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篇1

論文關(guān)鍵詞：微生物作用 地球化學(xué) 水力性質(zhì) 生物修復(fù)

論文摘要：綜述了地下含水層系統(tǒng)中微生物作用。引用研究實(shí)例論述了微生物作用不但可以改變地下水化學(xué)組分，而且還可以改變含水層的水力性質(zhì)。微生物作用對地下水系統(tǒng)的影響程度主要受微生物代謝速度?水文地質(zhì)條件?含水層巖性等多種因素控制。地下水系統(tǒng)中電子供體與電子受體間的豐度關(guān)系是影響微生物代謝速度的主要因素。在未污染的含水層中，電子供體的可用性限制了微生物的新陳代謝，而在人類活動污染的含水層中，微生物的新陳代謝受電子受體的可用性的限制。利用微生物作用可以降解地下水系統(tǒng)中氯代化溶劑?烴類?硝酸鹽?有毒金屬等多種化學(xué)污染物。并對今后的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

1 引 言

地下水系統(tǒng)具備了微生物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)?水分?酸堿度?滲透壓和溫度等條件，為微生物提供了良好的生存場所。微生物(主要指各種細(xì)菌菌群，如異養(yǎng)菌?自養(yǎng)菌?好氧菌?厭氧菌等)成為地下水生態(tài)系統(tǒng)中主要生命組分，是地下水演化過程的重要影響因子，在地下水系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換?物質(zhì)循環(huán)?營養(yǎng)輸送?信息貯存以及元素形態(tài)的轉(zhuǎn)化?聚集和遷移中微生物都起著極其重要的媒介作用。地下水化學(xué)性質(zhì)的演變中微生物的控制和改造是其主要因素之一。

地下水系統(tǒng)是一個復(fù)雜綜合體，包括了地下水流經(jīng)的介質(zhì)，地下水中各種物理化學(xué)成分和地表的天然通道等。加之人類對地下水的開發(fā)利用活動已經(jīng)并將繼續(xù)改變地下水環(huán)境，如地下水的污染?過量的開采以及其它流體礦產(chǎn)的開發(fā)等都對地下水系統(tǒng)的天然環(huán)境產(chǎn)生影響。環(huán)境因素的變化相應(yīng)地也影響了地下水中生物的生存條件，導(dǎo)致微生物的形態(tài)?生理?遺傳特性的改變，促使各類微生物不斷演替。地下水系統(tǒng)中各種環(huán)境因素又是制約微生物生長?繁殖的重要因素。

地下水微生物學(xué)是地下水科學(xué)與微生物學(xué)緊密結(jié)合而形成的一門新興學(xué)科，它將地下水視為一個有生命的系統(tǒng)加以研究，主要研究與認(rèn)知微生物生命過程與地下水化學(xué)密切相關(guān)的科學(xué)問題，是研究微生物活動與地下水環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)，也就是探索微生物直接參與地下水化學(xué)形成演化過程的微生物地球化學(xué)作用，是地下水科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

2 微生物作用改變地下水化學(xué)組成

早在1900年人們就發(fā)現(xiàn)未受污染時含有高濃度硫酸鹽的地下水，受石油污染后卻常常缺少溶解性硫酸鹽。1917年Rogers首次提出這是硫酸鹽還原菌新陳代謝的作用所致。這個假設(shè)在從受石油污染的水中分離出硫酸鹽還原菌時得到證實(shí)。在以后的幾十年里，很多學(xué)者對地下水化學(xué)組成的微生物影響作用進(jìn)行研究后認(rèn)為，微生物對地下水化學(xué)組成具有重要影響作用(Chapelle 2000)。如，鐘佐燊(2001)研究認(rèn)為，在石油烴污染的地下含水層中，如果發(fā)生了生物降解反應(yīng)，則其水文地球化學(xué)標(biāo)志是：水中溶解氧很微，NO-3和SO2- 4明顯降低，F(xiàn)e2+ 和HCO-3升高，出現(xiàn)HS-或H2S 和CH4。

地下水系統(tǒng)中電子供體與電子受體間的豐度關(guān)系是影響微生物代謝速度的主要因素。在未污染的含水層中，電子供體的可用性限制了微生物的新陳代謝，溶解性無機(jī)碳沿著含水層流動路徑慢慢聚積，可用的電子受體依照溶解氧>硝酸鹽>三價鐵>硫酸鹽>二氧化碳(甲烷生成)的次序不斷被消耗。在人類活動污染的含水層中，常存在過剩的可用有機(jī)碳，電子受體的可用性限制微生物的新陳代謝。

美國南卡羅萊納州Black Creek含水層是區(qū)域地下水化學(xué)類型變化受電子供體限制的很好例子。McMahon等(McMahon 1991a1991b，Chapelle 1990)對該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究后，描述了微生物作用對含水層地下水化學(xué)組成的影響。該水文地質(zhì)單元，水流從補(bǔ)給區(qū)向下游150 km到排泄區(qū)，溶解性無機(jī)碳濃度從不到1 mM/L 增加到超過12 mM/L。由微生物代謝作用產(chǎn)生的溶解性無機(jī)碳促進(jìn)了含水層中碳酸鹽的溶解，根據(jù)公式：CaCO3 (碳酸鹽)+CO2 (微生物)Ca2+ +2HCO-3計算得出，大約一半的溶解性無機(jī)碳來自微生物代謝作用(約6 mM)，有研究表明該地區(qū)地下水補(bǔ)給大約需要用15萬a，由此推出，微生物代謝作用產(chǎn)生溶解性無機(jī)碳的速率約為10-4 mM/La。因此，盡管沿地下水流溶解性無機(jī)碳濃度增加很大，但微生物代謝速度很低(Chapelle 1990)。其主要原因是，含水層中可代謝的有機(jī)碳含量低。McMahon(1992)研究認(rèn)為，Black Creek含水層中有機(jī)碳含量只占沉積物干重的0.1±1.0%。由于低速率的微生物代謝作用，系統(tǒng)中可用電子受體的量(O2?Fe3+?硫酸鹽和CO2)相對有機(jī)碳來說是豐富的。

當(dāng)?shù)叵滤到y(tǒng)中可用有機(jī)碳的含量很高時，可用電子受體缺乏會限制微生物代謝作用。電子受體受限的含水層包括泥炭含水層(普遍在北半球)，石油儲存地，和由人類活動引起化學(xué)污染的含水層。1979年美國明尼蘇達(dá)州管道爆裂泄漏大約10萬加侖的原油到一個冰水沉積含水層。泄漏時，由于與大氣快速交換，以及含水層天然有機(jī)碳含量低，地下水呈飽和溶解氧狀態(tài)(約10 mg/L)。隨著可代謝碳的突然流入，油積聚在水面，氧被迅速消耗，并形成三價鐵還原條件。泄漏后5年，在油透鏡體附近含水層中氫氧化鐵被耗盡，甲烷生成成為一個重要作用。這個受原油泄漏污染的淺層含水層是電子受體受限含水層最好例證之一(Baedecker 1993)。

由于原油泄漏電子供體過剩，在最接近污染源的Bemidji含水層，其水化學(xué)特征主要為甲烷生成環(huán)境，其次為硫酸鹽還原，鐵還原，和低溶解氧環(huán)境。該含水層與Black Creek 含水層的情況完全相反，Black Creek 含水層甲烷生成的地方遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)。而Bemidji含水層的硫酸鹽相對較少，硫酸鹽還原不是主要的作用。這種氧化還原作用的次序是電子受體受限的地下水系統(tǒng)的特征，常見于受石油烴污染的地下水系統(tǒng)。

3 微生物作用改變含水層水力性質(zhì)

微生物作用除影響地下水化學(xué)組分以外，也影響地下水系統(tǒng)的物理性質(zhì)。地質(zhì)學(xué)家很早就知道在非孔隙巖中，次生孔隙能提高含水層的水力性質(zhì) ，還可以積聚石油。人們通過大量的同位素和質(zhì)量平衡研究得出，有機(jī)物的去碳酸基和其它無機(jī)作用不能解釋許多系統(tǒng)中的次生孔隙現(xiàn)象(Lundergard 1986)。由于大多數(shù)含水層系統(tǒng)中存在大量具有活性的不同微生物種群，微生物代謝作用引起人們的關(guān)注，大量研究表明微生物作用能引起硅酸鹽和碳酸鹽巖中次生孔隙產(chǎn)生(Bennett 1987，Chapelle 1988)。地下水中硫酸鹽在有脫硫細(xì)菌參與和有機(jī)質(zhì)存在的條件下發(fā)生還原反應(yīng)而產(chǎn)生H2S(Na2SO4+2H2O+2C2NaHCO3+H2S)，這個反應(yīng)有溶解硫酸鹽的作用，反應(yīng)產(chǎn)生的H2S 溶于水中也具有溶解碳酸鹽等礦物的能力(李義軍 2002)。

微生物作用除顯著改變了Black Creek 含水層水化學(xué)組分外，也改變了這個含水層的水力性質(zhì)。沿水流路徑的巖心資料顯示了一個顯著的巖性變化。在補(bǔ)給區(qū)，不存在次生晶粒間的方解石膠結(jié)物。在補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)的中間區(qū)域，南卡羅萊納州萊克市常見方解石膠結(jié)物。在排泄區(qū)附近，南卡羅萊納州萊克市Myrtle 海灘，50%的厚層含水層被晶粒間的方解石膠結(jié)。McMahon等研究了微生物作用引起B(yǎng)lack Creek含水層孔隙的填充現(xiàn)象。該研究表明，Black Creek含水層的砂中含有機(jī)碳少，而相鄰的狹窄的層中含有豐富的有機(jī)碳。隔水層有機(jī)碳的發(fā)酵使有機(jī)酸在隔水層孔隙水中積聚。有機(jī)酸擴(kuò)散到Black Creek含水層，進(jìn)而氧化為二氧化碳，引起大量的碳從隔水層遷移到含水層。二氧化碳同含水層物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鹽和重碳酸鹽。這個作用導(dǎo)致部分含水層次生孔隙產(chǎn)生。然而，當(dāng)碳酸鹽和重碳酸鹽在溶液中積聚?運(yùn)移，地下水的方解石變得過飽和時，就會在含水層的其它部位沉淀下來。由于豐富的晶粒間的方解石膠結(jié)物填充了含水層系統(tǒng)的主要孔隙，Black Creek含水層孔隙性減少，透水性降低，以至不能滿足當(dāng)?shù)赜盟枨蟆?/p>

有實(shí)驗表明，二氧化碳和有機(jī)酸的產(chǎn)物能增加礦物的溶解，引起次生孔隙性和滲透性的發(fā)展。而碳酸鹽?鐵和硫酸鹽微生物產(chǎn)物能引起方解石或黃鐵礦的沉淀，降低地下水系統(tǒng)的原生孔隙性和滲透性。也就是說，微生物既能破壞(Lundergard 1986)也能提高(Hiebert 199 McMahon 1995)含水層沉積物孔隙性。

4 污染修復(fù)中的微生物作用

現(xiàn)代社會產(chǎn)生了大量的化學(xué)產(chǎn)品，許多有毒有害的物質(zhì)被人類有意或無意地投放到地下水系統(tǒng)中，地下水受到嚴(yán)重污染，地下水質(zhì)量日益惡化。近年來，生物降解技術(shù)以其可在污染現(xiàn)場進(jìn)行修復(fù)?可在難以處理的地方進(jìn)行修復(fù)?在生物修復(fù)時不影響場地內(nèi)正常生產(chǎn)?對污染地的干擾或破壞小?處理后的產(chǎn)物無二次污染?降解過程快?費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)受到世界各國環(huán)境科學(xué)界的廣泛關(guān)注，激發(fā)了人們對污染修復(fù)中微生物作用的研究興趣。

