基因工程在环境保护中的应用

基因工程在环境保护中的应用•环境现状•基因工程的介绍•基因工程在环境保护中的作用•前景与展望•结束语一、目前国内环境现状•石油污染•水和土壤污染•农药污染•气候变暖石油污染•石油污染是指石油开采、运输、装卸、加工和使用过程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，主要发生在海洋。石油漂浮在海面上，迅速扩散形成油膜，可通过扩散、蒸发、溶解、乳化、光降解以及生物降解和吸收等进行迁移、转化。油类可沾附在鱼鳃上，使鱼窒息，抑制水鸟产卵和孵化，破坏其羽毛的不透水性，降低水产品质量。油膜形成可阻碍水体的复氧作用，影响海洋浮游生物生长，破坏海洋生态平衡，此外还可破坏海滨风景，影响海滨美学价值。水污染•人类的活动会使大量的工业、农业、和生活废弃物排入水中，使水受到污染。目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上。•水污染主要是由人类活动产生的污染物造成，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分•污染物主要有：（1）未经处理而排放的工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水；（3）大量使用化肥、农药、除草剂而造成的农田污水；（4）堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；（5）森林砍伐，水土流失；（6）因过度开采，产生矿山污水。骨痛病事件•镉是人体不需要的元素。日本富山县的一些铅锌矿在采矿和冶炼中排放废水，废水在河流中积累了重金属“镉”。人长期饮用这样的河水，食用浇灌含镉河水生产的稻谷，就会得“骨痛病”。病人骨骼严重畸形、剧痛，身长缩短，骨脆易折。土壤污染•近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。凡是妨碍土壤正常功能，降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜，水果等间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物。•土壤污染物有下列4类:•化学污染物。包括无机污染物和有机污染物。前者如汞、镉、铅、砷等重金属，过量的氮、磷植物营养元素以及氧化物和硫化物等;后者如各种化学农药、石油及其裂解产物,以及其他各类有机合成产物等。•物理污染物。指来自工厂、矿山的固体废弃物如尾矿、废石、粉煤灰和工业垃圾等。•生物污染物。指带有各种病菌的城市垃圾和由卫生设施（包括医院）排出的废水、废物以及厩肥等。•放射性污染物。主要存在于核原料开采和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长的放射性元素为主。土壤污染有加剧趋势土壤污染造成镉超标农药污染•主要指农药及其在自然环境中的降解产物污染大气、水体和土壤，并破坏生态系统，引起人和动、植物的急性或慢性中毒的一种有机污染。•人类从40年代起开始使用农药除虫除草，每年挽回农业总产量15%左右的损失。但是，由于长期滥用农药，使环境中的有害物质大大增加，危害到生态和人类，形成农药污染。造成污染的农药主要是有机氯农药，含铅、砷、汞等物质的金属制剂，以及某些特异性除草剂。•农药污染主要是有机氯农药污染、有机磷农药污染和有机氮农药污染。人从环境中摄入农药主要是通过饮食。植物性食品中含有农药的原因，一是药剂的直接沾污，二是作物从周围环境中吸收药剂。动物性食品中含有农药是动物通过食物链或直接从水体中摄入的。环境中农药的残留浓度一般是很低的，但通过食物链和生物浓缩可使生物体内的农药浓度提高至几千倍，甚至几万倍.农药DDT污染食用被有机磷等农药污染的食物气候变暖•全球气候变暖是一种“自然现象”。由于人们焚烧化石矿物以生成能量或砍伐森林并将其焚烧时产生的二氧化碳等多种温室气体，由于这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，也就是常说的“温室效应”，导致全球气候变暖。•全球变暖的后果，会使全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。•德国研究人员表示，未来全球气温可能会远远高于一些科学家此前所做的预测，如果新的计算机模型关于气候变化所做的预测是正确的话。•据路透社报道，政府间气候变化专门委员会(IPCC，由各国气象专家组成，研究全球气候趋势)此前预测，到本世纪末，随着二氧化碳的成倍增加，全球气温将升高1.5至4.5℃。但德国美因兹马普化学研究所的迈因拉特·安德烈埃教授及其研究小组的最新测算方法却表明，全球气温上升的最高幅度可达到6℃。•有资料说，再过七年，全球气候将不可逆转的变暖。•英国气象局研究160年气温数据证明全球确实变暖。全球变暖导致冰雪融化基因工程的概念、内容与发展概况（一）基因工程的概念基因工程：运用酶学方法，将外源基因与载体DNA在体外进行重组，将形成的重组DNA转入受体细胞，使外源基因在其中复制表达，从而改造生物特性，生产出人类所需要的产物的高新技术。（二）基因工程的主要内容概括起来，基因工程的操作过程一般分4个步骤。1、获得目的基因；2、将目的基因与载体连接形成重组DNA；3、将重组DNA导入受体细胞；4、筛选出能表达目的基因的受体细胞获得目的基因1、从基因所在的生物体直接取得限制性内切酶（restrictionenzymes）2、人工合成DNA片段（DNA合成仪）3、PCR反应合成DNA4、mRNA反转录成cDNA5、用机械的方法重组DNA载体：细菌中的质粒、温和噬菌体重组体DNA：载体DNA+引入的DNA粘性末端平整末端连接酶重组DNA导入受体细胞受体:原核生物细胞（大肠杆菌感受态细胞）真核生物细胞（酵母：单细胞真菌，是外源真核基因理想的表达系统。