基因工程技术在环境治理保护中的应用23728.docx

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: 基因工工程; 环境保保护The aappllicaatioon oof ggenee ennginneerringg teechnniquue tto eenviironnmenntall prootecctioon Absttracct: Thee geene enggineeeriing tecchniiquee wass thhe nnew tecchniiquee foor moddifyyingg liivinng bbeinngs acccorddingg too huumann wiishees oon tthe DNAA mollecuularr leevell annd tthe keyy teechnniquue ffor envviroonmeentaal mannageemennt bby iimprroviing thee puuriffyinng eenviironnmennt aabillityy of microobess. TThe papper inttrodduceed tthe priinciiplee, sstepp annd ccon tenn t of genne eengiineeerinng, andd reevieewedd thhe aappllicattionn off geene enggineeeriing tecchniiquee too envviroonmeent prottecttionn.Key wwordd s: geene enggineeeriing; ennvirronmmenttal prootecctioon随着科技的的发展, 人类类在为自自己生产产出越来来越多的的生活资资料的同同时, 也向大大自然排排放了越越来越多多的有害害和难降降解物质质。如农农药、塑塑料和各各种芳香香烃类化化合物, 这些些物质正正严重破破坏环境境和危害害着人类类的身体体健康。因因此, 有意识识地利用用生物界界中存在在的净化化能力进进行生物物治理, 已渐渐渐成为为环境治治理的主主要手段段。自然然界中的的生物, 往往往在有毒毒物质的的选择压压力下经经过基因因突变、基基因重组组、物种种间基因因的交流流, 进化化出代谢谢这些有有毒物质质的能力力 11。利利用基因因工程技技术提高高微生物物净化环环境的能能力是现现代生物物技术用用于环境境治理的的一项关关键技术术 22 。20世纪纪50年代代初, 由于分分子生物物学和生生物化学学的发展展, 对生生物细胞胞核中存存在的脱脱氧核糖糖核酸(DNAA)的结结构和功功能有了了比较清清晰的阐阐述 3。20世纪纪70年代代初实现现了DNNA重组组技术, 逐步步形成了了以基因因工程为为核心内内容, 包括细细胞工程程、酶工工程、发发酵工程程的生物物技术 4。这一一技术发发展到今今天, 正形成成产业化化品、医医药、化化工、农农业、环环保、能能源和国国防等许许多部门门,并日益显示示出其巨巨大的潜潜力, 将为世世界面临临的环境境保护等等问题的的解决提提供广阔阔的应用用前景。1 基因工工程技术术原理与与步骤基因工程技技术是一一项极为为复杂的的高新生生物技术术, 它利利用现代代遗传学学与分子子生物学学的理论论和方法法,按照人人类的需需要, 用DNAA重组技技术对生生物基因因组的结结构或组组成进行行人为修修饰或改改造, 从而改改变生物物的结构构和功能能, 使之之有效表表达出人人类所需需要的蛋蛋白质或或对人类类有益的的生物性性状 5 。首先先该技术术高效、经经济, 这是传传统产业业工程无无法比拟拟的。它它能按人人类需要要来设计计和改造造生物的的结构和和功能, 生产产出优良良的动物物、植物物和微生生物品种种。在低低投入的的情况下下, 能够够高效生生产出所所需商品品。而且且外源基基因只要要进入受受体细胞胞的基因因组中就就可以遗遗传给后后代, 育出的的优良品品种, 可持久久利用。其其次, 该技术术具有清清洁、低低耗和可可持续发发展的特特点。现现代基因因工程所所利用的的原料是是可再生生及可循循环使用用的, 不需消消耗大量量的不可可再生资资源, 所以极极少产生生对生态态环境有有害的废废物。再再次, 该技术术应用于于疾病的的诊断与与治疗方方面也具具有优势势。基因因诊断更更具预见见性和准准确性, 而且且基因治治疗可从从基因水水平上纠纠正疾病病, 从而而使疾病病得以根根治。