環境微生物技術

❶ 周圍環境的微生物種類及其分布

微生物(microorganism簡稱microbe)是包括細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動物等在內的一大類生物群體，它個體微小，卻與人類生活密切相關。微生物在自然界中可謂「無處不在，無處不有」，涵蓋了有益有害的眾多種類，廣泛涉及健康、醫葯、工農業、環保等諸多領域。
原核：細菌、放線菌、螺旋體、支原體、立克次氏體、衣原體。
真核：真菌、藻類、原生動物。
非細胞類：病毒和亞病毒。
微生物一般地，在中國大陸地區的教科書中，均將微生物劃分為以下8大類：細菌、病毒、真菌、放線菌、立克次體、支原體、衣原體、螺旋體。
微生物的定義
一切肉眼看不見的或看不清的微小生物的總稱
1 特點: 個體微小,一般<0.1mm。
構造簡單,有單細胞的,簡單多細胞的,非細胞的
進化地位低。
2 分類 原核類: 三菌,三體 。
真核類: 真菌,原生動物,顯微藻類。
非細胞類: 病毒,亞病毒 ( 類病毒,擬病毒,朊病毒)
3 五大共性: 體積小,面積大
吸收多,轉化快
生長旺,繁殖快
適應強,易變異
分布廣,種類多
二、微生物的類群
1 細菌:
(1)定義:一類細胞細短,結構簡單,胞壁堅韌,多以二分裂方式繁殖和水生性強的原核生物
(2)分布:溫暖,潮濕和富含有機質的地方
(3)結構:主要是單細胞的原核生物,有球形,桿形,螺旋形
細胞壁
基本結構 細胞膜
細胞質
結構 擬核
鞭毛
特殊結構 莢膜
芽孢
(4)繁殖: 主要以二分裂方式進行繁殖的
(5)菌落: 單個細菌用肉眼是看不見的,當單個或少數細菌在固體培養基啊行大量繁殖時,便會形成一個肉眼可見的,具有一定形態結構的子細胞群落.
菌落是菌種鑒定的重要依據.不同種類的細菌菌落的大小,形狀光澤度顏色硬度透明毒都不同.
2 放線菌
(1)定義:一類主要成菌絲狀生長和以孢子繁殖的陸生性較強的原核生物
(2)分布:含水量較低,有機物較豐富的,呈微鹼性的土壤中
(3)形態構造:主要由菌絲組成,包括基內菌絲和氣生菌絲(部分氣生菌絲可以成熟分化為孢子絲,產生孢子)
(4)繁殖:通過形成無性孢子的形式進行無性繁殖
無性繁殖 有性繁殖
(5)菌落:在固體培養基上:乾燥,不透明,表面呈緻密的絲絨狀,彩色乾粉
3 病毒
(1) 定義:一類由核酸和蛋白質等少數幾種成分組成的」非細胞生物」,但是它的生存必須依賴於活細胞.
(2)結構:
(3)大小:
一般直徑在100nm左右
最大的病毒直徑為200nm的牛痘病毒
最小的病毒直徑為28nm的脊髓灰質炎病毒
(4)增殖:以 噬菌體為例:
吸附 侵入 增殖 裝配 釋放
第二節微生物的營養
一、微生物的化學組成
C,H,O,N,P,S以及其他元素
二、微生物的營養物質
1 水和無機鹽
2 碳源:凡能為微生物提供生長繁殖所需碳元素的營養物質
來源
作用
3氮源:凡能為微生物提供所必需氮元素的營養物質
來源
作用:主要用於合成蛋白質,核酸以及含氮的代謝產物
4 能源:能為微生物生命活動提供最初能源來源的營養物質或輻射能
根據碳源和能源分類:
5生長因子:微生物生長不可缺少的微量有機物
能引起人和動物致病的微生物叫病源微生物有八大類：
1.真菌:引起皮膚病。深部組織上感染。
2放線菌：皮膚，傷口感染。
3螺旋體：皮膚病，血液感染 如梅毒，鉤端螺旋體病。
4細菌：皮膚病化膿，上呼吸道感染 ，泌尿道感染，食物中毒，敗血壓症，急性傳染病等。
5立克次氏體：斑疹傷寒等。
6衣原體：沙眼，泌尿生殖道感染。
7病毒：肝炎，乙型腦炎，麻疹，艾滋病等。
8支原體：肺炎，尿路感染。
生物界的微生物達幾萬種，大多數對人類有益，只有一少部份能致病。有些微生物通常不致病，在特定環境下能引起感染稱條件致病菌。 能引起食品變質，腐敗，正因為它們分解自然界的物體，才能完成大自然的物質循環。
有些人誤將真菌當作細菌，是一種比較普遍的誤解。尤其以80年代以前未受過系統生物學教育者。
微生物對人類最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有50％是由病毒引起。世界衛生組織公布資料顯示：傳染病的發病率和病死率在所有疾病中占據第一位。微生物導致人類疾病的歷史，也就是人類與之不斷斗爭的歷史。在疾病的預防和治療方面，人類取得了長足的進展，但是新現和再現的微生物感染還是不斷發生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療葯物。一些疾病的致病機制並不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力，使許多菌株發生變異，導致耐葯性的產生，人類健康受到新的威脅。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發生了變異，這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐葯性結核桿菌的出現使原本已近控制住的結核感染又在世界范圍內猖獗起來。
微生物千姿百態，有些是腐敗性的，即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的，它們可用來生產如乳酪，麵包，泡菜，啤酒和葡萄酒。微生物非常小，必須通過顯微鏡放大約1000 倍才能看到。比如中等大小的細菌，1000個疊加在一起只有句號那麼大。想像一下一滴牛奶，每毫升腐敗的牛奶中約有5千萬個細菌，或者講每誇脫牛奶中細菌總數約為50億。也就是一滴牛奶中可有含有50 億個細菌。
微生物能夠致病，能夠造成食品、布匹、皮革等發霉腐爛，但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青黴菌抑制其它細菌的生長中發現了青黴素，這對醫葯界來講是一個劃時代的發現。後來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命。一些微生物被廣泛應用於工業發酵，生產乙醇、食品及各種酶制劑等；一部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等等，並且可再生資源的潛力極大，稱為環保微生物；還有一些能在極端環境中生存的微生物，例如：高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境，依然存在著一部分微生物等等。看上去，我們發現的微生物已經很多，但實際上由於培養方式等技術手段的限制，人類現今發現的微生物還只佔自然界中存在的微生物的很少一部分。
微生物間的相互作用機制也相當奧秘。例如健康人腸道中即有大量細菌存在，稱正常菌群，其中包含的細菌種類高達上百種。在腸道環境中這些細菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物質甚至葯物的分解與吸收，菌群在這些過程中發揮的作用，以及細菌之間的相互作用機制還不明了。一旦菌群失調，就會引起腹瀉。
隨著醫學研究進入分子水平，人們對基因、遺傳物質等專業術語也日漸熟悉。人們認識到，是遺傳信息決定了生物體具有的生命特徵，包括外部形態以及從事的生命活動等等，而生物體的基因組正是這些遺傳信息的攜帶者。因此闡明生物體基因組攜帶的遺傳信息，將大大有助於揭示生命的起源和奧秘。在分子水平上研究微生物病原體的變異規律、毒力和致病性，對於傳統微生物學來說是一場革命。