對污染地下水進(jìn)行原位生物修復(fù)時，好氧微生物通過將有機(jī)化合物氧化成二氧化碳而獲取能量，其中氧為電子受體，當(dāng)?shù)叵麓嬖谘鯐r，好氧微生物可將有機(jī)污染物氧化成二氧化碳，從而使污染地下水凈化。厭氧微生物也能將有機(jī)化合物氧化成二氧化碳，但其作用過程中的電子受體不是氧，而是以硝酸鹽?硫酸鹽或Fe3+等氧化物作為電子受體。由于許多受污染的地下水環(huán)境中缺乏氧，好氧微生物在代謝過程中很快將氧耗盡，此時，好氧微生物將無法對污染物進(jìn)一步降解。厭氧微生物不同的代謝能力，在污染地下水修復(fù)方面顯示了巨大的潛力。最新研究表明，厭氧微生物可有效降解地下水中烴類?氯化溶劑?硝酸鹽以及鈾?鉻?锝?鈷?硒有毒金屬和準(zhǔn)金屬等污染物。

在1973年，人們首次發(fā)現(xiàn)了淺層地下水中的土著微生物對石油的降解能力，不久，生物降解被用于提高汽油污染的含水層的凈化。自那以后，人們開始使用生物降解地下水系統(tǒng)中各種常見化學(xué)污染物，包括氯代化溶劑。

地下水中石油烴的污染主要來自汽油及其它石油產(chǎn)品的地下儲罐的滲漏。其主要污染組分為苯?甲苯?乙苯和二甲苯。生物降解石油烴的實(shí)質(zhì)是在微生物參于下的氧化還原反應(yīng)。該反應(yīng)中電子供體烴給出電子，好氧菌僅利用氧作為電子受體，而厭氧菌則可利用NO-3?Fe3+?SO2-4和CO2 作為電子受體。美國密執(zhí)按州使用原位生物修復(fù)技術(shù)，成功修復(fù)了由于地下儲油罐漏油受到嚴(yán)重污染的包氣帶及含水層。其方法是：在污染區(qū)，首先注入未污染地下水42 d，第43 d開始注入含NO-3的地下水，到第112 d基本清除了污染物。結(jié)果表明： 地下水中，苯從0.76 mg/L降至小于0.001 mg/L ，甲苯從4.5 mg/L 降至小于0.001 mg/L；包氣帶土壤中，苯從0.84 mg/kg降至0.017 mg/kg ，甲苯從33 mg/kg 降至0.103 6 mg/kg(鐘佐燊 2001)。

多環(huán)芳烴具有毒性，對人類健康造成的危害大，尤其是高分子多環(huán)芳烴的致突變與致癌特性。多環(huán)芳烴生物降解研究日益受到了人們的重視。近年來人們對微生物降解多環(huán)芳烴的作用?機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，研究結(jié)果表明，對可降解多環(huán)芳烴的微生物有紅球菌屬( Rhodococ2cus) ?假單胞菌屬( Pseudomonas ) ?分枝桿菌( My2cobacterium) ?芽孢桿菌屬( Bacill us ) ?黃桿菌屬( Flavobacterium) ?氣單胞菌屬( Aeromonas ) ?拜葉林克氏菌屬( Beijernckia ) ?棒狀桿菌屬( Corynebacterium) ?藍(lán)細(xì)菌( Cyanobacteria) ?微球菌屬( Micrococcus ) ?諾卡氏菌屬( Nocardia) 和弧菌屬( V Ibrio)等(溫洪宇 2005)。利用微生物去除地下水中的多環(huán)芳烴不會造成二次污染，費(fèi)用低，易操作，是去除多環(huán)芳烴的最佳方法。

飲用水中過量的硝酸鹽能夠引起嬰幼狼高鐵血紅蛋白血癥，我國許多地區(qū)淺層地下水已普遍受到硝酸鹽不同程度的污染。張勝(2005)對地下水硝酸鹽污染的微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究。通過兩年多的室內(nèi)和野外原位的大量試驗研究，優(yōu)選出反硝化菌液和增強(qiáng)地下水中微生物反硝化作用的營養(yǎng)碳源乙醇?乙酸鈉，利用乙酸鈉作為營養(yǎng)碳源在野外試驗井進(jìn)行原位微生物脫氮試驗，對地下水中NO-3的去除率可達(dá)98%。研究結(jié)果得出，利用優(yōu)選反硝化菌液和乙酸鈉營養(yǎng)碳源對地下水硝酸鹽污染修復(fù)效果好，在大面積土體和地下水污染原位修復(fù)技術(shù)實(shí)施是可行的?有效的，它不僅可以在原位有效地修復(fù)土壤?包氣帶的硝態(tài)氮污染，而且還可以增加土壤的肥力及氮肥的利用率，無負(fù)面作用，對修復(fù)污染?保護(hù)地下水資源和農(nóng)作物增產(chǎn)都具有重要意義。

5 影響微生物作用的地下水環(huán)境因素

微生物作用對地下水系統(tǒng)的影響程度主要受微生物代謝速度，水文地質(zhì)條件，含水層的巖性等多種因素的控制。

張宗祜，任福弘等(2006)為研究氮素的生物化學(xué)循環(huán)問題，通過對河北正定野外試驗場貫穿包氣帶的18.5 m的鉆孔剖面土樣的水理性質(zhì)?地球化學(xué)成分?有機(jī)質(zhì)含量的測試和微生物的培養(yǎng)鑒定，發(fā)現(xiàn)包氣帶土體的各類細(xì)菌在整個包氣帶均有分布，但隨著巖性?物理化學(xué)條件的變化，而顯現(xiàn)出不同的細(xì)菌含量，特別是在幾個層次上出現(xiàn)細(xì)菌含量高的活化層。它的出現(xiàn)充分說明了細(xì)菌在包氣帶中分布，不是受深度變化所控制，而是受其環(huán)境條件所制約，如含水量?營養(yǎng)元素?土體巖性等。這一研究成果為今后深入研究地下水系統(tǒng)中微生物的作用奠定了良好的基礎(chǔ)。

McMahon(2001)研究了含水層和弱透水層交界面上的幾個重要生物地球化學(xué)反應(yīng)，包括氧還原?反硝化作用和Fe3+?SO 2-4和 CO2還原(甲烷生成)。研究表明，一些地方，生物地球化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在交界面的弱透水層面，電子受體從含水層運(yùn)移到電子供體豐富的弱透水層里。另一些地方，生物地球化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在交界面的含水層一方，電子供體(有時是電子受體)從弱透水層運(yùn)移到電子受體或微生物豐富的含水層里。影響含水層/弱透水交界面發(fā)生生物地球化學(xué)反應(yīng)范圍的因素有，交界面兩邊電子受體和電子供體的豐度和可溶性，電子受體和電子供體反應(yīng)和越過界面的速度。

6 展 望

地下水沉積物無菌取樣方法的發(fā)展完善和微生物綜合評價方法的建立，使微生物代謝作用對地下水地球化學(xué)的影響被廣泛認(rèn)識。隨著當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，地下水微生物地球化學(xué)的研究技術(shù)也日益得到提高和改進(jìn)。首先，人們可以利用電子顯微鏡?能普?電子探針?離子探針?質(zhì)子探針來觀察和分析細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)?成分。第二，微生物生態(tài)學(xué)研究的新技術(shù)被用于地下水微生物研究中。如，人們在研究污染或未污染含水層生物群落組成研究中開始使用磷脂脂肪酸分析方法(PLFA)，該方法是基于生物化學(xué)手段的一種微生物生態(tài)學(xué)研究新技術(shù)，它具有對細(xì)胞生理活性沒有特殊的要求，對樣品保存時間要求不高?不需要進(jìn)行微生物培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它能提供微生物群落生物量及其時?空變化?群落結(jié)構(gòu)和功能等多種微生物信息，是一種快捷?可靠的分析方法。.再如，人們通過基因工程，在DNA的分子水平上動手術(shù)，使某種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基因轉(zhuǎn)到另一種細(xì)胞中去，而使之具有新的遺傳性狀。

隨著我國環(huán)境科學(xué)界對地下水微生物作用研究的日益關(guān)注，我國地下水微生物地球化學(xué)?微生物工程學(xué)?微生物環(huán)境工程學(xué)將會作為重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科被大力扶持，地下水微生物的基礎(chǔ)研究應(yīng)得到優(yōu)先發(fā)展，尤其是在地下水環(huán)境中微生物的種類?形態(tài)?分布特征?營養(yǎng)和生長的一般規(guī)律，微生物的代謝?演替和調(diào)控，微生物的基因及其所攜帶的遺傳信息表達(dá)等研究方面，從基礎(chǔ)研究中尋找提高地質(zhì)微生物地球化學(xué)作用的研究途徑和方法。地下水微生物研究將進(jìn)一步與地質(zhì)學(xué)?微生物學(xué)?環(huán)境生態(tài)學(xué)?環(huán)境微生態(tài)學(xué)?環(huán)境地質(zhì)學(xué)?水文地質(zhì)學(xué)?生物化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究交叉與合作，對基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展提供動力和應(yīng)用的驗證方法。

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篇2

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(xiàn)標(biāo)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(shí)存在于自然界和在實(shí)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(xì)菌通用引物對環(huán)境中生物群落總DNA的直接PCR擴(kuò)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(jìn)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(xì)胞再從中提取DNA所得到的細(xì)菌多樣性范圍并無重大差別,但是Luna等人證實(shí),在檢測海水沉淀物時,只用單一的DNA提取方法嚴(yán)重低估了細(xì)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(xì)胞裂解前沖洗被碳?xì)浠衔锖椭亟饘賴?yán)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(xì)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(jìn)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(xì)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(jìn)、測序手段的進(jìn)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(xì)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(yùn)用不同的PCR擴(kuò)增方案建立了兩個獨(dú)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(kuò)增可能會高估文庫中獨(dú)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(xì)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(biāo)準(zhǔn),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(xì)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(jìn)行分析。在Tyson等人的研究中,細(xì)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(xì)菌。要得到這些復(fù)雜環(huán)境中占有最優(yōu)勢地位的細(xì)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(biāo)記基因?；蚨堪▽μ囟ㄉ鷳B(tài)環(huán)境能反映已知環(huán)境特點(diǎn)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(rèn)識和解釋環(huán)境帶來了新的機(jī)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(dá)到的序列標(biāo)記可達(dá)20個。這種方法可以鑒定菌群可達(dá)到屬的水平。van der Lelie等人報道了一種改變的序列標(biāo)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(biāo)記,可以區(qū)分親緣關(guān)系很近的菌株。一些細(xì)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(dá)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(xì)菌的標(biāo)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(xì)菌或哺乳動物的細(xì)胞并裂解提純DNA或者mRNA來實(shí)現(xiàn)?；蛐酒难芯繉ξ覀冋J(rèn)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(rèn)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(jìn)行。在對細(xì)胞、量很少的環(huán)境進(jìn)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(kuò)增嚴(yán)重污染的土壤中有機(jī)體基因組的方法。從嚴(yán)重污染和細(xì)胞密度極低的地表下土壤樣品中提取DNA,￠29DNA聚合酶用于擴(kuò)增總基因組。通過第一次基因組DNA的擴(kuò)增,污染的土壤中細(xì)菌多樣性分析,和細(xì)菌基因組文庫構(gòu)建是可能的。盡管存在擴(kuò)增的偏好現(xiàn)象,在一個微小的細(xì)菌樣品中擴(kuò)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(dá)文庫

另外一種方法是通過構(gòu)建和篩選宏基因組表達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)gfp的克隆。再將未表達(dá)gfp的克隆轉(zhuǎn)移到含有靶標(biāo)底物的培養(yǎng)基中,通過誘導(dǎo)gfp基因表達(dá)來篩選克隆子。這種篩選體系的機(jī)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(dá)。

