环境微生物技术

❶ 周围环境的微生物种类及其分布

微生物(microorganism简称microbe)是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、环保等诸多领域。
原核：细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体、衣原体。
真核：真菌、藻类、原生动物。
非细胞类：病毒和亚病毒。
微生物一般地，在中国大陆地区的教科书中，均将微生物划分为以下8大类：细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体。
微生物的定义
一切肉眼看不见的或看不清的微小生物的总称
1 特点: 个体微小,一般<0.1mm。
构造简单,有单细胞的,简单多细胞的,非细胞的
进化地位低。
2 分类 原核类: 三菌,三体 。
真核类: 真菌,原生动物,显微藻类。
非细胞类: 病毒,亚病毒 ( 类病毒,拟病毒,朊病毒)
3 五大共性: 体积小,面积大
吸收多,转化快
生长旺,繁殖快
适应强,易变异
分布广,种类多
二、微生物的类群
1 细菌:
(1)定义:一类细胞细短,结构简单,胞壁坚韧,多以二分裂方式繁殖和水生性强的原核生物
(2)分布:温暖,潮湿和富含有机质的地方
(3)结构:主要是单细胞的原核生物,有球形,杆形,螺旋形
细胞壁
基本结构 细胞膜
细胞质
结构 拟核
鞭毛
特殊结构 荚膜
芽孢
(4)繁殖: 主要以二分裂方式进行繁殖的
(5)菌落: 单个细菌用肉眼是看不见的,当单个或少数细菌在固体培养基啊行大量繁殖时,便会形成一个肉眼可见的,具有一定形态结构的子细胞群落.
菌落是菌种鉴定的重要依据.不同种类的细菌菌落的大小,形状光泽度颜色硬度透明毒都不同.
2 放线菌
(1)定义:一类主要成菌丝状生长和以孢子繁殖的陆生性较强的原核生物
(2)分布:含水量较低,有机物较丰富的,呈微碱性的土壤中
(3)形态构造:主要由菌丝组成,包括基内菌丝和气生菌丝(部分气生菌丝可以成熟分化为孢子丝,产生孢子)
(4)繁殖:通过形成无性孢子的形式进行无性繁殖
无性繁殖 有性繁殖
(5)菌落:在固体培养基上:干燥,不透明,表面呈致密的丝绒状,彩色干粉
3 病毒
(1) 定义:一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的”非细胞生物”,但是它的生存必须依赖于活细胞.
(2)结构:
(3)大小:
一般直径在100nm左右
最大的病毒直径为200nm的牛痘病毒
最小的病毒直径为28nm的脊髓灰质炎病毒
(4)增殖:以 噬菌体为例:
吸附 侵入 增殖 装配 释放
第二节微生物的营养
一、微生物的化学组成
C,H,O,N,P,S以及其他元素
二、微生物的营养物质
1 水和无机盐
2 碳源:凡能为微生物提供生长繁殖所需碳元素的营养物质
来源
作用
3氮源:凡能为微生物提供所必需氮元素的营养物质
来源
作用:主要用于合成蛋白质,核酸以及含氮的代谢产物
4 能源:能为微生物生命活动提供最初能源来源的营养物质或辐射能
根据碳源和能源分类:
5生长因子:微生物生长不可缺少的微量有机物
能引起人和动物致病的微生物叫病源微生物有八大类：
1.真菌:引起皮肤病。深部组织上感染。
2放线菌：皮肤，伤口感染。
3螺旋体：皮肤病，血液感染 如梅毒，钩端螺旋体病。
4细菌：皮肤病化脓，上呼吸道感染 ，泌尿道感染，食物中毒，败血压症，急性传染病等。
5立克次氏体：斑疹伤寒等。
6衣原体：沙眼，泌尿生殖道感染。
7病毒：肝炎，乙型脑炎，麻疹，艾滋病等。
8支原体：肺炎，尿路感染。
生物界的微生物达几万种，大多数对人类有益，只有一少部份能致病。有些微生物通常不致病，在特定环境下能引起感染称条件致病菌。 能引起食品变质，腐败，正因为它们分解自然界的物体，才能完成大自然的物质循环。
有些人误将真菌当作细菌，是一种比较普遍的误解。尤其以80年代以前未受过系统生物学教育者。
微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，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与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。
微生物千姿百态，有些是腐败性的，即引起食品气味和组织结构发生不良变化。当然有些微生物是有益的，它们可用来生产如奶酪，面包，泡菜，啤酒和葡萄酒。微生物非常小，必须通过显微镜放大约1000 倍才能看到。比如中等大小的细菌，1000个叠加在一起只有句号那么大。想像一下一滴牛奶，每毫升腐败的牛奶中约有5千万个细菌，或者讲每夸脱牛奶中细菌总数约为50亿。也就是一滴牛奶中可有含有50 亿个细菌。
微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。
微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。
随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。
以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，而微生物基因组研究又是其中的重要分支。世界权威性杂志《科学》曾将微生物基因组研究评为世界重大科学进展之一。通过基因组研究揭示微生物的遗传机制，发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗，开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药物，将对有效地控制新老传染病的流行，促进医疗健康事业的迅速发展和壮大!
从分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的奥秘提供了新的线索和思路。为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品，包括：接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂等等。通过基因工程方法的改造，促进新型菌株的构建和传统菌株的改造，全面促进微生物工业时代的来临。
