基因工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

1、 基因工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用隨著科技的發(fā)展,人類在為自己生產(chǎn)出越來(lái)越多生活資料的同時(shí),產(chǎn)生有害物質(zhì)的數(shù)量和種類也大幅度增加,環(huán)境污染已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然界微生物的凈化能力，已成為人們十分關(guān)注的問(wèn)題?；蚬こ碳夹g(shù)是在DNA分子水平上按照人們的意愿進(jìn)行的定向改造生物的新技術(shù)。而利用基因工程技術(shù)提高微生物凈化環(huán)境的能力是用于環(huán)境治理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這一技術(shù)發(fā)展到今天,正形成產(chǎn)業(yè)化并列為世界領(lǐng)先專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域之一,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源和國(guó)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(yīng)用基因工程技術(shù)應(yīng)用于廢水處理是水處理領(lǐng)域一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新興技術(shù)。常規(guī)

2、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(zhuǎn)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及其成分的復(fù)雜性，自然進(jìn)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(shù)對(duì)這些菌株進(jìn)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(yīng)用于水污染處理。因此，構(gòu)建基因工程菌成為現(xiàn)代廢水處理技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，且日益受到人們的重視。基因工程技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面。1、基因工程在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用目前，聚合酶反應(yīng)（簡(jiǎn)稱PCR）技術(shù)和核酸探針技術(shù)

3、是常用于水環(huán)境中微生物的檢測(cè)技術(shù)。PCR技術(shù)是一種在體外模擬自然DNA復(fù)制過(guò)程的核酸擴(kuò)增技術(shù)，常用于監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境中存在的微生物。標(biāo)記的核酸探針可以用于待測(cè)核酸樣本中特定基因序列，如監(jiān)測(cè)飲用水中病毒的含量。PCR技術(shù)和核酸探針技術(shù)可能取代常規(guī)的水質(zhì)分析，發(fā)展成為一種快速可靠水體微生物的檢測(cè)技術(shù)，并將在細(xì)菌、病毒及其他毒物檢測(cè)中得以迅速的應(yīng)用發(fā)展。2、基因工程菌對(duì)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(lái)研究的熱點(diǎn)?；蚬こ碳夹g(shù)在重金屬?gòu)U水治理中的作用主要體現(xiàn)在提高微生物菌體細(xì)胞對(duì)重金屬離子的富集容量以及提高菌體對(duì)特定重金屬離子的選擇性兩個(gè)方面。此法采用生物工程技術(shù)將

4、微生物細(xì)胞中參與富集的主導(dǎo)性基因?qū)敕敝沉?qiáng)、適應(yīng)性能佳的受體菌株,大大提高了菌體對(duì)重金屬的適應(yīng)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(duì)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(guò)在微生物細(xì)胞表面表達(dá)高容量金屬結(jié)合蛋白或金屬結(jié)合肽的方法就能很好地達(dá)到目的。另外，將經(jīng)基因技術(shù)在菌體中表達(dá)的金屬結(jié)合蛋白分離后固定在某些惰性載體表面同樣也能達(dá)到重金屬離子高富集容量的目的。2.2同時(shí)提高重組菌的富集容量和對(duì)特定重金屬離子的選擇性通過(guò)特異性金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的表達(dá)，基因工程菌對(duì)目標(biāo)重金屬的富集作用就介于特異性蛋白與目標(biāo)重金屬之間才存在的生物親和力，具有很高的排他

5、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(shí)現(xiàn)再資源化成為可能。3、基因工程菌降解廢水中的有機(jī)污染物生物處理法是廢水中有機(jī)污染物降解的主要方法，但是部分難降解有機(jī)污染物需要不同降解菌之間的協(xié)同代或共代等復(fù)雜機(jī)制才能最終得以降解,這無(wú)疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代產(chǎn)物在不同降解菌間的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是耗能過(guò)程,對(duì)細(xì)菌來(lái)說(shuō)這是一種不經(jīng)濟(jì)的營(yíng)養(yǎng)方式；其次,某些污染物的中間代產(chǎn)物可能具有毒性，對(duì)代活性有抑制作用。因此,將不同種屬、來(lái)源的細(xì)菌的降解基因進(jìn)行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代途徑組合起來(lái)以構(gòu)建具有特殊降解功能的超級(jí)降解菌,可以有效地提高

