基因工程技术在废水处理中的应用研究（样例5）

第一篇：基因工程技术在废水处理中的应用研究

基因工程技术在废水处理中的应用研究

摘 要：随着科技的发展,产生了一系列严重的环境污染问题，尤其是对水的污染。越来越多的废水难以用传统方法进行处理，而基因工程技术作为一项新技术，逐渐应用到废水处理中。基因工程技术是在DNA分子水平上按照人们的意愿进行的定向改造生物的新技术。本文介绍了基因工程技术的发展历程、基本原理，对该技术的特点及研究内容进行了说明，重点介绍了基因工程技术在废水处理中的应用，并对其发展趋势作了展望。

关键词：基因工程；原理；特点；废水处理；应用

1引言

众所周知，环境污染现已远远超出了自然界微生物的净化能力，尤其是在废水处理方面。如今生物法是废水处理的主要方法，但生物法也有其局限性，并且有些特殊污水用自然界中自然进化的微生物难于降解，而基因工程的引进开辟了培育高降解能力新品菌种的方法，利用基因工程技术检测微生物性状、提高微生物净化环境的能力是用于废水治理的一项关键技术[1]。

20世纪50年代初, 由于分子生物学和生物化学的发展, 对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸(DNA)的结构和功能有了比较清晰的阐述。20世纪70年代，Berg等首次用限制性内切酶EcoRI切割病毒SV40 DNA和λ噬菌体DNA，经过连接，组成重组DNA分子，宣告了基因工程的诞生[2]。这一技术发展到今天, 正形成产业化并列为世界领先专业技术领域之一, 广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门,并日益显示出其巨大的潜力, 将为世界面临的环境保护等问题的解决提供广阔的应用前景。

2基因工程技术概述

基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术或DNA重组技术，是一项极为复杂的高新生物技术, 它利用现代遗传学与分子生物学的理论和方法,按照人类的需要, 用DNA重组技术对生物基因组的结构或组成进行人为修饰或改造, 从而改变生物的结构和功能, 使之有效表达出人类所需要的蛋白质或对人类有益的生物性状[3]。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。

2.1 基因工程技术的原理

基因工程技术是一种按照人们的构思和设计,在体外将一种生物的个别基因插入质粒或其他载体分子, 构成遗传物质的重组, 然后导入到原先没有这类分子的受体细胞内进行无性繁殖, 使重组基因在受体细胞内表达, 产生出人类所需要的基因产品的操作技术。或者说, 基因工程技术是在生物体外, 通过对一种生物的DNA分子进行人工剪切和拼接, 对生物的基因进行改造和重新组合, 再把它导入另一种生物的细胞里, 定向地改造生物的遗传性状, 产生出具有新的遗传特性的生物[4]。

2.2 基因工程技术的特征

(1)跨物种性

外源基因到另一种不同的生物细胞内进行繁殖。(2)无性扩增

外源DNA在宿主细胞内可大量扩增和高水平表达。

2.3 基因工程技术的研究内容

一个完整的基因工程技术流程一般包括目的基因的获得、载体的制备、基因的转移、基因的表达、基因工程产品的分离提纯等过程。详细步骤和内容如下：(1)从复杂的生物有机体基因组中, 经过酶切消化或PCR扩增等步骤, 分离出带有目的基因的DNA片段；

(2)在体外, 将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制并具有选择记号的载体分子上,形成重组DNA分子；

(3)将重组DNA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞), 并与之一起增殖；(4)从大量的细胞增殖群体中, 筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆；(5)从这些筛选出来的受体细胞克隆, 提取出已经得到扩增的目的基因, 供进一步分析研究使用；

(6)将目的基因克隆到表达载体上, 导入受体细胞, 使之在新的遗传背景下实现功能表达, 产生出人类所需要的物质[5]。

3基因工程技术在废水处理中的应用

随着环境污染的加剧，出现了很多用传统方法难以解决的问题，于是基因工程技术逐渐被应用到环境保护中，尤其在废水的处理方面。

3.1基因工程技术在污水检测中的应用

3.1.1 聚合酶链反应(PCR)技术在污水检测中的应用

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)是20世纪80年代后期由K.Mullis等建立的一种体外酶促扩增特异DNA片段的技术，PCR是利用针对目的基因所设计的一对特异寡核苷酸引物，以目的基因为模板进行的DNA体外合成反应。由于反应循环可进行一定次数(通常为25~30个循环)，所以在短时间内即可扩增获得大量目的基因。这种技术具有灵敏度高、特异性强、操作简便等特点。PCR技术的基础是只有在微生物特定核酸存在的条件下，重复性酶促DNA合成和扩增才能够发生。PCR扩增产物可通过琼脂糖凝胶电泳来检验和纯化，也可以被用来克隆、转化和测序.在具体应用中往往采用经过修正的或与其它技术联合应用的PCR衍生技术，如RT-PCR、竞争PCR、PCR-DGGE、PCR-SSCP和巢式PCR等[6]。

PCR通过对待测DNA片段的特异性扩增，一方面作为菌株定性鉴定的重要手段，同时也为定性和定量研究微生物的群落特征提供帮助。自PCR技术问世以来，通过其自身的不断完善以及同其它相关技术的联用，在污水生物处理微生物的检测和鉴定方面得到了长足的发展，为该领域的研究提供了一个高效、灵敏、简便的研究工具。应用PCR-DGGE(Polymerase Chain Reaction Denaturing Gradient Gel Electrphoreses)方法对环境微生物进行研究可以不经过培养，直接从样品中提取细菌的DNA，再将编码有16SrDNA的基因进行扩增。通过这种方法能够直接了解样品中微生物分布结构，并能大致比较相同条件下单一菌群的生物量。王峰等[7]采用PCR-DGGE技术来分析活性污泥与生物膜中微生物种群的结构，可以不经过常规培养而直接从活性污泥和生物膜样品中提取DNA；Marsh等[8]利用PCR-DGGE分析并获得了活性污泥中真核微生物的种群变化情况。以上的事实均说明，PCR-DGGE结合测序技术是一种完全可行的适于环境样品微生物研究的快速分析方法。

3.1.2 荧光原位杂交技术(FISH)技术在污水检测中的应用

荧光原位杂交技术(Fluorescence In Situ Hybridization，FISH)结合了分子生物学的精确性和显微镜的可视性，能够在自然的微生物环境中检测和鉴定不同的微生物个体，并提供污水处理过程中微生物的数量、空间分布和原位生理学等信息。FISH技术的基本原理是通过荧光标记的探针在细胞内与特异的互补核酸序列杂交，通过激发杂交探针的荧光来检测信号从而对未知的核酸序列进行检测[9]。

近年来，对污水处理的研究已经从简单研究污水处理的表征现象转移到更深入地研究活性污泥内部微生物种类及其特性。荧光原位杂交技术是一种微生物生态的研究技术，在测定过程中不破坏细胞、保持细胞形态完整，能够真实反映在自然环境下微生物的形态结构及分布状态。FISH技术的优势在于可以了解微生物在污泥中的数量、形态及分布状态等。虽然FISH技术在应用过程中还存在着一些问题，如：检测的假阳性、假阴性等。但是，目前FISH技术在不断发展完善的同时，已与其他分子生物技术相结合，这样更能反映出污水中微生物种群的多样性以及定量分析微生物种群在空间的动态变化[10]。

3.1.3 DNA重组技术在污水检测中的应用

DNA重组技术的实质是，将两个或多个单独的DNA片段连接起来产生一个能在特定宿主中自主复制的DNA分子。其基本程序是:外源DNA的获得；选择载体并进行处理；将目的DNA片段和处理后的载体连接；将连接产物导入合适的宿主细胞内，使重组DNA分子在宿主细胞内复制扩增；将转化菌落在平板培养基上培养成单个菌落，筛选获得含有重组DNA的阳性克隆[11]。在废水的处理过程中仅靠分离和筛选的功能性微生物是不够的。在混合的微生物群体中筛选特定的微生物菌种时往往得不到预期的结果；特定的微生物可能难以培养，从而无法应用到实际的生物反应器中；人类排放到环境中的污染物越来越复杂且难以处理。因此，有必要通过基因工程技术并根据具体的需要构建有效的基因工程菌或培育出可高效降解复杂多样的有害污染物的细菌来解决以上的问题。

