生物信息學(xué)及其在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用及生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制

-生物信息學(xué)及其在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用摘要生物信息學(xué)的快速發(fā)展，推動(dòng)了微生物信息學(xué)的建立。模式微生物基因組學(xué)的研究,極大地豐富了生物信息學(xué)的內(nèi)容。微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)研究試圖揭示基因結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在聯(lián)系，繪制出基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖?；蚪M功能注釋是功能基因組學(xué)研究的主要目的?；蛐酒夹g(shù)的運(yùn)用，成為環(huán)境微生物生態(tài)研究和功能酶基因定位的有力工具。生物信息學(xué)為環(huán)境微生物的研究和發(fā)展提供了一個(gè)嶄新的信息平臺(tái)和技術(shù)手段。介紹了一些相關(guān)數(shù)據(jù)庫和專業(yè)網(wǎng)站。關(guān)鍵詞生物信息學(xué)微生物信息學(xué)環(huán)境微生物基因芯片

隨著人類基因組計(jì)劃（HGP）的實(shí)施，生物信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，成為21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域，同時(shí)推動(dòng)微生物信息學(xué)的建立。微生物因其分布廣、種類多、易繁殖和變異、遺傳基因多樣性等特點(diǎn)，被廣泛用作“模式生物”來研究，極大地促進(jìn)了生物信息學(xué)的發(fā)展。人們在深入研究自然環(huán)境中微生物的群落、結(jié)構(gòu)、功能與動(dòng)態(tài)［1］，研究污染環(huán)境中的微生物生態(tài)［2］、通過環(huán)境微生物學(xué)方法和原理進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)［3］、研究并闡明微生物、污染物與環(huán)境三者間的相互關(guān)系與作用規(guī)律，對(duì)保護(hù)環(huán)境、造福人類社會(huì)具有十分重要的意義。生物信息學(xué)的快速發(fā)展,為這一研究領(lǐng)域注入了新的活力［4］。通過生物信息學(xué)研究平臺(tái),能夠?qū)崟r(shí)在線檢索豐富的微生物資源,可以共享環(huán)境微生物基因組信息?；蛐酒夹g(shù)為快速全面準(zhǔn)確地分析檢測和鑒定各種環(huán)境微生物，充分挖掘自然界豐富的微生物資源提供了一種新的方法［5］。通過環(huán)境微生物降解有機(jī)污染物，消除大氣、土壤和水體污染，為污染物生物修復(fù)開辟了一條有效途徑。很多專業(yè)網(wǎng)站提供相關(guān)的資源信息［6］。1微生物資源數(shù)據(jù)庫近年來,高度發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)為微生物學(xué)的信息交流、資源共享和國際合作帶來了前所未有的機(jī)遇。很多大型網(wǎng)站和一些微生物專業(yè)網(wǎng)站提供了豐富而又詳實(shí)的微生物資源實(shí)時(shí)在線信息。借助強(qiáng)大的搜索引擎,在龐大的電子期刊數(shù)據(jù)庫中，可以很方便地實(shí)時(shí)查找所需的文獻(xiàn)。虛擬圖書館則提供了豐富的有關(guān)微生物方面的文檔、音像素材、軟件以及其它各種數(shù)據(jù)庫等。在網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室，可進(jìn)行電子Northern、電子PCR分析等。通過全球共享的生物信息學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫（GeneBank/EMBL/DDBJ）很方便地提交和檢索微生物基因序列。盡管微生物學(xué)的發(fā)展只有短短的100多年,但新發(fā)現(xiàn)的微生物卻層出不窮。據(jù)《國際微生物學(xué)會(huì)聯(lián)盟通訊》有關(guān)專家估計(jì)，全球約有50~60萬種微生物，至今已被研究和記載的約為10%，包括3500多種細(xì)菌，9萬多種真菌，10萬多種藻類和原生動(dòng)物及4千多種病毒等。如此豐富的微生物資源是大自然賜給人類的一筆寶貴財(cái)富。為共享這些資源,世界各國均已建立了各自相應(yīng)的菌種數(shù)據(jù)庫（表1）。用戶根據(jù)菌種的部份特征，檢索所要查找的微生物，獲得如生化鑒定指標(biāo)、分類依據(jù)和培養(yǎng)條件等詳細(xì)信息。