基因结构简单，便于基因工程操作；培养简单，成本低廉；基因表达产物易提取和加工；不产生毒素。）筛选受体细胞分子杂交（molecularhybridization）：基因序列遗传学方法：性能免疫学方法：蛋白质（三）基因工程的发展概况•1972年，Berg等首次用限制性内切酶EcoRI切割病毒SV40DNA和λ噬菌体DNA，经过连接，组成重组DNA分子。•1973年，Cohen将伤寒沙门氏菌抗链霉素质粒与大肠杆菌抗四环素质粒在体外重组，获得异源的重组质粒DNA，并把重组质粒导入大肠杆菌中，建立了抗四环素和抗链霉素的大肠杆菌克隆体.•1972年美国加州大学的Boyer从大肠杆菌中发现了一种•能够在特定位置上切割DNA分子的酶即限制性内切酶•经过几十年的发展，基因工程技术已走出实验室，基因工程技术的应用已发展成为一个巨大的产业，基因工程在农业、医药、食品、环保等领域已显示出巨大的应用价值。基因工程在环境保护中的应用科技的发展充分证明基因工程是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。基因工程在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。其在石油污染方面、水和土壤污染方面、农药方面、温室效应方面、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。1.石油污染方面2.水和土壤污染方面3.在温室效应方面4.在农药方面1、石油污染方面随着石油工业的迅速发展石油这种含有多种烃类的混和物，不断对陆地与海洋造成污染，而烃类是难分解的物质，某种特定的细菌只能降解有限的几种石油成分，对其他成分却不能分解。1975年美籍印度人查克拉搏特等科学家依据似单胞杆菌对石油中有毒成分具有很强分解力这一特性，把4种能吃浮油的假单胞杆菌的基因拼接起来，合并成一种假单胞菌种．组成了所谓的“超级菌”，它能分解各种石油烃,消除浮油的效率高、速度快，只需几小时就能除掉自然菌种需几年才能消除的原油污染。经不断改进．这种超级细菌已成功地用于实际环境治理中。2、水和土壤污染方面2.1科学家依据Psenclomorlas的改良菌具有分解樟脑、水杨酸脂、萘的功能把分解甲苯基因导入活性污泥中分离出来的具有絮凝能力的菌中，就能得到具有分解甲苯和起到絮凝作用的改良菌，从而使废水中的碳氢化合物得以分解，使污泥得以沉淀。2.2目前，人们正在利用基因工程进一步解析聚磷基因和硝化基因，将这2个基因重组后导人大肠杆菌中，构建重组工程组，从而使废水中过高的N、P得到有效地去除，降低水体的富营养化，减少赤潮发生。科学家已经用基因工程方法培养出了“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。DDT细菌2.3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。PCBs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。PCBs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、二氧化碳和盐类用植物净化被污染的水体和土壤等技术被学者们称为“植物修复环境技术”。日本科学工作者在对大约3000种植物进行调查研究后发现,颠茄这种植物有吸收和分解污染源物质多氯化联苯的能力。在此基础上他们对该植物进行转基因处理,即把加速根部生长的功能基因导入颠茄细胞中,培育出了生长速度快、根部发达的重组基因颠茄,从而大大提高了其吸收和分解污染物质的能力。生产实践表明,严重超标的工厂废水能够被它吸收80%。转基因技术育出环保猪在国际上(如北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区)都有这样一种规定:“如果猪粪中磷的平均含量能够降低35%,从规定要求来说,养猪户就能够多养35%的猪而不会违反环保规定的要求。”转基因猪猪通常被认为是对环境有危害的家畜。它排泄的粪便中含有磷元素,能促使藻类生长,使水域很快形成富营养化状态,会造成河流、湖泊污染,并会使鱼类缺氧而大量死亡。加拿大安大略省古尔弗大学的科学工作者利用基因工程技术培育出了一种猪,其粪便中的含磷量比普通猪少20%～50%。这种基因工程猪是把老鼠和一些细菌的基因转导到猪的DNA中培育成的。这个规定的唯一根据就是猪排泄到地下水中的磷含量。加拿大科学家的这项研究成果对国际上的养猪业起了很大的促进作用,对促进环境保护有强有力的作用。用“基因剪切”“酶接”培育成功抗放射性核废物细菌该项研究利用了一种耐放射性异常的土壤细菌。这种细胞已被确认为抗放射性能力最强的微生物。它的生理特性是够修复自身的DNA,从而使其机体在不断遭受放射性物质攻击的情况下仍能生存下来。不仅如此,这种细菌还含有一种能分解化学物质的功能基因。在这一发现的基础上,研究者又将其他“版本”的功能基因剪切、酶接到该细菌体内,从而使这种基因工程微生物进一步具备了分解甲苯、氯苯、三元低共溶氯化物等放射性化学物质和其他有毒化学物质的功能。植物植物除了通过转化作用将所吸收的有机污染物转化成无毒的其它有机物外，也可以通过降解作用使其分解为无毒的小分子化合物。最理想的方式是将大分子的有机化合物经生物降解转化成H2O和CO2。杨树在人工控制的现场实验中能够去除湿地中99％的三氯乙烯(Newman等1999)热带豆科树木Leuceanaleticocephalavar．K636能降解EDB(二溴乙烷)和TCE(二氯乙烯)(Doty等2003)3、在农药方面中的应用微生物农药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