3.2基因工程技术在有机废水处理中的应用

生物处理法是废水中有机污染物降解的主要方法，但是部分难降解有机污染物需要不同降解菌之间的协同代谢或共代谢等复杂机制才能最终得以降解,这无疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代谢产物在不同降解菌间的跨膜转运是耗能过程,对细菌来说这是一种不经济的营养方式；其次,某些污染物的中间代谢产物可能具有毒性，对代谢活性有抑制作用；此外,将不同种属、来源的细菌的降解基因进行重组,把分属于不同菌体中的污染物代谢途径组合起来以构建具有特殊降解功能的超级降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力。

刘春等[12]以生活污水为共基质,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反应器中对阿特拉津的生物强化处理效果,以及生物强化处理对污泥性状的影响。结果表明,基因工程菌在MBR中对阿特拉津具有很好的生物强化处理效果,阿特拉津平均出水浓度为0.84 mg/L,平均去除率为95%,最大去除负荷可以达到70mg/(L·d)。生物强化的MBR对生活污水中COD的平均去除率为71%,COD平均出水浓度65mg/L。

吕萍萍等[13]研究发现，克隆有苯降解过程中的关键基因——甲苯加双氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)对苯具有较高的降解效率和降解速度,应用于固定化细胞反应器中效果突出。在较短的水力停留时间内,可以将1500mg/L苯降解70%,降解速度为1.11mg/(L·s),延长水力停留时间,可以使去除率达到95%以上。该反应器对高浓度的苯具有突出的处理效果。同时所得到的产物为环己二烯双醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。

3.3基因工程技术在重金属废水处理中的应用

处理重金属废水的传统方法有:中和沉淀法、化学沉淀法、氧化还原法、气浮法、电解法、蒸发和凝固法、离子交换法、吸附法、溶剂萃取法、液膜法、反渗透和电渗析法等。目前最常用的就是基因工程技术，它与传统的处理方法相比,具有以下优点[14]:(1)在低浓度下,金属可以被选择性地去除；(2)节能,处理效率高；(3)操作时的pH值和温度条件范围宽；(4)易于分离回收重金属；(5)吸附剂易再生利用；(6)对钙、镁离子吸附量少；

(7)投资小,运行费用低,无二次污染。

3.3.1基因工程菌强化生物化学法处理重金属废水

生物化学法指通过微生物处理含重金属废水,将可溶性离子转化为不溶性化合物而去除。硫酸盐生物还原法是一种典型生物化学法,该法是在厌氧条件下硫酸盐还原菌通过异化的硫酸盐还原作用,将硫酸盐还原成H2S,重金属离子和H2S反应生成溶解度很低的金属硫化物沉淀而被去除,同时H2SO4的还原作用可将SO42-转化为S2-而使废水的pH值升高,从而形成重金属的氢氧化物而沉淀。中国科学院成都生物研究所从电镀污泥、废水及下水道铁管内分离筛选出35株菌株,从中获得高效净化Cr(VI)复合功能菌。

袁建军等[15]利用构建的高选择型基因工程菌生物富集模拟电解废水中的汞离子,发现电解废水中其他组分的存在可以增大重组菌富集汞离子的作用速率,且该基因工程菌能在很宽的pH范围内有效地富集汞。但高浓度的重金属废水对微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不过,可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功能的菌株,微生物处理重金属废水一定具有十分良好的应用前景。

3.3.2 基因工程强化生物絮凝法处理重金属废水

生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的具有絮凝能力的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。生物絮凝剂又称第三代絮凝剂，是带电荷的生物大分子，主要有蛋白质、黏多糖、纤维素和核糖等。目前普遍接受的絮凝机理是离子键、氢键结合学说。前述硅酸盐细菌处理重金属废水可能的机理之一就是生物絮凝作用。目前对于硅酸盐细菌絮凝法的应用研究已有很多，有些已取得显著成果。运用基因工程技术，在菌体中表达金属结合蛋白分离后，再固定到某些惰性载体表面，可获得高富集容量絮凝剂[16]。

3.4基因工程菌在制药废水处理中的应用

化学合成制药废水中有机污染物浓度高、可生化性差且组分复杂, 属于难处理废水。利用基因工程技术构建高选择性基因工程菌可以提高微生物生物强化处理技术。因此，采用跨界融合技术，构建基因工程菌Xhhh处理制药废水，其出水水质可以达到《污水综合排放标准》GB 8978—1996 一级标准。运行结果表明，该工艺处理效果稳定高效[17]。

4结语 自2000年，国际上提出基于系统生物学原理的基因工程概念后，基因工程被应用于社会各个领域，并且手段日新月异。在环境领域当中，基因工程正迅速应用到废水检测和废水治理当中，培养出新的特效物种并进一步提高其应用效率、降低应用成本。随着分子生物学技术、环境工程检测技术的发展，并结合我们已经掌握的微生物群落结构和功能方面的知识,我们逐渐了解到污水生物处理系统中微生物群体的多样性、实际生存状态、功能特点,并更有效地对其加以开发和利用。此外，基因工程菌的出现，使以往的一些难降解有机废水、制药废水、石油废水、重金属污染废水以及其他有毒有害废水等都得到了有效地治理，还会实现废水资源化。当前，引入DNA扩增和其它生物技术的环境监测方法等将是基因工程技术研究的侧重方向。

基因工程技术作为一种新兴技术以极快的速度发展着。以下两方面的研究将对水资源的保护有重要意义。一是对基因工程菌的深入研究，如基因工程菌对污染物的代谢途径、控制目的基因表达的启动子基因序列、降解基因表达的调控条件的优化等方面的研究。二是对环境中微生物的习性及基因工程菌与环境中微生物和污染物之间的相互作用进行研究。从而使基因工程菌在治理有机物污染方面的实际应用成为可能。目前的研究主要是利用单一的基因工程菌对污染物进行处理,随着研究的不断深入,利用多种基因工程菌相结合对污染物进行处理,将对水资源保护起到更为重要的作用。

参考文献

[1] 冯 斌, 谢光芝.基因工程技术[J].化工进展, 2002,21(3):231-232.[2] 陈怀侠,赵永志.基因工程在环境保护中的应用[J].生物学通报,2006,10:21-22.[3] 杨林,聂克艳,杨晓容,高红卫.基因工程技术在环境保护中的应用[J].西南农业学报,2007,05:1130-1133.[4] 李中东.基因工程与农业可持续发展的社会控制研究[J].科技进步与对策, 2003, 16: 22-24.[5] 常忠义, 周 波, 高红亮,陈立侨.基因工程菌在生物降解中的应用及其发展[J].生物技术,2003,13(5):46-48.[6] 顾丰.原位聚合酶链反应技术的发展和应用[J].南京农业大学学报,1999,02:97-99.[7] 王峰,傅以钢,夏四清,杨殿海.PCR-DGGE技术在城市污水化学生物絮凝处理中的特点[J].环境科学,2004,06:74-79.[8] Marsh TL, Liu WT, Forney LJ.Beginning a molecular analysis of the eukaryal community in activated sludge [J].Wat Sci Tech, 1998，37(4-5):455-460.[9] 马莉贞.荧光原位杂交技术及其应用[J].青海大学学报(自然科学版),2001,01:18-21.[10] 罗思音,张可方,张立秋.荧光原位杂交技术检测污水处理中微生物的生理生态[J].水科学与工程技术,2009,02:27-29.[11] 张亚旭.DNA重组技术的研究综述[J].生物技术进展,2012,01:57-63.[12] 刘春,黄霞,孙炜,王慧.基因工程菌生物强化MBR工艺处理阿特拉津试验研究[J].环境科学,2007,02:417-421.[13] 吕萍萍,王慧,施汉昌,陈国强.基因工程菌强化芳香化合物的处理工艺[J].中国环境科学,2003,01:13-16.[14] 赵肖为,李清彪,卢英华,等.高选择性基因工程菌E.coli SE5000生物富集水体中的镍离子.环境科学学报，2004,24（2）:231-232.[15] 袁建军,卢英华.高选择性重组基因工程菌治理含汞废水的研究.泉州师范学院学报(自然科学).2003,21（6）:71-72.[16] 张礼平,杨海真.重金属废水生化处理技术的研究进展[J].四川环境,2006,05:75-80.[17] 李向东,冯启言,于洪锋.基因工程菌在制药废水处理中的应用[J].工业水处理,2008,08:70-72.

