基因工程技術在環(huán)境保護中的應用

1、基因工程技術在環(huán)境保護中的應用隨著科技的發(fā)展 ,人類在為自己生產(chǎn)出越來越多生活資料的同時 ,產(chǎn)生 有害物質的數(shù)量和種類也大幅度增加 ,環(huán)境污染已遠遠超出了自然界微生 物的凈化能力，已成為人們十分關注的問題。基因工程技術是在分子水平 上按照人們的意愿進行的定向改造生物的新技術。而利用基因工程技術提 高微生物凈化環(huán)境的能力是用于環(huán)境治理的一項關鍵技術。這一技術發(fā)展 到今天 ,正形成產(chǎn)業(yè)化并列為世界領先專業(yè)技術領域之一 ,廣泛應用于食 品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力。一、基因工程在廢水處理中的應用基因工程技術應用于廢水處理是水處理領域一項具有廣泛應用前景的

2、 新興技術。常規(guī)的廢水處理方法有物化法、生物法等。由于一般的物化方 法只是污染物的轉移，不能從根本上治理，且容易造成二次污染，成本也 較高，生物法逐漸成為廢水處理的主要方法。但是由于廢水的多樣性與其 成分的復雜性，自然進化的微生物降解污染物的酶活性往往有限，如果能 利用基因工程技術對這些菌株進行遺傳改造，提高微生物酶的降解活性， 并可大量繁殖，就可以定向獲得具有特殊降解性狀的高效菌株，方便有效 地應用于水污染處理。因此，構建基因工程菌成為現(xiàn)代廢水處理技術的一 個重要研究方向，且日益受到人們的重視。基因工程技術在廢水處理中的 應用有以下幾個方面。1 、基因工程在環(huán)境污染監(jiān)測中的應用目前，聚合酶反

3、應（簡稱）技術和核酸探針技術是常用于水環(huán)境中微 生物的檢測技術。技術是一種在體外模擬自然復制過程的核酸擴增技術， 常用于監(jiān)測海洋環(huán)境中存在的微生物。標記的核酸探針可以用于待測核酸 樣本中特定基因序列，如監(jiān)測飲用水中病毒的含量。技術和核酸探針技術 可能取代常規(guī)的水質分析，發(fā)展成為一種快速可靠水體微生物的檢測技 術，并將在細菌、病毒與其他毒物檢測中得以迅速的應用發(fā)展。2 、基因工程菌對水體中重金屬離子的生物富集利用基因工程菌代替普通微生物處理重金屬是近年來研究的熱點?；?因工程技術在重金屬廢水治理中的作用主要體現(xiàn)在提高微生物菌體細胞 對重金屬離子的富集容量以與提高菌體對特定重金屬離子的選擇性兩個

4、方面。此法采用生物工程技術將微生物細胞中參與富集的主導性基因導入 繁殖力強、 適應性能佳的受體菌株內 ,大大提高了菌體對重金屬的適應性和 處理效率。2.1 提高重組菌重金屬離子的富集容量 若不考慮重組菌對特定重金屬離子的選擇性而只要提高重組菌重金屬 離子的富集容量，則通過在微生物細胞表面表達高容量金屬結合蛋白或金 屬結合肽的方法就能很好地達到目的。另外，將經(jīng)基因技術在菌體中表達 的金屬結合蛋白分離后固定在某些惰性載體表面同樣也能達到重金屬離 子高富集容量的目的。2.2 同時提高重組菌的富集容量和對特定重金屬離子的選擇性 通過特異性金屬轉運系統(tǒng)的表達，基因工程菌對目標重金屬的富集作 用就介于特異

