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 , 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。 而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。这一技术发展到今天 , 正形成产业化并列 为世界领先专业技术领域之一 , 广泛应用于食品、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。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水处理领域一项具有广泛应用前景的新兴 技术。常规的废水处理方法有物化法、 生物法等。 由于一般的物化方法只是污染 物的转移，不能从根本上治理，且容易造成二次污染，成本也较高，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 的微生物降解污染物的酶活性往往有限， 如果能利用基因工程技术对这些菌株进 行遗传改造， 提高微生物酶的降解活性， 并可大量繁殖， 就可以定向获得具有特 殊降解性状的高效菌株， 方便有效地应用于水污染处理。 因此， 构建基因工程菌 成为现代废水处理技术的一个重要研究方向， 且日益受到人们的重视。 基因工程 技术在废水处理中的应用有以下几个方面。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是常用于水环境中微生 物的检测技术。PC技术是一种在体外模拟自然DN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待测核酸样本中特 定基因序列，如监测饮用水中病毒的含量。PC技术和核酸探针技术可能取代常 规的水质分析， 发展成为一种快速可靠水体微生物的检测技术， 并将在细菌、 病 毒及其他毒物检测中得以迅速的应用发展。2、基因工程菌对水体中重金属离子的生物富集利用基因工程菌代替普通微生物处理重金属是近年来研究的热点。 基因工程 技术在重金属废水治理中的作用主要体现在提高微生物菌体细胞对重金属离子 的富集容量以及提高菌体对特定重金属离子的选择性两个方面。 此法采用生物工 程技术将微生物细胞中参与富集的主导性基因导入繁殖力强、 适应性能佳的受体 菌株内, 大大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富集容量 若不考虑重组菌对特定重金属离子的选择性而只要提高重组菌重金属离子 的富集容量，则通过在微生物细胞表面表达高容量金属结合蛋白或金属结合肽的 方法就能很好地达到目的。 另外，将经基因技术在菌体中表达的金属结合蛋白分 离后固定在某些惰性载体表面同样也能达到重金属离子高富集容量的目的。2.2 同时提高重组菌的富集容量和对特定重金属离子的选择性通过特异性金属转运系统的表达， 基因工程菌对目标重金属的富集作用就介 于特异性蛋白与目标重金属之间才存在的生物亲和力， 具有很高的排他性， 与生 物吸附法的表面吸附特性完全不同， 这就使有效回收利用废水中重金属离子， 使 废水中重金属元素实现再资源化成为可能。3、基因工程菌降解废水中的有机污染物生物处理法是废水中有机污染物降解的主要方法， 但是部分难降解有机污染 物需要不同降解菌之间的协同代谢或共代谢等复杂机制才能最终得以降解 , 这无 疑降低了污染物的降解效率。首先 , 污染物代谢产物在不同降解菌间的跨膜转运 是耗能过程 , 对细菌来说这是一种不经济的营养方式； 其次, 某些污染物的中间代 谢产物可能具有毒性，对代谢活性有抑制作用。因此 , 将不同种属、来源的细菌 的降解基因进行重组 , 把分属于不同菌体中的污染物代谢途径组合起来以构建具 有特殊降解功能的超级降解菌 , 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处理染料废水运用生物工程技术把降解菌的基因片段通过转基因工程转入絮凝菌株， 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。 进一步的工作是继续构建系列基因工程菌，筛选出絮凝 - 降解性能好、遗传特性 好和成本低的系列双功能基因工程菌株。 并将该技术应用于染料生产废水的处理 或其它领域。5、基因工程在水产养殖废水处理中的应用伴随着生物技术的发展， 水产养殖业越来越多地运用生物工程技术来减少排 放量和污染物数量。 比如用微生物发酵生产和遗传工程技术将合成特定氨基酸的 基因克隆进入微生物的细胞质中，然后借助微生物的增殖来生产蛋白质鱼类饲 料，可以提高鱼对饲料的利用率，降低氮的排泄物，减少中氮的浓度；利用生物 筛选技术和基因工程培育一些去污能力强的植物 （特别是藻类 ）和微生物来净化 水产养殖； 利用生物工程对鱼类进行生理修正， 使鱼类提高耐污能力和减少排泄 物，比如 Phelps 培育的鱼类对沙门氏菌属形成抗体，这种鱼类就可以在污染水 体中生长。郑耀通等对具有高效净化水产养殖水体的紫色非硫光合细菌进行了分 离和筛选，筛选出来的紫色非硫光合细菌既有很强的净水能力， 又是鱼类的饲料。 目前国内的研究主要集中在光合细菌在水产养殖水体净化中的应用。6、转基因水生植物治理工业废水的重金属污染根据一些藻类等水生物植物具有从水环境中大量积累重金属离子的能力， 利 用基因工程消除水体中重金属的污染。 