宏蛋白质组学:探索环境微生态系统的功能

宏蛋白质组学是近年来新出现的一种概念和研究技术,虽然现在已经开展的宏蛋白质组学的研究很少,但是在特殊极端环境中功能基因表达、特殊功能蛋白质的开发、生态元素循环等研究领域,宏蛋白质组学已经初步展示了其强大的功能.通过介绍并对比宏蛋白质组学常用研究技术和策略的优劣,发现在进行宏蛋白质组研究时,要根据研究对象和目的选取合适的研究技术和策略,才能达到预期的研究目标.宏蛋白质组学已经在少数生态环境的功能研究中取得了成功,也必将在深入认识环境微生物群落功能、新环境标志物发现和环境微生物相互作用等方面起到更大的作用.     

土壤宏基因组文库中纤维素酶的筛选与鉴定

纤维素酶是最重要的工业用酶之一,已广泛应用于食品、纺织、造纸、洗涤和生物燃料生产等多个领域中.为挖掘微生物来源的纤维素酶,基于功能宏基因组学的方法,筛选云南土壤宏基因组文库获得具有纤维素酶活性的阳性克隆;通过构建亚克隆和测序分析确定纤维素酶的编码基因,将其克隆到表达载体上并转化到大肠杆菌中构建重组表达系统,诱导蛋白表达后对纤维素酶酶学性质进行分析.通过筛选约65万个文库克隆,获得一个有纤维素酶水解活性的克隆,预测该纤维素酶基因全长为1 419 bp,编码蛋白分子量(Mr)为50.99×103,蛋白的氨基酸序列与Rhizobacter sp.S-16中的内切葡聚糖酶有88.66%的相似性,蛋白同源比对结果表明该酶属于糖苷水解酶第五家族(GH5),将其命名为YNEG5;对YNEG5的生化特性进行分析,确定其最佳反应温度为66℃,最适pH为4.8,该酶热稳定性良好且对工业试剂尿素具有较强的耐受性.本研究基于功能宏基因组学技术获得一个具有工业应用潜能的纤维素酶,可为不可培养微生物中纤维素酶的挖掘提供参考.(图10表1参36)     

通过宏基因组学发现生物催化剂

现在大多数化学合成使用对环境有害的有机溶剂.如果用酶作为生物催化剂,则可在化学合成反应中少使用或不使用有机溶剂,所以使用酶作为催化剂更环保.随着宏基因组学的发展,以及二代测序成本的持续大幅度下降,基于宏基因组学获得生物催化剂已经成为最重要的方法.本文综述基于宏基因组学发现生物催化剂的各种方法,对目前世界上采用的各种筛选方法进行归纳,共总结出两大类方法:一是基于宏基因组文库的筛选方法,另一种是基于序列的遗传筛选方法.进一步对这两类方法细分为具体的7种筛选方法,并对各种方法的优缺点逐一进行回顾和评述.同时,对各种基于宏基因组学筛选生物催化剂的方法得到的结果进行统计分析,指出表型选择法筛选是采用最多的方法,有很大的实用价值.认为直接二代测序进行生物信息学筛选的方法也是有潜力的一种筛选方法,三代测序技术将在基于宏基因组学的生物催化剂筛选中发挥重要作用.(图2表8参92)     

稳定同位素技术在污染环境生物修复研究中的应用

稳定同位素技术主要应用于地球化学,它是将人工合成的同位素标记特定的化合物,追踪标记物在生命活动中的变化规律,目前该项技术也广泛应用于环境微生物学、生态学、生物医学等领域.生物修复是利用存在于土壤、地下水和海洋等环境中的生物特别是微生物将有毒、有害的污染物降解为二氧化碳和水,或转化为无害物质,从而使污染的生态环境修复为正常生态环境的过程.这些降解微生物都来自于小部份可培养微生物,对于大部份未可培养降解微生物,通常在实验室条件下很难得到.而利用稳定同位素技术,如13C标记底物,收集利用该底物的微生物核酸,就可以得到具有降解作用的功能微生物,为环境污染生物修复提供重要的菌源和功能基因.环境中的许多物质都可以用SIP来标记,这些标记物主要有PLFA-SIP、DNA-SIP、RNA-SIP等,它们都可以用来在复杂样本中进行有特殊代谢功能微生物的鉴定和分析,在利用微生物进行生物修复中具有重要的意义.图2表1参42     