2微生物信息學(xué)的建立和發(fā)展自人類基因組計(jì)劃(HGP)實(shí)施以來,生物信息學(xué)得到了飛速發(fā)展,并有力地推動(dòng)了環(huán)境微生物學(xué)的研究，促進(jìn)了微生物基因組學(xué)、微生物功能基因組學(xué)和微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的建立和發(fā)展。HGP的主要目標(biāo)是表1微生物菌種資源及分類數(shù)據(jù)庫Table1Dataofmicrobialstrainsandcategoryresources名稱〖〗網(wǎng)址美國菌種保藏中心(ATCC)〖〗/中國典型培養(yǎng)物保藏中心(CCTCC)〖〗/中國一般微生物典藏中心(CGMCC)〖〗/typecc/junzhong/en.html國際純培養(yǎng)聯(lián)盟(WFCC)〖〗/國際微生物數(shù)據(jù)中心(WDCM)〖〗http://wdcm.nig.ac.jp/國際微生物性狀計(jì)算機(jī)編碼系統(tǒng)(RKC)〖〗/RKC.html國際微生物菌種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(MSDN)〖〗/msdn.shtml日本微生物保藏中心（JCM）〖〗http://www.jcm.riken.go.jp/JCM/catalogue.html比利時(shí)微生物典藏協(xié)會(huì)（BCCM）〖〗http://www.belspo.be/bccm/澳大利亞微生物典藏中心(ACM)〖〗/database/catalogsc.html測定人類基因組全部序列,進(jìn)而闡明基因所處的位置、結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)調(diào)控方式以及重大疾病的致病機(jī)理。為完成人類基因組特別是功能基因組計(jì)劃,相繼啟動(dòng)了模式生物基因組計(jì)劃。一些微生物如埃希氏大腸桿菌(Escherichiacoli)、嗜血流感菌(HaemophilusInfluenzae)、釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等模式微生物研究發(fā)揮了重要作用。對(duì)這些模式微生物基因組的研究，不僅是微生物自身研究領(lǐng)域的重大突破和發(fā)展，也是對(duì)生物信息學(xué)內(nèi)容的豐富和補(bǔ)充。2.1微生物基因組學(xué)基因組序列測定使微生物研究手段發(fā)生了革命性改進(jìn)。由于細(xì)菌基因組規(guī)模較小,因此完成測序的也較多。自全長1.8Mb的嗜血流感菌(Haemophilusinfluenzae,Rd)基因組序列于1995年發(fā)表以來，已有229種微生物基因組部分或全序列完成測序（/genomes/MICROBES/Complete.html），包括21種古細(xì)菌，208種真細(xì)菌。其中,包括大腸桿菌、釀酒酵母等模式微生物在內(nèi)的10多種微生物全基因組序列完成測序。TIGR微生物基因組數(shù)據(jù)庫（/tdb/mdb/mdbinprogress.html）顯示，2005年預(yù)期將有超過40種微生物基因組完成測序。表2列出了已完成測序的微生物基因組數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站。2005,25(12)鄭永良等：生物信息學(xué)及其在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用中國生物工程雜志ChinaBiotechnologyVol.25No.122005表2微生物基因組學(xué)及模式微生物基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫Table2Microbialgenomicsandmodelmicrobialgenomicsdata名稱〖〗網(wǎng)址〖〗說明EMGLIB〖〗http://pbil.univlyon1.fr/emglib/emglib.html〖〗完成測序的細(xì)菌和酵母基因組NRsub〖〗http://pbil.univlyuonl.fr/nrsub/nrsub.html〖〗枯草芽胞桿菌（Bacillussubtilis）基因組RsGDB〖〗http://www/sphaeroids〖〗Rhodobactersphaeroides基因組SGD〖〗〖〗酵母基因組EcoCyc〖〗/ecocyc〖〗大腸桿菌（K12）基因組、基因產(chǎn)物及代謝通路CyanoBase〖〗http://www.kazasa.or.jp/cyano/〖〗Synechocystissp.基因組2.2微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)與功能基因組學(xué)微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)以結(jié)構(gòu)和功能為出發(fā)點(diǎn)，通過測定出全部蛋白質(zhì)分子與其他生物分子復(fù)合體的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，以獲得一幅完整的、能夠在細(xì)胞中定位以及在各種生物學(xué)代謝途徑、生理途徑、信號(hào)傳導(dǎo)途徑中全部蛋白質(zhì)在原子水平的三維結(jié)構(gòu)全息圖。