环境工程微生物学微生物的遗传和变异

关于环境工程微生物学微生物的遗传和变异第一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二微生物的遗传遗传和变异是一切生物最本质的属性。是指亲代如何如将自身的遗传基因稳定地传递给下一代的特性。遗传（保守性/相对性）变异（绝对性）——育种/废水（气、固废）降解菌的筛选遗传和变异——进化遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科。一、概述第二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二微生物的遗传遗传和变异的物质基础－－DNADNA的结构与复制DNA的变性和复性RNA的类型和结构蛋白质的合成第三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二微生物的遗传

1、遗传和变异的物质基础—核酸（DNA，RNA）三个经典实验（一）经典转化实验（transformation）：（二）噬菌体感染实验（三）植物病毒的重建实验第四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二经典转化实验SR第五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二噬菌体感染实验噬菌体1952.赫尔希和切斯第六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二

1952年赫尔希和切斯噬菌体侵染大肠杆菌实验噬菌体感染实验第七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。植物病毒的重建实验第八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二遗传物质在细胞中分布染色体（DNA和蛋白）第九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二核苷酸的结构（二）DNA的化学结构和模型一分子磷酸一分子含氮碱基一分子脱氧核糖第十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二四种碱基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）1、DNA的化学结构第十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二DNA分子结构，是通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成线性或环形多聚体。由于组成DNA的核苷酸彼此之间的差别仅在于碱基部分，所以DNA的化学结构即指DNA分子中碱基的组成和排列顺序。1、DNA的结构第十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二1、DNA的结构A~T,G~C互相间通过

氢键连接。第十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二2、DNA的模型1.DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕构成的，两条线都是右手螺旋。2.磷酸与核糖在外侧，通过3’,5’-磷酸二酯键线连接形成DNA分子骨架，嘌呤碱基与嘧啶碱基位于双螺旋的内侧。3.双螺旋的平均直径为2nm，两个临近的碱基对之间距离为0.34nm，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，因此，每一转的高度为3.4nm。4.两条核苷酸链通过碱基之间的氢键相连。（二）DNA的化学结构和模型第十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson,1928-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。第十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二（三）RNA的类型与功能RNA的化学结构主要是由AMP、GMP、CMP和UMP四种核糖核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键相连而成的多聚和苷酸链。天然RNA的二级结构只在许多区段发生自身回折，使部分A-U，G-C碱基配对，形成短的、不规则的螺旋区。不配对的碱基区膨出形成环，被排斥在双螺旋之外。RNA的分类

核糖体RNA（rRNA）、信使RNA（mRNA）和转移RNA（tRNA）反义RNA（asRNA)。

反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。由mRNA、tRNA、反义RNA和rRNA协作合成蛋白质。第十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二

DNA分子的四种碱基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）

RNA分子的四种碱基A（腺嘌呤）

U（尿嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）（三）RNA的类型与功能第十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二（一）DNA的复制-自我复制1、DNA的半保留复制

DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。二、DNA的复制与蛋白质的合成第十八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二2.DNA的复制过程1）DNA复制的起始（1）DNA复制的起始点DNA复制开始于染色体上的特定部位，成为起始点。在起始点处双股螺旋解开成单链状态，各自作为模板按照互补配对原则吸引带有互补碱基的核苷酸，合成其互补链。在起始点处出现叉子状的生长点，成为复制叉。(2)DNA复制的方向

复制的方向有三种：一是从两个起点开始，各以相反的单一方向生长出一条新链，形成两个复制叉；二是从一个起始点开始，以同一方向生出两条链，形成一个复制叉；三是从一个起点开始，沿两个相反的方向各生长出两条链，形成两个复制叉。

第十九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二（3）RNA引物的合成。DNA聚合酶只能催化链的延长不能发动新链合成，即它需要一个具3’-OH的核酸链作为引物，才能将合成原料dNTP一个个接上去。RNA引物酶则不同，此酶以DNA为模板就可以合成一段新的RNA，这段RNA作为合成DNA的引物。DNA聚合酶从该引物3’-OH端开始合成新的DNA链。2）DNA复制的延长和终止所有已知DNA聚合酶都只是能催化5’3’方向的合成2.DNA的复制过程第二十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二3、DNA聚合反应的相关酶（1）解旋酶（2）DNA聚合酶（3）DNA连接酶（4）拓扑异构酶能使细胞中游离的四种脱氧核糖核苷三磷酸（dATP,dCTP,dTTP.dGTP）合成DNA(有适量DNA和Mg2+)；性质：模板指导性的酶