宏蛋白质组学在活性污泥研究中的应用

宏蛋白质组学作为研究微生物群落的一种新兴技术,主要是对特定微生物群落所表达的全部蛋白进行宏观、高通量的分析研究.本文综述了宏蛋白质组学研究的技术路线,主要包括蛋白的提取和纯化、分离和鉴定,以及宏蛋白质组学在强化生物除磷的活性污泥、活性污泥胞外多聚物和比较不同处理工艺活性污泥的差异等方面的研究.活性污泥的宏蛋白质组学研究完善了强化生物除磷活性污泥的厌氧和好氧阶段的代谢模型,揭示了活性污泥胞外多聚物在污染物降解过程中的主要作用和表现,阐述了不同活性污泥在污水处理过程中宏观特性与微观功能之间的关系,对于污水的生物处理有着重要的指导意义.宏蛋白质组学在活性污泥研究领域仍处于起步阶段,没有统一、有效的蛋白提取方法,数据库匮乏,成为活性污泥宏蛋白质组学发展的主要阻碍.随着各种新兴仪器、方法的应用以及数据库的不断完善,活性污泥宏蛋白质组学将会在污染物生物降解机制分析、鉴定功能蛋白等方面展现其巨大的优势.     

固定化微生物技术在富营养化水体修复中的应用

富营养化不仅影响水环境质量,而且破坏水生态平衡,对环境和人类健康造成危害。固定化微生物技术是利用物理或化学方法将游离微生物细胞限制在一定空间区域内,既能免受流水冲刷流失,可重复循环利用,又能保持生物活性,有效去除水体中的污染物,因此该技术被认为是控制水体富营养化的有效方法。该研究介绍了固定化微生物技术的特点及其在富营养化水体处理中的应用现状,综述了传统及新型固定化载体的选择及发展、降解和去除氮磷污染物的微生物种类以及常用固定化方法(吸附、包埋、共价结合、交联等)的优缺点。最后,针对当前微生物固定化技术面临的挑战,对今后的研究和发展方向提出了建议。该综述可为固定化微生物技术应用于各类废水处理提供参考。     

土壤宏蛋白质组学蛋白质提取方法及其应用

土壤宏蛋白质组学在揭示土壤微生物功能、代谢与环境相互作用方面具有广阔的应用前景,但由于土壤样品的特殊性,土壤蛋白质提取步骤是限制土壤宏蛋白质组学大规模应用的瓶颈之一.本文从样品制备、提取方法、影响因素等方面综述了土壤蛋白提取方面的研究进展.一般来说,根据实验目的、蛋白种类及后续研究方法设计相应的分组成收集策略才能取得较好的提取效果.土壤总蛋白、胞内蛋白与胞外蛋白分别有不同的提取方法.总蛋白提取一般采用直接提取法;胞外蛋白不需要裂解;胞内蛋白提取方法有直接提取法和间接提取法等.裂解、浓缩、去除腐殖质的方法以及提取液、pH值的选择等也会影响提取效果.此外,简单介绍了土壤宏蛋白质组学的应用,并对今后的研究工作提出展望.表1参36     

水环境中微塑料表面细菌群落特征研究进展

微塑料因其比表面积大、难降解等特点,在水环境中长期存在,可作为水环境中微生物的独特栖息地。以细菌群落为主的微生物可定殖在微塑料表面,对生态系统和人类健康产生潜在风险。本文综述了国内外海水、淡水环境中微塑料表面细菌群落特征的研究进展,阐述了微塑料表面细菌群落的研究方法和结构多样性,分析了暴露时间、地点及塑料理化性质对微塑料表面细菌群落多样性的影响,探讨了水环境中微塑料表面细菌群落的生态效应和健康风险。后续研究应采用宏基因组学全面地探究水环境中的“微塑料圈”,并关注远洋、入海口和内陆地表水微塑料表面微生物群落,从全球尺度上探索水环境中微塑料表面微生物群落的定殖规律及其生态效应。此外,鉴于微塑料表面存在降解菌,需进一步明确定殖在微塑料表面的微生物参与微塑料降解的效率及其机制,可为了解微塑料在水环境中的归宿问题提供科学依据。     

