基因工程技术在环境保护中的应用

基因工程技术在环境保护中的应用随着科学技术的发展，人类在为自己生产越来越多的生活资料的同时，有害物质的发生量和种类也大幅度增加，环境污染已经远远超过了自然界微生物的净化能力，成为人们关注的问题。 基因工程技术是DNA分子水平上顺应人们意志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环境管理的重要技术。 该技术发展到今天，形成了产业化，是世界领先的专业技术领域之一，广泛应用于食品、医药、化学工业、农业、环境保护、能源和防卫等多个部门，日益显示出其巨大的潜力。一、基因工程在废水处理中的应用基因工程技术应用于废水处理是具有广泛应用前景的新兴技术。 通常的废水处理方法有物化法、生物法等。 一般的物化方法只是污染物的转移，从根本上控制不了，容易引起二次污染，成本也高，生物法逐渐成为废水处理的主要方法。 但是，由于废水的多样性及其成分的复杂性，自然进化的微生物分解污染物的酶活性多有限，如果能利用基因工程技术遗传改造这些菌株，提高微生物酶的分解活性，大量繁殖的话，就能定向具有特殊分解性状的有效菌株，有利于水污染处理因此，构建基因工程菌成为现代废水处理技术的重要研究方向，日益受到重视。 基因工程技术在废水处理中的应用有以下几点。1 .基因工程在环境污染监测中的应用目前，聚合酶反应(简称PCR )技术和核酸探针技术常用于水环境中微生物的检测技术。 PCR技术是一种体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术，常用于监测海洋环境中存在的微生物。 标记的核酸探针可以用于测定核酸样品中的特定基因序列，例如监测饮用水中病毒的含量。 PCR技术和核酸探针技术可以取代普通的水质分析，发展为快速可靠的水体微生物检测技术，可以在细菌、病毒及其他毒物检测中迅速应用发展。2 .基因工程菌对水体中重金属离子的生物浓缩利用基因工程菌代替普通微生物处理重金属是近年来的研究热点。 基因工程技术在重金属废水处理中的作用主要是提高微生物菌体细胞的重金属离子的丰富容量和提高菌体对特定重金属离子的选择性。 该方法应用生物工程技术，将微生物细胞中丰富的主导基因导入繁殖力强、适应性好的受体菌株，大幅度提高了菌体对重金属的适应性和处理效率。2.1提高重组菌重金属离子的丰富容量不考虑重组菌对特定重金属离子的选择性，只要提高重组菌重金属离子的丰富容量，就可以通过在微生物细胞表面表达高容量金属结合蛋白和金属结合肽的方法来达到目的。 另外，利用基因技术分离在菌体中表达的金属键蛋白后，固定在特定的惰性载体表面，也能够达到重金属离子的高浓缩容量。2.2同时提高重组菌的丰富容量和对特定重金属离子的选择性由于特异性金属输送系统的表达，基因工程菌介于特异性蛋白质和目标重金属之间的生物亲和性，具有高排他性，与生物吸附法的表面吸附特性完全不同，可以有效地回收利用废水中的重金属离子，使废水中的重金属元素再资源化。3 .基因工程菌分解废水中的有机污染物生物处理法是分解废水中有机污染物的主要方法，但一些不易分解的有机污染物需要不同分解菌间的协同代谢和共代谢等复杂机制，最终能分解无疑降低了污染物的分解效率。 首先，污染物代谢产物在不同降解菌间的跨膜转运是一个消耗能量的过程，是细菌不经济的营养方式，其次，某些污染物的中间代谢产物可能有毒性，具有抑制代谢活性的作用。 因此，重组同种属、来源细菌的分解基因，组合属于不同菌体的污染物的代谢途径，构建具有特殊分解功能的超分解菌，能有效地提高微生物的分解能力。4 .凝聚分解效率高的基因工程菌处理染料废水应用生物工程技术将降解菌的基因片段通过转基因工程转移到絮凝菌株中，培养出具有絮凝和降解双功能基因的高效基因工程菌，并应用于染料废水的处理。