以人類基因組計劃為代表的生物體基因組研究成為整個生命科學研究的前沿，而微生物基因組研究又是其中的重要分支。世界權威性雜志《科學》曾將微生物基因組研究評為世界重大科學進展之一。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機制，發現重要的功能基因並在此基礎上發展疫苗，開發新型抗病毒、抗細菌、真菌葯物，將對有效地控制新老傳染病的流行，促進醫療健康事業的迅速發展和壯大!
從分子水平上對微生物進行基因組研究為探索微生物個體以及群體間作用的奧秘提供了新的線索和思路。為了充分開發微生物（特別是細菌）資源，1994年美國發起了微生物基因組研究計劃（MGP）。通過研究完整的基因組信息開發和利用微生物重要的功能基因，不僅能夠加深對微生物的致病機制、重要代謝和調控機制的認識，更能在此基礎上發展一系列與我們的生活密切相關的基因工程產品，包括：接種用的疫苗、治療用的新葯、診斷試劑和應用於工農業生產的各種酶制劑等等。通過基因工程方法的改造，促進新型菌株的構建和傳統菌株的改造，全面促進微生物工業時代的來臨。
工業微生物涉及食品、制葯、冶金、采礦、石油、皮革、輕化工等多種行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素C以及一些風味食品的制備等；某些特殊微生物酶參與皮革脫毛、冶金、採油采礦等生產過程，甚至直接作為洗衣粉等的添加劑；另外還有一些微生物的代謝產物可以作為天然的微生物殺蟲劑廣泛應用於農業生產。通過對枯草芽孢桿菌的基因組研究，發現了一系列與抗生素及重要工業用酶的產生相關的基因。乳酸桿菌作為一種重要的微生態調節劑參與食品發酵過程，對其進行的基因組學研究將有利於找到關鍵的功能基因，然後對菌株加以改造，使其更適於工業化的生產過程。國內維生素C兩步發酵法生產過程中的關鍵菌株氧化葡萄糖酸桿菌的基因組研究，將在基因組測序完成的前提下找到與維生素C生產相關的重要代謝功能基因，經基因工程改造，實現新的工程菌株的構建，簡化生產步驟，降低生產成本，繼而實現經濟效益的大幅度提升。對工業微生物開展的基因組研究，不斷發現新的特殊酶基因及重要代謝過程和代謝產物生成相關的功能基因，並將其應用於生產以及傳統工業、工藝的改造，同時推動現代生物技術的迅速發展。
農業微生物基因組研究認清致病機制發展控制病害的新對策
據資料統計，全球每年因病害導致的農作物減產可高達20％，其中植物的細菌性病害最為嚴重。除了培植在遺傳上對病害有抗性的品種以及加強園藝管理外，似乎沒有更好的病害防治策略。因此積極開展某些植物致病微生物的基因組研究，認清其致病機制並由此發展控制病害的新對策顯得十分緊迫。
經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發表了全序列的植物致病微生物。還有一些在分類學、生理學和經濟價值上非常重要的農業微生物，例如：胡蘿卜歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及我國正在開展的黃單胞菌的研究等正在進行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也剛剛測定完成。借鑒已經較為成熟的從人類病原微生物的基因組學信息篩選治療性葯物的方案，可以嘗試性地應用到植物病原體上。特別像柑橘的致病菌這種需要昆蟲媒介才能完成生活周期的種類，除了殺蟲劑能阻斷其生活周期以外，只能通過遺傳學研究找到毒力相關因子，尋找抗性靶位以發展更有效的控制對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對於開發利用其固氮關鍵基因提高農作物的產量和質量也具有重要的意義。
環境保護微生物基因組研究找到關鍵基因降解不同污染物
在全面推進經濟發展的同時，濫用資源、破壞環境的現象也日益嚴重。面對全球環境的一再惡化，提倡環保成為全世界人民的共同呼聲。而生物除污在環境污染治理中潛力巨大，微生物參與治理則是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有機物；還能處理工業廢水中的磷酸鹽、含硫廢氣以及土壤的改良等。微生物能夠分解纖維素等物質，並促進資源的再生利用。對這些微生物開展的基因組研究，在深入了解特殊代謝過程的遺傳背景的前提下，有選擇性的加以利用，例如找到不同污染物降解的關鍵基因，將其在某一菌株中組合，構建高效能的基因工程菌株，一菌多用，可同時降解不同的環境污染物質，極大發揮其改善環境、排除污染的潛力。美國基因組研究所結合生物晶元方法對微生物進行了特殊條件下的表達譜的研究，以期找到其降解有機物的關鍵基因，為開發及利用確定目標。
極端環境微生物基因組研究深入認識生命本質應用潛力極大
在極端環境下能夠生長的微生物稱為極端微生物，又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性，極端微生物基因組的研究有助於從分子水平研究極限條件下微生物的適應性，加深對生命本質的認識。
有一種嗜極菌，它能夠暴露於數千倍強度的輻射下仍能存活，而人類一個劑量強度就會死亡。該細菌的染色體在接受幾百萬拉德a射線後粉碎為數百個片段，但能在一天內將其恢復。研究其DNA修復機制對於發展在輻射污染區進行環境的生物治理非常有意義。開發利用嗜極菌的極限特性可以突破當前生物技術領域中的一些局限，建立新的技術手段，使環境、能源、農業、健康、輕化工等領域的生物技術能力發生革命。來自極端微生物的極端酶，可在極端環境下行使功能，將極大地拓展酶的應用空間，是建立高效率、低成本生物技術加工過程的基礎，例如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的鹼性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與應用將是取得現代生物技術優勢的重要途徑，其在新酶、新葯開發及環境整治方面應用潛力極大。
微生物在整個生命世界中的地位!
當人類在發現和研究微生物之前，把一切生物分成截然不同的兩大界－動物界和植物界。隨著人們對微生物認識的逐步深化，從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統，直到70年代後期，美國人Woese等發現了地球上的第三生命形式－古菌，才導致了生命三域學說的誕生。該學說認為生命是由古菌域（Archaea）、細菌域（Bacteria）和真核生物域（Eucarya）所構成。在圖示「生物的系統進化樹」中，左側的黃色分枝是細菌域；中間的褐色和紫色分枝是古菌域；右側的綠色分枝是真核生物域。
古菌域包括嗜泉古菌界（Crenarchaeota）、廣域古菌界（Euryarchaeota）和初生古菌界（Korarchaeota）；細菌域包括細菌、放線菌、藍細菌和各種除古菌以外的其它原核生物；真核生物域包括真菌、原生生物、動物和植物。除動物和植物以外，其它絕大多數生物都屬微生物范疇。由此可見，微生物在生物界級分類中佔有特殊重要的地位。
生命進化一直是人們關注的熱點。Brown等依據平行同源基因構建的「Cenancestor」生命進化樹，認為生命的共同祖先Cenancestor是一個原生物。原生物在進化過程中產生兩個分支，一個是原核生物（細菌和古菌），一個是原真核生物，在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化，然後原真核生物經吞食一個古菌，並由古菌的DNA取代寄主的RNA基因組而產生真核生物。
從進化的角度，微生物是一切生物的老前輩。如果把地球的年齡比喻為一年的話，則微生物約在3月20日誕生，而人類約在12月31日下午7時許出現在地球上。

