La biotecnología ambiental es un tema interdisciplinario emergente que combina la biotecnología moderna y la ingeniería ambiental. Es una biotecnología que aplica una parte de la biosfera para controlar el medio ambiente o para controlar los contaminantes destinados a ingresar a la biosfera. El amplio alcance de la biotecnología ambiental cubre una amplia gama, y todas las tecnologías relacionadas con la biotecnología que involucran el control ambiental en el entorno natural pueden clasificarse como biotecnología ambiental. Incluyendo la biorremediación de contaminantes en el medio ambiente, la biorremediación de sitios contaminados y el desarrollo y aplicación de productos biológicos inofensivos y libres de contaminación, como materiales biodegradables. [1].
II. La aplicación de la biotecnología moderna en el campo de la protección del medio ambiente
Con el rápido desarrollo de la industria y la agricultura modernas, la aplicación generalizada de productos químicos agrícolas, el vigoroso desarrollo de la energía y la mayor expansión de la urbanización, especialmente en los últimos tiempos años, la expansión de las empresas municipales y rurales La aparición de muchas nuevas sustancias químicas, físicas y biológicas en el medio ambiente, como organismos genéticamente modificados y productos enzimáticos. Estas nuevas sustancias pueden traer nuevos efectos adversos al medio ambiente del que depende el ser humano. La aparición de problemas ambientales como contaminantes complejos, una contaminación cada vez más grave y una biodiversidad reducida ha hecho inevitable la aplicación generalizada de la biotecnología moderna en el campo de la protección ambiental. En la actualidad, la aplicación de la biotecnología moderna en el campo de la protección ambiental se refleja generalmente en cuatro aspectos: monitoreo y evaluación ambiental, eliminación de la contaminación, utilización integral de los recursos energéticos, salvación de especies en peligro de extinción y protección de la biodiversidad.
1. Monitoreo y evaluación ambiental
Aplicar biotecnología moderna como ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas, PCR, microscopía electrónica, visualización diferencial de genes, biosensores, sondas genéticas, biochips, etc. y la evaluación del medio ambiente se ha convertido en un tema de investigación candente para los científicos nacionales y extranjeros en los últimos años, y los informes de investigación aumentan día a día [2-4]. La aplicación del ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) para detectar y analizar pesticidas y sus metabolitos en el medio ambiente es una nueva tecnología en la década de 1990. En la actualidad, se han desarrollado en el país y en el extranjero métodos de detección de inmunoensayos ligados a enzimas para pesticidas, fungicidas, herbicidas, PCB, dioxinas, antibióticos y otros contaminantes, y se han comercializado kits de detección de inmunoensayos ligados a enzimas para análisis rápidos in situ. Esta tecnología tiene las ventajas de rapidez, sensibilidad, bajo costo, fuerte especificidad y es adecuada para el análisis in situ de una gran cantidad de muestras.
La tecnología PCR se puede utilizar para detectar bacterias patógenas y bacterias indicadoras en el suelo, el agua y la atmósfera. Niedrhauser[3] y otros utilizaron tecnología de PCR para detectar Listeria monocytogenes en alimentos que fácilmente pueden causar meningitis humana. El análisis de esta cepa mediante tecnología PCR se puede completar en apenas unas horas, acortando enormemente el ciclo de análisis (los métodos tradicionales requieren al menos 10 días). Además, la tecnología de PCR también puede rastrear y detectar bacterias genéticamente modificadas (GEM) en el medio ambiente, determinar la expresión genética basándose en el diagnóstico de secuencias genéticas y detectar grupos específicos de personas en el medio ambiente [6]. Con el desarrollo continuo de la tecnología de PCR, se han establecido la PCR anidada, la PCR inversa y la PCR múltiple [7]. Es previsible que la tecnología PCR desempeñe un papel cada vez más importante en la detección de bacterias patógenas, bacterias indicadoras y bacterias genéticamente modificadas en el agua, el suelo y otros entornos.
