微生物組學(xué)研究范文

時間:2024-03-28 17:40:37

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微生物組學(xué)研究

篇1

關(guān)鍵詞:宏基因組;不可培養(yǎng)微生物;篩選系統(tǒng)

中圖分類號:Q75 文獻標識碼:A 文章編號:1674-0432(2010)-06-0044-3

0 引言

Woese和Pace基于16S rRNA或DNA基因序列分析的先鋒研究工作給微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域帶來了革命性的變化。在此之前,人們完全沒有意識到真實存在于自然界和在實驗室能培養(yǎng)的微生物數(shù)量之間重大的差別。伴隨著克隆和測序技術(shù)的發(fā)展,細菌通用引物對環(huán)境中生物群落總DNA的直接PCR擴增,產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)并重新定義了原核生物的多樣性。近年來一些學(xué)者對微生態(tài)學(xué)和宏基因組進行了研究。以下是近幾年報道的關(guān)于不可培養(yǎng)的大多數(shù)微生物的新的見解和技術(shù)。

1 宏基因組的研究

1.1 DNA的分離

環(huán)境樣品DNA的質(zhì)量直接關(guān)系到宏基因組分析的質(zhì)量。Tiedjie等發(fā)展了從不同類型的土壤中直接分離DNA 的方法,但是這些方法仍然不能確定在所有的具有代表性的高度復(fù)雜的生物群落中能夠獲取全部的總DNA。盡管Coutois等人發(fā)現(xiàn),從土壤中直接提取DNA和先從土壤分離細胞再從中提取DNA所得到的細菌多樣性范圍并無重大差別,但是Luna等人證實,在檢測海水沉淀物時,只用單一的DNA提取方法嚴重低估了細菌多樣性。不同的方法適用不同的環(huán)境。比如,Fortin等人發(fā)現(xiàn),在細胞裂解前沖洗被碳氫化合物和重金屬嚴重污染的土壤和海水沉淀能改善DNA的質(zhì)量。

選擇一種DNA提取方法用于宏基因組分析需要分析樣品的信息。在預(yù)測一個生態(tài)環(huán)境中不同的微生物群落成員的潛在功能的時候,分辨DNA來自樣品來自可培養(yǎng)的微生物還是來自死細胞是很有價值的。Nocker和Camper表明,用ethidium monoazide(EMA)的衍生物分析成熟的生物膜16S rRNA基因指紋圖譜,提取處理過的樣品和未經(jīng)處理的樣品的DNA有重大的區(qū)別。對環(huán)境中的活體,很有必要區(qū)分DNA來自胞內(nèi)還是胞外。水沉淀中包含了大量來自胞外的DNA,Corinaldesi等人改進了一種允許同時提取胞內(nèi)和胞外DNA的方法,這些DNA可能對細菌的新陳代謝起著重要的作用。

1.2 系統(tǒng)發(fā)生和宏基因組的分析

DNA提取方法的改進、測序手段的進步和測序成本的降低使我們能夠解決以下問題:在一個群落中不連續(xù)的單元里共生多少種類的細菌以及環(huán)境中是什么因素影響著群落的組成和多樣性。Acinas等運用不同的PCR擴增方案建立了兩個獨立的沿海浮游生物的16S rRNA文庫。這兩個文庫的比較表明了PCR擴增可能會高估文庫中獨特的rRNA序列。盡管如此,PCR的誤差仍然不能說明樣品中的所有16S rRNA基因的微小差異(1%的序列差異)。97種已完全測序細菌全基因組比較表明,它們包含242種屬于非同源多操縱子的不同16S rRNA基因。序列分析還表明任何基因組中的16S rRNA內(nèi)部操縱子的差異在1%以內(nèi)。引入一個修正參數(shù)2.5(242個rRNA操縱子和97個基因組相除)到浮游生物樣品待測序的序列中,以99%的相似性(1113)為標準,Acinas等預(yù)測這些樣品中至少包含了446種緊密相關(guān)的基因組。因此這些數(shù)據(jù)間接的表明了這個種群內(nèi)部包含有大量相似的種類。基因序列也開始用于推斷一個群落中各個體的角色和功能,這比僅確定群落中的種類更有意義和更具挑戰(zhàn)。

在低度多樣性環(huán)境中,普通的測序就能得到環(huán)境中的微生物信息。比如在一個種群細菌復(fù)雜程度不高的酸性礦井排水裝置中的生物膜中,可以對單個菌株的代謝途徑進行分析。在Tyson等人的研究中,細菌種群只由五種主要的種類組成,而且其中兩種幾乎存在所有的覆蓋面積內(nèi)。而許多自然環(huán)境中種群結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜,不能采用現(xiàn)在的方法。據(jù)估計在一份農(nóng)場土壤樣品中有超過5000種,104-105株的細菌。要得到這些復(fù)雜環(huán)境中占有最優(yōu)勢地位的細菌種類的八倍的覆蓋量,必須產(chǎn)生二十億到五十億個堿基對的序列。為了避免對全基因組集合,Tringe等大量使用未集合的序列來讀取一定時期內(nèi)環(huán)境中標記基因?;蚨堪▽μ囟ㄉ鷳B(tài)環(huán)境能反映已知環(huán)境特點的環(huán)境樣品的分析。以基因比較為中心對特定環(huán)境中基因定位給我們更好地認識和解釋環(huán)境帶來了新的機遇,也提出了新的問題。

處理復(fù)雜環(huán)境的另一條途徑是將許多種類混合的16S rRNA基因克隆到單一的載體里面。其中,SARST(serial analysis of ribosomal sequence tags)發(fā)現(xiàn)了V1或V6高變區(qū)。這些位于核糖體小亞基rRNA上的高變區(qū)(叫做V1或V6區(qū))長度大約為17-55bp,這些復(fù)雜的生物體中的片斷可以連接到單個的克隆里面去。用這種方法,單個測序反映能達到的序列標記可達20個。這種方法可以鑒定菌群可達到屬的水平。van der Lelie等人報道了一種改變的序列標記方法,用于基因組中短的保守序列,結(jié)合限制性內(nèi)切酶消化產(chǎn)生標記,可以區(qū)分親緣關(guān)系很近的菌株。一些細菌的保守基因已經(jīng)鑒定出來,包括rpoC,uvrB, recA 和16S rRNA 基因。在這些基因中,16S rRNA是差別最大而且可以應(yīng)用于所有的原核生物種類分析的基因,可以達到屬的水平,很大一部分還可以分辯到種的水平。

近年來,以16S rRNA基因為基礎(chǔ)的微生物分類陣列已經(jīng)成為鑒定微生物區(qū)系的最有力的方法。這種微生物分類陣列由大量不同門類的細菌的標記探針組成。不同原型的陣列已經(jīng)發(fā)展并開始用于估計環(huán)境種群中微生物的多樣性。這種以16S rRNA基因為基礎(chǔ)的微生物分類陣列將成為監(jiān)測各種復(fù)雜環(huán)境中微生物多樣性的一個最重要的工具。

復(fù)雜環(huán)境中微生物區(qū)系指紋圖譜和宏基因組分析將來可能發(fā)展為基因芯片。一個完全的綜合芯片到目前為止仍然是一個對未來的展望。Hong等人描述了一種基因芯片的概念,這種芯片通過分離不同種類和數(shù)量的細菌或哺乳動物的細胞并裂解提純DNA或者mRNA來實現(xiàn)。基因芯片的研究對我們認識和監(jiān)測一定的微生態(tài)環(huán)境中微生物種群結(jié)構(gòu)的認有著非常重要的意義。

直到今天,宏基因組的研究還只在生物量相對較高的環(huán)境中進行。在對細胞、量很少的環(huán)境進行宏基因組的分析還需要一種新的文庫構(gòu)建方法。Abulencia等描述了一種多態(tài)性擴增嚴重污染的土壤中有機體基因組的方法。從嚴重污染和細胞密度極低的地表下土壤樣品中提取DNA,¢29DNA聚合酶用于擴增總基因組。通過第一次基因組DNA的擴增,污染的土壤中細菌多樣性分析,和細菌基因組文庫構(gòu)建是可能的。盡管存在擴增的偏好現(xiàn)象,在一個微小的細菌樣品中擴增宏基因組DNA,仍然可以得到一些以前無法得到的基因組的信息。

1.3 篩選宏基因組表達文庫

另外一種方法是通過構(gòu)建和篩選宏基因組表達文庫,或者通過測序和限制性內(nèi)切酶的方法來篩選。直接篩選宏基因組文庫的一種局限就是需要超高通量的篩選系統(tǒng),或者大量的可用的篩選的陣列??梢酝ㄟ^富集基因的方法來篩選由數(shù)百萬個基因組成的宏基因組文庫中的稀有基因。其中一種富集的方法是底物誘導(dǎo)表達篩選(substrate-induced gene expression screen,SIGEX)。Uchiyama等完善了一種高通量的SIGEX篩選方法,他們將目的基因和綠色熒光蛋白(GFP)連接起來,轉(zhuǎn)到表達載體內(nèi),通過檢測激發(fā)的熒光來檢測相應(yīng)的克隆。宏基因組DNA被克隆到gfp基因序列的上游后,通過FACS方法來排除所構(gòu)建文庫中組成型表達gfp的克隆。再將未表達gfp的克隆轉(zhuǎn)移到含有靶標底物的培養(yǎng)基中,通過誘導(dǎo)gfp基因表達來篩選克隆子。這種篩選體系的機理是:分解代謝相關(guān)的基因能夠在特定代謝物的作用下被誘導(dǎo)表達。

1.4 通過培養(yǎng)方法獲取不可被培養(yǎng)的大多數(shù)微生物

要大量精確測序復(fù)雜環(huán)境中的微生物DNA樣品,不是一件很容易的事情,這也說明了全面的獲取微生物信息的方法的重要性,可以通過這些信息來理解微生物間及微生物與環(huán)境間的相互作用。盡管“環(huán)境基因組”能夠提供大量的信息,但對生理學(xué),生態(tài)學(xué)和進化學(xué)有重要影響的分類單元中可培養(yǎng)微生物單菌落的會給生態(tài)小環(huán)境的研究帶來深遠影響。Proteorhodpsin的發(fā)現(xiàn)及它的編碼基因存在于Pelagibacter ubique證明了獲取可培養(yǎng)單菌落的作用。Proteorhodpsin編碼基因是在海水和環(huán)境微生物宏基因組的克隆測序過程工程中第一次被發(fā)現(xiàn)的,但是我們不能確定不可培養(yǎng)的微生物基因組中包含Proteorhodpsin基因。通過培養(yǎng)Pelagibacter ubique,我們就有可能將Proteorhodpsin與固定的種類聯(lián)系起來。