工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等；某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗衣粉等的添加剂；另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。国内维生素C两步发酵法生产过程中的关键菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究，将在基因组测序完成的前提下找到与维生素C生产相关的重要代谢功能基因，经基因工程改造，实现新的工程菌株的构建，简化生产步骤，降低生产成本，继而实现经济效益的大幅度提升。对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动现代生物技术的迅速发展。
农业微生物基因组研究认清致病机制发展控制病害的新对策
据资料统计，全球每年因病害导致的农作物减产可高达20％，其中植物的细菌性病害最为严重。除了培植在遗传上对病害有抗性的品种以及加强园艺管理外，似乎没有更好的病害防治策略。因此积极开展某些植物致病微生物的基因组研究，认清其致病机制并由此发展控制病害的新对策显得十分紧迫。
经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物，例如：胡萝卜欧文氏菌、植物致病性假单胞菌以及我国正在开展的黄单胞菌的研究等正在进行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也刚刚测定完成。借鉴已经较为成熟的从人类病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案，可以尝试性地应用到植物病原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类，除了杀虫剂能阻断其生活周期以外，只能通过遗传学研究找到毒力相关因子，寻找抗性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固氮关键基因提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。
环境保护微生物基因组研究找到关键基因降解不同污染物
在全面推进经济发展的同时，滥用资源、破坏环境的现象也日益严重。面对全球环境的一再恶化，提倡环保成为全世界人民的共同呼声。而生物除污在环境污染治理中潜力巨大，微生物参与治理则是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有机物；还能处理工业废水中的磷酸盐、含硫废气以及土壤的改良等。微生物能够分解纤维素等物质，并促进资源的再生利用。对这些微生物开展的基因组研究，在深入了解特殊代谢过程的遗传背景的前提下，有选择性的加以利用，例如找到不同污染物降解的关键基因，将其在某一菌株中组合，构建高效能的基因工程菌株，一菌多用，可同时降解不同的环境污染物质，极大发挥其改善环境、排除污染的潜力。美国基因组研究所结合生物芯片方法对微生物进行了特殊条件下的表达谱的研究，以期找到其降解有机物的关键基因，为开发及利用确定目标。
极端环境微生物基因组研究深入认识生命本质应用潜力极大
在极端环境下能够生长的微生物称为极端微生物，又称嗜极菌。嗜极菌对极端环境具有很强的适应性，极端微生物基因组的研究有助于从分子水平研究极限条件下微生物的适应性，加深对生命本质的认识。
有一种嗜极菌，它能够暴露于数千倍强度的辐射下仍能存活，而人类一个剂量强度就会死亡。该细菌的染色体在接受几百万拉德a射线后粉碎为数百个片段，但能在一天内将其恢复。研究其DNA修复机制对于发展在辐射污染区进行环境的生物治理非常有意义。开发利用嗜极菌的极限特性可以突破当前生物技术领域中的一些局限，建立新的技术手段，使环境、能源、农业、健康、轻化工等领域的生物技术能力发生革命。来自极端微生物的极端酶，可在极端环境下行使功能，将极大地拓展酶的应用空间，是建立高效率、低成本生物技术加工过程的基础，例如PCR技术中的TagDNA聚合酶、洗涤剂中的碱性酶等都具有代表意义。极端微生物的研究与应用将是取得现代生物技术优势的重要途径，其在新酶、新药开发及环境整治方面应用潜力极大。
微生物在整个生命世界中的地位!
当人类在发现和研究微生物之前，把一切生物分成截然不同的两大界－动物界和植物界。随着人们对微生物认识的逐步深化，从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统，直到70年代后期，美国人Woese等发现了地球上的第三生命形式－古菌，才导致了生命三域学说的诞生。该学说认为生命是由古菌域（Archaea）、细菌域（Bacteria）和真核生物域（Eucarya）所构成。在图示“生物的系统进化树”中，左侧的黄色分枝是细菌域；中间的褐色和紫色分枝是古菌域；右侧的绿色分枝是真核生物域。
古菌域包括嗜泉古菌界（Crenarchaeota）、广域古菌界（Euryarchaeota）和初生古菌界（Korarchaeota）；细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种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、动物和植物。除动物和植物以外，其它绝大多数生物都属微生物范畴。由此可见，微生物在生物界级分类中占有特殊重要的地位。
生命进化一直是人们关注的热点。Brown等依据平行同源基因构建的“Cenancestor”生命进化树，认为生命的共同祖先Cenancestor是一个原生物。原生物在进化过程中产生两个分支，一个是原核生物（细菌和古菌），一个是原真核生物，在之后的进化过程中细菌和古菌首先向不同的方向进化，然后原真核生物经吞食一个古菌，并由古菌的DNA取代寄主的RNA基因组而产生真核生物。
从进化的角度，微生物是一切生物的老前辈。如果把地球的年龄比喻为一年的话，则微生物约在3月20日诞生，而人类约在12月31日下午7时许出现在地球上。

