现代生物技术与生态安全

摘 要：人类自身的不合理活动所释放的大量污染物不仅严重破坏了人类赖以生存的环境,而且危及到人类自身的健康和安全,制约着经济的发展.现代生物技术在防治污染、改善生态环境、缓解人类所面临的人口-资源-环境的矛盾与压力方面,正在并仍将扮演着不可或缺的角色.同时,由于现代生物技术存在着广泛、潜在而长期的危害及发展不平衡性,从而给人类赖以生存与发展的环境构成了巨大威胁和严峻挑战；它既危及到人类的环境安全,又削弱了可持续发展基础.本文分析了现代生物技术及其在环境中的应用和发展及其引起的生态安全问题,最后提出相应的解决方法.

现代生物技术亦即生物工程,是以生命科学为基础,利用生物（或其组织、细胞等）的特性和功能,设计、构建具有预期性能的新物质或新品系,以及与工程原理相结合,加工生产产品或提供怎么写作的综合性技术,它是以DNA分子技术为基础,包括微生物工程,细胞工程,酶工程,基因工程等一系列生物高新技术的总称.它虽诞生于20世纪70年代初,起步较晚,但其发展迅猛,且潜力巨大.为解决人类生存与发展所面临的粮食、健康、环境和能源等一系列重大问题开辟了广阔的前景,因而倍受各国政府和企业界的欢迎,并将其与信息、新材料和新能源技术并列为影响国计民生的四大科学技术支柱,是21世纪高新技术产业的先导.

现代生物技术是一把双刃剑,以基因工程为代表的现代生物技术的迅速崛起,在给人类解决环境与发展的矛盾带来新希望的同时,不仅对人类赖以生存的自然环境产生了巨大的威胁,且迅速渗透到政治、经济等各个领域,给国家或地区生态安全造成灾难性的影响.特别是在对其危害性认识不足或被人类滥用时,其潜在危险更难以预料,因而倍受世界的关注与忧虑.

一、现代生物技术及其在环境中的应用和发展

以现代生物技术手段治理环境,保护环境,就是利用生物过程处理物质包括废弃物在内的有毒有害物质.现代生物技术对于解决土壤以及水污染和处理垃圾等环保问题是一种经济效益和环境效益俱佳的有效手段之一.

与传统方法比较,生物技术治理方法具有许多优点.一是生物技术处理垃圾废弃物是降解破坏污染物的分子结构,降解的产物以及副产物,大都是可以被生物重新利用的,有助于把人类活动产生的环境污染减轻到最小程度,这样既做到一劳永逸,不留下长期污染问题,同时也对垃圾废弃物进行了资源化.二是生物技术是以酶促反应为基础的生物化学过程,而作为生物催化剂的酶是一种活性蛋白质,其反应过程是在常温常压和接近中性的条件下进行的,所以大多数生物治理技术可以就地实施,而且不影响其他作业的正常进行,与常常需要高温高压的化工过程比较,反应条件大大简化,设备简单,成本低廉,效果好,过程稳定,操作简便等优点.三是利用发酵工程技术处理污染物质的最终转化产物大都是无毒无害的稳定的物质,如二氧化碳、水、氮气和甲烷气体等,常常是一步到位,避免污染物的多次转移,因此生物技术又是一种消除污染的既安全又彻底的手段.生物技术作为一种高新技术,自从上个世纪80年代以来,便受到世界各国以及各大民间机构的高度重视,发展十分迅速,广泛应用于环境监测、工业清洁生产、工业废弃物和城市生活垃圾的处理、有毒有害物质的无害化处理等各个方面.

1.生物技术在环境监测的应用

1.1生物传感器和生物芯片

生物感传器和生物芯片是利用固定在载玻片、硅片、塑料片、尼龙膜等载体上的生物大分子（如DNA等）的分子杂交原理制成的辨认元件来监测目标的.通过检测信号系统将生物分子辨认过程中的物理或化学变化现象转化成生物电信号,再通过电子信号放大并由计算机软件处理,可以得到与生物转感器和生物芯片相对应的环境物质的监测结果.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.生物传感器由分子识别单元（敏感材料）和转换部分（换能器）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.由生物传感器与生物芯片构成的检测系统具有特异性、选择性、高灵敏度和速度快的特点.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、乙醇生物传感器和甲烷生物传感器等.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,在环境监测应用中有着诱人的前景.

1.2单细胞凝胶电泳

单细胞凝胶电泳是在细胞水平上检测核酸损伤的方法,比经典的染色体畸变实验、微核实验、姊妹染色体交换实验更灵敏.单细胞凝胶电泳是埋在琼脂糖凝胶中的细胞在中性或碱性条件下裂解与解旋后,带负电的核酸片断在电场中向阳极移动,在荧光下可观察到受损伤的核酸便形成形似夜空中的彗星图像.该实验对检测低浓度遗传毒物具有很高的灵敏性,被广泛应用于环境监测.