第二篇：基因工程技术在废水处理中的应用

基因工程技术在废水处理中的应用

李孟 廖改霞

（武汉理工大学市政工程系，湖北 武汉 430070）

【摘要】基因工程技术是在DNA分子水平上按照人们的意愿进行的定向改造生物的新技术。利用基因工程技术提高微生物净化环境的能力是用于废水治理的一项关键技术。本文介绍了基因工程技术的原理、特点和主要研究内容，重点阐述了基因工程技术在废水处理中的应用,并对其研究方向作了展望。关键词：基因工程 技术 废水处理 应用

The application of gene engineering technique to wastewater treatment

Li Meng

Liao Gaixia(Department of Municipal Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070)Abstract: Gene engineering technique was the new technique for modifying living beings according to human wishes on the DNA molecular level and the key technique for wastewater treatment by improving the purifying environment ability of microbes.The paper introduced the principle, characteristic, main research content of gene engineering technique, emphasized on formulating the application of gene engineering technique in wastewater treatment, and discussed its research orientation in the end.Key words: gene engineering

technique

wastewater treatment

application

利用基因工程技术提高微生物净化污染物的能力是现代生物技术用于废水治理的一项关键技术。20世纪50年代初,由于分子生物学和生物化学的发展,对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸(DNA)的结构和功能有了比较清晰的阐述。20世纪70年代初实现了DNA重组技术,逐步形成了以基因工程为核心内容,包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术。这一技术发展到今天,正形成产业化并列为世界领先专业技术领域之一,广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门,并日益显示出其巨大的潜力,将为世界面临的水污染等问题的解决提供广阔的应用前景[1]。基因工程技术概述

基因工程技术是一种按照人们的构思和设计,在体外将一种生物的个别基因插入病毒、质粒或其他载体分子,构成遗传物质的重组,然后导入到原先没有这类分子的受体细胞内，能持续稳定地进行无性繁殖,使重组基因在受体细胞内表达,产生出人类所需要的基因产品的操作技术。基因工程技术是一项极为复杂的高新生物技术,它具有高效、经济、清洁、低耗、可持续发展、预见性和准确性等特点[2]。一个完整的基因工程技术流程一般包括目的基因的获得、载体的制备、目的基因与载体的连接、基因的转移、阳性克隆的筛选、基因的表达、基因工程产品的分离提纯等过程[1]。基因工程技术在废水处理中的应用

基因工程技术应用于废水处理是水处理领域一项具有广泛应用前景的新兴技术。常规的废水处理方法有物化法、生物法等。由于一般的物化方法只是污染物的转移，不能从根本上治理，且容易造成二次污染，成本也较高，生物法逐渐成为废水处理的主要方法。但是由于废水的多样性及其成分的复杂性，自然进化的微生物降解污染物的酶活性往往有限，如果能利用基因工程技术对这些菌株进行遗传改造，提高微生物酶的降解活性，并可大量繁殖，就可以定向获得具有特殊降解性状的高效菌株，方便有效地应用于水污染处理。因此，构建基因工程菌成为现代废水处理技术的一个重要研究方向，且日益受到人们的重视。

2.1 利用基因工程菌富集废水中的重金属离子

近几十年来,经济的高速发展导致各种有毒、有害金属污染物,经生产和使用过程中的各种渠道进入环境。高稳定性和高脂溶性使其在环境中具有停留时间长、能沿着食物链富集等特点,严重威胁着人类的健康和生存。随着国家对污染物排放标准的要求日益严格,单纯使用传统生物法处理这类重金属废水在适应性和高效性等方面存在局限性。针对这一问题,一些新型生物处理技术应运而生,其中利用基因工程菌代替普通微生物处理重金属是近年来研究的热点。此法采用生物工程技术将微生物细胞中参与富集的主导性基因导入繁殖力强、适应性能佳的受体菌株内,大大提高了菌体对重金属的适应性和处理效率。

X.W.Zhao等[3]研究发现,宿主菌在Hg2+浓度为1mg/L的LB培养液中生长严重受抑,而基因工程菌E.coliJM109在Hg2+浓度为7.4mg/L时仍能增殖,且Hg2+富集量为2.97mg/g(细胞干重),去除率达96%以上。

Carolina Sousa等[4]构建了表达酵母金属硫蛋白(CUP1)、哺乳动物金属硫蛋白(HMT-1A)和外膜蛋白LamB的融合蛋白的基因工程菌E.coli,该菌种的Cd2+富集能力比原始宿主菌提高15～20倍。K.Kuroda[5]等在酿酒酵母细胞壁处的凝集素蛋白中表达了含His的寡肽,增强了酵母对Cu2+的抗性和吸附能力,其Cu2+富集能力比对比菌株提高了8倍多。

X.Deng等[6]构建了同时表达镍转运系统和金属硫蛋白的基因重组菌E.coliJM10,将其用于处理含镍废水的试验研究时,发现其对Ni2+的富集能力比原始宿主菌增加了6倍多。

赵肖为等[7]利用基因工程菌E.coli SE5000 对水体中的镍离子进行富集研究。菌体细胞对Ni2+的富集速率很快,富集过程满足Langmuir 等温线模型。经基因改造的基因工程菌不仅最大镍富集容量与原始宿主菌相比增加了4倍多,而且对pH值的变化呈现出更强的适应性。袁建军等[8]利用构建的高选择型基因工程菌生物富集模拟电解废水中的汞离子。模拟电解废水中除含有3.0 mg·L-1的汞离子外, 还含有十种以上的其它金属离子。实验表明,与重组菌对只含汞离子的水溶液的处理结果比较, 电解废水中其它组份的存在意外地增大了重组菌富集汞离子的作用速率, 但同时却使细菌的最大汞富集量降低了约30%。

张迎明等[9]利用基因重组技术构建出基因工程菌Staphylococcus aureusATCC6538，该工程菌在IPTG用量为1.00mmol·L-1,诱导时间为4 h的条件下培养对镍离子的富集能力最高。在不同镍离子浓度时,基因工程菌对溶液中Ni2+的平衡富集量为11.33mg·g-1,与原始宿主菌相比提高了3倍。对基因工程菌吸附镍和钴的实验表明,Staphylococcus aureusATCC6538的NiCoT对镍具有较高的特异性和富集容量,属于第Ⅲ类镍钴转运酶。

2.1 利用基因工程菌降解废水中的有机污染物

生物处理法是废水中有机污染物降解的主要方法，但是部分难降解有机污染物需要不同降解菌之间的协同代谢或共代谢等复杂机制才能最终得以降解,这无疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代谢产物在不同降解菌间的跨膜转运是耗能过程,对细菌来说这是一种不经济的营养方式；其次,某些污染物的中间代谢产物可能具有毒性，对代谢活性有抑制作用；此外,将不同种属、来源的细菌的降解基因进行重组,把分属于不同菌体中的污染物代谢途径组合起来以构建具有特殊降解功能的超级降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力[10]。

