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現(xiàn)代環(huán)境工程微生物學(xué) 思考題及參考答案 一、名詞解釋 1.孟德爾定律 孟德爾定律是指孟德爾第一定律和孟德爾第二定律，即分離定律和自由組合定律。分離定律是指：遺傳性狀由遺傳因子決定，遺傳因子在體細(xì)胞中成對(duì)出現(xiàn)，而在產(chǎn)生配子時(shí)彼此分離，并獨(dú)立地分配到不同的性細(xì)胞中；自由組合定律是指：各種配子的數(shù)目相等，并且在形成配子的過程中兩對(duì)或更多對(duì)遺傳因子的組合是隨機(jī)的。 2.連鎖和連鎖群 連鎖是指：來自同一親本的兩個(gè)基因在配子形成過程中有保留原來組合的傾向，這是由于這兩個(gè)基因處在同一條染色體上的緣故，這種現(xiàn)象稱為連鎖。 同一染色體上相互連鎖的基因稱為連鎖群，連鎖群的數(shù)目等于單倍染色體的數(shù)目。 3.誘發(fā)突變 誘發(fā)突變是利用物理的或化學(xué)因素處理微生物群體，促使少數(shù)個(gè)體細(xì)胞的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在基因內(nèi)部堿基配對(duì)發(fā)生差錯(cuò)，引起微生物的遺傳性狀發(fā)生突變。誘發(fā)突變并非新的突變，而是通過不同的方式提高突變頻率。 4.轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化是指：同源或異源的游離DNA分子（質(zhì)粒和染色體DNA）被自然或人工感受態(tài)細(xì)胞攝取，并得到表達(dá)的水平方向的基因轉(zhuǎn)移過程。根據(jù)感受態(tài)建立的方式，轉(zhuǎn)化可分為自然遺傳轉(zhuǎn)化和人工轉(zhuǎn)化。 5.溫和噬菌體 當(dāng)噬菌體侵入宿主細(xì)胞后，其核酸附著并整合在宿主細(xì)胞染色體上，和宿主的核酸同步復(fù)制，宿主細(xì)胞不裂解而繼續(xù)生長，這種不引起宿主細(xì)胞裂解的噬菌體稱作溫和噬菌體。 6.普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 噬菌體可誤包供體菌中的任何基因（包括質(zhì)粒），并使受體菌獲得各種性狀的轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)可分為兩種：完全普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)。 7.F因子 F因子是一種核外質(zhì)粒，決定著細(xì)菌的性別，即含有控制性菌毛合成的遺傳信息，故稱為致育因子或性質(zhì)粒。F因子可整合到宿主染色體基因組上去而稱為附加體，且可以正常或異常脫落而成為各類菌株。 8.溶源化 溶源化是指：以溫和噬菌體感染非溶源性細(xì)菌細(xì)胞，并在附著位點(diǎn)的某一特定部位將噬菌體附加到細(xì)菌染色體上以建立溶源現(xiàn)象。噬菌體基因組整合入細(xì)菌染色體以及與之發(fā)生的被動(dòng)復(fù)制稱為穩(wěn)定性溶源化。若溫和噬菌體不能附著在細(xì)菌染色體上，并在感染細(xì)胞后代中進(jìn)行單方向遺傳（最后從群體中釋出），此稱為流產(chǎn)性溶源化。 9.結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因 編碼細(xì)胞各組分的合成的基因稱為結(jié)構(gòu)基因，凡是編碼酶或頭部蛋白、血紅蛋白、抗體蛋白等肽鏈的基因均為結(jié)構(gòu)基因。結(jié)構(gòu)基因也包括編碼核糖體RNA(rRNA)和轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)的染色體部分。 調(diào)控基因: 從廣義上說，指任何能調(diào)節(jié)或限制其他基因活性的一類基因。通常是指為某一（異構(gòu)的）蛋白質(zhì)（阻遏物）進(jìn)行編碼的某一基因。調(diào)控基因用于調(diào)節(jié)酶的合成等。 結(jié)構(gòu)基因只是使細(xì)胞可能產(chǎn)生某一種蛋白質(zhì)，而調(diào)控基因才使細(xì)胞在某一特定條件下實(shí)際上合成這種蛋白質(zhì)。 