6、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(yùn)用生物工程技術(shù)把降解菌的基因片段通過(guò)轉(zhuǎn)基因工程轉(zhuǎn)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(yīng)用于染料廢水的處理。進(jìn)一步的工作是繼續(xù)構(gòu)建系列基因工程菌，篩選出絮凝-降解性能好、遺傳特性好和成本低的系列雙功能基因工程菌株。并將該技術(shù)應(yīng)用于染料生產(chǎn)廢水的處理或其它領(lǐng)域。5、基因工程在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用伴隨著生物技術(shù)的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)越來(lái)越多地運(yùn)用生物工程技術(shù)來(lái)減少排放量和污染物數(shù)量。比如用微生物發(fā)酵生產(chǎn)和遺傳工程技術(shù)將合成特定氨基酸的基因克隆進(jìn)入微生物的細(xì)胞質(zhì)中，然后借助微生物的增殖來(lái)生產(chǎn)蛋白質(zhì)魚類飼料，可以提高魚對(duì)飼

7、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(shù)和基因工程培育一些去污能力強(qiáng)的植物(特別是藻類)和微生物來(lái)凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖；利用生物工程對(duì)魚類進(jìn)行生理修正，使魚類提高耐污能力和減少排泄物，比如Phelps培育的魚類對(duì)沙門氏菌屬形成抗體，這種魚類就可以在污染水體中生長(zhǎng)。耀通等對(duì)具有高效凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的紫色非硫光合細(xì)菌進(jìn)行了分離和篩選，篩選出來(lái)的紫色非硫光合細(xì)菌既有很強(qiáng)的凈水能力，又是魚類的飼料。目前國(guó)的研究主要集中在光合細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化中的應(yīng)用。6、轉(zhuǎn)基因水生植物治理工業(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

8、。由大學(xué)生命科學(xué)院蛋白質(zhì)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究成功的轉(zhuǎn)基因藍(lán)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(dá)到國(guó)際出口標(biāo)準(zhǔn)。此外，還可美化城市街道，防止環(huán)境再度污染。目前這項(xiàng)成果已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室階段工作，可望盡快推廣應(yīng)用。每公斤轉(zhuǎn)基因藍(lán)藻可吸附克以上的汞，已成為國(guó)家項(xiàng)目和科技部九五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，并處于國(guó)際領(lǐng)先水平。二、基因工程在土壤污染中的應(yīng)用由于人類的活動(dòng)，使得污染物進(jìn)入土壤并積累到一定程度，引起土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，對(duì)生物、水體、空氣和人體健康造成危害。相對(duì)于其他環(huán)境介質(zhì)污染，土壤污染具有隱蔽性

9、和潛伏性、長(zhǎng)期性和不可逆性，并且土壤對(duì)污染物有富集作用。因此對(duì)于土壤污染的治理受到了廣大人民的關(guān)注。主要有以下幾方面。1、基因工程技術(shù)應(yīng)用于含油土壤的治理落地油和含油污水對(duì)土壤造成了嚴(yán)重污染,大量的油泥,不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,同時(shí)也給石油行業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。在生命科學(xué)已成為自然科學(xué)核心的今天,一批具有特殊生理生化功能的植物、微生物應(yīng)運(yùn)而生,基因修飾、改造、基因轉(zhuǎn)移等現(xiàn)代生物技術(shù)的滲透推動(dòng)了污油土壤處理生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,因此,利用生物技術(shù)進(jìn)行油污土壤治理,具有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)利用DNA重組技術(shù)把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴、脂肪烴的4 種菌體基因,轉(zhuǎn)移到某一菌體中構(gòu)建出可同時(shí)降解4 種