Satoshi Soda等[11]将基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接种到SBR反应器的活性污泥中,用于处理500mg/L的苯酚废水,在大大提高苯酚去除率的同时改善了污泥沉降性能。南京大学、扬子石油化工有限责任公司、香港大学、国家环保总局南京环境科学研究所联合完成了跨界融合构建基因工程菌处理石化废水的生物工程技术。在优化调控技术的基础上,该菌株对二甲苯、苯甲酸、邻苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和对苯二甲酸的降解率分别高达86%、94%、99%、97%和94%,比原工艺提高了20%～30%,总有机碳去除率达到了94%；污水经过处理后,铜、锰、锌、硒的浓度符合国家规定排放标准,生物毒性明显降低。

刘春等[12]以生活污水为共基质,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反应器中对阿特拉津的生物强化处理效果,以及生物强化处理对污泥性状的影响。结果表明,基因工程菌在MBR中对阿特拉津具有很好的生物强化处理效果,阿特拉津平均出水浓度为0.84 mg/L,平均去除率为95%,最大去除负荷可以达到70mg/(L·d)。生物强化的MBR对生活污水中COD的平均去除率为71%,COD平均出水浓度65mg/L。

陈俊等[13]采用跨界原生质融合技术,构建基因工程特效菌Fhhh,实现廉价工业化生产Fhhh菌剂,在10m3/d精对苯二甲酸废水处理实验装置中,容积负荷率达到3.0 kg/(L·d)以上,生物负荷率达到1.42d-1,出水水质达到国家一类标准,与国内外同类装置相比,生物负荷率处于先进水平。

蒋建东等[14]采用同源重组法成功构建了分别含1个和2个mpd 基因插入到rDNA位点且不带入外源抗性的多功能农药降解基因工程菌株CDS2mpd和CDS22mpd。基因工程菌遗传稳定,能同时降解甲基对硫磷和呋喃丹。甲基对硫磷水解酶(MPH)的比活在各生长时期均高于原始出发菌株,比活最高达6.22mu/μg。

刘智等[15]采用基因工程技术构建出具有耐盐、降解苯乙酸和水解甲基对硫磷的功能的基因工程菌H2pKT2MP和H2pBBR2MP,其中H2pBBR2MP水解酶活性与亲本菌株甲基对硫磷降解菌(Pseudomonas putida)DLL2E4相当,而H2pKT2MP水解酶活性要提高1倍左右。

吕萍萍等[16]研究发现，克隆有苯降解过程中的关键基因——甲苯加双氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)对苯具有较高的降解效率和降解速度,应用于固定化细胞反应器中效果突出。在较短的水力停留时间内,可以将1500mg/L苯降解70%,降解速度为1.11mg/(L·s),延长水力停留时间,可以使去除率达到95%以上。该反应器对高浓度的苯具有突出的处理效果。同时所得到的产物为环己二烯双醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。展望

随着基因工程菌的出现,基因工程技术将不断应用于更多的废水治理工程中。培养出新的特效物种并进一步提高其应用效率、降低应用成本；运用各种相关技术加以优化组合,尤其是高效、低能耗、易普及的特种微生物与特殊工艺的最佳结合；加强不同专业、不同学科之间的合作,如将毒理学和微生物学和环境工程学相结合；从根本上消除污染源,充分协调人与自然之间的关系,充分实现废水资源化,引入DNA 扩增和其它生物技术的环境监测方法等将是基因工程技术研究的侧重方向。基因工程技术作为一种新兴技术以极快的速度发展。以下两方面的研究将对水资源保护有着重要意义。一是对基因工程菌的深入研究,如基因工程菌对污染物的代谢途径、控制目的基因表达的启动子基因序列、降解基因表达的调控条件的优化等方面的研究；二是对环境中微生物的习性及基因工程菌与环境中微生物和污染物之间的相互作用进行研究。目前的研究主要是利用单一的基因工程菌对污染物进行处理,随着研究的不断深入,利用多种基因工程菌相结合对污染物进行处理,将对水资源保护起到更为重要的作用。

参考文献

[1]杨 林,聂克艳,杨晓容,高红卫.基因工程技术在环境保护中的应用.西南农业学报,2007,20(5):1130 [2]邢雁霞,刘斌钰.基因工程技术的研究现状与应用前景.大同医学专科学校学报,2006年第3期:48

[3]Zhao, X.W., M.H.Zhou, Q.B.Li, et al.Simultaneous mercury bioaccumulation and cell propagation by genetically engineered Escherichia coli[J].Process Biochemistry,2005, 40(5):1 611-1 616 [4]Carolina,S., K.Pavel,R.Tomas,et al.Metalloadsorption by escherichia colicells displaying yeast and mammalian metallo thioneins anchored to the outer membrane protein lamb[J].Journal of Bacteriology,1998,180(9):2 280-2 284 [5]Kuroda,K.,S.Shibasaki,M.Ueda,et al.Cell surface-engineered yeast displaying a histidine oligopeptide(hexa-His)has enhanced adsorption of and tolerance to heavy metal ions[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2001,57(5—6):697-701 [6]Deng,X.,Q.B.Li,Y.H.Lu,et al.Bioaccumulation of nickel from aqueous solutions by genetically engineered Escherichia coli[J].Water Research,2003,37(10):2 505-2 511 [7]赵肖为,李清彪,卢英华,等.高选择性基因工程菌E.coli SE5000生物富集水体中的镍离子.环境科学学报.2004年3月,第24卷,第2期:231-232 [8]袁建军,卢英华.高选择性重组基因工程菌治理含汞废水的研究.泉州师范学院学报(自然科学).2003年11月,第21卷,第6期:71-72 [9]张迎明,尹华,叶锦韶,等.镍钴转运酶NiCoT基因的克隆表达及基因工程菌对镍离子的富集.环境科学, 2007年4月,第28卷,第4期:918-923 [10]郭 杨,王世和.基因工程菌在重金属及难降解废水处理中的应用.安全与环境工程.2007年12月,第14卷,第4期:58-59 [11]Satoshi, S., I.Michihiko.Effects of inoculation of a genetically engineered bacterium on performance and indigenous bacteria of a sequencing batch activated sludge process

treating phenol[J].Journal of Fermentation and Bioengineering,1998,86(1):90-96.[12]刘春,黄霞,孙炜,王慧.基因工程菌生物强化MBR工艺处理阿特拉津试验研究.环境科学,2007年2月,第28卷,第2期:417-421 [13]陈俊,程树培,王洪丽,等.基因工程菌在精对苯二甲酸废水处理中的应用.工业用水与废水,2006年2月,37(1):32-35 [14]蒋建东,顾立锋,孙纪全,等.同源重组法构建多功能农药降解基因工程菌研究.生物工程学报.2005年11月,21(6):884-891 [15]刘智,洪青,徐剑宏,等.耐盐及苯乙酸、甲基对硫磷降解基因工程菌的构建.微生物学报,2003年10月,43(5):554-559 [16]吕萍萍,王慧,施汉昌,等.基因工程菌强化芳香化合物的处理工艺.中国环境科学

2003,23(1)：12-15

第三篇：霉菌的基因工程技术

霉菌的基因工程技术

课程：食品生物技术 专业： 班级： 学号： 姓名：

完成时间：2011 年5月26日

霉菌的基因工程技术

摘要：霉菌在自然界中分布广泛，与人们的日常生活极为密切。自从弗莱明发现青霉素以来，国内外对霉菌的研究引起众多学者的关注，本文对目前霉菌的应用现状作一综述，并介绍了利用基因工程改良霉菌菌种常用的几种方法。

关键词：霉菌 基因工程 菌种改良 应用

0前言

霉菌是能引起物种霉变的丝状真菌的统称，是真菌的一部分。凡是生长在培养基上呈绒毛状、蜘蛛网状或絮状菌丝体的菌落，都称之为霉菌。霉菌在自然界中分布非常广泛，与人们的日常生活极为密切，用途很多，如用于传统的酿酒、制酱和制作副食品及其他的发酵食品，并可从中提取药物、色素等。总之霉菌在农业、纺织、食品、医药、皮革及促进自然界的物质循环等方面都起着极为重要的作用。当然它对人类也有有害的方面，如可使人、畜、农作物患病，使食品、纺织品霉变等。1霉菌的应用 1.1抗生素