❷ 結合你所學到的環境微生物學方面的知識，談談對環境微生物學在環境科學和環境治理領域中的應用和發展前景

摘要：微生物在環境中充當著極其重要的角色，它在自然界的生態平衡和物質循環中起著不可替代的作用。同時，在環境污染和治理方面，微生物也起著重要作用。環境微生物學的興起是微生物學與環境科學交叉發展的必然結果。它由普通微生物學發展起來的環境科學和環境工程的一門學科.它以普通微生物學為基礎，在研究微生物學一般規律的同時，著重微生物和環境之間互相作用的規律，微生物活動對環境和人類產生的有益和有害的影響以及在環境污染控制工程中有關的微生物原理的研究，是環境科學和環境工程的重要理論基礎。環境微生物學的內容十分廣泛，而且該學科近年來的發展十分迅速，一些生物學的新技術手段被不斷應用到環境微生物學領域中。
關鍵詞:環境科學；環境工程；微生物學；環境微生物學
1 微生物學的發展簡史
微生物學是研究微生物及其生命活動的科學。微生物具有種類繁多、體積微小、比表面積大、代謝類型多、代謝強度高、生長繁殖速度快、容易變異、種類多等多種特點。它廣泛分布於空氣、水、土壤、人體及動植物體內獨立或寄生生活。大多數微生物對人類和動植物是有益的，特別是它與人類的生活有密切的關系，對工農業生產、人類的生活環境與健康衛生有極大的影響[1]。
人類對微生物的利用甚早。我國在利用微生物方面，更有著豐富的經驗和悠久的歷史。早在公元前3世紀，在《呂氏春秋》里就有「儀狄作酒禹飲而甘之」之說。在公元6世紀，後魏賈思勰所著的《齊民要術》一書中就詳細記載了制曲和釀酒的技術，還記載了栽種豆科植物可以肥沃土壤，當時雖不知根瘤菌的存在，也不知固氮作用，而會利用根瘤菌積累氮肥等等。
1676年，微生物學的先驅列文虎克用自製的單式顯微鏡首次觀察到了細菌的個體，為揭開微生物世界的奧秘打開了大門，具有劃時代的意義。在之後近200年的時間里，人們對微生物的研究僅停留在出於個人愛好對一些微生物進行形態描述的低級水平上，包括細菌、原生動物和真菌，但對它們的生理活動機理及其與人類實踐活動的關系卻未加研究，因此，微生物作為一門學科在當時還未形成。
在19世紀末和20世紀初微生物學被牢固地建立起來。法國的巴斯德和德國的科赫，分別被稱為微生物學的奠基人和細菌學的奠基人。巴斯德在研究釀酒生產中酒質變酸的問題時，指出發酵是微生物的作用。巴斯德創立了培養基和玻璃器皿的滅菌方法及巴氏消毒，建立完成了稀釋和次代培養的無菌技術。為生物學的發展做出了突出的貢獻。科赫在培養細菌學的巨大貢獻是發明了用固體培養基的「細菌純培養法」和把混合培養物純化的技術，並用在固體培養基上劃線接種的方法獲得了單一的純種。這種技術使得培養細菌學發生革命性變化，並使得十九世紀最後二十年中這個學科得以開出絢麗的花朵。進入二十世紀，微生物學獲得了飛速的發展，研究重點逐漸轉移到了生化水平及分子生物學的水平上。工業微生物學與發酵工程、遺傳工程、細胞工程、酶工程和生物反應器工程一起組成了生物工程學這個當代高科技領域。
隨著社會經濟發展的需要，人們不斷加強對微生物的研究，己形成了許多微生物學的分支學科。例如有普通微生物學、微生物生理學、微生物生態學、微生物遺傳學；有病毒學、細菌學、真菌學；還有土壤微生物學、海洋微生物學；再有醫學微生物學、工業微生物學、農業微生物學、環境微生物學、石油微生物學等等， 由此可見微生物學的發展無不體現著學科的交叉，特別是相關的細胞生物學，生物化學，遺傳學及分子生物學間的相互促進，由此推動整個生命科學的飛速發展。同時物理，化學，計算機技術及材料科學的發展，為微生物學的發展提供了必要的技術手段。所以，微生物學的發展歷史是輝煌的[2~4]。
2、環境微生物學的研究內容
環境微生物學主要是介紹環境微生物學的發展和生物學基礎知識；在環境中存在的微生物主要種類和特點；微生物的生理和代謝，微生物生長和環境因子對微生物的影響；微生物的遺傳和變異，微生物的生態及其分布；在各種環境條件下微生物的存在和變化，微生物的代謝活動對環境的影響；微生物在自然界中的地位和作用，在生物地球化學循環中的作用；在環境領域中微生物所起的作用，微生物對污染物產生抗性的分子機理，以及對污染物降解的代謝途徑。
3、環境微生物學的發展
隨著人類的生活要求和工農業生產的迅速發展，大量人工合成的並難以被天然微生物迅速降解轉化的污染性化合物進入到自然環境中。嚴重威脅人類及其他生物正常生存發展。其中，普遍存在於土壤環境中的重要有機污染物如多環芳烴，農葯類等，因其致癌性，致畸性，致突變性而被認為是危險物質。分子生物學技術的應用為污染治理、防治提供了新的思路和方法[5] 。同時，污染導致資源環境中的生物重組，對環境中復雜的混合微生物群落進行及時監控和准確鑒定變得越來越重要。而分子生物學技術因其快速、准確、靈敏的特點，正逐步取代某些傳統的研究方法而被廣泛用於環境微生物的監測[6] 。
