基因工程技术在环境治理保护中的应用22262.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: 随着科技技的发展, 人类在在为自己生生产出越来来越多生活活资料的同同时, 产生有有害物质的的数量和种种类也大幅幅度增加, 对环境境的污染日日益严重。基因工程程技术是在在DNA 分子水平平上按照人人们的意愿愿进行的定定向改造生生物的新技技术。利用基因因工程技术术提高微生生物净化环环境的能力力是用于环环境治理的的一项关键键技术。本文简要要介绍基因因工程的原原理、步骤与内内容, 概述其其在环境保保护中的应应用,以期能对对同类研究究提供参考考。关键词: 基因工程程; 环境保保护The aappliicatiion oof geene eenginneeriing ttechnniquee to enviironmmentaal prottectiion Absttractt: Thhe geene eenginneeriing ttechnniquee was the new techhniquue foor modiifyinng liivingg beiings accoordinng too humman wwishees onn thee DNAA moleeculaar leevel and the key techhniquue foor ennviroonmenntal manaagemeent bby immprovving the puriifyinng ennviroonmennt abbilitty of microbbes. The papeer inntroduuced the prinnciplle, sstep and con ten t off genne enngineeerinng, aand rrevieewed the appllicatiion oof geene eenginneeriing ttechnniquee to enviironmment proteection.Key wword s: ggene engiineerring; envvironnmenttal pproteectioon随着科技的的发展, 人类在为为自己生产产出越来越越多的生活活资料的同同时, 也向大大自然排放放了越来越越多的有害害和难降解解物质。如如农药、塑塑料和各种种芳香烃类类化合物, 这些物物质正严重重破坏环境境和危害着着人类的身身体健康。因因此, 有意识识地利用生生物界中存存在的净化化能力进行行生物治理理, 已渐渐渐成为环境境治理的主主要手段。自自然界中的的生物, 往往在有有毒物质的的选择压力力下经过基基因突变、基基因重组、物物种间基因因的交流, 进化出出代谢这些些有毒物质质的能力 1。利利用基因工工程技术提提高微生物物净化环境境的能力是是现代生物物技术用于于环境治理理的一项关关键技术 2 。20世纪50年代初初, 由于分分子生物学学和生物化化学的发展展, 对生物物细胞核中中存在的脱脱氧核糖核核酸(DNNA)的结结构和功能能有了比较较清晰的阐阐述 33。20世纪70年代初初实现了DDNA重组组技术, 逐步形成成了以基因因工程为核核心内容, 包括细细胞工程、酶酶工程、发发酵工程的的生物技术术 4。这一技技术发展到到今天, 正形成产产业化品、医医药、化工工、农业、环环保、能源源和国防等等许多部门门,并日益显示示出其巨大大的潜力, 将为世世界面临的的环境保护护等问题的的解决提供供广阔的应应用前景。1 基因工工程技术原原理与步骤骤基因工程技技术是一项项极为复杂杂的高新生生物技术, 它利用用现代遗传传学与分子子生物学的的理论和方方法,按照人类类的需要, 用DNA重组组技术对生生物基因组组的结构或或组成进行行人为修饰饰或改造, 从而改改变生物的的结构和功功能, 使之有有效表达出出人类所需需要的蛋白白质或对人人类有益的的生物性状状 5 。首先先该技术高高效、经济济, 这是传传统产业工工程无法比比拟的。它它能按人类类需要来设设计和改造造生物的结结构和功能能, 生产出出优良的动动物、植物物和微生物物品种。在在低投入的的情况下, 能够高高效生产出出所需商品品。而且外外源基因只只要进入受受体细胞的的基因组中中就可以遗遗传给后代代, 育出的的优良品种种, 可持久久利用。其其次, 该技术术具有清洁洁、低耗和和可持续发发展的特点点。