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(jìn)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(yuǎn)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?；蚪M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(xì)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(xì)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(diǎn):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(xì)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(jī)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(rèn)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(xì)胞,并且盡可能地和自然界真實(shí)的狀況接近。對于單個微生物細(xì)胞進(jìn)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(shí)現(xiàn),但是關(guān)于單細(xì)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(jìn)一步加強(qiáng)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(rèn)識。

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篇3

英文名稱：Journal of Microbiology

主管單位：遼寧省科技廳

主辦單位：遼寧省微生物學(xué)會;遼寧省微生物學(xué)會;遼寧省微生物科學(xué)研究院

出版周期：雙月刊

出版地址：遼寧省朝陽市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1005-7021

國內(nèi)刊號：21-1186/Q

郵發(fā)代號：8-142

發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行

創(chuàng)刊時間：1978

期刊收錄：

CA 化學(xué)文摘(美)(2009)

CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(日)(2009)

中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)

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聯(lián)系方式

期刊簡介

篇4

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革 環(huán)境微生物學(xué)

一、環(huán)境微生物學(xué)課程定位

環(huán)境微生物學(xué)是微生物學(xué)的知識和原理在環(huán)境工程方面應(yīng)用的一門新興的邊緣學(xué)科，同時又是環(huán)境工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。它涉及面廣，發(fā)展迅速，是一門具有很強(qiáng)實(shí)驗性和應(yīng)用性的學(xué)科。環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)在理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、自學(xué)能力、探究和解決問題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才方面具有重要作用?，F(xiàn)階段如何加強(qiáng)環(huán)境微生物教學(xué)，如何提高教學(xué)質(zhì)量及把握改革的方向是擺在我們面前的嚴(yán)峻問題。筆者結(jié)合我校實(shí)際及教學(xué)經(jīng)歷，對該門課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步設(shè)想。

二、教學(xué)過程存在的主要問題

1. 內(nèi)容抽象、不易理解。

微生物學(xué)不像其它課程那樣，其在學(xué)生頭腦中沒有直觀的印象，微生物個體比較微小，看不見摸不著，在日常生活中也沒有直觀的印象。細(xì)菌個體微小，肉眼只能看到群體的菌落特征，很難把個體拿出來在實(shí)驗室課堂上演示，只能借助工具來觀察，操作性難度大。由于細(xì)菌個體微生物較小，用顯微鏡要放大很多倍才能看到，所以有時候很難區(qū)別一些相似的菌種(如各種霉菌)，對于辨認(rèn)其形態(tài)結(jié)構(gòu)也比較困難，不易理解。

2. 課程內(nèi)容繁瑣、知識點(diǎn)多，教學(xué)課時不足。

環(huán)境微生物學(xué)的內(nèi)容主要微生物學(xué)基本原理、微生物生態(tài)、環(huán)境工程中微生物的作用和微生物學(xué)實(shí)驗等部分組成。當(dāng)前，我國很多高校為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，大力壓縮基礎(chǔ)課課時，增開熱門的應(yīng)用課程。我校環(huán)境微生物總學(xué)時數(shù)56學(xué)時，其中理論學(xué)時數(shù)40學(xué)時，實(shí)驗學(xué)時16學(xué)時。教學(xué)內(nèi)容過于集中在微生物形態(tài)、生長代謝等基礎(chǔ)內(nèi)容，使得人工生態(tài)系統(tǒng)等介紹篇幅壓縮，微生物在衛(wèi)生檢測及污染治理方面的應(yīng)用等內(nèi)容不夠?qū)W時介紹，只能一帶而過。因此要使學(xué)生對該門課有深刻理解和掌握，并能熟練地將理論應(yīng)用于實(shí)踐，按照現(xiàn)有的課時數(shù)，難度是比較大的。

3.學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱，理論聯(lián)系實(shí)際能力差。

當(dāng)前，我國的中等教育正由應(yīng)試教育轉(zhuǎn)向素質(zhì)教育，但轉(zhuǎn)變過程又必須緊跟高考的指揮棒。這就造成環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生在接觸環(huán)境微生物學(xué)課程之前，微生物學(xué)知識非常少，有些學(xué)生高中根本就沒接觸過微生物學(xué)。而越來越激烈的就業(yè)競爭和壓力使得學(xué)生對基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的興趣下降，越專業(yè)越實(shí)用，則越感興趣，這樣，教與學(xué)之間的互動顯得尤為重要。

4.實(shí)驗室條件不足。

實(shí)驗室條件不足是當(dāng)前存在的一個主要問題之一。目前我院環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗室面積較小，微生物教學(xué)器材偏少，滅菌鍋和生物顯微鏡都只有2臺，很難滿足正常實(shí)驗需要。

三、課程教學(xué)方法的改革和途徑

1.開好頭，激發(fā)學(xué)生的興趣。

在緒論的講授中，授課教師須講明本課程在學(xué)科領(lǐng)域中的地位，特別是在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位與作用，尤其是目前環(huán)境微生物學(xué)在環(huán)境保護(hù)污染治理、資源利用、友好材料、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用及研究熱點(diǎn)、難點(diǎn)，指出近期科學(xué)工作者在環(huán)境微生物學(xué)研究的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生為科學(xué)獻(xiàn)身的精神。

2.提高教師的自身素質(zhì)，豐富教學(xué)內(nèi)容。

教師對教學(xué)的態(tài)度、業(yè)務(wù)水平、敬業(yè)精神、教學(xué)方法和手段都會影響著教學(xué)效果。一方面，教師需要不斷充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，聯(lián)系當(dāng)前社會熱點(diǎn)問題，應(yīng)用到課堂教學(xué)。例如在講病毒時，補(bǔ)充講SARS病毒、艾滋病毒及瘋牛病毒的結(jié)構(gòu)。另一方面，在學(xué)校的各項工作中，教學(xué)是基礎(chǔ)，科研是主導(dǎo)，任何教師決不能脫離科學(xué)研究而單純地搞教學(xué)工作。只有長期參加科研實(shí)踐的教師，才能使自己講課的內(nèi)容更加具有前沿性、獨(dú)創(chuàng)性和啟發(fā)性。教師應(yīng)多參與工程實(shí)際，找到理論與實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)，并在教學(xué)中用工程中生動的例子講述概念，例如在講細(xì)胞工程和微生物在環(huán)境工程中應(yīng)用時，教師結(jié)合自己的科研和工程實(shí)例進(jìn)行講解，這樣貼近實(shí)際，通俗易懂，可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3.運(yùn)用多媒體技術(shù)，增強(qiáng)教學(xué)效果。

多媒體技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的主要的電化教育手段，是未來微生物學(xué)課堂教學(xué)的主要方向。與其它生物相比，微生物有著看不見、摸不著的獨(dú)特之處。如果教學(xué)方法不好，常常會造成很多錯覺。傳統(tǒng)的微生物教學(xué)手段可視化差，對微觀世界的動態(tài)變化顯得無能為力，眾多的圖表、照片無法展示，缺少生動形象的直觀教學(xué)效果，教學(xué)信息量小。而在環(huán)境微生物教學(xué)中，借助多媒體進(jìn)行教學(xué)，可以向?qū)W生們展示許多精美的微生物圖片和微生物工程應(yīng)用。例如，在講噬菌體侵染細(xì)菌時，采用多媒體技術(shù)，用動畫描述噬菌體吸附、入侵、復(fù)制、釋放過程；在講污泥膨脹時，運(yùn)用多媒體技術(shù)，比較膨脹污泥與正常污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)，增加認(rèn)識；也可以通過網(wǎng)絡(luò)收集的信息，向?qū)W生們介紹微生物某方面應(yīng)用的最新進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生們對環(huán)境微生物的興趣。

4.開展啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

環(huán)境微生物學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科，它的發(fā)展應(yīng)隨著生物學(xué)、微生物學(xué)及環(huán)境科學(xué)的發(fā)展而不斷呈現(xiàn)出新的內(nèi)容。以往那種以教師為中心，學(xué)生上課記筆記、考前背筆記的教學(xué)模式及學(xué)習(xí)方式已不能適應(yīng)對該學(xué)科的學(xué)習(xí)要求。教師在授課時，應(yīng)注重提高信息的密度和質(zhì)量，盡量使之圖象化、表格化，這樣可將原來多而雜的信息整理為少而精的信息，使之相互聯(lián)系緊密、主線突出、層次清晰，成為學(xué)生易懂、易記的新信息。在教學(xué)方法上，要改變單一的注入式教學(xué)方法，采取講解式、提問式、啟發(fā)式、自學(xué)式等多種多樣的教學(xué)方法。對于基礎(chǔ)性知識，以講解式為主，并在講課時啟發(fā)學(xué)生思維；課前準(zhǔn)備一些問題，講課過程中隨時向先生提問，在提高學(xué)生聽課精神的同時，激發(fā)學(xué)生思維，活躍課題氣氛；在講課過程中，經(jīng)常聯(lián)系最新研究進(jìn)展，以作業(yè)的形式，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)了解信息，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新思想和能力，為今后的科研打下基礎(chǔ)。

5.改革實(shí)驗教學(xué)，調(diào)動學(xué)生積極性。

實(shí)驗教學(xué)在微生物理論教學(xué)中占很大比重，它可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題的能力和動手能力。為此，要求學(xué)生每次實(shí)驗前必須預(yù)習(xí)，并寫出預(yù)習(xí)報告，上課時指導(dǎo)教師要檢查預(yù)習(xí)報告，了解預(yù)習(xí)情況，做到有的放矢，實(shí)驗課上注意基本操作技能的訓(xùn)練，根據(jù)各實(shí)驗的具體要求，嚴(yán)格把關(guān)，認(rèn)真指導(dǎo)。嚴(yán)格要求，規(guī)范操作，強(qiáng)化基本操作訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)問題，耐心引導(dǎo)，力爭使學(xué)生自己找出問題并加以改正；課后適當(dāng)增加開放性實(shí)驗，通過這些措施，端正學(xué)生的實(shí)驗態(tài)度。規(guī)范操作，寫好實(shí)驗報告，練好基本功，實(shí)驗報告中的分析與討論是很重要的內(nèi)容，通過對實(shí)驗問題和結(jié)果的分析、討論，可加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，大大提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

環(huán)境微生物實(shí)驗?zāi)壳坝?6學(xué)時，歸并到環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗A中，由于實(shí)驗學(xué)時和實(shí)驗條件的限制，我們目前只安排了培養(yǎng)基的配制與滅菌、細(xì)菌的分離與無菌操作技術(shù)、光學(xué)顯微鏡的使用、細(xì)菌形態(tài)觀察和細(xì)菌數(shù)量的測定五個實(shí)驗，每個實(shí)驗前后關(guān)聯(lián)，連續(xù)性強(qiáng)。實(shí)驗安排上盡量依據(jù)實(shí)驗室現(xiàn)有條件，少量多次安排實(shí)驗。在目前操作性和驗證性實(shí)驗的基礎(chǔ)上，我們計劃開出環(huán)境工程專業(yè)綜合性實(shí)驗，計劃學(xué)時10學(xué)時，擬利用現(xiàn)有氧化溝設(shè)備對污水生物降解，綜合環(huán)境微生物、環(huán)境監(jiān)測和水污染控制工程實(shí)驗內(nèi)容。形式安排上，采用開放實(shí)驗形式，該實(shí)驗所需時間較長，于是實(shí)驗室全天對學(xué)生開放，學(xué)生們都是自己安排時間，在課余時間來實(shí)驗室做實(shí)驗，實(shí)驗指導(dǎo)教師隨時進(jìn)行指導(dǎo)。通過“綜合大實(shí)驗”，學(xué)生不僅可以掌握各個實(shí)驗的方法，也鞏固了以前所學(xué)的基本操作技術(shù)，更重要的是提高了學(xué)生的主動性、自覺性和實(shí)驗動手能力，把所學(xué)各門知識系統(tǒng)地貫穿起來用于實(shí)際工作中。

