環境微生物學教材中微生物分類鑒定教學內容更新的思考

張婷娣 劉 南 任何軍

（吉林大學新能源與環境學院 吉林·長春 130021）

環境微生物學是微生物學與環境領域相結合的新興綜合學科，是環境科學與工程相關專業的必修基礎課。環境微生物學是以微生物學的理論與技術為基礎，對一些環境現象、環境質量以及環境問題進行研究，主要包括自然環境中微生物的生長繁殖、種類分布、結構功能和污染環境中微生物的功能等內容。

目前國內高校使用的環境微生物學教材主要有以下版本：

（1）樂毅全和王士芬主編的《環境微生物學》（化學工業出版社，第三版，2019）；

（2）鄭平編著的《環境微生物學》（國家精品課程配套教材，浙江大學出版社，第二版，2020）；

（3）徐威等主編的《環境微生物學》（中國建材工業出版社，2017）；

（4）任何軍和張婷娣主編的《環境微生物學》（清華大學出版社，2015）。

與環境微生物學課程相關的其它重要教材主要有：周德慶編著的《微生物學教程》（高等教育出版社，第四版，2020）；沈萍和陳向東主編的《微生物學》（高等教育出版社，第八版，2016）；周群英和王士芬編著的《環境工程微生物學》（高等教育出版社，第四版，2015）；林海主編的《環境工程微生物學》（冶金工業出版社，第二版，2014）；王國惠主編的《環境工程微生物學——原理與應用》（化學工業出版社，第三版，2015）；Willey等編寫的英文原版教材《Prescott’s Microbiology》（MC Graw Hill Education出版社，第十版，2017）。《微生物學》教材側重微生物基本理論知識，《環境工程微生物學》教材側重微生物在環境領域的應用，而《環境微生物學》教材則介于《微生物學》和《環境工程微生物學》之間，相關中文教材的基本框架主要分為兩部分：第一部分是基礎微生物學內容，主要包括微生物學及顯微鏡的發展史、微生物的分類與鑒定、微生物的形態結構與功能、微生物的培養、微生物的生長繁殖與代謝、微生物的遺傳變異和育種、微生物的生態；第二部分是環境應用微生物部分，主要包括環境中微生物的分布與檢測、微生物對污染物的降解與轉化、水污染控制微生物、固體廢物處理微生物、環境生物技術等。本論文僅以這些教材為代表，結合微生物學發展史以及現代生命科學的先進研究方法來分析微生物的分類鑒定教學內容。

微生物是一切肉眼看不見或看不清的微小生物的總稱。由于微生物形體微小，無法肉眼觀察，導致長期以來人類對微生物表現出“視而不見，嗅而不聞，觸而不覺，食而不察，得其益而不感其恩，受其害而不知其惡”的狀態。直到1676年，荷蘭人安東尼·列文虎克（AntonivanLeeuwenhoek，1632-1723）用其自制的簡易顯微鏡觀察到了微生物并記錄它們的形態大小，人類開始進入微生物世界的大門。在此初創時期，微生物的分類鑒定主要是形態描述。后來法國科學家路易·巴斯德（Louis Pasteur,182-1895）和德國醫生羅伯特·科赫（Robert Koch,1843-1910）各自完成了許多與微生物相關的工作，創立了一整套獨特的微生物學基本研究方法，是微生物學這一學科的主要奠基人。這一時期主要從個體形態（形態大小、排列方式、芽孢、運動性、染色反應等）、群體形態（菌落形態、半固體或液體培養基中的生長狀態）、生理生化反應（營養要求、生長條件、產酶種類、代謝產物、藥物敏感性）、生活史、致病性等方面對微生物進行分類鑒定。19世紀30年代研發出了電子顯微鏡，從而可以觀察到病毒的形態結構和細菌細胞的亞細胞結構。以上指標是微生物分類鑒定的經典指標，一直沿用至今。若用這些經典指標方法對未知純培養物進行鑒定，不僅工作量浩大，還容易出現錯誤。