10.遺傳密碼子 遺傳密碼子是指DNA鏈上各個(gè)核苷酸的特定排列順序。每個(gè)密碼子（Cdon）是由三個(gè)核苷酸順序或稱三聯(lián)密碼所決定，它是負(fù)載遺傳信息的基本單位。 二、問答題 1.敘述DNA的特點(diǎn)及其在生物體內(nèi)的存在狀態(tài)。 (1)DNA的特點(diǎn) DNA是由大量的脫氧核糖核苷酸組成的細(xì)長的線狀或環(huán)狀大分子。DNA分子的基本單位是脫氧核糖核苷酸，它由堿基、脫氧核糖和磷酸基三部分組成。堿基有四種：即腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。DNA中的嘌呤和嘧啶堿基攜帶遺傳信息，其中的糖和磷酸基則起結(jié)構(gòu)作用。DNA分子中的骨架由磷酸二脂鍵連接的多個(gè)脫氧核酸組成，在整個(gè)分子中不變。一個(gè)脫氧核糖核苷酸中五碳糖的3羥基，通過一個(gè)磷酸二脂鍵與鄰近五碳糖的5羥基相連。 1953年，Watson和Crick提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一理論的要點(diǎn)是：①兩條鏈平行反向且右旋；②兩鏈之間堿基以氫鍵配對(duì)互補(bǔ)，A=T，G=C；③螺旋每周含10個(gè)堿基對(duì)，每周垂直升高3.4nm，螺旋直徑2nm；④磷酸－核糖主鏈在螺旋外側(cè)，堿基對(duì)平面在內(nèi)側(cè)且與主鏈垂直。 這一理論的核心是堿基互補(bǔ)配對(duì)。 此理論模型的意義在于，通過堿基配對(duì)互補(bǔ)，可以解釋：①細(xì)胞減數(shù)分裂和有性生殖——配子與受精卵的形成，即DNA雙鏈分開和來自雙方配子的單鏈DNA分子重新組合成雙鏈；②個(gè)體發(fā)育：一個(gè)受精卵的DNA雙鏈通過互補(bǔ)復(fù)制而重復(fù)合成；③遺傳與變異：DNA分子堿基序列具有保守性、可變性，堿基是突變的最小單位；④性狀控制：蛋白質(zhì)生物合成時(shí)，密碼與反密碼的配對(duì)識(shí)別。 DNA分子除了具有結(jié)構(gòu)的多樣性外，還能進(jìn)行自體復(fù)制，而蛋白質(zhì)卻不能。對(duì)遺傳物質(zhì)的關(guān)鍵性要求是它必須能夠準(zhǔn)確底復(fù)制。DNA復(fù)制具有以下的特點(diǎn)： ①DNA的復(fù)制從特定的位點(diǎn)開始，這個(gè)特定的位點(diǎn)稱為復(fù)制起始點(diǎn)，在復(fù)制起始點(diǎn)雙鏈DNA解旋，形成復(fù)制叉； ②半保留復(fù)制：即雙鏈DNA分子在復(fù)制過程中，DNA的兩條鏈各自作為合成時(shí)的模板。復(fù)制后，每一雙鏈體都是由一條親鏈和一條新合成的子鏈組成； ③DNA復(fù)制具有高度的忠實(shí)性，其復(fù)制的忠實(shí)性同DNA聚合酶的自我校正功能密不可分； ④雖然DNA聚合酶是DNA復(fù)制的主酶，然而，DNA復(fù)制是多種酶和蛋白質(zhì)因子協(xié)同有序工作的結(jié)果。 (2)DNA在生物體內(nèi)的存在狀態(tài) DNA在生物體內(nèi)的存在狀態(tài)有兩種：染色體DNA和染色體外DNA。 真核生物的遺傳物質(zhì)是DNA，其染色體由DNA及蛋白質(zhì)構(gòu)成，少的幾個(gè)，多的幾十或更多，染色體呈絲狀結(jié)構(gòu)。真核生物的許多染色體為核膜所包被。真核生物的染色體DNA含量高于原核生物。真核生物的染色體外DNA主要以細(xì)胞器的形式存在。這些細(xì)胞器的DNA常呈環(huán)狀，細(xì)胞器DNA的含量一般只占染色體DNA的1%以下。細(xì)胞器包括葉綠體、線粒體、中心粒、毛基體等。這些細(xì)胞器具有以下特點(diǎn)：①成分復(fù)雜，包括DNA、蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)類、RNA等成份；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜而多樣。葉綠體和線粒體具有復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)，中心粒和毛基體都具有微管或微纖絲結(jié)構(gòu)；③功能不一，而且對(duì)于生命活動(dòng)常時(shí)不可少的。