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原生动物的科研价值及应用探究

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【摘 要】 原生动物是一类低等的结构简单的单细胞动物,分布极为广泛. 原生动物的一些自身特点,使其成为科学研究的好材料,在生态学、环境科学、分子遗传学、细胞生物学等多个领域被广泛应用,具有重要的科研价值. 同时在污水的生物治理,一些生命现象及其机理研究方面也有着深远的意义. 通过将其在以上各方面的科研价值及研究意义进行初步的探讨性总结,以期得到人们更多的重视,使其在诸多领域中发挥出更大的作用及价值,得到更广泛的应用. 【关键词】 原生动物;生态地位;指示生物0 引言

原生动物在动物界中属于最原始、最低等的单细胞动物,是一类具有或无明显亲缘关系的单细胞“低等动物”的泛称或集合名词.它们个体较小,一般为几个微米至几百个微米. 每个原生动物体既是一个细胞,又是一个完整的小生物. 它们与其他细胞一样,主要是由细胞膜,细胞质和细胞核三部分组成. 它们可以通过各种细胞器完成运动、摄食、消化吸收、新陈代谢、生殖遗传等一系列生命活动. 原生动物是一个十分复杂,高度集中的生命单位,是一个完整的有机体,在原核生物和真核生物之间起着承前启后的作用,有重要的理论研究意义[1]. 原生动物可以分为鞭毛虫、肉足虫、饱子虫和纤毛虫四大类. 细胞内特化的各种胞器具有维持生命和延续后代所必需的一切功能,如今记载的种类已逾65000种.

原生动物分布极为广泛,就自由生活的原生动物而言,几乎所有的自然水体包括海洋、河流、湖泊、池塘、水沟中都有分布,甚至在临时积水中都可以找到它们的踪迹,以及土壤中也存在它们的身影,它们主要以细菌类颗粒物质或细菌分解的生物体碎片为食. 很多原生动物在环境不利时会发生包囊化,其包囊小而轻,可以随风飘扬,可以说原生动物往往是世界性分布的. 因此原生动物与人类关系密切,直接对人有害或者有益. 它作为最原始,最简单,最低等的单细胞动物. 具有个体小、易培养、生命周期短、易获得大量单克隆群体等特点,这些便于科学研究的特点使其成为研究生命现象以及其机理的好材料,并且它作为一种研究模型,在生态学,环境科学,分子遗传学,细胞生物学等多个领域内也被广泛应用. 不仅有多方面的经济价值,而且有重要的科学研究价值.

1 生态学方面

原生动物出现在广泛的环境范围,组成了自然水域重要的生态类群,它们所形成的复杂的种类聚合体组成了水生生态系统中完整的生态单元,显示了整个水生生态系统结构和功能的许多特征,如群落的稳定性及对环境变化的反应等等. 由于原生动物种类多、数量大并因理化环境与食物等生态因子和营养类型的差异而占据有不同的生态位,因而它们群落的明显改变在很大程度上可以影响到食物网的组成,因此直接或间接地影响其他较低和较高生物类群的分布和丰度. 原生动物和其他微型生物一起组成了许多水生系统生物量的主要部分. 按照单位面积或体积计数种类和计算其重量,原生动物和其他微型生物在水生生态系统中处于优势地位.

水体中原生动物的种类数和个体丰度受到不同水质状况的影响. 原生动物群落特征的变化能够较客观地反映不同类型湖泊的营养水平[2]. 通过分析国内外不同营养类型湖泊(寡营养型、中营养型、富营养型)原生动物种类组成、个体丰度、多样性指数(结构参数)和PFU群集速度(功能参数)的差异,显示原生动物群落结构和功能特征与湖泊的营养水平关系密切. 氮和磷浓度是影响湖泊原生动物群落变化的重要因子,在高度富营养化湖泊中的原生动物群落对此产生明显的响应,即既可改变群落结构,也可改变其功能特征[3].