3.1與環境微生物研究相關的各種分子生物學技術
3.1.1核酸探針檢測技術
利用能與特定核苷酸序列發生特異性互補的已知核苷酸片段作探針分析DNA序列及片段長度多態性。被標記(放射性或非放射性的)的探針以原位雜交、Southern印跡雜交、斑點印跡和狹線印跡雜交等不同的方法，可直接用來探測溶液中、細胞組織內或固定在膜上的同源核酸序列。由於核酸分子雜交的高度特異性及檢測方法的高度靈敏性，使得核酸分子雜交技術廣泛應用於對環境中微生物的檢測，定性、定量分析它們的存在、分布、豐度和適應性等研究目標。
熒光原位雜交(FISH)是目前單個細胞水平上分析微生物群落結構的常用分子生態學方法。目前可利用FISH的方法，使用一整套特異的寡核苷酸探針可進行單個細胞的快速分類[7~8]。流式細胞計(FCM)是另一種能快速分析和分類單細胞群體的技術。適用於對有關微生物群落的組成和動態進行快速和頻繁的監測。RFLP標記基於Southern印跡雜交的技術，即DNA限製片段長度多態性，是在生物多樣性研究中廣泛應用的DNA分子標記。可作為一種能高度靈敏檢測污染環境下微生物種群變化的方法。
3.1.2 PCR及相關技術
PCR是一種體外擴增核酸序列從而得到多個核酸拷貝的技術。根據擴增的模板，引物序列來源及反應條件的不同可將PCR技術分為以下幾種：(1)反轉錄PCR技術是在mRNA反轉錄之後進行的PCR擴增，可以用來分析不同生長時期的mRNA表達狀態的相關性。(2)競爭PCR是一種定量PCR，通過向PCR反應體系中加入人工構建的帶有突變的競爭模板、控制競爭模板的濃度來確定目的模板的濃度，對目的模板作定量研究。競爭性PCR曾被用來測定受多環芳烴污染的沉降物中的編碼鄰基二酚-2，3-加雙氧酶的dmpB基因濃度[9]。(3)擴增的rDNA限制酶切分析技術，是美國最新發展起來的一項現代生物鑒定技術，它根據原核生物rDNA序列的保守性，將擴增的rDNA片段進行酶切。然後通過酶切圖譜來分析菌間的多樣性。
3.1.3電泳分離及顯示方法
除我們熟知的瓊脂糖凝膠電泳並用溴乙錠(EB)染色方法和聚丙烯醯胺凝膠電泳(PAGE分離)銀染的方法外，還有一些通過特殊的電泳分離技術而建立的分子標記。如變性梯度凝膠電泳、溫度梯度凝膠電泳、單鏈構象多態性等，都是通過實施一些變性條件改變DNA雙螺旋結構(如添加線性梯度的變性劑或建立變性溫度梯度等)，由於序列不同的DNA片段，其部分解鏈程度也不同，不同的結構對DNA在凝膠中遷移速率影響很大，結果不同序列的DNA片段在凝膠上得以高解析度的分離。
3.1.4 基因重組技術
利用DNA體外重組或擴增技術從供體生物基因組中分離感興趣的基因或DNA片段，或經人工合成的方法獲得基因，然後經一系列切割，加工修飾，連接反應產生重組DNA分子，再將其轉入適當的受體細胞，以期獲得基因表達的過程。此技術用於環境微生物的研究可構建出各種生物降解特性增強的重組菌用於污染環境的治理修復或發酵某些廢棄物生產天然氣。如將微生物分解纖維素和木質素的基因轉入到中溫細菌中，使發酵能在較高溫度下進行，提高轉化速度，用於蔗糖發酵生產天然氣[10] 。
3.1.5 基因晶元技術
基因晶元技術作為生物晶元技術一個發展最完備的分支，基因晶元可以分為cDNA晶元和寡核苷酸晶元cDNA晶元有多種制備方法，在基因表達相關研究方面具有重大價值;寡核苷酸晶元主要應用於雜交測序、單核苷酸多態性分析和突變檢測。基因晶元，又稱DNA微陣列，是指按照預定位置固定在固相載體上很小面積內的千萬個核酸分子所組成的微點陣陣列。在一定條件下，載體上的核酸分子可以與來自樣品的序列互補的核酸片段雜交。如果把樣品中的核酸片段進行標記，在專用的晶元閱讀儀上就可以檢測到雜交信號。cDNA晶元即在玻璃片、矽片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等固相載體上固定的成千上萬個cDNA分子組成cDNA微陣列。
3.2 分子生物學技術在環境微生物研究中的應用
3.2.1重組細菌用於環境污染防治
Pseudomonas sp.P2是一株甲醯磷降解菌，羅如新等人(1999)[11]克隆了氯苯降解菌L1的鄰苯二酚1,2-雙加氧酶基因，在表達載體PKT230攜帶下轉入了P2菌中，使P2獲得高效的鄰苯二酚1,2-雙加氧酶酶活，該酶活性甚至比天然宿主還高21倍。
