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现代生物技术与环境保护：现状和展望
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一、 前言
本世纪70年代以来，由于基因重组技术的发现和应用，一项以基因工程为核心的现代生物技术迅速崛起，并成为高新产业革命的重要标志之一。生物技术是利用有机体（从微生物直至高等动物、植物）或其组成部分（包括器官、组织、细胞或细胞器等）开发新产品或新工艺的一种体系或一门技术。现代生物技术已经成为人类彻底认识和改造自然，解决人类所面临的粮食、健康、能源、资源和生存环境等重大问题的重要手段和工具。现代生物技术在经历了第一次浪潮（侧重于高附加值产品，医药品等的研究开发）之后，迎来了第二次浪潮，即环境生物技术。
环境生物技术是由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科，是应用生物圈的某部分使环境得以控制，或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术。广义的环境生物技术涉及面很广，凡自然环境中涉及环境控制的一切与生物技术有关的技术，都可归为环境生物技术。包括环境中污染物的生物减少（Bioelimination），污染场地的生物修复（Bioremediation）和无害化、无污染生物产品如生物可降解材料的开发应用等等[1]。
二、 现代生物技术在环境保护领域中的应用
随着现代工农业的快速发展，农用化学物质的广泛应用，能源的大力开发以及都市化的进一步扩大，尤其是近年来乡镇企业的崛起，使环境中出现了许多化学性、物理性及生物性新物质，如转基因生物，酶制品。这些新物质可能对人类赖以生存的环境带来新的不良影响。污染物的复杂化，污染的愈趋严重及生物多样性的减少等环境问题的突现使得现代生物技术在环境保护领域的广泛应用成为必然。目前，现代生物技术在环保领域中的应用，大致表现在环境监测与评价、消除污染、能源资源的综合利用和挽救濒危物种，保护生物多样性四个方面。
1． 环境监测与评价
应用酶联免疫技术，PCR技术，电子显微技术，基因差异显示技术，生物传感器，基因探针，生物芯片等现代生物技术对环境进行监测与评价，是近年来国内外科学工作者研究的热点，研究报道也日益增多[2-4]。应用酶联免疫技术检测分析环境中的农药及其代谢物是90年代的一项新技术。目前，国内外已经开发出杀虫剂，杀菌剂，除草剂等农药以及多氯联苯，二噁英，抗菌素等污染物的酶联免疫分析方法[5]，其中用于现场快速分析的酶免疫试剂盒已商品化。此技术具有快速灵敏，费用低，特异性强和适于现场大量样品分析等优点。
应用PCR技术可检测土壤，水体和大气等环境中的致病菌与指示菌。Niedrhauser[3]等人利用PCR技术检测了食品中易导致人类脑膜炎的单核细胞生利斯特氏菌（Listeria monocytogenes）。应用PCR技术对该菌种的分析只需几个小时便可完成，大大缩短了分析周期（传统方法至少需10天时间）。不仅如此，PCR技术还可以跟踪检测环境中基因工程菌珠（GEMs），可以测定基因表达和根据基因序列的诊断来检测环境中特异性种群[6]。随着PCR技术不断发展，又相继建立了套式PCR，反向PCR及复式PCR等[7]。可以预见，PCR技术在检测水体，土壤等环境中的致病菌，指示菌及基因工程菌方面将发挥越来越大的作用。
近年来，利用生物传感器（biosensors）监测环境中的污染物，特别是现场监测，日益为人们所青睐。生物传感器是由分子识别单元（敏感材料）和转换部分（换能器）两部分构成，以分子识别部分去识别被测目标。根据敏感材料的不同相应地分为酶传感器，微生物传感器，细胞传感器和免疫传感器。目前，生物传感器已达到商业化应用水平的有：BOD生物传感器，氨生物传感器，亚硝酸盐生物传感器，乙醇生物传感器，甲烷生物传感器等[8-9]，使用生物传感器具有成本低，易制作，使用方便，测定快，省时等优点，在环境监测中的应用有着诱人的前景。
2． 消除污染，改善生态环境