基于宏基因组技术获得的对厌氧氨氧化菌代谢的新理解

厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonium oxidation bacteria,AAOB)是化能自养菌,由于其生理代谢的奇异性、细胞结构的特殊性以及对氮素循环的重要性,已成为环境工程、微生物以及海洋生物学等领域的研究热点.然而,AAOB未能实现纯培养的现状已成为AAOB代谢途径研究的巨大障碍.近年来兴起的宏基因组技术(Metagenomics)为AAOB代谢途径的研究提供了新手段.采用宏基因组技术,可直接研究微生物群体中某特定微生物基因组的结构与功能,摆脱了传统微生物学研究对纯培养的依赖,使未培养微生物的认识和开发成为可能.本文首先简述获取AAOB宏基因组信息的过程,然后通过比较由传统代谢研究方法和宏基因组技术获得的AAOB代谢途径的研究成果,论述基于宏基因组技术获得的对AAOB代谢的新理解,得出以下结果和结论:1)AAOB的碳素固定途径为乙酰辅酶A途径,碳素固定的还原力来自NADH或者QH2;2)AAOB氮素转化的重要中间产物是NO,而非NH2OH,并提出了以NO为核心的AAOB代谢的改进模型;3)AAOB的ATP合成途径为氧化磷酸化,推测的电子传递途径为N2H4—QH2—细胞色素bc1复合体;细胞色素bc1复合体再将电子用于NO2-还原和N2H4合成.AAOB的宏基因组技术使AAOB代谢途径的研究更具方向性.随着分子生物学理论和技术的不断发展,宏基因组学的升级技术(如宏转录组学、宏蛋白质组学)将为AAOB代谢途径的研究提供新的方法与平台.图3表1参51     

根际化学与生物多样性的表征方法：组学技术的机遇与挑战

根际是联结植物、土壤和微生物的重要界面,是化学与生物过程耦合最活跃的区域.根际环境影响土壤中有机和无机污染物的行为,而研究方法的完善与提升有助于阐释根际中复杂的过程与作用机制.本文从传统的化学和生物学方法到新兴的组学技术对根际科学的方法学研究进展进行了综述,重点讨论了当今组学技术在根际研究中应用机遇与挑战,同时展望了今后需要关注的科学问题.根际化学组分的传统分析方法涵盖了光谱、色谱、质谱和色质联用等技术,主要聚焦于低分子量有机酸等小分子的定性定量测定,导致对根际化学多样性的认知偏差;传统的根际微生物研究依赖于培养技术,对微生物多样性的描述存在很大的局限.揭示根际异质性和复杂性,亟需采用高端的技术,组学方法显示出极大的优势,显著提高了研究者对根际科学的认识.基于靶向和非靶向代谢组学有利于深入研究根际复杂的化学多样性过程;基于宏基因组学、转录组学和蛋白组学等组学工具能够提供微生物组基因和蛋白的表达、功能特性等更详细的信息,可以全面地揭示根际微生物的多样性.应该强调的是,未来多组学整合分析更是表征根际化学与生物多样性的一个强有力工具,但需要更多的模型、框架和计算基础来实现根际基因、蛋白、转录...     

香芋高产、优质栽培技术与产品分级及加工

香芋是多年生宿根草本植物,属天南星科(Araceae)一年生栽培,是我省重要的特种蔬菜之一,随着农业结构调整步伐的加快,香芋的种植面积也在不断扩大,为了提高香芋的产量和品质,达到绿色蔬菜的标准,该文提出了香芋高产、优质栽培技术与产品分级及加工.表3,参5.     

Nanosensors and nanobiosensors in food and agriculture

The food and agriculture sector controls the economic growth of a developing country. The food industries have practices of growing crops, raising livestock and sea foods, food processing and packaging, regulating production and distribution with quality and safety. The process control and monitoring quality are crucial steps. Here we review nanosensors and nanobiosensors as alternative of classical quantification methods. Nanoscale dimensions of metal nanoparticles, metal nanoclusters, metal oxide nanoparticles, metal and carbon quantum dots, graphene, carbon nanotubes, and nanocomposites expand the sensitivity by signal amplification and integrate several novel transduction principles such as enhanced electrochemical, optical, Raman, enhanced catalytic activity, and superparamagnetic properties into the nanosensors. The electrochemical nanosensors, optical nanosensors, electronic nose and electronic tongue, nanobarcode technology, and wireless nanosensors have revolutionized the sensing in food and agriculture sectors with multiplex and real-time sensing capabilities. Despite previous success stories of the remunerative health sector, the approaches are transferred subsequently to food and agriculture sector; with potential application in detection of food contaminants such as preservatives, antibiotics, heavy metal ions, toxins, microbial load, and pathogens along with the rapid monitoring of temperature, traceability, humidity, gas, and aroma of the food stuff.     

