基因工程在环境保护中的应用ppt课件.ppt

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1、基因工程在环境保护中的应用,环境现状基因工程的介绍基因工程在环境保护中的作用前景与展望结束语,一、目前国内环境现状,石油污染水和土壤污染农药污染气候变暖,石油污染,石油污染是指石油开采、运输、装卸、加工和使用过程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，主要发生在海洋。石油漂浮在海面上，迅速扩散形成油膜，可通过扩散、蒸发、溶解、乳化、光降解以及生物降解和吸收等进行迁移、转化。油类可沾附在鱼鳃上，使鱼窒息，抑制水鸟产卵和孵化，破坏其羽毛的不透水性，降低水产品质量。油膜形成可阻碍水体的复氧作用，影响海洋浮游生物生长，破坏海洋生态平衡，此外还可破坏海滨风景，影响海滨美学价值。,水污染,人类的活动会使大量的工

2、业、农业、和生活废弃物排入水中，使水受到污染。目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上。 水污染主要是由人类活动产生的污染物造成，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分,污染物主要有：（1）未经处理而排放的工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水；（3）大量使用化肥、农药、除草剂而造成的农田污水；（4）堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；（5）森林砍伐，水土流失；（6）因过度开采，产生矿山污水。,骨痛病事件,镉是人体不需要的元素。日本富山县的一些铅锌矿在采矿和冶炼中排放废水，废水在河流中积累了重金属“镉”。

3、人长期饮用这样的河水，食用浇灌含镉河水生产的稻谷，就会得“骨痛病”。病人骨骼严重畸形、剧痛，身长缩短，骨脆易折。,土壤污染,近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。凡是妨碍土壤正常功能，降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜，水果等间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物。,土壤污染物有下列4类:化学污染物。包括无机污染物和有机污染物。前者如汞、镉、铅、砷等重金属，过量的氮、磷植物营养元素以及氧化物和硫化物等;后者如各种化学农药、石油及其裂解产物,以及其他各类有机合成产物等

4、。物理污染物。指来自工厂、矿山的固体废弃物如尾矿、废石、粉煤灰和工业垃圾等。生物污染物。指带有各种病菌的城市垃圾和由卫生设施（包括医院）排出的废水、废物以及厩肥等。放射性污染物。主要存在于核原料开采和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长的放射性元素为主。,土壤污染有加剧趋势,土壤污染造成镉超标,农药污染,主要指农药及其在自然环境中的降解产物污染大气、水体和土壤，并破坏生态系统，引起人和动、植物的急性或慢性中毒的一种有机污染。 人类从40年代起开始使用农药除虫除草，每年挽回农业总产量15%左右的损失。但是，由于长期滥用农药，使环境中的有害物质大大增加，危害到生态和人类，形成农药污染。造成

5、污染的农药主要是有机氯农药，含铅、砷、汞等物质的金属制剂，以及某些特异性除草剂。,农药污染主要是有机氯农药污染、有机磷农药污染和有机氮农药污染。人从环境中摄入农药主要是通过饮食。植物性食品中含有农药的原因，一是药剂的直接沾污，二是作物从周围环境中吸收药剂。动物性食品中含有农药是动物通过食物链或直接从水体中摄入的。环境中农药的残留浓度一般是很低的，但通过食物链和生物浓缩可使生物体内的农药浓度提高至几千倍，甚至几万倍.,农药DDT污染,食用被有机磷等农药污染的食物,气候变暖,全球气候变暖是一种“自然现象”。由于人们焚烧化石矿物以生成能量或砍伐森林并将其焚烧时产生的二氧化碳等多种温室气体，由于这些温

6、室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，也就是常说的“温室效应”，导致全球气候变暖。 全球变暖的后果，会使全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。,德国研究人员表示，未来全球气温可能会远远高于一些科学家此前所做的预测，如果新的计算机模型关于气候变化所做的预测是正确的话。 据路透社报道，政府间气候变化专门委员会(IPCC，由各国气象专家组成，研究全球气候趋势)此前预测，到本世纪末，随着二氧化碳的成倍增加，全球气温将升高1.5至4.5。但德国美因兹马普

7、化学研究所的迈因拉特安德烈埃教授及其研究小组的最新测算方法却表明，全球气温上升的最高幅度可达到6。 有资料说，再过七年，全球气候将不可逆转的变暖。 英国气象局研究160年气温数据 证明全球确实变暖。,全球变暖导致冰雪融化,基因工程的概念、内容与发展概况,（一）基因工程的概念基因工程：运用酶学方法，将外源基因与载体DNA在体外进行重组，将形成的重组DNA转入受体细胞，使外源基因在其中复制表达，从而改造生物特性，生产出人类所需要的产物的高新技术。,（二）基因工程的主要内容,概括起来，基因工程的操作过程一般分4个步骤。 1、获得目的基因； 2、将目的基因与载体连接形成重组DNA； 3、将重组DNA导