111 基基因工程程技术的的原理基因工程技技术是一一种按照照人们的的构思和和设计,在体外外将一种种生物的的个别基基因插入入质粒或或其他载载体分子子, 构成成遗传物物质的重重组, 然后导导入到原原先没有有这类分分子的受受体细胞胞内进行行无性繁繁殖, 使重组组基因在在受体细细胞内表表达, 产生出出人类所所需要的的基因产产品的操操作技术术。或者者说, 基因工工程技术术是在生生物体外外, 通过过对一种种生物的的DNAA 分子子进行人人工/ 剪切0和/拼接0, 对生生物的基基因进行行改造和和重新组组合, 再把它它导入另另一种生生物的细细胞里, 定向向地改造造生物的的遗传性性状, 产生出出具有新新的遗传传特性的的生物 6。112 基基因工程程技术的的步骤和和内容一个完整的的基因工工程技术术流程一一般包括括目的基基因的获获得、载载体的制制备、基基因的转转移、基基因的表表达、基基因工程程产品的的分离提提纯等过过程 7。概概括起来来, 基因因工程技技术应包包括如下下几个主主要的步步骤和内内容 8 9 :¹ 从复复杂的生生物有机机体基因因组中, 经过过酶切消消化或PPCR 扩增等等步骤, 分离离出带有有目的基基因的DDNA 片段; 在体外外, 将带带有目的的基因的的外源DDNA 片段连连接到能能够自我我复制并并具有选选择记号号的载体体分子上上,形成重重组DNNA 分分子; » 将重重组DNNA分子子转移到到适当的的受体细细胞(亦称寄寄主细胞胞) , 并与与之一起起增殖;¼ 从大量量的细胞胞增殖群群体中, 筛选选出获得得了重组组DNAA 分子子的受体体细胞克克隆; ½ 从这这些筛选选出来的的受体细细胞克隆隆, 提取取出已经经得到扩扩增的目目的基因因, 供进进一步分分析研究究使用; ¾ 将目的的基因克克隆到表表达载体体上, 导入受受体细胞胞, 使之之在新的的遗传背背景下实实现功能能表达, 产生生出人类类所需要要的物质质。2 基因工工程技术术在环境境保护中中的应用用环境污染已已远远超超出了自自然界微微生物的的净化能能力, 已成为为人们十十分关注注的问题题。基因因工程技技术可提提高微生生物净化化环境的的能力。日日本将嗜嗜油酸单单孢杆菌菌的耐汞汞基因转转入腐臭臭单孢杆杆菌, 该菌株株能把汞汞化物吸吸收到细细胞内, 用它它处理污污水就能能解决被被汞污染染的环境境问题, 又使使汞得以以回收 100 112。Yeee DCC等 113构构建了能能降解樟樟辛烷、甲甲苯、萘萘等物质质的/超级菌菌0,可以从从环境中中多功效效地消除除有毒物物质。PP Maarcoon等 114把把Bt毒蛋蛋白基因因、球形形芽孢杆杆菌的毒毒蛋白基基因转入入大肠杆杆菌, 且表达达成功。它它能杀死死蚊虫与与害虫, 而对对人畜无无害, 不污染染环境。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 基基因工程程技术应应用于降降解农药药农田长期过过量施用用农药, 严重重破坏了了生态平平衡,造成土土壤水质质及食品品中残留留毒性增增加, 给人畜畜带来潜潜在危害害。如何何消除农农药污染染、保护护环境已已成为当当今世界界的一个个迫切问问题。由由于微生生物在物物质循环环中的重重要作用用, 它在在环境修修复中一一直扮演演着重要要的角色色; 然而而受微生生物对农农药(特别是是难降解解农药)降解能能力的限限制, 生物修修复具有有周期长长的明显显特点, 阻碍碍了这一一技术在在现实中中的发展展和应用用。应用用基因工工程原理理与技术术, 对微微生物进进行改造造, 是环环境科学学工作者者向更深深更广的的研究领领域拓展展时必不不可少的的途径 188 220。构构建高效效的基因因工程菌菌可以显显著提高高农药降降解效率率。环境境微生物物尤其是是细菌中中的农药药降解基基因、降降解途径径等许多多农药降降解机制制的阐明明为构建建具有高高效降解解性能的的工程菌菌提供了了可能。现现已开发发出有净净化农药药(如DDTT), 降解水水中染料料以及环环境中有有机氯苯苯类和氯氯酚类、多多氯联苯苯的基因因工程菌菌 221。H ornne 等等 222人人将从农农杆菌得得到的OOpdAA (编码有有机磷降降解基因因)和黄杆杆菌( F llavooba cteeiumm spp. )中得到到的Oppd (有机磷磷降解酶酶基因) 分别别构建了了原核表表达质粒粒, 并分分别转到到大肠杆杆菌E. cooli DH 10BB中表达达, 对其其表达产产物进行行了研究究。