基因工程技术在环境治理保护中的应用.doc

基因工程技术在环境保护中的应用杨 林, 聂克艳, 杨晓容, 高红卫*摘 要: 随着科技的发展, 人类在为自己生产出越来越多生活资料的同时, 产生有害物质的数量和种类也大幅度增加, 对环境的污染日益严重。基因工程技术是在DNA 分子水平上按照人们的意愿进行的定向改造生物的新技术。利用基因工程技术提高微生物净化环境的能力是用于环境治理的一项关键技术。本文简要介绍基因工程的原理、步骤与内容, 概述其在环境保护中的应用,以期能对同类研究提供参考。关键词: 基因工程; 环境保护The application of gene engineering technique to environmental protection Abstract: The gene engineering technique was the new technique for modifying living beings according to human wishes on the DNA molecular level and the key technique for environmental management by improving the purifying environment ability of microbes. The paper introduced the principle, step and con ten t of gene engineering, and reviewed the application of gene engineering technique to environment protection.Key word s: gene engineering; environmental protection随着科技的发展, 人类在为自己生产出越来越多的生活资料的同时, 也向大自然排放了越来越多的有害和难降解物质。如农药、塑料和各种芳香烃类化合物, 这些物质正严重破坏环境和危害着人类的身体健康。因此, 有意识地利用生物界中存在的净化能力进行生物治理, 已渐渐成为环境治理的主要手段。自然界中的生物, 往往在有毒物质的选择压力下经过基因突变、基因重组、物种间基因的交流, 进化出代谢这些有毒物质的能力 1。利用基因工程技术提高微生物净化环境的能力是现代生物技术用于环境治理的一项关键技术 2 。20世纪50年代初, 由于分子生物学和生物化学的发展, 对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸(DNA)的结构和功能有了比较清晰的阐述 3。20世纪70年代初实现了DNA重组技术, 逐步形成了以基因工程为核心内容, 包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术 4。这一技术发展到今天, 正形成产业化品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门,并日益显示出其巨大的潜力, 将为世界面临的环境保护等问题的解决提供广阔的应用前景。1 基因工程技术原理与步骤基因工程技术是一项极为复杂的高新生物技术, 它利用现代遗传学与分子生物学的理论和方法,按照人类的需要, 用DNA重组技术对生物基因组的结构或组成进行人为修饰或改造, 从而改变生物的结构和功能, 使之有效表达出人类所需要的蛋白质或对人类有益的生物性状 5 。首先该技术高效、经济, 这是传统产业工程无法比拟的。它能按人类需要来设计和改造生物的结构和功能, 生产出优良的动物、植物和微生物品种。在低投入的情况下, 能够高效生产出所需商品。而且外源基因只要进入受体细胞的基因组中就可以遗传给后代, 育出的优良品种, 可持久利用。其次, 该技术具有清洁、低耗和可持续发展的特点。现代基因工程所利用的原料是可再生及可循环使用的, 不需消耗大量的不可再生资源, 所以极少产生对生态环境有害的废物。再次, 该技术应用于疾病的诊断与治疗方面也具有优势。基因诊断更具预见性和准确性, 而且基因治疗可从基因水平上纠正疾病, 从而使疾病得以根治。111 基因工程技术的原理基因工程技术是一种按照人们的构思和设计,在体外将一种生物的个别基因插入质粒或其他载体分子, 构成遗传物质的重组, 然后导入到原先没有这类分子的受体细胞内进行无性繁殖, 使重组基因在受体细胞内表达, 产生出人类所需要的基因产品的操作技术。或者说, 基因工程技术是在生物体外, 通过对一种生物的DNA 分子进行人工/ 剪切0和/拼接0, 对生物的基因进行改造和重新组合, 再把它导入另一种生物的细胞里, 定向地改造生物的遗传性状, 产生出具有新的遗传特性的生物 6。112 基因工程技术的步骤和内容一个完整的基因工程技术流程一般包括目的基因的获得、载体的制备、基因的转移、基因的表达、基因工程产品的分离提纯等过程 7。概括起来, 基因工程技术应包括如下几个主要的步骤和内容 8 9 : 从复杂的生物有机体基因组中, 经过酶切消化或PCR 扩增等步骤, 分离出带有目的基因的DNA 片段; 在体外, 将带有目的基因的外源DNA 片段连接到能够自我复制并具有选择记号的载体分子上,形成重组DNA 分子; 将重组DNA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞) , 并与之一起增殖; 从大量的细胞增殖群体中, 筛选出获得了重组DNA 分子的受体细胞克隆; 从这些筛选出来的受体细胞克隆, 提取出已经得到扩增的目的基因, 供进一步分析研究使用; 将目的基因克隆到表达载体上, 导入受体细胞, 使之在新的遗传背景下实现功能表达, 产生出人类所需要的物质。