第8章-微生物分子生态学.ppt

,第八章微生物分子生态学,李永峰教授张洪研究生,目录,8.1微生物分子生态学理论基础,微生物分子生态学:是生态学的一个重要分支，它在普通生态学的基础上，通过对微生物的信息生态学、行为生态学、微生物生态学的研究，探讨微生物与环境之间的生态性,微生物,微生物生态学,信息生态学,行为生态学,环境,群落生态学,种群生态学,分子生态学,生态系统生态学,微生物系统,污染生态学系统,极端环境系统,表面生态系统,微生物通过改变遗传结构和生理状况来响应环境变化，形成响应调节系统。,人们重视微生物驯化、诱变和基因工程等来提高生物修复工程效率。,8.1微生物分子生态学理论基础,微生物与细胞的信息交流,病毒分子生态学,微生物与外界因子的生态效益,基本理论,阐述微生物与细胞之间通信的分子关系。解决细菌、病毒对人类感染的调控过程。,微生物在环境修复中的分子生态学,使人们了解到动植物病毒的分子生态机制，探索一套人类对病毒的预防和治疗措施。,8.2外界环境对微生物的影响,微生物功能及生理活动,影响,8.2.1光照对微生物的分子生态性影响,环式光合磷酸化,非环式光合磷酸化,绿色细菌和绿硫细菌的电子传递,光照对微生物的分子生态性影响,嗜盐菌紫膜的光合作用,不需要氧，主要在DNA分子的嘧啶上,光合作用,紫外线,8.2.1光照对微生物的分子生态性的影响,光照对微生物的影响主要体现在光合作用和紫外线两种因子上。下面主要讲解光合作用对微生物分子生态性的影响。,（1）环式光合磷酸化：环式光合磷酸化能够在厌氧下利用光能。NADP+nPinATP,Bchl，hv,（2）非环式光合磷酸化：将光合系统I和II联合起来就是非环式光合磷酸化。2NADP+2ATP+2Pi+2H2O2NADPH+2H2+2ATP+氧气,（3）绿色细菌和绿硫细菌的电子传递：也是以非环式光合磷酸化合成ATP。NAD+H2S+ADP+PiNADPH+H+ATP+S,Chl，hv,（4）嗜盐菌紫膜的光合作用：在光量子的驱使下，具有质子泵的作用，使质子通过细胞膜而形成ATP，同时将细胞内的盐泵出体外。这是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。,8.3微生物在环境生物修复中的分子生态学,环境影响小,费用低,最大限度地降低污染浓度,生物修复技术的优点,生物修复技术可以同时处理受污染的地下水和土壤,可处理其他技术难以应用的场地,8.3微生物在环境生物修复中的分子生态学,微生物不能降解所有进入环境的污染物,微生物修复只能降解特定的物质,生物修复技术的局限性,微生物活性受温度等环境条件的影响,微生物修复需要具体考察,8.3.2生物修复技术的原理,外来微生物,生物修复的微生物种类,土著微生物,基因工程菌,某些特定的降解需要引进外来物种，以便在极端环境中生存。,降解污染物的潜力大；其生长速度慢，代谢活性不高。,采用细胞融合等遗传手段将多种降解基因转入统一微生物中，使其获得较强的降解能力。价廉和易于使用。,8.3.2生物修复技术的原理,微生物法的基本原理：利用微生物的代谢作用，在污染场所投加成品菌株或者筛选驯化现场菌株，迅速提高污染介质中微生物浓度，在短期内提高污染物生物降解速率。,8.3.2生物修复技术原理,微生物生态法基本原理：调节污染物场所中微生物生存现状，加速现场微生物对有机污染物降解。,8.3.2生物修复技术的原理,溶解氧的浓度，氧是现场处理中的关键因素，能够加快污染物的生物降解。,微生物活性,污染物特性,环境性质,生物修复技术的影响因素,化学品的性质；化学品的类型；化学反应性；土壤污染数据；土壤挥发参数；降解性；土壤吸附参数。,N、P是限制微生物活性的重要因素；还有共代谢基质以及电子受体等。