李彩霞

摘要:論述了我國(guó)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用,現(xiàn)代生物技術(shù)的新進(jìn)展,包括能吞食有毒廢棄物基因工程細(xì)菌的培育,用微生物降解農(nóng)藥廢水治理污染,用生物傳感器監(jiān)測(cè)水質(zhì)以及用中草藥制農(nóng)藥防治作物病蟲(chóng)害等。

關(guān)鍵詞:生物技術(shù);環(huán)境保護(hù);基因工程;生物傳感器;生物農(nóng)藥

水資源短缺、土壤荒漠化、有毒化學(xué)品污染、臭氧層破壞、酸雨肆虐、生物多樣性遭到破壞、森林減少??人類(lèi)的生存和發(fā)展遇到了一場(chǎng)前所未有的挑戰(zhàn),迫使人們進(jìn)行一場(chǎng)“環(huán)境革命”來(lái)拯救人類(lèi)自己。前不久由聯(lián)合國(guó)主持召開(kāi)的一次“無(wú)害環(huán)境生物技術(shù)應(yīng)用國(guó)際合作會(huì)議”上,專(zhuān)家們?cè)u(píng)估了生物技術(shù)應(yīng)用對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的影響,提出了運(yùn)用現(xiàn)代生物工程技術(shù)預(yù)防、阻止環(huán)境惡化,加強(qiáng)自然資源持續(xù)利用,維護(hù)生態(tài)平衡的措施。

現(xiàn)代生物技術(shù)是以DNA重組技術(shù)的建立為標(biāo)志的多學(xué)科交叉的新興綜合性技術(shù)體系,它以分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科為支撐,與化學(xué)、化工、計(jì)算機(jī)、微電子和環(huán)境工程等學(xué)科緊密結(jié)合和相互滲透,極大地豐富了各學(xué)科的內(nèi)涵,推動(dòng)了科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今研究和應(yīng)用比較廣泛的有PCR技術(shù)、生物傳感器、生物芯片、酶聯(lián)免疫技術(shù)、單細(xì)胞凝膠電泳和污染物的致癌致畸致突變性監(jiān)測(cè)等方面。本文通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的綜述,揭示生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 我國(guó)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

目前我國(guó)由于農(nóng)用化肥和農(nóng)藥的污染以及廢棄塑料和農(nóng)用地膜的污染,嚴(yán)重的影響了我國(guó)的生態(tài)環(huán)境。因此,加大環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理力度,加快應(yīng)用高新技術(shù),如現(xiàn)代生物技術(shù)來(lái)控制環(huán)境污染和保持生態(tài)平衡,提高環(huán)境質(zhì)量已成為環(huán)保工作者的工作重點(diǎn)?，F(xiàn)代生物技術(shù)不僅在農(nóng)作物改良、醫(yī)藥研究、食品工程方面發(fā)揮著重要作用,而且也隨著日益突出的環(huán)境問(wèn)題在治理污染、環(huán)境生物監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著重要的作用。

2 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

2.1 污水的生物凈化

污水中的有毒物質(zhì)的成分十分復(fù)雜,包括各種酚類(lèi)、氰化物、重金屬、有機(jī)磷、有機(jī)汞、有機(jī)酸、醛、醇及蛋白質(zhì)等等。微生物通過(guò)自身的生命活動(dòng)可以解除污水的毒害作用,從而使污水中的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有益的無(wú)毒物質(zhì),使污水得到凈化。重金屬污染的生物修復(fù)是利用生物主要是微生物、植物作用,削減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬的毒性。

2.2 白色污染的消除

廢棄塑料和農(nóng)用地膜經(jīng)久不化解,估計(jì)是形成環(huán)境污染的重要成分。利用生物工程技術(shù)一方面可以廣泛地分離篩選能夠降解塑料和農(nóng)膜的優(yōu)勢(shì)微生物、構(gòu)建高效降解菌,另一方面可以分離克隆降解基因并將該基因?qū)四骋煌寥牢⑸锶绺鼍?使兩者同時(shí)發(fā)揮各自的作用,將塑料和農(nóng)膜迅速降解。

2.3 化學(xué)農(nóng)藥污染的消除

一般情況下,使用的化學(xué)殺蟲(chóng)劑約會(huì)殘留在土壤中,特別是氯代烴類(lèi)農(nóng)藥是最難分解的,經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)造成滯留毒害作用。利用微生物降解農(nóng)藥已成為消除農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染的一個(gè)重要方面。將農(nóng)藥轉(zhuǎn)化為可代謝的中間產(chǎn)物,從而從環(huán)境中消除殘留農(nóng)藥,這種途徑的降解結(jié)果比較復(fù)雜,有正面效應(yīng)也有負(fù)面效應(yīng)。

3 現(xiàn)代生物監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 PCR技術(shù)

PCR技術(shù)即聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase ChainReaction)。PCR技術(shù)是一種利用DNA變形與復(fù)性原理在體外合成特異性DNA片段的方法,可以快速擴(kuò)增目的基因DNA或RNA片段,又稱(chēng)基因的體外擴(kuò)增法。雙鏈DNA分子經(jīng)過(guò)熱變性后,用兩個(gè)與待擴(kuò)增DNA片段相鄰的核苷酸序列互補(bǔ)的寡聚核苷酸印物與變性DNA一起退火,再用一種DNA聚合酶使引物延長(zhǎng),變性-退火-延長(zhǎng)構(gòu)成了一個(gè)DNA擴(kuò)增反應(yīng)循環(huán),像這樣的循環(huán)可多次重復(fù),使所需的DNA片段特異性擴(kuò)增。

