环境保护和污染治理中宏基因组技术的实践分析

王惠

摘 要：作为微生物生态学研究的新概念，宏基因组技术能够直接从环境样品中，提取微生物DNA，构建完善的宏基因组文库，然后结合基因组学的相关策略，针对环境样品中包含的微生物种类、遗传组成和群落结构等进行研究，其在农业、医学等领域有着比较广泛的应用。本文结合宏基因组技术的相关概念，对其在环境保护和污染治理中的实践应用进行了简要分析。

关键词：环境保护；污染治理；宏基因组技术；实践应用

前言：工业化进程的加快，带来了比较严重的环境污染问题，不仅影响了经济的可持续发展，还给人们的健康造成了很大的威胁，因此，做好环境保护和污染治理工作，是可持续发展理念下社会各界普遍关注的问题。利用宏基因组技术，开展环境保护和污染修复，能够取得良好的效果，而且不会对环境产生二次破坏。

1 宏基因组技术概述

宏基因组的概念最早出现了1998年，用以定义土壤细菌的混合基因组，经过了十数年的发展和演变，现在的宏基因组指的是环境中全部微生物遗传物质的综合，也称环境基因组或者元基因组。宏基因组的主要研究流程，是从自然环境中会，直接提取总DNA，经纯化及部分酶切后，接入到合适的载体中，确保其能够在适当的环境下转化为宿主菌，进而形成全新的DNA文库，结合功能检索和序列分析等，可以针对获得的克隆子进行筛选，得到目的产物。这里针对其主要流程进行简单分析[1]。

（1）环境样本提取：环境样本的质量是宏基因组技术应用的关键所在，在环境样本中，存在大量的有机和无极颗粒，微生物占据的比例很小，而且其一般都是与颗粒紧密依附，想要在充分保证目的基因完整的前提下，完全提取样本中的DNA，对于相关技术有着极高的要求。在当前的技术条件下，比较常见的两种样品提取方法包括原味裂解法和异位裂解法。

（2）载体选择：载体的选择关系着基因组转入宿主细胞的效率和效果，一般常见的载体包括了有质粒、福斯黏粒、细菌人工染色体、哺乳动物人工染色体等，在进行选择的过程中，主要参照对象是目的基因的大小以及是否有利于实现目的基因的扩增和表达等。每一种载体都有着各自的优势和不足，在实际研究过程中，技术人员应该结合具体的需求，对载体进行合理选择。

（3）宿主菌选择：目的基因在连接载体之后，需要转化成宿主菌，然后才能够进行阳性克隆子的筛选工作，得到各种酶和生物活性物质，从这个角度分析，想要实现重组基因的高效克隆和表达，宿主菌的选择是非常重要的前提条件，在进行选择的过程中，必须考虑转化效率、稳定性以及载体在宿主菌中的表达性等。

（4）宏基因组文库筛选：宏基因组文库的构建，主要目的是从中获取丰富的基因资源，实现对于生物活性物质的挖掘。不过，在环境样品中，微生物的种类极其繁杂，文库的容量巨大，如何对功能基因进行有效筛选，是研究人员必须深入探索的问题。就目前来看，经过长期的发展，宏基因组文库的筛选方案有几种，包括序列驱动筛选、功能驱动筛选、底物诱导基因表达筛选以及化合物结构筛选等。如果想要获取更多的信息，可以同时应用多种筛选方法，通过优势互补，提升宏基因组文库的筛选效率[2]。

2 宏基因组技术在环境保护和污染治理中的应用

对于环境的保护和污染的治理，一直都是社会各界普遍关注的问题，最近几年，伴随着微生物学的发展，生物修复技术逐渐成为了污染修复的热门技术，主要是利用细菌、真菌以及一些微生物、植物等，通过自然代谢，对环境中的污染物进行清除，利用生物的分解能力，实现污染修复的目的。

2.1降解基因及功能菌株的挖掘

相关研究表明，在环境中可供培养的微生物仅仅占据为微生物总量的1%-10%，而仅仅依照这些资源来对新的物种和基因进行发掘，显然是远远不够的。结合宏基因组技术，可以从环境样本中进行基因组DNA的提取和克隆，从而实现了直接从自然界获取遗传信息，因此理论上能够获取任意序列的基因，既可以借此发现新物种，也可以合成新的物质。从这个角度分析，在环境保护和污染治理中应用宏基因组技术，具有较高的可行性。

很多环境污染，尤其是水体污染，温度相对较低，并不适合常规微生物的生存，传统的生物修复技术无法起到良好的效果。应用宏基因组技术，可以筛选出一些在低温条件下具备良好生存能力和生物活性的微生物，实现污染的治理和修复，如海洋石油降解、重金属低温修复等。同样，在高温、酸碱等极端环境中，宏基因组技术的应用同样能够起到良好的污染修复效果。就目前而言，在环境科学领域，遗传工程是最活跃一个分支，可以将宏基因组中分离出的基因元件组编织成具备降解污染物功能的基因簇，取代原本的化工物，或者直接针对环境中的污染物质进行降解。必须注意一点，基因工程菌在实际应用前，需要做好功能稳定性、遗传稳定性以及生态安全性的检验，确认无误后才能用于污染治理[3]。

2.2生物种群多样性的分析

在全球环境变化研究中，生物的多样性和变化性一直都是备受关注的课题，针对微生物种群的多样性及相关群落结构进行研究，是现代环境监测与评价的一个重要手段。宏基因组技术的应用，能够帮助研究人员充分了解环境样品中微生物的多样性，结合其中的总DNA提取方法，可以了解微生物与被污染环境的互作关系，明确污染程度，实现对于环境的监控和评价。例如，Treusch等研究人员从森林土壤以及沙地生态系统中提取DNA，构建出了3个大片段Fosmid基因文库，对古细菌多样性进行了明确揭示；黄立南等人采用扩展性rDNA限制性酶切片段分析法，针对广州市北郊的李坑垃圾填埋场渗滤液中存在的古细菌群落进行了研究和分析，从中初步获取了垃圾填埋内部古细菌群落的结构和多样性的信息。

伴随着研究的不断深入，证实了环境的变化会对生物物种产生影响，同时，处于隔离状态的单一物种会主动对环境变化作出响应，不过其与存在各类互作关系时的结果有着很大的差异性。只有在基因组水平上，对环境胁迫银族以及微生物群落的组成关系进行深入研究，才能对生物、环境以及生态之间的相互关系进行明确，了解其动态变化，为环境的保护、检测、预警、评价及治理提供可靠依据[4]。

3 结语

总而言之，利用宏基因组技术，可以获取生物多样性的相关信息，这些信息在环境监测和评价中发挥着重要作用，不过，考虑到宏基因组技术研究实践尚短，存在着大量亟待解决的技术难题，加上其本身的研究涉及范围光、工程量巨大，应该对各种资源进行整合，构建环境样品宏基因组共享数据库，推动多个学科的交叉融合，使得宏基因组技术在环境保护和污染治理方面的作用能够得到最大限度的发展。

参考文献

[1]张薇，高洪文，张化永.宏基因組技术及其在环境保护和污染修复中的应用[J].生态环境，2008，17（4）：1696-1701.

[2]李阳.宏基因组技术在环境保护及污染改善中的应用[J].当代化工研究，2016，（4）：53-54.

[3]苏定江，杨世辉.宏基因组技术在污染治理中的研究进展[J].三峡环境与生态，2013，35（1）：37-40.

[4]李静，王文文，邓毛程.宏基因组技术在海洋石油污染修复中的应用[J].广东轻工职业技术学院学报，2013，（3）：35-41.