葉綠體為依靠光合作用生活的生物所必需，線粒體為細(xì)胞呼吸所必需，中心粒為細(xì)胞分裂所必需；④數(shù)目多少不一；⑤自體復(fù)制。實(shí)驗(yàn)證明線粒體DNA和葉綠體DNA都進(jìn)行半保留復(fù)制；⑥一旦消失后，后代細(xì)胞中不再出現(xiàn)。 原核生物的遺傳物質(zhì)是DNA或RNA。原核生物的染色體往往只有一個(gè)，是單純的DNA或RNA，染色體外沒有膜包著。原核生物的染色體DNA的量遠(yuǎn)較真核生物為少。細(xì)菌和放線菌等的遺傳物質(zhì)都是雙鏈DNA，在病毒中則有DNA或RNA，是雙鏈或單鏈，呈線狀或環(huán)狀。病毒的核酸都不和蛋白質(zhì)相結(jié)合。大腸桿菌和沙門氏菌等的染色體都呈環(huán)狀，DNA的復(fù)制是從某一點(diǎn)開始，然后進(jìn)行雙向復(fù)制。原核生物的染色體外的DNA稱為細(xì)菌質(zhì)粒。細(xì)菌質(zhì)粒和真核生物自體復(fù)制的細(xì)胞器的相同的地方是：①自體復(fù)制；②一旦消失后，后代細(xì)胞中不再出現(xiàn)；③它們的DNA只占染色體DNA的一小部分。細(xì)菌質(zhì)粒和真核生物自體復(fù)制的細(xì)胞器的不同之處主要是：①成分和結(jié)構(gòu)簡單，一般都是較小的DNA環(huán)狀分子，并不和其他物質(zhì)在一起構(gòu)成一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；②它們的功能比自體復(fù)制的細(xì)胞器更為多樣化，可是一般并不是必需的。例如研究得最多的細(xì)菌質(zhì)粒如致育因子（F）質(zhì)粒、抗藥性因子（R）質(zhì)粒和大腸桿菌素因子（Col）質(zhì)粒等等，它們分別決定細(xì)菌的致育性、抗藥性和產(chǎn)生大腸桿菌素的能力等。它們的存在賦予宿主細(xì)菌以這些遺傳特性，它們的消失并不影響宿主細(xì)菌的生存；③許多細(xì)菌質(zhì)粒能通過細(xì)胞的接觸而自動(dòng)地由一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一細(xì)菌，使兩個(gè)細(xì)菌都成為帶有質(zhì)粒的細(xì)菌。 2.敘述突變的類型與突變的規(guī)律。 (2-1)突變包括基因突變和染色體畸變兩大類。 (1)基因突變：又稱點(diǎn)突變，因?yàn)閷?duì)于DNA的結(jié)構(gòu)來講，這些突變只涉及一對(duì)堿基或少數(shù)幾對(duì)堿基。 從突變所帶來的表形的改變來講，突變型可分為以下幾類：①形態(tài)突變型：造成形態(tài)改變的突變型，包括影響細(xì)胞形態(tài)的突變型以及影響細(xì)菌、霉菌、放線菌等的菌落形態(tài)以及影響噬菌體的噬菌斑的突變型；②致死突變型：造成個(gè)體死亡或生活能力下降的突變型，后者稱為半致死突變型；③條件致死突變型：在某一條件下具有致死效應(yīng)而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型；④生化突變型：指沒有形態(tài)效應(yīng)的生化突變型。最常見的是營養(yǎng)缺陷型。 從遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變來區(qū)分，基因突變包括堿基置換、移碼、DNA片段的缺失和插入。 從突變所引起的遺傳信息的意義改變來看，基因突變又可以區(qū)分為同義突變、錯(cuò)義突變和無義突變?nèi)N。 (2) 染色體畸變：染色體畸變涉及染色體的較大范圍的結(jié)構(gòu)改變，包括缺失、重復(fù)、易位和倒位。 一類移碼突變由一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的失去所造成。缺失的失去部分則包括許多對(duì)核苷酸。 另一類移碼突變是由一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的增加所造成。重復(fù)指染色體的較大范圍內(nèi)的一部分的兩次出現(xiàn)。重復(fù)部分同樣包括許多對(duì)核苷酸。 倒位是染色體一部分的順序的顛倒。