利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)所提供的信息，以高通量、大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算機(jī)分析相結(jié)合，全面系統(tǒng)地分析全部基因的功能。通過比較基因組學(xué)研究，揭示基因、基因家簇的起源和功能及其在進(jìn)化過程中復(fù)雜化和多樣化的機(jī)制。一些微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)及功能基因組數(shù)據(jù)庫相關(guān)網(wǎng)站見表3。功能基因組學(xué)的研究主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）進(jìn)一步識(shí)別基因及其基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息，分析遺傳語言；（2）基因組功能注釋；（3）基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，繪制基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖；（4）比較基因組學(xué)研究，在基因組水平對(duì)各個(gè)生物進(jìn)行對(duì)照比較，揭示生命的起源和進(jìn)化、發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)功能。其中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)則試圖從系統(tǒng)角度，通過基因之間相互作用規(guī)律來揭示復(fù)雜的生命現(xiàn)象。這是功能基因組學(xué)研究的重要內(nèi)容。其研究的目的和內(nèi)容主要有：從基因表達(dá)譜識(shí)別和推斷基因網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、特性和調(diào)控關(guān)系；認(rèn)識(shí)復(fù)雜分子的調(diào)控過程；理解支配基因表達(dá)和功能的基本原則；揭示基因表達(dá)過程中的信息傳輸規(guī)律；從整體框架研究基因的功能等［8］。表3一些微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)及功能基因組數(shù)據(jù)庫Table3Dataofmodelmicrobestructuralgenomicsandfunctionalgenomics名稱〖〗網(wǎng)址〖〗說明AresLabIntronSite〖〗/research/compbio/yeast_introns.html〖〗酵母剪接體和內(nèi)含子DBTBS〖〗http://elmo.ims.utokyo.ac.jp/dbtbs〖〗枯草桿菌反式作用因子和啟動(dòng)子PromEC〖〗http://bioinfo.md.huji.ac.il/marg/promec〖〗位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的大腸桿菌mRNA啟動(dòng)子RRNDB〖〗〖〗原核生物核糖體RNA操縱子中的變化DPinteract〖〗/dpinteract〖〗大腸桿菌DNA結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)TRIPLES〖〗/triples/triples.html〖〗酵母中轉(zhuǎn)座子插入表型、表位和表達(dá)GenProtEC〖〗/〖〗大腸桿菌（K12）基因組、基因產(chǎn)物和同源性SignalP〖〗http://www.cbs.dtu.dk/servics/signalp〖〗細(xì)菌和真核生物蛋白質(zhì)的信號(hào)肽及剪切位點(diǎn)應(yīng)用生物信息學(xué)方法，高通量地注釋基因組所有編碼產(chǎn)物的生物學(xué)功能，進(jìn)行基因組功能注釋是功能基因組學(xué)的主要研究目標(biāo)。序列同源性分析、生物信息關(guān)聯(lián)分析、生物數(shù)據(jù)挖掘是進(jìn)行基因功能注釋的主要生物信息學(xué)手段。其研究內(nèi)容主要涉及基因組組成元素的識(shí)別、全部ORF產(chǎn)物功能注釋、基因相互作用和比較基因組學(xué)研究等三個(gè)層次［9］。很多數(shù)據(jù)庫可通過相應(yīng)軟件或在線平臺(tái)進(jìn)行基因功能注釋提交或查詢（表4）。值得一提的是，國內(nèi)也相繼建立了基因組功能注釋系統(tǒng)研究平臺(tái)，并提供WEB形式服務(wù)。趙貴軍等［10］建立的微生物基因信息平臺(tái)可以按照基因序列號(hào)、功能和種屬名查詢基因序列，根據(jù)美國國家信息中心(NCBI)的功能代碼表對(duì)每個(gè)基因進(jìn)行自動(dòng)和手工分類，可查詢分類情況，并在此基礎(chǔ)上建立了幾種親緣關(guān)系相近的種屬的同源基因相互注釋功能。