ГМО - біоремедіація

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

РЕФЕРАТ

ГМО - БІОРЕМЕДІАЦІЯ

Виконав:

студент групи ЕО-11

Плавайка Максим

Перевірила:

Вронська Н.Ю.

Львів

2016

Забруднення навколишнього середовища як природними речовинами (нафтою, важкими металами, радіонуклідами тощо), так і синтетичними сполуками (ксенобіотиками - пестицидами, хімічними реагентами промисловості, всіляким пластиком і т.д.), - часто токсичними для всього живого, рік від року посилюється. Один з виходів - використання живих організмів, перш за все мікробів і рослин, для очищення. Цей підхід отримав назву «Біоремедіація».

Фіторемедіація (використання рослин) перспективна для очищення грунту і води від важких металів і радіонуклідів. А ось токсичні органічні сполуки рослинами не розкладаються, тут перспективніше використовувати мікроорганізми. Мікроби виробляють біодеградацію - руйнування небезпечних сполук. Біохімічні шляху деградації складних органічних сполук можуть бути вельми протяжними: наприклад, нафталін і його похідні руйнуються під дією ланцюжка реакцій з 12 етапів, кожен під контролем відповідних ферментів.

Рослина очищають навколишнє середовище різними способами. Основні з них:

1.різофільтрація - коріння всмоктують воду і хімічні елементи необхідні для життєдіяльності рослин;

2.фітоекстракція - накопичення в організмі рослини небезпечних забруднень (наприклад, важких металів);

3.фітоволатілізація - випаровування води і летючих хімічних елементів (As, Se) листям рослин:

4.фітотрансформація:

4.1.фітостабілізація - переклад хімічних сполук в менш рухому і активну форму (знижує ризик поширення забруднень);

4.2. фітодеградація - деградація рослинами і симбіотичних мікроорганізмами органічної частини забруднень;

4.3. фітостимуляція - стимуляція розвитку симбіотичних мікроорганізмів, які беруть участь в процесі очищення.

Так, брюссельська капуста може накопичувати до 3,5% від сухої ваги свинцю, а її коріння до 20% !! Ця рослина акумулює також мідь, нікель, хром, цинк.

Інше питання, куди і як дівати цю рослинну «губку», що ввібрала в себе стільки гидоти?! Рослини, що увібрали в себе метали, зазвичай компостують і спалюють, а залишки підлягають захороненню в спеціальних ізольованих храніліщах. Це дорого і важко.

Деградацію органічних отрут виробляють більше бактерії, ніж рослини. Вони розкладають такі сполуки як нафтопродукти, саліцілат, нафталін, камфора, октан, толуол, ксилол, біфеніл, метіленхлорід, детергенти, креозот і т.д. А у бактерій роду псевдомонад виявлені також плазміди, що контролюють стійкість і до важких металів.

Коли після катастрофи танкера біля берегів Аляски вилилося близько 5 тис т. нафти, було забруднено близько 1500 км берегової лінії. До очищення залучили 11 тис. робітників з різноманітним обладнанням, що обходилося в 1 млн. дол. в день. Паралельно для очищення берега в грунт вносили азотні добрива, що різко прискорило розвиток природних мікробних спільнот і в 5 разів розкладання ними нафти. В результаті забруднення, яке повинно було отруювати берег до 10 років, повністю усунули за 2 роки, витративши на це менше 1 млн.дол. Ось така ефективність цієї самої біоремедіаціі.

Одним з новітніх напрямків використання трансгенних рослин є їх застосування для фіторемедіаціі - очищення ґрунтів, ґрунтових вод від забруднювачів. Гени беруться найчастіше з плазмід (внутрішньоклітинні освіти з власної ДНК) бактерій. Стійкі до ртуті бактерії екпрессіруют плазмідний ген Мер-A, який кодує білок транспорту та детоксикації ртуті. Модифіковану конструкцію цього гена вже використовували для трансформації тютюну, ріпаку, тополі, арабідопсіса. У гідропонній культурі рослини з цим геном витягували з водного розчину до 80% (!!) іонів ртуті. При цьому зростання і метаболізм трансгенних рослин не придушувалися. Стійкість до ртуті передавалася ними в насіннєвих поколіннях.

При інтродукції цього гена в тюльпанове дерево, отримана лінія, яка характеризувалася швидким темпом зростання в присутності небезпечних для контрольних рослин концентрацій хлориду ртуті (HgCl 2). Рослини цієї лінії поглинали ці іони, перетворювали їх у багато разів менш токсичну - елементарну форму ртуті, - і випарювали її в повітря, в кількостях в 10 разів більше, ніж контрольні рослини.

