荧光原位杂交在环境微生物学中的应用及进展

荧光原位杂交技术广泛用于分析复杂环境的微生物群落构成,可以在自然生境中监测和鉴定微生物,并能对未被培养的微生物进行检测.rRNA为靶序列寡核苷酸或PNA探针的荧光原位杂交能提供微生物的形态学、数量、空间分布等信息,现已成为环境科学研究领域中的热点技术.对荧光原位杂交技术的发展和在环境微生物学中的应用进行了综述,探讨了该技术的应用和发展前景.      

Design and use of group-specific primers and probes for real-time quantitative PCR

Real-time quantitative polymerase chain reaction (qPCR) has gained popularity as a technique to detect and quantify a specific group of target microorganisms from various environmental samples including soil, water, sediments, and sludge. Although qPCR is a very useful technique for nucleic acid quantification, accurately quantifying the target microbial group strongly depends on the quality of the primer and probe used. Many aspects of conducting qPCR assays have become increasingly routine and automated; however, one of the most important aspects, designing and selecting primer and probe sets, is often a somewhat arcane process. In many cases, failed or non-specific amplification can be attributed to improperly designed primer-probe sets. This paper is intended to provide guidelines and general principles for designing group-specific primers and probes for qPCR assays. We demonstrate the effectiveness of these guidelines by reviewing the use of qPCR to study anaerobic processes and biologic nutrient removal processes. qPCR assays using group-specific primers and probes designed with this method, have been used to successfully quantify 16S ribosomal Ribonucleic Acid (16S rRNA) gene copy numbers from target methanogenic and ammonia-oxidizing bacteria in various laboratory- and full-scale biologic processes. Researchers with a good command of primer and probe design can use qPCR as a valuable tool to study biodiversity and to develop more efficient control strategies for biologic processes.     

环境分子科学与环境纳米技术

传统的分子科学和新兴的纳米技术近年来广泛地渗入和覆盖了环境科学与技术,对环境污染现象的微观过程与机理研究注入了新的活力,进一步加深对环境污染从本质上的认识,为环境保护开展更高效的技术工艺开辟了新的途径．论综合评述了环境分子科学与环境纳米技术的发展概况,并对我国该领域的研究提出一些认识和讨论意见．     

内陆水环境修复技术进展

水环境退化是全球普遍面临的重要问题．退化后的水环境修复，重建．已成为当前各国重视的焦点．也是环境科学与工程研究的热点。该文全面综述了国内外水环境修复技术的研究进展．并在此基础上对水环境修复的重点和热点进行了分析和归纳。文章指出．为改善我国水环境．还有待于进一步加强水环境修复的方法学，基础理论，应用技术和示范推广等方面的研究工作。     

用于分子生态学研究的堆肥DNA提取方法

分子生态学为堆肥微生物的研究提供了新的技术手段,DNA的提取是该技术的基础,但由于腐殖酸类物质的污染,增加了堆肥微生物总DNA的提取难度.采用了3种不同的方法(溶菌酶法、超声波破碎法和蛋白酶K-CTAB法)从堆肥中提取微生物的总DNA,使用核酸和蛋白质分析仪检测后表明3种提取方法获得的DNA产量均较高;琼脂糖凝胶电泳结果表明其长度约为23 kb;使用细菌16S rRNA基因通用引物(27F和1 495R)对总DNA进行PCR扩增,都获得了几乎全长的16S rDNA序列(约1.5 kb);利用限制性内切酶(Hae Ⅲ和AluⅠ)对纯化后的PCR产物进行RFLP分析,结果表明3种方法提取的DNA反映了比较一致的微生物多样性.虽然3种方法各有优缺点,但其提取的DNA都可以用于堆肥微生物的分子生态学研究,可以根据实际需要选用某一种方法用于提取堆肥总DNA.     