8、入受体细胞； 4、筛选出能表达目的基因的受体细胞,获得目的基因,1、从基因所在的生物体直接取得限制性内切酶（restriction enzymes）2、人工合成DNA片段（DNA合成仪）3、PCR反应合成DNA4、 mRNA反转录成cDNA5、用机械的方法,重组DNA,载体：细菌中的质粒、温和噬菌体重组体DNA：载体DNA+引入的DNA粘性末端平整末端连接酶,重组DNA导入受体细胞,受体:原核生物细胞（大肠杆菌感受态细 胞） 真核生物细胞（酵母：单细胞真菌，是外源真核基因理想的表达系统。基因结构简单，便于基因工程操作；培养简单，成本低廉；基因表达产物易提取和加工；不产生毒素。 ）,筛选受体细胞

9、,分子杂交（molecular hybridization）：基因序列遗传学方法：性能免疫学方法：蛋白质,（三）基因工程的发展概况,1972年，Berg等首次用限制性内切酶Eco RI切割病毒SV40 DNA和噬菌体DNA，经过连接，组成重组DNA分子。1973年，Cohen将伤寒沙门氏菌抗链霉素质粒与大肠杆菌抗四环素质粒在体外重组，获得异源的重组质粒DNA，并把重组质粒导入大肠杆菌中，建立了抗四环素和抗链霉素的大肠杆菌克隆体.,1972年美国加州大学的Boyer 从大肠杆菌中发现了一种能够在特定位置上切割DNA分子的酶即限制性内切酶,经过几十年的发展，基因工程技术已走出实验室，基因工程技术的

10、应用已发展成为一个巨大的产业，基因工程在农业、医药、食品、环保等领域已显示出巨大的应用价值。,基因工程在环境保护中的应用,科技的发展充分证明基因工程是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。基因工程在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。,其在石油污染方面、水和土壤污染方面、农药方面、温室效应方面、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。,石油污染方面2.水和土壤污染方面3.在温室效应方面4.在

11、农药方面,1、石油污染方面,随着石油工业的迅速发展石油这种含有多种烃类的混和物，不断对陆地与海洋造成污染，而烃类是难分解的物质，某种特定的细菌只能降解有限的几种石油成分，对其他成分却不能分解。,1975年美籍印度人查克拉搏特等科学家依据似单胞杆菌对石油中有毒成分具有很强分解力这一特性，把4种能吃浮油的假单胞杆菌的基因拼接起来，合并成一种假单胞菌种组成了所谓的“超级菌”，它能分解各种石油烃,消除浮油的效率高、速度快，只需几小时就能除掉自然菌种需几年才能消除的原油污染。经不断改进这种超级细菌已成功地用于实际环境治理中。,2、水和土壤污染方面,2.1 科学家依据 Psenclomorlas的改良菌具

12、有分解樟脑、水杨酸脂、萘的功能把分解甲苯基因导入活性污泥中分离出来的具有絮凝能力的菌中，就能得到具有分解甲苯和起到絮凝作用的改良菌，从而使废水中的碳氢化合物得以分解，使污泥得以沉淀。,2.2 目前，人们正在利用基因工程进一步解析聚磷基因和硝化基因，将这2个基因重组后导人大肠杆菌中，构建重组工程组，从而使废水中过高的N、P得到有效地去除，降低水体的富营养化，减少赤潮发生。 科学家已经用基因工程方法培养出了“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。,DDT细菌,2.3 美国加利福尼亚大学的微生物学工作者培育出了一种以 PCB s(聚氯联苯)为食物的细菌。PCBs是一种污染环境的

13、致癌物质, 它不能被一般的自然过程破坏,这种从实验室中培育成的细菌被认为是有效解决这一难题的工具。 该大学的研究人员是将一种一般土壤细菌(恶臭假单胞菌 )的两个菌株的DNA进行交换,产生一种杂交的突变菌株。该基因交换菌株能破坏联苯基, 而联苯基正是构成 PCBs分子的一个关键基因。它由两个苯环组成的, 有剧毒,在它们紧密结合时便成为潜在的致癌物。,PCBs进入人体后,不能被人体的新陈代谢过程破坏,且能传给下一代。这种物质也能长期保存在土壤中不会被分解。新培育出的这种两个菌株的遗传物质发生交换的突变菌株则能分解 PCBs ,可使这种有毒害的物质变成无害的物质水、 二氧化碳和盐类,用植物净化被污染