5’---3’

产物DNA和天然的DNA性质相同二、DNA的复制与蛋白质的合成第二十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二复制酶解开母体的双螺旋结构蛋白质固定已展开的DNA母体DNA聚合酶复制叉（起始点）重要的一股链通过DNA聚合酶继续被合成母链RNA引物冈崎片段DNA不连续复制产生的长约1～2kb的片段，随后共价连接成完整的单链

DNA连接酶后随链随从链DNA复制时双螺旋的两股单链走向相反，从3’，5’的模板链只是解开一定长度时，子链才能从5’，3’的方向开始形复制，这股不能连续复制的链成为随从链。DNA酶消化RNA引物然后，DNA代替它第二十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二中心法则是指遗传信息从DNA传递到RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。遗传信息也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。1.遗传的中心法则和发展遗传信息通过DNA的复制和蛋白质的表达完成的（二）蛋白质的合成第二十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二在细胞核中，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对的原则合成RNA的过程，称为转录。2转录DNA的平面结构图AG

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TCATGTTTA第二十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二AG

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AGCUGACGGUUUDNA模板信息链游离的核糖核苷酸2转录第二十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二AG

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AGCUGACGGUUURNA聚合酶第二十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二AG

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AGCGACGGUUUU第二十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二AG

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GGCGGUUAUUAUCmRNA第三十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二3.翻译1.定义：游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸排序的蛋白质的过程，称为翻译。2、遗传密码：

mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基叫做密码子。

密码子UCAUGAUUAmRNA

密码子

密码子第三十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二第三十八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二从遗传密码表中可看出：密码子共64种。其中二个起始密码（AUG、GUG）；三个终止密码（UAA、UAG、UGA）不决定任何氨基酸。一种密码子只对应一种氨基酸，但一种氨基酸可以和多种密码子相对应。3.翻译第三十九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二

转运RNA：分子结构呈三叶草形，其一端能与一个特定的氨基酸结合，另一端有三个特殊的碱基，能与mRNA上的“密码子”相互配对，称为“反密码子”。反密码子的种类：61种。3.翻译第四十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸!ACU天冬

氨酸反密码子AUG异亮

氨酸反密码子3.翻译第四十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二4、翻译过程3.翻译第四十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二AUGGAUAUCmRNA？甲硫氨酸CUA反密码子密码子第四十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸核糖体第四十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸第四十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸第四十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键第四十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸第四十八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键第四十九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸第五十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二UCAUGAUUAAAUACUAUG亮氨酸天门冬氨酸异亮氨酸肽链第五十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二翻译小结场所:模板:原料:条件:产物:原则:细胞质的核糖体上以信使RNA为模板二十种氨基酸需要酶和ATP多个多肽或蛋白质密码子与反密码子配对,既碱基互补配对原则（A=U，G=C）肽链合成完毕后，一条或几条肽链通过一定的空间构建方式组成一种或多种具有特定空间结构的蛋白质，从而表现出生物体特定的性状。3.翻译第五十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二DNA（基因）的遗传信息mRNA的遗传信息蛋白质的氨基酸排列顺序转录翻译氨基酸的个数n碱基至少3n碱基至少6n4、基因控制合成蛋白质的全过程第五十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二基因指导蛋白质合成的全过程第五十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二DNA的变性：解链温度Tm：DNA的复性：三、DNA的变性和复性第五十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二DNA的变性第五十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二DNA复性第五十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用目前，用于环境工程的分子生物学技术的基因序列主要有3种1).编码蛋白的基因序列。主要包括污染物的降解基因以及和微生物分类有关的基因。2).rRNA基因序列。原核微生物的分类对16SrRNA研究最多。3）16S-23SrRNA基因转录间隔区。（一）.常用的分子生物学技术聚合酶链式反应技术（PCR）

是一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法，故又称为基因的体外扩增法。第五十八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二