抗生素是微生物在代谢过程中产生的能选择性地抑制其它种微生物生长和活动，甚至杀灭它种微生物的生物活性物质。随着青霉素的发现和由此研制而成的多种抗生素使人类得以治愈传染病、有效地控制传染病的流行。除了青霉素，还有许多抗生素来源于霉菌，例如灰黄霉素、头孢霉素等。1.2 生物农药

自然界中有很多生物合成的天然物质具有农药功能，提取其有效成分加工为农药应用,这是制取生物农药的主要途径。目前包括我国在内的许多国家还大量应用化学农药，已普遍导致了对环境的污染，致使农产品安全卫生问题严重，品种下降，并频繁危及人类身体健康。生物农药有以下几个优点:能有效的控制害虫，不杀伤天敌，不破坏生态平衡，不污染环境，因而有广阔的开发前景。目前从霉菌着手寻找生物农药的研究也很深入广泛，例如：木霉菌是一类具有广谱性、拮抗性生物防治菌。1.3天然色素

食品及化妆品生产领域中都离不开色素，但多使用化学合成色素，其毒性问题已逐步引起人们的关注，国内外在其用量及使用范围方面均有限制。从生物中提取的天然食用色素无毒性，食用安全性好，但大多数因原料来源少，价格高限制了其广泛应

用。目前用霉菌生产色素的例子也很多，例如:红曲霉菌，是用于提取色素最多的霉菌，中国利用红曲已有上千年的历史，用于红腐乳、酒类和其他食品中。1.4抗肿瘤

在霉菌发酵产物中还发现有能抑制缺氧信号传递的小分子物质，很多类型的人类肿瘤细胞都处在严重缺氧的状态下，它们为了生存，建立了一系列的级联反应来缓解缺氧。Pladienolides是一类由普拉特链霉菌 Mer2 11107发酵产生的大环内酯类抗生素，可抑制肿瘤细胞生长和缺氧信号传递，它在小鼠异种皮移植入肿瘤的模型中表现出了强大的抗肿瘤效果。可见它有望成为新型的抗肿瘤药物。1.5具有特殊活性的酶

木霉菌能产生纤维素酶，它可直接作用于纤维素使其断裂分解为低分子的化合物及葡萄糖等被动物所利用，另一方面，纤维素酶可使粗纤维素分解从而可使更多的植物细胞内容物分离出来，提高了这些营养物质的消化率。此外，木霉菌还可产生半纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、果胶酶，这些酶的共同作用可提高对碳水化合物、蛋白质和矿物质的消化吸收率，促进吸收[1]。1.6食品发酵

腐乳是我国独特的传统发酵食品之一，系用豆腐坯经毛霉菌培养酿制而成。毛霉菌种的质量好坏关系到腐乳的形状、色泽滋味及理化质量，目前经过菌种选育，已获得一株生长快速、菌丝旺盛、蛋白酶活性强的毛霉菌株，用它制成的接种剂可用于腐乳和腊八生产，其产品质量优良、稳定[2]。此外，常用于腐乳的霉菌还有黑根霉、米曲霉、红曲霉等[3]。2基因工程

2.1基因工程的涵义

用酶学方法，将异源基因与载体DNA在体外进行重组，将形成的重组子DNA导入宿体细胞，使异源基因在宿体细胞中复制表达，从而达到改造生物品种或性状，大量生产出人类所需要的生物品种和产物。[4]2.2基因工程操作的主要步骤：

（1）采用cDNA文库人工合成或PCR扩增，分离制取目的基因片段（2）采用核酸限制性内切酶Ⅱ同时剪切目的基因和克隆载体

（3）在T1DNA连接酶的作用下将目的基因与基因载体连接而成重组DNA（4）把重组DNA分子导入受体细胞，并在一起扩增而成克隆子（5）标记分析和筛选出获得重组DNA分子的克隆受体细胞

（6）进一步了扩增、转化、表达，最终生成新的优良性状的菌种或人类所需要的产品

2.3基因工程的工具酶

酶在基因工程操作中是不可缺少的工具，在基因工程中应用的酶统称为工具酶。要取得所需的目的基因DNA并与载体DNA连接在一起形成DNA重组体，首先要提供限制性内切酶和DNA连接酶。此外，还有其他工具酶，如T1多聚核苷酸激酶、碱性磷酸酯酶、核酸酶S1、反向转录酶和末端脱氧核苷酸转移酶等。到目前为止，常用的工具酶已有3000多种。2.4基因工程的载体

目前，在基因工程中应用的基因载体主要是质粒、病毒和噬菌体。载体的具备以下几个性能：

（1）分子较小，可携带比较大的ＤＮＡ片段。

（2）能独立于染色体而进行自主复制并且是高效的复制。

（3）要有尽可能多种限制酶的切割位点，但每一种限制酶又要最少的切割位点。（4）有适合的标记，易于选择。

（5）有时还要求载体要能启动外源基因进行转录及表达，并且尽可能是高效的表达。

（6）从安全角度考虑，要求载体不能随便转移，仅限于在某些实验室内特殊菌种内才可复制等等。3霉菌的基因工程改良 3.1目的基因的制备

3.1.1限制酶法 用限制性内切酶消化含有目的基因的外源，使其获得目的基因,并使之产生粘性或平头末端 ,以与载体连接。限制酶有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型,常用的为Ⅱ型酶 ,因为它有特异性识别位点 ,切口有规律 ,只要有镁离子即可激活,且效率极高。

3.1.2cDNA法 由于真核生物的基因中含有非编码间隔区 ,在原核生物中无法正常表达 ,必须除去内含子。mRNA是经转 录加工过 的RNA,无内含子 ,在反转录酶下,以mRNA为模板合成出互补DNA再加上接头,即可与载体连接。

3.1.3 PCR扩增技术实际是体外DNA合成放大技术。其基本原理是依据细胞分裂中DNA合成半保留机制，及在体外DNA分子于同温度下双链和单链可以互相转变的性质 ,人为控制体外合成系统的温度,使双链变成单链。单链DNA和人工引物退火。以

及在dNTP存在下 ,耐高温的DNA 聚合酶使引物沿单链模板延升双链DNA高温变性,低温退火,适温延升等三步循环使DNA 扩增。

3.1.4鸟枪法 鸟枪法实质上是采用基因工程手段把染色体DNA用限制性内切酶切割，将所有的片段都连接到某种载体上，转入大肠杆菌中增值。再用适当方法来筛选含该基因的重组体菌落，从重组体细菌提取DNA，经酶切后即可制取该基因。对真核细胞基因，因酶切后形成大小不等的成千上万DNA片段，若采用此法则难于筛选出所需要的基因。因此，可采用凝胶电泳、密度梯度离心法或液相层析等方法。先把DNA片段按大小分成几个组，然后，在采用鸟枪法分离目的基因。

3.2选择适当的载体 载体是用于传递外源DNA序列进人宿主细胞,其本身也为DNA分子。

合适的载体有如下要求：必须能 自我复制。有可克隆位点 ,供外源DNA插人。有可供选择的遗传标记 ,如抗药性基因、酶基因、营养缺陷型等。载体应尽量小 ,抗剪切力。表达型载体应具备与宿住基因相应的启动子、增强子、前导序列。常用的载体有：质粒载体、入噬菌体、粘粒、丝状噬菌体、病毒载体、酵母人工染色体卡粒载体。

3.3目的基因的体外重组

目的基因的体外重组即将带有切口的载体与所获得的目的基因连接起来，得到重新组合后的DNA分子。重组有如下方法：:粘粒末端法 ,且常用双标记法。平头末端连接法 ,用T4DNA连接法。人工接头法,其大小应为8─12bp。用同聚物接尾法 ,常用cDNA法。