由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，可分别用于吸附并排除水域中重金属镉、汞、 铅、镍污染，尤其是水稻、人参、中草药、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，使其达到国际出口标准。此外，还可美化城市 街道，防止环境再度污染。 目前这项成果已经完成实验室阶段工作， 可望尽快推 广应用。每公斤转基因蓝藻可吸附10克以上的汞， 已成为国家8 6 3项目和科 技部九五重点攻关项目，并处于国际领先水平。二、基因工程在土壤污染中的应用由于人类的活动， 使得污染物进入土壤并积累到一定程度， 引起土壤环境质 量恶化，对生物、水体、空气和人体健康造成危害。相对于其他环境介质污染， 土壤污染具有隐蔽性和潜伏性、 长期性和不可逆性， 并且土壤对污染物有富集作 用。因此对于土壤污染的治理受到了广大人民的关注。主要有以下几方面。1、基因工程技术应用于含油土壤的治理 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DN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”,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。PCB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。PCB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物质 水、二氧化碳和盐类。3、基因工程在治理土壤中重金属污染的应用全球工业化导致大量的潜在毒性化合物释放并进入生物圈，不仅对环境造成了污染， 还会通过食物链对人体产生伤害。 一般利用化学和物理方法清除土壤 中重金属的污染， 通常因为成本太高和破坏环境而不被大规模应用。 而通过植物 修复来转移，容纳或转化环境污染物可以达到清除污染物，治理环境的目的。植物修复技术是利用植物对重金属的吸收、富集和转化能力把土壤中残存 的重金属吸收，富集到植物体内， 然后收获植物，从而减少土壤中重金属的含量， 实现环境修复的目标。可以利用土壤中天然微生物资源或人为添加的目的菌株， 甚至是构建的特异降解功能菌株，将滞留的重金属降解和转化成无害的物质。三、基因工程在农业环保中的应用随着科技的发展 ,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 ,例如:农药、化肥等 ,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。基因工程在农业方面的应用前 景是相当广阔的 ,除、抗虫害 ,还可能培育出能固氮的转基因作物 ,能抗旱、抗寒的 转基因植物等。主要有以下几个方面。1、基因工程技术应用微生物降解农药农田长期过量施用农药， 严重破坏生态平衡， 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。 因微生物在物质循环中的重要作用， 因此对环境 修复也有着重要作用，然而农药 （特别是难降解农药 ） 恰恰限制了微生物的降解 能力。应用基因工程原理与技术， 对微生物进行改造， 构建高效的基因工程菌可 以显著提高农药降解效率。利用环境微生物知识中对细菌中的农药降解基因、 降解途径等许多农药降解 机制的阐述， 可构建具有高效降解性能的工程菌。 例如，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”。农杆菌得到的 OpdA （编码有机磷降解基因 ）构建原核表达质粒， 并转到大肠 杆菌正 E.coli DHl0B 中表达， 对其表达产物进行研究， 发现 OpdA 能对几种农药 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。2.1 微生物农药代替合成农药、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。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。科学工作者正在对固氮酶及国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。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、 抗虫的能力是替代合成农药最直接有效 的方法。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。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属污染 基因工程技术可用于改进一些生长快、生物量大的植物，使其对重金属具有高 的耐受性和富集能力。 通过研究转基因植物的修复能力， 获得可应用于重金属污 染治理的超富集植物新品种。3.2基因工程技术应用于植物治理持久性有机污染物近年来许多学者开展了有机污染土壤的植物修复研究和实践， 并取得了一定进 展。目前，英国的一些生物学家已经培养出一种转基因烟草， 它们可以吸收土壤 中的 TNT ，然后把 TNT 转化成对其他植物无害的物质， 从而除去土壤中的污染。 这些转基因烟草植物的储物基因来源于土壤中的一种细菌， 这种细菌可以产生一种转化 TNT 的酶