在水生生态系统中,作为捕食者(或初级消费者)和被捕食者的原生动物在物质循环和能量流动过程中扮演了十分重要的角色. 原生动物是细菌和微型浮游植物 (microphytoplankton) 的主要捕食者,又是很多浮游动物 (zooplankton) 的重要的饵料来源. 因此,原生动物被认为是食物网中从微型生物构成 (microbial components) 到较高营养级的一个能量传递的重要环节. 一方面,它们通过对有机颗粒物、细菌和藻类的摄食和吸收,直接将能量进行转化,使较复杂的物质转化成较简单的成分并得以在水环境中再循环. 同时,通过它们的摄食作用,刺激了藻类和细菌的生长,促进了有机物的分解,加速了水体中物质循环与能量转换. 另一方面,从种类的多样性、结构上的特殊性及分布特点来看,原生动物可作为污染评价理想的指示生物.

2 环境科学方面

2.1 作为指示生物在水质监测中的应用

指示生物又叫生物指标物,就是指那些在一定地区范围内,能通过其特性、数量、种类和种群等变化,指示环境或某一环境因子特征的生物[4]. 水体生物监测原理就是,水体受到污染后,水生生物的群落结构和个体数就会发生变化,最终结果是敏感生物消亡,抗性生物旺盛生长,群落结构单一. 应用原生动物对水体进行污染监测是生物监测的一种重要手段. 由于原生动物对环境条件有一定的要求,对栖息地中某些环境因素的变化较为敏感,尤其是不同水质的水体中必定生活着某些相对稳定的种类,因此在环境的监察中,可以作为“指示生物”,判断水质污染程度.

一般来讲,一种生物的结构越简单、个体越小、相对的表面积越大、对周围介质的化学作用的体表保护性就越不完善,对环境变化就越敏感. 与较高等生物相比,单细胞的原生动物不仅与它们所生存的环境直接接触,对环境变化具有更短、更迅速的反应时间从种类的多样性、结构的复杂性及分布的广泛性来看,原生动物可以作为污染评价理想的指示生物. 绝大多数原生动物种类为世界性分布,不受季节和地区差异的限制. 这些相同的种类作为水质评价的指示生物,使数据的可靠性和可比性程度大大提高,因此是很理想的指示生物.

根据特点,可以将水体划分为多污性水体,α—中污性水体,β—中污性水体和寡污性水体. 在应用中最好是采用常见而又占优势的种类来指示该水体的污染程度. 多污性水体的原生动物有:施氏肾形虫、变豆形虫、闪瞬目虫、梨形四膜虫、小口钟虫、及扭头虫、齿口虫等[5-6]. 国内不少科学家、学者用原生动物优势种的功能类群及其对水质的指示意义和平衡期评价了多个地区水体的污染状况. 近十几年来,随着全球性的水污染日益严重,生物监测受到人们的广泛关注,原生动物监测水质成为生物监测的重要手段. 总之,由于原生动物结构简单,生命周期短,对污染反应迅速,水体环境的突然变化能及时从原生动物群落的变化上反映出来. 因此在监测评价水质的瞬时变化(如瞬时排污)和长期内的连续变化(长期效应)方面,原生动物作为理想的监测生物具有不可替代的作用.

2.2 作为指示生物在土壤环境监测中的应用

土壤原生动物泛指生活在土壤中或土壤表面覆盖的凋落物中的原生动物. 土壤原生动物具有丰富的种类多样性以及巨大的生物量,它们既参与了微生物所介导的物质循环和能量转化,也参与了动物对微生物的捕食作用,因此在土壤生态系统中具有十分重要的地位. 长期以来,人们对水、气污染研究的比较深入,而对土城污染尚未给予足够的重视. 事实恰恰相反,土壤污染超标后,土壤的生态平衡被破坏,结构与功能恶化、生物降解能力下降,致使农作物生长发育受到抑制,农产品的质量下降. 同时,被农作物富集的有毒物质对人类的健康造成了潜在的威胁. 因此,土壤污染的危害是不容忽视的.