植物根際是一個有潛力的污染降解地點，在植物根際由植物供給能被微生物利用的營養物質使微生物繁殖，最終進行污染物的消除。在外來微生物中表達與脫毒有關的酶類也能在實地應用中提供專一選擇優勢。該例利用了小麥根際微生物對土壤中的三氯乙烯(TCE)脫毒。D.C.yec等人(1998)[12]將洋蔥伯克霍爾德菌G4的甲苯鄰單加氧酶基因轉入熒光假單子孢菌2-79中後，熒光假單孢菌比小麥根際其它菌長得好。
3.2.2 胞內酶在細胞表面表達更好發揮生物降解功能
當有重金屬存在時，較高等植物可產生相應的金屬硫蛋白(MTs)。MTs是含半胱氨酸豐富的蛋白質，能結合鎘、鉻、汞和銅等重金屬離子。在E.coli中表達MTs是一項有希望的技術，但細胞內的MTs對金屬離子的吸附能力有限。解決這一困難的一條途徑是在細胞表面表達MTs，據報道把MTs插入LamB序列的153位點而證實了這一可能性[13]，雜合蛋白的表達提高了對鎘的結合力達15~20倍，由於MTs定位於細胞表面，即使細胞死亡，仍可用於金屬的吸附和積累。有機磷廣泛用於農業製造殺蟲劑，由土壤微生物中分離到的有機磷水解酶(OPH)能有效降解這些殺蟲劑。但OPH純化所需的成本高，而用完整的細胞脫毒受到轉運有機磷通過細胞膜屏障的限制。在細胞表面表達0PH的完整細胞降解磷!硫和Paraoxon比在細胞內表達OPH的細胞快幾倍[14]。得到的酶活定位於細胞表面的生物催化劑比純化的0PH明顯更穩定，也更活躍。
3.2.2 分子生物學技術在環境微生物監測中的應用
環境中存在的大量微生物中，僅有1%可通過傳統的培養方法在培養皿上進行培養和進一步分離，而絕大多數細菌要求非常嚴格的營養條件或是難以培養 [15] PCR技術及衍生出的一系列生物技術，使得在復雜環境中對那些混合物內低含量的群體成員或生物群中某個特異基因的檢測與研究成為可能。
Fantroussi等人[16]用嵌套式PCR(nestedPCR)來監測未被污染的土壤淤泥實驗生態系中3-氯苯脫氯細菌的外源基因的種類。Selvaratnam等人[17]用編碼苯酚單加氧酶的dmpN基因的PCR擴增來檢測處理廢水的分批式反應器中的降解酚的假單胞桿菌。PCR技術還與其它方法結合應用於環境監測中。Chandler等人[18]用MPN/PCR技術來估測被燃料污染的土壤中的萘過氧化物酶基因nahAc、鏈烷單加氧酶基因alkB及dmpB的數量。PCR技術與核酸雜交技術結合，用來進一步檢測PCR擴增產物，核實被擴增的序列即目的序列。
環境微生物監測環境中微生物的研究難點是常常無法准確定性和直接定量地檢測環境中可能存在的眾多微生物種群。基因晶元技術的出現和發展為微生物學領域的研究者提供了高效快捷的技術方法，為科研迅速向縱深化發展提供了可能[19]。一些作為分子標記的基因工程菌也應用到環境生物技術中，主要用來監測投放到環境中的微生物的情況。許多學者對細菌中的熒光基因(luxgene)進行克隆，轉移到具有分解能力的特種微生物體內，具有分解能力的菌體中就有了特定的熒游標記，通過對熒光菌和熒光量的監測可以達到對專門細菌的跟蹤，並可以了解到它們與其它菌株之間在分解過程中的關系[20]。
3.2.3 分子生物技術在環境基因工程菌的穩定性和安全性研究中的應用
對轉基因生物的環境安全問題需進行長期的系統的研究，因風險的出現有長期滯後性。在關於被引入遺傳物質的穩定性和新的遺傳物質是否轉移到其他微生物中，通過生物的表型可初步判斷，進一步的證實則可以利用DNA序列分析，探針雜交等。關於生物圍堵，目的是加強對重組微生物的行為和命運的可預見性。生物圍堵系統可以是被動的，如對菌株引入培養缺陷型，recA-等突變；或是主動的系統，指向細胞中引入誘導細胞死亡的自殺基因。化學誘導自殺作為生物圍堵的基本原理，其策略是將殺傷功能與生物降解途徑的調節系統相聯系，細胞在非生物物質存在時存活(自殺基因被遏制)，但非生物物質完全降解後，自殺基因開啟，細胞死亡。
隨分子生物學技術的發展和對環境微生物研究的深入，分子生物學技術在環境微生物中的應用越來越廣泛也越來越重要。分子生物學技術的應用不僅擴大了環境微生物研究的廣度而且加大了研究的深度。隨著越來越多微生物全部基因序列的解碼，對各種細菌體內降解基因的分布和表達會有更深入的了解，這方面技術的成熟必將對環境微生物的研究有一個整體的系統的生態水平上的認識，必將使研究更具目標性，應用更具可控性[21]。