现代基基因工程所所利用的原原料是可再再生及可循循环使用的的, 不需消消耗大量的的不可再生生资源, 所以极少少产生对生生态环境有有害的废物物。再次, 该技术术应用于疾疾病的诊断断与治疗方方面也具有有优势。基基因诊断更更具预见性性和准确性性, 而且基基因治疗可可从基因水水平上纠正正疾病, 从而使疾疾病得以根根治。111 基基因工程技技术的原理理基因工程技技术是一种种按照人们们的构思和和设计,在体外将将一种生物物的个别基基因插入质质粒或其他他载体分子子, 构成遗遗传物质的的重组, 然后导入入到原先没没有这类分分子的受体体细胞内进进行无性繁繁殖, 使重组组基因在受受体细胞内内表达, 产生出人人类所需要要的基因产产品的操作作技术。或或者说, 基因工程程技术是在在生物体外外, 通过对对一种生物物的DNAA 分子进进行人工/ 剪切0和/拼接0, 对生物物的基因进进行改造和和重新组合合, 再把它它导入另一一种生物的的细胞里, 定向地地改造生物物的遗传性性状, 产生出出具有新的的遗传特性性的生物 6。112 基基因工程技技术的步骤骤和内容一个完整的的基因工程程技术流程程一般包括括目的基因因的获得、载载体的制备备、基因的的转移、基基因的表达达、基因工工程产品的的分离提纯纯等过程 7。概概括起来, 基因工工程技术应应包括如下下几个主要要的步骤和和内容 8 9 :¹ 从复杂杂的生物有有机体基因因组中, 经过酶切切消化或PPCR 扩扩增等步骤骤, 分离出出带有目的的基因的DDNA 片片段; 在体外外, 将带有有目的基因因的外源DDNA 片片段连接到到能够自我我复制并具具有选择记记号的载体体分子上,形成重组组DNA 分子; » 将重组组DNA分子子转移到适适当的受体体细胞(亦称寄主主细胞) , 并与与之一起增增殖;¼ 从大量的的细胞增殖殖群体中, 筛选出出获得了重重组DNAA 分子的的受体细胞胞克隆; ½ 从这些些筛选出来来的受体细细胞克隆, 提取出出已经得到到扩增的目目的基因, 供进一一步分析研研究使用; ¾ 将目的基基因克隆到到表达载体体上, 导入受受体细胞, 使之在在新的遗传传背景下实实现功能表表达, 产生出出人类所需需要的物质质。2 基因工工程技术在在环境保护护中的应用用环境污染已已远远超出出了自然界界微生物的的净化能力力, 已成为为人们十分分关注的问问题。基因因工程技术术可提高微微生物净化化环境的能能力。日本本将嗜油酸酸单孢杆菌菌的耐汞基基因转入腐腐臭单孢杆杆菌, 该菌株株能把汞化化物吸收到到细胞内, 用它处处理污水就就能解决被被汞污染的的环境问题题, 又使汞汞得以回收收 100 122。Yee DC等 133构建了了能降解樟樟辛烷、甲甲苯、萘等等物质的/超级菌0,可以从环环境中多功功效地消除除有毒物质质。P MMarcoon等 144把Bt毒蛋白白基因、球球形芽孢杆杆菌的毒蛋蛋白基因转转入大肠杆杆菌, 且表达达成功。它它能杀死蚊蚊虫与害虫虫, 而对人人畜无害, 不污染染环境。220世纪90年代后后期问世的的DNA改组组技术可以以创新基因因, 并赋予予表达产物物以新的功功能, 创造出出全新的微微生物, 如可将降降解某一污污染物的不不同细菌的的基因通过过PCR 技术全部部克隆出来来, 再利用用基因重组组技术在体体外加工重重组, 最后导导入合适的的载体, 就有可能能产生一种种或几种具具有非凡降降解能力的的超级菌株株, 从而大大大地提高高降解效率率 155 177。211 基基因工程技技术应用于于降解农药药农田长期过过量施用农农药, 严重破破坏了生态态平衡,造成土壤壤水质及食食品中残留留毒性增加加, 给人畜畜带来潜在在危害。如如何消除农农药污染、保保护环境已已成为当今今世界的一一个迫切问问题。由于于微生物在在物质循环环中的重要要作用, 它在环境境修复中一一直扮演着着重要的角角色; 然而受受微生物对对农药(特别是难难降解农药药)降解能力力的限制, 生物修修复具有周周期长的明明显特点, 阻碍了了这一技术术在现实中中的发展和和应用。应应用基因工工程原理与与技术, 对微生物物进行改造造, 是环境境科学工作作者向更深深更广的研研究领域拓拓展时必不不可少的途途径 118 220。构构建高效的的基因工程程菌可以显显著提高农农药降解效效率。环境境微生物尤尤其是细菌菌中的农药药降解基因因、降解途途径等许多多农药降解解机制的阐阐明为构建建具有高效效降解性能能的工程菌菌提供了可可能。现已已开发出有有净化农药药(如DDT), 降解解水中染料料以及环境境中有机氯氯苯类和氯氯酚类、多多氯联苯的的基因工程程菌 221。