禹胄等［11］建立的微生物基因組注釋系統(tǒng)（MGAP）由基因組注釋系統(tǒng)和基于Web的用戶接口程序兩部分組成?；蚪M注釋系統(tǒng)整合多個(gè)基因識(shí)別、功能預(yù)測和序列分析軟件,以及蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)資源信息系統(tǒng)和直系同源蛋白質(zhì)家族數(shù)據(jù)庫等,并應(yīng)用于藍(lán)細(xì)菌基因組的注釋。表4基因組功能注釋相關(guān)網(wǎng)站Table4Websofgenomefunctionannotation名稱〖〗網(wǎng)址〖〗說明MGA〖〗http://www.dkfz.de/mga/〖〗大規(guī)?；蚪M注釋系統(tǒng)COG〖〗/cgibin/COG〖〗直系同源體簇分析數(shù)據(jù)庫AAT〖〗/aat〖〗基因組分析和注釋工具EcoCyc〖〗/ecocyc/ecocyc.html〖〗大腸桿菌的基因與代謝CMR〖〗/tigrscripts/CMR2/CMRGenomes.spl〖〗來自TIGR微生物基因組注釋工具SAS〖〗http://www.biochem.ucl.ac.uk/cgi2bin/sas/query.cgi〖〗結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的基因組序列分析SGD〖〗/〖〗酵母基因組數(shù)據(jù)庫Indigo〖〗0:1234/Indigo/〖〗E.coli和B.subtilis全基因組綜合信息數(shù)據(jù)庫HAMAP〖〗/sprot/hamap/index.html〖〗微生物蛋白質(zhì)組自動(dòng)編碼注釋系統(tǒng)ARCHAIC〖〗http://www.aist.go.jp/RIODB/archaic/〖〗古細(xì)菌核酸序列分析數(shù)據(jù)庫ExPASy〖〗http://www.expasy.ch/〖〗蛋白質(zhì)專家分析系統(tǒng)3生物信息學(xué)在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用近年來，環(huán)境微生物學(xué)的研究不僅僅局限于自然環(huán)境中微生物生態(tài)學(xué)的研究，隨著人類活動(dòng)的加劇，環(huán)境污染直接威脅人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)污染生態(tài)學(xué)的研究也正在逐漸深入。建立在現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物信息學(xué)基礎(chǔ)上的基因芯片技術(shù)的運(yùn)用，使環(huán)境微生物研究實(shí)現(xiàn)了革命性的飛躍［12］。3.1基因芯片在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用環(huán)境微生物在自然界以群落的形式存在，多種微生物共同生活于一定區(qū)域。了解微生物群落的結(jié)構(gòu)和組成以及它們對(duì)環(huán)境干擾的反應(yīng)和適應(yīng)性,有助于維持和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)理想的生態(tài)功能。因?yàn)樽匀画h(huán)境中僅有小于1%的微生物能人工培養(yǎng),所以對(duì)自然環(huán)境中微生物群落的定性、定量和種群的檢測是微生物學(xué)家面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［13］。已經(jīng)證明采用傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)研究環(huán)境中的微生物群落是困難的。通過生物信息學(xué)并結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行微生物群落研究已取得了較大突破。其中基因芯片因具有高密度、高靈敏度、實(shí)時(shí)快速檢測、經(jīng)濟(jì)、自動(dòng)化和低背景水平等特點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于包括自然環(huán)境中微生物的基因表達(dá)分析、比較基因組分析和混合微生物群落的分析等方面。目前，應(yīng)用于環(huán)境微生物研究的基因芯片主要有功能基因芯片(FGAs)、系統(tǒng)發(fā)育的寡核苷酸芯片(POAs)和群落基因組芯片(CGAs)［14,15］。其中，功能基因芯片（FGAs）利用寡核苷酸探針來探測一些基因的表達(dá)或編碼一些重要的酶基因，包括與不同生物地理化學(xué)過程相關(guān)的基因,并根據(jù)具有特定功能且已知基因序列的微生物菌群設(shè)計(jì)寡核苷酸探針來探測未知環(huán)境樣品中的微生物群落,確定該樣品微生物群落的功能,并將特定微生物群落菌群與其功能聯(lián)系起來。