Вченим з Вашингтонського Університету вдалося створити сорт генетично модифікованого тополі, який здатний руйнувати деякі високотоксичні промислові речовини, включаючи хлороформ, бензол, трихлоретилен, що забруднюють навколишнє середовище, шляхом їх перетворення в нешкідливі продукти: в воду, вуглекислий газ і нешкідливі солі. Результати лабораторних досліджень показали, що ГМ тополі в 100 разів краще видаляють з грунту трихлоретилен, ніж їх природні побратими. Генетично модифіковані дерева також були здатні вловлювати токсичні речовини з повітря і потім розкладати їх до безпечних метаболітів в своєму листі.

Кадмій надходить в грунт головним чином з промислових викидів і як домішка в фосфорних добривах. У випадку з кадмієм відомо, що більшість рослин накопичують його в коренях, тоді такі як салат-латук і тютюн в основному в листі, які і використовуються людьми. Для боротьби з ним можна використовувати металлотіонеінов - білки тварин, багаті амінокислотою цистеїном, здатні зв'язувати важкі метали. Вже отримані трансгенні рослини, які експресують гени металлотіонеінов, більш стійкі до кадмію, ніж вихідні. біоремедіація метал нафтопродукт рослина

Фітохелатіни, поліпептиди, що зв'язують важкі метали, синтезуються фермент фітохелатін-синтазою (PCS). Отримано рослини тютюну з підвищеною стійкістю до кадмію і його накопиченню шляхом ефектів підвищеної експресії AtPCS1 і CePCS-генів. В даному дослідженні проводилося порівняння в ГМ-тютюні різних спроб активізації генів. Поряд зі стійкістю отримали і понад-сприйнятливість, яку можна використовувати в моніторингу як рослини-індикатори.

Симбіотичного з люцерною бактерії-азотфіксаторов Rhizobium meliloti був вбудований ряд генів, які здійснюють розкладання бензину, толуіна і ксиліт, що містяться в пальному. Глибока коренева система люцерни дозволяє тепер очищати грунт на глибину 2,0-2,5 м.

Отже, Біоремедіація стає на порядок ефективніше в боротьбі проти важких металів і нафтопродуктів при використанні ГМ рослин і мікробів. Наступна гігантська проблема - забруднення навколишнього середовища нерозпадаючими пластмасами: поліетиленом, поліпропіленом і т.д. З метою поступового заміщення нафтопродуктів, що використовуються для виробництва пластмас і поліестерів, цукровмісної рослинної біомасою, всі найбільші хімічні концерни співпрацюють з біотехнологічними компаніями з метою розробки ферментів, здатних розщеплювати рослинні полісахариди (целюлозу, крохмаль).

Біотехнологія забезпечує нам можливість заміщення вироблених на основі нафтопродуктів пластмас на біополімери, сировиною для виробництва яких є сільськогосподарська біомаса.

У 2001 році компанія Каргілл Дау (Cargill Dow) відкрила в Блера, штат Небраска, біопереробних завод з виробництва з містяться в кукурудзі цукрів поліоксіпропіоновой кислоти (PLA) - біорозкладального полімеру, придатного для виробництва пакувальних матеріалів, одягу та постільних речей. Собівартість і ефективність цього виробництва можна порівняти з відповідними параметрами виготовлення пластмас і поліестеру з нафтопродуктів.

Аналогічний біополімер розробили фахівці компанії DuPont, з кукурудзяного цукру вони виробляють високоякісної полімер сорон (Sorona). Волокна з сорон використовуються для виготовлення одягу.

Дослідники також створили генетично модифіковані рослини і бактерії, які синтезують полігідроксібутірат - сировина для виробництва біоруйнівної пластмаси. І, нарешті, завдяки біотехнології, стало можливим масштабне виробництво за допомогою мікробної ферментації природних білкових полімерів, в тому числі павутини і клейких речовин, синтезованих вусоногими раками і мідіями.

Ще одним глобальним фактором забруднення біосфери є використання викопного палива (нафта, газ, вугілля, торф) в транспорті та енергетиці. Це призводить до насичення атмосфери т.зв. «Парниковими газами» - вуглекислим газом СО2 і метаном.

