基因工程技术在环境保护中的应用.docx

基因工程技术在环境保护中的应用班级：建筑081 姓名：彭越 学号：200800501171 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。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。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。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。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。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。（一）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。（二）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。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：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 环境污染主要是指有害物质对大气、水体、土壤和动植物的污染。20世纪50年代以来，随着工业的迅速发展，环境污染的问题日趋严重，尤其是在一些工业发达的资本主义国家，相继出现了一系列公害事件。因此，研究污染物质在环境中的运动规律以及防治污染的原理和方法，已成为世界各国重点探索的课题之一。 环境污染的防治是一项极其复杂的任务，它涉及许多学科。生物技术于环境污染的防治有密切关系。在污水处理、大气净化和环境监测方面都使用了各种生物技术，特别是包括基因工程在内的生物工程等新技术的应用，为环境污染的生物治理开辟了更加广阔的途径。（一）微生物与环境净化 由于工业废水和生活污水未经处理就排入到江河湖海，造成了水体的严重污染，这不仅妨碍了工农业和渔业生产，影响水生生态系统，而且还直接或者间接地危害人体健康。20世纪70年代初，美国媒体排放废水4亿吨，全国主要河流机会全遭污染，五大湖成为毒源，鱼类相继死亡。19531973年间，日本小镇水俣由于饮水和食物中含汞太高，有65人中毒死亡，这就是有名的“水俣事件”。废水的而处理方法可分为物理法、化学法和生物法三大类。其中生物法应用最为普遍。生物法在污水处理中所占的比例，日本为94，美国为68。生物处理法主要有活性污泥法。即在一个大型水池中，用含多种微生物额的活性污泥，在同期条件下处理废水，通过吸沉淀和氧化分解作用，清除水中的污染有机物，使污水得到净化。废水中的脱氮除磷废水中氮、磷是造成水体富营养化的根源, 利用生物脱氮除磷已进行了广泛的研究。污水脱氮技术主要有活性污泥法脱氮工艺, 包括 A/O ( 缺氧/好氧) 工艺, 可使 NH4+N 去除率达 80%以上, A2/O 工艺, 改进的氧化沟工艺和 SBR 工艺都可使总氮 ( TN ) 去除率达90%以上。生物膜脱氮有生物滤池、生物转盘、生物流化床、浮动床、浸没式、三级生物滤池脱氮系统等, 其中三级生物滤池的反硝化速度最高达 1.0kgN/ ( m3.d ) , 出水 TSS1.00mg/1生物脱氮中, 有反硝化能力的微生物有变形杆菌、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属等。 目前，在工业废水的微生物处理中，人们寄希望于基因工程，期望通过重组DNA记说培育分解性能高、并在混合系统中能够占优势的菌种，以使废水在生物处理装置内的停留时间缩短。这样将会节省大量的动力，降低净化成本。(二)细菌质粒与环境污染物的降解 20世纪70年代以来，发现许多具有特殊降解能力的细菌其降解途径所需要的酶，不是由染色体基因编码，而是由染色体外的质粒基因编码。这类质粒叫“降解质粒”或“代谢质粒”。他们的分子量一般都比较大，大多具有接合转移能力，即通过两个细菌的相互接触，可以把质粒从一个细菌传递到另一个细菌中去，提供质粒的细菌通过复制作用仍能保持这种质粒，这样，能使降解基因在微生物群体中广泛扩散。含有这类质粒的细菌，在某些环境污染物的降解过程中起着重要的作用。 到目前为止，共发现了四类降解质粒。第一类是发现于假单细胞菌属中的石油降解质粒，这些质粒所编码的酶能降解各种石油组分或他们的衍生物，如樟脑、辛烷、萘、水杨酸盐、甲苯和二甲苯降解质粒等。第二类是农药降解质粒，这些质粒上的基因决定除草剂2，4一D、杀虫剂“666”和烟碱等农药的降解(这些农药大部分都被严禁使用)。第三类是工业污染物降解质粒，如对氯联苯降解质粒、尼龙低聚体降解质粒和洗涤剂降解质粒等。第四类是抗金属离子的质粒，如抗汞、砷、镍、钴、镉、铅和铜等的质粒。 通过天然质粒的转移实现微生物育种的一个例子是，组建了一种能同时降解石油中大多数烃类物质的“超级细菌”。组建的过程是：首先，通过接合作用使菌株1的樟脑质粒(CAM)转移到含辛烷质粒(OCT)的菌株2中，形成杂种质粒，同时使菌株3的萘质粒(NAH)转移到“二甲苯质粒” (XYL)的菌株4中；然后，再使新产生的两个菌株进行接合转移，产生含4种质粒的菌株。