En los últimos años, el uso de biosensores para monitorear contaminantes en el medio ambiente, especialmente el monitoreo in situ, se ha vuelto cada vez más popular. El biosensor consta de una unidad de reconocimiento molecular (material sensible) y una parte de conversión (transductor). La parte de reconocimiento molecular se utiliza para identificar el objetivo medido. Según los diferentes materiales sensibles, se pueden dividir en sensores enzimáticos, sensores microbianos, sensores celulares y sensores inmunológicos.
En la actualidad, los biosensores han alcanzado el nivel de aplicación comercial: biosensor de DBO, biosensor de amoníaco, biosensor de nitrito, biosensor de etanol, biosensor de metano, etc. [8-9] El uso de biosensores tiene las ventajas de bajo costo, fácil fabricación, uso conveniente, medición rápida y ahorro de tiempo, y tiene perspectivas atractivas en el monitoreo ambiental.
2. Eliminar la contaminación y mejorar el entorno ecológico
La biotecnología moderna se utiliza a menudo para eliminar la contaminación y mejorar el entorno ecológico. Incluyendo la reducción biológica de contaminantes ambientales y la biorremediación o restauración de sitios contaminados [10]. A principios de la década de 1960, Martin Alexnder [10] realizó una investigación sobre la biodegradabilidad de los pesticidas en el suelo, sentando las bases para la aplicación de la biotecnología en el campo de la protección ambiental. Desde la década de 1970, se puede decir que la biotecnología se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado cada vez más en el control de la contaminación ambiental. Este impulso continúa hasta el día de hoy. En la actualidad, la investigación y aplicación de la biotecnología en este campo se ha orientado hacia la búsqueda, aislamiento y cribado de especies y cepas microbianas con altas capacidades de purificación y la construcción artificial de bacterias genéticamente modificadas. Mediante la ingeniería genética, utilizando la recombinación del ADN plasmídico y la transformación de plásmidos, se pueden desarrollar organismos resistentes a los contaminantes. ¿Qué pasaría si alguien pusiera los genomas de cuatro bacterias Pseudomonas en la misma cepa y creara una superbacteria degradante de petróleo que pudiera degradar dos tercios de los hidrocarburos en una mancha de petróleo en unas pocas horas? Usar bacterias naturales llevaría más de un año [7] . Chakabrty et al. transfirieron simultáneamente el plásmido OCT y el MER resistente al mercurio a Pseudomonas putida, lo que le permitió degradar los alcanos, crecer en un ambiente que contenía 50-70 mg/L de mercurio y degradar el mercurio orgánico. Los científicos estadounidenses transfirieron el gen que contiene el herbicida 2,4-D de una bacteria a otra de rápido crecimiento, lo que aceleró significativamente la degradación del 2,4-D [11]. Mediante la biotecnología se han cultivado bacterias que pueden degradar el petróleo y sus derivados, como el alcanfor, pesticidas como el 666, contaminantes químicos como los oligómeros de nailon y metales pesados como el mercurio. Al mismo tiempo, las plantas transgénicas que pueden absorber y acumular metales pesados en exceso, especialmente las plantas hiperacumuladoras [12], también son el foco de la investigación y el desarrollo actuales. La aplicación de fitorremediación no sólo purifica y embellece el medio ambiente, sino que también permite su recolección, procesamiento y reutilización.
3. Desarrollar energías y recursos limpios y su aprovechamiento integral.
La dependencia y utilización de la energía ha hecho que la gente sienta las limitaciones y las crisis potenciales de las energías no renovables. El desarrollo de la biotecnología moderna ha traído nuevas esperanzas para resolver este problema. Hoy en día, el concepto de biotecnología se extiende también a la eliminación de sustancias y residuos peligrosos, así como a la transformación y reutilización de estas sustancias. Los ejemplos incluyen la producción de proteínas unicelulares (SCP) a partir de desechos y la producción de alcohol a partir de materiales celulósicos. Alemania utilizó xilosa para producir levadura comestible y más tarde utilizó líquido residual de ácido sulfuroso de la industria papelera para desarrollar levadura alimentaria, con una producción anual de 65.438 millones de toneladas de proteína unicelular como sustituto de la carne para complementar la deficiencia de proteínas. Los científicos chinos utilizan aguas residuales de glutamato monosódico para producir proteína unicelular de Candida tropicalis, que contiene un 60% de proteína. Este producto se utiliza como alimento y tiene el mismo efecto que el alimento para peces [1]. Una empresa de Londres, Reino Unido, utiliza la "bacteria diseñada" Bacillus stearothermophilus para convertir desechos como paja y mazorcas de maíz en etanol, y su eficiencia es significativamente mayor que la de la levadura [13].