5、性蛋白與目標重金屬之間才存在的生物親和力，具有很高的 排他性，與生物吸附法的表面吸附特性完全不同，這就使有效回收利用廢 水中重金屬離子，使廢水中重金屬元素實現(xiàn)再資源化成為可能。3 、基因工程菌降解廢水中的有機污染物 生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法，但是部分難降解有 機污染物需要不同降解菌之間的協(xié)同代謝或共代謝等復雜機制才能最終 得以降解 ,這無疑降低了污染物的降解效率。首先 ,污染物代謝產(chǎn)物在不同 降解菌間的跨膜轉運是耗能過程 ,對細菌來說這是一種不經(jīng)濟的營養(yǎng)方式； 其次,某些污染物的中間代謝產(chǎn)物可能具有毒性，對代謝活性有抑制作用。 因此 ,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組

6、,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力。4 、絮凝降解高效基因工程菌處理染料廢水運用生物工程技術把降解菌的基因片段通過轉基因工程轉入絮凝菌株，培養(yǎng)出具有絮凝和降解雙功能基因的高效基因工程菌并應用于染料廢 水的處理。遺傳進一步的工作是繼續(xù)構建系列基因工程菌， 篩選出絮凝 - 降解性能好、 特性好和成本低的系列雙功能基因工程菌株。并將該技術應用于染料生產(chǎn) 廢水的處理或其它領域。5 、基因工程在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應用伴隨著生物技術的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)越來越多地運用生物工程技術來 減少排放量和污染物數(shù)量。比如用微生物發(fā)酵生產(chǎn)和遺傳

7、工程技術將合成 特定氨基酸的基因克隆進入微生物的細胞質中，然后借助微生物的增殖來 生產(chǎn)蛋白質魚類飼料，可以提高魚對飼料的利用率，降低氮的排泄物，減 少中氮的濃度；利用生物篩選技術和基因工程培育一些去污能力強的植物 （特別是藻類 ）和微生物來凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖；利用生物工程對魚類進行生理修 正，使魚類提高耐污能力和減少排泄物，比如培育的魚類對沙門氏菌屬形 成抗體，這種魚類就可以在污染水體中生長。鄭耀通等對具有高效凈化水 產(chǎn)養(yǎng)殖水體的紫色非硫光合細菌進行了分離和篩選，篩選出來的紫色非硫 光合細菌既有很強的凈水能力，又是魚類的飼料。目前國內的研究主要集 中在光合細菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化中的應用。6 、轉基因

8、水生植物治理工業(yè)廢水的重金屬污染根據(jù)一些藻類等水生物植物具有從水環(huán)境中大量積累重金屬離子的能 力，利用基因工程消除水體中重金屬的污染。由北京大學生命科學院蛋白 質工程國家重點實驗室研究成功的轉基因藍藻，可分別用于吸附并排除水 域中重金屬鎘、汞、鉛、鎳污染，尤其是水稻、人參、中草藥、茶葉等多 種出口產(chǎn)品的污染和城市工業(yè)污水、礦業(yè)污水、電鍍污水等，使其達到國 際出口標準。此外，還可美化城市街道，防止環(huán)境再度污染。目前這項成 果已經(jīng)完成實驗室階段工作，可望盡快推廣應用。每公斤轉基因藍藻可吸 附10克以上的汞，已成為國家8 6 3項目和科技部九五重點攻關項目， 并處于國際領先水平。二、基因工程在土壤污

9、染中的應用由于人類的活動，使得污染物進入土壤并積累到一定程度，引起土壤 環(huán)境質量惡化，對生物、水體、空氣和人體健康造成危害。相對于其他環(huán) 境介質污染，土壤污染具有隱蔽性和潛伏性、長期性和不可逆性，并且土 壤對污染物有富集作用。因此對于土壤污染的治理受到了廣大人民的關 注。主要有以下幾方面。1 、基因工程技術應用于含油土壤的治理 落地油和含油污水對土壤造成了嚴重污染 ,大量的油泥 ,不僅造成嚴重 的環(huán)境問題 ,同時也給石油行業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失。 在生命科學已成為自 然科學核心的今天 ,一批具有特殊生理生化功能的植物、微生物應運而生,基因修飾、改造、基因轉移等現(xiàn)代生物技術的滲透推動了污油土壤處理

