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转基因植物将能修复土壤有机污染物
2008-08-07 13:59:06 来源: 作者: 【 】 浏览:1506次 评论:0


   随着工农业发展、城市化进程的深入,土壤污染情况不断加剧。土壤污染物的来源广、种类多,大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物主要包括酸、碱、重金属(铜、汞、铬、镉、镍、铅等)盐类,放射性元素铯、锶的化合物,含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂以及由城市污水、污泥和厩肥带来的有害微生物等。土壤污染被称作“看不见的污染”,其他污染形式可以通过污水横流、黑烟滚滚、臭气熏天等外在表现形式向人们敲响警钟,而土壤污染却往往容易被人忽视,这种危害极大的污染就在这样的“温床”上趁机蔓延开来。
 
我国土壤污染的现状
目前,我国土壤污染的总体形势相当严峻,已对生态环境、食品安全和农业可持续发展构成威胁。据不完全统计,目前我国受污染的耕地约有1.5亿亩,污水灌溉污染耕地3,250万亩,固体废弃物堆存占地和毁田200万亩。据估算,全国每年遭重金属污染的粮食达1,200万吨,造成的直接经济损失超过200亿元,对于农药和有机物污染、放射性污染、病原菌污染等其他类型的土壤污染所导致的经济损失,目前尚难以估计。
我国是耕地资源极其匮乏的国家,近年来由于我国的土壤污染日趋严重,耕地面积不断减少,土壤问题已成为限制农业可持续发展的重大障碍。当土壤中含有害物质过多,超过土壤的自净能力,就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化,微生物活动受到抑制,有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累,通过“土壤植物人体”或通过“土壤人体”间接被人体吸收,达到危害人体健康的程度。因此采取有效措施防治土壤污染并积极修复受污染土壤,具有十分重要的意义。
 
有机污染物的修复技术
有机污染物是环境保护的一个巨大包袱,同时也是生物圈的一大威胁。土壤有机污染物的种类繁多,包括各种酚类和氰类物质以及人工合成的各种农药。酚类和氰类物质的来源很广,如某些石化企业在生产过程中排放的废水含有烃类、有机酸、醛类、氰化物、氨、各类聚合物、焦油等污染物。石油工业的各种有机污染物,己成为环境污染的罪魁祸首。随着人工合成的有机物越来越多,在已知的700余万种有机物中人工合成的有机物种类达10万种以上,且以每年2,000种的速度递增。其中具有“三致”(致癌、致畸、致突变)的有机污染物如石油烃类、多氯联苯(PCBs)、多环芳烃(PAHs)、含氯溶剂、炸药、农药等越来越多。它们通过挥发、淋溶和由浓度梯度产生的扩散等在土壤中迁移或逸入空气、水体中,对大气、水体、生态系统和人类的生命造成了极大危害。
目前土壤有机污染物的修复方法主要有物理修复、化学修复、微生物修复和植物修复等。物理修复和化学修复的昂贵成本限制了它们的实际应用。微生物修复污染物需要比较长的周期才能达到一个理想的水平,这期间微生物的培养和养料的供给是必不可少的。另外,微生物在实验室条件下所表现出来的高效生物降解作用,在现实的环境污染区并不一定能达到相同的效果,并且此法还可能破坏原有的土质。
植物修复是一种经济、有效且不形成二次污染的修复技术。植物可以独立的利用阳光、水、无机离子等生长,并且植物通过种子萌发或无性繁殖的方式种植,对污染区的土质失调影响最小。植物生长强壮,是一种可更新资源,可用于原位生物修复。植物去除有机污染物的机制主要包括:植物对有机污染物的直接吸收;植物的分泌物和酶直接分解有机污染物;植物根区及其与之共生的菌群增强根区有机物的矿化作用。尽管植物作为生物修复因子具有一些超过细菌的优点,但它们缺乏微生物的有机物降解能力,因此把微生物或真核生物中能有效降解有机污染物的基因转到植物中去,将会进一步提高植物修复的应用。
 