PCR技術(shù)目前在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:可直接用于土壤、廢物、和污水等環(huán)境標(biāo)本中的生物監(jiān)測(cè),包括一些不能進(jìn)行人工培養(yǎng)的微生物監(jiān)測(cè)。應(yīng)用PCR技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境樣品中的微生物,其基本步驟主要有:①?gòu)沫h(huán)境樣品中提取核酸(DNA或RNA);②以提取的DNA或RNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增;③對(duì)PCR反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。如Zehr(1989)等利用該技術(shù)直接從海水DNA樣品中特異性地?cái)U(kuò)增一種目前常規(guī)方法無(wú)法培養(yǎng)的Trichode sm i2um thie bautii菌株的固氮基因(nif)片段。對(duì)于生物污染嚴(yán)重的軍團(tuán)菌用常規(guī)方法不能檢出,而套式PCR方法則可以極準(zhǔn)確的檢出,檢測(cè)時(shí)間僅為4h,而用培養(yǎng)法檢測(cè)飲用水中的軍團(tuán)菌需7～8h。

3.2 生物傳感器(Biomakers)

生物傳感器是一類(lèi)特殊的化學(xué)傳感器。它是利用生物感應(yīng)元件的專(zhuān)一性與一個(gè)能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器結(jié)合起來(lái)的分析裝置。與其他傳感器不同的是生物傳感器是以生物學(xué)組件作為主要功能性元件,其敏感材料來(lái)自于生物體,是生物技術(shù)與微電子技術(shù)相融合的產(chǎn)物。近些年來(lái)對(duì)應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)方面的生物傳感器研究也較多。

3.3 BOD生物傳感器

屬于微生物傳感器。BOD生物傳感器以微生物的單一菌種或混合菌群作為BOD微生物電極。由于水中BOD物質(zhì)的加入或降解代謝的發(fā)生,導(dǎo)致水中的微生物內(nèi)外源呼吸方式的變化或轉(zhuǎn)化,藕連電流強(qiáng)弱信號(hào)的改變,在一定條件下傳感器輸出的電流值與BOD的濃度呈線形關(guān)系。用于制作BOD生物傳感器的微生物主要有酵母、假單胞菌、芽孢桿菌、嗜熱菌以及混合微生物種群,未來(lái)的BOD生物傳感器可能使用半導(dǎo)體裝置,使傳感器小型化并一次性使用。

3.4 生物芯片

生物芯片是一種通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)將生物探針?lè)肿?寡聚核苷酸、cDNA、基因組DNA、多肽、抗原、抗體等)固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝膠、尼龍膜等固相介質(zhì)表面而構(gòu)建的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng),可以對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分進(jìn)行準(zhǔn)確、快速和大信息量的檢測(cè)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)上,可以利用生物芯片快速檢測(cè)污染微生物或有機(jī)化合物對(duì)環(huán)境、人體、動(dòng)植物的污染和危害。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用主要有:水質(zhì)控制、檢測(cè)藥物、食物添加劑或化學(xué)物質(zhì)毒性以及環(huán)境中有害細(xì)菌的監(jiān)測(cè)。

利用生物芯片技術(shù)能夠同時(shí)快速地檢測(cè)多種環(huán)境中的常見(jiàn)致病菌。

3.5 生物免疫檢驗(yàn)(Biology Immuno Test)

生物免疫檢驗(yàn)是利用特定的生抗原或抗體反應(yīng),檢驗(yàn)分析環(huán)境物質(zhì)的生物毒性。該方法具有靈敏、特異、快捷、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物的監(jiān)控。其中以酶聯(lián)免疫吸附法試驗(yàn)應(yīng)用較廣。酶聯(lián)免疫吸附法的基礎(chǔ)是抗原或抗體的固相化及酶標(biāo)記,結(jié)合在固相載體表面的抗原或抗體仍保持其免疫學(xué)活性,酶標(biāo)記的抗原或抗體既保留其免疫學(xué)活性,又保留酶的活性。在測(cè)定時(shí),受檢標(biāo)本與固相載體表面的抗原或抗體起反應(yīng),通過(guò)洗滌使固相載體上形成的抗原抗體復(fù)合物與液體中的其他物質(zhì)分開(kāi),再加入酶標(biāo)記的抗原或抗體,也通過(guò)反應(yīng)而結(jié)合在固相載體上,此時(shí)固相上的酶量與標(biāo)本中受檢物質(zhì)的量呈一定的比例。加入酶反應(yīng)的底物后,底物被酶催化成有色產(chǎn)物,產(chǎn)物的量與標(biāo)本中受檢物質(zhì)的量直接相關(guān),故可根據(jù)呈色的深淺進(jìn)行定性或定量分析。

參考文獻(xiàn)

[1]郭三維.植物Bt抗蟲(chóng)基因工程研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1995,28(5):8-10.

[2]Kenneth E Sherman.大規(guī)模生產(chǎn)病毒殺蟲(chóng)劑的可能性[J].曉嵐,譯.農(nóng)藥譯叢,1986,8(6):29-30.

[3]程樹(shù)培.環(huán)境生物技術(shù)[M].南京:南京大學(xué)出版社,1994.