許多研究者們正在努力研究與模擬專一的可培養(yǎng)的微生物,并且利用將這些微生物來研究它們環(huán)境中所處的地位和發(fā)揮的作用。基因組測序已經(jīng)為我們提供了大量的信息并了解這些微生物在環(huán)境中的作用。

經(jīng)典的微生物培養(yǎng)策略都是一貫地給微生物系統(tǒng)提供過量的營養(yǎng),從而導(dǎo)致能形成菌落或薄膜的和快速生長的細菌富集。對于依賴稀釋培養(yǎng)基或模擬自然環(huán)境培養(yǎng)基才能生長的細菌,Ferrari等人描述了一種模擬自然環(huán)境條件的用于培養(yǎng)土壤微生物的新穎方法。他們研究組所采用的泥漿膜系統(tǒng)中,一種聚碳酸酯是作為生長培養(yǎng)支持物,土壤提取物作為培養(yǎng)基。研究結(jié)果是長出了大量的未被鑒定的微型菌落。Koepke等人將多種不同的培養(yǎng)方法應(yīng)用到沿海地表下的沉積物,研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下沒有一組微生物能夠在幾種培養(yǎng)方法中都被培養(yǎng)出來。他們的研究肯定了這個觀點:沒有一種單一的培養(yǎng)方法或者培養(yǎng)基適用于分離專一樣本中的多種多樣的微生物。同時采用低營養(yǎng)條件富集和分子方法,在冰島富含中性硫化物的熱溫泉中得到了具有一種高度差異型的淀粉酶基因。使用熱溫泉水的微生物富集方法采用低濃度淀粉和長時間溫育,最后選育出能夠降解淀粉但生長緩慢的微生物。

在培養(yǎng)之前,將樣品中的多種特定的微生物選擇性地分離出來可以降低微生物群落的復(fù)雜性。Miteva和Brenchley的過濾培養(yǎng),結(jié)合長時間溫育,使一些新穎而極小的細胞菌落得到富集。這種方法對于研究極端條件下的微生物的代謝特性及長時間存活機制是很有益的。

2 結(jié)語

要得到不可培養(yǎng)的大多數(shù)微生物的信息,還有很漫長的路要走。在不久的將來,使用更便宜更快捷的測序方法,環(huán)境工程測序技術(shù)將會產(chǎn)生更加多樣的數(shù)據(jù)和信息。然而,測序并非我們認識環(huán)境微生物的唯一方法。我們需要一種新技術(shù),它能夠針對直接分析和估量環(huán)境和培養(yǎng)條件下的微生物細胞,并且盡可能地和自然界真實的狀況接近。對于單個微生物細胞進行完全的特征分析也是一項很有意義的工作。雖然在當(dāng)今的條件下還沒能實現(xiàn),但是關(guān)于單細胞微生物學(xué)已是一個很明顯的趨勢,能讓我們解決更多懸而未決未的環(huán)境微生物的問題??傊?在工程學(xué),生物地球化學(xué),生物化學(xué),生物信息學(xué),生理學(xué)和生態(tài)學(xué)等多種學(xué)科快速發(fā)展的基礎(chǔ)上,宏基因組學(xué)的研究將會使我們進一步加強對于環(huán)境對微生物多樣性分析的理解和對微生物環(huán)境功能的認識。

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篇2

關(guān)鍵詞: 維吾爾族預(yù)科生 英語教學(xué) 語言遷移

1.引言

少數(shù)民族預(yù)科教育是高等教育的一個特殊層次,也是高等教育的重要組成部分。在預(yù)科學(xué)習(xí)階段,英語是預(yù)科學(xué)生的必修課,大多數(shù)學(xué)生沒有英語基礎(chǔ),需要在兩年時間內(nèi)使他們具備相當(dāng)于大學(xué)英語二級水平的詞匯、語法等基礎(chǔ)知識,為進入本科階段大學(xué)英語的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。新疆少數(shù)民族預(yù)科生主要包括維吾爾族、哈薩克族、柯爾克孜族、烏茲別克族等多個少數(shù)民族,其中維吾爾族學(xué)生占大多數(shù)。我以維吾爾族預(yù)科生為主要研究對象,結(jié)合多年預(yù)科漢語、英語教學(xué)的經(jīng)驗,從少數(shù)民族學(xué)生實際出發(fā),以語言遷移理論為研究路線,著重考查母語和漢語的語言遷移對三語習(xí)得的影響,以豐富第三語言習(xí)得理論,為我國少數(shù)民族預(yù)科英語教學(xué)提供參考。

2.遷移理論概述

語言遷移是一個復(fù)雜的語言學(xué)和心理學(xué)現(xiàn)象,它是指在外語學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)者由于不熟悉目的語的語法規(guī)則而自覺或不自覺地運用母語的規(guī)則處理目的語信息的現(xiàn)象。語言遷移有兩種:正遷移(positive transfer)和負遷移(negative transfer),亦稱為干擾(interference)。實際調(diào)查證明,初級階段的學(xué)生比中級階段的學(xué)生在外語學(xué)習(xí)過程中較多地依賴于語言遷移。當(dāng)母語的某些特征同目的語相似或完全一致時,往往出現(xiàn)正遷移;當(dāng)母語與目的語的某些特點相悖時,學(xué)習(xí)者若借助母語的一些規(guī)則作為拐棍,則會產(chǎn)生負遷移現(xiàn)象。正遷移有利于外語學(xué)習(xí),負遷移則阻礙外語學(xué)習(xí)。

維吾爾族預(yù)科生(以下簡稱預(yù)科生)在外語學(xué)習(xí)時,與漢族學(xué)生相比差異明顯,預(yù)科生的特殊性在于大多數(shù)學(xué)生都是在掌握了母語及漢語之后才開始學(xué)習(xí)英語的,因此英語學(xué)習(xí)對于他們來說是雙語情境下的三語習(xí)得過程。預(yù)科生在學(xué)習(xí)英語時受到母語影響,還有來自作為第二語言的漢語的影響,以及作為目標語的英語的相互影響。因此,這三者是如何相互發(fā)生語言遷移并影響預(yù)科學(xué)生英語學(xué)習(xí)進程的是不可避免的重要問題。

第二語言習(xí)得研究人們在課堂內(nèi)或課堂外學(xué)母語以外的語言的方式?!暗诙辈皇钦Z言習(xí)得順序上的第二,而是指母語之后。因此,“第二語言”指在母語之后已經(jīng)習(xí)得或正在習(xí)得的所有非母語語言。三語習(xí)得主要分析至少兩種非第一語言間的影響及其對習(xí)得目的語的影響。Cenoz等學(xué)者認為此觀點也可用來區(qū)分二語習(xí)得和三語習(xí)得。第二語言學(xué)習(xí)者有兩個潛在的相互影響的系統(tǒng)(L1?圮L2),而二語習(xí)得主要集中于母語遷移,忽略了另一個可能的遷移方向:二語遷移。三語習(xí)得考慮了另外兩個雙向關(guān)系。

(1)L3影響L1并被L1影響(L1?圮L3);

(2)L2與L3也存在跨語言影響(L2?圮L3)。

語際語遷移是三語習(xí)得的另一個區(qū)別性特征。Cenoz指出二語習(xí)得與三語習(xí)得的主要不同點在于以下方面。

(1)語言習(xí)得順序;

(2)社會語言學(xué)因素;

(3)相關(guān)的心理語言學(xué)過程。

引起跨語言影響的因素很多。其制約因素有:語言類型、學(xué)習(xí)者主觀意識的語言距離(心理語言類型)、語言接觸的時間長短、學(xué)習(xí)者的年齡和語言熟練程度、語言地位、年齡、語言學(xué)習(xí)的順序等。Ringbom在進行了一系列三語習(xí)得的研究后認為:詞語在詞條類似的語言之間的借用十分頻繁。William等人做的關(guān)于一語(英語)和二語(德語)在三語(瑞典語)學(xué)習(xí)中的作用,他們發(fā)現(xiàn)一語和二語在三語習(xí)得中的作用不盡相同,一語起的是糾錯作用,二語起的是工具作用,但日后這兩種作用都會被三語所取代。

3.語言遷移對維吾爾族預(yù)科生將英語作為第三語言學(xué)習(xí)的影響

3.1在語音層面的語言遷移

從語言譜系上看,維、漢、英三種語言屬于不同的三個語系。維語屬于阿爾泰語系,漢語屬于漢藏語系,是一種表意文字,屬于孤立語,沒有詞形變化,依靠詞序和虛詞表達語法關(guān)系。英語則屬于印歐語系,是一種拼音文字,是一種屈折語,用豐富的詞形變化表示語法關(guān)系。在對維吾爾族學(xué)生進行英語教學(xué)時,如果能通過對英、漢、維語的相似之處尤其是語音方面的相似之處進行對比研究,那么將有利于“正遷移”作用的發(fā)揮,進而將對學(xué)生的英語教學(xué)起到積極的促進作用,能夠增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

在維吾爾語詞匯中有相當(dāng)一部分借詞是以音譯的形式借入的,主要以名詞為主,尤其是自然科學(xué)、工程等領(lǐng)域的詞匯非常典型,例如system,plan,statistic,physics,engineer,doctor,computer,democracy,等等,這些詞匯與維吾爾語中對應(yīng)的詞匯的發(fā)音和拼寫非常相似。這些單詞在語音和詞義方面為預(yù)科生提供了很大的正遷移。然而同樣的因素隨著語音學(xué)習(xí)的深入有可能會為他們帶來負遷移,由于維吾爾語中字母和音素是一致的,只要學(xué)會了字母和讀音,就可以進行拼寫和閱讀,而英語字母與音素不是所有都一致,單詞的拼寫有一定的規(guī)則或無規(guī)則可循,同一個字母在同一個單詞中發(fā)不同的音。

在初學(xué)階段,預(yù)科生容易混淆單詞的拼寫和音標,還會套用母語的方法直接拼寫單詞。例如,學(xué)生會把英語單詞中的元音寫成漢語的元音。預(yù)科生還容易在拼讀和拼寫英語單詞時混淆擦輔音[s],[z],[?夼],[?奩]。如學(xué)生將thought,that,these等含有摩擦音的詞誤拼為sought,zat,zese,在拼讀這些單詞時也很自然地讀成[s],[z]。這類錯誤出現(xiàn)的主要原因是維語中沒有齒間音[?夼],[?奩]而有和摩擦音[s]、[z]發(fā)音相似的音。由此可見,產(chǎn)生這種錯誤的原因是受維吾爾母語負遷移的影響。