Якщо в Китаї (світовому лідеру в цьому), Індії та інших, сільгоспвідходи (гній, компост і т.п.) утилізуються з метою отримання біогазу (метану), який збирається і спалюється, то в США, Бразилії, Канаді, Австралії, Німеччини, Швеції спеціально вирощують сільгоспкультури для виробництва паливних етанолу і рослинних олій: кукурудзу, цукровий очерет, сою, рапс, соняшник. У Бразилії (басейн Амазонки) розширюються площі під цукровою тростиною і маніокою для виробництва біоетанолу. З цією ж метою розпочато розробку природних заростей чорного верболозу, що займає більше 6 млн. га. За ці культури вже взялися біотехнологи з метою підвищити енерговиробництво.

Одним з найбільш перспективних поновлюваних джерел енергії стає біомаса. Причому, поряд з удосконаленням її методів прямого спалювання, широке застосування отримують процеси биоконверсии - отримання спиртів, метану, масел і навіть водню.

Тут головним стає коефіцієнт енерговіддачі (співвідношення сумарного енергетичного еквівалента рослинної продукції до витрат на її виробництво). Порівняйте: цукрові буряки - 1,3; кормові трави - 2,1; ярий ріпак - 2,6; пшенична солома - 2,9; кукурудза і озимий ріпак - близько 5 !!

Нові «енергетичні» ГМ-рослини розробляються саме в напрямку підвищення цього коефіцієнта.

У зв'язку з цим, особливу увагу привернули так звані нафтоносні рослини - різні види молочаев, що містять латекс, терпени якого наближаються за своїми характеристиками до високоякісної нафти. Врожайність їх сухої маси досягає до 20 т / га, а вихід нефтеподобного продукту -65 барелів / га. Це в умовах Каліфорнії з її 400 мм опадів на рік. Щоб отримати стільки палива з зерна - треба його мати 460 ц / га, тобто в 20 (!) разів більше. Коефіцієнт енерговіддачі просто зашкалює !!

Майкл Сайберт з американської національної лабораторії відновлюваної енергії (Національна лабораторія поновлюваних джерел енергії - NREL) працює над молекулярної переробкою морських водоростей з тим, щоб вони могли виробляти водень в промислових обсягах. Раніше фахівці вже показали можливість отримання водню за допомогою бактерій. Вчені повідомляють, що водень - один з продуктів ланцюжка реакцій фотосинтезу у водоростей. За допомогою впроваджених бактеріальних ферментів вже вдалося виділити його окремо. Однак для того, щоб цінне паливо можна було викачувати у великій кількості, потрібно розібратися зі взаємозв'язком потрібних для отримання водню реакцій і ферменту «гидрогеназу». Після наступної корекції, вони будуть виробляти водень в десять разів інтенсивніше, ніж зараз - вважає Сайберт.

Забруднення навколишнього середовища можна вважати захворюванням екосистем, а Біоремедіація - лікуванням, тоді нові, згадані тут, ГМО - ліками! У порівнянні з іншими методами очищення, цей набагато дешевше. При розсіяних ж забрудненнях (пестициди, нафтопродукти, важкі метали) йому немає альтернативи взагалі. За даними Організації економічного співробітництва та розвитку, потенційний ринок біоремедіація становить близько 75 млрд дол. Звичайно, не все перепаде на частку ГМО, їх економічний базис - це різниця в витратах при традиційних методах очищення і їх використанні.

На відміну від аграрних біотехнологій, головна мета яких - отримати корисні метаболіти (продукти харчування і сировину), і це ВІДРАЗУ дає відчутний прибуток мільйонам виробників, боротьба з забрудненням неминуче пов'язана великими витратами урядів на захист навколишнього середовища і тому ГМО тут впроваджуються набагато повільніше. «Ліки» розроблені і дуже ефективні, але виробництво і поширення їх поки надзвичайно витратно.

На відміну від промислової біотехнології, де можна строго контролювати всі параметри технологічного процесу, біоремедіація з випуском ГМ мікробів і рослин в навколишнє середовище, проводиться у відкритій системі, що вимагає поглибленого контролю їх взаємодій з нею. Взаємодія ця ж - дуже багатофакторна і багаторівнева. Необхідні додаткові законодавчі акти і правила, що регламентують інтродукцію в навколишнє середовище ГМ-мікроорганізмів, з якими пов'язані надії на очистку від будь-яких забруднювачів. Це ще більше гальмує поширення еко-ГМО. Тут справа за вченими-екологами, які ще не мають достовірної та детальної інформації для такого впровадження.

Размещено на Allbest.ru