❷ 结合你所学到的环境微生物学方面的知识，谈谈对环境微生物学在环境科学和环境治理领域中的应用和发展前景

摘要：微生物在环境中充当着极其重要的角色，它在自然界的生态平衡和物质循环中起着不可替代的作用。同时，在环境污染和治理方面，微生物也起着重要作用。环境微生物学的兴起是微生物学与环境科学交叉发展的必然结果。它由普通微生物学发展起来的环境科学和环境工程的一门学科.它以普通微生物学为基础，在研究微生物学一般规律的同时，着重微生物和环境之间互相作用的规律，微生物活动对环境和人类产生的有益和有害的影响以及在环境污染控制工程中有关的微生物原理的研究，是环境科学和环境工程的重要理论基础。环境微生物学的内容十分广泛，而且该学科近年来的发展十分迅速，一些生物学的新技术手段被不断应用到环境微生物学领域中。
关键词:环境科学；环境工程；微生物学；环境微生物学
1 微生物学的发展简史
微生物学是研究微生物及其生命活动的科学。微生物具有种类繁多、体积微小、比表面积大、代谢类型多、代谢强度高、生长繁殖速度快、容易变异、种类多等多种特点。它广泛分布于空气、水、土壤、人体及动植物体内独立或寄生生活。大多数微生物对人类和动植物是有益的，特别是它与人类的生活有密切的关系，对工农业生产、人类的生活环境与健康卫生有极大的影响[1]。
人类对微生物的利用甚早。我国在利用微生物方面，更有着丰富的经验和悠久的历史。早在公元前3世纪，在《吕氏春秋》里就有“仪狄作酒禹饮而甘之”之说。在公元6世纪，后魏贾思勰所著的《齐民要术》一书中就详细记载了制曲和酿酒的技术，还记载了栽种豆科植物可以肥沃土壤，当时虽不知根瘤菌的存在，也不知固氮作用，而会利用根瘤菌积累氮肥等等。
1676年，微生物学的先驱列文虎克用自制的单式显微镜首次观察到了细菌的个体，为揭开微生物世界的奥秘打开了大门，具有划时代的意义。在之后近200年的时间里，人们对微生物的研究仅停留在出于个人爱好对一些微生物进行形态描述的低级水平上，包括细菌、原生动物和真菌，但对它们的生理活动机理及其与人类实践活动的关系却未加研究，因此，微生物作为一门学科在当时还未形成。
在19世纪末和20世纪初微生物学被牢固地建立起来。法国的巴斯德和德国的科赫，分别被称为微生物学的奠基人和细菌学的奠基人。巴斯德在研究酿酒生产中酒质变酸的问题时，指出发酵是微生物的作用。巴斯德创立了培养基和玻璃器皿的灭菌方法及巴氏消毒，建立完成了稀释和次代培养的无菌技术。为生物学的发展做出了突出的贡献。科赫在培养细菌学的巨大贡献是发明了用固体培养基的“细菌纯培养法”和把混合培养物纯化的技术，并用在固体培养基上划线接种的方法获得了单一的纯种。这种技术使得培养细菌学发生革命性变化，并使得十九世纪最后二十年中这个学科得以开出绚丽的花朵。进入二十世纪，微生物学获得了飞速的发展，研究重点逐渐转移到了生化水平及分子生物学的水平上。工业微生物学与发酵工程、遗传工程、细胞工程、酶工程和生物反应器工程一起组成了生物工程学这个当代高科技领域。
随着社会经济发展的需要，人们不断加强对微生物的研究，己形成了许多微生物学的分支学科。例如有普通微生物学、微生物生理学、微生物生态学、微生物遗传学；有病毒学、细菌学、真菌学；还有土壤微生物学、海洋微生物学；再有医学微生物学、工业微生物学、农业微生物学、环境微生物学、石油微生物学等等， 由此可见微生物学的发展无不体现着学科的交叉，特别是相关的细胞生物学，生物化学，遗传学及分子生物学间的相互促进，由此推动整个生命科学的飞速发展。同时物理，化学，计算机技术及材料科学的发展，为微生物学的发展提供了必要的技术手段。所以，微生物学的发展历史是辉煌的[2~4]。
2、环境微生物学的研究内容
环境微生物学主要是介绍环境微生物学的发展和生物学基础知识；在环境中存在的微生物主要种类和特点；微生物的生理和代谢，微生物生长和环境因子对微生物的影响；微生物的遗传和变异，微生物的生态及其分布；在各种环境条件下微生物的存在和变化，微生物的代谢活动对环境的影响；微生物在自然界中的地位和作用，在生物地球化学循环中的作用；在环境领域中微生物所起的作用，微生物对污染物产生抗性的分子机理，以及对污染物降解的代谢途径。
3、环境微生物学的发展
随着人类的生活要求和工农业生产的迅速发展，大量人工合成的并难以被天然微生物迅速降解转化的污染性化合物进入到自然环境中。严重威胁人类及其他生物正常生存发展。其中，普遍存在于土壤环境中的重要有机污染物如多环芳烃，农药类等，因其致癌性，致畸性，致突变性而被认为是危险物质。分子生物学技术的应用为污染治理、防治提供了新的思路和方法[5] 。同时，污染导致资源环境中的生物重组，对环境中复杂的混合微生物群落进行及时监控和准确鉴定变得越来越重要。而分子生物学技术因其快速、准确、灵敏的特点，正逐步取代某些传统的研究方法而被广泛用于环境微生物的监测[6] 。