通过过其表达达产物OOpdAAOPHH(有机机磷水解解酶)对几种种农药的的酶解动动力学比比较, 发现OppdA能能作用更更多底物物的类似似物, 降解范范围更广广。212 基基因工程程技术已已成功开开发出能能吞食有有毒废弃弃物的细细菌美国加利福福尼亚大大学的微微生物学学工作者者培育出出了一种种以PCCBs(聚氯联联苯)为食物物的细菌菌 223。PCBBs是一一种污染染环境的的致癌物物质, 它不能能被一般般的自然然过程破破坏, 这种从从实验室室中培育育成的细细菌被认认为是有有效解决决这一难难题的工工具。该该大学的的研究人人员是将将一种一一般土壤壤细菌(恶臭假假单胞菌菌)的两个个菌株的的DNAA进行交交换, 产生一一种杂交交的突变变菌株。该该基因交交换菌株株能破坏坏联苯基基, 而联联苯基正正是构成成PCBss分子的的一个关关键基因因。它由由两个苯苯环组成成的, 有剧毒毒, 在它它们紧密密结合时时便成为为潜在的的致癌物物。PCCBs进进入人体体后, 不能被被人体的的新陈代代谢过程程破坏, 且能能传给下下一代。这这种物质质也能长长期保存存在土壤壤中不会会被分解解。新培培育出的的这种两两个菌株株的遗传传物质发发生交换换的突变变菌株则则能分解解PCBBs, 可使这这种有毒毒害的物物质变成成无害的的质) ) ) 水、二二氧化碳碳和盐类类 112。213 基因因工程微微生物农农药替代代合成农农药、化化肥基因因工程技技术的发发展, 为防治治农林害害虫提供供了有效效的新技技术手段段, 微生生物农药药因此在在世界范范围受到到广泛重重视。微微生物农农药是指指非化学学合成, 具有有杀虫防防病作用用的微生生物制剂剂, 如微微生物杀杀虫剂、杀杀菌剂、农用抗抗生素等等, 这类类微生物物包括杀杀虫防病病的细菌菌、真菌菌和病毒毒 224 27。微生生物杀虫虫剂对人人畜安全全无毒, 不污污染环境境; 杀虫虫作用具具有一定定的特异异性和选选择性, 不会会致死天天敌和非非目标昆昆虫; 易和其其他生物物手段结结合综合合防治害害虫, 维持生生态平衡衡; 由于于杀虫活活性蛋白白的多样样性, 昆虫产产生抗性性较缓慢慢; 可以以通过发发酵法生生产, 生产成成本较低低; 可以以通过基基因工程程技术途途径筛选选或构建建优良性性能的菌菌株来满满足生产产应用的的需要等等。农作作物在生生长过程程中容易易受到致致病菌及及害虫的的影响, 因此此在作物物种植过过程中往往往需要要使用大大量的农农药控制制病虫害害, 这是是造成食食物中农农药残留留及环境境污染的的主要原原因。如如何减少少农药的的使用量量是绿色色食品生生产中的的一项关关键技术术。采用用繁衍害害虫天敌敌、诱杀杀或生物物防治的的方法虽虽然可以以部分替替代合成成农药,但是最直接接有效的的方法是是利用基基因工程程技术使使作物获获得抗病病、抗虫虫的能力力。目前前, 已采采用基因因工程技技术将各各种抗病病、抗虫虫基因转转移到大大豆、玉玉米和水水稻等多多种重要要农作物物中, 利用转转基因植植物自身身的能力力抵抗外外界病、虫虫的危害害, 达到到减少农农药使用用的目的的 228 。科学学工作者者正在对对固氮酶酶及固氮氮酶基因因进行深深入的研研究, 并利用用基因工工程技术术对固氮氮酶基因因进行修修饰改造造, 一方方面提高高固氮菌菌的固氮氮能力, 另一一方面扩扩大能与与固氮菌菌共生的的作物种种类。随随着基因因工程技技术的发发展和对对固氮菌菌分子生生物学机机理研究究的不断断深入,将会有有越来越越多的农农作物通通过固氮氮菌的作作用直接接利用空空气中的的氮气, 从而而减少化化学肥料料的使用用量。214 基基因工程程技术应应用于含含油土壤壤及废水水的治理理落地油和含含油污水水对土壤壤造成了了严重污污染, 大量的的油泥, 不仅仅造成严严重的环环境问题题, 同时时也给石石油行业业造成重重大的经经济损失失。在生生命科学学已成为为自然科科学核心心的今天天, 一批批具有特特殊生理理生化功功能的植植物、微微生物应应运而生生, 基因因修饰、改改造、基基因转移移等现代代生物技技术的渗渗透推动动了污油油土壤处处理生物物技术的的进一步步发展, 因此此, 利用用生物技技术进行行油污土土壤治理理, 具有有广阔的的应用前前景。美美国利用用DNAA重组技技术把降降解芳烃烃、萜烃烃、多环环芳烃、脂脂肪烃的的4 种菌菌体基因因链接, 转移移到某一一菌体中中构建出出可同时时降解44 种有有机物的的/超级细细菌0, 用之之清除石石油污染染, 在数数小时内内可将水水上浮油油中的22 /33烃类降降解 29。