3.3.1粘性末端连接法：当载体DNA和目的基因均用同一种限制酶进行切断时，二者即可带有相同的粘性末端。如将载体与目的基因混合在一起，二者即可通过粘性末端进行互补粘合，再加入DNA连接酶，即可封闭其缺口，得到重组体。较少的情况下，对产生的平端也可直接进行连接。

3.3.2人工接尾法：即同聚物加尾连接法。当载体和目的基因无法采用同一种限制酶进行切断，无法得到相同得粘性末端时，采用此方法。首先使用单链核酸酶将粘性末端切平，再在末端核苷酸转移酶的催化下，将脱氧核糖核苷酸添加于载体或目的基因的3'-端，如载体上添加一段polyG，则可在目的基因上添加一段polyC，故二者即可通过碱基互补进行粘合，再由DNA连接酶连接。

3.3.3人工接头连接法：将人工连接器（即一段含有多种限制酶切点的DNA片段）连接到载体和目的基因上，即有可能使用同一种限制酶对载体和目的基因进行切断，得到可以互补的粘性末端。3.4重组DNA导入宿主细胞

重组子构建后 ,必须送人宿主细胞使之发挥作用 ,常用物理方法、化学方法和生物方法。其一般过程为：

（1）将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性。（2）使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。

（3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。3.4.1物理方法

3.4.1.1基因枪法 该方法是利用一种物理仪器装置，将钨、金等金属微粒加速冲击细胞，把细胞击孔，使目的基因进入受体。

3.4.1.2电激法 是利用高压电脉冲的作用对原生质体或细胞击出微孔而使基因转移的一种新方法。

3.4.1.3激光微束法，此方法是利用直径很小、能量很高的激光微束引起细胞膜可逆性穿孔的原理，在荧光显微镜下找出合适的细胞，然后用激光光源代替荧光光源，聚焦后发出激光微束脉冲，造成膜穿孔，处于细胞周围的外源DNA分子随之进入细胞。

3.1.4.4超声波法基本原理：是利用低声强脉冲超声波的物理作用，击穿细胞膜造成通道，使外源DNA进入细胞。3.4.2化学方法

3.4.2.1PEG法(聚乙二醇)PEG是细胞融合剂，它可以使细胞膜之间或DNA与膜之间形成分子桥，促使相互之间的接触和粘连；还可以引起膜表面电荷的紊乱，干扰细胞间的识别，从而有利于细胞膜之间的融合和外源DNA进入原生质体。

3.4.2.2脂质体法

脂质体是由人工构建的磷脂双分子层组成的膜结构，可将DNA包在其内，并通过脂质体与原生质体的融合或由于原生质体的吞噬过程，把外源DNA转运到细胞内。3.4.3生物方法

3.4.3.1转化 以质粒作载体构建的重组体导入受体细胞的过程 3.4.3.2转染 以病毒作载体构建的重组体导入受体细胞的过程 3.4.3.3转导 以噬菌体作载体构建的重组体导入受体细胞的过程 3.5重组DNA的筛选与鉴定

基因工程的最终目的是通过载体将外源基因导入合适的宿主细胞中高效表达，产生有重要价值的蛋白质产品。

3.5.1克隆基因表达有三个条件： ⑴ 基因的编码区不能被插入序列中断

⑵ 基因转录要有启动子，而启动子必须能被宿主细胞的RNA聚合酶有效地识别 ⑶ mRNA必须相当稳定，并有效地被翻译，产生的外源蛋白质必须不为宿主细胞的蛋白酶所降解。

3.5.2筛选含重组体的阳性菌落的方法：平板筛选、限制酶切图谱筛选、PCR筛选重组体、原位杂交技术。

3.5.2.1平板筛选

平板筛选是指利用载体的遗传性标记在平板上直接筛选的方法。具有抗药性标记的载体，转化宿主细胞后，能在含抗生素的培养平板上生长；未转化的则不能生长。

(1)插入失活 当外源DNA序列插入质粒中某一抗药基因内，使该基因失活，转化细胞就不能生长在含相应抗生素的培养平板上。

(2)蓝-白筛选 利用蓝色化合物的形成作为指示剂，筛选带重组质粒的细菌。当外源片段插入到pBS质粒的多克隆位点上后会导致读码框架改变,表达蛋白失活,产生的氨基酸片段失去α-互补能力,含重组质粒的转化子在生色诱导培养基上只能形成白色菌落。而没有重组质粒的转化子产生α-互补，在生色底物X-gal(5-溴-4氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)下存在下被IPTG(异丙基硫-β-D-半乳糖苷)诱导形成蓝色菌落。

3.5.2.2原位杂交技术

原位杂交技术的基本原理是利用核酸分子单链之间有互补的碱基序列，将有放射性或非放射性的外源核酸(即探针)与组织、细胞或染色体上待测DNA或RNA互补配对，结合成专一的核酸杂交分子，经一定的检测手段将待测核酸在组织、细胞或染色体上的位置显示出来。

3.5.2.3限制酶切图谱筛选

所谓的限制性酶切图谱法就是对载体上插入的外源DNA片段进行酶切图谱分析，并以此与目的基因的已知图谱对比，因此利用这种方法不仅能区分重组子与非重组子，而且还能鉴定目的重组子。但这种方法在用于数千规模的转化子筛选时，工作量极大，实验成本也高。

4用基因工程获得抗生素高产菌株的实例

青霉素G酞化酶活力的提高[5] 青霉素G酞化酶可把青霉素G转化为 6一APA,它是新合成或半合成青霉素的有用原料 ,在抗生素工业中有着重要作用 ,因大肠杆 菌ATC-CL105菌株可产生青霉素G酞化酶,可将这种酶基因连接于一个多拷贝质粒载体上 ,通过基因测量应提高青霉素G酞化酶活力水平,用装配型质粒克隆系统进行青霉素G酞化酶基因的克隆,ATC-CL105菌株DNA用 ΗindⅢ切开并插人装配型质粒上 ,得到由3000个克隆组成的ATC-CL105的基因文库,克隆带有青霉素G酞化酶基因被生物测试系统选得 ,文库的单菌落涂布于含有青霉素G和一株对6一APA敏感的粘质少母氏菌菌株的软琼脂上,产生青霉G酞化酶的克隆通过对敏感性测试菌抑制 圈来识别 ,筛选文库中的 10000个菌落,获得一个阳性克隆,把亚克隆青霉素G酞化酶基因转移于PBR322质粒上,该质粒在每个细胞中扩增约50个拷贝,但酞化酶只增产6倍,大肠杆菌中PBR322质粒上的克隆青霉素G酞化酶基因在发酵条件下使用相当稳定。

参考文献：

[1]吴裕本,林潘平.某些木霉菌株的产酶高峰及其纤维素酶制剂饲喂兔的试验〔J〕.福建农业大学学报 1994, 23(3)[2]邓芳席,刘素纯.腐乳毛霉菌种选育及产酶条件研究〔J.湖南农学院学报 1995,21(1)[3] 潭周进,喻科,李仲强,等.霉菌腐乳品质的影响因素研究〔J.食品与机械 2002，(2)[4]彭志英主编.食品生物技术导论.北京:中国轻工业出版社，2010，（9）[5]王狱 ,方金瑞 ·抗生素 科学 出版社1988,220-111,

第四篇：基因工程技术应用综述

综述

----基因工程技术应用

摘要:从 20 世纪 70 年代初发展起来的基因工程技术，经过 30 多年来的进步与发展，已成为生物技术的核心内容。许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的学科，基因

工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一。因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。