3.1与环境微生物研究相关的各种分子生物学技术
3.1.1核酸探针检测技术
利用能与特定核苷酸序列发生特异性互补的已知核苷酸片段作探针分析DNA序列及片段长度多态性。被标记(放射性或非放射性的)的探针以原位杂交、Southern印迹杂交、斑点印迹和狭线印迹杂交等不同的方法，可直接用来探测溶液中、细胞组织内或固定在膜上的同源核酸序列。由于核酸分子杂交的高度特异性及检测方法的高度灵敏性，使得核酸分子杂交技术广泛应用于对环境中微生物的检测，定性、定量分析它们的存在、分布、丰度和适应性等研究目标。
荧光原位杂交(FISH)是目前单个细胞水平上分析微生物群落结构的常用分子生态学方法。目前可利用FISH的方法，使用一整套特异的寡核苷酸探针可进行单个细胞的快速分类[7~8]。流式细胞计(FCM)是另一种能快速分析和分类单细胞群体的技术。适用于对有关微生物群落的组成和动态进行快速和频繁的监测。RFLP标记基于Southern印迹杂交的技术，即DNA限制片段长度多态性，是在生物多样性研究中广泛应用的DNA分子标记。可作为一种能高度灵敏检测污染环境下微生物种群变化的方法。
3.1.2 PCR及相关技术
PCR是一种体外扩增核酸序列从而得到多个核酸拷贝的技术。根据扩增的模板，引物序列来源及反应条件的不同可将PCR技术分为以下几种：(1)反转录PCR技术是在mRNA反转录之后进行的PCR扩增，可以用来分析不同生长时期的mRNA表达状态的相关性。(2)竞争PCR是一种定量PCR，通过向PCR反应体系中加入人工构建的带有突变的竞争模板、控制竞争模板的浓度来确定目的模板的浓度，对目的模板作定量研究。竞争性PCR曾被用来测定受多环芳烃污染的沉降物中的编码邻基二酚-2，3-加双氧酶的dmpB基因浓度[9]。(3)扩增的rDNA限制酶切分析技术，是美国最新发展起来的一项现代生物鉴定技术，它根据原核生物rDNA序列的保守性，将扩增的rDNA片段进行酶切。然后通过酶切图谱来分析菌间的多样性。
3.1.3电泳分离及显示方法
除我们熟知的琼脂糖凝胶电泳并用溴乙锭(EB)染色方法和聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE分离)银染的方法外，还有一些通过特殊的电泳分离技术而建立的分子标记。如变性梯度凝胶电泳、温度梯度凝胶电泳、单链构象多态性等，都是通过实施一些变性条件改变DNA双螺旋结构(如添加线性梯度的变性剂或建立变性温度梯度等)，由于序列不同的DNA片段，其部分解链程度也不同，不同的结构对DNA在凝胶中迁移速率影响很大，结果不同序列的DNA片段在凝胶上得以高分辨率的分离。
3.1.4 基因重组技术
利用DNA体外重组或扩增技术从供体生物基因组中分离感兴趣的基因或DNA片段，或经人工合成的方法获得基因，然后经一系列切割，加工修饰，连接反应产生重组DNA分子，再将其转入适当的受体细胞，以期获得基因表达的过程。此技术用于环境微生物的研究可构建出各种生物降解特性增强的重组菌用于污染环境的治理修复或发酵某些废弃物生产天然气。如将微生物分解纤维素和木质素的基因转入到中温细菌中，使发酵能在较高温度下进行，提高转化速度，用于蔗糖发酵生产天然气[10] 。
3.1.5 基因芯片技术
基因芯片技术作为生物芯片技术一个发展最完备的分支，基因芯片可以分为cDNA芯片和寡核苷酸芯片cDNA芯片有多种制备方法，在基因表达相关研究方面具有重大价值;寡核苷酸芯片主要应用于杂交测序、单核苷酸多态性分析和突变检测。基因芯片，又称DNA微阵列，是指按照预定位置固定在固相载体上很小面积内的千万个核酸分子所组成的微点阵阵列。在一定条件下，载体上的核酸分子可以与来自样品的序列互补的核酸片段杂交。如果把样品中的核酸片段进行标记，在专用的芯片阅读仪上就可以检测到杂交信号。cDNA芯片即在玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等固相载体上固定的成千上万个cDNA分子组成cDNA微阵列。
3.2 分子生物学技术在环境微生物研究中的应用
3.2.1重组细菌用于环境污染防治