在石石油开采采过程中中, 采出出的原油油含有大大量的水水分, 原油脱脱下的废废水中, 含有有大量的的石油污污染物。全全向春引引入现代代生物技技术, 从一般般的筛选选工作, 转入入到降解解代谢途途径、降降解酶系系组成及及其遗传传的控制制机制上上来, 在此基基础上, 实现现定向育育种, 定向构构建具有有高效生生物降解解能力的的基因工工程菌 300。基基因工程程菌降解解效率高高、底物物范围广广、表达达稳定, 比自自然环境境中的降降解性微微生物更更具竞争争力, 例如PCCP1003 菌菌株的构构建。基基因工程程菌的构构建和应应用对于于美化环环境、保保护人类类健康提提供了一一系列可可行的途途径。现现代科学学工作者者把PCCR 技技术用于于基因工工程菌的的构建并并已取得得了一些些成绩, 国内内外正在在进行这这方面的的研究 311 334。随随着生物物技术的的发展, 基因因工程菌菌在含油油污水处处理中的应用将会会进一步步完善, 为人人类造福福。3 展 望望基因工程技技术是发发展迅速速的一项项污染环环境治理理技术。实实践证明明, 采用用基因工工程技术术治理污污染环境境,可以最最大限度度地去除除环境中中的污染染物。是是保障可可持续发发展的一一项最有有力的措措施。随随着基因因工程菌菌的出现现, 基因因工程技技术将不不断应用用于更多多的污染染环境的的治理工工程中 355 339。培培养出新新的特效效物种并并进一步步提高其其应用效效率、降降低应用用成本; 运用用各种相相关技术术加以优优化组合合, 尤其其是高效效、低能能耗、易易普及的的特种微微生物与与特殊工工艺的最最佳结合合; 加强强不同专专业、不不同学科科之间的的合作, 如将将毒理学学和微生生物学和和环境工工程学相相结合; 从根根本上消消除污染染源, 充分协协调人与与自然之之间的关关系, 充分实实现废物物资源化化, 引入入DNAA 扩增增和其它它生物技技术的环环境监测测方法等等将是基基因工程程技术研研究的侧侧重方向向。基因因工程技技术作为为一种新新兴技术术以极快快的速度度发展。以以下两方方面的研研究将对对环境保保护有着着重要意意义。一一是对基基因工程程菌的深深入研究究, 如基基因工程程菌对污污染物的的代谢途途径、控控制目的的基因表表达的启启动子基基因序列列、降解解基因表表达的调调控条件件的优化化等方面面的研究究; 二是是对环境境中微生生物的习习性及基基因工程程菌与环环境中微微生物和和污染物物之间的的相互作作用进行行研究, 从而而使基因因工程菌菌在治理理有机物物污染方方面的实实际应用用成为可可能。目目前的研研究主要要是利用用单一的的基因工工程菌对对污染物物进行处处理, 随着研研究的不不断深入入,利用多多种基因因工程菌菌相结合合对污染染物进行行处理, 将对对环境保保护起到到更为重重要的作作用。参考文献: 1钟钟 鸣, 周启启星. 微生物物分子生生态学技技术及其其在环境境污染研研究中的应用 J. 应用用生态学学报, 20002, 13( 2 ): 2477 - 2511. 2冯冯 斌, 谢光光芝. 基因工工程技术术 JJ . 化工工进展, 20002, 211 ( 3 ): 2231- 2322. 3冯冯永康. 生命命科学史史上的划划时代突突破) ) ) 纪念念DNAA 双螺螺旋结构构发现50周周年 J. 科学学(上海), 20003, 555( 22): 39- 422. 4陆陆晓东. 基因因工程技技术应用用现状简简介 J. 卫生生职业教教育, 20003,23( 77): 1566- 1157. 5陈陈渝军, 林 晶. 基因工工程技术术在医药药卫生领领域的应应用及发发展.药品评价, 20005, 2 ( 22): 1444- 1145. 6李李中东. 基因因工程与与农业可可持续发发展的社社会控制制研究 J . 科技进步与对策策, 220033, 116: 22- 244. 7 王建龙龙, 文湘湘华. 现代环环境生物物技术M. 北京京: 清华华大学出出版社. 20001, 1338- 1400. 8常常忠义, 周 波, 高红亮亮, 等. 基因因工程菌菌在生物物降解中中的应用用及其发展 J. 生物物技术, 20003, 133( 55 ): 466- 448. 9陈陈 坚. 环境境生物技技术MM. 北京: 中国轻轻工业出出版社, 20000: 3551- 4088. 10 Moondeelloo F J. 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