此外,預(yù)科生常按維吾爾語重音發(fā)音習(xí)慣讀英語單詞,如將football讀成[fut?b?蘅l],engineer讀成[?end?廾?藜nir]等,這是因為維吾爾語雖然沒有聲調(diào),但也有重音。維吾爾語中的雙音節(jié),多音節(jié)詞的重音大多在最后一個音節(jié)上,這是大多數(shù)預(yù)科生在初學(xué)時發(fā)音掌握不好的原因。這些因素導(dǎo)致的語言負遷移在一定程度上會影響預(yù)科生在初學(xué)語音時的積極性并影響以后的學(xué)習(xí)進程。

3.2詞匯層面上語言遷移

在維吾爾語中有一些與英語基本對等的詞。在兩種語言中,這些詞在語音形式和表示的詞匯意義上相近或?qū)Φ取_@類詞主要是一些已有通用的術(shù)語、名詞,如:machine,engineer,professor,visa,coffee,computer,等等,上述詞大多是維吾爾語中的借詞,其詞義相同,發(fā)音也基本相同。因此,對維吾爾族學(xué)生來說,這一類詞匯比較容易掌握。如果教師在英語詞匯教學(xué)中有目的地將兩種語言中的基本對應(yīng)詞加以對比,其教學(xué)效果就是明顯的。作為第二語言的習(xí)得者,學(xué)生在學(xué)習(xí)時往往會將當(dāng)前的二語習(xí)得任務(wù)與以前掌握的母語詞語進行比較。從語言教學(xué)的角度來看,兩種語言的共性對學(xué)生的學(xué)習(xí)、記憶英語的單詞會產(chǎn)生的影響是積極的,具有正遷移的作用,但同時可能會造成一定的負遷移,因為詞義和讀音的相似會讓一些學(xué)生忽略其拼寫上的差異。如對machine一詞,基本上維吾爾族學(xué)生都會準確清楚地讀出這一單詞,但是拼寫的時候大多數(shù)會將其寫成mashine。這也是由于維吾爾語音和拼寫一致造成的,而這種特性會對英語語音及詞匯拼寫層面產(chǎn)生負遷移,從而表現(xiàn)出語音的準確性與其書寫方面的書寫不太一致。

英語人稱代詞和其他代詞分門別類,不同的代詞指代不同且要求接不同的謂語,使用有其嚴格的規(guī)定。例如:

My brother is a doctor.He works in the People’s Hospita1.

這句話中部分預(yù)科生會把he寫成she:

My brother is a doctor.She works in the People’s Hospita1.

這是因為在英語中單數(shù)第三人稱代詞包括:he,she,it,him,her,使用時有著嚴格的區(qū)別,維吾爾語則不同,它的所有第三人稱單數(shù)均用同一個詞,這給預(yù)科生的英語學(xué)習(xí)增加了難度,因此,以he或him代替所有單數(shù)第三人稱代詞或者he,she,it三者混用這類錯誤在初學(xué)階段很常見,由此產(chǎn)生指代偏誤和主謂不一致的錯誤,影響了表達與理解。

3.3語法層面的語言遷移

漢語與英語雖然屬于不同的語系,然而這兩種語言間的基本語序結(jié)構(gòu)一致,即主語+謂語+賓語(SVO)。預(yù)科生在學(xué)習(xí)英語過程中,在母語與英語之間語序不同而產(chǎn)生語言負遷移的情況時,如在通過對比發(fā)現(xiàn)漢語語序與英語相似時,就可以根據(jù)自己已掌握的漢語知識將因母語造成的負遷移轉(zhuǎn)化為有益的正遷移。例如:

從基本語序來看,漢語與英語的否定結(jié)構(gòu)比較相似,否定都置于謂語動詞之前,維吾爾語的否定則附加在謂語動詞之后。在英語基本語序上的學(xué)習(xí)上,漢語起到的正遷移作用相對明顯。此外,英語介詞是學(xué)習(xí)者難掌握的詞類之一,名詞、形容詞、動詞在具體使用時幾乎都程度不同地要與介詞相搭配,甚至同一個詞搭配不同的介詞表達的意義也不盡相同,這對預(yù)科生來說更加困難。因為在維吾爾語中根本沒有介詞這一詞類,英語中介詞的意義在維語中主要是憑借格或者后置詞的形式表達的。所以,預(yù)科生在英語學(xué)習(xí)中經(jīng)常出現(xiàn)因不會使用介詞而造成介詞遺漏或誤用的語法錯誤。

4.結(jié)語

通過對維吾爾族預(yù)科生母語和漢語在英語學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的語言遷移現(xiàn)象進行對比分析,可以看出語言遷移在外語學(xué)習(xí)中發(fā)生的作用是不可避免的。在教學(xué)中,既要重視母語在英語學(xué)習(xí)中的遷移作用,又不能忽視第二語言在三語學(xué)習(xí)中的遷移作用。教師必須分析他們犯錯誤是英語語言本身的困難造成的,還是漢語或維語的干擾造成的。尤其要注意給學(xué)生提供英語與漢語和維吾爾語在語音、語法和詞匯三個層面上的同異對比分析, 這對于學(xué)生克服漢語和維吾爾語對英語學(xué)習(xí)的干擾會有很大的幫助。

在少數(shù)民族學(xué)生初學(xué)英語階段,由母語及漢語的影響產(chǎn)生的語言遷移對學(xué)生學(xué)習(xí)英語的興趣和態(tài)度起著重要作用。因此,教師應(yīng)根據(jù)少數(shù)民族學(xué)生的雙語學(xué)習(xí)背景,從不同方面引導(dǎo)學(xué)生正確認識雙語遷移對三語學(xué)習(xí)的影響。引導(dǎo)學(xué)生利用已獲得的雙語知識和經(jīng)驗,使用對比分析的方法對所學(xué)內(nèi)容不懂之處,用母語、漢語進行比較,對其中相似點加以分析和利用,積極促進正遷移的發(fā)生,及時改進教學(xué)方法,提高預(yù)科英語教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻:

[1]Cenoz,J.HufeisenB.,Jessner,U.eds.Cross-lingual Influence in Third Language Acquisition:Psycholinguistic Perspectives[M].Cleverland:Multilingual Matters,2001:285-288.

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[3]Littlewood,W.Foreign and Second Language Learning[M].Cambridge University Press,1984:25.

[4]Ringbom,H.Cross linguistic influence and the foreign language learning process In Kellerman and Sharwood Smith:Cross linguistic Influence in Second Language Acquisition New York:Pergamon Press,1986.

[5]Taylor,B.Adult language learning strategies and their pedagogical implications[J].TESOL Quarterly,1975:391-399.

篇3

【關(guān)鍵詞】生物信息學(xué) 宏基因組 高通量測序

宏基因組(Metagenome)是1998年由Handelsman等人正式提出,定義為特定生物環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的總和。宏基因組學(xué)通過直接從環(huán)境樣品中提取全部微生物的遺傳物質(zhì)DNA,利用第二代測序技術(shù),得到高通量宏基因組數(shù)據(jù),并結(jié)合微生物基因組學(xué)的研究成果,分析環(huán)境樣品所包含的全部微生物的群落組成及其結(jié)構(gòu)功能。高通量宏基因組數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)微生物學(xué)、水體、土壤、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域都顯示出了重要價值[1]。

1宏基因組學(xué)研究方法

宏基因組學(xué)的研究方法主要有:環(huán)境樣本的采集、宏基因組DNA的提取,高通量測序、所得序列的比對檢索分析,以及進一步進行微生物物種結(jié)構(gòu)和功能分析。其中,提取DNA要盡可能地提取出樣品中所以微生物的基因且保持基因片段的完整,目前的提取方法主要有直接裂解法和細胞提取法。隨著第二代測序技術(shù)的發(fā)展,宏基因組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出序列短小、通量巨大的特點,一方面蘊含更為豐富的環(huán)境微生物遺傳物質(zhì)信息,極大拓展了微生物學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域,另一方面也為分析處理帶來前所未有的挑戰(zhàn)。

2宏基因組學(xué)的應(yīng)用

在短短幾年內(nèi),高通量宏基因組數(shù)據(jù)研究已滲透到各個領(lǐng)域,包括基礎(chǔ)微生物學(xué)、海洋學(xué)、土壤學(xué)、醫(yī)學(xué)等,并在醫(yī)藥、替代能源、環(huán)境修復(fù)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、生物防御及倫理學(xué)等各方面顯示了重要的價值[2]。

2.1基礎(chǔ)微生物學(xué)研究

宏基因組為基礎(chǔ)微生物學(xué)研究打開了新局面,得以快速準確地探測新基因、發(fā)現(xiàn)新物種(如未知病原體等)以及準確認識微生物群落的物種構(gòu)成及其功能結(jié)構(gòu)。由于自然界中大多數(shù)微生物物種及其生物量是未知的,其中大量微生物采樣困難、培養(yǎng)效率低下,這極大限制了傳統(tǒng)微生物學(xué)的研究與發(fā)展,而高通量宏基因組數(shù)據(jù)的產(chǎn)生則突破了這一束縛。通過分析高通量宏基因組數(shù)據(jù),包括序列比對、De Novo組裝、GO分析等等技術(shù),無需經(jīng)過提純培養(yǎng),就能探測新基因、新物種,為微生物環(huán)境工程、疾病診斷治療奠定基礎(chǔ)。

2.2海洋學(xué)和土壤學(xué)研究

海洋和土壤中包含大量微生物,它們與生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切。目前通過采用土壤、海水等環(huán)境樣品,獲取高通量宏基因組數(shù)據(jù),探測其中微生物的組成及功能分布,能夠?qū)?dǎo)致生態(tài)環(huán)境變化的因素有更深入的認識。如利用來自海洋石油污染區(qū)的微生物高通量宏基因組數(shù)據(jù),分析其微生物相對豐度,可以有效探測石油降解細菌及其生態(tài)關(guān)系網(wǎng),為污染治理提供新思路。利用來自豆類植物附近土壤測取的宏基因組數(shù)據(jù),分析其中固氮菌含量及其關(guān)聯(lián)因素,有助于設(shè)計提高豆類產(chǎn)量種植模式。高通量宏基因組數(shù)據(jù)為認識復(fù)雜的微生物群落構(gòu)成及其功能提供了可能,且必將在研究生物多樣性和微生物環(huán)境工程中發(fā)揮重要作用[3]。

2.3醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域

高通量宏基因組數(shù)據(jù)在現(xiàn)代醫(yī)藥學(xué)中扮演著極其重要的角色,一方面通過疾病樣本的宏基因組分析,可以確定病原體或致病基因及其與其他因素之間的關(guān)聯(lián),為疾病治療提供可能;另一方面利用宏基因組數(shù)據(jù)篩選在醫(yī)藥業(yè)中具有重要應(yīng)用價值的基因及其產(chǎn)物,促進醫(yī)藥發(fā)展。如利用取自不同牙周炎病況病人口腔高通量宏基因組數(shù)據(jù),分析處理得到各樣本微生物相對豐度數(shù)據(jù),比較不同牙周炎病況下的微生物整體分布情況,揭示出牙周炎與口腔微生物群落的生物多樣性和關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間有顯著聯(lián)系。

3結(jié)語

隨著高通量測序技術(shù)的迅猛發(fā)展,宏基因組分析已經(jīng)成為探索自然環(huán)境中微生物物種和功能組成的重要手段之一,是研究微生物群落的利器。宏基因組分析手段無需經(jīng)過復(fù)雜嚴苛的實驗室培養(yǎng)過程,直接利用第二代高通量測序技術(shù),快速產(chǎn)生成千上萬的自然微生物DNA序列的短讀片。但是高通量宏基因組數(shù)據(jù)也給研究帶來挑戰(zhàn)。它呈現(xiàn)出序列短小、通量巨大的特點。此外,高通量測序技術(shù)的準確率低于傳統(tǒng)測序技術(shù),亟需完善的概率統(tǒng)計模型和有效的算法實現(xiàn)[4]。

在應(yīng)用前景方面,隨著組合生物合成技術(shù)和納米技術(shù)迅速發(fā)展,可以考慮將宏基因組學(xué)技術(shù)與之結(jié)合,利用納米技術(shù)人工合成由宏基因組學(xué)的方法探測所得新興基因,促進天然活性產(chǎn)物的開發(fā)及挖掘,進一步促進微生物工程的發(fā)展。

參考文獻:

[1]許忠能著.生物信息學(xué)[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2009.