Pseudomonas sp.P2是一株甲酰磷降解菌，罗如新等人(1999)[11]克隆了氯苯降解菌L1的邻苯二酚1,2-双加氧酶基因，在表达载体PKT230携带下转入了P2菌中，使P2获得高效的邻苯二酚1,2-双加氧酶酶活，该酶活性甚至比天然宿主还高21倍。
植物根际是一个有潜力的污染降解地点，在植物根际由植物供给能被微生物利用的营养物质使微生物繁殖，最终进行污染物的消除。在外来微生物中表达与脱毒有关的酶类也能在实地应用中提供专一选择优势。该例利用了小麦根际微生物对土壤中的三氯乙烯(TCE)脱毒。D.C.yec等人(1998)[12]将洋葱伯克霍尔德菌G4的甲苯邻单加氧酶基因转入荧光假单子孢菌2-79中后，荧光假单孢菌比小麦根际其它菌长得好。
3.2.2 胞内酶在细胞表面表达更好发挥生物降解功能
当有重金属存在时，较高等植物可产生相应的金属硫蛋白(MTs)。MTs是含半胱氨酸丰富的蛋白质，能结合镉、铬、汞和铜等重金属离子。在E.coli中表达MTs是一项有希望的技术，但细胞内的MTs对金属离子的吸附能力有限。解决这一困难的一条途径是在细胞表面表达MTs，据报道把MTs插入LamB序列的153位点而证实了这一可能性[13]，杂合蛋白的表达提高了对镉的结合力达15~20倍，由于MTs定位于细胞表面，即使细胞死亡，仍可用于金属的吸附和积累。有机磷广泛用于农业制造杀虫剂，由土壤微生物中分离到的有机磷水解酶(OPH)能有效降解这些杀虫剂。但OPH纯化所需的成本高，而用完整的细胞脱毒受到转运有机磷通过细胞膜屏障的限制。在细胞表面表达0PH的完整细胞降解磷!硫和Paraoxon比在细胞内表达OPH的细胞快几倍[14]。得到的酶活定位于细胞表面的生物催化剂比纯化的0PH明显更稳定，也更活跃。
3.2.2 分子生物学技术在环境微生物监测中的应用
环境中存在的大量微生物中，仅有1%可通过传统的培养方法在培养皿上进行培养和进一步分离，而绝大多数细菌要求非常严格的营养条件或是难以培养 [15] PCR技术及衍生出的一系列生物技术，使得在复杂环境中对那些混合物内低含量的群体成员或生物群中某个特异基因的检测与研究成为可能。
Fantroussi等人[16]用嵌套式PCR(nestedPCR)来监测未被污染的土壤淤泥实验生态系中3-氯苯脱氯细菌的外源基因的种类。Selvaratnam等人[17]用编码苯酚单加氧酶的dmpN基因的PCR扩增来检测处理废水的分批式反应器中的降解酚的假单胞杆菌。PCR技术还与其它方法结合应用于环境监测中。Chandler等人[18]用MPN/PCR技术来估测被燃料污染的土壤中的萘过氧化物酶基因nahAc、链烷单加氧酶基因alkB及dmpB的数量。PCR技术与核酸杂交技术结合，用来进一步检测PCR扩增产物，核实被扩增的序列即目的序列。
环境微生物监测环境中微生物的研究难点是常常无法准确定性和直接定量地检测环境中可能存在的众多微生物种群。基因芯片技术的出现和发展为微生物学领域的研究者提供了高效快捷的技术方法，为科研迅速向纵深化发展提供了可能[19]。一些作为分子标记的基因工程菌也应用到环境生物技术中，主要用来监测投放到环境中的微生物的情况。许多学者对细菌中的荧光基因(luxgene)进行克隆，转移到具有分解能力的特种微生物体内，具有分解能力的菌体中就有了特定的荧光标记，通过对荧光菌和荧光量的监测可以达到对专门细菌的跟踪，并可以了解到它们与其它菌株之间在分解过程中的关系[20]。
3.2.3 分子生物技术在环境基因工程菌的稳定性和安全性研究中的应用
对转基因生物的环境安全问题需进行长期的系统的研究，因风险的出现有长期滞后性。在关于被引入遗传物质的稳定性和新的遗传物质是否转移到其他微生物中，通过生物的表型可初步判断，进一步的证实则可以利用DNA序列分析，探针杂交等。关于生物围堵，目的是加强对重组微生物的行为和命运的可预见性。生物围堵系统可以是被动的，如对菌株引入培养缺陷型，recA-等突变；或是主动的系统，指向细胞中引入诱导细胞死亡的自杀基因。化学诱导自杀作为生物围堵的基本原理，其策略是将杀伤功能与生物降解途径的调节系统相联系，细胞在非生物物质存在时存活(自杀基因被遏制)，但非生物物质完全降解后，自杀基因开启，细胞死亡。
随分子生物学技术的发展和对环境微生物研究的深入，分子生物学技术在环境微生物中的应用越来越广泛也越来越重要。分子生物学技术的应用不仅扩大了环境微生物研究的广度而且加大了研究的深度。随着越来越多微生物全部基因序列的解码，对各种细菌体内降解基因的分布和表达会有更深入的了解，这方面技术的成熟必将对环境微生物的研究有一个整体的系统的生态水平上的认识，必将使研究更具目标性，应用更具可控性[21]。

