УДК 573.4
Г.Г. Юхневич
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ЭФФЕКТОВ ГЕННО-ИНЖЕНЕРНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Гродненский государственный университет имени Янки Купалы
Для обоснованного прогноза экологического поведения генно-модифицированных микроорганизмов и обеспечения в дальнейшем их безопасного ис-пользования или для запрещения либо ограничения их использования и распростране-ния необходимо проведение комплексной экологической экспертизы, которая позволя-ет суммировать информацию о ГММ и условиях его высвобождения.
Использование новых технологий, в том числе генной инженерии, может стать как методом сбережения природных ресурсов, улучшения и даже восстановления природных и подверженных деятельности человека экосистем, так и источником новой опасности для окружающей среды.Микроорганизмы исторически были первыми объектами генной ин-женерии, и на сегодняшний день биологическое разнообразие генно-модифицированных микроорганизмов (ГММ) неуклонно расширяется. При этом к ГММ по традиции относят как прокариотические организмы (вирусы и бактерии), так и некоторые эукариоты (дрожжи, грибы), даже если они имеют довольно сложное строение и крупные размеры, как, на-пример, грибы-макромицеты.Хотя имеется огромное количество публикаций о создании разнооб-разных ГММ, сведения об их выпуске в окружающую среду крайне огра-ничены. Однако в условиях увеличения количества ГММ и их разнообра-зия соответственно расширяется сфера, частота и степень влияния ГММ на окружающую среду, при этом до последнего времени работа с ними, их использование в окружающей среде и прогнозирование последствий ин-тродукции трансгенных микроорганизмов в природные экосистемы у спе-циалистов вызывают основные опасения [1; 3].Влияние ГММ на элементы окружающей среды или экосистему в целом возможно только при попадании ГММ в окружающую среду и их распространении там. Взаимодействие модифицированных организмов с элементами окружающей среды при их содержании в замкнутой системе (лаборатории, заводе) возможно при нарушении предусмотренных мер изоляции и является нештатной ситуацией. Также проблемы экологическо-го характера могут возникнуть при запланированном высвобождении ГММ с целью испытания или коммерческого использования. Самые мно-гообещающие области применения ГММ в окружающей среде включают использование в горной промышленности, биоремедиации почв, загряз-ненных нефтью и пестицидами, применение бактериальных или вирусных инсектицидов, азотфиксирующих бактерий, создание микориз, способных вступать в симбиотические отношения с высшими растениями и помогать им в усвоении питательных веществ почвы; выпуск микроорганизмов как биодатчиков и др.Учитывая этот широкий диапазон направлений, сложно найти общий способ минимизировать экологические риски определенных выпусков ГММ. Чтобы максимально извлечь все выгоды использования генно-инженерных организмов и в то же время избежать возникновения неблаго-приятных эффектов, необходимо четко представлять, какая опасность для окружающей среды может возникать в каждом конкретном случае исполь-зования ГММ.Цель работы – определить основные риски, связанные с высвобож-дением ГММ в окружающую среду, и выявить направления контроля нега-тивных последствий ГММ для природных экосистем.Весьма осторожное отношение к высвобождению генно-инженерных микроорганизмов связано со сложностью контроля над их распростране-нием в окружающей среде и недостаточным знанием процессов, происходящих в почве, как их основном месте обитания.Опасения вызывают обычная для многих микроорганизмов неста-бильность генома, наличие мобильных генетических элементов, характерная для многих из них токсичность и способность вызывать различные заболевания человека, животных или растений. Кроме того, при попадании микроорганизмов однажды в природу, потом их уже нельзя поймать вследствие невозможности контролирования их размножения и расселе-ния. Также необходимо принимать во внимание, что науке известны только от 1 до 10 % всех в действительности существующих природных мик-роорганизмов, слабо изучены взаимоотношения между микроорганизмами, а также между микроорганизмами и другими организмами. При этом надо отметить, что не выявлено ни одного доказанного случая серьезных небла-гоприятных последствий такого использования.Как правило, рассматривая экологические риски попадания ГММ в окружающую среду, выделяют следующие неблагоприятные последствия для окружающей среды:1) миграция трансгенов в дикие популяции в результате вертикаль-ного (обмен генетической информацией между организмами, принадле-жащими к одному виду) или горизонтального (обмен генетической инфор-мацией между организмами, принадлежащими к разным видам) переноса генов;2) появление новых, более агрессивных микроорганизмов, в том чис-ле патогенов с измененными свойствами или принципиально новых пато-генов с необычными свойствами, угроза возникновения новых инфекцион-ных заболеваний и их эпидемического (пандемического) распространения;3) воздействие продукта трансгенов на организмы, не являющиеся мишенью их запланированного действия;4) появление микроорганизмов, резистентных или толерантных к продуктам трансгенов;5) бесконтрольное распространение и колонизация экосистем с не-предсказуемыми последствиями, изменение биологического (генетическо-го) разнообразия микробоценоза в результате комплексного изменения ес-тественных биоценозов.