❸ 如何運用環境微生物技術整治水污染

微生物燃料電池建設節能型污水處理

2015年全國城鎮生活污水排放量為485.1億噸，大約是10年前的2倍；近10年來工業廢水排放量基本保持在200億噸。截至目前為止，我國城市污水的處理率平均達到80%左右。但是，我國城市污水處理廠的噸水耗能較高，能耗成為處理費用的主要構成，建設節能型污水處理廠十分必要。通過實地調研北京的兩個污水處理廠，發現其處理工藝主要包括下面的這些流程：上述的兩個污水處理廠所採用的工藝為活性污泥法，是處理城市污水最廣泛使用的方法。這個方法技術相對成熟，運行效率高，但是從上圖也可以看出，活性污泥法的環節比較復雜，影響其工作效率的因素也很多。更重要的是，曝氣需要大量的能耗，據統計，我國每年用於污水處理的耗電量已經佔到全國總發電量的1%。隨著能源短缺的日益加劇，節能降耗已成為污水處理行業亟需解決的現實問題。

污水一直被看做是可惡的污染源，在處理污水過程中人們不得不通過消耗電能來去除其中的含碳和氮的污染物，據統計：2010年我國用於污水處理的總耗電量約為400×108kW·h，但同時污水中含有的污染物也可作為原料生成能源，同樣以2010年為例，我國污水排放總量為617.3億噸，COD排放量為1238.1萬噸，其中蘊含515×108kW·h電能（理論上1 kgCOD完全氧化為CO2可轉化為4.16 kW·h的電能），如果這些電能能夠完全被利用，將顛覆性地改變能源產生與消耗的走向。

讓污水發電，將其看做一種能源，回收其中的能量，是一種很好的節能方法。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）可以將污水作為底物進行發電，將其中蘊含的能量回收，可解決污水處理廠的電耗問題。MFC既可用於處理廢水有機物，也可用於廢水脫氮除硫，甚至可用於處理難降解有毒化合物。以下是微生物燃料電池的示意圖：

在常規MFC陽極室內，厭氧產電菌通過代謝作用將作為電子供體的有機污染物氧化，釋放電子和質子，產生的電子通過合適的電子傳遞介體傳遞到陽極，再經過外電路轉移到陰極，釋放攜帶的能量，由此產生電流；質子經過質子交換膜轉移到陰極，在陰極室內，電子、質子和電子受體發生還原反應。微生物燃料電池可以在常溫常壓下進行能量的轉換。 如果利用生物技術使污水能夠發電，對其加以資源化利用，將可以節約大量的能耗，對於節能減排具有重要意義。目前微生物利用污水產電的能力還遠遠不足，通過生物技術能找到產電的超級細菌，對污水的能源進行有效利用。談到超級細菌，應該從仿生學和其他的先進生物技術上入手。比如蝗蟲，它可以吃掉自己體重1.5倍的食物，如果能夠明確蝗蟲吃東西的原理，是否能夠應用在微生物上，提高微生物的降解效率呢？類似的研究還有很多，比如一直以來科學家都在努力尋找高效降解木質纖維素的微生物，白蟻能夠吃木頭，那麼白蟻體內是否存在高效降解木質纖維素的微生物或這相應的功能的基因呢？外國的科學家利用分子生物學的手段提取和分析了白蟻體內對纖維素高效降解的基因，從而能將其應用在纖維素類廢物的處理中。這些應用都給我們很多的啟示，應該按照上述的思路，從仿生學和分子生物學的角度獲得甚至構建高效產電菌的基因，進而將其應用在污水處理中，提高污水產電的效率，真的將污水處理廠變成發電廠。讓這些微生物通過「吃掉」污水中的有害和無用物質來養活好自己，成為我們天然的污水清道夫；然後進一步將自己貢獻給上游的生物鏈或者變成產能物質，構築一個良性的能量循環。

原文地址：《污水處理技術：微生物燃料電池建設節能型污水處理》http://www.ep360.cn/news/201608/3422.html

❹ 為什麼極端環境微生物近年來成為微生物發展的新領域

極端微生物具有獨特的基因類型、特殊的生理機制及特殊的代謝產物，它在生命起源、系統進化等方面具有重要的啟示作用。極端微生物存在原理，又具有極大的應用價值。極端微生物的特殊機制及特殊產物，將使某些新的生物技術可能。極端微生物的應用將改變整個生物技術的面貌。因此，20世紀70年代以來，極端微生物的研究已成為微生物學發展的新領域。
極端微生物是指能夠在如高溫、高鹽、高酸、高鹼和高壓等極端環境中正常生長的微生物。因此可以說極端微生物是先鋒生物，其生存環境對普通生物而言是不可耐受的, 從含酸礦液到鹽鹼地；從高輻射低氣壓的大氣平流層，到高放射高壓的地下岩層；從高海拔和高緯度地區的冰川凍土，到接近沸點的溫泉和海底火山口；在這些「生命禁區」，無處不活躍著極端微生物, 極端微生物的生態、分類、代謝、進化等均與一般生物有別，並蘊藏了優異的抗逆基因資源，具有重要的研究價值和應用前景。
目前極端微生物的研究對象多集中於細菌、古生菌和真菌，並按照分類特點分為6大類群，即：嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜鹼微生物、嗜鹽微生物和嗜壓微生物,現在主要研究的有：嗜熱微生物、嗜冷菌和耐冷菌、極端嗜酸微生物、嗜鹼微生物、嗜鹽微生物、嗜壓微生物等。
人們對極端微生物的研究越來越多。主要研究工作包括：①新物種的發現。②新產物的研究與生產。③極端酶結構與功能及其基因的克隆、表達。④適應機理的分子基礎及遺傳原理。⑤基因組分析