在一個(gè)倒位雜合體中，染色體聯(lián)會(huì)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)倒位環(huán)。 易位是指非同源染色體間的部分的交換。相互易位是指兩個(gè)非同源染色體相互交換一個(gè)部分。一個(gè)相互易位雜合體在染色體聯(lián)會(huì)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)十字圖像。 (2-2)以細(xì)菌的抗藥性突變?yōu)槔蛔冇幸韵乱?guī)律： (1)抗藥性突變的發(fā)生和藥物的存在無關(guān)。 (2)抗藥性突變以一定的突變率發(fā)生在個(gè)別細(xì)菌中。突變是隨機(jī)的，細(xì)菌的突變率一般在10－8～10－6之間。 (3)對(duì)于各種藥物的抗性突變的發(fā)生彼此獨(dú)立無關(guān)。 (4)抗藥性突變型的穩(wěn)定性。由于基因突變所造成的抗藥性是穩(wěn)定的，即使藥物不存在，抗藥性依舊保持。而由于生理適應(yīng)而造成的抗藥性則是不穩(wěn)定的，當(dāng)藥物不存在時(shí)，抗藥性便很快消失。 (5)抗藥性基因的回復(fù)突變。野生型基因變?yōu)橥蛔冃突虻倪^程稱為正向突變，突變型基因變?yōu)橐吧突虻倪^程稱為回復(fù)突變?？顾幮酝蛔冃偷幕貜?fù)突變率同樣是很低的。 (6)抗藥性突變的突變率可以通過某些理化因素的處理而提高。能夠提高突變率的因素稱為誘變劑。接觸誘變劑而發(fā)生的突變稱為誘發(fā)突變，沒有接觸誘變劑而發(fā)生的突變稱為自發(fā)突變。 (7)抗藥性突變是DNA分子的某一特定位置的結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果。 以上這些規(guī)律不限于抗藥性突變，也不限于細(xì)菌，實(shí)際上一切生物的一切突變都符合于這些規(guī)律。這些規(guī)律是有關(guān)突變過程的規(guī)律，不涉及到突變型的表型效應(yīng)。根據(jù)以上這些基因突變的規(guī)律，可以把基因突變過程概括為三個(gè)特性：稀有性、隨機(jī)性和可逆性。 3.突變型的類型有哪幾種？談?wù)勊鼈冊(cè)谖⑸镞z傳學(xué)研究中的作用。 從突變所帶來的表形的改變來講，突變型可分為以下幾類： ①形態(tài)突變型：造成形態(tài)改變的突變型，包括影響細(xì)胞形態(tài)的突變型以及影響細(xì)菌、霉菌、放線菌等的菌落形態(tài)以及影響噬菌體的噬菌斑的突變型。前者例如影響孢子顏色、鞭毛的有無等等突變型，后者例如影響細(xì)菌菌落表面光滑或粗糙、影響噬菌斑的大小和清晰程度等突變型。 ②致死突變型：造成個(gè)體死亡或生活能力下降的突變型，后者稱為半致死突變型。一個(gè)隱性的致死突變基因可以在二倍體生物中以雜合狀態(tài)保存下來，可是不能在單倍體生物中保存下來，所以致死突變?cè)谖⑸镏醒芯康貌欢唷? ③條件致死突變型：在某一條件下具有致死效應(yīng)而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。廣泛應(yīng)用的一類是溫度敏感突變型。這些突變型在一個(gè)溫度中并不致死，所以可以在這溫度中保存下來。它們?cè)诹硪粶囟戎惺侵滤赖?，通過它們的致死作用，可以用來研究基因的作用等問題。 ④生化突變型：指沒有形態(tài)效應(yīng)的生化突變型。最常見的是營養(yǎng)缺陷型。營養(yǎng)缺陷型是由于代謝過程的缺陷而成為必需某種物質(zhì)才能生長的突變型。它們?cè)谖⑸镞z傳學(xué)研究中應(yīng)用非常廣泛?？顾幮酝蛔円彩俏⑸镞z傳學(xué)中常用的一類生化突變型。 這幾類突變型并不是彼此排斥的。某些營養(yǎng)缺陷型具有明顯的形態(tài)改變。例如粗糙脈孢菌和酵母菌的某些腺嘌呤缺陷型分泌紅色色素。營養(yǎng)缺陷型也可以認(rèn)為是一種條件致死突變型，因?yàn)樵跊]有補(bǔ)充給它們所需要的物質(zhì)的培養(yǎng)基上它們不能生長。所有的突變型可以認(rèn)為都是生化突變型，因?yàn)槿魏瓮蛔?，不論是影響形態(tài)的或是致死的，都必然有它的生化基礎(chǔ)。突變型的這一區(qū)分不是本質(zhì)性的。 4.您認(rèn)為愛姆斯試驗(yàn)?zāi)芊癖O(jiān)測污水的毒性？其中應(yīng)該注意什么問題？ 