四、結(jié)語

環(huán)境微生物學(xué)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對其教學(xué)的改革也是一個長期的、艱巨的任務(wù)。而社會對人才的要求越來越注重獨(dú)立工作能力、綜合能力以及創(chuàng)新精神，因此，環(huán)境微生物教學(xué)必須按照這一要求，不斷尋找適合的內(nèi)容，培養(yǎng)出綜合型、設(shè)計型、高素質(zhì)的人才，實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革的目標(biāo)。

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篇5

關(guān)鍵詞：α-L-鼠李糖苷酶；基因克??；基因表達(dá)；晶體結(jié)構(gòu)

中圖分類號：Q71；Q786 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-7847（2015）01-0068-07

ProgressesonMolecularBiologyandStructuralBiologyofα-L-rhamnosidasefromMicrobialSources

ZHANGXia1，LILi-jun1*，NIHui1.2’3，CA1Hui-nong1.2，3，SUWen-jin1，2，3

（1.CollegeofBioengineering，JimeiUniversity，Xiamen361021，F(xiàn)ujian，China；2.ResearchCenterofFoodMicrobiologyandEnzymeEngineeringTechnology，Xiamen361021，F(xiàn)ujian，China.，3.ResearchCenterofFoodBiotechnologyofXiamenCity，Xiamen361021，F(xiàn)ujian，China）

Abstract：a-L-rhamnosidase（EC3.2.1.40）cleavesterminalα-L-r

hamnosespecificallyfromalargenumberofglycosides.Theenzymeisabiotechnologicallyimportanthydrolyticenzymeduetoitsapplicationsinthefoodandbeverageprocessingindustryandpharmaceuticalindustry.Basedonprimarysequencesimilarities，α-L-rhamnosidasesareclassifiedwithintheCarbohydrate―activeenzymes（CAZy）databaseintofourglycosidehydrolase（GH）families（GH13，GH28，GH78andGH106family），andthreeα-L-rhamnosidasesofGH78haveatypical（α/α）6-barrelstructure.Propertiesandapplicationsofα-L-r

hamnosidasefromdifferentmicrobialsourceshavebeenintroduced.Inaddition，therecentdevelopmentsoncloning，expressionofoiLi.hamnosidasegeneandthecrystalstructureoftheenzymeweresummarized.

Keywords：α-L-rhamnosidase；genecloning；geneexpression；crystalstructure

（LifeScienceResearch，2015，19（1）：068?074）

α-L-鼠李糖昔酶（α-L-rhamnosidase（EC3.2.1.40））屬于轉(zhuǎn)化糖苷水解酶類，能夠?qū)Ｒ弧⒏咝У厮庠S多糖苷類物質(zhì)如柚皮苷（naringin）、蘆?。╮utin）、橙皮苷（hesperidin）等末端的α-L-鼠李糖基[1]。α-L-鼠李糖苷酶的來源廣泛，在動物組織、植物和微生物中均發(fā)現(xiàn)了α-L-鼠李糖稈酶。目前關(guān)于動物組織[2]和植物來源的α-L-鼠李糖苷酶的報道相對較少，主要是通過細(xì)菌（如芽孢桿菌屬、擬桿菌屬、乳桿菌屬及單胞菌屬等）和真菌（如曲霉屬、青霉屬、木霉屬、犁頭霉屬及裂殖菌屬等）發(fā)酵來獲取α-L-鼠李糖苷酶。

不同微生物來源的α-L-鼠李糖苷酶酶學(xué)性質(zhì)存在差異。細(xì)菌來源的α-L-鼠李糖苷酶最適pH呈中性或堿性，而真菌分泌的α-L-鼠李糖苷酶的最適pH一般在酸性范圍內(nèi)，主要在4.0～7.0[3-5]之間。微生物中的α-L-鼠李糖稈酶的最適反應(yīng)溫度一般是45?60℃[4、6]。近年來也有發(fā)現(xiàn)耐熱、嗜低溫及耐堿性的α-L-鼠李糖苷酶，如白曲霉MBRC4308[6]分泌的α-L-鼠李糖苷酶，在60℃保溫1h后酶活仍有初始酶活的80%；ThermophilicbacteriumPRI-1686[7]產(chǎn)生的α-L-鼠李糖苷酶最適溫度為70℃，在60℃處理24h后酶活為處理前的20%；而亞南極環(huán)境中的單胞菌屬細(xì)菌[8]中的α-L-鼠李糖苷酶在-1-8℃具有活性。Rojas[9]等從白黃筍頂孢霉菌（Acrostalagmus luteo albus）分離到一種新型堿性α-L-鼠李糖苷酶，以對硝基苯酚-α-I-鼠李糖苷（pNPR）為底物測得酶反應(yīng)的最適pH值為8.0，它可以在堿性條件下水解橙皮苷、柚皮苷以及槲皮苷等糖苷物質(zhì)，擴(kuò)大了α-L-鼠李糖苷酶的應(yīng)用范圍。

α-L-鼠李糖苷酶是柚苷酶及橙皮背酶的主要活性成分，是去除柑梧類果汁苦味的有效物質(zhì)[1]。果汁中的苦味物質(zhì)柚皮苷被柚苻酶水解的過程共有兩步反應(yīng)，首先在α-L-鼠李糖苷酶的作用下水解柚皮背生成普魯寧，接著在β-D-葡萄糖苷酶的作用下，生成柚皮素。在果汁酶法脫苦過程中，α-L-鼠李糖苷酶參與的第一步反應(yīng)是脫苦的關(guān)鍵，Chien[10]等用HPLC法證明僅有柚苷酶的另一組份β-D-葡萄糖背酶存在時，苦味物質(zhì)抽皮苷是不能被水解的。有研究報道，對葫溪蜜柚果汁進(jìn)行脫苦時，在α-L-鼠李糖苷酶加量為10U/mL的條件下40℃處理60min，苦味就能降低到閾值以下[11]。除了在飲料行業(yè)中用來去除柑橘類果汁的苦味[3、12]，在其他行業(yè)也具有很多潛在的應(yīng)用價值，如通過水解柚皮苷生產(chǎn)L-鼠李糖[1]和普魯寧降低黃酮類化合物的生產(chǎn)成本；增加釀造酒的香味[14、15]，改善葡萄汁和飲料的香氣成分；切除一些糖苷類藥物原料末端的L-鼠李糖等[16]。由于α-L-鼠李糖苷酶的重要應(yīng)用價值，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者致力于該酶的研究開發(fā)。本文分別對微生物來源的α-L-鼠李糖苷酶基因的克隆、表達(dá)以及該酶的晶體結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述。

1α-L-鼠李糖苷酶的分子生物學(xué)研究

微生物分泌的α-L-鼠李糖苷酶是一種誘導(dǎo)酶，需要誘導(dǎo)物柚皮苷、橙皮苷、鼠李糖等存在時才能合成α-L-鼠李糖苷酶，而且微生物中α-L-鼠李糖苷酶的誘導(dǎo)受到碳源代謝調(diào)節(jié)，給微生物發(fā)酵產(chǎn)α-L-鼠李糖苷酶造成阻礙。同時隨著α-L-鼠李糖苷酶的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)發(fā)酵的生產(chǎn)方式不能滿足日益增長的需求，也很難達(dá)到很高的純度。因此，選擇現(xiàn)代生物技術(shù)來研究α-L-鼠李糖苷酶是一種必然趨勢

1.1α-L-鼠李糖苷酶基因的克隆

早期對a-L-鼠李糖苷酶的研究主要是該酶的分離純化及酶學(xué)性質(zhì)，2000年后對α-L-鼠李糖苷酶基因克隆的研究日漸增多，表1列舉了2000年以來微生物中GH78家族和近兩年其他家族已克隆的α-L-鼠李糖苷酶基因目前，從微生物中克隆α-L-鼠李糖苷酶基因主要采用PCR和構(gòu)建文庫的方法。據(jù)PuriM等報道，采用構(gòu)建文庫的方法克隆α-L-鼠李糖苷酶基因可以通過以下兩種方法篩選陽性克隆；一種是利用pNPR作為底物篩選含有α-L-鼠李糖苷酶活性的陽性克?。涣硗庖环N是采用多克隆抗體篩選產(chǎn)鼠李糖苷酶的陽性克隆。

細(xì)菌來源的α-L-鼠李糖苷酶基因的克隆研究比真菌稍早，在2000年[18]就有學(xué)者報道對Clostridium.stercorarium菌株中鼠李糖苷酶基因ramA的克隆。有些細(xì)菌中存在多個編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因，且它們的序列存在差異，在Bacillussp.GLl[31]中克隆到rhaA和rlmB兩個編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因，它們分別編碼兩個不同的α-L-鼠李糖苷酶。來自植物乳酸桿菌（Latto-bacillusplantarum）[23]的rhaB1和rhaB2都是編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因，它們的序列相似性僅為26%。不同細(xì)菌中編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因序列各異，Bacillussp.GLl[31]中rhaA和rhaB與Clostridiumstercorarium中ramA序列相似性分別為41%和23%。植物乳酸桿菌（Lactobacillus plantarum）[23]中的α-L-鼠李糖酶KhaB1和RhaB2與Bacillussp.GLl[31]中該蛋質(zhì)（登錄號：BAB62315）的氨基酸序列相似性均為23%，與ThermomicrobiaPRI-1686[7]中的RhaB（登錄號：AAR96047）相似性分別為22%和23%。而少動鞘氛醇單胞菌FP2001（Sphingornonaspaucimobilis）[21]中克隆的α-L-鼠李糖苷酶基因rhaM，共有3354個核苷酸，同源性比對發(fā)現(xiàn)它與其他屬于糖基水解酶（GH）家族78的α-L-鼠李糖苷酶基因沒有顯著的同源性。

國外關(guān)于真菌中α-L-鼠李糖苷酶基因的克隆研究主要集中在來源于曲霉屬的α-L-鼠李糖苷酶目前，曲霉屬中的棘孢曲霉[19]、白曲霉[6]和構(gòu)巢曲霉[29]等已有克隆α-L-鼠李糖苷酶基因的研究報道。對目前已知的α-L-鼠李糖苷酶基因序列的分析發(fā)現(xiàn)，不同來源的α-L-鼠李糖苷酶基因序列差異較大。從棘孢曲霉[19]中克隆的兩種編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因rhaA和rlmB的核苷酸序列幾乎沒有相似性，二者氨基酸序列相似性為60%，而它們與Clostridiumstercorarium中該酶的氨基酸序列[18]的一致性僅有11%。白曲霉中[6]α-L-鼠李糖苷酶的氨基酸序列與棘孢曲霉[19]中rhaA和rhaB的氨基酸序列相似性分別為75%和67%，與細(xì)菌[7、18、20、21]來源的α-L-鼠李糖苷酶的氨基酸序列一致性低于30%。有些真菌中存在著多個編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因，如在棘孢曲霉[19]中分離到兩種α-L-鼠李糖苷酶，并克隆了它們對應(yīng)的基因：有研究者對構(gòu)巢曲霉[29]的基因組信息進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，至少存在8個可能具有α-L-鼠李糖苷酶功能的基因，而目前已克隆到rhaA和rhaE兩種：我國學(xué)者對α-L-鼠李糖苷酶基因克隆的研究相對較晚，主要是對犁頭霉屬[32-34]的α-L-鼠李糖苷酶基因的克隆，已成功克隆出蘆丁-α-鼠李糖苷酶基因cDN段[32]和人參皂甙-α-鼠李糖苷酶基因[33、34]。近年有研究者從黑曲霉DLFCC-90菌株[26]中克隆到α-L-鼠李糖苷酶基因，該序列和α-淀粉酶的序列有較高的同源性，被歸類到糖苷水解家族GH13。此外，筆者巳經(jīng)從黑曲霉JMU-TS528（集美大學(xué)生物工程學(xué)院發(fā)酵工程研究室保藏的菌株）中克隆到α-L-鼠李糖苷酶基因，共編碼655個氨基酸，序列已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫（登錄號：KC750908.1），經(jīng)同源性比對發(fā)現(xiàn)，它與白曲霉[6]（AB374267.1）中的α-L-鼠李糖苷酶基因的相似性高于90%。