市场经济与土肥科技

土肥的基础地位是不随社会性质或社会经济类型的变化而变化的，它既具重要性，又具长久性．市场经济是仍然需要土肥科技的．土肥科技的教学、科研和推广的力度必须加大，局面必须改观，且宜快不宜迟．土肥科技工作者一定要将培肥地力作为中心工作．根据广东的实际，增施有机肥是培肥地力的主要措施，因而抓秸秆还田和发展冬绿肥是我们工作的重点．     

基因污染与生态环境安全

论述了基因污染可能对生态环境安全造成的影响。转基因作物有可能污染天然物种的基因库；有可能破坏传统农作物品种的遗传多样性，加速作物种植品种的单一化及基因资源的流失；使抗除草剂作物的基因向野生或半野生植物漂移的可能性加大，有可能创造出“超级杂草”；带有病毒型转基因作物的基因重组，有可能创造出新的植物病毒，导致新的病害；BT转基因抗虫作物分泌的毒素，在食物链中传递，很难加以控制，对非目标生物造成危害，并最终破坏自然生态系统的平衡。文章还从不同角度分析了基因污染的严重性。     

1株贫营养好氧反硝化菌的分离鉴定及其脱氮特性

从水库底泥样品中,以硝酸盐为唯一氮源进行驯化、分离筛选出1株能在贫营养及好氧条件下进行高效反硝化的菌株PY8,经过电镜形态学观察、生理生化和16S rDNA序列分析,并基于16SrDNA序列结果,构建了该菌株的系统发育树,最终确定菌株PY8为根瘤菌Rhizobiumsp.。考察了初始pH值、温度、C/N、初始硝酸钠质量浓度、投菌量对菌株PY8硝酸盐还原活性的影响,以及该菌株的异养硝化性能。结果表明,在pH6.0～10.0,温度25～30℃,C/N1.0～9.0,初始硝酸钠质量浓度0.01～0.50g·L-1,投菌量1%～15%时,菌株PY8培养72h后的硝氮去除率可达到95%以上。另外,该菌株具有同时硝化-反硝化作用,在培养过程中氨氮去除率可达到58%左右。实验结果表明,菌株PY8在微污染水体生物脱氮领域中具有很大的应用潜力。     

Indoor and outdoor air pollution and lung cancer in New Hampshire and Vermont

Indoor and outdoor air pollution is known to contribute to increased lung cancer incidence. This study is the first to address the contribution of home heating fuel and geographical course particulate matter (PM₁₀) concentrations to lung cancer rates in New Hampshire, USA. First, Pearson correlation analysis and geographically weighted regression were used to investigate spatial relationships between outdoor PM₁₀ and lung cancer rates. While the aforementioned analyses did not indicate a significant contribution of PM₁₀ to lung cancer in the state, there was a trend towards a significant association in the northern and southwestern regions of the state. Second, case-control data were used to estimate the contributions of indoor pollution and secondhand smoke to the risk of lung cancer with adjustment for confounders. Increased risk was found among those who used wood or coal to heat their homes for more than 10 winters before the age of 18, with a significant increase in risk per winter. Resulting data suggest that further investigation of the relationship between heating-related air pollution levels and lung cancer risk is needed.     

Characteristics of dispersions and water-soluble extracts of crude and refined oils and their toxicity to estuarine crustaceans and fish

The quantitative hydrocarbon composition and behavior in seawater of water-soluble fractions (WSF) and oil-in-water dispersions (OWD) of 4 oils was investigated. Two crude oils, South Louisiana crude and Kuwait crude, and two refined oils, No. 2 fuel oil and bunker C residual oil, were used in these investigations. The WSFs of the crude oils had higher total oil-hydrocarbon concentrations and were richer in light aliphatics and single-ring aromatics than were the WSFs of the refined oils. The WSFs of the refined oils contained significantly higher concentrations of naphthalenes than did those of the crudes. The hydrocarbon composition of the aqueous phase of OWDs closely resembled that of the parent oils. Gentle aeration of the OWDs resulted in a loss of 80 to 90% of the aqueous hydrocarbons in 24 h. Alkanes disappeared from the dispersions more rapidly than aromatics. The WSFs and OWDs of the refined oils were considerably more toxic to the 6 test species than were those of the crude oils. The test species can be ranked according to increasing sensitivity to oil as follows: Cyprinodon variegatus, Menidia beryllina, Fundulus similus, Penaeus aztecus postlarvae, Palaemonetes pugio and Mysidopsis almyra. The results of this investigation are discussed in relation to the potential impacts of oil spills on the marine and estuarine environments.