原生动物对环境条件变化非常敏感,研究其数量、群落结构、及多样性的动态变化,可监测、评价生物及非生物环境污染. 原生动物作为指示生物,其优点可概括为: (1)原生动物是单细胞生物,能直接暴露在水膜中,与周围环境或污染物相接触; (2)原生动物是土壤生态系统中的重要组成部分; (3)土壤原生动物的种类遍布全球,这为不同地区实验结果的比较提供了可能; (4)原生动物生命周期短,许多种类生活周期仅几个小时,可作为快速监测早期预警系统的生物学指标; (5)原生动物可在极端环境条件下生存,对研究极端环境具有重要价值

[7];(6)原生动物与原核生物相比,对环境的反应更具有说服力.

目前,土壤原生动物作为指示生物广泛用于土壤污染的监测及剂量-响应关系等研究中. 土壤原生动物可以监测土壤中的有机氯类、农药类和重金属类污染物, 尤其是重金属污染. 极端环境条件下的纤毛虫如厌氧纤毛虫,它们可作为土壤氧气状况的指示生物. 在以传统物理、化学方法很难监测的周期性或偶然性氧损耗时更为有效. 异毛虫是最典型的厌氧土壤环境栖息类群,对缺氧环境有重要指示作用[8].

3 分子遗传学方面

以原生动物为材料的真核细胞的分子遗传学研究,正进一步深人展开. 美国科罗拉多大学的Cech T R教授及其实验室,多年来一直从事四膜虫的分子遗传学研究,他们在对嗜热四膜虫的rRNA的环化位点的选择提出自已的模型之后,又对四膜虫的核糖酶所催化的DNA裂解进行了研究[9]. 美国K.M.Ivanetich等对原生动物中一种具有双功能的TS-DHFR(胸昔酸合成酶-二氢叶酸还原酶)的蛋白质进行了研究. 他们发现在许多寄生原生动物的一种蛋白质的多肤链上,同时具有TS和DHFR. 这种蛋白质系由TS-DHFR基因控制,经常用来处理微生物感染的抗叶酸盐.对于利什曼原虫(Leishmania)和疟原虫(Plasmodium)等的DHFR的抑制作用却很小,这可能与这种双功能蛋白质的特性有关. 他们的研究为找到寄生原虫的DHFR的阻抑剂奠定了理论基础[10]. 另外,瑞士和以色列的一些学者们合作研究了莱哈衣滴虫在细胞周期中EF-Tu的合成以及其mRNA的分布状况, EF-Tu是一种控制细胞拉长的因子,其基因编码在叶绿体DNA上. 研究的结果表明,EF-Tu的合成与类囊体的膜有密切的关系[11].

全国在原生动物分子遗传学方面也取得了很大的进展. 正因原生动物的个体小、易培养、生命周期短、易获得大量单克隆群体等特点,为分子遗传学研究提供了有力而充足的实验材料. 虽然原生动物的基因组计划较晚才开始,但相当部分的项目已取得了很好的进展或正在酝酿并将很快付诸实施,尤其是针对一些有医学意义的寄生种类(如疟原虫、弓形虫等)和分子生物学研究模式生物(如四膜虫、草履虫等)的基因组学研究. 应用单克隆抗体双夹心免疫金银染色法检测病人血清中疟疾循环抗原,也取得了成功.

4 细胞学方面

单细胞原生动物是研究真核细胞的结构及其内部规律的极好材料. 美国田纳西州大学的

D.E.ohns等分别利用Gfuˉ微管蛋白和Tyrˉ微管蛋白的单克隆特异抗体与阔口游仆虫进行反应,然后用免疫荧光显微技术和电子显微技术来搞清不同的:一微管蛋白在细胞中的分布.