一、PCR基本原理PCR是一项DNA体外合成技术，类似于生物体内的DNA复制过程。依据DNA半保留复制的机理。PCR合成DNA比细胞内复制过程简单。四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第五十九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二细胞内复制的过程1）细胞内有关蛋白质参与下，DNA双螺旋解链成两条单链，各自作为模板。2）引物酶以两条单链为模板各自合成一段引物，引物提供3’-OH末端。3）DNA聚合酶以亲代DNA单链为模板，以dNTP为原料，按照碱基配对的原则，从引物的3’端，循5’→3’方向，将脱氧核苷酸聚合，最终形成子代的DNA双链。四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第六十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二Denaturing95˚CAnnealingTm-5˚CExtension72˚CPCR的原理四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第六十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二PCR的基本过程1.变性：将反应体系升温至95℃左右，样品中双链DNA解开成两条单链，各自作为模板（待拷贝的DNA称为模板）。2.退火：将温度降至引物的Tm值以下(55℃左右)，5’端和3’端的引物各自与两条单链DNA模板的互补区域结合。5’5’3’3’编码链3’端引物5’端引物3’3’第六十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二3.延伸：将温度升到75℃左右，耐热的TaqDNA聚合酶催化四种

dNTP，从引物3’-OH端开始，依据模板碱基序列互补方式依次聚合，合成一条互补的DNA链。5’5’3’3’5’DNA聚合酶5’PCR的基本过程第六十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二Cycle355

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5

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5

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525～30次循环后，模板DNA的含量可以扩大100万倍以上。第六十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二PCR产物的鉴定、提取琼脂糖凝胶电泳四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第六十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二PCR的扩增效应理论上，每增加1个循环，双链DNA片段会增加1倍，使DNA量可成指数(2n)增加。实际上，扩增效应低于指数增加，约为(1+X)n。一般进行30个左右的循环，特定区域的DNA量可至少增加106

倍。四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第六十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二2.核酸分子杂交技术核酸分子杂交技术是一种基于DNA分子碱基互补配对原则，用特异性的探针与待测样品进行杂交来检测目的基因的技术。其基本原理是具有一定同源性的两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补形成双链，此杂过程是高度特异性的，杂交的双方是已知核酸片段的探针及待测核酸序列。常用的几种杂交技术

1.斑点印迹2.Southern杂交和Northern杂交3.原位杂交技术第六十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二3.以rRNA基因为基础的细菌同源性分析

rRNA基因为基础的同源性分析方法，是综合应用多项分子生物学技术对细菌中rRNA基因进行分析，从而对微生物进行鉴定和多样性分析的一种技术。4.电泳技术变性梯度凝胶电泳（DGGE）该技术可以分离长度相同而序列不同的DNA片段混合物，分辨精度比琼脂糖电泳和聚丙酰胺凝胶电泳更高，甚至可以检测到一个核苷酸水平的差异。（二）常见分子生物学技术在环境工程的应用（略）第六十八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二第二节微生物的变异与环境工程

变异的实质

在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNA上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。一、突变类型和基因符号（一）突变的类型突变就是遗传物质在核苷酸序列发生了可以遗传的改变。主要包括基因突变和染色体畸变。第六十九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二1.基因突变

基因中DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的改变而导致的遗传变化成为基因突变。2.染色体畸变

染色体畸变不仅包括染色体结构的缺失、重复、插入、倒位和易位，也包括染色体数目的改变。（二）基因符号略第二节微生物的变异与环境工程

第七十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二二、基因突变的原因突变的类型自发突变

诱发突变物理诱变，如紫外线。化学诱变，利用化学物质促进突变。紫外线的作用机理：形成T的二聚体，从而导致DNA复制出现错误。光复活性：核苷酸切除修复酶遗传病、癌症第二节微生物的变异与环境工程

第七十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二三、基因突变在环境工程中的应用（一）从自然界中获取新菌种新的微生物菌种需要不断地从自然生态环境混杂的微生物中挑选出来。菌种的筛选过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定等步骤。（二）定向培育和驯化

定向培育是一种利用微生物的自发突变，人为用某一特定环境条件长期处理某微生物群体，同时通过对微生物群体不断移植以选育出优良菌株的方法。长时间的定向培育在环境工程中被称为驯化。第二节微生物的变异与环境工程