富硫沉积生境中微生物群落的垂直分布特征

为探讨富硫沉积环境中特定微生物类群对硫循环的贡献,人工建立富含硫酸盐的模型,对模型中各种环境化学参数进行监测,并采用不依赖于培养的微生物分子生态学技术对微生物群落垂向分布特征进行解析.结果表明,以沉积物-水界面为分界线,上层水相为好氧环境,硫化物浓度较底;而沉积物相中硫化物浓度较高,为厌氧生境.微生物群落分布与环境特征具有很好的吻合性,沉积物相中微生物群落相似性较高,多样性相对较低,而水相中微生物多样性较高,且与沉积物中微生物分离距离较大.在水-沉积物垂向剖面中,细菌域中的变形菌门(Protebacteria)(丰度为7.6%~32.8%)、绿弯菌门(Chloroflexi)(13.6%~22.3%)以及古菌域中的广古菌门(Euryarchaeota)(19.3%~29.2%)是微生物群落中的绝对优势类群.在该生境中,存在微生物主导的硫循环过程,在厌氧沉积物表层,δ变形菌纲(Deltaprotebacteria)中的硫酸盐还原细菌还原硫酸盐产生硫化物,同时降解有机质.硫化物向上层扩散时,被Thiobacillus、Acidithiobacillus和Halothiobacillus等属的硫氧化微生物氧化为单质硫,并进一步氧化为硫酸盐,在硫循环过程中有机质被逐渐降解.特定微生物种群的富集需要在不同的环境因素,多种微生物共同参与硫循环过程,完成有机质降解.     

镉胁迫下稻田土壤微生物基因多样性的DGGE分子指纹分析

采用现代分子生物学技术,避开传统的分离培养过程,探讨重金属镉污染条件下稻田土壤微生物种群的基因多样性.经过直接从土壤中抽提总DNA,并对总DNA中16S rDNA及其中 V3可变区序列作PCR扩增、变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析等,对镉胁迫下稻田土壤总DNA、微生物种类分布进行了初步的研究,发现不同浓度镉胁迫下稻田土壤间的菌种有明显差异,DGGE技术可以用于污染环境下微生物多样性研究.同时对DGGE分子指纹图谱的生物信息学分析作了初步尝试,为污染环境下土壤微生物多样性研究提供了新的实验方法与依据.     

人工神经网络在环境科学中的应用研究

以B-P网络为例介绍了人工神经网络模型的应用原理。以开拓人工神经网络在环境科学中的应用范围为目的,综述了几种常用神经网络模型在环境预测与评价2方面的应用性能。结果表明:人与环境关系的科学量度是多方位、多因素的非线性模糊问题,而人工神经网络模型具有解决该类问题的独特优点。针对不同环境问题,优选模型,开拓人工神经网络方法在环境科学中的应用范围,为环境问题的解决提供新的技术手段。     

宏基因组学(Metagenomics)的研究现状和发展趋势

随着分子生物学技术的快速发展及其在微生物生态学和环境微生物学研究中的广泛应用,促进了以环境中未培养微生物为研究对象的新兴学科--微生物环境基因组学(又叫宏基因组学、元基因组学,Metagenomics)的产生和快速发展.宏基因组学通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,利用基因组学的研究策略研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能.在短短几年内,宏基因组学研究已渗透到各个领域,包括海洋、土壤、热液口、热泉、人体口腔及胃肠道等,并在医药、替代能源、环境修复、生物技术,农业、生物防御及伦理学等各方面显示了重要的价值.对宏基因组学的主要研究方法、热点内容及发展趋势进行了综述,建议在我国尽快启动有关宏基因组学的研究,从国家层面上开展联合攻关,拓展当前的研究领域,发展相关研究策略和技术,开展广泛的国际合作,使我国在宏基因组学研究领域占据有利地位.     