[2]賀紀正,張麗梅,沈菊培 等.宏基因組學(xué)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008,28(2): 209-218.

篇4

關(guān)鍵詞 微生物 高三復(fù)習(xí) 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 引言

浙科版高中生物學(xué)涉及到動物學(xué)、植物學(xué)、細胞學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科的內(nèi)容,關(guān)于微生物的有關(guān)內(nèi)容在教材中的分布則比較分散,導(dǎo)致學(xué)生對微生物學(xué)內(nèi)容的學(xué)科結(jié)構(gòu)沒有形成完整的認識,缺乏對微生物學(xué)知識的完整把握,因此教師很有必要對“微生物學(xué)”相關(guān)內(nèi)容進行梳理和整合,幫助學(xué)生獲得微生物學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)和知識體系,從而提高復(fù)習(xí)的針對性和有效性。

2 讓學(xué)生通過小組合作,梳理出微生物學(xué)內(nèi)容

教師將學(xué)生分成幾個小組,讓學(xué)生閱讀教材,找出必修一、必修二和必修三中有關(guān)微生物的內(nèi)容。然后各小組呈現(xiàn)成果,教師將小組總結(jié)梳理的結(jié)果以表格的形式呈現(xiàn)出來,再由各小組補充完善(表1)。

3 整合內(nèi)容,確定研究維度

讓學(xué)生以小組討論的形式,對表格中涉及到的內(nèi)容進行維度劃分。要確定研究維度,學(xué)生必須對微生物內(nèi)容進行梳理和提煉,有助于他們統(tǒng)領(lǐng)微生物學(xué)的全部內(nèi)容,同時培養(yǎng)歸納和概括能力。教師在此過程中對學(xué)生進行方法指導(dǎo),讓學(xué)生認識到對某一事物的可以沿著“是什么(本體論)”“為什么(認識論)”“怎么樣(方法論)”順序進行認識。

學(xué)生以小組為單位呈現(xiàn)討論結(jié)果,其他小組進行補充修正,最終得到比較全面的維度劃分(圖1):(1) 微生物分類及結(jié)構(gòu);(2) 微生物的代謝;(3) 微生物的增殖;(4) 微生物作為實驗材料;(5) 微生物存在的意義。

3 分類處理,各個擊破

5個研究維度中,微生物分類及結(jié)構(gòu)、微生物的代謝和微生物的增殖3個維度的內(nèi)容,通過概念圖的形式可以更加清晰的呈現(xiàn)出來。教師先讓學(xué)生以小組合作的形式進行討論,總歸納結(jié),然后在黑板上畫出概念圖,由其他小組評價并完善、補充,最終形成比較完善的概念圖。

3.1 微生物分類及結(jié)構(gòu)(圖2)

對于微生物的細胞結(jié)構(gòu),教師主要引導(dǎo)學(xué)生分析酵母菌、真菌、霉菌和藍細菌的結(jié)構(gòu),從共同點和區(qū)別氏個方面分析。學(xué)生不難發(fā)現(xiàn),這幾種生物都具有細胞壁,但是細胞壁組成存在差異。教師還可以引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系植物的細胞壁一起分析。通過比較,學(xué)生對微生物的特有結(jié)構(gòu)更加明晰。

3.2 微生物的代謝(圖3)

關(guān)于微生物的代謝,教材中對乳酸菌和酵母菌的代謝過程敘述較多,學(xué)生能夠?qū)⑦@兩種微生物的呼吸類型遷移到其他微生物,但是對于不含線粒體的原核生物的需氧呼吸場所存在迷惑。教師可以引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本并做適當(dāng)解釋,從而使學(xué)生明確原核生物需氧呼吸的場所是在質(zhì)膜。學(xué)生對于缺乏葉綠體的藍細菌的光合作用也存在迷惑,教師可以適當(dāng)拓展:藍細菌含有葉綠素并具有相應(yīng)的酶,可以幫助藍細菌完成光合作用,其光反應(yīng)的場所就是其含有光合色素的質(zhì)膜。通過這樣的拓展和說明可以消除學(xué)生的概念漏洞,豐富其知識背景。

3.3 微生物的增殖(圖4)

學(xué)生理解“噬菌體侵染細菌的實驗”的關(guān)鍵是要理解噬菌體的繁殖過程。因此,教師可以先讓學(xué)生回憶,然后播放噬菌體繁殖的動畫的順序,幫助學(xué)生明確此過程,并讓學(xué)生思考其他病毒是否也是這樣繁殖的,從而引出逆轉(zhuǎn)錄病毒。學(xué)生通過對比不同病毒的繁殖方式,增加對不同病毒各自特點的認識。

對于逆轉(zhuǎn)錄病毒,教師可以呈現(xiàn)HIV病毒在細胞內(nèi)的繁殖過程的動畫,以使學(xué)生更加直觀地認識到逆轉(zhuǎn)錄形成的DNA整合到人類DNA上的過程。這樣的基因重組過程可以與肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化相聯(lián)系,教師提供相應(yīng)的背景材料:S型肺炎雙球菌的DNA一條鏈被水解,另一條進入R型肺炎雙球菌,這條單鏈DNA會與R菌肺炎雙球菌核染色體的同源區(qū)隊配對形成一小段雜合DNA區(qū)段,R型肺炎雙球菌進行染色體復(fù)制,于是雜合區(qū)也得到復(fù)制,最終R型菌轉(zhuǎn)化出S型肺炎雙球菌(實為具有莢膜的R型菌)。然后對學(xué)生進行一定的說明和解釋。學(xué)生對肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化一直是知其然不知其所以然,這樣的知識缺失對學(xué)生思維成長不利。教師通過提供材料的方式,可以讓學(xué)生明確肺炎雙球菌這種自然狀態(tài)就可以發(fā)生基因重組的具體機制,從而幫助學(xué)生豐富知識背景,有利于學(xué)生更好的理解基因工程,有助于培養(yǎng)學(xué)生前后聯(lián)系的能力。

概念圖提供了需要關(guān)注的主要方面,教師可以引導(dǎo)學(xué)生,在此基礎(chǔ)上做進一步的聯(lián)系和擴展,形成知識間的更為廣泛聯(lián)系,構(gòu)建起更為復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。

3.4 微生物作為實驗材料

首先,教師要求學(xué)生找出微生物作為實驗材料的實驗:“噬菌體侵染細菌的實驗”“肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗”“煙草花葉病毒的感染和重建實驗”“利用大腸桿菌研究DNA復(fù)制實驗”“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”。然后,讓學(xué)生結(jié)合每一個具體的實驗過程思考并總結(jié):選擇微生物作為實驗材料的優(yōu)點有哪些?為什么不選擇其他實驗材料呢?教師引導(dǎo)學(xué)生從繁殖快、操作方便、成本低等角度,總結(jié)出選擇微生物作為實驗材料的優(yōu)點。

在此基礎(chǔ)上,教師還可以進一步拓展:生物學(xué)上還有那些常用實驗材料?教師引導(dǎo)學(xué)生整理、總結(jié)生物學(xué)中常用實驗材料及其對應(yīng)的實驗。這樣的關(guān)聯(lián)式延伸可以幫助學(xué)生對高中階段的實驗材料形成整體認識,同時使學(xué)生認識到實驗材料的選擇對于生物實驗的重要性。

3.5 微生物存在的意義

教師要求學(xué)生思考回答微生物存在的意義有哪些,然后提示學(xué)生將這些意義進行整理歸類,引導(dǎo)學(xué)生從3個角度認識微生物存在的意義:物質(zhì)循環(huán)角度;生物多樣性的角度;對人類的研究價值角度。

通過角度劃分,學(xué)生可以更為清晰的明確思考角度,保證知識的整體性認識。

4 反思研究過程

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶微生物學(xué)的整個研究過程,總結(jié)如何進行知識的聯(lián)系和整合,反思自己的研究過程中得失,并通過小組討論的方式與他人分享。通過這樣的反思,學(xué)生重新審視自己經(jīng)歷過的研究過程,可以獲得更為深刻的認識體驗。

5 結(jié)束語

充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性是高三復(fù)習(xí)應(yīng)然的價值取向,教師應(yīng)放手讓學(xué)生去體驗自己的學(xué)習(xí)過程。學(xué)科整合式復(fù)習(xí)可以覆蓋微生物學(xué)在高中階段的全部內(nèi)容,實現(xiàn)了復(fù)習(xí)的完整性和全面性,并為教師引導(dǎo)學(xué)生進行相應(yīng)知識的拓展提供了更為明確的指向?!罢熄D―拓展”式復(fù)習(xí)充分調(diào)動了學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性。在此過程中,學(xué)生獲得了關(guān)于微生物學(xué)的整體概念框架,并對以往存在的迷惑的方面在相應(yīng)的知識拓展中得到了解決,豐富了學(xué)生的知識體系,提升了學(xué)生分析、綜合和概括能力。

參考文獻:

篇5

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關(guān)鍵詞 土壤微生物 分解作用 涂布平板法

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

“土壤微生物的分解作用”是人教版高中生物必修內(nèi)容中的探究實驗之一,旨在讓學(xué)生通過宏觀的實驗現(xiàn)象了解微觀的實驗原理,明白微生物在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中的重要作用。然而由于實驗周期長,實驗現(xiàn)象較不明顯,開展該實驗的學(xué)校寥寥無幾。