En términos de nueva energía, el Instituto de Genética de la Academia de Ciencias de China y la Academia de Ciencias Agrícolas de China han transferido genes que degradan el herbicida triazeno a las plantas de soja. Las semillas de soja transgénicas ya no absorben los triazenos. el medio ambiente. Con esta tecnología se pueden producir alimentos verdes que sean seguros y beneficiosos para los humanos. Científicos suizos y estadounidenses han desarrollado un nuevo tipo de célula solar basada en los principios fisiológicos y bioquímicos de las plantas. Al mismo tiempo, también se han desarrollado y aplicado otras nuevas fuentes de energía como la generación de energía con algas marinas, biofloculantes, biosurfactantes, PHA, biopesticidas, etc.
4. Salvar especies en peligro de extinción y proteger la diversidad biológica.
La biodiversidad se refiere a la diversidad y variabilidad entre organismos y la complejidad ecológica de los hábitats de las especies, incluida la diversidad genética, la diversidad de especies y la diversidad de ecosistemas [14]. El rápido desarrollo de la industrialización y la tecnología moderna ha provocado enormes cambios en la Tierra, que han llevado a muchas especies a la extinción.
Sin embargo, a medida que la tecnología de "clonación" madure gradualmente, las especies en peligro de extinción pueden seguir existiendo y es completamente factible proteger la diversidad biológica. De hecho, muchos científicos han estado clonando especies en peligro de extinción desde que nació Dolly Lamb. Por ejemplo, los científicos del Instituto de Ciencias Acuáticas y del Instituto de Zoología de la Academia de Ciencias de China se están preparando para la futura clonación de delfines Baiji y pandas gigantes y han logrado resultados preliminares. Al mismo tiempo, la biotecnología moderna aumentará en gran medida la cantidad de productos agrícolas por unidad de superficie, reducirá la presión de la sobreexplotación de los recursos biológicos y aliviará en gran medida la reducción de la diversidad biológica.
El desarrollo de la biotecnología permitirá cultivar variedades de cultivos con fuerte resistencia a las enfermedades, que no requieren tantos pesticidas y fertilizantes químicos como las variedades tradicionales, y reducirá el impacto de la contaminación ambiental causada por la producción agrícola en el ecosistema. Además, las nuevas biotecnologías agrícolas, como el control de plagas, el control de pastos y el control de bacterias, pueden reducir el uso de pesticidas, lo que también ayuda a mantener la biodiversidad de los ecosistemas.
En tercer lugar, el impacto potencial de la biotecnología moderna en el medio ambiente
La aparición de una nueva tecnología a menudo tiene una promoción sin precedentes y un impacto de gran alcance en el desarrollo de la historia humana. Al mismo tiempo, también puede haber consecuencias o riesgos desconocidos, especialmente cuando los humanos no pueden garantizar el uso correcto y eficaz de la tecnología, los desastres que causa serán impactantes. La biotecnología, como campo de alta tecnología que se ha desarrollado y aplicado rápidamente en el campo ambiental, no es una excepción. Tiene ventajas y desventajas. Si bien crean importantes beneficios económicos, sociales y ambientales, también existen problemas de seguridad ambiental. De hecho, la biotecnología tiene un impacto negativo en el medio ambiente. Por ejemplo, alimentar a ratones con patatas que contenían el gen de la aglutinina de campanilla blanca (GNA) provocó un crecimiento anormal de los órganos y dañó el sistema inmunológico, y el incidente en el que 44 mariposas murieron después de ser alimentadas con maíz Bt genéticamente modificado. Desde el surgimiento de la ingeniería genética en la década de 1970, la gente ha prestado gran atención a la seguridad de las actividades biotecnológicas y sus productos para los humanos y el medio ambiente [15-16], y la ingeniería genética ha sido un foco de debate.