環(huán)境污染物的遺傳學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)在污染物的致突變作用，致突變作用是致癌和致畸的根本原因。具有致突變作用的或懷疑具有致突變效能的化合物數(shù)量巨大，這就要求發(fā)展快速準(zhǔn)確的檢測手段。微生物生長快的特點(diǎn)正適合這種要求，微生物檢測被公認(rèn)為是對(duì)致突變勿最好的初步檢測方法。 現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的是美國加利福尼亞大學(xué)的Ames教授等建立稱為Ames試驗(yàn)的方法。其原理是利用鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）的組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株（his-）在致突變物的作用下發(fā)生回復(fù)突變的性能，來檢測物質(zhì)的致突變性。 所謂回復(fù)突變（reverse mutation 或 back mutation）是指突變體失去的野生型形狀，可以通過第二次突變得到恢復(fù)，這種第二次突變稱為回復(fù)突變。His菌株在不含組氨酸的培養(yǎng)基中不能生長，或只有極少數(shù)的自發(fā)回復(fù)突變子生長，如果回復(fù)突變率因某種化學(xué)誘變劑（或待測物）的作用而加強(qiáng)，那么這種化學(xué)藥物可判斷為具有致癌性。 由于回復(fù)突變是某一特定結(jié)構(gòu)的改變，所以缺乏代表性?？紤]到這一情況，所以所用的組氨酸缺陷菌株不是一個(gè)而是幾個(gè)，而且每一個(gè)菌株代表一種結(jié)構(gòu)改變。例如： TA1535(rfa ΔuvrB hisG46)，hisG46是堿基置換； TA1536(rfa ΔuvrB hisC207)，hisC207是移碼突變，可能是GC對(duì)缺失； TA1537(rfa ΔuvrB hisC3076)，hisC3076是移碼突變， GC對(duì)的增加； TA1538(rfa ΔuvrB hisD3052)，hisD3052是移碼突變， GC和CG對(duì)的缺失。 此外，為了提高測試系統(tǒng)的靈敏度，每一個(gè)缺陷型菌株中還包括另外兩個(gè)突變，一個(gè)是造成細(xì)胞表面透性增進(jìn)的深度粗糙突變型（rfa），另一個(gè)是喪失切除修復(fù)能力的缺失型（ΔuvrB）。 由于許多潛在的致癌劑在體外試驗(yàn)中可能不顯示誘變作用，但進(jìn)入人體后可轉(zhuǎn)變成致癌活性，這種轉(zhuǎn)變是由于肝臟內(nèi)的混合功能氧化酶系的作用。因此為了使體外試驗(yàn)更接近于人體內(nèi)代謝條件，Ames等采用了在體外加入哺乳動(dòng)物（如大鼠）微粒體酶系統(tǒng)，使待測物活化，使Ames試驗(yàn)的準(zhǔn)確率達(dá) 80%~90%。 一般采用紙片點(diǎn)試法和平皿摻入法檢測環(huán)境污染物的致突變性。當(dāng)培養(yǎng)基中含有微量組氨酸時(shí)，傾注過量菌液的平板上形成一層微小的菌落，但當(dāng)受到致突變物作用時(shí)，缺陷型菌株回復(fù)突變?yōu)橐吧途?，這時(shí)在培養(yǎng)基上長出明顯的菌落。 用Ames測驗(yàn)對(duì)幾百種致癌藥物進(jìn)行檢測，總的符合率達(dá)到90%左右。一般認(rèn)為在Ames測驗(yàn)中具有陽性反應(yīng)的物質(zhì)有致癌的潛在危險(xiǎn)性。因此，Ames試驗(yàn)可以用于監(jiān)測污水的毒性，特別適合于污水毒性的初步檢測。 Ames試驗(yàn)的理論根據(jù)是認(rèn)為癌變是某些基因發(fā)生突變的結(jié)果。如果確實(shí)是這樣的話，每一種誘變劑應(yīng)該都是致癌劑?？墒悄承┱T變劑（如2-氨基嘌呤）卻不是致癌劑。因此，另一觀點(diǎn)認(rèn)為基因突變和癌變有共同的原因，但并不是前者造成后者。這共同的原因認(rèn)為便是SOS反應(yīng)，有一部分突變的誘發(fā)并不通過SOS反應(yīng)（如2-氨基嘌呤誘發(fā)的突變），這些藥物便不一定是致癌物，這就是符合率并不是100%的原因。