1 教材分析與實驗條件選擇

在人教版“土壤微生物分解作用”的實驗中,教材提出了2個參考案例。第一個案例,使用落葉為實驗對象,設(shè)置滅菌土壤為對照組,對比得出土壤微生物具有分解作用;第二個案例:使用淀粉為實驗對象,通過斐林試劑和碘液的顯色反應(yīng),得出土壤微生物具有分解作用。對比發(fā)現(xiàn),第二個案例實驗時間適中,實驗現(xiàn)象較為明顯;同時復(fù)習(xí)了斐林試劑的使用方法,較適合開展實驗教學(xué)。因此,筆者選用第二個案例(土壤微生物對淀粉的分解作用),對“土壤微生物的分解作用”進行實驗研究。

溫度、淀粉糊濃度和反應(yīng)時間是影響土壤微生物分解作用的主要因素。筆者選取了15°C、20°C、25°C、30°C和室溫等5個溫度,2%、4%、6%和8%等4個淀粉糊濃度以及5 d、7 d和9 d等3個反應(yīng)時間,探究它們對土壤微生物分解作用的影響。

特定土壤的pH是確定值,而pH的變化會影響土壤微生物的分解作用。在確定適宜的溫度、淀粉糊濃度和反應(yīng)時間之后,以pH為變量,繼續(xù)探究pH對土壤微生物分解作用的影響。

為了使實驗結(jié)果更具科學(xué)性,需要設(shè)置對照組。筆者在教材的基礎(chǔ)上增加了滅菌土壤浸出液作為第二對照組,排除了土壤浸出液中其他非生物因素的干擾,增加了實驗的嚴謹性。

在教學(xué)研究中,有學(xué)者使用不同種類的土壤進行實驗,以確定哪種土壤微生物的分解能力最強。土壤微生物分解能力的強弱,主要受微生物種類和數(shù)量的影響。因此,為了揭示土壤微生物數(shù)量對分解作用的影響,筆者根據(jù)《微生物實驗》的相關(guān)內(nèi)容,采用涂布平板法,對實驗的土壤微生物進行計數(shù),初步確定土壤微生物的分解能力。

綜上所述,“土壤微生物的分解作用”實驗可劃分為三個小實驗,分別是:(1) 土壤微生物對淀粉分解作用實驗;(2) pH對土壤微生物分解作用的影響實驗;(3) 土壤微生物計數(shù)實驗。其中第一個小實驗為主實驗,第二、第三個小實驗為擴展實驗。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗器材

實驗器具:小燒杯、試管、三角瓶、玻璃棒、pH計、恒溫光照培養(yǎng)箱、牛皮紙、紗布。

材料和試劑:土壤、淀粉、斐林試劑、碘液、牛肉膏、蛋白胨、瓊脂、NaCl、稀HCl、稀NaOH、無菌水。

2.2 實驗步驟

2.2.1 土壤微生物對淀粉的分解作用

(1) 土壤浸出液的制備:按照課本介紹的方法制備。

(2) 淀粉糊的制作:分別稱取10 g、20 g、30 g和40 g淀粉,溶于500 mL開水中,充分攪拌,制成糊狀,得到濃度分別為2%、4%、6%和8%的淀粉糊。

(3) 滅菌:將蒸餾水、部分土壤浸出液、各濃度淀粉糊、實驗所用的燒杯和試管等器皿放入滅菌鍋中滅菌。

(4) 加樣培養(yǎng):按照課本介紹的方法,在無菌環(huán)境中操作加樣,并將實驗溶液分別放入15°C、20°C、25°C和30°C的培養(yǎng)箱及室溫中培養(yǎng)

(5) 顯色反應(yīng):按照課本介紹的方法取出實驗溶液進行顯色反應(yīng)。

2.2.2 pH對土壤微生物分解作用的影響

(1) 土壤浸出液pH的測定和調(diào)節(jié):使用北京哈納HI8424NEW型pH計測出土壤浸出液的原始pH值為8.12;使用稀HCl和稀NaOH溶液,將土壤浸出液的pH上下各調(diào)節(jié)1.5和3.0個pH單位,選擇5.12、6.62、8.12、9.62和11.12等5個pH作為實驗pH。

(2) 制作淀粉糊、滅菌、加樣、培養(yǎng)與顯色反應(yīng)操作同2.2.1。

2.2.3 土壤微生物的計數(shù)(涂布平板法)

計數(shù)實驗包括配制細菌培養(yǎng)基、倒平板、制備土壤稀釋液、涂布和培養(yǎng)等五個步驟,具體操作同《微生物實驗》教材。

3 實驗結(jié)果

3.1 土壤微生物對淀粉的分解作用

實驗結(jié)果表明,土壤微生物對淀粉的分解作用與溫度、淀粉糊濃度和分解作用的時間有關(guān)。30°C下,土壤微生物的分解作用最強烈,室溫(25°C~30°C)下次之,25°C、20°C和15°C下的分解作用依次減弱。土壤微生物對4%淀粉糊的分解作用最強,其次是2%、6%和8%。隨著時間的推移,土壤微生物對淀粉的分解作用逐漸增強;培養(yǎng)的第5 d,已有顯色現(xiàn)象;第7 d顯色現(xiàn)象顯著;第9 d和第7 d的實驗現(xiàn)象相差無幾。從顯色劑的顯色效果看,加入斐林試劑的實驗現(xiàn)象更直觀明顯。淀粉被分解后,產(chǎn)生的葡萄糖與斐林試劑作用,生成很明顯的磚紅色沉淀;加入碘液后,實驗溶液依舊變藍,只是顏色較對照組淺。這說明,一方面斐林試劑的顯色效果較顯著;另一方面,短時間里淀粉不能被分解殆盡。

3.2 pH對土壤微生物分解作用的影響

pH為8.12的原始土壤浸出液中,微生物對淀粉糊的分解作用結(jié)果最明顯,出現(xiàn)最多的磚紅色沉淀;弱酸(pH6.62)和弱堿(pH9.62)性的土壤浸出液中,微生物對淀粉糊的分解作用結(jié)果出現(xiàn)較多的磚紅色沉淀,但均少于原始pH的土壤浸出液;強堿性(pH11.12)的土壤浸出液中,微生物對淀粉糊的分解作用結(jié)果產(chǎn)生較少的磚紅色沉淀;強酸性(pH5.12)的土壤浸出液中,微生物對淀粉糊的分解作用結(jié)果產(chǎn)生最少的磚紅色沉淀。碘液的顯色反應(yīng)結(jié)果并沒有明顯的差別,說明只有部分淀粉被分解。

3.3 土壤微生物的計數(shù)

涂布平板結(jié)果顯示,土壤浸出液中微生物的含量約為668 889個/mL;根據(jù)之前的實驗步驟得知,實驗土壤浸出液濃度為0.1 g/mL,因此土壤中微生物的含量約為6 688 890個/g(表1)。有教學(xué)條件的學(xué)??稍O(shè)計該實驗,分析不同土壤微生物具有不同分解作用的原因,讓學(xué)生更深入地理解和掌握知識,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和探究精神。

4 討論

“土壤微生物的分解作用”實驗中,材料易得,操作簡單,可以在教學(xué)活動中順利實施。許多學(xué)校由于實驗時間較長,影響教學(xué)安排,而很少開展這一探究活動。但筆者發(fā)現(xiàn),該實驗不但可以在短時間內(nèi)完成,而且能開發(fā)出與之相關(guān)的教學(xué)實驗,如pH對土壤微生物分解作用的影響、土壤微生物計數(shù)等,這對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)大有裨益。如果學(xué)校教學(xué)條件有限,無法順利開展該實驗,可由教師演示或者播放實驗錄像,以取得一定的教學(xué)效果。

在本實驗中,筆者并未以土壤類型為實驗變量,探究不同土壤中微生物分解作用和微生物數(shù)量的異同。但學(xué)校在安排教學(xué)活動時,可以將學(xué)生分組,不同小組以不同的土壤為研究對象開展實驗。這樣既節(jié)約了時間,又可以達到很好的實驗效果。

本研究確定的適宜實驗條件,可以為廣大師生提供參考。各學(xué)校也可以借鑒筆者的思路,開展類似實驗,并安排不同學(xué)生完成不同條件下的實驗,最后匯總結(jié)果,探討比較。這不僅能幫助學(xué)生培養(yǎng)團隊合作精神和創(chuàng)新實踐能力,也能激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)實驗的熱情,進一步培養(yǎng)學(xué)生對生物學(xué)科的興趣。

參考文獻:

篇6

如果有人向你提出這個奇怪的問題,你也許會不假思索地回答:人類就是人呀!然而生物學(xué)家會告訴你,我們?nèi)祟?,就是人與寄存在人體軀殼內(nèi)的大量微生物共生的一個小小的生態(tài)系統(tǒng)。

通過基因測序研究人體微生物

早在300多年前,顯微鏡被發(fā)明后不久,科學(xué)家已觀察到人體內(nèi)存在微生物。然而,由于檢測、分析技術(shù)等的限制,人們無法大規(guī)模地獲取人體微生物群的構(gòu)成、功能等詳細信息,更無法進一步了解這些數(shù)量龐大的微生物群與人體是如何相互作用的。

從人類基因組的破譯開始,人們才真正對這些微生物有了比較深入的了解。2000年6月26日,當(dāng)美國總統(tǒng)克林頓與英國首相布萊爾共同宣布人類基因組計劃工作草圖完成時,整個世界都為之轟動。圍繞著破譯“生命密碼”的研究,引起公眾的廣泛關(guān)注和討論。很多人曾認為,只要讀懂人類基因組代表的“生命密碼”,人類的所有健康問題將會迎刃而解。然而,越來越多的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),人體除受自身基因的調(diào)控外,還受到人身上大量的共生細菌的影響。

2007年底,美國國立衛(wèi)生研究院正式啟動為期5年的“人類微生物組計劃”,共投入經(jīng)費1.4億美元。該計劃是繼“人類基因組計劃”完成之后一項規(guī)模更大的DNA測序計劃,也被稱為“人類第二基因組計劃”。其目標是探索研究人類微生物組的可行性。通過繪制人體不同器官中微生物元基因組圖譜(包括細菌、病毒等微生物),解析微生物群結(jié)構(gòu)變化對人類健康的影響。同時,為其他科學(xué)研究提供信息和技術(shù)支持。我國作為參與者也一直積極推動初期研究工作。

歐盟也有類似的研究項目,例如,作為人類元基因組第七框架項目的子項目,人類腸道宏基因組計劃就主要研究人類腸道中的所有微生物群落,進而了解人腸道中細菌的物種分布,最終為后續(xù)研究腸道微生物與人的肥胖、腸炎等疾病的關(guān)系提供非常重要的理論依據(jù)。中國深圳華大基因研究院承擔(dān)了該計劃中的200多個歐洲人腸道微生物樣品的測序及后續(xù)生物信息分析工作。