雖然對微生物來源的α-L-鼠李糖苷酶基因克隆的報道越來越多，但對該基因在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控研究并不多。目前，僅指出α-L-鼠李糖苷酶基因的表達(dá)量受誘導(dǎo)碳源的影響，葡萄糖在轉(zhuǎn)錄水平抑制該基因的表達(dá)。因此，筆者認(rèn)為今后的研究可在克隆α-L-鼠李糖苷酶基因的基礎(chǔ)上進(jìn)一步鑒定與該基因跨膜轉(zhuǎn)移或翻譯直接相關(guān)的基因和蛋白，闡明葡萄糖抑制基因與α-L-鼠李糖苷酶基因相互作用的關(guān)系，從而明確碳源代謝調(diào)控α-L-鼠李糖苷酶基因的機(jī)制。

1.2α-L-鼠李糖苷酶基因的表達(dá)

通過α-L-鼠李糖苛酶水解柚皮苷生產(chǎn)普魯寧可以降低普魯寧的生產(chǎn)成本，但目前報道的α-L-鼠李糖苷酶大多數(shù)是以柚苷酶的形式存在，而在柚苷酶水解柚皮苷的過程中，普魯寧作為一種中間產(chǎn)物，會進(jìn)一步被分解成柚皮素，不能大量積累普魯寧。所以表達(dá)出只具α-L-鼠李糖苷酶活性的蛋白質(zhì)具有重要的應(yīng)用價值。近幾年有人對α-L-鼠李糖苷酶基因的表達(dá)進(jìn)行了研究，表2列出了具有代表性的微生物中α-L-鼠李糖苷酶基因表達(dá)出的具有活性的蛋白。

在研究α-L-鼠李糖苷酶基因表達(dá)時，大腸桿菌是研究者常用的表達(dá)宿主。雖然采用原核表達(dá)系統(tǒng)來表達(dá)真核微生物中的基因容易出現(xiàn)沒有活性的產(chǎn)物，目前已有不少研究者將微生物來源的α-L-鼠李糖苷酶基因，通過大腸桿菌表達(dá)出有活性的蛋白。如Jules[22]等將植物乳酸桿菌（Lactobacillus plantaram.）和嗜酸乳酸桿菌（Lactobacillus acidophilus）中克隆得到的鼠李糖苷酶基因ram1Lp、ram2Lp和ramALa，在E.coli中表達(dá)出活性蛋白Ram1Lp、Ram2Lphe RamALa，其中RamALa酶活最大，達(dá)到8.5mU/μg。不同的α-L-鼠李糖苷酶基因表達(dá)后產(chǎn)物的水解底物不同，乳酸片球菌[24]中編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因ram和ram2，采用E.coli表達(dá)系統(tǒng)成功表達(dá)出活性蛋白Ram和Ram2，但Ram只能有效地水解合成底物pNPR，而Ram2能特異性水解橙皮苷和蘆丁糖，兩種酶均不能水解柚皮苷，以pNPR為底物測得Ram和Ram2的酶活分別為8.7U/mg和0.036U/mg。植物乳酸桿菌NCC2451231中rhaB1和rhaB2基因表達(dá)的RhaBl和RhaB2能特異性地水解α-1，6糖苷鍵，但不能水解柚皮苷中的a-1，2糖苷鍵，RhaB1和RhaB2的最適底物是橙皮苷和蘆丁。有研究者發(fā)現(xiàn)有些細(xì)菌中編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因表達(dá)后的產(chǎn)物是二聚體，例如Clostridium stercorarium[18]中編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因ramA成功在（PWS1261）細(xì)胞中表達(dá)出的蛋白Ram78A包含兩個相同的亞基，Lactobacillusplantatum[23]中rhaB1和rhaB2基因采用E.coli表達(dá)出的α-L-鼠李糖苷酶以二聚體形式存在。

由于原核表達(dá)系統(tǒng)本身存在的一些缺陷，有時表達(dá)出的α-L-鼠李糖稈酶不具有活性[36]，所以有研究者采用真核表達(dá)系統(tǒng)來表達(dá)α-L-鼠李糖苷酶基因。目前對α-L-鼠李糖苷酶基因的真核表達(dá)的報道并不多，我國研究者已在酵母中成功表達(dá)了蘆丁鼠李糖苷酶基因[36]、人參皂苷-α-鼠李糖苷酶基因[33]以及黑曲霉中編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因[26]。其中黑曲霉中的α-L-鼠李糖苷酶基因序列與α-淀粉酶基因序列相似性較高，通過酵母表達(dá)后的產(chǎn)物具有水解蘆丁、柚皮苷及橙皮苷的功能。米用酵母細(xì)胞表面展示技術(shù)將Alternaria sp.L1[28]中rhal1編碼的α-L-鼠李糖苷酶固定在釀酒酵母細(xì)胞表面，該細(xì)胞能特異性地水解葡萄柚果汁中的柚皮苷達(dá)到果汁脫苦的作用。RhaL1固定在釀酒酵母細(xì)胞表面后，該酶在70℃環(huán)境中活性很高，在60℃處理2h后酶活達(dá)到處理前的95%，擴(kuò)大了該酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍。目前對黑曲霉來源的α-L-鼠李糖苷酶基因的異源表達(dá)研究較少，筆者正在研究從黑曲霉jMU-TS528菌株中克隆到的α-L-鼠李糖苷酶基因的真核表達(dá)。國外的研究者報道了土曲霉[25]、構(gòu)巢曲霉[29]和棘孢曲霉[35]中編碼α-L-鼠李糖苷酶的基因在酵母中的成功表達(dá)。鼠李糖能夠誘導(dǎo)構(gòu)巢曲霉[29]中rhaE的表達(dá)，葡萄糖對該基因的表達(dá)產(chǎn)生抑制作用，rhaE在釀酒酵母中表達(dá)的產(chǎn)物，能夠水解底物pNPR，酶活達(dá)到1.4U/mL。通過系統(tǒng)發(fā)育樹分析發(fā)現(xiàn)，在真菌來源的α-L-鼠李糖苷酶基因中，rhaE是首個與細(xì)菌中α-L-鼠李糖苷酶基因親緣關(guān)系比其他真菌中的α-L-鼠李糖苷酶基因更近的基因。土曲霉中α-L-鼠李糖苷酶基因采用酵母表達(dá)系統(tǒng)得到的產(chǎn)物和天然發(fā)酵的α-L-鼠李糖苷酶一樣，都可以水解蘆丁，重組酶酶活力高達(dá)9U/mL，比天然酶高出3倍，而且大大縮短了天然發(fā)酵獲取α-L-鼠李糖苷酶的時間，同時酶的產(chǎn)量比天然發(fā)酵的α-L-鼠李糖苷酶提高了4倍。盡管近年來，利用基因工程技術(shù)來構(gòu)建產(chǎn)α-L-鼠李糖苷酶的工程菌的研究逐漸增多，并取得了一定的進(jìn)展，但酶活水平始終未能達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的要求；目前國際上對α-L-鼠李糖苷酶分泌機(jī)制的研究也不多，因此如何進(jìn)一步提高該酶的胞外分泌水平，是該酶能否得到推廣應(yīng)用的關(guān)鍵：

2α-L-鼠李糖苷酶的結(jié)構(gòu)生物學(xué)

蛋內(nèi)質(zhì)需要形成一定的空間結(jié)構(gòu)才能有活性，近年來，雖然對α-L-鼠李糖苷酶基因克隆和表達(dá)的報道很多，佴對它的結(jié)構(gòu)方面的研究報道還比較少：2000年Zverlov成功克隆Clostridiumstercorarium[18]中編碼α-L-鼠李糖苷酶基因ramA后，首次通過圓二色譜法測得該酶二級結(jié)構(gòu)包含27%的α-螺旋和50%的β-折疊結(jié)構(gòu)。

CAZy（http：///）數(shù)據(jù)庫依據(jù)氨基酸序列相似性對糖苷水解酶類進(jìn)行了分類，微生物來源的α-L-鼠李糖苷酶包含在GH13、GH28、GH78和GH106糖苷水解酶家族中。目前，由PDB數(shù)據(jù)庫可以搜到3個鼠李糖苷酶的晶體結(jié)構(gòu)，分別是來自Bacteroides thetaiutaomicronVPI-5482菌中的α-L-鼠李糖苷酶（PDBcode：3CIH）、Bacillus sp.GLI（PDBcode：20KX）和Streptoinycesavermitilis（PDBcode：3W5M、3W5N）菌株中α-L-鼠李糖苷酶。Cui[31]等于2007年解析了α-L-鼠李糖苷酶（RhaB）的晶體結(jié)構(gòu)，該酶由N、D1、D2、C和A5個結(jié)構(gòu)域組成；結(jié)構(gòu)域A包含其（α/α）6的桶狀結(jié)構(gòu)，Asp567、Glu572、Asp579和Glu841在該酶的催化作用和底物結(jié)合方面起到了關(guān)鍵作用，它們與鼠李糖相互作用，將其突變后，α-L-鼠李糖苷酶（RhaB）酶活大幅度降低；并認(rèn)為RhaB的空間結(jié)構(gòu)與Lactobacillusbrevis菌株的麥芽糖磷酸化酶MalP和Vibrioproteolyti-cus菌株的殼二糖磷酸化酶ChBP的結(jié)構(gòu)相似。來自Streptmnyces avermitilis[37]菌株的α-L-鼠李糖苷酶（SaRha78A）的晶體結(jié)構(gòu)有兩種，一種是原蛋白形式，另外一種是包含L-鼠李糖的晶體結(jié)構(gòu)，這兩種形式的結(jié)構(gòu)變化很小，RMSD值僅為0.21A，它們均由1個α和5個β結(jié)構(gòu)域組成，分別是N、D、E、F、A和C；結(jié)構(gòu)域A包含（α/α）6的桶狀結(jié)構(gòu)，與Cui[31]等報道的RhaB的催化域相似；SaRha78CM由13個α-螺旋組成，結(jié)構(gòu)域N包含10個β-折疊，結(jié)構(gòu)域D的11個β-折疊和E的13個β-折疊展現(xiàn)出一個β-卷心折疊，結(jié)構(gòu)域F由16個β-折疊組成兩個平行的β-折疊片；L-鼠李糖分別結(jié)合在結(jié)構(gòu)域A和D中，結(jié)構(gòu)域A中的L-鼠李糖結(jié)合在該酶的活性口袋的芳香基氨基酸TrP747和TrP640之間，與周圍的氨基酸形成12個氫鍵，結(jié)合后的船型構(gòu)象被認(rèn)為是GH78家族α-L-鼠李糖苷酶水解聚糖的過渡態(tài)構(gòu)象；結(jié)構(gòu)域D中的L-鼠李糖結(jié)合在β-折疊間，L-鼠李糖的O2、O3和O4原子分別和α-L-鼠李糖苷酶的Trp203、Asnl80和AsP179形成氫鍵，L-鼠李糖的O3、O4位置與一個正二價鈣離子形成配位共價鍵，同時鈣離子與該酶通過Aspl79、ASnl80、Asn228和Pro233氨基酸產(chǎn)生相互作用：Glu636和Glu895是在該α-L-鼠李糖苷酶的催化作用中的關(guān)鍵氨基酸，Glu636在催化過程中提供質(zhì)子，將其突變后，該酶酶活下降了40倍。通過對α-L-鼠李糖苷酶的晶體結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，該酶有4個結(jié)構(gòu)域高度保守（RhaB：A、C、D2、D1；SaRha78A：A、C、E、F），GH78家族α-L-鼠李糖苷酶的催化域是一個（α/α）6的桶狀結(jié)構(gòu)，鼠李糖結(jié)合在該桶狀結(jié)構(gòu)的深溝里[31]。此外，在streptomyces awermitilis[37]菌株的α-L-鼠李糖苷酶中還發(fā)現(xiàn)了一個新的非催化碳水化合物結(jié)合域（non-catalyticcarbohydratebindingmodule，SaCBM67），SaCBM67位于結(jié)構(gòu)域D，通過鈣依賴的方式與L-鼠李糖結(jié)合，在用EDTA螯合鈣之后，SaCBM67失去與L-鼠李糖結(jié)合的功能。通過對179和180位置的氨基酸的突變實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，突變后該酶水解阿拉伯樹膠的活性大大降低，而對水解芳香基鼠李糖苷的活性影響不大，研究者認(rèn)為SaCBM67對該菌株中的α-L-鼠李糖苷酶酶活有著一定的影響。

