Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Своими действиями человек вмешался в ход эволюционного развития жизни на Земле и разрушил независимое от человека существование биосферы. Но он не сумел отменить управляющие биосферой фундаментальные законы и освободиться от их влияния.

Возрождаясь после очередного катаклизма из сохранившихся очагов, приспосабливаясь и эволюционируя, жизнь, тем не менее, во все времена имела основное направление развития. Оно определялось законом исторического развития Рулье, согласно которому в рамках прогресса жизни и необратимости эволюции все стремится к независимости от условий среды. В историческом процессе такое стремление реализуется путем усложнения организации, выражающейся в нарастании дифференциации структуры и функций. Таким образом, на каждом очередном витке спирали эволюции появляются организмы с усложняющейся нервной системой и ее центром — головным мозгом. Ученые-эволюционисты XIX в. назвали это направление эволюции «цефализацией» (от греческого «цефалон» — мозг) Однако цефализация приматов и усложнение их организма в конечном итоге поставили человечество как биологический вид на грань исчезновения согласно биологическому правилу ускорения эволюции, по которому усложнение биологической системы означает сокращение средней продолжительности существования вида и возрастание темпов его эволюции. Например, средняя продолжительность существования вида птиц составляет 2 млн. лет, млекопитающих — 800 тыс. лет, предковых форм человека — 200-500 тыс. лет. Современный подвид человека существует, по некоторым представлениям, всего от 50 до 100 тыс. лет, но многие ученые считают, что его генетические возможности и резервы исчерпаны (Длексеенко, Кейсевич, 1997).

На путь, усиливающий конфронтацию с биосферой и ведущий к катастрофе, предки современного человека ступили примерно 1.5-3 млн. лет тому назад, когда впервые начали пользоваться огнем. С этого момента пути человека и биосферы разошлись, началось их противостояние, итогом которого может явиться коллапс биосферы или исчезновение человека как вида.

Отказаться от чего-либо из достижений цивилизации, даже если они гибельны, человечество не может: в отличие от животных, использующих лишь возобновляемые источники энергии, причем в количествах, адекватных способности биосферы к самовоспроизведению биомассы, человечество может существовать, используя не столько возобновляемые, сколько не возобновляемые энергоносители и источники энергии. Новые изобретения в данной области только усиливают это противостояние.

Одним из новейших направлений использования трансгенных растений является их применение для фиторемедиации — очистки почв, фунтовых вод и т.п. — от загрязнителей: тяжелых металлов, радионуклидов и других вредных соединений.

Загрязнение окружающей среды природными веществами (нефтью, тяжелыми металлами и т.д.) и синтетическими соединениями (ксенобиотиками), часто токсичными для всего живого, год от года усиливается. Как предотвратить дальнейшее зафязнение биосферы и ликвидировать его существующие очаги? Один из выходов — использование генных технологий. Например, живые организмы, прежде всего микроорганизмы. Этот подход получил название «биоремедиация» — биотехнология, направленная на защиту окружающей среды. В отличие от промышленных биотехнологий, главная цель которых — получить полезные метаболиты микроорганизмов, борьба с загрязнениями неизбежно связана с   «выпуском»   микроорганизмов в окружающую  среду,  что требует углубленного понимания их взаимодействия с нею. Микроорганизмы производят биодеградацию — разрушение опасных соединений, не являющихся для большинства из них обычным субстратом. Биохимические пути деградации сложных органических соединений могут быть весьма протяженными (например, нафталин и его производные разрушаются под действием дюжины разных ферментов).

Деградацию органических соединений у бактерий чаще всего контролируют плазмиды. Их называют плазмидами деградации, или D-плазмидами. Они разлагают такие соединения, как салицилат, нафталин, камфора, октан, толуол, ксилол, бифенил и тд. Большинство D-плазмид выделено в почвенных штаммах бактерий рода псевдомонад (Pseudomonas). Но есть они и у других бактерий: Alcalkjenes, Flavobacterium, Artrobacter и тд. У многих псевдомонад обнаружены плазмиды, контролирующие устойчивость к тяжелым металлам. Почти все D-плазмиды, как говорят специалисты, конъюгативны, т.е. способны самостоятельно переноситься в клетки потенциального реципиента.

