16srDNA测序在环境领域的研究

美吉生物 2020-09-17 15:01 30239

随着人口增长和经济社会活动的增加,全球需水量也在持续上升,而随之带来的水污染也越加严重。这在很大程度上促进了污水处理工艺的发展,其中生物污水处理系统,利用微生物特性降解有机质、去除营养物质,把有毒物质转化为无毒物质,在污水处理中扮演着重要角色。既然微生物在污水处理过程中如此重要,那微生物在污水处理过程中到底是如何发挥作用的呢?污水处理过程中的微生物又该如何研究呢?


01 污水处理中微生物的研究方法


分子生物学方法如 PCR 技术的革新,彻底改变了污水处理过程中微生物研究的现状。“组学时代”到来,对污水处理系统中微生物系统发育和功能多样性的研究带来了转折(图 1)。高通量测序技术的发展,极大地降低了测序成本。除了分离微生物的全基因组测序研究,宏基因组学和宏转录组学方法也已经被应用于揭示污水处理系统整体微生物群落基因组潜能和转录本信息。其中微生物群落结构研究,即 16srDNA 研究,通过抓取微生物基因保守片段即可反映出微生物基本的群落组成信息,与测全基因组相比,大大节省了成本和时间。除基于核酸的方法外,宏蛋白组学和宏代谢组学方法(图 1)的出现,推动了污水处理过程中微生物与微生物、微生物与生物大分子互作的研究。


图 1 污水中 16srDNA 和功能研究的主要分子生物学方法原理图


02 污水处理系统 16srDNA


利用高通量测序技术 16srDNA 的研究,揭示对污水处理厂活性污泥的研究揭示,其优势菌门为变形菌门,而在不同条件也会有不同比例的其它类群(如拟杆菌门,绿弯菌门,放线菌门,浮霉菌门,厚壁菌门等),并且很多类群是传统的分子生物学方法无法检测到的。另外,宏基因组学研究阐明,污水处理系统中微生物群落的主要的功能分类有:碳水化合物活性酶,蛋白质代谢和氨基酸衍生物或芳香族化合物的代谢等(图 2)。


图 2 生物污水处理反应器中主要生物反应和主要分类单元图解


03 常用分析方法



04 未来的方向


大量的基因组学信息对研究污水处理系统中差异显著性的生物功能有极大帮助。但依然有很多相关问题还未解决。例如:哪个物种或功能对污水处理系统是重要的?定义核心微生物组关键的是理解复杂微生物组成中稳定、一致的组分,但目前仍然无法定义。组学技术的联合使用会对我们解决污水处理问题带来极大的优势。对环境干扰的适应力,阐明在这种条件变化下基因表达的快速反应会帮助我们理解微生物的适应策略。


05 污水污泥领域常用期刊


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