1.3DNA分析技术

目前在一些环境污染源分析中,采用辨认微生物DNA分子结构的方式,取代以往采用生物染色或是原子示踪技术,分析和辨认污染源的构成和污染物的来源.如利用特定菌种+,-序列设计特定性的核酸荧光探针,分析环境中存在的特异性污染物.DNA分析方法常在多种环境污染物联合作用分析中得到应用,用来判断环境中污染物的种群和数量（浓度）、来源.

通过制备特定菌种DNA序列的特定的核酸荧光探针来检测环境中的特异性污染物质,以此分析和辨认污染源的构成和污染物的来源.

1.4生物免疫检验

生物免疫检验是利用特定的生物的抗原或抗体的反应,检验分析环境物质的生物毒性.通过生物抗原体在环境中的特种变异来监测环境物质对环境的毒性影响和预测等,并建立防治的一般性方法；利用免疫分析的效感性、特异性、快速及应用的实效性、经济性等特点,逐步取代传统的环境化学分析方法和技术.该方法具有灵敏、特异、快捷、实用和经济等优点,而被广泛应用于环境污染物的监控.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、二恶英、抗菌素等污染物的酶联免疫分析方法,其中用于现场快速分析的酶免疫试剂盒已商品化.

1.5Ames实验

该试验为微生物致突变试验,不仅可以测定环境中化学污染物的致突变,而且可以推测该环境污染物潜在的致癌性.Ames实验是1975年美国加利福尼亚大学Ames教授发现鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型菌株具有发生回交致突变的性能,后来Ames教授发明了利用鼠伤寒沙门氏菌致突变性来检测物质致突变的方法.该方法经过数次修改已日趋完善,具有试验周期短、灵敏度高、待测物用量少,一次可同时利用千万计的细菌个体探测,易于操作,结果明确并能直接反映环境中多种污染物的联合效应等优点,是一种较好的环境潜在突变物的预警手段.

2.生物技术在污染治理中的应用

2.1生物膜技术

生物膜处理污染物是以大量好气性特定的微生物族群组成的生物膜为净化主体的水处理方法,根据介质与废水的不同接触方式有各种不同的处理装置与方法.由于生物膜法具有生物密度高且易于培养特定微生物族群、耐污能力强、动能消耗小,且不存在污泥回流和膨胀问题、运行管理方便等诸多特点,而被广泛运用在处理化工、食品、石油、印染、医药等行业的工业污水处理上.

2.2基因工程技术

在处理污染物的过程中,针对特定的污染物种类,利用基因工程技术（包括基因重组、原生质融合、克隆技术等）培养、驯化特定新型的高效工程菌应用于污染物处理.中科院武汉病毒研究所和成都生物研究所等科研单位联合攻关,已分离到数十种对污水具有高效降解和净化的菌株,反复对不同工业污染源和环境化学污染物的净化进行了分离、鉴定、特点和净化效率的深入研究,并结合环境工程技术进行了工艺设计研究与推广,已成功地将控制联苯代谢的基因转移到“666”降解菌细胞中并得到了表达；将分离的SB1菌运用于处理聚乙烯醇退浆液时,废水净化效果达到国家标准；筛选的染料脱色菌对印染废水中的各种色素物质除去率达95%,净化效率十分显著.如美国采用基因工程培育的“超级石油菌”,几小时内就可以降解自然菌需要1年时间降解的水上浮油.目前普遍在工业中采用的如用基因工程微生物处理原煤脱硫,工业废水中生物脱硫、脱酚；农作物秸秆还田秸秆分解菌的筛选和培育等.又如有人把4种检测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的三分之二的烃类,而用自然菌则需一年多时间.Chakabrty等将OCT质粒和抗汞MER同时转入恶臭检测单胞菌中,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.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）,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.

2.3发酵工程技术

在处理环境废弃物的过程中,根据不同的环境废弃物,选择不同的生物菌群,配合适当的环境条件,进行发酵处理,变废为宝,实现废物资源化.如利用微生物种群处理生活垃圾和农业废弃物进行的堆肥、沤肥处理；利用农业废弃物进行沼气发酵,参与沼气发酵的微生物都属于嫌气性有机营养细菌,如奥氏甲烷杆菌,甲烷八联球菌等等.中国科学院成都生物研究所经过多年的研究,分离、筛选、优化了一批高效基因工程菌以及微生物处理固体废弃物的新工艺、新技术,如城市有机垃圾处理技术,有机垃圾高速发酵处理技术,饮食垃圾发酵处理技术等.在城市垃圾生物技术处理方面目前有一种生物处理方法是先经过筛选,回收可再生资源后,引入具有特定功能的微生物（主要是一些能高效降解有机物质如纤维素、脂肪、蛋白质的微生物）进行好氧处理或厌氧发酵,加速发酵过程,同时还可以收集所产生的沼气.

