基于GeoChip分析環境微生物功能基因群落結構研究

李游

摘 ?要：微生物在自然界無處不在，微生物參與并承擔著重要的生態功能。本文針對基于GeoChip分析環境微生物功能基因群落結構進行分析，通過提出了環境微生物總基因組的提取和純化、酸性礦坑水中微生物群落、氣候變化對于土壤微生物群落三項研究方案，證明了GeoChip技術在分析微生物功能基因群落的重要性。

關鍵詞：GeoChip技術;環境微生物;基因群落結構

前言：就目前而言，自然界中約99%的微生物沒有被有效培養，因此無法準確地判斷微生物在環境基因群落中的關系。這也是全國學者主要的研究方向之一，在未來新技術的扶持下，微生物領域將會開辟出一條新道路。

1.基于GeoChip分析環境微生物功能基因群落結構應用

GeoChip是一種高通量的基因芯片，主要作用是用在分析微生物群落上，并且研究了其所在的群落結構對生態系統的作用。該高通量的基因芯片，在微生物的研究上頗有成就。主要包括了編碼參與主要地球化學循環（碳循環、氮循環、金屬抗性、有機物降解、硫循環和磷循環等等）的微生物酶類的掛具核苷酸探針。該生物芯片是由生物生態學家周集中教授研發，教授在生物學領域做出了多項的研究。近年來，研究學者將使用該應用在全球氣候變化對微生物群落影響的研究、油田污染物對微生物生態的影響、礦山酸性礦坑水中微生物群落功能結構的分析等領域。就目前而言，一共分為3個版本，分別為GeoChip2.0、3.0和4.0。其中GeoChip2.0是一個基于功能基因分析的寡聚核苷酸芯片，該芯片體內包含了24000只探針，這些探針的作用重大，涵蓋了包括碳循環、氮循環、硫循環和金屬抗性等150個功能區組的10000個基因。而GeoChip3.0體內包含了28000個探針，涵蓋了大約292個基因家族，GeoChip3.0在與GeoChip2.0的比較下，比GeoChip2.0更加發現了數據庫中的新型功能基因，還增加了抗生素抗性基因。GeoChip4.0是GeoChip3.0的升級版，主要采用了原位合成技術來合成探針，在GeoChip4.0的運用下，可以有效地分析12種樣品。GeoChip4.0體內中含有125789個微型探針，GeoChip其中有89733個探針，在與GeoChip3.0的比較下，增加了耐受性功能基因和環境病毒基因等[1]。

2.基于GeoChip分析環境微生物功能基因群落結構研究

2.1環境微生物總基因組的提取和純化研究

環境微生物是一種特殊微生物，需要將環境微生物中物質有效地提取。著名生物學家提出了第一個基于土壤DNA的提取和純化的方法。在過去的研究中，因為設備與技術的不完善，導致了不能有效地對環境微生物總基因進行提取和純化。在過去的實驗中，科學家們運用了大量的技術研發出了多種環境生物總基因組的樣品，通過樣品對環境微生物進行提純。根據資料記載，科學家進行提純使用的方法大致分為2種。其中一種為間接法，一種為直接法。根據研究顯示，間接法主要是對細胞下手，漿細胞中從土壤中分離出來，接下來在對核酸進行提取，達到最終效果。而直接法則是直接將裂縫中的土壤樣品取出，并加以提取，將體內核酸提取出來。通過科學的數據分析，直接法相比于間接法更為穩定，因為直接法更易于操作，并且直接法具有核酸回收率高和需求樣品少的特點。在一些學術領域的研究中，一些學者主要運用直接法將DNA用于PCR土壤微生物的分析研究中去，抑制了土壤中微生物的生長。然而，土壤中廣泛存在的微生物包括腐蝕物、重金屬有機物等。在核酸抽離的那一刻，同核酸一同抽離沉淀，導致核酸降解并且抑制了之后反應的酶活性，最終導致了實驗出現了數據損失。因此，在提取后必須進行純化操作。通過純化保證了實驗的準確性[2]。

2.2酸性礦坑水中微生物群落的研究

存在于自然礦洞中。在日常自然風化作用下，人類對于礦物的過度需求，導致去礦洞內采集礦石。但是在開采過程中，由于硫化礦石常年暴露在空氣、水、微生物中，會與空氣發生反應，形成了大量的酸性礦坑水，這些酸性物質體內含酸性，且PH值較低，同時這些礦物質內還含有高濃度的金屬和非金屬離子。在人們眼中比較常見的有：硫、銅、鐵、鎂、鋅等。在這種PH值極低的情況下，會生成化能無機生產微生物，比如鐵氧化原核生物和硫氧化原核生物等等。

從另一方面來看，由于特殊的環境存在著微生物群落，在已經過去的幾十年中，酸性礦坑水中的微生物群落被各種學者作為模式樣本在微生物群落領域，在研究中得出，其中分離出來的金屬氧化還原作用的金屬被運用在商業化運作和環境治理與修復中。例如從酸性礦坑水中微生物分離出來的鐵氧化和硫氧化主要被用在環境的修復中。酸性礦坑水中微生物的系統發育具有多樣性。在生態學中，空間距離被認為是另外一個對微生物影響極大的因素。但是所謂的空間距離是否真正對酸性礦坑水有沒有影響至今仍是一個謎。在此之外，一些學者很少有研究酸性礦坑水微生物群落功能的多樣性結構和其中的生理代謝過程。在學者不斷的探索中，酸性礦坑水技術將為國家微生物的群落的創新提供了幫助。

2.3氣候變化對于土壤微生物群落研究

土壤微生物是一種極易與空氣發生反應的微生物。在土地領域發展迅速。由土地使用及燃油的使用給人類的全球變暖帶來了巨大的挑戰。根據專業的數據報告可知，大氣層中二氧化碳的危害值在逐漸地增大。由于二氧化碳的危害增大，通過連鎖地表溫度也在不斷的上升，按照這個增長速度，預計在21世紀末，全球的氣溫都會受到影響，也將會對人類是一種新危害。這一變化會對包括陸地在內的生態系統及機體功能造成深遠的影響。

氣溫升高會與環境變化之間相互相應，并相互反饋。這也是研究學者對全球氣候變暖可能性后果反饋的關鍵。就目前而言，相關學者能力有限，對氣候變暖研究已經達到了瓶頸。由于對全球變暖機制的不理解，導致了無法順利的建立可預測氣溫變化的生態模型，建立生態模型對世界的經濟、能源、技術和貿易都有著重要的影響，也將改變未來的命運。在相關資料中，發現美國的一處高原中經過三次試驗后，植物的生長受到了影響，植物的變化將影響土壤微生物的化學過程。因此，在未來，我們需要前方的及時反饋，來攻克微生物的難關。

結論：綜上所述，微生物群體多樣性非常高，不僅是在土壤、水體還是食品中，對微生物的檢測還是困難的。微生物參與了多個生態過程，對研究有重要幫助。因此，要檢測和描述自然環境中的微生物的群落動態和功能，就要積極參加新技術的研究中去，使用GeoChip技術為國家的微生物事業貢獻力量。

參考文獻：

[1]鄭耀通.UbD設計在環境微生物學教學中的應用——以微生物特性與功能單元為例[J].微生物學雜志，2021，41（01）：119-122.

[2]鮑彤. 季節性變化對漠河河流淤泥和水體環境微生物群落的影響[D].東北林業大學，2020..