土壤中微生物及其环境效益的浅析

关于土壤微生物活性,已经成为目前土壤方面研究的热点问题。有些学者曾经对微生物在土壤环境中的作用表示怀疑,他们过分强调物理化学作用在土壤形成和土壤环境效应中的作用,而忽视微生物的研究。随着土壤学研究的深入,关于土壤成因、土壤生产力和环境现象已经越来越复杂,单纯依靠物理和化学的知识已经无法解释某些复杂的实验现象,现在必须依靠微生物来解释某些现象。本文将对土壤微生物在土壤研究中的作用进行简述,同时分析土壤环境变化对微生物数量和活性的影响,并简述一些微生物研究的进展。     

环境科学研究的新基点——祝贺《环境科学》创刊十周年

自然资源开发与环境保护问题的核心,在于生态系统效应。当代科学技术面临的世界性问题主要是人口、资源、能源与环境问题及其交叉影响。 1983年,日本科学技术会议曾向中曾根首相提出今后十年日本的基本方针,其中三个主要推动领域中都很重视环境科学研究:     

环境风险评估的技术本质

指明环境风险评估属于工程科学领域中的一门社会技术,从工程科学角度阐释了环境风险评估本质属性,即包括主体和客体、目的和标准、内容和方法以及应遵循的几项基本原则。研究表明,解析环境风险评估技术本质对于推动工程科学的社会技术研究具有学理与现实层面的示范作用。     

土壤微生物产电技术及其潜在应用研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)是一种利用微生物将有机物的化学能转化为电能的装置.土壤含有产电细菌和有机质,能够在MFCs中产生电流.运行土壤MFCs能实时连续监测土壤污染和环境变化,去除土壤中污染物以及抑制淹水稻田土壤排放甲烷.实现上述功能不仅不消耗能源,相反还能产生少量电能,也无需向土壤中添加化学药剂.因此土壤MFCs是值得探索的环境友好的污染检测和修复技术以及温室气体减排技术,在环境科学与工程领域具有潜在的应用价值.由于土壤MFCs研究起步较晚,MFCs领域许多新技术尚未在土壤MFCs中得以应用.本文综述了土壤MFCs的相关研究进展,并结合MFCs技术的前沿,提出土壤MFCs可能的发展方向.     

论科技档案在环境科技管理中的作用

环境保护任务越来越艰巨,环境科技工作显得尤为重要。现有环境管理与技术手段已凸显不足,解决当前环境问题的根本出路是要靠科技的进步。环境科技档案是一种技术资源,是为经济建设服务的,是环境科学技术发展水平的重要标志。环境科技档案不仅具有科技资料所共有的参考借鉴价值,还具有依据和凭证作用。从事任何一项环境科学技术活动,都需要科技档案作为依据和条件。     

城市入河径流排放口总污染特征研究

流入城市雨源性河流的径流污染不容忽视,以我国南方典型城市深圳市的福田河流域为研究对象,经过18场典型降雨径流的测定,从污染过程线、径流初期效应识别和降雨事件平均浓度(EMC)等方面分析和讨论了城市河流入河径流排放口的总污染特征规律,有利于指导城市河流污染控制.结果表明,排放口地表径流浓度随时间变化历程中,COD、SS、TN、TP和BOD5普遍超出地表Ⅴ类水标准十多倍以上,某典型降雨场次的重金属(铬、镉、铜、砷和汞)污染较为严重,研究区排放口的浓度范围和平均值均高于重庆沙坪坝雨水口和加拿大Silerwood的雨水排放口,但低于武汉十里铺排放口.COD、SS、BOD5的初期效应尤为明显并且COD和SS冲刷强度较大,TN、TP初期效应不明显.COD、SS、TN、TP和BOD5的EMC浓度平均值分别为224.14、571.15、5.223、2.04、143.5 mg/L,在某种程度上,深圳市研究点的COD和SS的EMC值高于邻近的澳门、珠海,TN、TP值高于北京、广州、上海等城市,与国外的一些研究结果相比较,EMC值比韩国、美国及加拿大一些城市地表径流污染物浓度高得多,可见由排放口入河的径流总污染极其严重并需要治理.     