D-плазмиды могут контролировать как начальные этапы разрушения органического соединения, так и полное его разложение. К первому типу относится плазмида ОСТ, контролирующая окисление алифатических углеводородов до альдегидов. Содержащиеся в ней гены управляют экспрессией двух ферментов: гидроксилазы, переводящей углеводород в спирт, и алкогольдегидрогеназы, окисляющей спирт в альдегид. Дальнейшее окисление осуществляют ферменты, за синтез которых «отвечают» гены хромосом. Впрочем, большинство D-плазмид принадлежат ко второму типу.

Устойчивые к ртути бактерии экспрессируют ген mеr А, кодирующий белок переноса и детоксикации ртути. Модифицированную конструкцию гена mеr А использовали для трансформации табака, рапса, тополя, арабидопсиса. В гидропонной культуре растения с этим геном извлекали из водной среды до 80% ионов ртути. При этом рост и метаболизм трансгенных растений не подавлялись. Устойчивость к ртути передавалась в семенных поколениях.

При интродукции трех модифицированных конструкций гена mеr А в тюльпанное дерево (Liriodendron tulipifera) растения одной из полученных линий характеризовались быстрым темпом роста в присутствии опасных для контрольных растений концентраций хлорида ртути (HgCI2). Растения этой линии поглощали и превращали в менее токсичную элементарную форму ртути и испаряли до 10 раз больше ионной ртути, чем контрольные растения. Ученые полагают, что элементарная ртуть, испаряемая трансгенными деревьями этого вида, будет тут же рассеиваться в воздухе.

Тяжелые металлы — составная часть загрязнителей земель, используемых в сельскохозяйственном производстве. В случае с кадмием известно, что большинство растений накапливают его в корнях, тогда как некоторые растения, такие как салат-латук и табак, накапливают его в основном в листьях. Кадмий поступает в почву главным образом из промышленных выбросов и как примесь в фосфорных удобрениях.

Одним из подходов к снижению поступления кадмия в организм человека и животных может быть получение трансгенных растений, накапливающих меньшее количества этого металла в листьях. Данный подход представляет ценность для тех видов растений, листья которых используют в пищу или для корма животным.

Можно также использовать металлотионеины — небольшие богатые цистеином белки, способные связывать тяжелые металлы. Показано, что металлотионеин млекопитающих является функциональным в растениях. Получены трансгенные растения, экспрессирующие гены металлотионеинов, и показано, что эти растения были более устойчивыми к кадмию, чем контрольные.

Трансгенные растения с hMTII геном млекопитающих имели на 60-70% ниже концентрацию кадмия в стеблях по сравнению с контролем, и перенос кадмия из корней в стебли также был снижен — только 20% поглощенного кадмия было транспортировано в стебли.

Известно, что растения аккумулируют тяжелые металлы, извлекая их из почвы или воды. На этом свойстве основана фиторемедиация, подразделяемая на фитоэкстракцию и ризофильтрацию. Под фитоэкстракцией понимают использование быстрорастущих растений для извлечения тяжелых металлов из почвы. Ризофильтрация — это абсорбция и концентрация корнями растений токсичных металлов из воды. Растения, вобравшие в себя металлы, компостируют либо сжигают. Растения заметно различаются по аккумулирующей способности. Так, брюссельская капуста может накапливать до 3,5% свинца (от сухого веса растений), а ее корни — до 20%. Это растение успешно аккумулирует также медь, никель, хром, цинк и тд. Фиторемедиация перспективна и для очистки почвы и воды от радионуклидов. А вот токсичные органические соединения растениями не разлагаются, здесь перспективнее использовать микроорганизмы. Хотя некоторые авторы настаивают на снижении концентрации органических загрязнений при фиторемедиации, разрушают их в основном не растения, а микроорганизмы, обитающие в их ризосфере.

Симбиотическому азотфиксатору люцерны Rhlzobium melitotj был встроен ряд генов, осуществляющих разложение бензина, толуина и ксилена, содержащихся в горючем. Глубокая корневая система люцерны позволяет очищать почву, загрязненную нефтепродуктами, на глубину до 2-2.5 метров.

Следует помнить, что большая часть ксенобиотиков появилась в окружающей среде в последние 50 лет. Но в природе уже существуют микроорганизмы, способные к их утилизации. Это говорит о том, что в популяциях микроорганизмов достаточно быстро происходят генетические события, определяющие их эволюцию точнее, микроэволюцию. Поскольку ксенобиотиков в связи с нашей техногенной цивилизацией становится все больше, важно иметь общее представление о метаболизме микроорганизмов, и об их метаболических возможностях. Все это потребовало развитие новой науки — метаболомики. Основана она на том, что бактерии могут приобретать способность к переработке новых соединений в результате мутаций. Как правило, для этого требуется несколько последовательных мутаций или встройка новых генных систем из уже существующих у других видов микроорганизмов. Например, для разложения устойчивого галогенорганического соединения нужна генетическая информация, находящаяся в клетках разных микроорганизмов. В природе такой обмен информацией происходит за счет горизонтального переноса генов, а в лабораториях используются методы ДНК-технологий, взятые из природы.