2 基因工程技术在环境保护中的应用环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力, 已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。日本将嗜油酸单孢杆菌的耐汞基因转入腐臭单孢杆菌, 该菌株能把汞化物吸收到细胞内, 用它处理污水就能解决被汞污染的环境问题, 又使汞得以回收 10 12。Yee DC等 13构建了能降解樟辛烷、甲苯、萘等物质的/超级菌0,可以从环境中多功效地消除有毒物质。P Marcon等 14把Bt毒蛋白基因、球形芽孢杆菌的毒蛋白基因转入大肠杆菌, 且表达成功。它能杀死蚊虫与害虫, 而对人畜无害, 不污染环境。20世纪90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因, 并赋予表达产物以新的功能, 创造出全新的微生物, 如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过PCR 技术全部克隆出来, 再利用基因重组技术在体外加工重组, 最后导入合适的载体, 就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株, 从而大大地提高降解效率 15 17。211 基因工程技术应用于降解农药农田长期过量施用农药, 严重破坏了生态平衡,造成土壤水质及食品中残留毒性增加, 给人畜带来潜在危害。如何消除农药污染、保护环境已成为当今世界的一个迫切问题。由于微生物在物质循环中的重要作用, 它在环境修复中一直扮演着重要的角色; 然而受微生物对农药(特别是难降解农药)降解能力的限制, 生物修复具有周期长的明显特点, 阻碍了这一技术在现实中的发展和应用。应用基因工程原理与技术, 对微生物进行改造, 是环境科学工作者向更深更广的研究领域拓展时必不可少的途径 18 20。构建高效的基因工程菌可以显著提高农药降解效率。环境微生物尤其是细菌中的农药降解基因、降解途径等许多农药降解机制的阐明为构建具有高效降解性能的工程菌提供了可能。现已开发出有净化农药(如DDT), 降解水中染料以及环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的基因工程菌 21。H orne 等 22人将从农杆菌得到的OpdA (编码有机磷降解基因)和黄杆菌( F lavoba cteium sp. )中得到的Opd (有机磷降解酶基因) 分别构建了原核表达质粒, 并分别转到大肠杆菌E. coli DH 10B中表达, 对其表达产物进行了研究。通过其表达产物OpdAOPH(有机磷水解酶)对几种农药的酶解动力学比较, 发现OpdA能作用更多底物的类似物, 降解范围更广。212 基因工程技术已成功开发出能吞食有毒废弃物的细菌美国加利福尼亚大学的微生物学工作者培育出了一种以PCBs(聚氯联苯)为食物的细菌 23。PCBs是一种污染环境的致癌物质, 它不能被一般的自然过程破坏, 这种从实验室中培育成的细菌被认为是有效解决这一难题的工具。该大学的研究人员是将一种一般土壤细菌(恶臭假单胞菌)的两个菌株的DNA进行交换, 产生一种杂交的突变菌株。该基因交换菌株能破坏联苯基, 而联苯基正是构成PCBs分子的一个关键基因。它由两个苯环组成的, 有剧毒, 在它们紧密结合时便成为潜在的致癌物。PCBs进入人体后, 不能被人体的新陈代谢过程破坏, 且能传给下一代。这种物质也能长期保存在土壤中不会被分解。新培育出的这种两个菌株的遗传物质发生交换的突变菌株则能分解PCBs, 可使这种有毒害的物质变成无害的质) ) ) 水、二氧化碳和盐类 12。213 基因工程微生物农药替代合成农药、化肥基因工程技术的发展, 为防治农林害虫提供了有效的新技术手段, 微生物农药因此在世界范围受到广泛重视。微生物农药是指非化学合成, 具有杀虫防病作用的微生物制剂, 如微生物杀虫剂、杀菌剂、农用抗生素等, 这类微生物包括杀虫防病的细菌、真菌和病毒 24 27。微生物杀虫剂对人畜安全无毒, 不污染环境; 杀虫作用具有一定的特异性和选择性, 不会致死天敌和非目标昆虫; 易和其他生物手段结合综合防治害虫, 维持生态平衡; 由于杀虫活性蛋白的多样性, 昆虫产生抗性较缓慢; 可以通过发酵法生产, 生产成本较低; 可以通过基因工程技术途径筛选或构建优良性能的菌株来满足生产应用的需要等。农作物在生长过程中容易受到致病菌及害虫的影响, 因此在作物种植过程中往往需要使用大量的农药控制病虫害, 这是造成食物中农药残留及环境污染的主要原因。如何减少农药的使用量是绿色食品生产中的一项关键技术。采用繁衍害虫天敌、诱杀或生物防治的方法虽然可以部分替代合成农药,但是最直接有效的方法是利用基因工程技术使作物获得抗病、抗虫的能力。目前, 已采用基因工程技术将各种抗病、抗虫基因转移到大豆、玉米和水稻等多种重要农作物中, 利用转基因植物自身的能力抵抗外界病、虫的危害, 达到减少农药使用的目的 28 。