关键词:基因工程技术；现状；发展；应用；存在问题

基因工程应用于植物方面从20世纪80年代每个科学家获得第一株转基因植物到现在的十

几年时间内，农业生物技术的发展日新月异，大量的转基因植物进入了大田试验，有不少转

基因作物被批准进入商品化生产。农业生物技术的研究主要集中在美国、加拿大和欧洲的一

些发达国家以及南美和亚洲的一些国家。从1987年到1999年1月，美国共批准 4779 项基

因工程作物进入大田试验。从基因工程作物大田试验的种类来看，试验次数最多的是抗除草

剂的基因作物，其次是抗病虫害的农作物；从作物品种来看，已经进入大规模测试的农作物

有玉米、土豆、番茄、大豆、棉花、瓜类，水稻、小麦等已进入中型规模的大田 试验。至 1999

年，转基因玉米、番茄、土豆、棉花、大豆等均已批准进入市场。据统计，全球消费的农

产品中，大豆的 60%、棉花的 40%、玉米的 30%都是经 过基因工程改造过农业领域是目前

转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就。由于植

物病毒分子生物学的发展，植物抗病基因工程也也已全面展开。自从发现烟草花叶病毒(TMV)的外壳蛋 白基因导入烟草中，在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过

导入植物病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试 验。在利用

基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大进展。植物对逆境的抗性

一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗 传学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品 种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生

长发育尤为重要。科学家发现极地的 鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免

受低温的冻害并正常地生活 在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来，导入植物体可获 得转基因植物。随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养

成分、欣赏价值等品质性状。实践证明，利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而 且

越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作 物品质也取

得了不少进展, 如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白 质合成基因，成功地

导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，大大提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。

基因工程应用于医药方面目前基因工程应用于医药方面。以基因工程药物为主导的基因工

程应基因工程应用于医药方面用产业已成为全球发展最快的产业之一,发展前景非常广阔。

基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要

作用。在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作

用。我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹”也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能.由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。经 4 年临床试验已在全国 面向肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果。

基因工程应用于环保方面.工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。美国利用 DNA 重组技术把降解芳烃、多环芳烃、脂肪烃的 4 种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解 4 种有机物的“超级细菌”，用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的 2/3 烃类降解完，而天然菌株需 1 年之久。也有人把 Bt 蛋白基因、球形芽孢杆菌表达成功。它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境。现已开发出的基因工程菌有净化农药的 DDT 的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的 TNT 炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物(铅、汞、镉等)的基因工程菌及植物等。90 年代后期问世的 DNA 改 组技术可以创新基因，并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，如可 将降解某一污染物的不同细菌的基因通过 PCR 技术全部克隆出来，再利用基因重组技术在体外加工重组，最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有 非凡降解能力的超级菌株，从而大大地提高降解效率。

前景展望。由于基因工程运用 DNA 分子重组技术，能够按照人们预设的前景展望的设计创造出许多新的遗传结合体，具有新奇遗传性状的新型产物，增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性。而且在人类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用，对人口素质、环境保护等作出具大贡献。所以,各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用，抢夺这一高科技制高点。其应用前景十分广阔。我国基因工程技术尚落后于发达国家，更应当加速发展，切不可坐失良机。但是，任何科学技术都是一把“双刃剑”，在给人类带来利益 的同时,也会给人类带来一定的灾难。比如基因药物，它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等，甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造；还有，克隆技术如果不加限制，任其自由发展，最终有可能导致人类的毁灭。还有，尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害，但不等于说转基因动植物就是十分安全的，毕竟这些东西还是新生事物，需要实践慢慢地检验。转基因生物和常规繁殖生长的品种一样，是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状，或消除原来的不利性状，但常规育种是通过自然选择，而且是近缘杂交，适者生存下来，不适者被淘汰掉。而转基因生物远远超出了近缘的范围，人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境，还缺乏知识和经验，按目前的科学水平还不能完全精确地预测。所以，我们要在抓住机遇，大力发展基因工程技术的同时，需要严格管理，充分重视转基因生物的安全性。

我国基因技术发展中存在的问题

1、研究开发的产品跟踪和模仿国外的多，自己创新的少。我国的生物技术主要是跟踪国外而发展起来的，基本上是国外研究开发什么，我们也研究开发什么，因此很少有创新产品。这种状况在新药研制中尤为突出。

2、尚未形成社会化发展格局。在讨论生物技术产业发展时，很多人已注意到了所面临的国际化问题，但却很少注意社会化问题。由于缺乏社会化的意识和氛围，以及其他各种各样的原因，我国新兴的一些生物技术企业，不少是从研究开发到生产销售一条道走到底，做得非常辛苦。事实上，由研究到产品销售，这中间有许多环节都是可以社会化的。

3、一哄而起、重复研究、重复建设的现象大量存在，导致研究力量十分分散。现在国内搞农业生物技术研究的单位很多，有农业科学院系统、中科院系统、高校系统，还地方单位等，但大多数是低水平重复。

4、是缺乏产业化的接轨机制。国外的经验表明，高新技术只有通过资本市场的商业运作才能加速它的产业化进程。而国内很少有公司参与基因技术的研究与成果转化，使基因成果的研究与开发受到很大影响。

5、软件建设与硬件不配套，导致资源的效益得不到充分的发挥。企业的软件主要有两个方面，一是各种管理规范，二是人员的素质，二者缺一不可。生物制药作为高技术产业，不仅对硬件设备的要求高，对软件的要求更高。我国目前的现状是先进的仪器设备大多从国外进口，而人员及由人员制订的规章制度却是土生土长的，二者不配套的直接后果就是产品质量稳定性差，硬件资源浪费严重。

参考文献:1楼士林，杨盛昌，龙敏南，等.基因工程[M].北京：科学出 版社，2002.2李庆军，董艳桐，施冰.植物抗虫基因的研究进展[J].林业科技,2002CHU Qi-ren, CAO Hua-xin, FAN Hui-qin, et al..Preliminary report on transienexpression of gus gene in transgene rice protoplast-derived calli via PEG-mediated DNA transformation［J］.shanghai nongye xue bao,1995

4.（日）内宫博文编著；孙崇荣，李育庆译 :1987植物基因工程技术, 1987

5.基因克隆技术在制药中的应用, 2004

6.丁勇等编著基因工程与农业1994.07

第五篇：基因工程技术是把双刃剑

《生命科学奥秘》论文

题

目 基因工程技术是把双刃剑

学

院

计算机与信息科学学院 专

业

自动化（控制方向）

年

级

2008 级

学

号

*** 姓

名

杨雷

指 导 教 师

刘文明

成 绩

2009年5月24日

基因工程技术是把双刃剑

杨雷

西南大学计算机与信息科学学院，重庆 400715

摘 要：

基因工程技术，在医药及农业上应用广泛。这项尖端科技加上最近突破性的生殖科技，却引发人们极大的隐忧及争论。

生物学家在一百多年前就知道，生物的表征遗传自其亲代。生物细胞的细胞核，含有染色体，组成分为DNA。DNA含有四种碱基（简称A、T、C、G）。这些碱基在DNA中看似杂乱无章，但它们的排列顺序，正代表遗传讯息。每三个碱基代表一种胺基酸的密码。基因就是这些遗传密码的组合，亦即代表蛋白质的胺基酸序列。每个基因含有启动控制区，以调控基因的表达。

基因工程是一项很精密的尖端生物技术。可以把某一生物的基因转殖送入另一种细胞中，甚至可把细菌、动植物的基因互换。当某一基因进入另一种细胞，就会改变这个细胞的某种功能。基因工程对于人类的利弊一直是个争议的问题，主要是这项技术创造出原本自然界不存在的重组基因。但它为医药界带来新希望，在农业上提高产量改良作物，也可对环境污染、能源危机提供解决之道，甚至可用在犯罪案件的侦查。但它亦引起很大的忧虑与关切。当此科技由严谨的实验室转移至大规模医药应用或商业生产时，我们如何评估它的安全性？此项技术是否可能因为人为失控，反而危害人类健康并破坏大自然生态平衡？