H ornne 等 222人将从从农杆菌得得到的OppdA (编码有机机磷降解基基因)和黄杆菌菌( F llavobba ctteiumm sp. )中得得到的Oppd (有机磷降降解酶基因因) 分别构构建了原核核表达质粒粒, 并分别别转到大肠肠杆菌E. colli DHH 10BB中表达, 对其表达达产物进行行了研究。通通过其表达达产物OppdAOPPH(有机机磷水解酶酶)对几种农农药的酶解解动力学比比较, 发现OpddA能作用用更多底物物的类似物物, 降解范范围更广。212 基基因工程技技术已成功功开发出能能吞食有毒毒废弃物的的细菌美国加利福福尼亚大学学的微生物物学工作者者培育出了了一种以PPCBs(聚氯联苯苯)为食物的的细菌 23。PCBss是一种污污染环境的的致癌物质质, 它不能能被一般的的自然过程程破坏, 这种从实实验室中培培育成的细细菌被认为为是有效解解决这一难难题的工具具。该大学学的研究人人员是将一一种一般土土壤细菌(恶臭假单单胞菌)的两个菌菌株的DNNA进行交交换, 产生一一种杂交的的突变菌株株。该基因因交换菌株株能破坏联联苯基, 而联苯基基正是构成成PCBs分子的的一个关键键基因。它它由两个苯苯环组成的的, 有剧毒毒, 在它们们紧密结合合时便成为为潜在的致致癌物。PPCBs进进入人体后后, 不能被被人体的新新陈代谢过过程破坏, 且能传传给下一代代。这种物物质也能长长期保存在在土壤中不不会被分解解。新培育育出的这种种两个菌株株的遗传物物质发生交交换的突变变菌株则能能分解PCCBs, 可使这种种有毒害的的物质变成成无害的质质) ) ) 水、二二氧化碳和和盐类 12。213 基因工工程微生物物农药替代代合成农药药、化肥基基因工程技技术的发展展, 为防治治农林害虫虫提供了有有效的新技技术手段, 微生物物农药因此此在世界范范围受到广广泛重视。微微生物农药药是指非化化学合成, 具有杀杀虫防病作作用的微生生物制剂, 如微生生物杀虫剂剂、杀菌剂、农用抗抗生素等, 这类微微生物包括括杀虫防病病的细菌、真真菌和病毒毒 244 277。微生生物杀虫剂剂对人畜安安全无毒, 不污染染环境; 杀虫作用用具有一定定的特异性性和选择性性, 不会致致死天敌和和非目标昆昆虫; 易和其其他生物手手段结合综综合防治害害虫, 维持生生态平衡; 由于杀杀虫活性蛋蛋白的多样样性, 昆虫产产生抗性较较缓慢; 可以通过过发酵法生生产, 生产成成本较低; 可以通通过基因工工程技术途途径筛选或或构建优良良性能的菌菌株来满足足生产应用用的需要等等。农作物物在生长过过程中容易易受到致病病菌及害虫虫的影响, 因此在在作物种植植过程中往往往需要使使用大量的的农药控制制病虫害, 这是造造成食物中中农药残留留及环境污污染的主要要原因。如如何减少农农药的使用用量是绿色色食品生产产中的一项项关键技术术。采用繁繁衍害虫天天敌、诱杀杀或生物防防治的方法法虽然可以以部分替代代合成农药药,但是最直接接有效的方方法是利用用基因工程程技术使作作物获得抗抗病、抗虫虫的能力。目目前, 已采用用基因工程程技术将各各种抗病、抗抗虫基因转转移到大豆豆、玉米和和水稻等多多种重要农农作物中, 利用转转基因植物物自身的能能力抵抗外外界病、虫虫的危害, 达到减减少农药使使用的目的的 288 。科科学工作者者正在对固固氮酶及固固氮酶基因因进行深入入的研究, 并利用用基因工程程技术对固固氮酶基因因进行修饰饰改造, 一方面提提高固氮菌菌的固氮能能力, 另一方方面扩大能能与固氮菌菌共生的作作物种类。随随着基因工工程技术的的发展和对对固氮菌分分子生物学学机理研究究的不断深深入,将会有越越来越多的的农作物通通过固氮菌菌的作用直直接利用空空气中的氮氮气, 从而减减少化学肥肥料的使用用量。214 基基因工程技技术应用于于含油土壤壤及废水的的治理落地油和含含油污水对对土壤造成成了严重污污染, 大量的的油泥, 不仅造成成严重的环环境问题, 同时也也给石油行行业造成重重大的经济济损失。在在生命科学学已成为自自然科学核核心的今天天, 一批具具有特殊生生理生化功功能的植物物、微生物物应运而生生, 基因修修饰、改造造、基因转转移等现代代生物技术术的渗透推推动了污油油土壤处理理生物技术术的进一步步发展, 因此, 利用生生物技术进进行油污土土壤治理, 具有广广阔的应用用前景。