3展望

微生物來源的α-L-鼠李糖苷酶具有很多潛在的應(yīng)用價值，近年來，對該酶的研究越來越受到學(xué)者的關(guān)注，從不同水平對α-L-鼠李糖苷酶進(jìn)行了研究。首先，在α-L-鼠李糖苷酶產(chǎn)酶菌株的篩選、發(fā)酵條件的優(yōu)化以及酶的分離純化和性質(zhì)研究日趨成熟，為產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)α-L-鼠李糖苷酶酶制劑及α-L-鼠李糖苷酶在食品醫(yī)藥加工工業(yè)中的應(yīng)用提供了一定的參考價值；其次，在分子生物學(xué)方面，對不同來源的α-L-鼠李糖苷酶基因進(jìn)行了克隆，并通過生物信息學(xué)分析、基因的表達(dá)以及晶體結(jié)構(gòu)的研究，使得對α-L-鼠李糖苷酶的了解進(jìn)一步深入。這些研究為構(gòu)建工程菌生產(chǎn)α-L-鼠李糖苷酶，提高α-L-鼠李糖苷酶的酶產(chǎn)量，降低目前生產(chǎn)α-L-鼠李糖苷酶的成本提供了理論指導(dǎo)。但目前對不同來源的α-L-鼠李糖苷酶的合成途徑、誘導(dǎo)機(jī)制和催化機(jī)制研究較少，因此，可進(jìn)一步通過利用分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和計算生物化學(xué)等技術(shù)，對α-L-鼠李糖苷酶進(jìn)行更深層次的研究。從分子水平上來研究α-L-鼠李糖苷酶的催化機(jī)理，結(jié)合定點(diǎn)突變等技術(shù)來提高α-L-鼠李糖苷酶的催化活性。同時，通過計算模擬等手段研究α-L-鼠李糖苷酶的底物結(jié)合特異性，擴(kuò)大α-L-鼠李糖苷酶在各生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用范圍因為自然分離純化的酶難以滿足苛刻的工業(yè)生產(chǎn)過程，所以酶的改造成為一種非常有效的替代途徑，依照α-L-鼠李糖苷酶的晶體結(jié)構(gòu)信息，加深對其結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識，為α-L-鼠李糖苷酶定向進(jìn)化和改造奠定理論基礎(chǔ)：

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篇6

關(guān)鍵詞：葡萄酒微生物學(xué);實(shí)驗;教學(xué)改革

葡萄酒微生物學(xué)是研究葡萄酒微生物的理論、應(yīng)用與控制方法的學(xué)科，是葡萄與葡萄酒專業(yè)的基礎(chǔ)選修課程之一。其主要內(nèi)容包括：葡萄酒微生物的代謝、葡萄酒微生物生態(tài)學(xué)、葡萄酒微生物的敗壞以及菌種的選育和發(fā)酵劑的生產(chǎn)，除了理論知識外，各章節(jié)還與實(shí)際應(yīng)用――葡萄酒的釀造相聯(lián)系。本門課程的主要目的和任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握葡萄酒微生物的分類、資源、生態(tài)、選種和育種，有效進(jìn)行有益微生物的利用和有害微生物的控制，更好地為葡萄酒生產(chǎn)服務(wù)?？墒且酝钠咸丫莆⑸飳W(xué)中并沒有涉及實(shí)驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生沒有機(jī)會接觸實(shí)際實(shí)驗操作的鍛煉，缺乏相應(yīng)的知識與技能儲備，學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性差。為了解決上述問題，我們發(fā)現(xiàn)必須對葡萄酒微生物學(xué)實(shí)驗課程進(jìn)行改革。

1 改革葡萄酒微生物學(xué)課程設(shè)置，提高學(xué)生主觀能動性

改革中新的培養(yǎng)方案中加設(shè)實(shí)驗課程16學(xué)時，針對課程設(shè)置和行業(yè)需求，安排設(shè)計性實(shí)驗2個，要求學(xué)生熟練掌握酵母及乳酸菌的篩選和鑒定技術(shù)，從自然發(fā)酵的葡萄酒中篩選酵母及乳酸菌，并鑒定出其中的釀酒酵母和乳酸菌。課程設(shè)置內(nèi)容范圍專業(yè)性強(qiáng)，目的就在于提高學(xué)生的主觀能動性。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解該領(lǐng)域國內(nèi)外進(jìn)展與發(fā)展趨勢;熟悉相關(guān)的基本內(nèi)容與關(guān)鍵知識點(diǎn);掌握酵母菌及乳酸菌的主要操作技能并能在實(shí)際工作中應(yīng)用。最終使學(xué)生具有葡萄酒微生物分類的能力;葡萄酒微生物代謝分析的能力以及葡萄酒微生物菌種選育的能力。使學(xué)生初步具有葡萄酒微生物學(xué)科研工作者的素質(zhì)和以微生物的視角分析葡萄酒工藝的素質(zhì)。

2 接觸葡萄酒微生物學(xué)前端科研，增強(qiáng)挑戰(zhàn)意識

在借鑒國外葡萄酒微生物學(xué)先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論教學(xué)進(jìn)行整體設(shè)計，保證基本實(shí)驗技能訓(xùn)練和基礎(chǔ)實(shí)驗，減少演示性、驗證性實(shí)驗和單一實(shí)驗，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐和生產(chǎn)實(shí)習(xí)，結(jié)合教師的科研項目，把一些驗證性、基礎(chǔ)性的實(shí)驗內(nèi)容改變、提升或拓展，改革為綜合性、設(shè)計性實(shí)驗。以學(xué)生為本，由淺入深，考核淡化結(jié)果，注重過程，使學(xué)生從整體上學(xué)習(xí)和掌握進(jìn)行葡萄與葡萄酒工程專業(yè)科學(xué)研究的思路和方法。即形成“以訓(xùn)練基本實(shí)驗技能為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)綜合實(shí)驗為核心，以學(xué)生實(shí)驗設(shè)計和過程為重要考核內(nèi)容”的綜合性、設(shè)計性實(shí)驗教學(xué)體系，突出對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生挑戰(zhàn)意識。我們把葡萄酒微生物學(xué)前端科研介紹給他們，增強(qiáng)其挑戰(zhàn)意識。根據(jù)以上情況，設(shè)計兩個設(shè)計性實(shí)驗，旨在使學(xué)生學(xué)生在進(jìn)行葡萄酒微生物學(xué)實(shí)驗的同時，參與了學(xué)院一些科研成果的驗證，轉(zhuǎn)化自己的實(shí)驗成果，提出解決實(shí)際問題的辦法。在學(xué)生的實(shí)驗?zāi)芰Φ玫竭M(jìn)一步提高的同時，激發(fā)了學(xué)生主動思考，勇于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方式，增強(qiáng)其挑戰(zhàn)意識。

3 制定合理的授課方式

學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程時，可采取“問題學(xué)習(xí)法”，授課教師提前把實(shí)驗內(nèi)容和要求布置給學(xué)生，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)該課程的理論部分和自己準(zhǔn)備試驗方案，以便學(xué)生在上課時注意力集中，目標(biāo)明確。然后課堂教學(xué)要力求創(chuàng)新。

在課堂教學(xué)創(chuàng)新方面包括：

①課堂研討法，教師將問題帶入課堂，與學(xué)生共同探討，不求一致結(jié)果，只求分析方法與分析過程的科學(xué)性;

②案例教學(xué)法，葡萄酒微生物的許多內(nèi)容操作性很強(qiáng)，只是在課堂上給學(xué)生講解一些基礎(chǔ)概念與基本方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，教師盡可能將實(shí)際工作中的案例帶入課堂，以案例分析為切入點(diǎn)，讓學(xué)生通過對現(xiàn)實(shí)案例的分析了解和掌握專業(yè)理論與方法;

③課堂答辯法，為了鼓勵學(xué)生積極發(fā)揮主觀能動性，本課程組教師利用課堂時間或課余時間，事先準(zhǔn)備一些專題，讓學(xué)生了解和搜集資料，然后，在課堂上就學(xué)生所不清楚的地方進(jìn)行現(xiàn)場回答和辯論。這樣，一方面調(diào)動了學(xué)生積極思維、探討專業(yè)理論的積極性，另一方面也促使教師在答辯中提高自己的教學(xué)水平。

葡萄酒微生物實(shí)驗課改革對葡萄與葡萄酒工程專業(yè)的發(fā)展具有重要意義，對學(xué)生動手操作能的提高及視野的開闊具有很大的幫助。文章中探討性地提出切實(shí)可行的改進(jìn)意見，希望能進(jìn)一步提高葡萄酒微生物學(xué)的教學(xué)效果。

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篇7

乙型肝炎病毒DNA聚合酶研究進(jìn)展 林旭，聞玉梅

狂犬病病毒基因重組載體的構(gòu)建及其在重組疫苗研究中的應(yīng)用 黃薇，張輝，嚴(yán)家新

柯薩奇病毒的感染--Ⅰ型糖尿病發(fā)病的重要環(huán)境因素 魏強(qiáng)，李凡

抗體抗病毒作用的新認(rèn)識 王立新，熊思東

流式細(xì)胞技術(shù)在抗生素敏感性試驗中的應(yīng)用 夏曉華，陸淼泉

敬告讀者

鏈球菌屬分類的研究進(jìn)展 盧洪洲，翁心華

幽門螺桿菌VacA和CagA的研究進(jìn)展 龍敏，別平華，俞守義，凌賢龍，房殿春

都柏林念珠菌的表型和基因型特征 謝輝，陳希平，歐炯光，楊保秀

下期要目預(yù)告

解脲脲原體分子生物學(xué)分群和分型 周向昭，馬燕燕，朱學(xué)駿

結(jié)核病疫苗的研究進(jìn)展及存在問題 余傳霖

美國微生物學(xué)會會訊摘要 聞玉梅

抗結(jié)核病藥物的開發(fā) 謝建平，王洪海

064一種對乙型肝炎病毒快速基因分型的聚合酶鏈反應(yīng) 吳憶貧

065綠色熒光蛋白報告系統(tǒng)用于單純皰疹病毒感染的快速診斷和定量 李曉霞

066 IL-8/RANTES作為DNA疫苗佐劑可增強(qiáng)對單純皰疹病毒2型的特異性細(xì)胞免疫 馬柯

067朊病毒蛋白的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用 吳益民

068重組葡萄球菌株誘生白喉抗毒素 葉巍

069人工接種棒狀桿菌消除定植鼻腔的金黃色葡萄球菌 何洕

070幽門螺桿菌產(chǎn)物調(diào)節(jié)細(xì)胞因子反應(yīng) 袁建平

071幽門螺桿菌細(xì)胞空泡毒素在小鼠感染模型中的作用 王洪濤

072莢膜組織胞漿菌的致病性和鈣依賴性 王清

抗微生物治療研究進(jìn)展 翁心華

長模板聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)在病毒學(xué)研究中的應(yīng)用 胡蕓文，袁正宏