第七十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二（三）诱变育种

诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂处理微生物细胞群，在显著提高其突变率的基础上，采用一定的筛选方法获得少数符合要求的突变株。其中，诱变和筛选时诱变育种过程中的两个主要环节。诱变的主要步骤1.选择简便有效的诱变剂；2.挑选优良的出发菌株；3.处理单细胞或単孢子悬液；4.选用最适的诱变剂量；5.充分利用复合处理的协同效应；6.创造和利用形态、生理与产量间的相关关系；7.筛选方案。第二节微生物的变异与环境工程

第七十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二三、基因重组

基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质分子水平的杂交。

原核微生物的基因重组形式主要有转化、转导和接合等第三节基因重组基因工程第七十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二基因工程过程示意图①从细胞中分离出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片断③分离大肠杆菌中的质粒④DNA重组⑤用重组质粒转化大肠杆菌⑥培养大肠杆菌克隆大量基因剪切酶连接酶修饰酶第七十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二质粒(plasmid)

Plasmid独立于细菌染色体外的双链环DNA分子。

Plasmid

chromosome

第四节质粒及其应用第七十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二质粒是生物细胞内固有的、能独立于寄主染色体而自主复制、并被稳定遗传的一类核酸分子绝大多数的天然DNA质粒具有共价、封闭、环状的分子结构，即cccDNA质粒常见于原核细菌和真菌中,绝大多数的质粒是DNA型的质粒DNA的分子量范围：1-300kb质粒的基本特征第七十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二质粒的基本特征质粒的自主复制性质粒的不相容性质粒的可转移性携带特殊的遗传标记第七十八页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二质粒的自主复制性两大复制类型：严紧型复制控制的质粒1-2拷贝stringentplasmid松弛型复制控制的质粒10-60拷贝stringentplasmid质粒能利用寄主细胞的DNA复制系统进行自主复制第七十九页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二任何两种含有相似复制子结构的不同质粒，不能同时存在于一个细胞中，这种现象称为质粒的不相容性，不相容性的质粒组成不相容性群质粒的不相容性第八十页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二接合型质粒能在天然条件下自发地从一个细胞转移到另一个细胞（接合作用）非接合型质粒不能在天然条件下独立地发生接合作用值得注意的是，某些非接合型质粒（ColE1）在接合型质粒的存在和协助下，也能发生DNA转移，这个过程由bom和mob基因决定。质粒的可转移性第八十一页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二携带特殊的遗传标记野生型的质粒DNA上往往携带一个或多个遗传标记基因，这使得寄主生物产生正常生长非必需的附加性状物质抗性

抗生素、重金属离子、毒性阴离子、有机物物质合成

抗生素、细菌毒素、有机碱这些标记基因对DNA重组分子的筛选具有重要意义第八十二页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二载体（vector），在基因工程重组DNA技术中将DNA片段（目的基因）转移至受体细胞的一种能自我复制的DNA分子。三种最常用的载体是细菌质粒、噬菌体和动植物病毒。质粒应用运送外源基因高效转入受体细胞为外源基因提供复制能力或整合能力为外源基因的扩增或表达提供必要的条件载体的功能第八十三页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二（1）具有复制起点（2）具有抗菌素抗生基因；（3）具若干限制酶单一识别位点；（4）具有较小的分子量和较高的拷贝数克隆载体具备的条件：克隆载体：在载体上插入合适大小的外源DNA片段，并注意不能破坏载体的自我复制性质，将重组后的载体引入到宿主细胞中，并在宿主细胞中大量繁殖。克隆载体第八十四页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二表达载体（Expressionvectors）：在克隆载体基本骨架的基础上增加表达元件（如启动子、RBS、终止子等），使目的基因能够表达的载体。表达载体表达载体四部分：目的基因、启动子、终止子、标记基因第八十五页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二(1)分子量尽量小，大于15kb时转化效率低。(2)了解载体上基因位置/限制酶作用位点。(3)包含可供选择的标记性状(基因)(4)应有另一个遗传标记基因（抗生素常用），(5)最大限度地具有MCS的单切点构建质粒载体第八十六页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二VectorTargetDNARecombinantplasmid/DNACloneDNACloning第八十七页，共一百零一页，编辑于2023年，星期二第五节遗传工程技术在环境工程中的应用（1）石油降解功能菌的构建（2）烃类和抗汞质粒菌的构建（3）脱色工程菌的构建（4）特殊环境