二、现代生物技术与生态安全

生态安全（ecologicalsafety）是指一个生态系统的结构是否受到破坏,功能是否受到损害.生态安全的显著特性是生态系统所提供怎么写作的数量和质量的状态,其包含两重含义,一是生态系统自身是否安全；二是生态系统对人类是否安全,即生态系统所提供的怎么写作是否满足人类生存需要.生态安全是在环境与安全的交叉域上出现的一个新概念.它蕴含着：①与人类生存、发展息息相关的生态环境及自然资源免遭污染与破坏,或处于未面临污染破坏威胁的良好状态；②因环境污染和生态破坏（包括可再生资源的耗竭）而对人群健康、经济发展、国家及全球构成的威胁.生态安全的提出不仅反映了人类对由环境问题引起的安全问题以及安全问题所涉及的环境问题的深切关注,而且拓展了环境观和安全观的内涵.进入20世纪90年代以来,世界各国进一步认清了环境与发展的辩证关系,生态安全也扩展到经济、政治等众多领域.它不仅是指对当代人群健康和后代人的健康成长的危害,更主要的是指因环境污染与生态破坏而导致对世界和平与发展,对国家安全、经济安全,甚至对整个人类的生存和发展的不利影响.这种广义而综合的生态安全观正逐步为人们所理解和重视.

生态系统是一个动态平衡系统,有一定演替规律.生物技术的应用往往要引入新的或高密度生物群体,这对受纳系统的生态系统可能产生影响,其中有一部分是负面的凭目前的生物技术发展水平,还不能准确预测基因工程生物体及其代谢产物的表现形态和潜在危害,也难以提出针对性的防范措施.现代生物技术对生态系统的危害体现在下面几个方面：

1.对生物多样性的影响

由于转基因技术已经突破了传统的界、门的局限,可以使动植物、微生物甚至人类的基因进行相互转移,使转基因生物具有普通物种不具备的优势特征.若释放到环境,会改变物种间的竞争关系,破坏原有自然生态平衡,导致生物多样性的丧失.当这些转基因通过基因流逐渐在野生种群中定居后,就使得作物的野生亲缘种具有了获得选择优势的潜在可能性.这样作物本身及其野生亲缘种就有可能成为杂草.转基因作物对土壤生物多样性的影响最实质的问题就是转基因作物所造成的生态入侵问题.所谓生态入侵就是指外源生物引入本地区,种群迅速蔓延失控,造成其它土著种类濒临灭绝,并伴有其它严重危害的现象.生态入侵是一种不可逆的现象,它的危害除改变物种多样性,更为严重的是导致整个生态系统的崩溃.例如,转基因生物释放后,与野生种交配导致外源基因的扩散,改变物种原来基因组成,造成物质资源的混乱,某些野生品种因不具备竞争力而灭亡,最终威胁物种遗传多样性；同时转基因个体经人们定向改造,往往生长更快或抗病力、抗逆性增强,比其它物种更具适应性和竞争力,一旦释放到自然环境,就会破坏原有的种群生态平衡,改变生物群落的结构,影响生态系统的能量流动和物质循环.

2.基因污染

从细菌、动物或植物的一个物种中提取到一种基因通过各种方法转移并整合到其它一个物种中去,这就是重组DNA技术,也就是转基因技术.转基因生物中的外源基因通过例如花粉的传播（基因流）等途径又被转移到另外的生物体中,就会造成自然界基因库的污染,这种现象称为基因污染.基因污染发生的途径很多,可以由花粉通过风媒或虫媒进行传播,或者种子通过动物或在装卸、运输过程中无意扩散而传播.因此,基因污染往往不会仅局限于最初发生的地区,而会对环境造成蔓延性的灾难.野生植物通过抗除草剂基因受粉,也就完成了抗除草剂的基因改良,可能会变成“超级杂草”.这样非目标性的基因改良人类很难控制,其后果也很难预测.