多质粒细菌降解石油的速度快、效率高，是第一个获得专利的经过遗传操作的微生物。在上述降解质粒中，对石油降解质粒研究得较为深人。人们研究这些质粒的分子特性、遗传结构、降解途径和进化关系等理论问题，同时，试图通过质粒转移和重组DNA技术，把不同的降解基因转移到同一菌株中，创造出具有非凡降解能力的“超级微生物”，以用于环境污染物的降解。由于多质粒菌株不够稳定，所以人们正在研究用重组DNA技术把质粒中的石油降解基因连接在一起，形成重组质粒，以便获得遗传性更加稳定的新菌株。近年来，已经把甲苯质粒中的部分甲苯降解基因和萘质粒中的大部分萘降解基因在大肠杆菌中克隆，并使之获得表达。人们构建能高效降解石油的细菌，是指望用这些“超级拖布去清除因油船失事和排放压舱水而污染海洋的石油。 此外，有人提出用基因工程技术构建对重金属有特别亲和力的菌株，用于分离和纯化各种重金属。比如通过质粒转移或重组DNA技术来构建能把有毒的有机汞转变成金属汞的细菌，以用于处理含有机汞的废水，同时回收金属汞，从而化害为利，变废为宝。细菌浸矿已在采铜和采铀工业中得到应用。人们希望通过对这类细菌进行遗传操作，从而提高它们对金属的亲和力，耐酸、耐热能力和抗金属毒性的能力，以便降低细菌浸矿的生产成本，使之更具有竞争能力。（1） 基因工程技术应用于降解石油污水美国利用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。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。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。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。（2）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。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。H orne 等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。（3）基因工程技术应用于降解工业污染物酚类对水中生物有致畸性, 使生物具有难闻的酚味, 化学处理法由于二次污染问题受到限制, 而利用培养优势菌群的微生物法降解酚类却有显著作用。如卞华松采用 PVA1799 冷冻改良法固定优势菌群, 对浓度为 565mg/L的苯酚去除率为 94%以上;张春桂研究降解五氯盼 ( PCP ) 的细菌是醋酸细菌、产碱菌和气单胞菌。此外, 可用家禽废物分解的网纹水蚤属LD50 和弧菌属 EC50、链霉菌 303、芽胞杆菌KMR1、麦芽糖假丝酶母 10- 4 等对酚类进行降解。有机物的生物降解中, 白腐菌是值得一提的。白腐菌是一类提子真菌, 在废水治理中,其降解污染物的范围十分广泛。白腐脉射菌I- 5- 6 在高 C 低 N 培养条件下, 对多环芳烃类、氯代烃类、酚类、氯代酚类、烷基苯类和硝基苯类化合物有显著的降解作用。白腐菌中金孢展齿革菌可降解多环芳烃、DDT、TNT、CCl4、氰化物、氯代芳香化合物、酚类、胺类、农药、染料、杂酚油、煤焦油、重油等。还可降解氯丹、多氯联苯、2, 3, 7, 8- TCDD和二氯苯胺等有机氯化物。此外, 用微生物降解的有机物包括: 四氯乙烯、甲醇、苯胺、甲胺磷、三氯乙烯、硝酸甘油。 (三)利用废弃资源生产单细胞蛋白单细胞蛋白指的是在大规模培养装置中，利用非食用资源和废弃资源作原料，工业化培养细菌、酵母、放线菌和藻类等，然后用这些微生物细胞的干物质作为食品和家畜饲料的蛋白质来源。在20世纪70年代，主要以石油产品为原料生产单细胞蛋白。进入20世纪80年代以后，人们对利用废弃资源生产单细胞蛋白发生了强烈兴趣，这是因为它有利于充分合理地利用资源，有利于环境保护和降低成本。可以相信，利用废弃资源生产单细胞蛋白的技术开发，必将大大促进饲料工业的迅速发展，从而促进畜牧业的大发展，为人类提供日益丰富的动物蛋白质。可用作生产单细胞蛋白的废弃原料是多种多样的。糖蜜(甘蔗和甜菜提取蔗糖后的母液和洗水)是培养酵母的好原料，4吨糖蜜可以生产1吨单细胞蛋白。在以亚硫酸法造纸的废液中，含糖量为2左右，可以用来培养酵母，1吨纸浆废液可生产510公斤酵母。全世界用亚硫酸纸浆生产的单细胞蛋白，年产量曾达到过30万吨。生产淀粉和豆制品的废水，生产酒精和味精的废水，奶粉厂分离牛奶时离心出来的乳清废水等，都含有可供细菌、放线菌和酵母生长的营养成分，是生产单细胞蛋白的好原料。目前，在我国动物蛋白仅占食用蛋白量的69。要提高我国居民食品中动物蛋白的比例，就要大力发展畜牧业，这就需要大量的配合饲料。为此，每年都要花费大量外汇进口鱼粉等饲料。因此，开发单细胞蛋白质资源是解决蛋白质饲料问题的重要途径。为了发展单细胞蛋白的生产，筛选和培育优良菌种是当务之急，基因工程技术在这方面具有无比的潜力。在生产菌中插入优良基因，以提高微生物对原料的利用率以及细胞中的蛋白质含量，这是人们正在加紧研究的课题。英国帝国化学公司利用基因工程对生产单细胞蛋白的甲醇氧化菌进行了遗传改良，使该菌对甲醇的利用率大大提高，干菌体的粗蛋白含量达72。这种基因工程菌已用于150立方米发酵罐的生产，年产干菌体