Gluˉ微管蛋白主要分布在游仆虫的棘毛和小膜等处,而Tryˉ微管蛋白主要围绕在大核和小核四周以及在棘毛和小膜的基部[12]. 细胞膜的离子通道一直是细胞学研究的热点之一. 英国的Y.Oosawa研究了四膜虫纤毛上的阳离子选择通道,这一通道可以允许单价和二价阳离子通过. 作者提出了一个“双屏障模型”,并且用这一模型计算出来的结果与将四膜虫放在K离子和Ca离子的混合溶液中测得的数据加以比较,得到了较好的结果[13]. 如利用分子探针技术研究变形虫细胞对外来物质的吸收情况. 对四膜虫的肌动蛋白与骨骼肌的肌动蛋白进行了比较研究. 发现这两种肌动蛋白有共聚作用,存在着相似之处

,但也有不同之处,例如肌肉的“一辅肌动蛋白就不能结合到四膜虫的肌动蛋白上去”. 还有许多科学家和学者以原生动物为研究模型,得到了许多细胞学上的研究理论及成果.

5 展望

原生动物不仅在以上领域有着深远的科研价值,在污水的生物处理等领域也有着重要的应用价值. 原生生物不但可以作为污水指示生物,而且可以通过其自身机能使污水达到净化. 近年来,很多国家为解决日趋严重的环境污染问题,利用生物的生理活动,建立高效净化污染环境以及将污染转化为资源的技术系统. 建立各种污水处理厂,利用原生动物来净化污水. 一般采用活性污泥法、渗透过滤、流离生物床法[14]等. 另外,目前通过分子生物学技术研究,寡毛目的四膜虫(Tetrahymenasp. )、草履虫(Parameciumsp. )、毛目尖毛虫(Oxytrichasp. )、棘尾虫(Stylonychiasp. )将UAA、UAG翻译成谷氨酰胺(Gln),只将UGA作为唯一的终止密码子;相反,游仆虫(Euplotessp. )则将UGA翻译成半胱氨酸(Cys),而用UAA作为主要终止密码子. 在长期的进化过程中,纤毛虫密码子的使用与大多数的真核生物发生了不同,因此它们的密码变异情况可为探讨生命的起源和进化提供理论基础.

综上所述,原生动物学的研究具有十分重要的科研意义和应用价值,目前在诸多领域的研究正处于一个上升期,许多方面都在蓬勃发展和努力迈进之中. 有理由相信,在不久的将来,原生动物的研究会为改善生活环境,提高生活质量等诸多方面做出更多,更显著的贡献.

参 考 文 献

[1] 王娅宁,施心路,刘桂杰,等. 纤毛原生动物研究的经济意义.生物学杂志,2009, 26(6):1008-9632.

[2] 龚循矩.从原生动物变化看武汉东湖富营养化的发展.水生生物学报,1986,10(4):340-352.

[3] 许木启,曹宏. PFU原生动物群落生物监测的生态学原理与应用.生态学报,2004,24(7): 1540-1547.

[4] 李江平,李雯.指示生物及其在环境保护中的应用[J].云南环境科学, 2001, 20(1): 51-54.

[5] 张文渊.水生生物评价在水利水电工程环境管理中的应用[J].环境工程, 2001, 19(3): 57-59.

[6] 顾福康.原生动物学概论[M].北京:高等教育出版社, 1991.

[7] 宋雪英,宋玉芳.土壤原生动物对环境污染的生物指示作用[J].应用生态学报, 2004, 15(10): 1979-1982.

[8] Griffiths B S,Eke Lund F,Rom R. Protozoa and nematodes on barley roots

[J]. Soil Biology & Biochemistry,1993,25(6):1293-1295.

[9] Hersehlag D.Nature,1990,344:405.

[10]Ivanetich K M. FASEB Journal,1990,4:1591.

[11]Breidenbach J, Biochimca et al. Biophysical Acta, 1990,1048:209.

[12]Loins’ D E. Biol Cell,1980,66:235.

[13]Osawa Y. Biophys J,1989,56:1217.

[14]张彤,李宇. 原生动物在污水净化中应用研究综述.安徽农学通报,2009,15(19):1007-7731.

(责任编辑:李家云)


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