病毒編碼的細(xì)胞周期蛋白 任維，曹亞

丙型肝炎病毒細(xì)胞感染模型的研究進(jìn)展 徐曉剛，季育華，陸志檬

EB病毒編碼的蛋白質(zhì)在癌變過程中的作用 黎明，曹亞

登革病毒E蛋白受體研究進(jìn)展 楊春雨，江麗芳

細(xì)菌生物膜及其相關(guān)疾病 劉振桐，王承敏，張卓然

本刊啟事

革蘭陰性桿菌中超廣譜β-內(nèi)酰胺酶的檢測 熊自忠，妹

肺炎鏈球菌分型方法的研究進(jìn)展 張穎華，郭奕芳

銅綠假單胞菌耐藥機(jī)制的研究進(jìn)展 陳軍，張雅萍，肖光夏

肺炎衣原體抗原研究進(jìn)展 張光明，饒賢才，胡福泉

查菲埃立克體的抗原分子 方玉強(qiáng)，溫博海

美國微生物學(xué)會會訊摘要 聞玉梅

細(xì)胞異常信號轉(zhuǎn)導(dǎo):丙型肝炎病毒致病新模式 趙蘭娟，戚中田

當(dāng)前醫(yī)院感染領(lǐng)域中的幾個熱點(diǎn)問題 胡必杰

呼吸道合胞病毒G蛋白的相關(guān)研究 陽雋，徐軍，鐘南山

TT病毒分子生物學(xué)研究進(jìn)展 吳新剛，王曉燕，陸淼泉

單純皰疹病毒包膜糖蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究進(jìn)展 王戰(zhàn)勇，王志玉

人腺病毒E4轉(zhuǎn)錄區(qū)ORF4蛋白與細(xì)胞凋亡 卜鵬莉，陳虹，黃秉仁

人類免疫缺陷病毒感染與特異性細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞反應(yīng) 蔣衛(wèi)民，潘孝彰，康來儀

樹突細(xì)胞、病原體與免疫應(yīng)答 郭曉奎，童善慶

大腸埃希菌O157：H7毒力的分子生物學(xué)研究進(jìn)展 張瑾，楊正時

銅綠假單胞菌分型研究進(jìn)展 康梅，韓琳琳，賈文祥

幽門螺桿菌毒素及相關(guān)疾病的研究進(jìn)展 聶華超，童硯，洪汝濤

結(jié)核分枝桿菌早期分泌蛋白ESAT-6家族的研究進(jìn)展 駱旭東，朱道銀

體外擴(kuò)增技術(shù)檢測結(jié)核分枝桿菌的新進(jìn)展 孫薇，李君文

發(fā)酵支原體M161Ag的研究進(jìn)展 何攀文，劉先洲

美國微生物學(xué)會會訊摘要 聞玉梅

小干擾RNA與RNA干擾 任浩，戚中田

乙型肝炎病毒基因分型方法及其分子流行病學(xué)研究進(jìn)展 許紅梅，任紅

漢坦病毒結(jié)構(gòu)蛋白抗原表位的研究進(jìn)展 潘蕾，白雪帆

抑制差減雜交技術(shù)在細(xì)菌基因差異表達(dá)研究中的應(yīng)用 張麗娟，闞飆，高守一

抗微生物肽——顆粒溶解素的研究進(jìn)展 張海峰，李柏青

細(xì)菌外膜泡與致病性的關(guān)系 吳淑燕，黃瑞，林發(fā)榕

大腸埃希菌對喹諾酮類藥物的多重耐藥機(jī)制 趙瑞華，舒明星

沙門菌侵染機(jī)制及減毒菌株傳遞DNA疫苗的研究進(jìn)展 劉明秋，嚴(yán)維耀，鄭兆鑫

百日咳鮑特菌外膜蛋白的致病性與免疫原性 夏肖萍，嚴(yán)杰

幽門螺桿菌耐藥機(jī)制研究進(jìn)展 田擁軍，葉嗣穎

嗜肺軍團(tuán)菌毒力基因、致病性及實(shí)驗診斷研究進(jìn)展 胡朝暉，朱慶義

非結(jié)核性分枝桿菌耐藥機(jī)制的研究進(jìn)展 沙巍，翁心華

紅色毛癬菌的研究進(jìn)展 李喬，楊國玲，劉維達(dá)

煙曲霉毒力因子的研究進(jìn)展 杜晨，李若瑜

美國微生物學(xué)會會訊摘要 聞玉梅

人類免疫缺陷病毒1型耐藥基因的監(jiān)測 盧洪洲，翁心華

胞內(nèi)菌與細(xì)胞骨架 李婷，李明遠(yuǎn)

金黃色葡萄球菌的侵襲和侵襲后過程 劉挺，管遠(yuǎn)志

口腔鏈球菌遺傳型和表型的研究進(jìn)展 聶敏，邊專，樊明文

幽門螺桿菌感染時宿主免疫應(yīng)答的特征 袁建平，童善慶

幽門螺桿菌粘附機(jī)制的研究進(jìn)展 白楊，陳燁，張亞歷，張兆山

動彎桿菌的研究進(jìn)展 袁春雷，陳群，曾忠銘

外陰陰道念珠菌病的病原學(xué)研究進(jìn)展 朱曉芳，王家俊

白念珠菌粘附上皮細(xì)胞的機(jī)制 劉為國，黃敏，牟希亞

肺炎衣原體與動脈粥樣硬化和冠心病的關(guān)系 吳向輝，倪安平

篇8

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

目前，各個學(xué)校編寫了不少環(huán)境微生物學(xué)的教材。其中，周群英和王士芬編著的《環(huán)境工程微生物學(xué)（第三版）》為廣大高校的環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)所采用，它基本可以滿足一般工科類院校的教學(xué)要求。但是，在使用的同時，各學(xué)校還應(yīng)根據(jù)自身的專業(yè)特色，對其中各章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行取舍，并針對各自的專業(yè)適當(dāng)增加內(nèi)容，比如土壤微生物、海洋微生物等，以體現(xiàn)學(xué)科的優(yōu)勢研究領(lǐng)域。在“環(huán)境工程微生物學(xué)”的教學(xué)過程中，把握好基礎(chǔ)微生物學(xué)和微生物在污染控制中的作用兩部分的關(guān)系十分重要。前者是后者的理論基礎(chǔ)，后者則是前者的工程應(yīng)用，重點(diǎn)則是環(huán)境工程實(shí)踐中的微生物學(xué)原理。如果對微生物的結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)、代謝等內(nèi)容介紹過多，課程容易演變?yōu)榧?xì)胞生物學(xué)、微生物生理學(xué)或生物化學(xué)等；而對污染控制的具體工藝過程涉及過多，又容易重復(fù)污染控制工程的課程內(nèi)容。因此，在課程教學(xué)時，應(yīng)合理安排這兩部分的比例。

另一方面，“環(huán)境工程微生物學(xué)”的教學(xué)還應(yīng)處理好與其他相關(guān)課程的相互關(guān)系。北京林業(yè)大學(xué)開設(shè)的“植物學(xué)”“環(huán)境生物學(xué)”等課程與“環(huán)境工程微生物學(xué)”之間存在一定的聯(lián)系，3門課程在如細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理代謝、遺傳變異等知識內(nèi)容上均有一定的論述，但課程核心和重點(diǎn)內(nèi)容各不相同。在講解“環(huán)境工程微生物學(xué)”時，應(yīng)注重強(qiáng)調(diào)微生物細(xì)胞、生理、遺傳方面的獨(dú)特性，并對這些特性在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用展開詳細(xì)介紹。也就是說，在教學(xué)過程中需要注意知識單元的邏輯銜接，注重課程體系的統(tǒng)一性，要明確課程的側(cè)重點(diǎn)，避免重復(fù)?；诋?dāng)前環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科的飛速發(fā)展，“環(huán)境工程微生物學(xué)”的課程教學(xué)還應(yīng)緊密結(jié)合當(dāng)前環(huán)境污染控制和生態(tài)修復(fù)相關(guān)領(lǐng)域的新進(jìn)展，而不能只停留在傳統(tǒng)污染處理工藝的微生物學(xué)原理上。教師通過對最新污染控制工程理論和技術(shù)的微生物學(xué)原理進(jìn)行解析，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、專業(yè)的熱情，樹立投身環(huán)境保護(hù)事業(yè)的志向，課程的教學(xué)效果也會隨之提高。例如，在廢水生物處理的微生物學(xué)原理部分，筆者介紹了這幾年比較受關(guān)注的利用好氧顆粒污泥處理高負(fù)荷、強(qiáng)毒性有機(jī)廢水的新工藝，解析了活性污泥微生物胞外聚合物在好氧顆粒污泥形成中的作用以及生物處理系統(tǒng)由于污泥濃度大幅增加而帶來的高效性，來強(qiáng)調(diào)通過利用微生物的生理生化特性進(jìn)行廢水處理技術(shù)的革新。學(xué)生對這些新內(nèi)容的反饋很活躍，也引發(fā)了很多討論。

教學(xué)方法的改革和創(chuàng)新

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代社會的快速信息化，傳統(tǒng)的、單一的灌輸式教學(xué)方法難以取得滿意的教學(xué)效果，也無法滿足當(dāng)前創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。大學(xué)課堂的教學(xué)必須與時俱進(jìn)，應(yīng)借助多媒體、網(wǎng)絡(luò)以及最新的科研成果和成功的工程實(shí)例，來豐富教學(xué)的內(nèi)容和形式，提高教學(xué)效率和效果［2］。根據(jù)實(shí)驗心理學(xué)的原理，對于同樣的信息，圖像比文字容易被信息接受者所記憶，這就是所謂的“圖象優(yōu)勢定律”［3］。在傳授以敘述性為主的知識內(nèi)容時，合理使用形象思維方法，可以幫助學(xué)生提高記憶力；而信息的幾何形狀、色彩、字符對形象思維的建立起著相當(dāng)大的作用。環(huán)境工程微生物學(xué)的研究對象是肉眼看不見的微小生物，在教學(xué)中通過展現(xiàn)大量生動形象的微生物照片，可以使學(xué)生容易認(rèn)識和區(qū)分種類繁多的微生物，印象深刻，易于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。例如，在比較G＋和G－細(xì)菌的結(jié)構(gòu)時，通過對細(xì)胞圖片的詳細(xì)講解可以清楚地說明二者的區(qū)別：G－細(xì)胞由胞外到胞內(nèi)依次為外膜、細(xì)胞壁、周質(zhì)空間及原生質(zhì)膜，而G＋則為細(xì)胞壁、原生質(zhì)膜；同時，G－細(xì)菌的細(xì)胞壁上僅有一層很薄的肽聚糖，但脂肪層較厚，相反G＋細(xì)菌的細(xì)胞壁含有多層肽聚糖，而脂肪卻相對較少。這樣，學(xué)生對G＋和G－細(xì)菌細(xì)胞壁差別的認(rèn)識就會十分深刻，為此后順利開展革蘭氏染色實(shí)驗提供了理論基礎(chǔ)。在介紹微生物代謝、遺傳等較為抽象的知識內(nèi)容時，教師可以合理采用示意圖、動畫等形式來進(jìn)行講解，將有效提高學(xué)生對知識的理解和掌握水平。例如，在微生物的遺傳和變異一章中，筆者采用Flas演示了微生物遺傳的經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗即肺炎鏈雙球菌感染小白鼠實(shí)驗，使原本抽象難懂的概念和理論變?yōu)樯鷦拥漠嬅?，教學(xué)效果明顯改善。事實(shí)上，國內(nèi)外一些著名高校、環(huán)境微生物實(shí)驗室的網(wǎng)站上和國外優(yōu)秀原版微生物教材中有許多高質(zhì)量的微生物圖片、教學(xué)課件和研究成果，教師可以將其作為本課程的教學(xué)素材來加以使用，豐富教學(xué)內(nèi)容，開闊學(xué)生視野。