3.产生有害生物,危害生物群落

转基因生物引入后可能会干扰生态系统的种群结构,如给蚜虫喂饲料转基因马铃薯后,天敌瓢虫死亡较早,生殖率降低38%,不能孵化率高出3倍,导致蚜虫大量繁殖而变得更为猖獗.转基因生物引入环境后可能加速有害生物进化,产生更加有害的生物.如Bt抗虫基因就有这种潜在可能性.同时有害生物中原先一些次要种可能上升成为主要种,改变生物种群物种的地位.并且,基因工程是一门新技术,目前的科学水平还不能精确地预测转基因生物可能产生的所有表现型效应,转基因生物在某些环境下可能具有良好的表现型效应,一旦被引入另一环境中可能产生不同表现型而对环境不利.如百慕大草（Cynodondactylon）在一些地区是重要的草皮草和饲料,而在美国的许多地方却是最不受欢迎的杂草之一.

三、中国的生物技术与生态安全

对中国这样的人口大国来说,人口-资源-环境-经济-社会的矛盾尤为尖锐,生存问题尤显重要.利用现代生物技术,提高农业产量和质量,对解决我国生存与发展以及可持续发展意义深远.但是,我国生物技术的研究和应用还很落后,还得依靠国外的技术与产品,这就使得我国面临经济安全和生物安全的双重威胁.加入WTO后,有更多的跨国公司涌入中国市场,推销其生物技术与产品,在满足研发和消费需求的同时,势必对我国的资源、环境、生态及社会经济的安全构成巨大的威胁和挑战.我国的环境问题已相当严重,人口众多和资源短缺,急需利用现代生物技术来防治环境污染和生态破坏,在保障环境安全的同时,综合高效地利用资源,以促进我国的可持续发展.因此,现代生物技术所带来的环境安全问题亟待引起高度重视和广泛关注.

四、对策

现代生物技术对人类环境已造成和存在潜在的灾害性影响,已经引起了世界各国政府、专家、普通民众和环保组织的关注.尽管如此,人们对现代生物技术与环境安全的机理、危害性、严重性等认识还不够.要避免现代生物技术造成环境生态灾难,应采取如下措施：

1.在加强生物技术研究、开发与应用的同时,重视跟踪研究和环境风险评测.风险的出现有长期滞后性,对转基因生物的环境安全问题必须进行长期、系统地研究,对生物技术进行评测,积极防范环境生态风险,防患于未然.利用科学手段评估生物技术的生态风险,目前看来,评估的研究多集中在：（1）转基因逃逸所造成的基因生物与其野生系缘种间基因的流动；（2）转基因生物释放引起的生态入侵这两个问题上.对于转基因微生物进行风险评估,首先要考虑的是转基因微生物中插入哪些DNA,该DNA的来源,功能及插入位置,其次是基因转移问题以及转基因微生物的适合度（包括它在环境中的适应能力,繁殖能力,竞争能力等）,第三是要避免转基因微生物对非目标生物造成危害,最后要考虑其对生态系统的能量流动和物质循环的影响,以及它对生物多样性可能造成了破坏.

2.建立有效的约束监督机制,加强如生物技术的研究、应用的立法,特别是加强生物技术环境生态风险的研究与评测方面的立法与监督.为预防和控制现代生物技术可能产生的各种风险,保护全球生物多样性和人类健康,联合国环境规划署和《生物多样性公约》秘书处从1994年开始组织制定“生物安全议定书”,并于1999年6月5日正式签署实施.2000年8月,中国政府也正式签署了《〈生物多样性公约〉的卡塔赫纳生物安全议定书》,并由国家环保总局牵头编制了《中国国家生物安全框架》,提出了我国生物安全管理体制、法规建设和能力建设方案.同时,各国政府也普遍认识到现代生物技术的潜在危害,并开始制定和完善相关法规.美国、欧盟、加拿大先后制定了有关法规,建立相应的管理机制；印度、埃及、印尼、巴西、智利等也都发布了管理法规.

3.加强宣传与教育,树立环境安全观.加强现代生物技术的宣传与教育,将生物技术的有关信息向公众公开,特别是其可能存在的环境风险,让公众广泛参与,进行监督与约束；帮助公众树立正确的环境意识和环境安全观,重视和防范转基因生物的环境风险,树立基因资源观和防范环境风险意识.

4.积极推动建立公正、公平、合理的国际政治和经济新秩序.由于现代生物技术发展的不平衡以及不合理的国际政治、经济旧秩序,使得在国际贸易与交往中,发展中国家与发达国家之间的发展严重失衡,有可能形成新的环境殖义和霸权主义.广大发展中国家只有团结起来,加强自身资源的开发与保护,并积极推动建立新的国际政治、经济新秩序,才能彻底地扭转这种局面.

总之,生物技术将成为21世纪高新技术中一项重要的技术,发展也会非常迅速.在发展现在生物技术的同时,重视生态安全也是重要的.