一些學(xué)者在這方面研究已取得一定成果，找到了編碼氮素降解酶［16］、氨氧化酶［17］、硝化(氨單氧化酶基因,amoA)、反硝化(亞硝酸鹽還原酶,nirS和nirK)［18］、氮的固定(固氮酶,nifH)，以及有機(jī)污染物降解功能酶如有機(jī)磷水解酶OPH等基因［19，20］。基因芯片將成為研究環(huán)境微生物生態(tài)的有力工具。3.2生物信息學(xué)在環(huán)境微生物降解有機(jī)污染物研究中的應(yīng)用隨著環(huán)境污染的不斷惡化，利用微生物進(jìn)行環(huán)境污染物的監(jiān)測和評(píng)估，從事環(huán)境污染的微生物修復(fù)研究已日益深入。如利用石油降解微生物處理油井泄漏及海面石油污染，采用極端耐冷的微生物降解極地或寒冷環(huán)境下的污染物，利用土壤中微生物降解土壤農(nóng)藥殘留，通過環(huán)境微生物硝化和反硝化作用凈化水體等?；ヂ?lián)網(wǎng)有很多污染治理與綜合管理的專業(yè)數(shù)據(jù)庫,目前絕大多數(shù)免費(fèi)共享。如：(1)美國明尼蘇達(dá)大學(xué)生物催化與生物降解數(shù)據(jù)庫（http://）。從化合物、酶、降解性微生物三個(gè)層次，提供了145種代謝途徑、945種酶促反應(yīng)、345種功能菌株、890種化合物和604種酶，并有完整代謝過程數(shù)據(jù)和途徑示意圖［21］。可以很方便查詢所需信息，甚至可以對(duì)可能的降解途徑進(jìn)行預(yù)測。(2)美國密歇根州立大學(xué)降解性菌株數(shù)據(jù)庫（）。提供了約250種降解菌株的降解特性、酶促反應(yīng)過程以及150種環(huán)境危險(xiǎn)品信息［22］。(3)美國農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)的農(nóng)藥特性信息數(shù)據(jù)庫(PPD)（/ppweb）。提供300多種正在廣泛使用的殺蟲劑信息，涉及它們在環(huán)境中轉(zhuǎn)運(yùn)和降解途徑的10多種最重要的物化特性。參考文獻(xiàn)［1］孔維棟,朱永官,傅伯杰,等．農(nóng)業(yè)土壤微生物基因與群落多樣性研究進(jìn)展．生態(tài)學(xué)報(bào),2004，24（12）：2894~2898KongWD,ZhuYG,FuBJ,etal.ActaEcologicaSinica,2004，24（12）：2894~2898［2］KantachoteD,NaiduR,SingletonI,etal.ResistanceofmicrobialpopulationsinDDTcontaminatedanduncontaminatedsoils.AppliedSoilEcology,2001(16):85~90［3］NikolayS,DistlerM,ShannonC,etal.Multipathogenoligonucleotidemicroarrayforenvironmentalandbiodefenseapplications.BiosensorsandBioelectronics,2004(20):684~698［4］EllisLBM.Environmentalbiotechnologyinformatics.CurrentOpinioninBiotechnology,2000,(11):232~235［5］張于光,李迪強(qiáng),肖啟明,等．基因芯片及其在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用．微生物學(xué)報(bào)，2004，44(3)：406~410ZhangYG,LiDQ,XiaoQM,etal.ActaMicrobiologicaSinica,2004，44(3)：406~410［6］LyndaBM,EllisBoKH,WenJK,etal.Theuniversityofminnesotabiocatalysis/biodegradationdatabase:postgenomicdatamining.NucleiAcidRes,2003,31(1):262~265［7］ShiangMQ,BarkovskiiAL,PeterA,Microbialdechlorinationofdioxinsinestuarineenrichmentcultures:effectsofrespiratoryconditionsandprimingcompoundoncommunitystructureanddechlorinationpatterns.MarineEnvironmentalResearch,2005(59):177~195［8］雷耀山，史定華，王翼飛．基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的生物信息學(xué)研究．自然雜志，2003，26(1),6~12LeiYSH,ShiDH,WangYF.JournalofNature,2003，26(1),6~12［9］解濤,梁衛(wèi)平,丁達(dá)夫．后基因組時(shí)代的基因組功能注釋.