宏基因组技术在环境保护及污染改善中的应用

O 李 阳

（辽宁石油化工大学 辽宁 113000）

宏基因组技术在环境保护及污染改善中的应用

O 李 阳

（辽宁石油化工大学 辽宁 113000）

宏基因组学是现代微生物生态学研究中分子生物学技术的一个新理论，它以环境中没有培养的微生物为研究媒介，通过获取环境中全部微生物的DNA，形成宏基因组的库，利用基因组学的研究方法分析环境中全部微生物的遗传分组和他们各自群落的功能。自1999年以来，这项技术已经在很多领域有广泛的应用，如，工业、医疗、农业等。本文将从宏基因组的基本理论，现阶段的研究方法，以及潜在的问题这几个方面为基础并提出解决问题的方法，解析它在环境保护及污染改善中的应用。该项技术的应用对于环境中微生物的变化有很大的帮助，而且为环境中的各项指标和改善提供理论依据。

宏基因组技术；环境保护；污染改善

由于微生物学和现代生命科学都在不停的进步与发展，所以衍生出一门新型的科学技术，即宏基因组学，它的出现也越来越受到研究者的重视。因为宏基因组技术可以利用环境中现成的样品资源而无需预先培养就可以获得新的活的物质基因，从而避免了各种细菌的干扰。它的这种能直接从自然环境中提取所需要的信息的能力，大大的提高了微生物资源的利用率，所以成为当今生命科学研究的重点，并且已经应用在各个生态环境中。或许该项技术还可以发现新基因和物种，为环境保护和治理环境污染带来更大的突破。本文将从宏基因组技术的本质，核心技术以及环境保护和污染改善几个方面来展开讨论。

一、宏基因技术的本质

宏基因组的基本概念是有美国威斯康星大学的Handdelsman教授于1998年提出的，它的最初意愿是用来定义土壤细菌的混合基因组，后来发展成为环境中所有的微小生物的遗传物质的总和，而且特指环境中的真菌和细菌的基因组的全部组合。它的研究方法是不需要通过其他途径而是直接从环境中获取环境中的DNA，经过一定的处理，将它分配到合适的载体上，转化成我们需要的一种菌，进而形成一个全新的DNA库。通过各种分析、检测基因的方法提取目的基因。所以宏基因组技术包含环境中的样品DNA的筛选，提炼，载体和基因组文库的挑选等多方面的影响因素，这些步骤的成功与否对宏基因组技术的成败都起着决定性的作用。

1.环境样本中DNA的提炼

在环境样品中混杂着各种基因，从中获取高质量的样本DNA是宏基因组技术的一个重要的步骤。在自然的大环境中存在着各种各样的物质，包括颗粒、粉尘、微生物等，其实微生物在其中的比率是很小的，而且细胞是附着在颗粒或粉尘的表面上的，所以要想完整地提炼出样品中的DNA是很困难的。

但是为了充分利用宏基因组技术的优势，研究者们还是迎难而上，最终还是发现了两种比较有用的提炼方法。一种是原位裂解法，即将样品经过声波处理或是机器处理粉碎后，然后放在裂解缓冲液中，最后再进行提炼。这种方法的操作不复杂，样品的提炼效率也比较高，但是人为的处理后，DNA的片段就会变得不紧簇，影响文库的建立。另一种是异位裂解法，即先将微生物从环境中分离开来，再用比较柔和的方法提取样品DNA。该方法主要应用于提炼片段比较大的DNA，但是这样方法的操作比较复杂，提炼的成本也相比前者高，而且在微生物的分离过程中还会损失一部分微生物细胞，柔和提炼DNA的方法会使一部分微生物的DNA提取不到，这样会造成DNA的大量浪费。

2.载体的挑选

载体在宏基因组技术中起着一种媒介的作用，它的地位自然是不言而喻了，因为基因组进入宿主细胞需要载体的传送，合适的载体直接影响基因组的传送效率。质粒、福斯黏粒、细菌人工染色体等都是比较常用的载体。挑选载体时需要考虑目的基因的长度，是否有利于目的基因的增长，以及在挑选过程中的细胞量的控制等。如，对于小于10kb的基因选择质粒载体比较合适，而对于DNA片段比较大的基因则采用Cosmid、BAC、PI等载体。但是这两种载体各有利弊，所以在研究中需要视具体而定，并且试着寻找新的更适合的载体。

3.宿主菌的挑选

宿主菌是目的基因承接上载体后的产物，宿主菌的挑选决定着重组基因克隆或表达的效率，在挑选宿主菌时需要将重组后的细胞的表达效果以及转化率作为参考因素。

目前，大肠杆菌作为宿主菌是比较常见的，因为它的遗传特性比较明显，生命周期特性健康，而且处理它所需的器材也比较成熟，但是有些真菌细胞不能在其中很好的表达，还有可能新生出有毒有害的物质，抑制微生物的正常生长。于是又发现了比较理想的宿主菌—链霉菌，已经有好几个国家取得了成功，同时也提高了宿主菌的生命周期。