生物矿化在重金属污染治理领域的研究进展

生物矿化通过生物代谢影响金属及类金属物质的形态分布,进而改变金属及类金属物质的生物有效性及毒性,在环境污染治理领域成为研究热点.文献计量学结果显示,2007—2017年生物矿化研究以微生物为主要对象,在纳米颗粒物和矿区修复等方面形成热点,并在环境学、生物学、化学和工程学等领域形成交叉学科.结合典型矿化菌与重金属间的矿化关联规律和微界面反应对微生物矿化中重金属的钝化机制进行归纳:①依据矿化菌与矿化产物的关联性对矿化菌进行分类,从碳酸盐、铁锰氧化物、硫化物和磷酸盐4类矿化产物角度汇总了碳酸盐矿化菌、铁锰氧化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌的代表微生物;②矿化菌通过诱导矿化的方式固定重金属离子,其中碳酸盐矿化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌可以直接促进金属矿物的形成,铁锰氧化菌生成的矿物间接吸附金属离子;③微生物矿化是由外及内的过程,细胞壁及胞外多聚物具有丰富基团,在矿化初期提供吸附和成核位点,原生质体也可以提供矿化场所,在矿化中后期继续固定游离离子.但是,由于微生物复杂的细胞结构及独特的生理习性,矿化过程的微界面反应机制研究尚显不足,需要利用生物学、矿物学、环境科学等领域的先进技术进一步的探索;同时也应开展宏观生态水平的生物矿化研究,并结合实际问题完善生物矿化在环境污染治理中的理论,为重金属污染地区的治理提供新的思路和技术.      

环境科学：一个新的研究范式的建立

 在现代科学哲学理论中，范式的有无被看作一门学科是否从前科学发展为科学的标志。运用这一理论，对环境科学的发展现状进行了透视，指出环境科学的研究范式已经建立，并讨论了其范式建立的标志，阐述了其范式建立的必要性，范式的特点等。     

微生物絮凝剂的研究进展及应用现状

絮凝（混凝）技术是一种既经济、简便又最普遍使用的处理方法。目前,研制高效无毒的絮凝剂成为环境科学与工程领域中的重要内容。介绍微生物絮凝剂在环境中的应用优势以及国内外对微生物絮凝剂的应用现状,论述其在印染废水、啤酒废水、味精废水和淀粉废水中的应用,并提出今后微生物絮凝剂的发展前景及方向。     

DGGE/TGGE方法在土壤微生物群落研究中的应用

变性梯度凝胶电泳(DGGE)或温度梯度凝胶电泳(TGGE)已成为环境微生物学领城比较微生物群落多样性和检测种群动力学的重要分子手段,本文介绍了DGGE/TGGE方法在土壤微生物群落研究中的应用进展及存在的缺陷,并提出了改进建议.     

Development and applications of functional gene microarrays in the analysis of the functional diversity, composition, and structure of microbial communities

Functional gene arrays (FGAs) are a special type of microarrays containing probes for key genes involved in microbial functional processes, such as biogeochemical cycling of carbon, nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals, biodegradation of environmental contaminants, energy processing, and stress responses. GeoChips are considered as the most comprehensive FGAs. Experimentally established probe design criteria and a computational pipeline integrating sequence retrieval, probe design and verification, array construction, data analysis, and automatic update are used to develop the GeoChip technology. GeoChip has been systematically evaluated and demonstrated to be a powerful tool for rapid, specific, sensitive, and quantitative analysis of microbial communities in a high-throughput manner. Several generations of GeoChip have been developed and applied to investigate the functional diversity, composition, structure, function, and dynamics of a variety of microbial communities from different habitats, such as water, soil, marine, bioreactor, human microbiome, and extreme ecosystems. GeoChip is able to address fundamental questions related to global change, bioenergy, bioremediation, agricultural operation, land use, human health, environmental restoration, and ecological theories and to link the microbial community structure to environmental factors and ecosystem functioning.