這一系列研究項目正在揭開人體微生物神秘的面紗。例如,研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變與失衡除了會導(dǎo)致腸道疾病外,還與糖尿病、肥胖等很多慢性全身性代謝性疾病有密切關(guān)系,甚至還與癌癥有關(guān)。微生物甚至還影響著機體免疫系統(tǒng)的發(fā)育成熟。越來越多的研究提示,人類健康與人體微生物息息相關(guān),隨著人體與微生物之間的關(guān)系不斷得到闡明,人們對于人體本身的認識、對于健康和疾病的認識以及醫(yī)療模式都有可能隨之發(fā)生根本的改變。

研究發(fā)現(xiàn)微生物與人體健康息息相關(guān)

2010年3月4日,歐盟于2008年1月1日啟動的人類腸道宏基因組計劃的研究小組公布階段性重大成果,引起世界的關(guān)注。該項研究成果收集了124個來自于歐洲人腸道菌群的樣本,采用了新一代大規(guī)模高通量的測序技術(shù)進行深度測序,產(chǎn)出近6千億的堿基序列。經(jīng)過序列組裝和基因注釋分析,從中獲得330萬個非冗余的人體腸道宏基因組的參考基因,大概是人自身基因的150倍。這個基因集中包含了絕大部分目前已知的人體腸道微生物基因,但更多的是目前未知微生物的基因。從這個基因集中可以估計人腸道中存在1000種至1150種細菌,平均每個人體內(nèi)含有約160種優(yōu)勢菌種,并且這些細菌是絕大部分個體所共有的。也就是說,我們每個活著的人體內(nèi)都有大約100萬億個微生物細胞,總重量約1.5千克。微生物細胞的數(shù)量是人體細胞的10倍,在人體的獨特基因中占99.9%。它們的構(gòu)成在很大程度上決定著人體的運轉(zhuǎn)以及機能正?;蚴С!?/p>

美國人類微生物組計劃在2012年集中公布了第一批研究數(shù)據(jù),來自多個國家的超過200名科研人員報道了他們5年來的研究成果。他們分析了242個美國健康志愿者微生物基因組,獲得了近800個菌種的基因參考序列。他們發(fā)現(xiàn),來自牙齒和糞便的微生物樣本其類型和遺傳多樣性是最強的;來自皮膚和臉頰內(nèi)側(cè)樣本的多樣性次之;而來自陰道樣本的多樣性是最低的。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn),不同國家人群中的腸道微生物存在很多差異,差異最顯著的是微生物的多樣性程度。例如,印第安人和馬拉維人的腸道微生物組比美國人的腸道微生物具有更大的多樣性。有觀點認為,微生物多樣性程度越高,人體越健康。該研究還發(fā)現(xiàn),盡管來自三種不同地域人群的腸道微生物組存在很多差異,但它們之間也存在驚人的相似性。例如,三個不同國家的嬰兒微生物組形成過程具有共同的模式,即嬰兒需要6個月至9個月的時間來獲得第一組600~700個細菌,然后再經(jīng)過幾年的時間才能獲得成人的微生物組。該研究還發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的現(xiàn)象,即腸道微生物組的構(gòu)成會隨年齡增長而發(fā)生改變,而這一變化恰恰適應(yīng)了不同年齡段人體的需求。

同時,人體微生物還與免疫系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。2012年4月,日本科學(xué)家在《科學(xué)》報告,發(fā)現(xiàn)一種免疫抑制性受體控制著腸道菌群的構(gòu)成,如果這種受體缺失,腸道內(nèi)的微生態(tài)環(huán)境就會紊亂,會導(dǎo)致全身免疫系統(tǒng)過度活躍,進而有可能出現(xiàn)自身免疫性疾病等病態(tài)變化。研究者認為,這些新發(fā)現(xiàn)有望幫助開發(fā)預(yù)防或緩解自身免疫性疾病癥狀的新方法。同期《科學(xué)》的另一項研究也提示,在生命早期接觸微生物可以減少哮喘或炎癥性腸病等疾病的發(fā)生。

人類腸道菌群與肥胖

隨著科學(xué)家們研究的深入,我們對人類體內(nèi)的微生物,尤其是腸道內(nèi)的菌群,有了更多的了解。人類的消化系統(tǒng)實際上是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),成百上千種細菌在那里開展各種活動,比如,讓未消化的碳水化合物發(fā)酵、提供維生素,等等。它們還能調(diào)節(jié)你身體儲存的脂肪量。

不過,并非每個人都有同樣的腸道菌群。而且,有趣的是,菌群的組成與肥胖有關(guān)。當(dāng)然,這種關(guān)系可能很簡單,胖人的飲食不同,所以,他們的腸道菌群也不同。

2013年《科學(xué)》雜志發(fā)表的一項研究表明,這種因果關(guān)系也有可能顛倒過來。研究人員從一些雙胞胎小鼠身上取出細菌,雙胞胎中有一只肥胖,另外一只不胖。然后,他們將細菌移植到不同的小鼠身上。接受了肥胖雙胞胎菌群的小鼠體重增加了,其他小鼠則不然。這些小鼠的進食沒有增加:是它們的新陳代謝變化導(dǎo)致了體重增加,即使攝入的熱量不變。

那么,是什么決定了你的腸道菌群呢?有可能是抗生素、環(huán)境毒素或食品的加工方式?!缎掠⒏裉m醫(yī)學(xué)雜志》上發(fā)表的一項研究表明,肥胖似乎能在社交網(wǎng)絡(luò)中“傳染”,讓朋友和鄰居感染上肥胖。我們以前一直認為,那是物以類聚、人以群分的結(jié)果―這也確實是部分原因。不過,會不會是腸道菌群也可以在非常親密的人之間傳播,所以,肥胖或許真的可以傳染?

生物因素和行為因素之間往往存在相互作用,比如流感的傳播就跟我們是否勤洗手關(guān)系巨大。同樣地,這項對細菌的研究也發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)小鼠的飲食中含有大量飽和脂肪時,“肥胖腸道菌群”才會起到作用。

最有趣的大概是,改變生物因素甚至可以改變?nèi)说挠蟆R恍┥飳W(xué)家推測,我們的腸道細菌其實驅(qū)動了我們對某些不健康食品的渴求。所以,重視生物因素并不等于淡化行為因素,而是意味著從更多的維度理解它。

我們身上的微生物正在發(fā)生變化

關(guān)于人類和與人類共存的微生物,正在發(fā)生一些值得我們憂慮的變化。就像全世界的生態(tài)系統(tǒng)一樣,人類微生物菌群正在失去它們的多樣性,以至于可能會損害它們所寄居的主體的健康。

紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院傳染病專家、 人類微生物組計劃負責(zé)人馬丁?J?布拉澤博士在過去30多年間,一直研究細菌在疾病中發(fā)揮的作用。除傳染病外,他的研究范圍還囊括了自體免疫疾病,以及其他在世界范圍內(nèi)急劇增加的疾病。

布拉澤在他的新書《消失的微生物》中表示,微生物組多樣性的減少導(dǎo)致我們更容易感染嚴重且通常都是慢性的疾病―從過敏、乳糜瀉到一型糖尿病和肥胖癥。布拉澤及其他人認為,這主要是由抗生素造成的。

布拉澤表示,抗生素很早就開始對微生物多樣性產(chǎn)生破壞。普通的美國兒童在出生的頭兩年要接受大約3個療程的抗生素,在接下來的8年里,要再進行8個療程。很短療程的抗生素治療就能致使人體的微生物環(huán)境發(fā)生長期轉(zhuǎn)變,比如,被廣泛使用的阿奇霉素。

抗生素并不是破壞平衡的唯一因素。布拉澤接受采訪時表示,近幾十年,選擇剖腹產(chǎn)的人激增,剖腹產(chǎn)促使嬰兒內(nèi)臟中的微生物來自母親的皮膚,而不是產(chǎn)道。

微生物組的變化能夠改變嬰兒的新陳代謝和免疫系統(tǒng)。最近,研究人員查閱了15項共涉及16.3796萬個分娩案例的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與順產(chǎn)的嬰兒相比,剖腹產(chǎn)嬰兒成人后超重的幾率要高26%,肥胖的風(fēng)險要高22%。研究人員發(fā)現(xiàn),人的胎盤有自己的微生物組,這個微生物組可能也有助于嬰兒的內(nèi)臟健康,減少由剖腹產(chǎn)引發(fā)的微生物損耗。

其他研究發(fā)現(xiàn)了正常體重者與肥胖者腸道中微生物的主要差異。雖然這些研究不能說明最先出現(xiàn)的是那個問題―體重問題或微生物組的變化,但研究說明,肥胖的老鼠體內(nèi)存在能夠更好地從食物中吸取熱量的腸道菌群。與肥胖相關(guān)的進一步證據(jù)來自農(nóng)場里的動物。在美國出售的抗生素中,大約有3/4都用在牲畜身上。這些抗生素改變了動物的微生物菌群,加快了它們的生長速度。布拉澤說,當(dāng)我們把用于牲畜的抗生素用在老鼠身上時,它們的新陳代謝就會發(fā)生改變,并促使它們的體脂增加。

更嚴重的是,如今有越來越多嚴重的功能失調(diào)都與人類內(nèi)臟的微生物平衡被破壞有關(guān)。其中,有多種功能失調(diào)在發(fā)達國家中變得越來越常見,如克隆氏癥、潰瘍性結(jié)腸炎和乳糜瀉胃腸疾病等;心血管疾病;非酒精性脂肪肝;慢性反流癥等消化失調(diào)問題;多發(fā)性硬化和風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等自體免疫性疾病以及哮喘和過敏。

有些研究人員甚至推斷,內(nèi)臟微生物菌群失調(diào)是造成乳糜瀉的原因,所以,甚至連沒患這種病的人對無麩質(zhì)食物的需求也會激增。乳糜瀉舊稱非熱帶脂肪瀉,又稱乳糜腹瀉、麥膠引起的腸?。ê喎Q麥膠腸?。?。乳糜瀉是一種具有遺傳性的發(fā)生于小腸的自身免疫性疾病,從嬰兒到各年齡段的人都會罹患。乳糜瀉的癥狀包括慢性腹瀉,生長遲滯(兒童)和疲勞,但有些人癥狀不明顯。在北美、北歐、澳大利亞發(fā)病率較高,我國國內(nèi)很少見。