Экологическая экспертиза призвана сделать обоснованный прогноз экологического поведения ГММ и обеспечить в дальнейшем его безопас-ное использование, что послужит основанием для запрещения либо огра-ничения его использования и распространения.Первый этап экспертизы включает анализ данных научной литера-туры об объекте модификации, характере модификации и экологической системе предполагаемого высвобождения и ее компонентах. Прежде всего, собирается информация о биологических особенностях реципиентного ор-ганизма, что позволит очертить возможный круг воздействий ГММ, зави-сящих от таксономического статуса организма-реципиента, определить по-тенциальные характеристики ГММ, основываясь на уже известных биоло-гических особенностях исходных организмов, их экологическом поведе-нии. Особое внимание следует уделить вопросам патогенности, инфици-рующей способности и токсиногенности для микроорганизмов.Агрессивность микроорганизмов может определяться также и свой-ствами вектора, использованного для трансгеноза (его природой, происхо-ждением, естественной средой обитания и соответствующими характери-стиками безопасности; структурой транспозонов, промоторов и других не-кодирующих генетических элементов, использованных для создания гене-тической конструкции и необходимых для ее переноса и функционирова-ния в реципиентном организме).В первичной характеристике ГММ находят также наиболее вероят-ные эко¬логические связи ГММ (наличие родственных видов, с которыми вероятна эффектив¬ная гибридизация; наличие видов, не являющихся ми-шенями модифицированного признака и т.д.).Результатом обсуждения проблемы на первом этапе является по-строение концептуальной модели – модели вероятных взаимоотношений ГММ с окружающей средой и вероятных экологических последствий та-ких взаимоотношений. Она позволяет определить факторы, которые могут повлиять на экологическое поведение ГММ, возможные экологические связи, в которые может вступить ГММ. С помощью такой модели разраба-тывается схема дополнительных лабораторных экспериментов, необходи-мых для наиболее полной оценки последствий высвобождения ГММ.Второй этап экспертизы – изучение экологических аспектов пове-дения ГММ в окружающей среде на основе специально проводимых лабо-раторных тестов. Это могут быть, например, тесты на токсичность в отно-шении организмов-немишеней, способность эффективно передавать генетическую информацию другим видам, тестирование ГММ на выживае-мость, включая сезонность и способность образовывать структуры, необ-ходимые для выживания, конкурентоспособность (агрессивность) по от-ношению к другим видам, воздействие на естественные процессы: продук-цию и разложение органических веществ, дыхание и т.д. Как правило, тес-ты проводятся в сравнении с контролем, в качестве которого используется исходный объект генной модификации.Третий этап экспертизы – проведение экологических исследований в модельных экспериментах («микрокосмах»), позволяющих оценить дей-ствительное воздействие ГММ с учетом реальных природных условий, в которых он будет существовать и использоваться.Именно такие исследования позволили опровергнуть гипотезу, что ДНК мертвых клеток ГММ при попадании в любой биоценоз быстро подвергнется гидролизу ДНК-азами почвы или водных экосистем, и по-этому, даже если ГММ выживут, они не смогут легко передать ДНК при трансформации другим клеткам. Специальные исследования, однако, показали, что ДНК, адсорбированная на частицах почвенной глины, ус-тойчива к действию ДНК-аз и может существовать в таком «иммобилизо-ванном» виде достаточно долго, а затем вовлекается в процесс трансфор-мации.Испытания ГММ на ограниченной площади и в течение ограничен-ного времени делают их экологически безопасными. Однако, с другой сто-роны, в этом случае из сферы внимания выпадает определенная часть воз-действий, оказываемых ГММ. В реальных природных условиях предполо-жения, основанные на исходных сведениях о ГММ и данных модельных экспериментов, могут кардинально измениться. Возможно выявление но-вых воздействий, не учтенных ранее.Сделать достаточно обоснованные выводы о степени безопасности ГИО на основе данных ограниченных испытаний помогает математическое моделирование экологической ситуации и вероятный сценарий развития событий. Математическая модель позволяет составить прогноз изменений в популяции ГММ и экосистеме с ее участием в отдаленном будущем (не-явные отложенные влияния). Однако, несмотря на очевидные преимущест-ва математического моделирования при анализе экологического поведения ГММ (возможность избежать крупномасштабных испытаний, долгосроч-ный прогноз), используется оно не так уж часто и не может пока рассмат¬риваться как альтернатива экспериментальным методам. Это связано со сложностью построения самой математической модели, учитывающей все или хотя бы основные биологические и не биологические компоненты предполагаемой среды обитания ГММ.