10、生 物技術的進一步發(fā)展 ,因此 ,利用生物技術進行油污土壤治理 ,具有廣闊的應 用前景。美國利用重組技術把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴、脂肪烴的 4 種菌體 基因鏈接 ,轉移到某一菌體中構建出可同時降解 4 種有機物的 “超級細菌” , 用之清除石油污染 ,在數(shù)小時內可將水上浮油中的 2 /3 烴類降解。在石油 開采過程中 ,采出的原油含有大量水分 ,原油脫下的廢水中 ,含有大量的石油 污染物。全向春引入現(xiàn)代生物技術 ,從一般的篩選工作 ,轉入到降解代謝途 徑、降解酶系組成與其遺傳的控制機制上來 ,在此基礎上 ,實現(xiàn)定向育種 ,定 向構建具有高效生物降解能力的基因工程菌?；蚬こ叹到庑矢摺⒌?

11、物范圍廣、表達穩(wěn)定 ,比自然環(huán)境中的降解性微生物更具競爭力 ,例如 103 菌株的構建?；蚬こ叹臉嫿ê蛻脤τ诿阑h(huán)境、保護人類健康提供 了一系列可行的途徑?，F(xiàn)代科學工作者把技術用于基因工程菌的構建并已 取得了一些成績 ,國內外正在進行這方面的研究。隨著生物技術的發(fā)展 ,基 因工程菌在含油污水處理中的應用將會進一步完善 ,為人類造福。2 、基因工程技術已成功開發(fā)出能吞食有毒廢棄物的細菌美國加利福尼亞大學的微生物學工作者培育出了一種以 （聚氯聯(lián)苯 ）為 食物的細菌。是一種污染環(huán)境的致癌物質 ,它不能被一般的自然過程破壞 , 這種從實驗室中培育成的細菌被認為是有效解決這一難題的工具。該大學 的

12、研究人員是將一種一般土壤細菌 （惡臭假單胞菌 ）的兩個菌株的進行交換 , 產(chǎn)生一種雜交的突變菌株。 該基因交換菌株能破壞聯(lián)苯基 ,而聯(lián)苯基正是構 成S分子的一個關鍵基因。它由兩個苯環(huán)組成的，有劇毒，在它們緊密結合時 便成為潛在的致癌物。進入人體后 ,不能被人體的新陳代謝過程破壞 ,且能 傳給下一代。這種物質也能長期保存在土壤中不會被分解。新培育出的這 種兩個菌株的遺傳物質發(fā)生交換的突變菌株則能分解 ,可使這種有毒害的 物質變成無害的物質水、二氧化碳和鹽類。3、基因工程在治理土壤中重金屬污染的應用全球工業(yè)化導致大量的潛在毒性化合物釋放并進入生物圈， 不僅對環(huán) 境造成了污染，還會通過食物鏈對人體產(chǎn)

13、生傷害。一般利用化學和物理方 法清除土壤中重金屬的污染，通常因為成本太高和破壞環(huán)境而不被大規(guī)模 應用。而通過植物修復來轉移，容納或轉化環(huán)境污染物可以達到清除污染 物，治理環(huán)境的目的。植物修復技術是利用植物對重金屬的吸收、 富集和轉化能力把土壤中 殘存的重金屬吸收，富集到植物體內，然后收獲植物，從而減少土壤中重 金屬的含量，實現(xiàn)環(huán)境修復的目標?？梢岳猛寥乐刑烊晃⑸镔Y源或人 為添加的目的菌株，甚至是構建的特異降解功能菌株，將滯留的重金屬降 解和轉化成無害的物質。三、基因工程在農(nóng)業(yè)環(huán)保中的應用隨著科技的發(fā)展 ,人類在為自己生產(chǎn)出越來越多的生活資料的同時,也向大自然排放了越來越多的有害和難降解物質