布拉澤和其他研究人員,還有來自瑞士和德國的一組研究人員也認為,哮喘患病率的大幅上升與“幽門螺桿菌從西方社會快速消失有關(guān)”。眾所周知,幽門螺桿菌是一種長期寄存在人類胃里的細菌性病原體。曾幾何時,幾乎每個人體內(nèi)都有這種細菌,歐洲研究者已經(jīng)證明,它能防止老鼠出現(xiàn)過敏性哮喘的癥狀。在人生命的早期階段,幽門螺桿菌的存在能促使血液中產(chǎn)生T細胞。布拉澤表示,壓制過敏反應(yīng)就需要這種細胞。他的研究表明,雖然有些類型的幽門螺桿菌與消化性潰瘍和胃癌有關(guān),但其他類型則具有保護作用。布拉澤和同事的研究進一步表明,胃部的幽門螺桿菌能夠防止胃食管返流疾病、巴雷特氏食管(食管下端有不正常的柱狀上皮覆蓋,稱之為巴雷特氏食管。普遍認為是后天獲得的,并與反流性食管炎密切相關(guān),并有發(fā)生腺癌的可能)和食道癌。

研究者不是總能說明腸道菌群紊亂會在人們生病之前還是之后出現(xiàn)。不過,對實驗室動物的研究往往表明,菌群紊亂會發(fā)生在生病之前。

篇7

【關(guān)鍵詞】 微生物檢驗;臨床應(yīng)用;質(zhì)量控制;策略 

DOI:10.14163/j.cnki.11-5547/r.2016.04.020 

近幾年來, 因患有感染疾病而就診的患兒逐漸增加, 而對患兒給予一定的微生物檢驗有助于患兒的臨床診斷和治療, 可有效提高質(zhì)量控制情況[1, 2]。本文對微生物檢驗在臨床應(yīng)用中的質(zhì)量控制策略進行相關(guān)的研究及探討, 所研究的相關(guān)結(jié)果報告如下。 

1 資料與方法 

1. 1 一般資料 選取2013年4月~2015年4月本院所收治的60例腹瀉患兒作為研究對象, 按照隨機的原則分為對照組和研究組, 每組30例。 住院時間 8~30 d, 平均住院時間(15.78±10.84)d。對照組中男16例, 女14例, 年齡3~10歲, 平均年齡(5.6±3.3)歲;研究組中男17例, 女13例, 年齡2~11歲, 平均年齡(5.5±3.2)歲。兩組患兒年齡、性別、住院時間等一般資料比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05), 具有可比性。 

1. 2 方法 對照組腹瀉患兒的菌株不進行微生物檢驗, 醫(yī)生對本組的腹瀉患兒進行大致的觀察之后, 結(jié)合自身的臨床工作經(jīng)驗, 對患兒進行診斷和常規(guī)的治療;對研究組腹瀉患兒的菌株先進行微生物檢驗, 方法為, 檢驗工作人員進行純菌種的提取, 使用ID32E腸道菌鑒定試條實施菌株的細菌測試實驗, 將測試得到的結(jié)果和標準菌株進行一定的對比分析, 使用 ATBG-5腸桿菌藥敏條分析實施藥敏檢驗, 并進行一定的對比分析, 使用微生物分析儀進行詳細的檢測等, 然后根據(jù)微生物檢驗的結(jié)果對本組的腹瀉患兒實施臨床的相應(yīng)治療。 

1. 3 療效判定標準 顯效:治療后, 患兒的臨床表現(xiàn)癥狀均已經(jīng)消失, 患兒的身體機能逐漸恢復(fù)至正常;有效:治療后, 患兒的臨床表現(xiàn)癥狀得到有效的改善, 但仍需進行一段時間的持續(xù)治療;無效:治療后, 患兒的臨床表現(xiàn)癥狀沒有得到明顯的緩解, 或進一步加重??傆行?(顯效+有效)/總例數(shù)×100%。 

1. 4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用spss19.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。計量資料以均數(shù)±標準差( x-±s)表示, 采用t檢驗;計數(shù)資料以率(%)表示, 采用χ2檢驗。P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。 

2 結(jié)果 

研究組腹瀉患兒的治療總有效率93.33%(顯效16例, 有效12例, 無效2例)明顯高于對照組76.67%(顯效13例, 有效10例, 無效7例), 差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。 

3 討論 

使用微生物檢驗法能及時的找出感染的原因, 以便做好醫(yī)院手術(shù)室及病房的相關(guān)消毒工作, 并對醫(yī)院產(chǎn)生的垃圾及廢棄物進行有效處理, 切斷病原菌的傳播途徑, 有效控制細菌的傳播, 而且, 使用微生物檢驗法還能對相關(guān)的病原菌的耐藥性進行了解和掌握, 有效檢測所得到患者的腸道及呼吸道的菌群狀況, 對易感人群進行有效的預(yù)防, 減少感染的發(fā)生率。 

微生物檢驗對于臨床感染的質(zhì)量控制策略主要有:①醫(yī)院需定期對隔離及消毒的技術(shù)給予及時更新, 使用較新的技術(shù)實施消毒處理, 在進行醫(yī)院的相關(guān)檢驗工作時, 需要嚴格的根據(jù)病學(xué)的相關(guān)資料和原則進行工作, 在完成相關(guān)的檢驗工作之后需要及時的將檢驗所得到的細菌的耐藥性給予公布, 將相關(guān)病原菌的記錄和統(tǒng)計等工作做好, 對其耐藥性的變化進行詳細的掌握。②醫(yī)務(wù)工作人員實施微生物的檢驗工作時, 檢驗工作人員應(yīng)先對感染源的相關(guān)資料進行搜集, 對醫(yī)院中的傳染源相關(guān)信息進行全面的掌握, 并有效保持醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境的衛(wèi)生等, 減少因環(huán)境的原因所引起的細菌滋生情況, 臨床檢驗、診斷、治療等所應(yīng)用一次性的用品和醫(yī)護工作人員的雙手均需進行細菌的檢測, 并給予有效的消毒和滅菌, 避免發(fā)生細菌感染。③檢驗工作人員需要和患者及患者家屬增強溝通與交流, 及時掌握患者的病情變化和發(fā)展, 對患者進行及時的微生物檢驗, 并對具有傳染性疾病患者進行隔離, 避免細菌在院內(nèi)患者、家屬、醫(yī)務(wù)人員之間的傳播和感染等[3-5]。 

本研究中, 研究組腹瀉患兒的治療總有效率高達93.33%, 要比對照組腹瀉患兒的76.67%明顯更高(P<0.05), 可以看出, 對腹瀉患兒實施微生物檢驗確定病菌類型后實施針對性的治療護理效果較好, 可明顯改善患兒的病癥, 提高患兒的臨床治療效果, 存在重要臨床應(yīng)用價值。 

總之, 微生物檢驗在臨床應(yīng)用中具有重要的質(zhì)量控制作用, 需引起充分的重視和關(guān)注。 

參考文獻 

[1] 王治國.微生物檢驗在臨床應(yīng)用中的質(zhì)量控制.當(dāng)代醫(yī)學(xué), 2014, 11(7):147-148. 

[2] 貢樹基, 周偉, 計惠民, 等.微生物檢驗在臨床應(yīng)用中的質(zhì)量控制要點探析.中國保健營養(yǎng)(下旬刊), 2013, 23(7):4120-4121. 

[3] 賈萍.微生物檢驗的臨床應(yīng)用與質(zhì)量控制.現(xiàn)代婦女(理論版), 2015, 5(1):313. 

篇8

1微生物指標監(jiān)測湖泊環(huán)境的研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)階段的環(huán)境評價中微生物指標已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。侯春良在唐海濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估和保護研究中表明微生物參與環(huán)境的凈化,通過微生物的代謝和相互作用調(diào)控環(huán)境中氮磷濃度,有效降解有機物的濃度[3];丁忠良在黑龍江省濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標討論中,指出微生物的指標包括微生物的種群分布、數(shù)量、季節(jié)變化、總數(shù)、酶類與活性等參數(shù)評價濕地的生物多樣性具有客觀性、實效性,微生物其生長繁殖速度快、適應(yīng)能力強,所以這樣的評估方式更能直觀快速的反應(yīng)湖體的變化[4];楊永興在研究湖泊的特點時說明在水域變化的過程中有著適應(yīng)不同變化的微生物群體,伴隨這水域環(huán)境的變化微生物有這明顯的潛育化過程[5]。

2微生物指標在分子水平上的研究

由于自然界中99%的微生物在目前的培養(yǎng)技術(shù)下還不能被培養(yǎng)[6],這就極大的限制了人們對微生物種類和數(shù)量的認識和了解,但目前分子生物學(xué)如16SrDNA技術(shù)、變性梯度凝膠電泳技術(shù)、宏基因組文庫技術(shù)等,以及生物信息學(xué)應(yīng)用于極大的促進了人們對于微生物遺傳多樣性及微生物種群和功能的認知。

PCR-RADP是采用對某一特定基因的非特異性的引物來擴增某些片斷,操作簡便,引物實用性廣,對于結(jié)果準確性要求比較不高以及親緣關(guān)系近的種屬有較高的可信度。SSCP技術(shù)基因指紋技術(shù)(geneticfingerprinting)是近年來在微生物群落監(jiān)測中的應(yīng)用中迅速崛起的用于分析微生物群落的結(jié)構(gòu)、動態(tài)等特征的技術(shù),該技術(shù)不需要對微生物進行培養(yǎng)。rRNA基因同源分析方法是多種分子生物學(xué)技術(shù)的組合,它通過對微生物的rRNA進行分析揭示微生物的多樣性是微生物分子生態(tài)學(xué)的重要方法,目前已經(jīng)取得了大量的成果。

篇9

【關(guān)鍵詞】微生物燃料電池,研究,應(yīng)用

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種利用微生物將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。其基本工作原理是:在陽極室厭氧環(huán)境下,有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子,電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞,并通過外電路傳遞到陰極形成電流,而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極,氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。

一、作用原理

參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種:(1) 微生物將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體,介體再將電子傳遞給電極;(2)介體能進入到微生物體內(nèi),參加反應(yīng)被還原,從微生物體內(nèi)出來后再將電子傳遞給電極;(3) 微生物吸附在電極表面,它將反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳遞給在細胞表面的介體,再通過介體傳遞給電極。