大學(xué)階段的人才培養(yǎng)正日益與科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的發(fā)展緊密聯(lián)系，這就要求“環(huán)境工程微生物學(xué)”的教學(xué)要注重結(jié)合科學(xué)研究和工程實(shí)踐，不斷地加入新的科研成果和工程實(shí)例來說明課程的基本知識和基礎(chǔ)理論。同時教師也不能脫離科學(xué)研究和工程實(shí)踐而單純地搞教學(xué)工作。只有長期參加科研實(shí)踐的教師，才能使自已的教學(xué)內(nèi)容更加具有前沿性、獨(dú)創(chuàng)性和啟發(fā)性，在豐富自己的教學(xué)內(nèi)容的同時加深學(xué)生對知識的理解；也只有將教學(xué)與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來，才能更有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力［4］。例如，筆者在教學(xué)過程中選取了微生物燃料電池研究中最新發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌鞭毛充當(dāng)“納米導(dǎo)線”的現(xiàn)象作為背景材料，展開討論，分析了細(xì)胞鞭毛的電子傳遞功能在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量代謝中發(fā)揮的作用。這個例子在介紹微生物學(xué)知識的同時，很好地詮釋了如何恰當(dāng)?shù)乩梦⑸锏奶匦詠斫鉀Q環(huán)境問題和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。又如，通過介紹實(shí)際工程項目———煤氣廢水生物處理系統(tǒng)中活性污泥的馴化過程，說明了微生物遺傳和變異的特性對于有毒有害工業(yè)廢水處理的重要意義。

在當(dāng)前大學(xué)教學(xué)中，課時的有限性與知識的增長性之間的矛盾日益突出，“環(huán)境工程微生物學(xué)”這門新興的交叉學(xué)科尤為如此。所以，教師在授課時，應(yīng)更加注重所介紹內(nèi)容的質(zhì)和量，將多而雜的信息進(jìn)行疏理與歸納，并以更加靈活的方式傳達(dá)給學(xué)生。這就要求教師在教學(xué)模式上進(jìn)行變革，改變以往單一的注入式教學(xué)方法，采用多種方法有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式，將教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位相結(jié)合，從而在傳授知識的同時提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。研究表明，提問、引入和討論等啟發(fā)式教學(xué)方法比起傳統(tǒng)的注入式教學(xué)模式更為吸引人，更能收到事半功倍的效果。一方面，啟發(fā)式教學(xué)可以促進(jìn)師生之間的互動，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，啟發(fā)式教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生將書本知識應(yīng)用于實(shí)際的思考和分析等綜合能力?？傮w來講，一些基礎(chǔ)性知識的教學(xué)，可以以教師講解為主，但講解的內(nèi)容要少而精，留一部分內(nèi)容讓學(xué)生自己去消化吸收。對于理解性的知識內(nèi)容，教師要啟發(fā)學(xué)生積極思考，有些問題要引而不發(fā)，導(dǎo)而不講，讓學(xué)生自己通過分析和總結(jié)來深化認(rèn)識。此外，還應(yīng)注意到高年級本科學(xué)生已經(jīng)具有一定的自學(xué)能力，對于一些比較淺顯的、多門環(huán)境類課程反復(fù)涉及的章節(jié)內(nèi)容或非核心知識單元，完全可以安排由學(xué)生自學(xué)來完成。例如，在講解微生物在氮素循環(huán)中的作用時，筆者詳細(xì)介紹了硝化作用、反硝化作用等生化反應(yīng)過程及其影響因素，所以在講解廢水微生物的脫氮原理時，采取了“學(xué)生自學(xué)為主，教師組織討論和總結(jié)”的教學(xué)方式。這種教學(xué)方式既節(jié)省了課時，同時又鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力、認(rèn)識能力和分析能力，為以后的科研創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。#p#分頁標(biāo)題#e#

實(shí)驗項目和實(shí)驗內(nèi)容的挑選和設(shè)置

篇9

關(guān)鍵詞：高師 微生物學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（b）-0205-01

微生物學(xué)是我國高等學(xué)校生物學(xué)科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程，它的主要任務(wù)是要給予學(xué)生基礎(chǔ)的、系統(tǒng)的微生物學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論和實(shí)踐操作技能。隨著現(xiàn)代生命科學(xué)的迅速發(fā)展，微生物學(xué)的基本理論和應(yīng)用研究變得異?；钴S。與生產(chǎn)實(shí)踐及日常生活的關(guān)系也變得日益密切，這必然對微生物學(xué)教學(xué)提出了更高的要求。高師生物教育專業(yè)，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上，因其專業(yè)的特殊性而顯示出與其他院校生物類專業(yè)不同的教學(xué)特色，本研究者結(jié)合近幾年的教學(xué)經(jīng)驗，對生物教育專業(yè)微生物學(xué)教學(xué)進(jìn)行了初步的改革和探索，現(xiàn)總結(jié)如下。

1 緊扣專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建課程內(nèi)容體系

高師院校的培養(yǎng)目標(biāo)是從事教學(xué)和教學(xué)研究的教師人才。作為教師，要成功完成教學(xué)任務(wù)，首先要精通所教學(xué)科的知識，還要掌握該學(xué)科的最新進(jìn)展情況，盡量成為該學(xué)科的專家。因此本課程的教學(xué)本著突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)、理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)指導(dǎo)原則，以研究微生物的基本生命活動規(guī)律為目的，教學(xué)內(nèi)容的安排以形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝遺傳變異、生態(tài)分布和分類進(jìn)化五大生物學(xué)規(guī)律為主線[1]。在微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)中強(qiáng)調(diào)微生物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分子組成和功能，突出結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，為以后各章節(jié)中介紹微生物的營養(yǎng)、代謝、生長、遺傳變異、免疫等生物學(xué)規(guī)律做好鋪墊，而在后繼內(nèi)容的講授中又時時與微生物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、功能相聯(lián)系。通過這條主線，加強(qiáng)了學(xué)生對所學(xué)知識的前后聯(lián)系，加深了學(xué)生對課程內(nèi)容全面系統(tǒng)的理解和掌握。與此同時我們密切關(guān)注本學(xué)科在各行業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用，關(guān)注與之有關(guān)的各種新聞報道，適當(dāng)?shù)卦黾右恍┊?dāng)前的新技術(shù)、新問題、新知識，如“超級細(xì)菌”、“甲流”病毒，細(xì)菌可利用“毛發(fā)”清除鈾污染等，這些內(nèi)容在以往的通編教材上都沒有，需要及時給學(xué)生傳達(dá)，使學(xué)生了解學(xué)科知識的最前沿。

2 明確實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)，改革實(shí)驗教學(xué)

高師大部分畢業(yè)生將來都要走上中小學(xué)教育崗位，所以在實(shí)驗課程體系的建設(shè)及實(shí)驗教學(xué)的組織安排上應(yīng)密切聯(lián)系中小學(xué)生物教育實(shí)際，體現(xiàn)師范性和自身特色，在實(shí)驗課程的設(shè)置上，首先應(yīng)擴(kuò)大實(shí)驗課時所占比例，確保學(xué)生有更多的時間探究問題，鍛煉實(shí)驗操作技能，為畢業(yè)生盡快勝任以后的中小學(xué)教師實(shí)驗教學(xué)工作做好準(zhǔn)備。因此我們改變了以往安排實(shí)驗學(xué)時占總學(xué)時的25%增加到占總學(xué)時的50%。以安排較多時間進(jìn)行實(shí)驗，并力求在實(shí)驗內(nèi)容上進(jìn)一步加強(qiáng)微生物學(xué)獨(dú)特的實(shí)驗操作技術(shù)的訓(xùn)練。其次，在實(shí)驗教學(xué)中，教師應(yīng)該明確把握實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)，（1）加強(qiáng)基本實(shí)驗技能的訓(xùn)練，教師在講課時只需講明該實(shí)驗的技術(shù)要點(diǎn)、注意事項。力求少而精，多設(shè)疑、啟發(fā)、引導(dǎo)，讓學(xué)生有更多的空間去主動思考、探討和發(fā)揮，對于實(shí)驗演示，教師需要在實(shí)驗之前進(jìn)行，學(xué)生在周圍觀看，可能造成少部分學(xué)生看不清教師演示或記不住等的情況，因此，在實(shí)驗過程中出現(xiàn)操作不規(guī)范甚至錯誤的現(xiàn)象，如果得不到教師的及時糾正，容易養(yǎng)成不好的實(shí)驗習(xí)慣，所以指導(dǎo)教師經(jīng)常給予學(xué)生耐心細(xì)致的指導(dǎo)，從而保證實(shí)驗教學(xué)效果。使學(xué)生技術(shù)嫻熟，動作規(guī)范，體現(xiàn)出師范性；（2）新課改倡導(dǎo)在教學(xué)過程中，應(yīng)與學(xué)生積極互動、共同發(fā)展，要處理好傳授知識與培養(yǎng)能力的關(guān)系，注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性和自主性，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑、調(diào)查、探究，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生在教師指導(dǎo)下主動地、富有個性地學(xué)習(xí)。因此高師微生物學(xué)實(shí)驗的改革把學(xué)生設(shè)計實(shí)驗?zāi)芰Α⒔Y(jié)果的處理和分析能力作為日常實(shí)驗教學(xué)的重中之重，提高每一位準(zhǔn)教師的生物科學(xué)素養(yǎng)。為學(xué)生今后走向工作崗位打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3 傳統(tǒng)教學(xué)手段與多媒體技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)

傳統(tǒng)的板書、話音、掛圖和實(shí)物，黑板加粉筆的教學(xué)方法固然有其弊端，但對于基礎(chǔ)知識的掌握還是有其不可替代的優(yōu)勢，多媒體課程教學(xué)的優(yōu)勢在于：能將枯燥的文字信息轉(zhuǎn)化成圖形、圖像，輔助以動畫、視頻、音頻等信息，以聲圖并茂的信息傳播方式把知識內(nèi)容生動形象地展示給學(xué)生，讓學(xué)生更加容易理解和掌握，增加信息量和信息密度、提高授課的效率[2]，在同樣的課堂，可以拓展課外知識和豐富學(xué)生的知識面。但完全依賴多媒體教學(xué)，又會出現(xiàn)容量大，難以吸收等弊端，因此，我們把多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式結(jié)合在一起，達(dá)到“優(yōu)勢互補(bǔ)”，既發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢，又發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。更加有利于課堂教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

4 建立健全學(xué)生的評價機(jī)制

過去的微生物學(xué)僅進(jìn)行理論課考試，對實(shí)驗操作能力沒有很好的進(jìn)行評價，為滿足教學(xué)改革的需要，對考試內(nèi)容、考試方式和評價方式進(jìn)行了一系列改革。考試內(nèi)容由單一的理論考試改為理論加操作，考試增加操作技能考核部分的權(quán)重，有利于全方面考核學(xué)生學(xué)習(xí)效果。其次，微生物學(xué)課程建立了試題庫，實(shí)行考教分離，因此在課程開始進(jìn)行之初就給學(xué)生明確說明考核制度，使學(xué)生從一開始就養(yǎng)成好好學(xué)習(xí)、認(rèn)真操作的好習(xí)慣，對改變一些懶惰、投機(jī)取巧學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度具有較好的效果。

綜上所述，在高師微生物學(xué)教學(xué)過程中，教師應(yīng)結(jié)合高師的培養(yǎng)目標(biāo)采用多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)手段和方法，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識和實(shí)際操作技能的培養(yǎng)，提高每一位準(zhǔn)教師的生物科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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