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現代生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應用
(一)污水的生物凈化
污水中的有毒物質(zhì)其成分十分復雜,包括各種酚類(lèi)、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、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)轉化為有益的無(wú)毒物質(zhì),使污水得到凈化。當今固定化酶和固定化細胞技術(shù)處理污水就是生物凈化污水的方法之一。固定化酶和固定化細胞技術(shù)是酶工程技術(shù)。固定化酶又稱(chēng)水不溶性酶,是通過(guò)物理吸附法或化學(xué)鍵合法使水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體相結合,將酶變成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物,微生物細胞是一個(gè)天然的固定化酶反應器,用制備固定化酶的方法直接將微生物細胞固定,可催化一系列生化反應的固定化細胞。運用固定化酶和固定化細胞可以高效處理廢水中的有機污染物、無(wú)機金屬毒物等,此方面國內外成功的例子很多,如德國將能降解對硫磷等9種農藥的酶,以共介結合法固定于多孔玻璃及硅珠上,制成酶柱,用于處理對硫磷廢水,去除率達95%以上;近幾年我國在應用固定化細胞技術(shù)降解合成洗滌劑中的表面活性劑直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)方面取得較大進(jìn)展,對于含100mg/L廢水,降解率和酶活性保存率均在90%以上;利用固定化酵母細胞降解含酚廢水也已實(shí)際應用于廢水處理。
(二)污染土壤的生物修復
重金屬污染是造成土壤污染的主要污染物。重金屬污染的生物修復是利用生物(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。其原理是:通過(guò)生物作用(如酶促反應)改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài),使重金屬固定或解毒,降低其在土壤環(huán)境中的移動(dòng)性和生物可利用性,通過(guò)生物吸收、代謝達到對重金屬的削減、凈化與固定。污染土壤的生物修復過(guò)程可以增加土壤有機質(zhì)的含量,激發(fā)微生物的活性,由此可以改善土壤的生態(tài)結構,這將有助于土壤的固定,遏制風(fēng)蝕、水蝕,防止水土流失。
(三)白色污染的消除
廢棄塑料和農用地膜經(jīng)久不化解,估計是形成環(huán)境污染的重要成分。據估計我國土壤、溝河中塑料垃圾有百萬(wàn)噸左右。塑料在土壤中殘存會(huì )引起農作物減產(chǎn),若再連續使用而不采取措施,十幾年后不少耕地將顆粒無(wú)收,可見(jiàn)數量巨大的塑料垃圾嚴重影響著(zhù)生態(tài)和環(huán)境,研究和開(kāi)發(fā)生物可降解塑料已迫在眉睫。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膜的優(yōu)勢微生物、構建高效降解菌;另一方面可以分離克隆降解基因并將該基因導入某一土壤微生物(如:根瘤菌)中,使兩者同時(shí)發(fā)揮各自的作用,將塑料和農膜迅速降解。同時(shí),還需大力推行可降解塑料和地膜的研發(fā)、生產(chǎn)和應用。有些微生物能產(chǎn)生與塑料類(lèi)似的高分子化合物即聚酯,這些聚酯是微生物內源性貯藏物質(zhì),可以用發(fā)酵方法進(jìn)行生產(chǎn),由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔點(diǎn)、高彈性、不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)而在醫學(xué)等許多領(lǐng)域有極好的應用前景。為了降低成本、提高產(chǎn)量,人們正在用重組DNA技術(shù)對相關(guān)的微生物進(jìn)行改造,此方面目前一個(gè)研究熱點(diǎn)是采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)聚-羥基烷酸(PHAs),研究人員正設法構建出自溶性PHAs生產(chǎn)菌種,即將PHAs重組菌進(jìn)行發(fā)酵,在積累大量的PHAs后,加入信號物質(zhì),使裂解蛋白產(chǎn)生,細胞壁破壞,PHAs析出,以簡(jiǎn)化胞內產(chǎn)物PHAs的提取過(guò)程,降低提取成本。
(四)化學(xué)農藥污染的消除
一般情況下,使用的化學(xué)殺蟲(chóng)劑約80%會(huì )殘留在土壤中,特別是氯代烴類(lèi)農藥是最難分解的,經(jīng)生態(tài)系統造成滯留毒害作用。因此多年來(lái)人們一直在尋找更為安全有效的辦法,而利用微生物降解農藥已成為消除農藥對環(huán)境污染的一個(gè)重要方面。能降解農藥的微生物,有的是通過(guò)礦化作用將農藥逐漸分解成終產(chǎn)物CO2和H2O,這種降解途徑徹底,一般不會(huì )帶來(lái)副作用;有的是通過(guò)共代謝作用,將農藥轉化為可代謝的中間產(chǎn)物,從而從環(huán)境中消除殘留農藥,這種途徑的降解結果比較復雜,有正面效應也有負面效應。為了避免負面效應,就需要用基因工程的方法對已知有降解農藥作用的微生物進(jìn)行改造,改變其生化反應途徑,以希望獲得最佳的降解、除毒效果。要想徹底消除化學(xué)農藥的污染,最好全面推廣生物農藥。所謂生物農藥是指由生物體產(chǎn)生的具有防止病蟲(chóng)害和除雜草等功能的一大類(lèi)物質(zhì)總稱(chēng),它們多是生物體的代謝產(chǎn)物,主要包括微生物殺蟲(chóng)劑、農用抗生素制劑和微生物除草劑等。其中微生物殺蟲(chóng)劑得到了最廣泛的研究,主要包括病毒殺蟲(chóng)劑、細菌殺蟲(chóng)劑、真菌殺蟲(chóng)劑、放線(xiàn)菌殺蟲(chóng)劑等,但長(cháng)期以來(lái)并沒(méi)有得到廣泛的使用�，F在人們正在利用重組DNA技術(shù)克服其缺點(diǎn)來(lái)提高殺蟲(chóng)效果。例如目前病毒殺蟲(chóng)劑的一個(gè)研究熱點(diǎn)是桿狀病毒基因工程的改造,人們正在研究將外源毒蛋白基因如編碼神經(jīng)毒素的基因克隆到桿狀病毒中以增強桿狀病毒的毒性;將能干擾害蟲(chóng)正常生活周期的基因如編碼保幼激素酯酶的基因插入到桿狀病毒基因組中,形成重組桿狀病毒并使其表達出相關(guān)激素,以破壞害蟲(chóng)的激素平衡,干擾其正常的代謝和發(fā)育從而達到殺死害蟲(chóng)的目的。
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