λ噬菌體的誘導(dǎo)釋放是一種SOS反應(yīng)，而且是一種結(jié)果明顯又便于快速檢測的反應(yīng)，因此的λ誘導(dǎo)釋放被某些作者認(rèn)為是比Ames試驗(yàn)更為理想的致癌物質(zhì)檢測系統(tǒng)，應(yīng)該預(yù)期有更高的符合率。 由于Ames試驗(yàn)的符合率一般為80~90%，因此，除了用Ames試驗(yàn)對(duì)污水毒性作檢測外，一些國家（如美國）還采用微核檢測法檢測污水的毒性。微核檢測法的原理是：毒物（或致癌物）能夠?qū)е氯旧w畸變，造成染色體的斷裂，則會(huì)出現(xiàn)一些染色體微粒，這些微粒稱為微核。微核在顯微鏡下可見。我國環(huán)保局規(guī)定采用松滋青皮豆的根尖進(jìn)行微核檢測，觀測微核出現(xiàn)的概率。美國環(huán)保局采用紫露草的花粉進(jìn)行微核檢測。此外，更好的推斷毒性物質(zhì)對(duì)人體及其他動(dòng)物的致突變或致癌性，除了進(jìn)行Ames試驗(yàn)外，還應(yīng)結(jié)合進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)，如進(jìn)行魚類等的試驗(yàn)。 5.結(jié)合自己的專業(yè)，談?wù)勎⑸镞z傳學(xué)在環(huán)境工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用及其前景。 (1) 馴化 環(huán)境工程中，特別是污水處理工程中，一般采用馴化的方法培育活性污泥（菌種），例如：處理石油煉廠廢水、印染廢水、煤氣廠含酚、氰廢水等活性污泥（菌種）的來源，有來自含酚廢水的活性污泥，但多半來自城市污水處理廠的活性污泥。生活污水無毒，具有微生物生長繁殖所必須的營養(yǎng)物，例如：碳、氮、磷、硫、鉀、鈉及生長因素等；有機(jī)物則有蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等。水溫隨季節(jié)變化為常溫，pH為中性或偏堿性，這些條件都很適合微生物生長。處理生活污水的微生物有它固有的遺傳性，當(dāng)將它移至其他廢水中生活時(shí)，營養(yǎng)、水溫、pH均改變，有的廢水甚至有毒。例如：印染廢水中有染料、淀粉、尿素、棉纖維及一些無機(jī)鹽；冬季水溫10～20℃，夏季水溫達(dá)40℃以上，pH＝7～10之間，經(jīng)過長時(shí)間的馴化后，微生物改變了原來對(duì)營養(yǎng)、溫度、pH等的要求，產(chǎn)生了適應(yīng)酶。利用印染廢水中各種染料成分為營養(yǎng)，改變了代謝途徑。這些微生物不僅能在印染廢水中生存，而且它處理印染廢水的能力不斷提高。這時(shí)的微生物發(fā)生了變異，稱為變種或變株。 在廢水生物處理過程中，微生物的變異現(xiàn)象很多，有營養(yǎng)要求的變異；對(duì)溫度、pH值要求的變異；對(duì)毒物的耐毒能力的變異；個(gè)體形態(tài)和菌落形態(tài)的變異及代謝途徑的變異等。 馴化是人為用某一特定環(huán)境條件處理某一微生物群體，同時(shí)不斷將它們進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到積累和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老的育種方法。由于自發(fā)突變的變異頻率較低，變異的程度較輕，故變異過程均比誘變育種和雜交育種慢得多。 (2)質(zhì)粒育種 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，人工合成的非天然物質(zhì)不斷增多，例如：有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、塑料、合成洗滌劑等。這些物質(zhì)不易被現(xiàn)有的微生物分解，在土壤和水中存留時(shí)間較長，喪失75%~100%所需的時(shí)間快的要一周，慢的要幾年甚至十多年。這類物質(zhì)積累在土壤和水體中，嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，在環(huán)境工程中極其需要快速降解上述污染物的高效菌，為此，人們已在質(zhì)粒育種和基因工程菌作了一些研究和試驗(yàn)。 