科学工作者正在对固氮酶及固氮酶基因进行深入的研究, 并利用基因工程技术对固氮酶基因进行修饰改造, 一方面提高固氮菌的固氮能力, 另一方面扩大能与固氮菌共生的作物种类。随着基因工程技术的发展和对固氮菌分子生物学机理研究的不断深入,将会有越来越多的农作物通过固氮菌的作用直接利用空气中的氮气, 从而减少化学肥料的使用量。214 基因工程技术应用于含油土壤及废水的治理落地油和含油污水对土壤造成了严重污染, 大量的油泥, 不仅造成严重的环境问题, 同时也给石油行业造成重大的经济损失。在生命科学已成为自然科学核心的今天, 一批具有特殊生理生化功能的植物、微生物应运而生, 基因修饰、改造、基因转移等现代生物技术的渗透推动了污油土壤处理生物技术的进一步发展, 因此, 利用生物技术进行油污土壤治理, 具有广阔的应用前景。美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4 种菌体基因链接, 转移到某一菌体中构建出可同时降解4 种有机物的/超级细菌0, 用之清除石油污染, 在数小时内可将水上浮油中的2 /3烃类降解 29。在石油开采过程中, 采出的原油含有大量的水分, 原油脱下的废水中, 含有大量的石油污染物。全向春引入现代生物技术, 从一般的筛选工作, 转入到降解代谢途径、降解酶系组成及其遗传的控制机制上来, 在此基础上, 实现定向育种, 定向构建具有高效生物降解能力的基因工程菌 30。基因工程菌降解效率高、底物范围广、表达稳定, 比自然环境中的降解性微生物更具竞争力, 例如PCP103 菌株的构建。基因工程菌的构建和应用对于美化环境、保护人类健康提供了一系列可行的途径。现代科学工作者把PCR 技术用于基因工程菌的构建并已取得了一些成绩, 国内外正在进行这方面的研究 31 34。随着生物技术的发展, 基因工程菌在含油污水处理中的应用将会进一步完善, 为人类造福。3 展 望基因工程技术是发展迅速的一项污染环境治理技术。实践证明, 采用基因工程技术治理污染环境,可以最大限度地去除环境中的污染物。是保障可持续发展的一项最有力的措施。随着基因工程菌的出现, 基因工程技术将不断应用于更多的污染环境的治理工程中 35 39。培养出新的特效物种并进一步提高其应用效率、降低应用成本; 运用各种相关技术加以优化组合, 尤其是高效、低能耗、易普及的特种微生物与特殊工艺的最佳结合; 加强不同专业、不同学科之间的合作, 如将毒理学和微生物学和环境工程学相结合; 从根本上消除污染源, 充分协调人与自然之间的关系, 充分实现废物资源化, 引入DNA 扩增和其它生物技术的环境监测方法等将是基因工程技术研究的侧重方向。基因工程技术作为一种新兴技术以极快的速度发展。以下两方面的研究将对环境保护有着重要意义。一是对基因工程菌的深入研究, 如基因工程菌对污染物的代谢途径、控制目的基因表达的启动子基因序列、降解基因表达的调控条件的优化等方面的研究; 二是对环境中微生物的习性及基因工程菌与环境中微生物和污染物之间的相互作用进行研究, 从而使基因工程菌在治理有机物污染方面的实际应用成为可能。目前的研究主要是利用单一的基因工程菌对污染物进行处理, 随着研究的不断深入,利用多种基因工程菌相结合对污染物进行处理, 将对环境保护起到更为重要的作用。参考文献: 1钟 鸣, 周启星. 微生物分子生态学技术及其在环境污染研究中的应用 J. 应用生态学报, 2002, 13( 2 ): 247 - 251. 2冯 斌, 谢光芝. 基因工程技术 J . 化工进展, 2002, 21 ( 3 ): 231- 232. 3冯永康. 生命科学史上的划时代突破) ) ) 纪念DNA 双螺旋结构发现50周年 J. 科学(上海), 2003, 55( 2): 39- 42. 4陆晓东. 基因工程技术应用现状简介 J. 卫生职业教育, 2003,23( 7): 156- 157. 5陈渝军, 林 晶. 基因工程技术在医药卫生领域的应用及发展.药品评价, 2005, 2 ( 2): 144- 145. 6李中东. 基因工程与农业可持续发展的社会控制研究 J . 科技进步与对策, 2003, 16: 22- 24. 7 王建龙, 文湘华. 现代环境生物技术M. 北京: 清华大学出版社. 2001, 138- 140. 8常忠义, 周 波, 高红亮, 等. 基因工程菌在生物降解中的应用及其发展 J. 生物技术, 2003, 13( 5 ): 46- 48. 9陈 坚. 环境生物技术M. 北京: 中国轻工业出版社, 2000: 351- 408. 10 Mondello F J. Clon ing and expression inE sch erichia coli of P seud o2mona s strain LB400 genes en cod ing polych lorinated b iphenyl degra2dat ion J. Journal ofBacteriology, 1989, 171 ( 3) : 1725 - 1732. 11 Lajo ie C A, LaytonA C, E aster JP, et a.l D egradation of non ion icsu rfactan ts and polych lorinated b iphenyls by recomb inant field app li2cation vectors J. Jou rnal of IndustrialM icrob iolog and Biotechnolo2gy, 1997, 19 ( 4) : 252 - 262. 