14、,例如 :農(nóng)藥、化肥等 ,這些物質正嚴重破壞環(huán)境和危害著人類的身體健康。因此,有意識地利用生物界中存在的凈化能力進行生物治理 ,已漸漸成為環(huán)境治理的主要手段。 基因工程 在農(nóng)業(yè)方面的應用前景是相當廣闊的,除、抗蟲害 ,還可能培育出能固氮的轉基因作物 ,能抗旱、抗寒的轉基因植物等。主要有以下幾個方面。1 、基因工程技術應用微生物降解農(nóng)藥農(nóng)田長期過量施用農(nóng)藥，嚴重破壞生態(tài)平衡，造成土壤水質與食品中 殘留毒性增加， 給人畜帶來潛在危害。 因微生物在物質循環(huán)中的重要作用， 因此對環(huán)境修復也有著重要作用， 然而農(nóng)藥 （特別是難降解農(nóng)藥 ） 恰恰限制 了微生物的降解能力。應用基因工程原理與技術，對微生物進

15、行改造，構 建高效的基因工程菌可以顯著提高農(nóng)藥降解效率。利用環(huán)境微生物知識中對細菌中的農(nóng)藥降解基因、降解途徑等許多農(nóng) 藥降解機制的闡述，可構建具有高效降解性能的工程菌。例如，現(xiàn)已開發(fā) 出有凈化農(nóng)藥 （如 ），降解水中染料以與環(huán)境中有機氯苯類和氯酚類、多氯 聯(lián)苯的基因工程菌” 。農(nóng)桿菌得到的 （編碼有機磷降解基因 ）構建原核表達 質粒，并轉到大腸桿菌正 0B 中表達，對其表達產(chǎn)物進行研究，發(fā)現(xiàn)能對 幾種農(nóng)藥有酶解作用。2 、基因工程應用于生物替代合成農(nóng)藥、化肥農(nóng)作物在生長過程中容易受到致病菌與害蟲的影響，因此在作物種植 過程中往往需要使用大量的農(nóng)藥控制病蟲害，這是造成食物中農(nóng)藥殘留與 環(huán)境污染的

16、主要原因。2.1 微生物農(nóng)藥代替合成農(nóng)藥、化肥基因工程技術的發(fā)展，為防治農(nóng)林害蟲提供了有效的新技術手段，微 生物農(nóng)藥因此在世界范圍受到廣泛重視。微生物農(nóng)藥是指非化學合成，具 有殺蟲防病作用的微生物制劑， 如微生物殺蟲劑、 殺菌劑、 農(nóng)用抗生素等， 這類微生物包括殺蟲防病的細菌、真菌和病毒。微生物殺蟲劑對人畜安全 無毒，不污染環(huán)境；殺蟲作用具有一定的特異性和選擇性，不會致死天敵 和非目標昆蟲；易和其他生物手段結合綜合防治害蟲，維持生態(tài)平衡；由 于殺蟲活性蛋白的多樣性，昆蟲產(chǎn)生抗性較緩慢；可以通過發(fā)酵法生產(chǎn)； 生產(chǎn)成本較低；可以通過基因工程技術途徑篩選或構建優(yōu)良性能的菌株來 滿足生產(chǎn)應用的需要等。

17、科學工作者正在對固氮酶與國氮酶基因進行深入的研究，并利用基因 工程技術對固氮酶基因進行修飾改造，一方面提高固氮菌的固氮能力，另 一方面擴大能與固氮菌共生的作物種類。隨著基因工程技術的發(fā)展和對固 氮菌分子生物學機理研究的不斷深入，將會有越來越多的農(nóng)作物通過固氮 菌的作用直接利用空氣中的氮氣從而減少化學肥料的使用量。2.2 轉基因農(nóng)作物代替合成農(nóng)藥、化肥利用基因工程技術使作物獲得抗病、抗蟲的能力是替代合成農(nóng)藥最直 接有效的方法。目前已采用基因工程技術將各種抗病、抗蟲基因轉移到 大豆、玉米和水稻等多種重要農(nóng)作物中，利用轉基因植物自身的能力抵抗外界病、蟲的危害，達到減少農(nóng)藥使用的目的。3 、基因工程技術應用于植物，改善環(huán)境3.1 基因工