)化成宿主菌，然后才能夠進行陽性克隆子的篩選工作，得到各種酶和生物活性物質(zhì)，從這個角度分析，想要實現(xiàn)重組基因的高效克隆和表達，宿主菌的選擇是非常重要的前提條件，在進行選擇的過程中，必須考慮轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定性以及載體在宿主菌中的表達性等。

（4）宏基因組文庫篩選：宏基因組文庫的構(gòu)建，主要目的是從中獲取豐富的基因資源，實現(xiàn)對于生物活性物質(zhì)的挖掘。不過，在環(huán)境樣品中，微生物的種類極其繁雜，文庫的容量巨大，如何對功能基因進行有效篩選，是研究人員必須深入探索的問題。就目前來看，經(jīng)過長期的發(fā)展，宏基因組文庫的篩選方案有幾種，包括序列驅(qū)動篩選、功能驅(qū)動篩選、底物誘導基因表達篩選以及化合物結(jié)構(gòu)篩選等。如果想要獲取更多的信息，可以同時應用多種篩選方法，通過優(yōu)勢互補，提升宏基因組文庫的篩選效率[2]。

2 宏基因組技術(shù)在環(huán)境保護和污染治理中的應用

對于環(huán)境的保護和污染的治理，一直都是社會各界普遍關注的問題，最近幾年，伴隨著微生物學的發(fā)展，生物修復技術(shù)逐漸成為了污染修復的熱門技術(shù)，主要是利用細菌、真菌以及一些微生物、植物等，通過自然代謝，對環(huán)境中的污染物進行清除，利用生物的分解能力，實現(xiàn)污染修復的目的。

2.1降解基因及功能菌株的挖掘

相關研究表明，在環(huán)境中可供培養(yǎng)的微生物僅僅占據(jù)為微生物總量的1%-10%，而僅僅依照這些資源來對新的物種和基因進行發(fā)掘，顯然是遠遠不夠的。結(jié)合宏基因組技術(shù)，可以從環(huán)境樣本中進行基因組DNA的提取和克隆，從而實現(xiàn)了直接從自然界獲取遺傳信息，因此理論上能夠獲取任意序列的基因，既可以借此發(fā)現(xiàn)新物種，也可以合成新的物質(zhì)。從這個角度分析，在環(huán)境保護和污染治理中應用宏基因組技術(shù)，具有較高的可行性。

很多環(huán)境污染，尤其是水體污染，溫度相對較低，并不適合常規(guī)微生物的生存，傳統(tǒng)的生物修復技術(shù)無法起到良好的效果。應用宏基因組技術(shù)，可以篩選出一些在低溫條件下具備良好生存能力和生物活性的微生物，實現(xiàn)污染的治理和修復，如海洋石油降解、重金屬低溫修復等。同樣，在高溫、酸堿等極端環(huán)境中，宏基因組技術(shù)的應用同樣能夠起到良好的污染修復效果。就目前而言，在環(huán)境科學領域，遺傳工程是最活躍一個分支，可以將宏基因組中分離出的基因元件組編織成具備降解污染物功能的基因簇，取代原本的化工物，或者直接針對環(huán)境中的污染物質(zhì)進行降解。必須注意一點，基因工程菌在實際應用前，需要做好功能穩(wěn)定性、遺傳穩(wěn)定性以及生態(tài)安全性的檢驗，確認無誤后才能用于污染治理[3]。

2.2生物種群多樣性的分析

在全球環(huán)境變化研究中，生物的多樣性和變化性一直都是備受關注的課題，針對微生物種群的多樣性及相關群落結(jié)構(gòu)進行研究，是現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測與評價的一個重要手段。宏基因組技術(shù)的應用，能夠幫助研究人員充分了解環(huán)境樣品中微生物的多樣性，結(jié)合其中的總DNA提取方法，可以了解微生物與被污染環(huán)境的互作關系，明確污染程度，實現(xiàn)對于環(huán)境的監(jiān)控和評價。例如，Treusch等研究人員從森林土壤以及沙地生態(tài)系統(tǒng)中提取DNA，構(gòu)建出了3個大片段Fosmid基因文庫，對古細菌多樣性進行了明確揭示；黃立南等人采用擴展性rDNA限制性酶切片段分析法，針對廣州市北郊的李坑垃圾填埋場滲濾液中存在的古細菌群落進行了研究和分析，從中初步獲取了垃圾填埋內(nèi)部古細菌群落的結(jié)構(gòu)和多樣性的信息。

伴隨著研究的不斷深入，證實了環(huán)境的變化會對生物物種產(chǎn)生影響，同時，處于隔離狀態(tài)的單一物種會主動對環(huán)境變化作出響應，不過其與存在各類互作關系時的結(jié)果有著很大的差異性。只有在基因組水平上，對環(huán)境脅迫銀族以及微生物群落的組成關系進行深入研究，才能對生物、環(huán)境以及生態(tài)之間的相互關系進行明確，了解其動態(tài)變化，為環(huán)境的保護、檢測、預警、評價及治理提供可靠依據(jù)[4]。

3 結(jié)語

總而言之，利用宏基因組技術(shù)，可以獲取生物多樣性的相關信息，這些信息在環(huán)境監(jiān)測和評價中發(fā)揮著重要作用，不過，考慮到宏基因組技術(shù)研究實踐尚短，存在著大量亟待解決的技術(shù)難題，加上其本身的研究涉及范圍光、工程量巨大，應該對各種資源進行整合，構(gòu)建環(huán)境樣品宏基因組共享數(shù)據(jù)庫，推動多個學科的交叉融合，使得宏基因組技術(shù)在環(huán)境保護和污染治理方面的作用能夠得到最大限度的發(fā)展。

參考文獻

[1]張薇，高洪文，張化永.宏基因組技術(shù)及其在環(huán)境保護和污染修復中的應用[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（4）：1696-1701.

[2]李陽.宏基因組技術(shù)在環(huán)境保護及污染改善中的應用[J].當代化工研究，2016，（4）：53-54.

[3]蘇定江，楊世輝.宏基因組技術(shù)在污染治理中的研究進展[J].三峽環(huán)境與生態(tài)，2013，35（1）：37-40.

[4]李靜，王文文，鄧毛程.宏基因組技術(shù)在海洋石油污染修復中的應用[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學院學報，2013，（3）：35-41.