❸ 如何运用环境微生物技术整治水污染

微生物燃料电池建设节能型污水处理

2015年全国城镇生活污水排放量为485.1亿吨，大约是10年前的2倍；近10年来工业废水排放量基本保持在200亿吨。截至目前为止，我国城市污水的处理率平均达到80%左右。但是，我国城市污水处理厂的吨水耗能较高，能耗成为处理费用的主要构成，建设节能型污水处理厂十分必要。通过实地调研北京的两个污水处理厂，发现其处理工艺主要包括下面的这些流程：上述的两个污水处理厂所采用的工艺为活性污泥法，是处理城市污水最广泛使用的方法。这个方法技术相对成熟，运行效率高，但是从上图也可以看出，活性污泥法的环节比较复杂，影响其工作效率的因素也很多。更重要的是，曝气需要大量的能耗，据统计，我国每年用于污水处理的耗电量已经占到全国总发电量的1%。随着能源短缺的日益加剧，节能降耗已成为污水处理行业亟需解决的现实问题。

污水一直被看做是可恶的污染源，在处理污水过程中人们不得不通过消耗电能来去除其中的含碳和氮的污染物，据统计：2010年我国用于污水处理的总耗电量约为400×108kW·h，但同时污水中含有的污染物也可作为原料生成能源，同样以2010年为例，我国污水排放总量为617.3亿吨，COD排放量为1238.1万吨，其中蕴含515×108kW·h电能（理论上1 kgCOD完全氧化为CO2可转化为4.16 kW·h的电能），如果这些电能能够完全被利用，将颠覆性地改变能源产生与消耗的走向。

让污水发电，将其看做一种能源，回收其中的能量，是一种很好的节能方法。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell， MFC）可以将污水作为底物进行发电，将其中蕴含的能量回收，可解决污水处理厂的电耗问题。MFC既可用于处理废水有机物，也可用于废水脱氮除硫，甚至可用于处理难降解有毒化合物。以下是微生物燃料电池的示意图：

在常规MFC阳极室内，厌氧产电菌通过代谢作用将作为电子供体的有机污染物氧化，释放电子和质子，产生的电子通过合适的电子传递介体传递到阳极，再经过外电路转移到阴极，释放携带的能量，由此产生电流；质子经过质子交换膜转移到阴极，在阴极室内，电子、质子和电子受体发生还原反应。微生物燃料电池可以在常温常压下进行能量的转换。 如果利用生物技术使污水能够发电，对其加以资源化利用，将可以节约大量的能耗，对于节能减排具有重要意义。目前微生物利用污水产电的能力还远远不足，通过生物技术能找到产电的超级细菌，对污水的能源进行有效利用。谈到超级细菌，应该从仿生学和其他的先进生物技术上入手。比如蝗虫，它可以吃掉自己体重1.5倍的食物，如果能够明确蝗虫吃东西的原理，是否能够应用在微生物上，提高微生物的降解效率呢？类似的研究还有很多，比如一直以来科学家都在努力寻找高效降解木质纤维素的微生物，白蚁能够吃木头，那么白蚁体内是否存在高效降解木质纤维素的微生物或这相应的功能的基因呢？外国的科学家利用分子生物学的手段提取和分析了白蚁体内对纤维素高效降解的基因，从而能将其应用在纤维素类废物的处理中。这些应用都给我们很多的启示，应该按照上述的思路，从仿生学和分子生物学的角度获得甚至构建高效产电菌的基因，进而将其应用在污水处理中，提高污水产电的效率，真的将污水处理厂变成发电厂。让这些微生物通过“吃掉”污水中的有害和无用物质来养活好自己，成为我们天然的污水清道夫；然后进一步将自己贡献给上游的生物链或者变成产能物质，构筑一个良性的能量循环。

原文地址：《污水处理技术：微生物燃料电池建设节能型污水处理》http://www.ep360.cn/news/201608/3422.html

❹ 为什么极端环境微生物近年来成为微生物发展的新领域

极端微生物具有独特的基因类型、特殊的生理机制及特殊的代谢产物，它在生命起源、系统进化等方面具有重要的启示作用。极端微生物存在原理，又具有极大的应用价值。极端微生物的特殊机制及特殊产物，将使某些新的生物技术可能。极端微生物的应用将改变整个生物技术的面貌。因此，20世纪70年代以来，极端微生物的研究已成为微生物学发展的新领域。
极端微生物是指能够在如高温、高盐、高酸、高碱和高压等极端环境中正常生长的微生物。因此可以说极端微生物是先锋生物，其生存环境对普通生物而言是不可耐受的, 从含酸矿液到盐碱地；从高辐射低气压的大气平流层，到高放射高压的地下岩层；从高海拔和高纬度地区的冰川冻土，到接近沸点的温泉和海底火山口；在这些“生命禁区”，无处不活跃着极端微生物, 极端微生物的生态、分类、代谢、进化等均与一般生物有别，并蕴藏了优异的抗逆基因资源，具有重要的研究价值和应用前景。
目前极端微生物的研究对象多集中于细菌、古生菌和真菌，并按照分类特点分为6大类群，即：嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物和嗜压微生物,现在主要研究的有：嗜热微生物、嗜冷菌和耐冷菌、极端嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物等。
人们对极端微生物的研究越来越多。主要研究工作包括：①新物种的发现。②新产物的研究与生产。③极端酶结构与功能及其基因的克隆、表达。④适应机理的分子基础及遗传原理。⑤基因组分析

