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

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

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。自从20实际50年代以来，由于细胞工程，发酵工程等的发展，对基因工程的要求愈来愈高，目前，基因工程技术已经成为处理废水的一项重要技术，并不断发展。

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。由于工业的发展,重金属的使用越来越广泛,伴随而来的重金属污染问题也日趋严重。特别是重金属废水,因其中的铅、铬、镉等可通过食物链最终在生物体内累积,破坏正常的生理代谢活动甚至产生“三致”(致癌、致畸、致突变)作用,而成为一种对生态环境危害极大的工业废水。因此,寻找一种能有效地治理重金属废水污染的技术已显得紧迫而重要。治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[2]: (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。

1. 基因工程技术在微生物治理重金属废水中的应用

运用基因工程技术构建具有高效降解能力的菌株是目前的研究热点，国内外学者均进行了大量研究，主要致力于应用基因工程技术，在微生物表面表达特异性金属结合蛋白或金属结合肽进而提高富集容量，或在微生物细胞膜处表达特异性金属转运系统的同时，在细胞内表达金属结合蛋白或金属结合肽，从而获得具有高富集容量和高选择性的高效菌株。构建出的菌株处理能力均显著提高，高选择性重组菌的构建使得废水中重金属的再资源化成为可能[9]。由于人们对大肠杆菌的认识较深入，且其具有致病性弱，对生长环境要求不高，易于检查和培养的优点，适于作污水处理菌。

由于人们对大肠杆菌的认识较深入，且其具有致病性弱，对生长环境要求不高，易于检查和培养的优点，适于作污水处理菌。目前研究中多以大肠杆菌为受体菌，运用基因重组技术构建出多种高效菌株。Deng 等构建的基因重组菌 E.coli JM10，在含镍废水的处理试验中，对 Ni2+富集能力比原始菌株增加了6 倍多。Zhao 等[12]的研究表明，基因工程菌 E.coli JM109较宿主菌具有更强的 Hg2+耐受性和更

高的 Hg2+富集量，去除率达 96%以上。

邓旭等研究了转MT-like 基因衣藻对不同重金属离子的抗性和对 Cd2+富集行为，结果表明，转基因衣藻对 Pb2+、Zn2+和Cd2+三种重金属离子的抗性得到明显增强，其中以对Zn2+的抗性增强最为显著。转基因藻对 Cd2+的富集能力经 MT-like 蛋白表达后较野生藻细胞有较大增加，最大达到 144.48μmol/g ，为野生藻的 8.3 倍。曾文炉等以转 mMT-Ⅰ聚球藻 7002 为对象，研究了其在含 Cd2+、Pb2+和 Hg2+的培养基中的生长特性及其对重金属的净化性能，结果表明，无论从生长速率还是对重金属的耐受特性来看，转 mMT-Ⅰ聚球藻 7002 均明显优于野生藻。

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。

X.Deng等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。

袁建军等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 生物化学法

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SO2-4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。 2.2 生物絮凝法

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[7]。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。

Masaaki Terashima 等[8]利用转基因技术使 E.coli表达麦芽糖结合蛋白（pmal）与人金属硫蛋白（MT）的融合蛋白pmal-Ml并将纯

化的 pmal-MT 固定在Chitopeara 树脂上，研究其对 Ca2+和 Ga2+的吸附特性，该固定了融合蛋白的树脂具有较强的稳定性，并且其吸附能力较纯树脂提高十倍以上。 3 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]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

[3]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 [4]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

[5] 邓旭，魏斌，胡章立.转基因衣藻对重金属的抗性及对镉离子的富集[J]，生物技术，2007，17（6）：66-68.

[6] 王里奥，崔志强，钱宗琴，等.微生物固定化的发展及在废水处理中的应用[J].重庆大学学报（自然科学版）, 2004，27（3）：125-129. [7] 徐雪芹，李小明，杨麒，等.固定化微生物技术及其在重金属废水处理中的应用 [J]. 环境污染治理技术与设备，2006，7（7）：99-105.

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