❺ 微生物及其微生物技術在污染預防及環境治理領域中有什麼作用和地位

1 微生物技術在廢水處理中的應用
1.1 固定化微生物技術
眾所周知,用物理的方法(如打撈)雖可清除部分污染物,但對氨氮、亞硝酸鹽等化學污染物以及禽畜糞便等的處理難以奏效,用化學的方法則易造成二次污染。隨著科學技術的發展,能夠「吃」污的微生物控制污染技術近年來逐漸受到重視,並在污水處理等領域得到廣泛應用。固定化微生物技術是指通過採用物理或化學的方法將游離微生物細胞定位於限定的空間區域內,使其成為不懸浮於水但保持活性,並可反復使用。
唐鳳舞等[2]用固定化微生物技術對城市污水進行污染物降解處理實驗研究。結果表明,在pH值為8.0、固定化顆粒與污水的質量比例為16%,溫度為25℃時,硝基苯去除率達97.9%,COD去除率達89.2%,出水水質穩定。
龐勝華等[3]用PVA包埋固定化微生物顆粒處理抗生素廢水,活性微生物為經抗生素廢水以l0％濃度增幅馴化75d後的活性污泥。結果表明:廢水濃度(COD)為2000mg/L、曝氣為20h、溫度在10～45℃、pH值7～10,COD的去除率可達到80.57%。
1.2 生物膜技術
生物膜技術是指用天然材料(如卵石),合成材料(如纖維)為載體,在其表面形成一種特殊的生物膜,為微生物提供附著表面,有利於加強對污染物的降解作用。
李健等[4]採用厭氧生物濾池(AF)—好氧生物接觸氧化(BCO)聯合工藝,並在AF的濾料中掛上生物膜,對合成洗滌劑(LAS)廢水進行處理試驗。結果表明,AF反應器在HRT=24h、溫度(32±2)℃、pH為7～8、營養母液質量濃度5mg/L條件下;出水達到國家《污水綜合排放標准》(GB8978-1996)規定的一級排放標准。
張鳳君等[5]採用中空纖維膜作為無泡供氧及生物膜載體,採用包埋固定化技術進行掛膜及污水處理研究。實驗結果表明,採用PVA作為包埋劑,且包泥量為1∶1的情況下,COD和氨氮的去除率分別穩定在90%和80%左右。
1.3 復合微生物技術
復合微生物技術是指利用現代微生物技術選育優勢菌種,構建基因工程菌以提高生物處理系統對難降解有機物的去除能力。
高雲超等[6]篩選並制備了復合微生物制劑(CMP)並用於豬場污水處理。研究表明,光合細菌非曝氣處理和CMP曝氣處理對污水的處理效果較好,處理2d後污水的COD值分別降低35.5%和74.1%。CMP接種量為0.1%、1%和10%,CMP對高濃度污水具有較好的處理作用。
2 微生物技術在環境修復中的應用
2.1 微生物技術在土壤修復中的應用
王麗萍等用菌根真菌-植物對石油污染土壤進行修復。結果表明:在石油污染濃度(石油的質量分數)0.2%和2%條件下,石油烴降解率與菌根侵染率、玉米根乾重和植株乾重均呈現相關性。接種叢枝菌根真菌處理的菌根侵染率、玉米生長量和石油烴降解率均遠高於對照處理。
齊建超用4種菌劑與多種有機肥聯合修復石油污染土壤。結果表明,腐植酸、諾沃肥和生物有機鈣等有機肥和菌劑(4%處理)的加入使土壤鹽鹼環境得到明顯改善,土壤pH穩定於6.9;4%菌劑處理與有機肥聯合作用修復效果最顯著,石油烴降解率可達到73%。
2.2 微生物技術在水體修復中的應用
李秋芬等使用有益菌復合菌劑對大菱鮃養殖廢水的凈化效果明顯好於單獨使用某一種有益菌的效果,復合菌的COD去除率為68.4%～73.1%,高於單株菌Lt7222的60.8%,氨氮的降解率為80%,高於A3的25.3%和Y1的77.4%,且有害中間產物亞硝酸氮始終維持在較低水平。
趙宇等用復合光合細菌法對養蝦廢水作研究,其中CODcr的去除率能達到63%,NH3-N的去除率也能達到92.5%。季民等提出了通過投加以光合細菌為主的復合細菌群來強化湖泊水體生物自凈能力,改善湖泊體水質的方法。
3 微生物技術在有害有機污染物治理中的應用
隨著工業技術的發展,廢棄有機物排放到我們所處的環境中,空氣,土壤,水源,嚴重破壞我們的生存環境,國內外專家學者一直在研究解決有害有機污染物的方法,其中,微生物方法以其高效,無二次污染等優點成為研究的熱點,楊彬等通過富集培養,獲得了降解對硝基苯胺的混合培養微生物,並用於降解硝基苯胺。結果表明,在培養液中添加110gPL葡萄糖和110gPL酵母粉,36h內對硝基苯胺去除率可達97%以上,對硝基苯胺降解速率可達411mgPL·h。