Дальнейшее развитие фито- и биоремедиации — это комплексная проблема, связанная, в частности, с использованием растений и ризосферных микроорганизмов. Растения будут с успехом извлекать из почвы тяжелые металлы, а ризосферные бактерии — разлагать органические соединения, повышая эффективность фиторемедиации, способствуя росту растений, а растения — развитию обитающих на их корнях микроорганизмов.

Загрязнение окружающей среды можно считать заболеванием экосистем, а биоремедиацию — лечением. Ее следует рассматривать и как профилактику многочисленных заболеваний человека, вызываемых загрязнением среды. По сравнению с другими методами очистки, этот гораздо дешевле. При рассеянных загрязнениях (пестициды, нефть и нефтепродукты, тринитротолуол, которым загрязнены многочисленные земли), ему нет альтернативы. В очистке окружающей среды от загрязнений важно правильно выделить приоритеты, минимизируя риски, связанные с тем или иным загрязнением, и учитывая свойства конкретного соединения и его влияние прежде всего на здоровье человека. Необходимы законодательные акты и правила, регламентирующие интродукцию в окружающую среду ГМ микроорганизмов, с которыми связаны особые надежды на очистку от любых загрязнителей. В отличие от промышленной биотехнологии, где можно строго контролировать все параметры технологического процесса, биоремедиация проводится в открытой системе, где такой контроль затруднен. В известной мере это всегда «ноу-хау», своего рода искусство.

В полной мере преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать, когда после катастрофы танкера 5000 м3 нефти вылилось в море у берегов Аляски. Около 1,5 тыс. км береговой линии оказалось загрязнено нефтью. К механической очистке привлекли 11 тыс. рабочих и разнообразное оборудование (это обходилось в 1 млн долл. в день). Но был и другой путь: параллельно для очистки берега в почву вносили азотное удобрение, что ускорило развитие природных микробных сообществ. Это в 3-5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, могли сказываться и через 10 лет, полностью устранили за 2 года, затратив на биоремедиацию менее 1 млн долл.

Развитие биоремедиации, технологий и способов ее применения требуют междисциплинарного подхода и сотрудничества специалистов в области генетики и молекулярной биологии, экологии, и других дисциплин. Таким образом, направления использования генной инженерии очень разнообразны и обширны, а некоторые из них фантастичны и в то же время весьма перспективны по достижимости результатов.

Исследование реакции живых организмов на изменения окружающей среды чрезвычайно важно для оценки влияния этих изменений, особенно имеющих антропогенное происхождение, на биоразнообразие, сохранение которого является важнейшей задачей человеческой цивилизации.

По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), потенциальный рынок биоремедиации составляет более 75 млрд долл. Ускоренное внедрение биотехнологий для защиты окружающей среды вызвано, в частности, тем, что они гораздо дешевле других технологий очистки. По мнению ОЭСР, биоремедиация имеет локальное, региональное и глобальное значение, и для очистки будут все шире применять как природные организмы, так и ГМО.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Похожие главы из других книг

Ошибки вследствие непредсказуемости или «недоброжелательности» окружающей среды

Из книги Расширенный фенотип [Дальнее влияние гена] автора Докинз Клинтон Ричард

Ошибки вследствие непредсказуемости или «недоброжелательности» окружающей среды Хотя животное может быть хорошо приспособлено к условиям внешней среды, но эти условия нужно расценивать как нечто среднее. Обычно невозможно подстроиться под каждое мелкое


Глава четвертая Изучение окружающей среды

Из книги Голая обезьяна автора Моррис Десмонд

Глава четвертая Изучение окружающей среды У всех млекопитающих сильно развита исследовательская жилка. Некоторым их них любопытство свойственно в большей степени, чем остальным животным. Это в основном зависит от того, насколько они специализировались в процессе