在原核微生物中除有染色體外，還含有另一種較小的、攜帶少量遺傳基因的環(huán)狀DNA分子叫質(zhì)粒。質(zhì)粒在細(xì)胞分裂過程中能復(fù)制，并將遺傳性狀傳給后代。有的質(zhì)粒獨(dú)立存在于細(xì)胞質(zhì)中，也有的和染色體結(jié)合叫附加體（如大腸桿菌的F因子）。 目前所發(fā)現(xiàn)的質(zhì)?；蛴校褐掠蜃樱‵）質(zhì)粒、抗藥性因子（R）質(zhì)粒和大腸桿菌素因子（Col）質(zhì)粒，假單胞菌屬中存在的降解某些特殊有機(jī)物的降解因子，如：惡臭假單胞菌（Pseudomonsa . putida）有分解樟腦的質(zhì)粒（CAM . comphor）、食油假單胞菌（P . oleovorans）有分解正辛烷（OCT . N-octanc）、惡臭假單胞菌R-1有分解水楊酸（SAL . Salicyate）的質(zhì)粒、銅綠色假單胞菌（P . aeruginosa）有分解萘（NPL . Nephthalene）的質(zhì)粒等。 質(zhì)粒在原核微生物的生長過程中不象染色體那樣舉足輕重，常因某種外界因素影響而發(fā)生質(zhì)粒丟失或轉(zhuǎn)移。某種細(xì)菌一旦喪失質(zhì)粒，就會(huì)喪失由該質(zhì)粒決定的某些形狀，但菌體不死亡。質(zhì)?？烧T導(dǎo)產(chǎn)生，有些質(zhì)粒，如：F因子、R因子能通過細(xì)胞與細(xì)胞的接觸而轉(zhuǎn)移，質(zhì)粒從供體細(xì)胞轉(zhuǎn)移到不含該質(zhì)粒的受體細(xì)胞中，使受體細(xì)胞具有由該質(zhì)粒決定的遺傳性狀。有的質(zhì)粒可攜帶供體的一部分染色體基因一起轉(zhuǎn)移，從而使受體細(xì)胞既獲得供體細(xì)胞質(zhì)粒決定的遺傳性狀，又得到了供體細(xì)胞染色體決定的某些遺傳性狀。 質(zhì)粒的這些性狀可利用來培育優(yōu)良菌種，同時(shí)質(zhì)粒在基因工程中常被用作基因轉(zhuǎn)移的運(yùn)載工具——載體。 質(zhì)粒育種是將兩種或多種微生物通過細(xì)胞結(jié)合或融合技術(shù)，使供體菌的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到受體菌體內(nèi)，使受體菌保留自身功能質(zhì)粒，同時(shí)獲得供體菌的功能質(zhì)粒，即培育出兩種功能質(zhì)粒的新品種，這已在環(huán)境工程中獲得初步研究成果，如： ①多功能超級(jí)細(xì)菌的構(gòu)建 把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到能降解脂烴的假單胞菌體內(nèi)，結(jié)果得到了同時(shí)降解4種烴類的超級(jí)菌。它能把原油中約2/3的烴消耗掉。與自然菌種相比其降解速度快。自然菌種要花一年多才能將海上浮油分解完全，而超級(jí)細(xì)菌只要幾小時(shí)就分解完全。 ②解烷抗汞質(zhì)粒菌的構(gòu)建 Chakrabarty等人將嗜油假單胞菌體內(nèi)有降解辛烷、乙烷、葵烷功能的OCT質(zhì)粒和抗汞質(zhì)粒MER同時(shí)轉(zhuǎn)移到對(duì)20mg/L汞敏感的惡臭假單胞菌體內(nèi)，結(jié)果使這敏感的惡臭假單胞菌轉(zhuǎn)變成抗50~70mg/L汞的，同時(shí)高效分解辛烷的解烷抗汞質(zhì)粒菌。 ③脫色工程菌的構(gòu)建 將分別含有降解偶氮染料質(zhì)粒的編號(hào)為K24和K46的兩株假單胞菌通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)培育出兼有降解兩種偶氮染料功能的脫色工程菌。 ④Q5T工程菌 將嗜溫的Pseudomanos putda pawl和嗜冷的Q5菌株融合，使Pseudomanos putda pawl體內(nèi)降解甲苯、二甲苯的TOL質(zhì)粒轉(zhuǎn)移入Q5菌株體內(nèi)構(gòu)建而成。該菌在0℃仍能正常利用濃度為1000mg/L的甲苯作碳源，這對(duì)寒冷地區(qū)進(jìn)行廢水生物處理有重要意義。 質(zhì)粒育種在環(huán)境保護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注，并予以很大的期望。但在具體實(shí)施上有較大的困難。