小议环境工程技术的原理和应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 小议环境工程技术的原理和应用 摘要：近年来，PCRDGGE 用 于环境微生物种群的研究越来越多，涉 及的领域也越来越广泛，目前在国内这 方面的应用虽然处于起步阶段，但也成 为研究的热点。以下文章简要地阐述了 环境工程中相关技术的原理及其优点， 并分析了该技术的现状、前景。 中国论文网 /2/view-12897629.htm 关键词：环境工程；技术；原理； 应用 Abstract: in recent years, PCR- DGGE for environmental microbial population study more and more, the field that involves more and more widely, at present in this aspect of the domestic -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 application while at the beginning stage, but also become the research focus. The following article briefly elaborates the environmental engineering related technology principle and its advantages, and analyzes the present situation of the technology, and prospects. Keywords: environmental engineering; Technology; Principle; application 中图分类号：O434.19 文献标识 码：A 文章编号： 1、PCRDGGE 技术的原理 1.1 DGGE 的原理 变性梯度凝胶电泳技术是 DNA 指纹技术，是多态性分析技术的一种， 其原理是：DNA 进行电泳时使用具有 化学变性剂梯度的聚丙烯酰胺凝胶，该 凝胶能够有区别地解链 PCR 扩增产物。 长度相同而在碱基序列上存在差异的不 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 同 DNA 在进行变性梯度凝胶电泳时， 双链的解链需要不同的变性剂浓度，序 列不同的 DNA 片段就会在各自相应的 变性剂浓度下变性，发生空间构型的变 化。起初双链 DNA 以线状向正极移动， 随著变性剂浓度的增，DNA 中具有低 G+C 含量的序列的部分被打开，而高 G+C 含量的部分仍保持双链。DNA 双 链一旦解链，DNA 分子形成端部的叉 状或中间的环形(即 DNA 部分熔化)， 其在聚丙烯酰胺凝胶中的电泳速度将会 急剧下降；以至停留在其相应的不同变 性剂梯度位置，染色后可以在凝胶上呈 现为分开的条带。如此便能将具有相同 长度而序列有差异的 DNA 分子分离开。 尿素和甲酰胺通常被用作变性剂形成变 性梯度。该技术可以分辨具有相同或相 近分子量的目的片段序列差异，可以用 于检测单一碱基的变化和遗传多样性以 及 PCR 扩增 DNA 片段的多态性。 1.2 微生物生态研究技术 DGGE 技术一开始是在医学上用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 来检测基因突变，1993 年，Muyzer 等 首次将该技术应用于微生物生态的研究。 PCRDGGE 技术是结合聚合酶链式反 应(PCR)，依据所扩增的独特的 DNA 的 分离提供微生物群落多样性的图案或轮 廓。16SrRNA(或 18SrDNA)分子中，既 含有高度保守的序列区域，又有中度保 守的序列区域和高度变化的序列区域， 适用于进化距离不同的各类生物亲缘关 系的研究，是一种很好的度量生物进化 关系的分子钟，有” 分子计时器 ”之称。 根据 16srRNA 保守序列设计特异性引 物，对其基因的多变区进行扩增，扩增 产物进行 DGGE，对其产生的条带进行 分析。也可以用 DGGE 技术分离一些特 殊的功能基因如甲烷加单氧酶羟化酶基 因和氨加单氧酶 d 一亚单位基因片段的 扩增产物，从而分析特殊生态环境中特 殊的微生物如甲烷营养型细菌和氨氧化 细菌的多样性和动态变化。所以该技术 主要包括以下步骤：样品总 DNA 提 取及纯化；样品 16SrDNA(或 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 18SrDNA)片段或特殊功能基因片断的 PCR 扩增；对 PCR 扩增产物进行 DGGE 分离及分析。 Muvzer 分析了分子大小相同但 序列不同的 16SrDNA 片段，对细菌种 群多样性、数量比例和系统等进行更为 详尽的描述。并证实了这种技术在揭示 自然界微生物区系的遗传多样性和种群 差异方面具有独特的优越性。 2、新技术的应用 由于 PCRDGGE 技术克服了传 统微生物学方法的局限性，自 Muyzer 等开辟了 DGGE 在微生物生态领域研究 的先河以来，该技术迅速发展成为环境 微生物群落结构分析研究的主要手段之 一。 2.1 在废水生物处理研究中的应 用 PCRDGGE 技术在废水生物处 理研究中的应用使人们对废水处理过程 中微生物群落的变化产生了新的认识。 Lapara 等研究了升高温度对废水 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 好氧生物处理过程中细菌群落结构和功 能的影响，DGGE 分析细菌群落的结果 表示不同温度下有不同的细菌群落。 刘新春等应用 PCRDGGE 方法， 对在相同的操作条件下分别用低温菌和 常温菌接种的两套活性污泥系统中的微 生物群落结构的动态变化进行了追踪。 由于工艺相同，使得接种的低温菌群和 常温菌群在相同的操作条件下，产生了 相似的微生物群落结构。随着运行时间 的增加，其菌群结构相似程度也越来越 高。 硝化作用是废水处理系统中实现 氨氮去除的关键步骤。