现代生物技术与环境污染治理

基因工程菌生态安全性及其优势的基本结论
环境生物技术的定义
直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能， 建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环 境污染，同时又生产有用物质的工程技术。
环境生物技术的内容
环境生物技术可分为高、中、低三个层次——
➢ 高层次是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术，如基因工程
菌的构建、抗污染型转基因植物的培育等；
➢ 发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的检测技术。
基因工程的关键步骤：
大肠杆菌细胞
Ⅰ. 从细胞中分离出DNA
DNA
➢ 选择工具酶 ➢ 选择合适的载体
Ⅲ. 分离大肠杆 菌细胞中的质粒
Ⅱ. 限制酶截 取DNA片段
供体细胞 目的基因
➢ 目的基因的分离 质粒
➢ 目的基因导入受体
Ⅳ. DNA重组
➢ 目的基因的筛选和检测
环境生物技术面临的任务
➢ 解决基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中， 其遗传稳定性、功能高效性和生态安全性等方面的问题；
➢ 开发废物资源化和能源化技术，利用废物生产单细胞蛋白、 生物塑料、生物肥料以及利用废物生产生物能源，如甲烷、氢 气、乙醇等；
➢ 建立无害化生物技术清洁生产新工艺，如生物制浆、生物 絮凝剂、煤的生物脱硫、生物冶金等；
⊙ 抗金属的基因工程菌
目前已发现抗Hg、抗Cd、抗Pb等多种菌株。但是，这类菌株多数生 长繁殖并不迅速。把这种抗金属的基因，转移到生长繁殖迅速的受体菌中， 构成繁殖率高，富集金属速度快的新菌株，可用于净化重金属污染的废水。
例如有人将假单胞杆菌R4染色体中的抗镉基因， 转移到大肠杆菌HB101中，使得大肠杆菌HB101能在 100 mg/L的含镉液体中生长，具有抗镉的遗传特征。
宿主
pJP4
克隆
pKT231
质粒
质粒
pD10 质粒
IMP134菌体
分解代谢氯代苯邻二酚
受体细胞 pD10质粒-假单胞菌细胞
⊙ 分解尼龙寡聚物的基因工程菌—pOAD质粒-大肠杆菌
黄杆菌属、棒状杆菌属和产碱杆菌属具有分解尼 龙寡聚物的质粒。但上述三个属的细菌不易在污水中 繁殖。而污水中普遍存在的大肠杆菌又无分解尼龙寡 聚物的质粒。冈田等人已成功地把分解尼龙寡聚物的 质粒pOAD基因移植到受体细胞大肠杆菌内，使后者获 得了该基因指令的遗传性状。
➢ 中层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，及其在
新的理论和技术背景下产生的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物 强化工艺等；
➢ 低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工
湿地系统等。
※ 环境生物技术的三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段。为了 解决日益严重的环境污染问题，需配合使用高、中、低三个层次的技术， 针对不同的问题，采用不同的技术或不同技术的组合。
pOAD质粒 大肠杆菌
⊙ 分解多糖的基因工程菌（兼具废物资源化作用）
① 将分解纤维素和木质素的基因组建到酵母菌体中，用于处理有机废水、 生产乙醇。
② 将嗜热单胞酵母的纤维素酶基因组建到大肠杆菌中或将谷氨酸脱氢酶 基因引入到大肠杆菌质粒pSS515中，再转入到产甲烷的受体菌中，使 得发酵工艺成功地用于处理排放废水，生产出高生化需氧量的副产品， 即乙醇或甲烷。
菜青虫——菜粉蝶
二化螟
继这项成果之后，科学家又将苏云金杆菌29个亚种的毒性基因，一起 组建到大肠杆菌中去，开发出一种广谱的细菌杀虫剂。
⊙ 基因工程菌的生态安全问题
➢ 关于基因工程应用的生态安全性是人们十分关注的问题， 目前仍在研究之中。
➢ 至今还没有制定出一部广泛使用工程菌的国际化章程。
➢ 考查基因工程菌存活情况，基因工程菌新基因的稳定性能， 新基因转移到其它生物体中或其它非目标环境之中的规律以及 基因工程菌对生态系统的副作用等等，均是紧紧围绕着治理污 染基因工程菌的安全性和有效性进行的。
用于污染治理的基因工程菌示例
⊙ 降解卤代芳烃的基因工程菌—pD10质粒-假单胞菌细胞
IMP134菌体中的pJP4质粒上存在着降解氯代苯邻二酚的基因，将此 基因克隆到广泛宿主质粒pKT231上。重组之后的质粒记为pD10。当它转 移到受体细胞——假单胞菌细胞中后，菌体则能分解代谢氯代苯邻二酚。 这个质粒已用于构建降解氯代-O-硝基苯酚的工程菌。
抗镉基因
大肠杆菌HB101
⊙ 降解除草剂的基因工程菌
目前已从细菌质粒中发现降解2, 4-D除草剂的基因片段，将这段基因 组建到载体质粒上，转移到另一种繁殖快的菌体宿主体内。新构建的基因 工程菌，具有高效降解2, 4-D除草剂的功能。
⊙ 杀虫的基因工程菌—细菌杀虫剂
应用基因重组技术生产细菌杀虫剂，目前已经成功应用。苏云金杆菌 具有毒性蛋白，能杀死鳞翅目害虫（菜青虫、小菜蛾、甜菜夜蛾、二化螟 和棉铃虫幼虫）。把这种毒性蛋白的基因，转移到大肠杆菌和枯草杆菌中， 能大量生产这种微生物杀虫剂。把这种杀虫剂微生物包附在种子表面，作 物生长之后，根部布满了这种细菌，使植物免受虫害。
现代生物技术与环境污染治理
要点：
环境生物技术概况 基因工程与环境污染生物治理 细胞工程与环境污染生物治理 酶学工程与环境污染生物治理 发酵工程在环境污染治理中的应用 生态工程与污水处理系统
环境生物技术（Environmental Biotechnology）
环境生物技术的产生
现代环境生物技术是现代生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边 缘学科。它诞生于1980s末期，以高新技术为主体，并包括对传统生物技术 的强化与创新。环境生物技术涉及众多的学科领域，主要由生物技术、工 程学、环境学和生态学等组成。它是由生物技术与环境污染防治工程及其 它工程技术紧密结合形成的，既具有较强的基础理论，又具有鲜明的技术 应用特点。
பைடு நூலகம்
重组质粒
以大肠杆菌质粒载体 为例的基因工程过程
Ⅴ. 再用重组质粒转化大肠杆菌细胞
Ⅵ. 培养大肠杆菌 克隆大量目的基因
基因工程菌在环境污染生物处理中的应用
基因工程菌可以达到的目的
基因工程为改变细菌细胞内的关键酶或酶系统提供了可能， 从而可以：
➢ 提高微生物的降解速率 ➢ 拓宽酶对底物（有机污染物）的专一性范围 ➢ 维持低浓度下的代谢活性 ➢ 改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性