12 刘新平. 基因工程技术对发展绿色食品产业的影响 J. 南昌高专学报, 2006( 1 ): 99- 101. 13 Y ee D C, Maynard J A, Wood T K. Rh izoremed iat ion of trich loro2ethylere by a recomb inan t root colonizing P seud omonasfluorescen sstrain expressing to luene ortho2monooxygenase const itu tively J .A pp lied and Env ironmen talM icrob iology, 1998, 64: 112. 14 PMarcon, L JYoung, K L Steffey, et a.l Baseline suscep tib il ity ofEu ropean corn borer toBacillus thuring ien sis toxin s J. Jou rnal ofE2conom ic En tomology, 1999, 92 ( 2 ): 279- 285. 15 许冬倩, 李正国, 王君. 基因工程技术在食品工业改造过程中的应用 J. 食品研究与开发, 2003( 3): 17- 20. 16 李 烨. 现代生物技术在环境保护中的应用 J. 淮阴工学院学报, 2002, 11 ( 5): 30- 35. 17 刘 和, 陈英旭. 环境生物修复中高效基因工程菌的构建策略 J. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2002, 28 ( 2 ): 208 -212. 18 Lawrence PW, N eilC B. E nvironmental b iotechnology towards sus2tainab ility J. Cu rrentOp in ion in Biotechnology, 2000, 11 ( 2): 229- 231. 19 E ll isL BM, H ershb er ger C D, Wack et tL P. The un ivers ity ofm in2n esota b iocatalysis /b iodegrad at ion datab ase, m icroorgan isms, genom2ics, and pred iction J. Nu clei A cid Research, 2000 ( 28 ): 377 -397. 20 E l lisL BM, S peed ie S, M cleish R. R epresent ingmetabolic path2ways: an ob ject2orien ted approach J . Bioin format ics, 1998 ( 14 ):803 - 806. 21金晓红, 任化炜. 环境生物技术应用于环境保护的新进展 J .环境保护, 2002, 2: 18- 19. 22 Irene H orne, Tara D S, Rebecca L, et a.l Iden tificat ion of an opd( Organophosphate Degradat ion ) Gen e in an Agrobacterium Isolate J. App lied and Environmen talM icrob iology, 2002, 68 ( 7 ) : 3371- 3376. 23胡金川. 基因工程技术在肽抗生素制备中的应用进展 J. 医学研究生学报, 2003, 16( 8 ): 611- 613. 24裴余一. 药用植物生物技术在资源再生中的应用和前景 J. 江苏药学与临床研究, 2003, 11( 3 ): 29- 31. 25吴 青, 孙远明. 基因工程技术在食品品质改良中的应用 J .生物技术通报, 2001, 5: 13- 15. 26黄大昉. 农业微生物基因工程研究与展望 J . 农业生物技术学报, 2003, 11( 2): 111- 114. 27黄传杰. 植物基因工程技术在病虫害防治中的应用与展望 J .安徽农业科学, 2001, 9( 3): 320- 324. 28韩剑宏, 唐运平, 倪 文. 环境生物技术在微污染源水中的应用与展望 J. 城市环境与城市生态, 2003, 16( 6): 96 - 97. 29周集体, 腾丽曼, 杨 桦. 精细化工行业环境保护与污水生物处理技术 J. 精细与专用化学品, 2000, 3: 3- 5. 30全向春. 生物强化技术及其在废水处理中的应用 J. 环境科学研究, 1999, 6( 3): 22 - 27. 31Marcu s Droge, A lfred Puh ler, Weter Selb itschk a. H orizontal genetransfer asa b iosafety issue: anatu ral phenomenon of pub lic concern J. Jou rnal of Biotechn olo