❺ 微生物及其微生物技术在污染预防及环境治理领域中有什么作用和地位

1 微生物技术在废水处理中的应用
1.1 固定化微生物技术
众所周知,用物理的方法(如打捞)虽可清除部分污染物,但对氨氮、亚硝酸盐等化学污染物以及禽畜粪便等的处理难以奏效,用化学的方法则易造成二次污染。随着科学技术的发展,能够“吃”污的微生物控制污染技术近年来逐渐受到重视,并在污水处理等领域得到广泛应用。固定化微生物技术是指通过采用物理或化学的方法将游离微生物细胞定位于限定的空间区域内,使其成为不悬浮于水但保持活性,并可反复使用。
唐凤舞等[2]用固定化微生物技术对城市污水进行污染物降解处理实验研究。结果表明,在pH值为8.0、固定化颗粒与污水的质量比例为16%,温度为25℃时,硝基苯去除率达97.9%,COD去除率达89.2%,出水水质稳定。
庞胜华等[3]用PVA包埋固定化微生物颗粒处理抗生素废水,活性微生物为经抗生素废水以l0％浓度增幅驯化75d后的活性污泥。结果表明:废水浓度(COD)为2000mg/L、曝气为20h、温度在10～45℃、pH值7～10,COD的去除率可达到80.57%。
1.2 生物膜技术
生物膜技术是指用天然材料(如卵石),合成材料(如纤维)为载体,在其表面形成一种特殊的生物膜,为微生物提供附着表面,有利于加强对污染物的降解作用。
李健等[4]采用厌氧生物滤池(AF)—好氧生物接触氧化(BCO)联合工艺,并在AF的滤料中挂上生物膜,对合成洗涤剂(LAS)废水进行处理试验。结果表明,AF反应器在HRT=24h、温度(32±2)℃、pH为7～8、营养母液质量浓度5mg/L条件下;出水达到国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996)规定的一级排放标准。
张凤君等[5]采用中空纤维膜作为无泡供氧及生物膜载体,采用包埋固定化技术进行挂膜及污水处理研究。实验结果表明,采用PVA作为包埋剂,且包泥量为1∶1的情况下,COD和氨氮的去除率分别稳定在90%和80%左右。
1.3 复合微生物技术
复合微生物技术是指利用现代微生物技术选育优势菌种,构建基因工程菌以提高生物处理系统对难降解有机物的去除能力。
高云超等[6]筛选并制备了复合微生物制剂(CMP)并用于猪场污水处理。研究表明,光合细菌非曝气处理和CMP曝气处理对污水的处理效果较好,处理2d后污水的COD值分别降低35.5%和74.1%。CMP接种量为0.1%、1%和10%,CMP对高浓度污水具有较好的处理作用。
2 微生物技术在环境修复中的应用
2.1 微生物技术在土壤修复中的应用
王丽萍等用菌根真菌-植物对石油污染土壤进行修复。结果表明:在石油污染浓度(石油的质量分数)0.2%和2%条件下,石油烃降解率与菌根侵染率、玉米根干重和植株干重均呈现相关性。接种丛枝菌根真菌处理的菌根侵染率、玉米生长量和石油烃降解率均远高于对照处理。
齐建超用4种菌剂与多种有机肥联合修复石油污染土壤。结果表明,腐植酸、诺沃肥和生物有机钙等有机肥和菌剂(4%处理)的加入使土壤盐碱环境得到明显改善,土壤pH稳定于6.9;4%菌剂处理与有机肥联合作用修复效果最显著,石油烃降解率可达到73%。
2.2 微生物技术在水体修复中的应用
李秋芬等使用有益菌复合菌剂对大菱鲆养殖废水的净化效果明显好于单独使用某一种有益菌的效果,复合菌的COD去除率为68.4%～73.1%,高于单株菌Lt7222的60.8%,氨氮的降解率为80%,高于A3的25.3%和Y1的77.4%,且有害中间产物亚硝酸氮始终维持在较低水平。
赵宇等用复合光合细菌法对养虾废水作研究,其中CODcr的去除率能达到63%,NH3-N的去除率也能达到92.5%。季民等提出了通过投加以光合细菌为主的复合细菌群来强化湖泊水体生物自净能力,改善湖泊体水质的方法。
3 微生物技术在有害有机污染物治理中的应用
随着工业技术的发展,废弃有机物排放到我们所处的环境中,空气,土壤,水源,严重破坏我们的生存环境,国内外专家学者一直在研究解决有害有机污染物的方法,其中,微生物方法以其高效,无二次污染等优点成为研究的热点,杨彬等通过富集培养,获得了降解对硝基苯胺的混合培养微生物,并用于降解硝基苯胺。结果表明,在培养液中添加110gPL葡萄糖和110gPL酵母粉,36h内对硝基苯胺去除率可达97%以上,对硝基苯胺降解速率可达411mgPL·h。

❻ FISH环境微生物技术求助

·FISH技术多用于分析单个细胞水平上的微生物群落结构，以rDNA为靶点的寡核苷酸探针，可用于原位鉴定单个细胞；
如：《Science》杂志1999年报道了利用FISH技术检测巨大的纳米比亚硫酸盐细菌，直径0.5 mm，是原核生物的100倍
·以16S rRNA为靶序列的FISH技术，可用于检测活性污泥微生物群落的种群组成和数量水平。同时，可以对特异菌群进行空间定位和原位生理学分析；
如：在高浓度氨工业废水中，通过16S rRNA为靶序列的FISH技术证实硝化杆菌类细菌存在于活性污泥中；并且，硝化球菌是优势种群。
·目前，在欧美等国，rRNA测序的群落分析已经广泛应用于监测生物反应器或废水处理厂的生物相；·应用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的FISH技术可以对生物膜和活性污泥絮体的特异种群进行空间分布研究；

