现代生物技术的应用

李彩霞

摘要:论述了我国生态环境现状,现代生物技术在环境保护中的应用,现代生物技术的新进展,包括能吞食有毒废弃物基因工程细菌的培育,用微生物降解农药废水治理污染,用生物传感器监测水质以及用中草药制农药防治作物病虫害等。

关键词:生物技术;环境保护;基因工程;生物传感器;生物农药

水资源短缺、土壤荒漠化、有毒化学品污染、臭氧层破坏、酸雨肆虐、生物多样性遭到破坏、森林减少??人类的生存和发展遇到了一场前所未有的挑战,迫使人们进行一场“环境革命”来拯救人类自己。前不久由联合国主持召开的一次“无害环境生物技术应用国际合作会议”上,专家们评估了生物技术应用对环境和人类健康的影响,提出了运用现代生物工程技术预防、阻止环境恶化,加强自然资源持续利用,维护生态平衡的措施。

现代生物技术是以DNA重组技术的建立为标志的多学科交叉的新兴综合性技术体系,它以分子生物学、细胞生物学、微生物学、遗传学等学科为支撑,与化学、化工、计算机、微电子和环境工程等学科紧密结合和相互渗透,极大地丰富了各学科的内涵,推动了科学理论和应用技术的发展。当今研究和应用比较广泛的有PCR技术、生物传感器、生物芯片、酶联免疫技术、单细胞凝胶电泳和污染物的致癌致畸致突变性监测等方面。本文通过对上述内容的综述,揭示生物监测技术在环境监测领域的发展趋势。

1 我国生态环境现状

目前我国由于农用化肥和农药的污染以及废弃塑料和农用地膜的污染,严重的影响了我国的生态环境。因此,加大环境保护和环境治理力度,加快应用高新技术,如现代生物技术来控制环境污染和保持生态平衡,提高环境质量已成为环保工作者的工作重点。现代生物技术不仅在农作物改良、医药研究、食品工程方面发挥着重要作用,而且也随着日益突出的环境问题在治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。

2 现代生物技术在环境保护中的应用

2.1 污水的生物净化

污水中的有毒物质的成分十分复杂,包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用,从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质,使污水得到净化。重金属污染的生物修复是利用生物主要是微生物、植物作用,削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。

2.2 白色污染的消除

废弃塑料和农用地膜经久不化解,估计是形成环境污染的重要成分。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌,另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导人某一土壤微生物如根瘤菌中,使两者同时发挥各自的作用,将塑料和农膜迅速降解。

2.3 化学农药污染的消除

一般情况下,使用的化学杀虫剂约会残留在土壤中,特别是氯代烃类农药是最难分解的,经生态系统造成滞留毒害作用。利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。将农药转化为可代谢的中间产物,从而从环境中消除残留农药,这种途径的降解结果比较复杂,有正面效应也有负面效应。

3 现代生物监测技术

3.1 PCR技术

PCR技术即聚合酶链式反应(Polymerase ChainReaction)。PCR技术是一种利用DNA变形与复性原理在体外合成特异性DNA片段的方法,可以快速扩增目的基因DNA或RNA片段,又称基因的体外扩增法。双链DNA分子经过热变性后,用两个与待扩增DNA片段相邻的核苷酸序列互补的寡聚核苷酸印物与变性DNA一起退火,再用一种DNA聚合酶使引物延长,变性-退火-延长构成了一个DNA扩增反应循环,像这样的循环可多次重复,使所需的DNA片段特异性扩增。

PCR技术目前在环境监测中的应用主要有以下几个方面:可直接用于土壤、废物、和污水等环境标本中的生物监测,包括一些不能进行人工培养的微生物监测。应用PCR技术监测环境样品中的微生物,其基本步骤主要有:①从环境样品中提取核酸(DNA或RNA);②以提取的DNA或RNA为模板进行PCR扩增;③对PCR反应产物进行监测与分析。如Zehr(1989)等利用该技术直接从海水DNA样品中特异性地扩增一种目前常规方法无法培养的Trichode sm i2um thie bautii菌株的固氮基因(nif)片段。对于生物污染严重的军团菌用常规方法不能检出,而套式PCR方法则可以极准确的检出,检测时间仅为4h,而用培养法检测饮用水中的军团菌需7～8h。

3.2 生物传感器(Biomakers)

生物传感器是一类特殊的化学传感器。它是利用生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。与其他传感器不同的是生物传感器是以生物学组件作为主要功能性元件,其敏感材料来自于生物体,是生物技术与微电子技术相融合的产物。近些年来对应用于环境检测方面的生物传感器研究也较多。

3.3 BOD生物传感器

属于微生物传感器。BOD生物传感器以微生物的单一菌种或混合菌群作为BOD微生物电极。由于水中BOD物质的加入或降解代谢的发生,导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化,藕连电流强弱信号的改变,在一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线形关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、嗜热菌以及混合微生物种群,未来的BOD生物传感器可能使用半导体装置,使传感器小型化并一次性使用。

3.4 生物芯片

生物芯片是一种通过微加工技术和微电子技术将生物探针分子(寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等)固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质表面而构建的微型生物化学分析系统,可以对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分进行准确、快速和大信息量的检测。在环境监测和环境保护上,可以利用生物芯片快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。在环境监测方面的应用主要有:水质控制、检测药物、食物添加剂或化学物质毒性以及环境中有害细菌的监测。

利用生物芯片技术能够同时快速地检测多种环境中的常见致病菌。

3.5 生物免疫检验(Biology Immuno Test)

生物免疫检验是利用特定的生抗原或抗体反应,检验分析环境物质的生物毒性。该方法具有灵敏、特异、快捷、实用和经济等优点,而被广泛应用于环境污染物的监控。其中以酶联免疫吸附法试验应用较广。酶联免疫吸附法的基础是抗原或抗体的固相化及酶标记,结合在固相载体表面的抗原或抗体仍保持其免疫学活性,酶标记的抗原或抗体既保留其免疫学活性,又保留酶的活性。在测定时,受检标本与固相载体表面的抗原或抗体起反应,通过洗涤使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开,再加入酶标记的抗原或抗体,也通过反应而结合在固相载体上,此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后,底物被酶催化成有色产物,产物的量与标本中受检物质的量直接相关,故可根据呈色的深浅进行定性或定量分析。

参考文献

[1]郭三维.植物Bt抗虫基因工程研究进展[J].中国农业科学,1995,28(5):8-10.

[2]Kenneth E Sherman.大规模生产病毒杀虫剂的可能性[J].晓岚,译.农药译丛,1986,8(6):29-30.

[3]程树培.环境生物技术[M].南京:南京大学出版社,1994.