因?yàn)榧?xì)菌的質(zhì)粒本身容易丟失或轉(zhuǎn)移，重組的質(zhì)粒也面臨這個(gè)問題。再者，質(zhì)粒具有不相容性，兩種不同的質(zhì)粒不能穩(wěn)定地共存于同一宿主中。只有在一定條件下，屬于不同的不相容群的質(zhì)粒才能穩(wěn)定地共存于同一宿主中。 (3)基因工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 基因工程是指基因水平上的遺傳工程，它是用人為方法將所需的某一供體生物的遺傳物質(zhì)——DNA大分子提取出來，在離體條件下進(jìn)行切割后，把它和作為載體的DNA分子連接起來，然后導(dǎo)入某一受體細(xì)胞中，以讓外來的遺傳物質(zhì)在其中“安家落戶”，進(jìn)行正常的復(fù)制和表達(dá)，從而獲得新物種的新產(chǎn)品，這是一項(xiàng)嶄新的育種技術(shù)。20世紀(jì)70年代，基因工程技術(shù)得到發(fā)展，人們把希望寄托在利用基因工程構(gòu)建新品種，用于環(huán)境保護(hù)中。 隨著工業(yè)的發(fā)展，大量的合成有機(jī)物進(jìn)入環(huán)境，其中很大部分難于生物降解或降解緩慢，如多氯聯(lián)苯、多氯烴類化合物，其水溶性差，難生物降解，致使在環(huán)境中的持留時(shí)間長達(dá)數(shù)年至數(shù)十年。 基因工程為改變細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵酶或酶系統(tǒng)提供了可能，從而可以： ①提高微生物的降解速率，如提高2,4,6-三硝基甲苯（TNT）的降解效率。 ②擴(kuò)寬底物的專一性范圍，如拓寬微生物雙氧合酶對(duì)多氯聯(lián)苯（PCBs）和三氯乙烯（TCE）的底物專一性范圍。 ③維持低濃度下的代謝活性； ④改善有機(jī)污染物降解過程中的生物催化穩(wěn)定性等。 利用對(duì)不同底物具有降解活性的酶的組合構(gòu)建新的復(fù)合代謝途徑，已應(yīng)用于鹵代芳烴、烷基苯乙酸等的降解。通過引入編碼新酶的活性基因，或?qū)ΜF(xiàn)有的基因物質(zhì)進(jìn)行改造、重組，構(gòu)建新的微生物，可用于氯代芳烴混合物的降解。 (4)PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 PCR(Polymerase chain reaction)稱DNA多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。于1985年由美國Millus創(chuàng)立。PCR是DNA在體外擴(kuò)增的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于法醫(yī)鑒定、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生檢疫、環(huán)境監(jiān)測等方面。因PCR檢測速度快，只需5~6小時(shí)就可出結(jié)果，深受檢測單位關(guān)注，并積極研究和應(yīng)用。 環(huán)境中存在各種生物的DNA，在環(huán)境中采集到少量的DNA，加入引物和DNA多聚酶，經(jīng)過變性和復(fù)性的過程，就可以在體外擴(kuò)增至足以供監(jiān)測、鑒定用的量。在土壤和水中存在微生物的尸體及其分解物?？梢圆杉江h(huán)境中微生物的DNA，利用PCR技術(shù)鑒定微生物。 PCR技術(shù)在環(huán)境衛(wèi)生無檢測中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： ①應(yīng)用PCR技術(shù)研究某一特定環(huán)境中微生物區(qū)系的組成，進(jìn)而了解其種群動(dòng)態(tài)； ②應(yīng)用PCR技術(shù)監(jiān)測環(huán)境中特定種群（如致病菌、工程菌等）的動(dòng)態(tài)。 微生物遺傳學(xué)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著微生物遺傳學(xué)研究的深入，將會(huì)有更多的遺傳工程技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中來。 -15-