❼ 环境微生物学与环境微生物工程的就业前景

我是学生物技术的，我们这种专业很难找工作，你可以去一些关于食品拉，环境检测拉，环保之类的单位找。不过不要太局限于自己的专业。只要你的工作是有可持续发展的都是好工作。

❽ 环境微生物学和环境工程微生物学友什么不同

从理科工科分的话，我觉得前者应是理科后者是工科，前者认识对环境有影响的微生物种类及作用原理，而后者则是应用这些理论去作用于微生物来改造环境。一个理论一个实用！

❾ 国内外做环境微生物的牛人有哪些

当前,由于环境污染,生态资源遭到破坏,农产品质量不断下降,残留污染物所带来的“瓜不甜、果不香、菜无味”等致病致癌物质的增多,严重危害人类的生存,食品安全已成为日常生活中头等大事.怎样生产出无污染无毒副作用的绿色无公害食品,已成为各方探讨的焦点.传统种养殖方式受到新的挑战,微生物技术的应用是改变这一现状的有效途径,是时代的选择和农牧业可持续发展的需要.
微生物是一类形体微小的单细胞或个体结构比较简单的多细胞,甚至没有细胞结构的低等生物,是眼看不见,手摸不着,有生命的微小生物,只有借助于显微镜才能看到.微生物与人类的关系极为密切,每时每刻都以不同的方式影响着人类的生活.研究和应用微生物技术有助于消除环境污染,增进人类健康.
微生物分有益微生物和有害微生物,土壤中还有一种叫中庸微生物,中庸微生物是墙头草,没有立场和观点,当有益微生物占主导地位时,它即转变为有益微生物.EM、AM、CM等有效微生物均属有益微生物,是动植物和土壤中不可缺少的重要物质,土壤中有益微生物是土壤中的卫士和工程师,它们不断地分解着土壤中的有害物质,如化肥的残留物质,农药的残毒及不能被植物根系直接吸收利用的其它物质.没有微生物的不断增值和分解,动植物就很难生存.

❿ 微生物在治理环境污染方面有哪些应用

一、微生物在治理环境污染方面的应用：

1、运用环境微生物手段既可以修复受污染天然水体生态，如湖泊、河道和港湾，还可以修复污染土壤生态，尤其是残留农药污辱的农田土壤和油田开采过程中被原油污染的土壤。

• 给水体投加除碳（有机碳）、除氮菌株，正成为一项消除水体富营养化的可行技术措施。

• 给土壤添加除油（矿物油）菌株，已成为一项成熟的修复油污土壤的技术措施。

2、污染物降解菌可用于处理污水及固体废弃物。

• 对于生活垃圾、禽畜粪便、农业废弃物等非有毒有害固体废弃物来说，投降解菌者，污染物去除率高、发酵温度高、发酵周期短。

• 对于有毒有害工业固体废弃物来说，投加有专性降解功能的菌株，更是不可缺少的技术措施。

3、微生物还用于污染物的互不性检测方面：如发光细菌法，已被定为国家标准（GB）方法和世界标准（ISO）方法。

二、几项已经开发多年，接近产业化的微生物技术：

1、微生物脱硫技术：

近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合，即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。

2、微生物制浆和微生物漂白技术：

造纸工业中的制浆和漂白工序是污染物产生的主要工序。与化学法相比，虽然机械法制浆可以大大提高纸浆得率，从而节省大量林木资源。但是，磨木浆的能量消耗很大，而且成品纸的强度等质量性能不如硫酸盐浆，因而限制了这项技术的发展。微生物技术可以帮助解决这些问题，其中最具吸引力和挑战性的是微生物制浆与微生物漂白。利用微生物与微生物酶类进行微生物制浆与微生物漂白具有很大的优势和潜力，因为微生物极易生长繁殖，酶催化反应具有高度专一性，反应条件温和，并且高效无污染。

3、污染土壤的微生物修复：

自本世纪70年代以来，发达国家就十分重视微生物技术在环境领域的应用，并开展了大规模的科研活动。已开发了一系列的微生物技术及其产品，并在世界上广泛应用于污水处理、大气净化及污染环境介质治理等诸多方面。当前，环境微生物技术在国际上已进入蓬勃发展的轨道。随着全球范围内对环境保护的高度重视和越来越严厉的环境法，市场对环境微生物技术的需求越来越广泛。

我国的微生物技术处于刚刚起步阶段。该技术的进一步开发需要得到社会、同行及主管部门的广泛支持，大力开展以污染控制技术为主体的微生物技术的研究，将大力推进微生物技术在环境保护中的应用，并发展带动整个环保科技的发展，解决我国目前和未来面临的严峻的环境保护问题，并为环保市场提供高品质的环境保护高技术。应该充分认识到环境保护和社会、经济发展的重大意义。