进一步继续构建系列基因工程菌，筛选出凝聚分解性能好、遗传特性好、成本低的系列双功能基因工程菌株。 将该技术应用于染料生产废水的处理和其他领域。5 .基因工程在水产养殖废水处理中的应用随着生物技术的发展，水产养殖业越来越使用生物工程技术来减少排放量和污染物的量。 例如，利用微生物发酵生产和遗传工程技术，将合成特定氨基酸的基因克隆到微生物的细胞质中，通过微生物增殖生产蛋白质鱼类饲料，利用可以提高鱼的饲料利用率、减少氮的排泄物、减少氮浓度的生物筛选技术和基因工程， 利用除染能力高的植物(特别是藻类)和培养微生物净化水产养殖的生物工程生理上修正鱼类，提高鱼类的耐污染性，减少排泄物，如Phelps培养的鱼类在沙门氏菌属上形成抗体，该鱼类能在污染水中生长。 郑耀通等人分离出了有效净化水产养殖水体的紫色非硫光合作用细菌，筛选出的紫色非硫光合作用细菌是较强的净水能力和鱼类饲料。 目前国内的研究主要集中在光合作用细菌在水产养殖水体净化中的应用上。6 .转基因水生植物管理工业废水的重金属污染藻类等水生植物具有从水环境中大量蓄积重金属离子的能力，利用基因工程去除水体中的重金属污染。 北京大学生命科学院蛋白质工程国家重点实验室研究成功的转基因蓝藻可以吸附和排除水域重金属镉、汞、铅、镍污染，特别是水稻、人参、中药、茶叶等多种出口产品的污染和城市工业污水、矿业污水、电镀污水等，达到国际出口标准另外，还可以美化城市街道，防止环境再污染。 目前这项成果已经完成了实验室阶段的工作，有望尽快推进应用。 每公斤转基因蓝藻能吸附10克以上的汞，是国家863项目和科技部95重点难关项目，处于国际领先水平。二、基因工程在土壤污染中的应用由于人类活动，污染物进入土壤，积累一定程度，土壤环境质量恶化，危害生物、水体、空气和人体健康。 相对于其他环境介质污染，土壤污染具有隐蔽性和潜在性、长期性和不可逆性，土壤对污染物具有富集作用。 因此，土壤污染的管理受到很多人的关注。 主要有以下几点。1、基因工程技术应用于含油土壤的管理落地油和含油废水给土壤带来严重污染，大量淤泥不仅带来严重的环境问题，还给石油行业带来重大的经济损失。 在生命科学成为自然科学核心的今天，产生了具有特殊生理生化功能的植物、微生物，基因改造、基因转移等现代生物技术的渗透推动了水土处理生物技术的进一步发展，利用生物技术进行油污土壤管理具有广泛的应用前景。美国利用DNA重组技术连接了芳香族烃、萜烯烃、多环芳香族烃、脂肪族烃的4种菌体基因，构建了能转移到某个菌体中同时分解4种有机物的“超细菌”，可以去除石油污染，在数小时内使油中的2 /3烃类悬浮起来。 在石油开采过程中，采油的原油含有大量的水分，原油脱离的废水含有大量的石油污染物。 春天引进现代生物技术，从一般筛选工作转移到降解代谢途径、降解酶系组成及其遗传调控机制上，实现定向育种，构建高效生物降解能力的基因工程菌。 基因工程菌分解效率高，基质范围宽，表达稳定，比自然环境中的可分解微生物更有竞争力，如PCP103菌株的构建。 基因工程菌的建立和应用为美化环境、保护人类健康提供了一系列可行的方法。 现代科学家将PCR技术应用于基因工程菌的构建，已取得了一些成果，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进一步完善，给人类带来幸福。2 .基因工程技术开发了吞咽有毒废弃物的细菌美国加利福尼亚大学的微生物学家培养了以PCBs (多氯联苯)为食物的细菌。 PCBs是污染环境的致癌物质，不能被一般的自然过程破坏。 从这样的实验室培育出来的细菌被认为是有效解决这个问题的工具。 该大学的研究者交换了两株一般土壤细菌(恶臭假单胞菌)的DNA，产生了杂交变异株。 该基因交换菌株能破坏联苯基，而联苯基是构成PCB s分子的重要基因。 