10、有機(jī)物的“超級(jí)細(xì)菌”,用之清除石油污染,在數(shù)小時(shí)可將水上浮油中的2 /3 烴類降解。在石油開(kāi)采過(guò)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(shù),從一般的篩選工作,轉(zhuǎn)入到降解代途徑、降解酶系組成及其遺傳的控制機(jī)制上來(lái),在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)定向育種,定向構(gòu)建具有高效生物降解能力的基因工程菌?；蚬こ叹到庑矢?、底物圍廣、表達(dá)穩(wěn)定,比自然環(huán)境中的降解性微生物更具競(jìng)爭(zhēng)力,例如PCP103 菌株的構(gòu)建?；蚬こ叹臉?gòu)建和應(yīng)用對(duì)于美化環(huán)境、保護(hù)人類健康提供了一系列可行的途徑?，F(xiàn)代科學(xué)工作者把PCR技術(shù)用于基因工程菌的構(gòu)建并已取得了一些成績(jī),國(guó)外正在進(jìn)行這方面的研

11、究。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,基因工程菌在含油污水處理中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步完善,為人類造福。2、基因工程技術(shù)已成功開(kāi)發(fā)出能吞食有毒廢棄物的細(xì)菌美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的微生物學(xué)工作者培育出了一種以PCBs (聚氯聯(lián)苯)為食物的細(xì)菌。PCBs是一種污染環(huán)境的致癌物質(zhì),它不能被一般的自然過(guò)程破壞,這種從實(shí)驗(yàn)室中培育成的細(xì)菌被認(rèn)為是有效解決這一難題的工具。該大學(xué)的研究人員是將一種一般土壤細(xì)菌(惡臭假單胞菌)的兩個(gè)菌株的DNA進(jìn)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(gòu)成PCB s分子的一個(gè)關(guān)鍵基因。它由兩個(gè)苯環(huán)組成的,有劇毒,在它們緊密結(jié)合時(shí)便成為潛在的致癌物。PCBs進(jìn)入人體后,

12、不能被人體的新代過(guò)程破壞,且能傳給下一代。這種物質(zhì)也能長(zhǎng)期保存在土壤中不會(huì)被分解。新培育出的這種兩個(gè)菌株的遺傳物質(zhì)發(fā)生交換的突變菌株則能分解PCBs,可使這種有毒害的物質(zhì)變成無(wú)害的物質(zhì)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(yīng)用全球工業(yè)化導(dǎo)致大量的潛在毒性化合物釋放并進(jìn)入生物圈，不僅對(duì)環(huán)境造成了污染，還會(huì)通過(guò)食物鏈對(duì)人體產(chǎn)生傷害。一般利用化學(xué)和物理方法清除土壤中重金屬的污染，通常因?yàn)槌杀咎吆推茐沫h(huán)境而不被大規(guī)模應(yīng)用。而通過(guò)植物修復(fù)來(lái)轉(zhuǎn)移，容納或轉(zhuǎn)化環(huán)境污染物可以達(dá)到清除污染物，治理環(huán)境的目的。植物修復(fù)技術(shù)是利用植物對(duì)重金屬的吸收、富集和轉(zhuǎn)化能力把土壤中殘存的重金屬吸收，富集到

13、植物體，然后收獲植物，從而減少土壤中重金屬的含量，實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)的目標(biāo)?？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(gòu)建的特異降解功能菌株，將滯留的重金屬降解和轉(zhuǎn)化成無(wú)害的物質(zhì)。三、基因工程在農(nóng)業(yè)環(huán)保中的應(yīng)用隨著科技的發(fā)展,人類在為自己生產(chǎn)出越來(lái)越多的生活資料的同時(shí),也向大自然排放了越來(lái)越多的有害和難降解物質(zhì),例如:農(nóng)藥、化肥等,這些物質(zhì)正嚴(yán)重破壞環(huán)境和危害著人類的身體健康。因此,有意識(shí)地利用生物界中存在的凈化能力進(jìn)行生物治理,已漸漸成為環(huán)境治理的主要手段?；蚬こ淘谵r(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用前景是相當(dāng)廣闊的,除、抗蟲害,還可能培育出能固氮的轉(zhuǎn)基因作物,能抗旱、抗寒的轉(zhuǎn)基因植物等。主要有以下幾個(gè)