关键词：基因工程；人类基因组计划；环境破坏；生物技术；利弊

【正文】

观点：辨证的看待基因工程的利与弊

一．基因工程可用来筛检及治疗遗传疾病。

遗传疾病乃是由于父或母带有错误的基因。基因筛检法可以快速诊断基因密码的错误；基因治疗法则是用基因工程技术来治疗这类疾病。产前基因筛检可以诊断胎儿是否带有遗传疾病，这种筛检法甚至可以诊断试管内受精的胚胎，早至只有两天大，尚在八个细胞阶段的试管胚胎。做法是将其中之一个细胞取出，抽取DNA，侦测其基因是否正常，再决定是否把此胚胎植入母亲的子宫发育。胎儿性别同时也可测知。

但是广泛的基因筛检将会引起一连串的社会问题。如果有人接受基因筛检，发现在某个年龄将因某种病死亡，势必将会极度改变他的人生观。虽然基因筛检可帮助医生更早期更有效地治疗病人，但可能妨碍他的未来生活就业。譬如人寿保险公司将会要求客户提供家族健康数据，如心脏病、糖尿病、乳癌等，而针对高危险群家族成员设定较高的保费。保险公司可由基因筛检资料预知客户的预估寿命。这些人可能因而得不到保险的照顾，也可能使这些人被公司老板提早解聘。

二．基因工程配合生殖科技——全人类的震撼

基因筛检并不改变人的遗传组成，但基因治疗则会。科学家正努力改变遗传病人的错误基因，把好的基因送入其中以纠正错误。因为这是在操作生命的基本问题，必须格外小心。首先须划分医疗及非医疗的行为。医疗行为目的在治病，非医疗者如想提高孩子的身高、智慧等。选择胎儿性别也是非医疗行为，不能被接受，但是遇到某些性连遗传的疾病，选择胎儿的性别就是可被接受的医疗行为。另一项须区分的，就是体细胞（somatic cell）或生殖细胞（germ-line cell）的基因操作。体细胞的基因操作只影响身体的体细胞，不影响后代。但卵子、精子等生殖细胞之基因操作，会直接影响后代，目前基因工程禁止直接用在生殖细胞上。

三．基因治疗法——遗传病人的福音

目前医学界正在临床试验多种遗传病的基因治疗法。最早采用基因治疗的是一种先天免疫缺乏症，又称气泡男孩症（bubble-boy disease），患病婴幼童因为腺脱胺（adenosine deaminase）基因有缺陷，骨髓不能制造正常白血球发挥免疫功能，必须生活在与外界完全隔离的空气罩内。最新的治疗法是由病人骨髓分离出白血球的干细胞，把正常的酵素基因接在经过改造不具毒性的反录病毒（retrovirus），藉此病毒送入白血球干细胞，再将干细胞送回病人体内，则病人可产生健康的白血球获得免疫功能。这项临床试验，在美国的女病童证明很成功。

另一种较便捷的治疗法亦在实验中，纤维性囊肿（cystic fibrosis）在英国平均每两千人中就有一人罹患此症。病人无法制造形成细胞膜氯离子通道的蛋白。此蛋白分布于分泌性细胞的胞膜上，控制氯离子的运输，使黏液畅通。病人体内因缺乏此蛋白，体内浓黏液堆积阻塞肺部通道，甚至发炎死亡。为了治疗此病，目前正在发展新方法，将正常基因加入雾状喷剂中，病人可借着吸入喷剂，使基因进入肺细胞产生蛋白，达到治疗目的。

四．农林渔牧的应用——生态环保的顾虑

目前全世界正重视发展永续性农业（sustainable agriculture），希望农业除了具有经济效益，还要生生不息，不破坏生态环境。基因工程正可帮忙解决这类问题。基因工程可以改良农粮作物的营养成分或增强抗病抗虫特性。可以增加畜禽类的生长速率、牛羊的泌乳量、改良肉质及脂肪含量等。

英国爱丁堡科学家已经可以使绵羊分泌含有人类抗胰蛋白（α-1-antitryspin）的羊奶。抗胰蛋白可以治疗遗传性肺气肿，价格很昂贵。若以后能由羊奶大量制造，将变得很便宜。但是目前以基因工程开发培育基因转殖绵羊的过程，仍是很费时费钱的。

基因转殖的细菌用处也很大，如改造细菌可以消化垃圾废纸，而这些细菌又可成为一种蛋白质的营养来源。基因转殖的细菌可带有人类基因，以生产医疗用的胰岛素及生长激素等。其实基因工程在农业上的应用，在某些方面而言并不稀奇。自古以来，人们即努力而有计划地进行育种，譬如一个新种小麦，乃是经过上千代重复杂交育成的。目前的小麦含有许多源自野生黑麦的基因。农人早在基因工程技术发明以前，就知道将基因由一种生物转移至另一生物。传统的育种也可大量提高产量。但是传统的育种过程缓慢，结果常常难以预料。基因工程可选择特定基因送入生物体内，大大提高育种效率，更可把基因送入分类上相差很远的生物，这是传统的育种做不到的。不久，在美国即将有基因工程培育出来的西红柿要上市了。这种西红柿含有反意基因（antisense gene），能使西红柿成熟时不会变软易烂。

基因工程也生产抗病抗虫作物，使作物本身制造出“杀虫剂”。如此农夫就不需费力喷洒农药，使我们有健康的生活环境。也可培育出抗旱耐盐作物以适合生长在恶劣的环境下，如此可克服第三世界的粮食短缺问题。但是，会产生“杀虫剂”的作物，也可能对大环境有害，它们或许会杀死不可预期的益虫，影响昆虫生态的平衡。在高盐的沼泽地种植基因工程育成的作物，可能会干扰了生态系统。假如热带作物改造得可以于温带地区生长，可能会严重伤害开发中国家的经济，因为农作物水果的输出是他们的主要收入。最近更逐渐发现危害作物的害虫，已经慢慢地演化，以抵抗基因转殖作物所产生的「杀虫剂」了。基因工程培育的鱼，也引起一连串的问题。目前已送两个基因到鲤鱼中，一是生长激素，一是抗冻蛋白（antifreeze protein）。若有人不小心或刻意地把这些鱼放入自然环境的河、湖中，将会严重影响自然界的鱼群生态。

五．基因转殖动物——爱护动物人士的关切

基因转殖动物对于生物医学研究，真是一大恩赐。科学家现在可将基因送入实验室的老鼠，以研究基因的表达调控功能。也可以把实验动物的某个基因刻意破坏，培育出患有类似人类遗传疾病的动物，以利治疗方法的探讨。美国一家公司已经培育出一种基因转殖老鼠，它在数个月大时会长出癌瘤，此项发明正在申请专利。但是爱护动物人士已表示严重关切，他们认为应该限制基因工程技术如此折磨虐待实验动物。

（注：基因工程的应用并不只有以上部分，我只对以上部分发表个人观点。）

【结语】

不久的将来，基因工程技术仍只限于转殖少数的基因，如此培育出来的生物仍将是我们熟悉的生物。但是有很多疾病及生物特征是由多数基因决定的，而且基因常常不是独立行使功能，它们会受环境的影响。譬如一组基因会造成某人罹患气喘，但症状受生活的环境影响很大。一个人罹患糖尿病的机率，也与环境因子（饮食条件）息息相关。一个天才钢琴家的音乐天赋包括听力及灵敏的双手巧妙地配合，这跟他的遗传基因、童年音乐的启发、生活环境等都有关连。所以我们在还未了解基因与环境因子的互动关系前，还不能奢望创造出具有超高智商的人，或是利用基因筛检法筛选出具有特殊天赋的孩子。

21世纪是基因工程技术蓬勃发展的时代，基因工程的兴起是生物革命的必然结果，尽管基因工程的隐忧及争论众说纷纭，日太爽了但其给人带来的好处是显而易见的。希望随着生物界的不断发展，使基因工程的安全性得到保证，让人们在生活的各个方面都能感受基因工程给人类带来的利益。

参考文献：

[1]: 吴能表.生命伦理学.重庆:西南师范大学出版社,2008-11 [2]: 张惠展.基因工程概论.上海：华东理工大学出版，1999.12