14、的水体和土壤等技术被学者们称为“植物修复环境技术”。日本科学工作者在对大约3 000 种植物进行调查研究后发现,颠茄这种植物有吸收和分解污染源物质多氯化联苯的能力。在此基础上他们对该植物进行转基因处理, 即把加速根部生长的功能基因导入颠茄细胞中, 培育出了生长速度快、根部发达的重组基因颠茄, 从而大大提高了其吸收和分解污染物质的能力。生产实践表明, 严重超标的工厂废水能够被它吸收80%。,转基因技术育出环保猪,在国际上( 如北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区) 都有这样一种规定:“如果猪粪中磷的平均含量能够降低35%, 从规定要求来说, 养猪户就能够多养35%的猪而不会违反环保规定的要求。”,W

15、HY,转基因猪,猪通常被认为是对环境有危害的家畜。它排泄的粪便中含有磷元素, 能促使藻类生长, 使水域很快形成富营养化状态, 会造成河流、湖泊污染, 并会使鱼类缺氧而大量死亡。加拿大安大略省古尔弗大学的科学工作者利用基因工程技术培育出了一种猪, 其粪便中的含磷量比普通猪少20%50%。这种基因工程猪是把老鼠和一些细菌的基因转导到猪的DNA 中培育成的。这个规定的唯一根据就是猪排泄到地下水中的磷含量。加拿大科学家的这项研究成果对国际上的养猪业起了很大的促进作用, 对促进环境保护有强有力的作用。,用“基因剪切”“酶接”培育成功抗放射性核废物细菌,该项研究利用了一种耐放射性异常的土壤细菌。这种细胞已

16、被确认为抗放射性能力最强的微生物。它的生理特性是够修复自身的DNA, 从而使其机体在不断遭受放射性物质攻击的情况下仍能生存下来。不仅如此, 这种细菌还含有一种能分解化学物质的功能基因。在这一发现的基础上, 研究者又将其他“版本”的功能基因剪切、酶接到该细菌体内, 从而使这种基因工程微生物进一步具备了分解甲苯、氯苯、三元低共溶氯化物等放射性化学物质和其他有毒化学物质的功能。,植物植物除了通过转化作用将所吸收的有机污染物转化成无毒的其它有机物外，也可以通过降解作用使其分解为无毒的小分子化合物。最理想的方式是将大分子的有机化合物经生物降解转化成H2O和CO2。 杨树在人工控制的现场实验中能够去除湿地

17、中99的三氯乙烯(Newman等1999) 热带豆科树木LeuceanaleticocephalavarK636能降解EDB(二溴乙烷)和TCE(二氯乙烯)(Doty等2003),3、在农药方面中的应用,微生物农药基因工程技术的发展,为防治农林害虫提供了有效的新技术手段, 微生物农药因此在世界范围受到广泛重视。微生物农药是指非化学合成, 具有杀虫防病作用的微生物制剂, 如微生物杀虫剂、 杀菌剂、 农用抗生素等。这类微生物包括杀虫防病的细菌、 真菌和病毒微生物杀虫剂对人畜安全无毒, 不污染环境;杀虫作用具有一定的特异性和选择性, 不会致死天敌和非目标昆虫;易和其他生物手段结合综合防治害虫,维持生

18、态平衡; 由于杀虫活性蛋白的多样性,昆虫产生抗性较缓慢;可以通过发酵法生产,生产成本较低; 可以通过基因工程技术途径筛选或构建优良性能的菌株来满足生产应用的需要等,用昆虫毒素基因制杀虫剂取得成功 美国犹他公司的基因工程研究人员从蜘蛛体内发现并成功分离出了毒素基因，他们运用转基因工程技术将毒素基因导入一种侵染毛虫的病毒中, 获得了表达。当毛虫这种害虫吞下了这种转基因病毒, 该基因随至侵染细胞, 继而杀死毛虫。检测和进一步实验表明, 用该基因工程技术制成的杀虫剂, 不仅杀虫效果明显, 而且具有高度的专一性, 对植物及其他动物无任何危害。,在这项基因工程成功试验的启迪下, 阿森斯的佐治亚大学又成功地

19、从螨虫中得到了生产毒素的基因; 英国牛津自然环境调查研究理事会( NERC) 的病毒学和环境微生物学研究所与美国戴维斯的加利福尼亚大学使用的蝎子毒素基因, 通过基因工程生产出的杀虫剂, 具有极好的杀虫效果, 特别是它不会对环境产生污染。,基因工程作物可以不施肥或少施肥 墨西哥科技工作者路易海勒易切拉用转基因工程技术进行作物改良并取得了良好的成效。他将一种产生柠檬酸的功能基因导入生长在碱性土壤中的烟草, 然后进行少施肥和不施肥的实验, 结果均有明显的增产效果( 分别增产30%和20%) 。该课题组在研究报告中指出: 运用此基因工程后,作物只用普通作物的一半肥料就能取得最好的长势和增产效果。易切拉