Например, для исследования закономерностей и последствий интро-дукции генно-инженерных микроорганизмов А.В. Брильковым [2] разра-ботан подход, основанный на системном моделировании формирования и развития биотического круговорота в экосистемах до и после интродукции с учетом динамики трофических звеньев, возможности сохранения и рас-пространения интродуцированных микроорганизмов, вероятности переда-чи рекомбинантных ДНК между клетками и т.д. Системная модель интро-дукции содержит достаточно представительное число звеньев и типов учи-тываемых взаимодействий, принципиальные и структурные схемы кото-рых описывают характерные ситуации, обычно наблюдающиеся в экспе-риментальных микрокосмах и в природных экосистемах. Часть необходи-мых для моделирования коэффициентов и типов зависимостей определена в экспериментах по периодическому и непрерывному культивированию генно-инженерных микроорганизмов в хемостате и в экспериментах по их интродукции в лабораторные водные микроэкосистемы с возрастающим числом трофических звеньев. Показано, что для плазмидсодержащих мик-роорганизмов большое значение в сохранении вариантов с определенным количеством копий плазмид имеют внутриклеточные и популяционные характеристики, а также условия внешней среды. При моделировании ин-тродукции рекомбинантных бактерий в природные экосистемы показано, что длительное сосуществование генетических вариантов исходного штамма, в том числе и в колебательных режимах, определяется в основном популяционными взаимодействиями с различными видами фитопланктона. В целом предварительная оценка возможности и последствий распростра-нения ГММ в природных экосистемах с помощью системного моделиро-вания должна проводиться раньше их широкого использования на практи-ке.Четвертый этап экспертизы – проведение крупномасштабных дол-говременных полевых экологических исследований применения ГММ. На сегодняшний день в мире проведено только несколько десятков полевых испытаний трансгенных микроорганизмов. Фактически сообщалось только о нескольких случаях высвобождения ГММ в окружающую среду: азот-фиксирующие бактерии Sinorhizobium meliloti, Bradyrhizobium japonicum, Rhizobium meliloti, а также бактерии с пестицидными свойствами Agrobac-terium radiobacter, Pseudomonas fluoresceins.Так предполагалось, что чужеродная ДНК, внесенная в ГММ, снижа-ет конкурентоспособность живых клеток по сравнению с неизмененны-ми клетками вследствие очевидных больших энергетических затрат на ре-плика¬цию ДНК. Это предположение было подтверждено при изучении выживания в почве ГММ Pseudomonas sp. с введенной плазмидой, несу-щей гены расщепления мощного гербицида 2,4,5-трихлорфе-ноксиацетата. Клетки ГММ-псевдомонад быстро исчезали из почвенного образца и че-рез несколько дней при прямых высевах на среды не обнаруживались. Однако спустя несколько недель ГММ-псевдомонады вновь можно было обнаружить в образце, т.е. они никогда полностью не вымирали. Ре-зультаты этих и последующих экспериментов показали, что модифициро-ванные псевдомонады могут жить в почве в течение длительного време-ни. Другие наблюдения показали существование ГММ в почвенных и водных экосистемах в состоянии НФБ (некультивируемых форм бакте-рий).Пятый этап завершает процедуру оценки экологического риска вы-свобождения ГММ в окружающую среду. Его основная задача – дать ре-комендации о допустимости высвобождения ГММ, показать, является ли риск приемлемым и регулируемым, а также в случае принятия положи-тельного решения о высвобождении дать рекомендации по обеспечению безопасного использования ГММ.При этом обязательно разрабатывается план долговременного мони-торинга ГММ. Мониторинг может выявить новые особенности нежела-тельного экологического поведения ГММ, не известные ранее, и на осно-вании новой информации помочь скорректировать план управления рис-ками или стать основанием для дополнительных исследований. В случае выявления значимых последствий, которые трудно или невозможно пре¬дотвратить, данные мониторинга могут стать основанием для запрещения или огра¬ничения использования ГММ.Таким образом, оценка риска возможных неблагоприятных экологи-ческих последствий высвобождения ГММ является сложным творческим процессом. При этом следует обращать внимание как на очевидные факто-ры влияния, так и на возможные отдаленные или опосредованные неявные последствия.
Список литературы
1. Вельков, В.В. Оценка риска при интродукции генетически модифицированных микроорганизмов в окружающую среду / В.В. Вельков. – Агрохимия, 2000. – № 8. – С. 76–86.2. Ганусов, В.В. Популяционная динамика бактериальных плазмид /А.В. Брильков, Н.С. Печуркин // Матем. моделирование. – 2001. – № 1. – С. 77–98.3. Krimsky, S. Risk Assessment and Regulation of Bioengineered Food Products / S. Krimsky // International Journal of Biotechnology. – 2000 – № 2. – P. 231–238.
For the proved forecast of ecological behaviour of the genno-modified microorganisms and maintenance in further their safe use or for prohibition or restriction of their use and distribution carrying out of complex ecological examination which allows to summarise the information about GMM and conditions of its liberation is necessary.