14、方面。1、基因工程技術(shù)應(yīng)用微生物降解農(nóng)藥農(nóng)田長(zhǎng)期過(guò)量施用農(nóng)藥，嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡，造成土壤水質(zhì)及食品中殘留毒性增加，給人畜帶來(lái)潛在危害。因微生物在物質(zhì)循環(huán)中的重要作用，因此對(duì)環(huán)境修復(fù)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(yīng)用基因工程原理與技術(shù)，對(duì)微生物進(jìn)行改造，構(gòu)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(shí)中對(duì)細(xì)菌中的農(nóng)藥降解基因、降解途徑等許多農(nóng)藥降解機(jī)制的闡述，可構(gòu)建具有高效降解性能的工程菌。例如，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出有凈化農(nóng)藥(如DDT)，降解水中染料以及環(huán)境中有機(jī)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OpdA (編碼有機(jī)磷降解基因

15、)構(gòu)建原核表達(dá)質(zhì)粒，并轉(zhuǎn)到大腸桿菌正E.coli DHl0B中表達(dá)，對(duì)其表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)OpdA能對(duì)幾種農(nóng)藥有酶解作用。2、基因工程應(yīng)用于生物替代合成農(nóng)藥、化肥農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中容易受到致病菌及害蟲的影響，因此在作物種植過(guò)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)藥殘留及環(huán)境污染的主要原因。2.1微生物農(nóng)藥代替合成農(nóng)藥、化肥基因工程技術(shù)的發(fā)展，為防治農(nóng)林害蟲提供了有效的新技術(shù)手段，微生物農(nóng)藥因此在世界圍受到廣泛重視。微生物農(nóng)藥是指非化學(xué)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(xì)菌、真菌和病毒。微生物殺蟲劑對(duì)人畜安全無(wú)毒

16、，不污染環(huán)境；殺蟲作用具有一定的特異性和選擇性，不會(huì)致死天敵和非目標(biāo)昆蟲；易和其他生物手段結(jié)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(guò)發(fā)酵法生產(chǎn)；生產(chǎn)成本較低；可以通過(guò)基因工程技術(shù)途徑篩選或構(gòu)建優(yōu)良性能的菌株來(lái)滿足生產(chǎn)應(yīng)用的需要等。科學(xué)工作者正在對(duì)固氮酶及國(guó)氮酶基因進(jìn)行深入的研究，并利用基因工程技術(shù)對(duì)固氮酶基因進(jìn)行修飾改造，一方面提高固氮菌的固氮能力，另一方面擴(kuò)大能與固氮菌共生的作物種類。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展和對(duì)固氮菌分子生物學(xué)機(jī)理研究的不斷深入，將會(huì)有越來(lái)越多的農(nóng)作物通過(guò)固氮菌的作用直接利用空氣中的氮?dú)鈴亩鴾p少化學(xué)肥料的使用量。2.2轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物代替合成農(nóng)藥、化肥利用基因工程技術(shù)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(shù)將各種抗病、抗蟲基因轉(zhuǎn)移到大豆、玉米和水稻等多種重要農(nóng)作物中，利用轉(zhuǎn)基因植物自身的能力抵抗外界病、蟲的危害，達(dá)到減少農(nóng)藥使用的目的。3、基因工程技術(shù)應(yīng)用于植物，改善環(huán)境3.1基因工程技術(shù)應(yīng)用于植物治理重金屬污染