Глава 1 Медицина через призму экологии окружающей среды

Из книги Фармацевтическая и продовольственная мафия автора Броуэр Луи

Глава 1 Медицина через призму экологии окружающей среды В 1991 г. мне был вручён Международный сертификат по экологии человека, который подтверждён университетами Экса, Марселя, Бордо, Брюсселя, Эвора, Женевы, Падуи, Парижа и Тулузы. Тема моей научной работы — «Врачи и


Экология окружающей среды: социальный фактор — медицина, профессия на грани кризиса, причины

Из книги Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы автора Глазко Валерий Иванович

Экология окружающей среды: социальный фактор — медицина, профессия на грани кризиса, причины Именно терапевты, хирурги, биологи, представители производственной медицины — все они несут ответственность за здоровье населения и поддерживают особые отношения не только


Глава 4 Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия

Из книги Экология автора Митчелл Пол

Глава 4 Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия Организм любого индивидуума в период своего формирования подвергается прямому или косвенному воздействию всех химических субстанций, которые он употребляет в своей повседневной деятельности. Они


Проблема голода и генные технологии — есть ли альтернатива для человечества?

Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович

Проблема голода и генные технологии — есть ли альтернатива для человечества? «Зеленая революция» Предшественницей биотехнологической революции, основанной на генно-хромосомных манипуляциях у растений, была зеленая революция. Она завершилась 30 лет назад и впервые


ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Из книги Путешествие в страну микробов автора Бетина Владимир

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Земля испытывает на себе все возрастающее воздействие со стороны человека. Это выражается в изменениях климата, состава атмосферы, а также в уменьшении биологического разнообразия. В основе этих перемен лежит рост численности


3.7. Вредное влияние мутагенов, алкоголя, наркотиков, никотина на генетический аппарат клетки. Защита среды от загрязнения мутагенами. Выявление источников мутагенов в окружающей среде (косвенно) и оценка возможных последствий их влияния на собственный организм. Наследственные болезни человека, их п

Из книги Читая между строк ДНК [Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем] автора Шпорк Петер


Антибиотики в борьбе с голодом

Из книги Мозг, разум и поведение автора Блум Флойд Э

Антибиотики в борьбе с голодом Антибиотики являются одним из важных средств для создания пищевых запасов. Некоторые из них оказывают важные услуги в борьбе с микробами — вредителями растений. В животноводстве они служат лечебными средствами при инфекционных болезнях


2 Влияние окружающей среды: почему у нас есть власть над собственным геномом

Из книги Дикий мир нашего тела. Хищники, паразиты и симбионты, которые сделали нас такими, какие мы есть автора Данн Роб

2 Влияние окружающей среды: почему у нас есть власть над собственным геномом Метаморфоза Когда мне было 13 или 14 лет, я принес в детскую биологическое чудо. На соседской живой изгороди я нашел гусеницу бражника сиреневого. Она была толстой и мясистой, чуть длиннее моего


Глава 1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ — ТЕХНОЛОГИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Из книги Растения и чистота природной среды автора Артамонов Вадим Иванович

Глава 1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ — ТЕХНОЛОГИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ Общие и эволюционные аспекты физиологии в этой книге будут рассмотрены как своеобразные естественные технологии живых систем. Эта точка зрения многим покажется странной, так как технология — одна из


Пластичность головного мозга: воздействие окружающей среды

Из книги автора

Пластичность головного мозга: воздействие окружающей среды У новорожденного ребенка мозг примерно вчетверо меньше, чем у взрослого человека. Размеры нейронов мозга увеличиваются, а характер нервных связей и сетей усложняется по мере роста ребенка, его общения с людьми


Глава 10 От бегства к борьбе

Из книги автора

Глава 10 От бегства к борьбе В случае с Бахул жители деревни решили бороться. Но сделали они это только после того, как в их деревню приехал Джим Корбетт. Корбетт тогда был совсем молодым человеком, почти мальчиком, но он пришел в деревню, чтобы убить тигрицу. Он хотел


Глава 2. Растения — индикаторы загрязненности окружающей среды

Из книги автора

Глава 2. Растения — индикаторы загрязненности окружающей среды В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды (Израэль, 1979), составной частью которого должен быть биологический мониторинг, осуществляемый на станциях


Глава 3. Роль растений в детоксикации вредных загрязнителей окружающей среды

Из книги автора

Глава 3. Роль растений в детоксикации вредных загрязнителей окружающей среды Определить с помощью растений степень загрязненности воздуха и воды вредными веществами — значит решить только часть проблемы охраны окружающей среды. Каким образом можно избавиться от