20、小组还为水稻和玉米进行了转基因实验, 初步结果表明其效果更为显著。,4、在温室效应方面,转基因技术还可以提高替代化石燃料的生物燃料的产量。国际能源机构（IEA）于2011年4月21日发布路线图指出，到2050年，生物燃料有望提供世界总的运输燃料需求量的27，尤其将会对柴油、煤油和喷气燃料替代作出贡献。这将使生物燃料的使用从目前5500万吨石油当量（占运输燃料2）增加到2050年7.5亿吨石油当量。当生产实现可持续性时，预计使用生物燃料可望每年避免约21亿吨的二氧化碳排放，有效的控制了温室效应的发展。,温室效应带来的气候变化的最大影响之一是全球降水重新分配，一些地方的旱情将会更加严重。而应对这种

21、危机的最重要方法就是培育能够抗旱、减少用水量的作物。转基因方法可以把其他生物的基因转到作物中，从而达到很好的抗旱效果。孟山都公司的抗旱玉米“MON 87460”主要是转入了土壤中常见的细菌枯草杆菌（Bacillus subtilis）的一个基因序列，产生一种叫“冷激蛋白B”（CspB）的蛋白质，可以让它在缺水的情况下仍然能够保持机体结构不被破坏。,现在该玉米已经在美国和智利试验种植并获得美国法规监管部门（美国农业部、美国食品与药品管理局）的批准。如果抗旱转基因玉米大量种植，和非抗旱品种相比预计能够增产30%。同时，转基因玉米商业化种植之后，其种子不会比传统玉米贵很多。另外，正在研制之中的提高作

22、物的氮肥合用效率，改善植物光合作用效率等转基因技术也可以大幅增加粮食产量，减少碳排放，减少砍伐森林的可能性。,环境保护的前景与展望,基因工程在环境保护中的前景,随着工业发展、人口高度密集环境中有毒有机污染物的数量、品种越来越多，原有的治污手段满足不了现实的需要。利用基因工程的手段将人们希望的遗传基因转入易培养的微生物体内，得以表达识别，使其起到净化环境的特殊功能，最大限度地消除环境污染，尚需做大量的研究工作。,研究利用基因工程、使禾本科作物本身具有固氮能力，这样就可以大大降低化肥的生产和使用，从根本上消除化肥的污染。,利用光合细菌许多种类在代谢过程中都能释放氢气的特点，利用基因工程开发生物制氢

23、新能源，供车辆和机械发动机用，这样不仅节约了能源，还减少了煤、石油等燃料不完全燃烧时对大气环境造成的污染。,根据一些藻类等水生物植物具有从水环境中大量积累重金属离子的能力，利用基因工程消除水体中重金属的污染。,研究生产甲烷的基因，提高甲烷发酵的效率，解决甲烷发酵反应速度慢、时间长、需用大反应容器进行储存的难题。继续构建系列基因工程菌，筛选出絮凝降解性能好、遗传特性好和成本低的系列双功能基因工程菌株，并将该技术应用于染料生产废水的处理或其他领域。,采用基因工程的方法建立无害化生产工艺过程，实现废水循环利用，同时将部分无毒有机污染物转化为副产品，如单细胞蛋白、生物农药等，充分实现废物资源化。通过基

24、因重组构建新的杀虫剂，以取代生产过程中耗能多，又易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程的方法回收和利用工业废物。,基因工程技术的掘起，为技术进步增添了新的活力，为解决资源短缺、生态破坏等全球性环境问题带来了新的曙光，为21世纪的环境保护展现出绚丽多彩的应用前景。因此，随着人们对基因的深人研究和对遗传密码的破译、基因工程定会在各个领域发挥越来越显著的作用。,基因工程在环境保护中的展望,基因工程技术是发展迅速的一项污染环境治理技术。实践证明, 采用基因工程技术治理污染环境,可以最大限度地去除环境中的污染物。是保障可持续发展的一项最有力的措施。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

25、污染环境的治理工程中。,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, 充分实现废物资源化, 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环境保护有着重要意义。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, 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, 将对环境保护起到更为重要的作用。,结束语,我们只有一个地球要的是保护不是已经污染了再去治理,保护环境人人参与携起手来共创美丽家园,如果你很忙，请在这些日子为我们的环境做出些贡献，为你自己，也为我们共同的家园！,谢谢您对环境的保护！,