现代生物技术在消除污染，改善生态环境方面常被采用。它包括环境污染物的生物减少和污染场地的生物补救或修复[10]。20世纪60年代初，Martin Alexnder[10]就人们对环境中农药的污染和残毒问题的关注而开展的农药在土壤中可降解性的研究，为后来生物技术在环保领域的应用打下了基础。70年代以来，可以说是生物技术快速发展的阶段，生物技术应用于环境污染治理也越来越广泛。这种势头一直延伸到今天。目前，生物技术在此领域的研究应用已朝着具有高效净化能力的微生物种类及菌株的寻找分离，筛选以及基因工程菌的人工构建方向迈进。通过基因工程方法，利用质粒DNA重组和质粒转化可以培育出对污染物具有抗性的生物。如有人把4种假单胞菌的基因组入到同一菌种中，创造了有超常降解石油能力的超级菌，几小时内能降解浮油中三分之二的烃类，而用自然菌需一年多时间[7]。Chakabrty等将OCT质粒和抗汞MER同时转入恶臭假单胞菌中，使其既能降解烷烃又可在含汞50-70mg/L的环境中生长，并能降解有机汞。美国科学家把一种细菌中具有分解除草剂2，4-D的基因转移到另一生长速度快的细菌体内，使得这种菌明显加快2，4-D的降解速度[11]。目前，通过生物技术，已培育出可降解石油及其衍生物如樟脑等，农药类如六六六，化工污染物尼龙低聚体和重金属如汞等的细菌。同时，转基因植物，特别是能超量吸收和累积重金属的超量累积植物（hyperaccumulator）[12]，也是当前研究开发的热点。应用植物修复不但可达到净化环境，美化环境，还可以通过采集进行处理和再利用。
3．开发清洁能源和资源及能源、资源的综合利用
对能源资源的依赖和使用，使人们预感不再生能源资源的有限性和潜在的危机，现代生物技术的发展为解决这一问题带来了新希望。今天，生物技术这一概念也扩展到消除有害物质和废弃物及这些物质的转化和再利用方面。象利用废弃物生产单细胞蛋白（SCP），纤维质原料生产酒精等。德国从木糖生产食用酵母，后来发展了从造纸工业的亚硫酸废液制造饲料酵母，年产量在15000万吨单细胞蛋白作为肉类代制品以补充蛋白质的不足。我国科学工作者利用味精废水生产热带假丝酵母单细胞蛋白，含蛋白达60%，产品用作饲料，效果与鱼料相同[1]。英国伦敦一家公司用硬脂噬热芽孢杆菌这种“工程菌”能够将废弃的稻草、玉米芯等废弃物转化为乙醇，并且效力明显高于酵母菌[13]。
新资源能源方面，我国中科院遗传所，中国农科院将降解除草剂三氮苯的基因转入大豆植株中，转基因大豆不再吸收环境中的三氮苯，利用这一技术可以生产绿色食品供人类安全食用。瑞士和美国科学家利用植物生理生化原理研制出新型太阳能电池。同时，海藻发电，生物絮凝剂，生物表面活性剂，PHAs，生物农药等其它新型能源资源也已经开发应用。
4．挽救濒临灭绝物种，保护生物多样性
生物多样性是指生物之间的多样化，变异性以及物种生境的生态复杂性，包括遗传基因多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次[14]。工业化以及现代技术的快速发展，造成了地球的巨大变化，这种变化引起许多物种正在被推向灭绝。然而，随着“克隆”技术的逐渐成熟，濒危物种得以延续，保护生物多样性是完全可行的。事实上，自从“多莉”羔羊诞生以来，许多科学家便着手克隆濒危物种，如我国中科院水生所，动物所科学工作者正分别为将来克隆白鳍豚和大熊猫作准备工作并取得阶段性成果。同时，现代生物技术将大大提高单位面积的农产品数量，减轻生物资源过度利用的压力，在很大程度上缓解了生物多样性的减少。
生物技术的发展会培育出抗病强的作物品种，不需要像传统品种那样多的农药和化肥，减轻了农业生产带来的环境污染对生态系统的影响。另外，以虫治虫，以草治草，以菌治菌等新型农业生物技术减少农药用量，也有利于生态系统生物多样性的维持。
三、现代生物技术对环境的潜在影响
一种新技术的出现对人类历史的发展往往产生前所未有的推动作用和深远的影响。同时也可能产生未知的后果或风险，尤其是当人类不能确保对技术的正确，有效地运用时，其造成的灾难将是令人触目惊心的，生物技术作为一种迅速发展起来应用于环境领域的高新技术，也不例外具有利弊双重性，在创造显著经济效益，社会效益和环境效益的同时，也存在环境安全性问题。事实上，生物技术确也曾对环境造成负面影响。如用雪花莲凝集素（GNA）基因的马铃薯喂大鼠，引起器官生长异常，破坏免疫系统的Pusztai事件，和普累克西普斑蝶食用转Bt基因玉米后引起44%死亡的斑蝶事件等。自70年代基因工程出现以来，生物技术活动本身及其产品对人类和环境的安全问题便引起人们的高度关注[15-16]，而基因工程更是争论的焦点。
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