為了簡化微生物分類鑒定的步驟，提高鑒定結果的準確性，很多公司在21世紀初推出了基于部分經典指標（主要是生理生化反應指標）的自動化鑒定技術，比如“API”系統、“Enterotube”系統和“Biolog”系統等。將純種微生物按照系統要求培養后，根據代謝特征與數據庫中的微生物比對，以初步進行分類鑒定。如果該未知純種微生物的代謝特征與數據庫中所有微生物都不一致，則無法對其進行分類鑒定。沃森（J.Watson）和克里克（F.Crick）于1953年發現DNA雙螺旋結構以來，微生物學快速進入分子生物學時代，因而，大量分子生物學技術被用于微生物的分類鑒定，主要包括GC比值、核酸分子雜交法、16S或18SrRNA鑒定、多位點序列分型、基因指紋圖譜等。這些用于微生物分類鑒定的分子生物學方法主要基于微生物基因組中部分DNA序列的同源性來進行鑒定，無法代表微生物基因組的全部特征。目前微生物學相關教材都會對以上微生物分類鑒定內容進行詳細介紹，而對于最近發展極為迅速的全基因組測序技術在微生物分類鑒定中的作用則不提及或者僅做少量描述。

全基因組測序是對未知基因組序列的物種進行個體的基因組測序。獲得任何一個未知物種的全基因組序列就相當于拿到了該物種的唯一“身份證”，從而可以對其分類鑒定。第一個完整的生物體基因組全序列是英國科學家Frederick Sanger于1977年發表的5386 bp的噬菌體X174全基因組的DNA序列。隨后于1990年正式啟動了人類基因組計劃（Human Genome Project,HGP），并于2003年完成人類基因組精細圖。在此期間，完成了大腸桿菌（1997年）和釀酒酵母（1996年）的全基因組序列測定。從那時候至2014年之前，完成了上千種微生物全基因組測序，但是受到測序技術的限制，90%以上的微生物基因組為草圖。雖然微生物基因組草圖比前面列舉的用于微生物分類鑒定的分子生物學方法所比對的堿基數量要多一些，結果也相對可靠一些，但是由于微生物基因組草圖并不包括基因組全部序列，所以依然很難對微生物進行準確的分類鑒定。近年來，Pacbio研發出新一代測序技術（也稱之為第三代測序技術）可以快速獲得純培養微生物的完成圖，并于2014年左右開始全面商業推廣，目前已經基本普及。與以前的測序技術相比，該技術簡單快速、準確、便宜，且生物信息學分析更加全面系統。截至目前，微生物基因組完成圖發表數量急劇上升。因此，可用于微生物分類鑒定的完成圖數據也將更加豐富。

微生物分布廣、數量多、種類多（除了肉眼可見的后生動物、高等植物等之外，絕大部分生物類群都屬于微生物）、雜居混生、易變異，還個體微小，無法肉眼分辨，因此，微生物的分類鑒定工作一直都是微生物研究的重要方向與難題。除了微生物全基因組序列外的其余鑒定方法或多或少會受到培養條件、檢測方法、技術人員熟練程度、觀測指標等多種因素的影響，很多時候采用不同鑒定方法會將同一微生物歸屬于不同類群，給微生物分類帶來很大的麻煩。而每一株微生物的基因組序列是獨一無二的，因此，獲得了待鑒定微生物的全基因組序列后，可以對其進行精確分類，通過與基因組序列同源性高的其它已知微生物比較，很快就能獲得該菌株的其它性狀，比如運動性、營養要求、致病性、生長特性等。隨著測序技術的持續發展以及已知微生物全基因組序列數目的飛速增長，不久微生物的全基因組測序分析將有可能會成為微生物分類鑒定的最主要方式。因此，建議微生物學教材體系中補充更新采用全基因組序列鑒定微生物這一部分內容，先簡單介紹全基因組測序方法和原理，然后重點介紹微生物基因組組成、全基因組比對分析方法（比如共線性分析、Core-pan基因分析、基因家族分析、ANI分析法），如何利用全基因組序列進行分類鑒定，以及如何獲得鑒定后微生物的其它生理生化性狀等內容。此部分內容在經典的英文原版教材《Prescott’s Microbiology》（MC Graw Hill Education 出版社，第十版，2017）已經進行了更新。為了與學科的發展前沿技術接軌，因此，建議新編或者改版《環境微生物學》教材時對此部分內容進行更新。微生物的分類鑒定是環境微生物學教學和科研的重要組成部分，此部分內容究竟如何更新，需要更多的同行或者學者從不同角度來思考、探索，以促進學生對該內容的掌握。