二、研究目的和意義

目前,我國工業(yè)化進程發(fā)展迅速。在工業(yè)化快速推進過程中,對能源的需求和依賴日益增長。然而,目前支撐著工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的化石燃料已經(jīng)難以為繼。因此,發(fā)展新能源和可再生能源,減少對國際石油市場的依賴,已經(jīng)成為我國重要的戰(zhàn)略性布局。微生物電池不僅用于產(chǎn)生清潔能源,還能凈化污水。污水處理費時費錢還消耗大量能量,基本是個只投入不產(chǎn)出的行業(yè),也是讓各國政府頭疼的一大難題。因此,又能凈化水質(zhì),又能發(fā)電的微生物燃料電池一旦出現(xiàn),將有望把污水處理變成一個有利可圖的產(chǎn)業(yè)。微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)是一種以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,在廢水處理和新能源開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前已發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)電微生物,如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等,但這些菌種均只能在中性條件下產(chǎn)電。理論上,堿性條件可以抑制甲烷的產(chǎn)生從而有利于電能輸出,而且堿性廢水是工業(yè)廢水的重要組成部分。產(chǎn)電微生物如何將有機物代謝產(chǎn)生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個重要方向,因此,研究堿性條件下的微生物產(chǎn)電機制對MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國科學(xué)院成都生物研究所應(yīng)用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產(chǎn)電機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環(huán)境中分離出一株嗜堿性假單胞菌(Pseudomonas alcaliphila),該菌株在堿性條件下能夠分解有機物的同時產(chǎn)生電能,最佳pH為9.5。通過研究發(fā)現(xiàn),該菌株在MFC體系中代謝有機物的同時產(chǎn)生吩嗪-1-羧酸介體(phenazine-1-carboxylic acid,PCA),該介體起電子穿梭的作用從而實現(xiàn)電子從有機物到電極的傳遞過程。

三、研究內(nèi)容與方法:

1、微生物燃料電池的菌種群落的培養(yǎng)

產(chǎn)電細菌是微生物燃料電池的核心構(gòu)件。產(chǎn)電細菌的電化學(xué)活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對于微生物燃料電池中的微生物, 不論是自身具有電化學(xué)活性,還是進行種間電子傳遞,對于它們構(gòu)成的生物群落的研究剛剛開始。本項目將依托舟山地區(qū)得天獨厚的自然地理環(huán)境和豐富的微生物群落,通過對海底沉積物的選取和以及細菌培養(yǎng),以期能夠發(fā)現(xiàn)新型產(chǎn)電細菌,提高海底微生物燃料電池的功率密度, 并研究其產(chǎn)電機理。

2、海洋沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化

微生物燃料電池系統(tǒng)主要包括三個要素:陽極,陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環(huán)境中,海水中含有高濃度的鹽分,工作環(huán)境惡劣,這將對海洋沉積物燃料電池的構(gòu)件提出了更高的要求。另外,微生物燃料電池的造價也會直接影響微生物燃料電池的實用化進程。在微生物燃料電池的使用中,一般使用氧氣做電子受體,碳擔(dān)載的貴金屬納米粒子(Pt)作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽極和陰極隔開。貴金屬催化劑的使用,提高了微生物燃料電池的成本,并且,海水中的氯離子會對Pt催化劑產(chǎn)生毒化作用,這將會造成微生物燃料電池的效率損失。因此,本項目將設(shè)計一種新型的微生物燃料電池系統(tǒng),采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物,利用水離解產(chǎn)生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質(zhì),隔絕海水中氯離子對陰極催化劑的毒化作用這是本項目的技術(shù)關(guān)鍵。

四、研究目標與結(jié)果

第一部分為對原有燃料電池的改造:本實驗室原有燃料電池反應(yīng)器多個,但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細菌,需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長的密閉培養(yǎng)室。

第二部分為培育和優(yōu)化產(chǎn)電菌種群落:本項目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物,在燃料電池細菌培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng),啟動并測試微生物燃料電池的功率密度,以期能夠得到高功率,非硫還原的產(chǎn)電菌種。

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(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100;

2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 266033)

【摘 要】微生物群落是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的結(jié)構(gòu)單位和功能單位,因此了解各種環(huán)境中微生物的群落結(jié)構(gòu)有著重要的意義,其研究的技術(shù)也一直在進步。高通量測序可以一次獲得多條基因序列,使得其在環(huán)境微生物學(xué)中的研究中倍受青睞。探討了454高通量測序早在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高通量測序;環(huán)境微生物;微生物群落結(jié)構(gòu)

微生物群落是廣泛存在于生態(tài)系統(tǒng)中的一種結(jié)構(gòu)單位和功能單位,它們是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)較為活潑的一部分。群落中各種不同的種群能以有規(guī)律的方式共處,進行相互作用,同時它們具有各自明顯的營養(yǎng)和代謝類型。了解微生物群落結(jié)構(gòu)的方法主要有分子生物學(xué)的方法、Biolog法以及近年來發(fā)展起來的高通量測序技術(shù)。

1 高通量測序技術(shù)

隨著科技的迅猛發(fā)展,測序技術(shù)也在進步,這些測序技術(shù)可以在種的水平上對環(huán)境微生物進行分析和研究。出現(xiàn)在上世界70年代的Sanger測序法[1],成本高測序通量低,成為了其廣泛使用的限制因素,但它卻是20世紀90年代到本世紀初期一直在使用的測序技術(shù)。

人類基因組這樣龐大的序列分析工作需要,使得新一代的測序技術(shù)也發(fā)展了起來。它的特點是價格低通量高,高通量則指的是每次分析都能得到幾十萬或幾百萬條DNA的序列。454高通量測序是由454生命科學(xué)公司在了2005年開發(fā)的,2007年,該公司了GS FLX系統(tǒng),2008年了它的升級GS FLX Titanium。

現(xiàn)在新測序技術(shù)的主要平臺主要有[2]:羅氏454公司推出的GS FLX+system測序平臺,Illumina公司推出的MiSeq測序平臺,和ABI公司的Solid測序平臺等。本研究使用的是454高通量測序技術(shù)。

454高通量測序原理[3]:它采用的是焦磷酸測序法,是4種酶催化統(tǒng)一體系的酶級聯(lián)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)。首先將 PCR 擴增的單鏈 DNA與引物雜交,并與DNA聚合酶、ATP硫酸化酶、熒光素酶、三磷酸腺苷雙磷酸酶、底物熒光素酶和5&acute;-磷酸硫酸腺苷共同孵育。在每一輪測序反應(yīng)中只加入一種dNTP,若該dNTP與模板配對,聚合酶就可以將其摻入到引物鏈中并釋放出等摩爾數(shù)的焦磷酸。焦磷酸鹽被硫酸化酶轉(zhuǎn)化為ATP,ATP就會促使氧合熒光素的合成并釋放可見光。CCD檢測后通過軟件轉(zhuǎn)化為一個峰值,峰值與反應(yīng)中摻入的核苷酸數(shù)目成正比。

擴增和測序可以高度保留細菌的遺傳特性,是一種很常見的來確定其分類和組成的方法。通過比較現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫,可確定其來自哪個生物的序列,從而確定細菌門類和各自占據(jù)的比例。

2 高通量測序技術(shù)在環(huán)境微生物中的應(yīng)用

454高通量測序可以得出某個土壤區(qū)域或者生物膜中各種菌類組成,從而研究該區(qū)域微生物物種多樣性;通過測序可以得到微生物的群落結(jié)構(gòu)、組成,再與微生物活性、營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化等理化性質(zhì)結(jié)合一起分析,來研究微生物的功能多樣性。

張彩霞[4]等運用454高通量測序來研究甘肅不同地區(qū)的土壤由荒漠變成百年老農(nóng)田、約30年的農(nóng)田、約20年的農(nóng)田、樟子松林等過程中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及其影響因素,對比對照組的土壤發(fā)現(xiàn),在由天然荒漠土壤轉(zhuǎn)變成為不同利用類型的土地土壤過程中,具有從多變少再變多的趨勢。在天然荒漠土壤中,微生物總量的96%以上,在土壤轉(zhuǎn)變的過程中其生長受到了抑制,有4%的微生物在次過程中生長受到了促進。這個結(jié)果表明了土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)會受到土地利用類型變化的顯著影響。

Michaela等[5]人利用高通量測序技術(shù)研究了森林凋謝物和土壤中微生物的細菌和真菌群落結(jié)構(gòu),對28個站點的樣品進行分析,發(fā)現(xiàn)凋落物和土壤中存在著不同的微生物群落結(jié)構(gòu)。其中,細菌的多樣性要比真菌豐富,尤其是在凋謝物中,細菌群落表現(xiàn)出了更高的均勻度。無論是凋謝物還是土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu),都顯著受到了樹種的影響。

李鑫等[6]運用高通量測序技術(shù)分析了鹽堿地中,桑樹與大豆單作和間作不同種植模式的土壤細菌微生物群落結(jié)構(gòu)差異性。結(jié)果顯示,間作時土壤的微生物多樣性要比單作豐富,即間作使得土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性有所提高。同時間作也改變了大豆和桑樹的根基微生物群落結(jié)構(gòu)。在鹽堿地的種植中,間作不僅可以降低土壤堿性,還使得土壤的群落結(jié)構(gòu)多樣性有所提高,植物產(chǎn)量增加。

夏圍圍等[7]將新一代高通量測序技術(shù)與DGGE兩種技術(shù)結(jié)合使用到了研究是新西蘭典型草地和森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)上,以16S rRNA基因為標靶, 通過兩種技術(shù)來分析土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成和多樣性,同時以此來比較兩種技術(shù)的優(yōu)缺點。測序分析結(jié)果顯示,新西蘭草地土壤檢測到22門,54綱,60目,131科和350屬;而DGGE卻只檢測到6門,9綱,8目,10科,10屬,這表明了高通量測序比DGGE能更完整的表達出微生物的群落結(jié)構(gòu)組成。同樣的,在森林土壤也顯示出了類似的規(guī)律。

3 結(jié)論

目前,高通量測序技術(shù)仍處于發(fā)展的初期,但我們可以預(yù)見,在未來幾年將是第三代測序技術(shù)快速發(fā)展和三種測序技術(shù)的共存的黃金時代。測序成本將繼續(xù)迅速下降??茖W(xué)家們在不同的領(lǐng)域?qū)⒖梢曰ǜ俚腻X測序基因組物種或轉(zhuǎn)錄來達到更好的實驗結(jié)果和獲得更多的新的發(fā)現(xiàn)。此外,如何分析通過高通量測序產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和從這些數(shù)據(jù)中提取有價值的生物信息將成為未來研究的熱點和重點。

參考文獻

[1]Sanger F, Nicklen S,Coulson AR. Proceedings of the National Academy of sciences of the United States of America[J].1977,74:5463-5467.

[2]Quail MA,Kozarewa I,Smith F,Scally A,StephensPJ,Durbin R,Swerdlow H,Turner DJ. Nature Methods[J].2008,5:1005-1010.

[3]Meyer M,Stenzel U,Hofreiter M.Nature Protocols[J]. 2008,3:267-278.

[4]張彩霞.新一代高通量測序技術(shù)研究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境條件的影響[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[5]李鑫.蘇打鹽堿地桑樹/大豆間作的土壤微生物多樣性研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2012.

[6]夏圍圍,賈仲軍.高通量測序和DGGE分析土壤微生物群落的技術(shù)評價[J].2014,12:1489-1499.