美美国利用DDNA重组组技术把降降解芳烃、萜萜烃、多环环芳烃、脂脂肪烃的44 种菌体体基因链接接, 转移到到某一菌体体中构建出出可同时降降解4 种有机机物的/超级细菌菌0, 用之清清除石油污污染, 在数小小时内可将将水上浮油油中的2 /3烃类类降解 29。在在石油开采采过程中, 采出的的原油含有有大量的水水分, 原油脱脱下的废水水中, 含有大大量的石油油污染物。全全向春引入入现代生物物技术, 从一般的的筛选工作作, 转入到到降解代谢谢途径、降降解酶系组组成及其遗遗传的控制制机制上来来, 在此基基础上, 实现定向向育种, 定向构建建具有高效效生物降解解能力的基基因工程菌菌 300。基因因工程菌降降解效率高高、底物范范围广、表表达稳定, 比自然然环境中的的降解性微微生物更具具竞争力, 例如PCPP103 菌株的构构建。基因因工程菌的的构建和应应用对于美美化环境、保保护人类健健康提供了了一系列可可行的途径径。现代科科学工作者者把PCRR 技术用用于基因工工程菌的构构建并已取取得了一些些成绩, 国内外正正在进行这这方面的研研究 331 334。随随着生物技技术的发展展, 基因工工程菌在含含油污水处处理中的应用将会会进一步完完善, 为人类类造福。3 展 望望基因工程技技术是发展展迅速的一一项污染环环境治理技技术。实践践证明, 采用基因因工程技术术治理污染染环境,可以最大大限度地去去除环境中中的污染物物。是保障障可持续发发展的一项项最有力的的措施。随随着基因工工程菌的出出现, 基因工工程技术将将不断应用用于更多的的污染环境境的治理工工程中 35 39。培培养出新的的特效物种种并进一步步提高其应应用效率、降降低应用成成本; 运用各各种相关技技术加以优优化组合, 尤其是是高效、低低能耗、易易普及的特特种微生物物与特殊工工艺的最佳佳结合; 加强不同同专业、不不同学科之之间的合作作, 如将毒毒理学和微微生物学和和环境工程程学相结合合; 从根本本上消除污污染源, 充分协调调人与自然然之间的关关系, 充分实实现废物资资源化, 引入DNAA 扩增和和其它生物物技术的环环境监测方方法等将是是基因工程程技术研究究的侧重方方向。基因因工程技术术作为一种种新兴技术术以极快的的速度发展展。以下两两方面的研研究将对环环境保护有有着重要意意义。一是是对基因工工程菌的深深入研究, 如基因因工程菌对对污染物的的代谢途径径、控制目目的基因表表达的启动动子基因序序列、降解解基因表达达的调控条条件的优化化等方面的的研究; 二是对环环境中微生生物的习性性及基因工工程菌与环环境中微生生物和污染染物之间的的相互作用用进行研究究, 从而使使基因工程程菌在治理理有机物污污染方面的的实际应用用成为可能能。目前的的研究主要要是利用单单一的基因因工程菌对对污染物进进行处理, 随着研研究的不断断深入,利用多种种基因工程程菌相结合合对污染物物进行处理理, 将对环环境保护起起到更为重重要的作用用。参考文献: 1钟钟 鸣, 周启星. 微生物分分子生态学学技术及其其在环境污污染研究中中的应用 J. 应用生态态学报, 20022, 133( 2 ): 2247 - 2511. 2冯冯 斌, 谢光芝. 基因工程程技术 J . 化工进进展, 22002, 21 ( 3 ): 2231- 2322. 3冯冯永康. 生命科学学史上的划划时代突破破) ) ) 纪念念DNA 双螺旋结结构发现50周周年 JJ. 科科学(上海), 20033, 555( 2): 399- 422. 4陆陆晓东. 基因工程程技术应用用现状简介介 J. 卫生生职业教育育, 20003,23( 77): 1156- 157. 5陈陈渝军, 林 晶. 基因工程程技术在医医药卫生领领域的应用用及发展.药品评价, 20005, 22 ( 22): 1144- 145. 6李李中东. 基因工程程与农业可可持续发展展的社会控控制研究 J . 科技技进步与对策策, 20003, 16: 22- 24. 7 王建龙, 文湘华. 现代环境境生物技术术M. 北京: 清华大大学出版社. 20001, 138- 1400. 8常常忠义, 周 波, 高红亮, 等. 基因工工程菌在生生物降解中中的应用及及其发展 J. 生物技术术, 20003, 13( 5 ): 46- 48. 9陈陈 坚. 环境生物物技术MM. 北北京: 中国轻轻工业出版版社, 22000: 3511- 4088. 10 Monndelllo F J. 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