生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展,2000,27(2)：166~170XieT,LiangWP,DingDF.ProgBiochemBiophys,2000,27(2)：166~170［10］趙貴軍，何智良，盧陽,等．微生物基因組的生物信息學(xué)研究平臺(tái)的建立．微生物學(xué)通報(bào),2002,29（4）：22~28ZhaoGJ,HeZHL,LuY,etal.Microbiology，29（4）：22~28［11］禹胄,李濤,蔡濤,等.微生物基因組注釋系統(tǒng)MGAP.微生物學(xué)報(bào),2003，43（6）：805~808YuZ,LiT,CaiT,etal.ActaMicrobiologicaSinica.2003，43（6）：805~808［12］LiuWT,LiangZH.Environmentalmicrobiologyonachipanditsfutureimpacts.TrendinBiotechnology,2005,23(4):174~178［13］AmannRI,LudwigW,SchleifeKH.Phylogeneticidentificationandinstiudetectionofindividualmicrobialcellswithoutcutltivation.MicrobialRev,1995,59(3):143~169［14］WuL,ThompsonDK,LiG,etal.Developmentandevalutionoffunctionalgenearraysfordetectionofselectedgenesintheenvironmentalstudiesinmicrobiology.ApplEnvironMicrobial,2001,67(12):5780~5790［15］ZhouJ,ThompsonD.Microarrays:applicationsinenvironmentalmicrobiology.In:BittonGed.EncyclopediaofEnvironmentalMicrobiology.NewYork:JohnWiley&SonsPress,2002.1968~1979［16］BrakerG,ZhouJ,WuLY.Nitritereductasegenes(nirKandnirS)asfunctionalmarkerstoinvestigatediversityofdenitrifyingbacteriainpacificnorthwestmarinesedimentcommunities.ApplEnvironMicrobiol,2000,66:2096～2104［17］NoldSC,ZhouJZ,DevolA,etal.PacificnorthwestmarinesedimentscontainammoniaoxidizingbacteriainthesubdivisionoftheProteobacteria.ApplEnvironMicrobiol,2000,66:4532～4535［18］PriemA,BrakerG,TiedjeJM.Diversityofnitritereductase(nirKandnirS)genefragmentsinforesteduplandandwetlandsoils.ApplEnvironMicrobiol,2002,68:1893～1900［19］ZhouJ,ThompsonDK.Challengeinapplyingmicroarraystoenvironmentalstudies.CurrOpinBiotechnol,2002,13(3):204~207［20］MetheuBA,NelsonKE,EisenJA,etal.GenomeofGeobactersulfurreducens:metalreductioninsubsurfaceenvironments.Science,2003,1967～1969［21］EllisLBM，HershbergerCD，WackettLP.Theuniversityofminnesotabiocatalysis/biodegradationdatabase,specializedmetabolismforfunctionalgenomics.NucleAcidRes，1999，27:373~376［22］UrbanceJW,JamesC,PaulS,etal.BSD:Thebiodegradativestraindatabase.NucleAcidRes,2003,31(1):152~155BioinfomaticsandTheirApplicationtoEnvironmentalMicroorganismZHENGYongliang1LIPing1LIUDeli1,2(1CollegeofLifeScience,CentralChinaNormalUniversityWuhan430079,China)(2KeyLaboratoryofPesticide&ChemicalBiologyMinistryofEducation,CentralChinaNormalUniversityWuhan430079,China)AbstractThefasterdevelopmentofbioinformaticspromotedtheestablishmentofmicrobebioinformatics.Thestudyofmodelmicrobialgenomicsgreatlyenrichedthecontentsofbioinfomatics.Microbialstructuralgenomicsandfunctionalgenomicstrytoilluminatetheinnerrelationbetweengenestructureandfunction,andconstructedgeneregulatorynetworks.Toannotategenefunctionisthemainaimforfunctionalgenomicsreseach.Theapplicationofgenechipbasedonbioinfomaticsbecameastrongertoolforenvironmentalmicrobialecologicalstudyandgenedeterminationoffunctionenzyme.Anewinformationplatformandtechnologymethodforenvironmentalmicroorganismstudywasaffordedbybioinfomatics.Somerelevantdataandusefulwebsiteswerecollectedandintroduced.KeywordsBioinformaticsMicrobialBioinformaticsEnvironmentalmicroorganismGeneChip中國生物工程雜志ChinaBiotechnology,2005,25(12):97～102生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制摘要本文以中國計(jì)量科學(xué)研究院生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室工程項(xiàng)目為例，從通風(fēng)空調(diào)的角度探討了生物安全防護(hù)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境控制，并在此基礎(chǔ)上，給出了最不利狀況即送排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)避免房間出現(xiàn)正壓，確保安全運(yùn)行的具體做法，以期能對(duì)類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行起到一定參考和指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞生物安全實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)故障正壓EnvironmentControlofBiosafetyValueTraceabilityandDeliveryLaboratoryWangHongjunandJiangWeikangAbstractBasedonthebiosafetyvaluetraceabilityanddeliverylaboratoryinNationalInstituteofMetrology,discussesaboutenvironmentcontrolofbiosafetylaboratoryfromthepointofairconditioningandventilation.Onthisbasis,andrepresentssomedetailapproachofbiosafetylabsaferunning,toensureroomnon-positivepressureintheworstcase,namelytheexhaustsystembreakingdown.Theintroductionmightbeusefulinthedesign、constructionandrunningofsimilarprojects.KeywordsBiosafetylaboratory;Airconditioningandventilation;Exhaustsystem;Breakingdown;Non-positivepressure0.引言中國計(jì)量科學(xué)研究院生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室位于昌平實(shí)驗(yàn)基地12號(hào)實(shí)驗(yàn)樓B區(qū)，單層框架鋼結(jié)構(gòu)，檐高10米，總建筑面積約160平方米，內(nèi)部實(shí)驗(yàn)環(huán)境參照三級(jí)（P3）生物安全實(shí)驗(yàn)室控制，主要從事國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“生物安全量值溯源傳遞關(guān)鍵技術(shù)”課題研究，其中包括“轉(zhuǎn)基因核酸量值溯源傳遞關(guān)鍵技術(shù)研究”、“病源微生物核酸量值溯源傳遞關(guān)鍵技術(shù)研究”、“轉(zhuǎn)基因蛋白質(zhì)量傳溯源核心技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究”和“病原微生物蛋白質(zhì)毒素計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)研究”，以及國家科技重大專項(xiàng)課題任務(wù)“轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制技術(shù)研究”和“轉(zhuǎn)基因植物分子特征檢測關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)研究”，科研經(jīng)費(fèi)多達(dá)一千多萬元。