❻ FISH環境微生物技術求助

·FISH技術多用於分析單個細胞水平上的微生物群落結構，以rDNA為靶點的寡核苷酸探針，可用於原位鑒定單個細胞；
如：《Science》雜志1999年報道了利用FISH技術檢測巨大的納米比亞硫酸鹽細菌，直徑0.5 mm，是原核生物的100倍
·以16S rRNA為靶序列的FISH技術，可用於檢測活性污泥微生物群落的種群組成和數量水平。同時，可以對特異菌群進行空間定位和原位生理學分析；
如：在高濃度氨工業廢水中，通過16S rRNA為靶序列的FISH技術證實硝化桿菌類細菌存在於活性污泥中；並且，硝化球菌是優勢種群。
·目前，在歐美等國，rRNA測序的群落分析已經廣泛應用於監測生物反應器或廢水處理廠的生物相；·應用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）的FISH技術可以對生物膜和活性污泥絮體的特異種群進行空間分布研究；

❼ 環境微生物學與環境微生物工程的就業前景

我是學生物技術的，我們這種專業很難找工作，你可以去一些關於食品拉，環境檢測拉，環保之類的單位找。不過不要太局限於自己的專業。只要你的工作是有可持續發展的都是好工作。

❽ 環境微生物學和環境工程微生物學友什麼不同

從理科工科分的話，我覺得前者應是理科後者是工科，前者認識對環境有影響的微生物種類及作用原理，而後者則是應用這些理論去作用於微生物來改造環境。一個理論一個實用！

❾ 國內外做環境微生物的牛人有哪些

當前,由於環境污染,生態資源遭到破壞,農產品質量不斷下降,殘留污染物所帶來的「瓜不甜、果不香、菜無味」等致病致癌物質的增多,嚴重危害人類的生存,食品安全已成為日常生活中頭等大事.怎樣生產出無污染無毒副作用的綠色無公害食品,已成為各方探討的焦點.傳統種養殖方式受到新的挑戰,微生物技術的應用是改變這一現狀的有效途徑,是時代的選擇和農牧業可持續發展的需要.
微生物是一類形體微小的單細胞或個體結構比較簡單的多細胞,甚至沒有細胞結構的低等生物,是眼看不見,手摸不著,有生命的微小生物,只有藉助於顯微鏡才能看到.微生物與人類的關系極為密切,每時每刻都以不同的方式影響著人類的生活.研究和應用微生物技術有助於消除環境污染,增進人類健康.
微生物分有益微生物和有害微生物,土壤中還有一種叫中庸微生物,中庸微生物是牆頭草,沒有立場和觀點,當有益微生物佔主導地位時,它即轉變為有益微生物.EM、AM、CM等有效微生物均屬有益微生物,是動植物和土壤中不可缺少的重要物質,土壤中有益微生物是土壤中的衛士和工程師,它們不斷地分解著土壤中的有害物質,如化肥的殘留物質,農葯的殘毒及不能被植物根系直接吸收利用的其它物質.沒有微生物的不斷增值和分解,動植物就很難生存.

❿ 微生物在治理環境污染方面有哪些應用

一、微生物在治理環境污染方面的應用：

1、運用環境微生物手段既可以修復受污染天然水體生態，如湖泊、河道和港灣，還可以修復污染土壤生態，尤其是殘留農葯污辱的農田土壤和油田開采過程中被原油污染的土壤。

• 給水體投加除碳（有機碳）、除氮菌株，正成為一項消除水體富營養化的可行技術措施。

• 給土壤添加除油（礦物油）菌株，已成為一項成熟的修復油污土壤的技術措施。

2、污染物降解菌可用於處理污水及固體廢棄物。

• 對於生活垃圾、禽畜糞便、農業廢棄物等非有毒有害固體廢棄物來說，投降解菌者，污染物去除率高、發酵溫度高、發酵周期短。

• 對於有毒有害工業固體廢棄物來說，投加有專性降解功能的菌株，更是不可缺少的技術措施。

3、微生物還用於污染物的互不性檢測方面：如發光細菌法，已被定為國家標准（GB）方法和世界標准（ISO）方法。

二、幾項已經開發多年，接近產業化的微生物技術：

1、微生物脫硫技術：

近年來研究人員把煤的物理選煤技術之一的浮選法和微生物處理相結合，即把煤粉碎成微粒與水混合，並將微生物加入溶液中，讓微生物附著在黃鐵礦表面，使其表面變成親水性，能溶於水。在浮選中其難以附著在氣泡上，下沉至底部，從而把煤和黃鐵礦分開。由於它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時間只需數分鍾即可，從而大幅度縮短了處理時間，可脫除無機硫約70%。

2、微生物制漿和微生物漂白技術：

造紙工業中的制漿和漂白工序是污染物產生的主要工序。與化學法相比，雖然機械法制漿可以大大提高紙漿得率，從而節省大量林木資源。但是，磨木漿的能量消耗很大，而且成品紙的強度等質量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項技術的發展。微生物技術可以幫助解決這些問題，其中最具吸引力和挑戰性的是微生物制漿與微生物漂白。利用微生物與微生物酶類進行微生物制漿與微生物漂白具有很大的優勢和潛力，因為微生物極易生長繁殖，酶催化反應具有高度專一性，反應條件溫和，並且高效無污染。

3、污染土壤的微生物修復：

自本世紀70年代以來，發達國家就十分重視微生物技術在環境領域的應用，並開展了大規模的科研活動。已開發了一系列的微生物技術及其產品，並在世界上廣泛應用於污水處理、大氣凈化及污染環境介質治理等諸多方面。當前，環境微生物技術在國際上已進入蓬勃發展的軌道。隨著全球范圍內對環境保護的高度重視和越來越嚴厲的環境法，市場對環境微生物技術的需求越來越廣泛。

我國的微生物技術處於剛剛起步階段。該技術的進一步開發需要得到社會、同行及主管部門的廣泛支持，大力開展以污染控制技術為主體的微生物技術的研究，將大力推進微生物技術在環境保護中的應用，並發展帶動整個環保科技的發展，解決我國目前和未來面臨的嚴峻的環境保護問題，並為環保市場提供高品質的環境保護高技術。應該充分認識到環境保護和社會、經濟發展的重大意義。