有机污染物的植物修复
目前,全球已有很多地区深受2,4,6-三硝基甲苯(TNT)2,4,6-三硝基苯酚(TNP)、三硝酸甘油酯(GTN)及三甲撑三硝基胺等有机物的污染,并且在一些有害废物区还发现有诸如四氯化碳、氯仿、三氯乙烯和有机溶剂等卤代有机污染物。这些有毒物质已严重威胁到人类的身体健康,急需有效的修复技术。植物修复技术因其诸多优点深受各国研究者的厚爱。目前,可经植物修复的有机污染物主要有以下几种:氯化物,如:三氯乙烯、四氯乙烷、2,4-二氯苯酚、聚氯联()苯;杀虫剂,如:毒死蜱乳油、二氯二苯三氯乙烷、二溴乙烷;炸药,如:三硝基甲苯、三硝酸甘油酯、二硝基甲苯、三甲撑三硝基胺、硝酸戊四醇酯;还有多环芳烃和去污剂,详见表1
1 有机污染物及其相应的植物降解机制
有机污染物
 
 
苯并三唑
2,4-二氯苯酚
二氯二苯三氯乙烷
2,4-二硝基甲苯
二溴乙烯
三硝酸甘油酯
HMX
甲基叔丁基醚
多环芳烃、多氯联苯
多氯联苯
聚氯联苯
高氯酸盐
石油碳氢化合物
苯酚
苯酚和氯酚类
三甲撑三硝基胺
西玛三嗪
三氯乙烯
2,4,6-三氯乙烯
除草剂氟乐灵、林丹
三硝基甲苯
向日葵
发根培养的甘蓝型油菜
发根培养的野荠菜
拟南介
银合欢
甜菜
杨树
杨树
小麦、龙葵、大豆
发根培养的龙葵
14种植物
烟草
岩兰草
发根培养的野荠菜、栽培的萝卜、印苦楝子素、甜菜
胡萝卜、药薯、澳洲茄
羽毛草、白杨
美人蕉、羽毛草
细胞悬浮培养的白杨
浮萍
黑麦
新陈代谢
修复
新陈代谢
新陈代谢
新陈代谢
新陈代谢
新陈代谢
挥发
吸收
修复
生物降解
新陈代谢
修复
修复
新陈代谢
新陈代谢
吸收
新陈代谢
氧化脱氯
吸收
新陈代谢
植物的根能有效吸收有机污染物,并使其聚集在植物细胞中。污染物与植物细胞内的胞质溶胶紧密接触是污染物得以代谢的先决条件。一旦有机物进入植物组织,植物便会启动体内的防御机制绿色肝脏去除污染物的毒性,那些污染物便可经许多生化反应分解代谢。植物修复污染物一般经过以下三步:
1)脂溶性化合物的转化/催化(氧化、还原、水解)
2)将上步中的代谢物接合成内源性亲水分子,如糖、氨基酸、谷光苷肽;
3)进一步转化代谢物得到细胞壁物质木质素或半纤维素,使之在液泡中得以区分。
 
转基因植物修复有机污染物
为了改善植物降解/代谢有机污染物的能力,我们将一些能有效降解/矿化有机污染物的基因从细菌/真菌/动物/植物中分离出来,再通过农杆菌介导法、直接的DNA法或原生质体融合转化到目标植物中。
目前已有很多基因被导入植物中,2006年英国科学家Rylott等在拟南芥中表达降解环三甲撑三硝胺(RDX)的细胞色素P450,提高了其对RDX的耐受力,在含RDX环境中,茎叶及根的生长均优于野生植株。美国科学家Doty等经试验证明:含有人类细胞色素P4502E1的转基因烟草对二溴乙烷有明显加强的吸收和脱溴作用,并且对三氯乙烯的分解代谢提高了640倍。Kawahigashi等将CYP1A1CYP2B6CYP2C19同时转入水稻中,经检测发现这种转基因水稻对多种除草剂具有抗性,并能有效减少除草剂的残存量。Limura等人将采绒革盖菌中分离出的锰过氧化氢酶转入烟草中,有效修复了五氯苯酚的污染。Kurumata等将表达硝基还原酶的大肠杆菌转入拟南介中,使之有效降解了三硝基甲苯。多氯联苯类化合物(PCBs)因其剧毒、致癌,分布广泛且不易降解,被认为是最难治理的环境污染物。研究表明含有高度氯化苯环的PCBs很难被植物和细菌所降解,具有更高PCBs降解效率的植物正处于寻找和发展阶段。不列颠哥伦比亚大学的Greg Fuhs等宣称已经发现了阻碍PCBs在自然环境中被微生物降解的关键步骤,通过改造将相关基因导入土壤微生物可以增强微生物降解PCBs的能力,并正在为最终获得具有降解PCBs能力的转基因植物做前期准备工作。更多转基因实例详见表2
2 降解有机污染物的转基因植物实例
基因
来源
目标
植物
功效
联苯氯苯基双加氧酶
良性前列腺增生菌
CYP1A1, CYP1A1,
CYP105A1
CYP2E1
CYP2B22, CYP2C49
CYP71A10
外二醇双加氧酶
谷光苷肽S-转移酶
γ-ECS
卤代烷脱卤素酶
漆酶
锰过氧化氢酶
硝基还原酶
伯克式菌B. xenovorans
丛毛单孢菌睾丸激素
人类
链霉菌属灰藤黄菌素
人类
野猪
大豆
地杆菌Terrabacter sp.
大豆
野荠菜
红球菌
杂色革盖菌
杂色革盖菌
大肠杆菌
菸草
烟草
水稻
烟草
烟草
水稻
烟草
拟南介
烟草
野荠菜
烟草
烟草
烟草
拟南介
4-氯联苯氧化
未研究
修复阿特拉津和西玛三嗪
抗磺胺尿素
氧化三氯乙烯和二溴乙烯
抗多种除草剂
抗苯脲类除草剂
降解2,3-二羟基联苯
抗甲草胺
增强了对阿特拉津的抗性
氯丁烷脱氯
修复双酚丙烷和五氯苯酚
修复五氯苯酚
吸收降解三硝基甲苯
 