,土壤类型和场地面积,水力学性质和状态,地形和气候数据,土壤表面特性,地形和坡度,8.3.2生物修复技术的原理,影响现场修复和土壤因素,地理和水利学因素,污染现场和土壤的特性,土壤特性和污染物的理化性质影响着污染物在气水两相间的相对活性，这些最终又对污染物的生物修复程度和速度发生一定的作用。,8.3.3生物修复工程技术,无需将土壤挖出或运输。费用少，工艺过程简单，但时间较长。,是将土壤挖出来和水混合，在接种微生物在反应器中处理。传递快，便于控制，费用高，过程复杂。,将污染物挖出来运到指定地点堆置进行修复处理。可限制污染的扩散，费用高，破坏生态。,8.3.3生物修复工程技术,与土壤生物修复原理相同。,将污染的地下水抽出来进行处理。去挥发物质、活性炭吸附、活性污泥和生物膜等。,以物理屏障暂时阻止污染物的扩散。,8.4微生物生态学中的分子生物学技术和方法,荧光原位杂交,核酸分子杂交法,PCR扩增及产物的多态性分析及序列测定,分子生物学技术和方法,变形梯度凝胶电泳,8.4.1荧光原位杂交,采用荧光激光观察。,DNA探针制备、标记,样品固定和脱水,原位杂交及观察,荧光原位杂交,采用多聚甲醛固定和无水乙醇脱水（50%、80%）。,采用PCR或缺口平移法制备。,8.4.2核酸分子（探针）杂交法,探测溶液中、固定在膜上、细胞或组织内的同源核酸序列。,原理,优点,应用,核酸分子（探针）杂交法,操作简单、反应灵敏、能得到定量的结果。,利用两个不同来源的核酸链之间的互补形成杂交。,8.4.2核酸分子（探针）杂交法,不能进行克隆，不能检测突变点，但能检测特定微生物。,DNA探针,cDNA探针,RNA探针,寡核苷酸探针,核酸探针种类,指互补于mRNA的DNA分子。应用于基因表达和克隆,单链分子，反应效率高。但是易降解。,最常用探针，取之不尽，不易降解，标记方法多,8.4.2核酸分子（探针）杂交法,核酸分子杂交方法,8.4.2核酸分子杂交方法,主要是利用同源DNA与异源DNA复性速度不同。,吸附杂交,液相夹心杂交,发光液相杂交,复性速率液相分子杂交,液相杂交法,两个探针与靶杂交，新城夹心结构。,能量传递法。只有当分子靠得很近才发生，具有高度特异性，但灵敏度低。,主要有亲和、HAP、磁珠等吸附杂交法。,8.4.2核酸分子杂交方法,SSC和SDS溶液,核算探针、EDTA,6SSC、5Denhardt，变性DNA,注意气泡的清除,通过吸水作用将DNA吸附到膜上,转移变性DNA到硝酸纤维膜上固定,DNA的变性解链,固相杂交过程,成功的关键,液闪计数法、放射自显影法,8.4.2核算分子杂交方法,固相杂交方法,Southern以及杂交,狭缝杂交,斑点杂交,夹心杂交,组织原位杂交,菌落原位杂交,由于前面已经介绍了固相杂交的基本过程，这些方法的具体过程原理是一样的。,8.4.3PCR扩增及产物多态性分析与序列测定,对退火温度、模版浓度计循环次数优化。,样品采集与DNA提取,引物设计与选择,PCR扩增条件优化,PCR技术注意要点,是成功的关键，常使用针对功能基因的引物。,样品能反映地点的生态性；破壁方法。,PCR扩增及产物分析技术主要是进行序列的分析和片段长度多态性分析。,基因指纹图谱分析将产物与载体连接转入大肠杆菌，挑选出克隆的片段进性多态性分析。,PCR扩增产物分析技术,序列测定及系统分析针对筛选出的克隆子进行核苷酸测定，依据序列进行分析、构建系统进化树。,8.4.3PCR扩增及产物多态性分析与序列测定,由于其产物是大小相同，序列不同的产物，筛选工作量大，因此常选有代表性进行克隆测定。,温度梯度凝胶电泳其与梯度凝胶的区别就是变性剂由甲酰胺/尿素变为温度梯度，其他地方都不变。,DGGE的不同方法,恒变性剂凝胶电泳主要是对待分析片段的分离是在和该片段低温解链区相对应的变性剂浓度之下进行。,8.4.4变性梯度凝胶电泳