該項(xiàng)研究成果將能夠發(fā)展和完善我國生物計(jì)量技術(shù)，確保1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1平面布置生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)上從安全使用、科學(xué)管理兩個(gè)方面著手，在充分借鑒國內(nèi)外ABSL-3生物安全實(shí)驗(yàn)室的布局、分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)各實(shí)驗(yàn)室的工藝流程，確定了采用“三區(qū)一通道”布置方案[1]，將實(shí)驗(yàn)區(qū)劃分為污染區(qū)、半污染區(qū)、清潔區(qū)。各區(qū)之間設(shè)置緩沖間進(jìn)行隔離，防止病菌微生物外逸，確保各區(qū)安全、可靠運(yùn)行，如圖1所示。圖1生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室平面布置圖1.2凈化空調(diào)系統(tǒng)1.2.1溫濕度和潔凈度P3實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作人員在工作時(shí)身穿防護(hù)服、頭戴防護(hù)罩，全身上下透氣性較差，因此，室內(nèi)溫濕度控制主要考慮工作人員的舒適度，本設(shè)計(jì)將溫度定為18~26℃，濕度30~60%。另外，由于該實(shí)驗(yàn)室屬生物潔凈室范疇，既要考慮塵埃數(shù)又要計(jì)量細(xì)菌數(shù)。為保證安全運(yùn)行，負(fù)壓控制要求嚴(yán)格，而對(duì)室內(nèi)潔凈度要求并不甚高，經(jīng)綜合考慮，將主要從事細(xì)菌類生物實(shí)驗(yàn)的污染區(qū)和半污染區(qū)確定為潔凈度7級(jí)。換氣次數(shù)按照凈化級(jí)別計(jì)算，但對(duì)配有生物安全柜的實(shí)驗(yàn)室，為保證室內(nèi)壓力穩(wěn)定，適當(dāng)擴(kuò)大換氣次數(shù)。1.2.2冷熱源選擇由于P3實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)是直流式系統(tǒng)，能量消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高，并且在發(fā)生突發(fā)性公共衛(wèi)生事件時(shí)需要24小時(shí)工作等特點(diǎn)，如設(shè)計(jì)冷源設(shè)備與該實(shí)驗(yàn)樓其它房間合用，顯然不合理，因此，確定采用單獨(dú)的直接膨脹式空調(diào)機(jī)作為P3實(shí)驗(yàn)室的冷源，而冬季和過渡季節(jié)熱源則由院區(qū)區(qū)域鍋爐房提供。1.2.3送排風(fēng)系統(tǒng)P3實(shí)驗(yàn)室是負(fù)壓潔凈實(shí)驗(yàn)室，采用的是全新風(fēng)系統(tǒng)。所有新風(fēng)經(jīng)初、中效等各功能段處理后，經(jīng)系統(tǒng)末端高效過濾器送至實(shí)驗(yàn)室及輔助房間。對(duì)該實(shí)驗(yàn)室而言，良好的氣流組織，以使室內(nèi)氣流從污染程度低處流向高處，盡可能減少實(shí)驗(yàn)室回流和渦旋，將污染空氣有效地排出，確保實(shí)驗(yàn)人員安全尤為重要。為此，本工程采用了生物安全柜和實(shí)驗(yàn)室共用一個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)的新型排風(fēng)方案，如圖2，正常工作時(shí)，文丘里閥P1排風(fēng)恒定，分析儀器實(shí)驗(yàn)室和緩沖間室內(nèi)為負(fù)壓，通過PID控制器調(diào)節(jié)送風(fēng)文丘里閥S1和S3流量來維持室內(nèi)負(fù)壓恒定；當(dāng)控制器得生物安全柜開機(jī)信號(hào)后，按照預(yù)置風(fēng)量配方表逐漸改變文丘里閥S2、P2、P1風(fēng)量，保持P2-S2+P1恒定，同時(shí)檢測室內(nèi)負(fù)壓，通過PID控制器調(diào)節(jié)文丘里閥S1流量來維持室內(nèi)負(fù)壓恒定。從而解決了由于某一實(shí)驗(yàn)室生物安全柜的啟停造成其他相鄰房間負(fù)壓差變化的問題[2]。圖2生物安全量值溯源傳遞實(shí)驗(yàn)室送排風(fēng)方案1.2.4壓力控制合理的壓力梯度關(guān)系到P3實(shí)驗(yàn)室的正常運(yùn)行和