4.宏基因组文库的挑选

宏基因组文库是各种基因的组合，从中可以发现新生的物质基因。自然环境中的微生物的种类比较复杂，数量和种类也比较多，所以挑选基因组文库是一个重工程。

目前比较常用的挑选方法有：功能推动挑选：根据重组基因的某一个或某些特定功能，获取与之对应的克隆基因。如，根据裂解酶、淀粉酶、抗生素等基因的变现形状不同来挑选。但是由于检测的方法有限且和宿主菌的表达有关，因此挑选的效率低下。序列推动挑选：根据序列相似性的特点，利用PCR增加基因序列或通过杂交来挑选所需要的克隆基因，Sargasso海域的宏基因组技术的研究比较成熟，已经在10亿对序列中有很大的突破。这种方法相比功能挑选的优势是对宿主菌的依赖稍小，挑选效率也相对提高，但是必须对序列的特性非常了解，也很难发现新的序列。化合物结构挑选：依据的是物质结构的不同所呈现的色谱峰值也不同，根据比较转入前后宿主细胞提取物的色谱图，挑选出所需要的克隆基因，这种方法可以很容易的挑选出新生的物质，但是不一定是有生命力的，而且消费很高，需要大量的挑选。底物驱使基因表达挑选：该方法用于挑选基因接受底物触发或者酶触发的目标基因。该方法比较灵活，节省时间，但是对器材的要求很高，并且出现被误检测的错误几率也相对较高。

上面这几种挑选方法各有利弊，在宏基因组文库的挑选时应当分析应用场合和各种挑选方法的特点，选择合适的挑选方法来达到最优的挑选结果。

二、宏基因组技术在环境污染改善中的应用

生物修复是最近发展起来的一个热词，它是利用各种微生物或者是植物以及自由酶的新陈代谢过程，来改善环境中的污染，不要消费额外的资源，只需要给这些微生物或是植物创造一些有利的条件，如，保证充足的空气和空气的流通，供给所需的养分，加入一些菌种来促进生物自身分解有毒有害物质的能力，去除环境的污染物，从而达到保护环境的目的。

1.发现降解基因

研究者发现，自然环境中的微生物的数量是相当有限的，如果单纯的依赖这些微量的微生物是很难有重大突破的。因为宏基因组学可以从环境中提取所需的克隆基因而且可以合成我们想要的基因，这对创造新的基因是一个很好的突破。我们可以利用宏基因组技术大量的挑选出能够降解污染物的基因并大量培养，来降低环境污染改善的成本。

如今，自然界已经严重污染，森林的滥砍乱伐，水土流失，湖泊干涸，水质污染，空气质量变差，空气中的有毒有害物质增多，严重的影响了人们的身体健康。因此治理环境污染迫在眉睫，但是这些地方的环境温度和微生物的生存温度存在很大的差异，起不到降解的作用，因此需要利用宏基因组技术挑选出能在较低温度下生存的微生物，目前研究者已经利用宏基因组技术挑选出的所需的基因并合成了其他可降解污染物的基因簇，并已经应用在工业废水的处理中，已经发现可以降解塑料，有毒农药，石油等的微生物。今后将会利用红基因组技术发现更多的可降解菌，应用于更多的环境污染治理中，让环境保护提升一大步。

2.剖析微生物种群多样性

微生物的种群多样性是受环境影响的，环境的变化会使微生物产生相应的变化，以此来适应环境，因此剖析微生物种群的多样性对治理环境污染也是很有帮助的。所谓适者生存，大自然的改变必然带来自然界所有生物的改变，只有顺应自然发展才能长久生存。所以环境会迫使微生物的群落发生改变，因此只有清楚的了解微生物种群和自然环境的关系，才能更准确的分析影响环境的各种指标，为保护环境提出更有效的防护措施，对污染改善的治理提供针对性的方法。

三、展望

Whitman等研究人员通过对土壤、海洋、地表等地方的微生物检测发现，自然环境中所包含的不同物种的基因的总量是非常大的，足以满足宏基因组技术的要求，有了这个前提条件，宏基因组技术自然会不断发展与进步的。通过该项技术挑选可降解的基因，并合成适合其他环境的新型的菌落，这些菌落可以应用于处于各种污染，通过这些菌落的自然降解方法能够节省大量的人力物力，并能够提高环境的恢复能力，给自然带来更小的损害。虽然应用前景可观，但是任然存在一些需要克服的困难，如挑选紧簇的、高质量的DNA和宿主菌直接影响整个技术的进展程度，还有基因组文库的建立也是一个重大的工程，因为宏基因组技术需要大量提取环境中的DAN，不仅仅需要大量的人力物力，也需要一个良好的工作环境，并且需要结合其他技术来更好的管理宏基因组文库。将生物学，计算机信息学，环境学等学科联系起来，让宏基因组技术在环境保护和污染改善中发挥更有效的作用。

四、总结

大自然是人类赖以生存的环境，人类的生存、健康依赖于良好的自然环境，社会的发展与进步也依赖于良好的自然环境，因此保护环境是每个人的职责，加强污染治理更是迫在眉睫的问题。虽然人们一直在为改善环境不断努力，但是一直没有突破，如今宏基因组技术的出现以及不断成熟必将改善环境污染的治理问题，为环境保护带来新一层的突破。

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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李阳（1989～），女，辽宁石油化工大学，研究方向：环境工程专业。