植物品种的选择
植物品种的选择不仅要考虑其对污染区土壤和区域气候的适应,同时要考虑植物的生长速度、蒸腾量的大小和根系的发达程度。目前许多植物都已用于研究生物修复有机污染物,如:白杨、银合欢、羊毛草、黑麦草、印度芥菜、紫苜蓿及水稻等。转基因白杨用于植物修复是比较理想的,因为它们具有较高的生物量、扎根深并且对有机污染物和无机污染物都具有抗性。杂交杨树对TCE(三氯乙烯)的修复结果的研究表明,杂交杨树可有效吸收TCE,并且可把它降解成三氯乙醇、氯代酮,最后降解成二氧化碳。在转基因植物修复除草剂的研究中,许多学者建议使用农作物水稻,因其能有效降解除草剂,阻止除草剂进入人类的食物链危害人类身体健康。
用于转基因的理想植物应该是那些生命力旺盛、适应性强、对农杆菌介导法或基因枪轰击等转化法具有较强亲和性的植株。
 
田间试验和安全评估
田间试验和安全评估在转基因植物的发展中是两个不容忽视的重要参数。转基因植物用于生物修复的潜在好处已经得到了越来越多的认可,但是关于其安全与否的问题至今研究还不多。尽管转基因植物修复重金属的实验已有田间试验,但是用于降解有机污染物的田间试验还特别少。目前除了一些可降解除草剂的转基因植物,再没有其他可以用于商业用途、生物修复顽固有机污染物的转基因产品。转基因植物修复有机污染物伴随的危险因素有待于各国专家进一步的深层研究。目前需要证实降解产物的毒害作用远小于有机污染物自身,并且对于那些通过挥发方法处理污染物的措施要在其商品化之前严格计算排放量。另外,应避免转基因植物中的基因“逃逸”到农作物或其它植物中去,并且为了防止转基因植物被野生生物摄食,应尽量采用一些不适于食用的植物或将种植区隔离起来。
 
展望
全世界排名前十位用来改善人类健康的尖端生物技术中,生物去污已经占据一席之地。当今众多有机污染物如三氯乙烯、聚氯联二苯、多环芳烃、三硝基甲苯、三硝酸甘油酯等对人类的生存造成了严重威胁,植物修复技术因其可以有效降解这类有害物质所以备受关注。与其它修复方法相比,植物修复技术之所以受到大家的青睐,不仅是因为其较低的投入和其对环境的美化作用,更重要的是它非常适合一些大范围土壤污染区域的治理。但是植物修复也存在一些不足,比如:植物修复周期长;有时植物对某种污染物的去除可能不彻底会产生残留浓度,如果此残留浓度高于污染物的最大允许浓度,往往需要采用其它辅助修复方法;许多有机污染物,特别是持久性有机污染物在土壤中的生物降解机制还没有完全明了的问题等。针对这些问题,我们需要在以后的研究工作中抓住重点,有的放矢,通过转基因技术的日益成熟,使植物修复技术的发展步伐进一步加快,从而尽快解决全球的环境污染问题。
Tags: 责任编辑:椰子
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