由两个苯环构成，毒性强，它们紧密结合就能成为潜在的致癌物质。 PCBs进入人体后，不会被人体的新陈代谢过程破坏，能传到下一代。 这种物质即使在土壤中长时间保存也不会分解。 新培育的这两株遗传物质交换的变异株能分解PCBs，把这种有毒物质变成无害物质水、二氧化碳和盐类。3、基因工程在土壤中重金属污染对策中的应用世界工业化会释放大量的潜在毒性化合物进入生物圈，不仅污染环境，还会通过食物链伤害人体。 一般利用化学和物理方法去除土壤中重金属的污染，通常因为成本太高破坏了环境，所以没有大规模地应用。 通过植物修复容纳和转化环境污染物可以达到去除污染物、管理环境的目的。植物修复技术利用植物对重金属的吸收、富集和转化能力将土壤中残留的重金属吸收到植物体内，收获植物，减少土壤中重金属含量，达到环境修复的目标。 利用土壤中的天然微生物资源和人为添加的目的菌株，甚至构建的特异分解功能菌株，可以分解滞留的重金属，转化为无害的物质。三、基因工程在农业环境保护中的应用随着科学技术的发展，人类在为自己生产越来越多的生活资料的同时，自然排出了越来越多的有害难分解的物质，如：农药、化肥等，这些物质严重破坏了环境，危害了人类的健康。 因此，有意识地利用生物界存在的净化能力进行生物管理，逐渐成为环境管理的主要手段。 基因工程在农业上的应用前景相当广阔，有可能培育害虫防治、能固定氮的转基因作物、抗旱性、耐寒性的转基因植物等。 主要有以下几点。1 .基因工程技术应用微生物降解农药农地长期过量施用农药，显着破坏生态平衡，土壤水质和食品中的残留毒性增加，对人畜造成潜在危害。 微生物在物质循环中的重要作用在环境修复中也起着重要的作用，但是农药(特别是难分解农药)限制了微生物的分解能力。 应用基因工程的原理和技术，改造微生物，构建高效的基因工程菌，可以提高农药的分解效率。利用环境微生物知识对细菌中的农药分解基因、分解途径等多种农药分解机制进行了论述，可以构建具有高效分解性能的工程菌。 例如，现在正在开发净化农药(如DDT )、分解水中的染料、分解环境中的有机氯苯类和氯苯类、多氯联苯的基因工程菌。 农杆菌获得的OpdA (编码有机磷降解基因)构建了原核表达质粒，在大肠杆菌正E.coli DHl0B中表达，研究了其表达产物，发现OpdA对一些农药有酶解作用。2、基因工程应用于生物替代合成农药、化肥由于农作物在生长过程中容易受到病原菌和害虫的影响，在作物栽培过程中需要使用很多农药来控制病虫害，这是食物中农药残留和环境污染的主要原因。2.1代替合成农药、化肥的微生物农药基因工程技术的发展为预防农林害虫提供了有效的新技术手段，微生物农药受到世界广泛重视。 微生物农药是指未经化学合成，具有杀虫剂、杀菌剂、农用抗生素等杀虫防病作用的微生物制剂，其微生物中含有杀虫防病的细菌、真菌、病毒。 微生物杀虫剂对人畜安全无毒，不污染环境的杀虫作用具有一定的特异性和选择性，与天敌和不死非目标昆虫的其他生物手段综合防治害虫，由于容易保持生态平衡的杀虫活性蛋白质的多样性， 昆虫抗性可以用较慢的发酵法生产的生产成本低的基因工程方法筛选和构建优良性能的菌株，可以满足生产应用的需要等。科学家深入研究了固氮酶和固氮酶基因，利用基因工程技术改变固氮酶基因，提高固氮菌固氮能力，同时扩大了能与固氮菌共生的作物种类。 随着基因工程技术的发展和固氮菌的分子生物学机制的研究的深入，越来越多的农作物在固氮菌的作用下直接利用空气中的氮，减少化肥的使用量。2.2转基因农作物代替合成农药、化肥利用基因工程技术使作物获得抗病、抗虫能力，是替代合成农药的最直接有效方法。 目前，应用基因工程技术将各种抗病抗虫基因转移到大豆、玉米、水稻等多种重要农作物中，目的是利用转基因植物自身的能力来抵抗外界病虫的危害，减少农药的使用。3、基因工程技术应用于植物，改善环境3.1基因工程技术应用于植物治理重金