而氨氧化细菌在 硝化作用过程中负责将氨氧化为亚硝酸 盐，实现亚硝化作用，是硝化过程中必 不可少的步骤。但由于氨氧化细菌的生 长速率相当低，生物量很少，采用传统 的细菌分离培养分析法研究氨氧化细菌 相当费时、繁琐。许玫英等采用 PCR 扩增 16SrDNA、扩增功能基因、随机 克隆测序等技术，分析处理含高浓度氨 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 氮废水处理系统不同驯化时期的 4 个活 性污泥样品氨氧化细菌的种类和氨单加 氧酶的活性，并在国内首次采用 PCRDGGE 相结合的技术对样品中总 的细菌类群的差异进行研究。结果 表明采用 PCRDGGE 技术有利 于更全面地了解氨氧化细菌的类群和功 能，进而改善废水处理系统的处理效果。 王峰等应用 PCRDGGE 技术对 城市污水化学一生物絮凝强化一级处理 工艺与传统的完全混合式处理工艺反应 池活性污泥样品微生物种群结构进行了 对比研究，对同一反应器不同位置微生 物分布以及不同工况下的微生物种群结 构进行了初步探讨。结果表明两种城市 污水处理工艺中微生物种群多样性都相 当丰富，但是种群结构相差很大。说明 化学生物絮凝处理工艺的微生物作用与 成分相近的城市污水处理工艺中微生物 作用机理可能存在相当大的差别。 Rowan 等采用生物滴滤反应器和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 生物滤池处理同种废水，运用 PCRDGGE 考察了不同反应器中的氨 氧化细菌菌群的组成。虽然不同形式反 应器或是同一反应器的不同位置中的氨 氧化细菌菌群组成不同，但是主要种群 是不依赖反应器的形式或是在反应器中 所处的位置不同而改变的，也正是这些 主要种群在整个处理过程中发挥着重要 的作用。 裘湛等采用 PCRDGGE 技术对 处理采油废水的水解酸化一缺氧法不同 生物反应器中污泥样品进行研究，确定 了微生物的优势菌种，并进行了多样性 分析，结果显示了在不同环境条件下微 生物群落结构的连续动态变化过程。 2.2 在废气生物处理研究中的应 用 生物过滤是一种能有效处理恶臭 和挥发性有机废气的气体污染控制技术。 生物滤池和生物滤塔作为生物处理恶臭 气体的简单有效的方法，得到了快速的 发展。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 陈桐生等人采用 PCRDGGE 技 术研究除臭生物滤池中试装置中分别处 于较强酸性和中性的两种不同运行环境 下微生物种群的多样性和生物种群的结 构变化。通过扩增细菌 16SrRNA 基因 的 V3 可变区，结合应用 DGGE 技术分 析除臭生物滤池的生物种群的结构变化， 并回收主要的 DNA 片段，结合 PCR 测 序及 T 载体克隆测序，明确优势菌群的 系统发育地位。结果表明，除臭生物滤 池在不同的 条件下，微生物的多样性 及其丰度存在较大差别，强酸性对微生 物具有较高的选择作用，与中性条件相 比，微生物种群多样性相对较低。同时 在滤池的不同层次上也表现出明显的空 间分布多样性差异，序列比对结果显示 硫氧化细菌在除臭过程中占有优势地位。 为更好地处理恶臭气体提供可靠的科学 依据，同时也为生物除臭的应用提供一 定的理论基础。 生物滤塔中微生物的种群结 构以及微生物多样性对于恶臭气体的处 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 理效率以及反应器的稳定运行至关重要。 殷峻等应用 DGGE 技术对处理含氨废气 的生物滤塔中微生物多样性随时间的变 化进行了研究，通过比较反应器不同填 料、不同时期微生物多样性得出结论： 填料中微生物的多样性都随着反应器运 行时间的延长而有所减少；与污泥填料 和混合填料相比，堆肥填料的微生物多 样性程度最高，反应器的去除能力也最 好。 2.3 在污泥生物处理研究中的应 用 在污泥处理过程中，污泥的稳定 化是一个相当重要的过程。微生物的稳 定化过程对于系统达到稳定状态具有更 直接的指导意义。辅以钢等用 DGGE 指 纹图谱技术对污泥堆肥工艺中的细菌种 群动态变化及多样性进行了研究。结果 表明，生物法污泥堆肥周期小于 8d。对 污泥堆肥各工艺环节样品进行 DGGE 指 纹图谱和相似性系数 Cs 值分析，发现 随着反应的持续进行，微生态结构的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 Cs 值越来越高，说明微生物种群结构 愈趋稳定。证实污泥微生态能迅速进行 优胜劣汰的筛选，调整内部细菌种群结 构，从而达到适应环境的目的，在发酵 过程中形成的优势细菌种群能长时间保 持稳定。 3、PCRDGGE 技术的局限性 和生物处理研究中的优势 3.1 PCRDGGE 技术的局限性 PCRDGGE 技术只能分离较小 的片段(达 500bp)，较长的片段分离率 下降，限制了用于系统发育分析和探针 的序列信息量。由于某些种类 16srDNA 的拷贝之间的异质性问题及异源核酸双 链分子的检出可能会导致细菌数量的过 多估计。在有些情况下，不同类型的细 菌种群 16SrDNA 有着相同的迁移行为， 一条 DGGE 条带是由不同细菌种群序列 组成，这可能会低估环境微生物的种群 多样性。 3.2 生物处理研究中的优势 PCRDGGE 技术不需要微生物 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 的分离和纯培养，可以直接从所研究的 生物处理系统样品中抽提总 DNA，对 16SrRNA 的可变区进行 PCR 扩增，扩 增产物通过 DGGE 进行分离并进一步分 析，所以能克服传统方法的不足，打破 微生物可培养性的局限，能检测到难以 纯培养或不能纯培养的微生物，也可避 免了对一些生长缓慢的微生物如硝化细 菌的检测和分析的费时和繁琐。 PCRDGGE 技术检测极限低， MUYZER 等用这种方法能检测出数量 仅占总群落数 l的微生物。在贫营养 或含有毒物的生物处理系统中的微生物， 不可能形成很复杂微生物群落结构和丰 富的细菌数量，有些种类可能只