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环境生物技术

环境生物技术是一门由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科,是直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成部分或某些机能,建立降低或消除污染物产生的生产工艺,或者能够高效净化环境污染以及同时生产有用物质的人工技术系统。

根据1919 年生物技术欧洲协会(European Federation of Biotechnology)之定义,「环境生物技术」是指生物化学,微生物学及工程技术相结合之整合性科学.主要目的是利用微生物,动物或植物应用於农业,环境,工业及健康照顾上,以发展永续事业。

生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入,人们已越来越意识到,现代生物技术的发展,为从根本上解决环境问题提供了希望。

目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物,少部分利用植物作为环境污染控制的生物。生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术,其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面,发挥着极为重要的作用。应用环境生物技术处理污染物时,最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质,如二氧化碳、水和氮气。利用生物方法处理污染物通常能一步到位,避免了污染物的多次转移,因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。特别是现代生物技术的发展,尤其是基因工程、细胞工程和酶工程等生物高技术的飞速发展和应用,大大强化了上述环境生物处理过程,使生物处理具有更高的效率,更低的成本和更好的专一性,为生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。

由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应物(底物),其中一些有机污染物经生物过程处理后可转化成沼气酒精、生物蛋白等有用物质,因此,生物处理方法也常是有机废物资源化的首选技术。生物过程是以酶促反应为基础的,作为催化剂的酶是一种活性蛋白,因此,生物反应过程通常是在常温、常压下进行的。另外,酶对底物有高度的特异性,因此,生物转化技术的效率高,副产物少,这与常常需要高温、高压条件的化工过程相比,反应条件大大简化,因而投资省、费用少、消耗低,而且效果好、过程稳定、操作简便,同时,在多数情况下,它还可和其他技术结合使用。用生物过程代替化学过程可以降低生产活动的污染水平,有利于实现工艺过程生态化或无废生产,真正实现清洁生产的目标。另外,生物技术的产品或副产品基本上都是可以较快生物降解的,并且都可以作为一种营养源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化学药物、化石能源、人工合成物等,有助于把人类活动产生的环境污染降至最低程度,使经济发展进入可持续发展的轨道。生物是构成生态系统的要素,生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的。因此,利用环境生物技术可治理用其他方法难以处理的环境介质,即用生物修复技术净化环境,使受污染的宝贵资源如水资源(包括地面水和地下水)、土壤等得以重新利用,同时还可进一步强化环境的自净能力。

环境生物技术不仅单纯适用于环境污染治理,如今已相当广泛地应用于环境监测,尤其是以生物传感器为核心的环境生物监测技术,可在线在位迅速地提供环境质量参数,成为环境质量预报和报警中的重要组成部分。

(一)污水生物净化。污水中的有毒物质包括各种酚类氰化物重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用,从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质,使污水得到净化。当今固定化酶固定化细胞技术处理污水就是生物净化污水的方法之一,固定化酶和固定化细胞技术是酶工程技术。固定化酶又称水不溶性酶,是通过物理吸附法或化学键合法使水溶性酶和固态的不溶性载体相结合,将酶变成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物,微生物细胞是一个天然的固定化酶反应器,用制备固定化酶的方法直接将微生物细胞固定,即可催化一系列生化反应的固定化细胞。运用固定化酶和固定化细胞可以高效处理废水中的有机污染物、无机金属毒物等,此方面国内外成功的例子很多。近几年我国在应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LAS)方面取得较大进展,对于含100mg/L废水,降解率和酶活性保存率均在90-以上;利用固定化酵母细胞降解含酚的废水也已实际应用于废水处理

(二)污染土壤的生物修复。重金属污染是造成土壤污染的主要污染物重金属污染的生物修复是利用生物(主要是微生物、植物)作用,削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。其原理是:通过生物作用(如酶促反应)改变重金属在土壤中的化学形态,使重金属固定或解毒,降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性,通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。污染土壤的生物修复过程可以增加土壤有机质的含量,激发微生物的活性,由此可以改善土壤的生态结构,这将有助于土壤的固定,遏制风蚀、水蚀等作用,防止水土流失

(三)白色污染的消除。废弃塑料和农用地膜经久不化解,估计是形成环境污染的重要成分。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌,另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物(如:根瘤菌)中,使两者同时发挥各自的作用,将塑料和农膜迅速降解。

(四)化学农药污染的消除。利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。能降解农药的微生物,有的是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO 和H O,这种降解途径彻底,一般不会带来副作用;有的是通过共代谢作用,将农药转化为可代谢的中间产物,从而从环境中消除残留农药,这种途径的降解结果比较复杂,有正面效应也有负面效应。为了避免负面效应,就需要用基因工程的方法对已知有降解农药作用的微生物进行改造,改变其生化反应途径,以希望获得最佳的降解、除毒效果。要想彻底消除化学农药的污染,最好全面推广生物农药。

所谓生物农药是指由生物体产生的具有防止病虫害和除杂草等功能的一大类物质总称,它们多是生物体的代谢产物,主要包括微生物杀虫剂农用抗生素制剂和微生物除草剂等。微生物杀虫剂,主要包括病毒杀虫剂、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、放线菌杀虫剂等。长期以来并没有得到广泛的使用。现在人们正在利用重组DNA技术克服其缺点来提高杀虫效果,例如目前病毒杀虫剂的一个研究热点是杆状病毒基因工程的改造,人们正在研究将外源毒蛋白基因如编码神经毒素的基因克隆到杆状病毒中以增强杆状病毒的毒性;将能干扰害虫正常生活周期的基因如编码保幼激素酯酶的基因插入到杆状病毒基因组中,形成重组杆状病毒并使其表达出相关激素,以破坏害虫的激素平衡,干扰其正常的代谢和发育从而达到杀死害虫的目的。

生物监测技术在环保领域中的应用 

应用酶联免疫技术、PCR技术、电子显微技术、基因差异显示技术、生物传感器基因探针、生物芯片等现代生物技术对环境进行监测与评价,是近年来国内外科学工作者研究的热点,研究报道也日益增多。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。此技术具有快速灵敏,费用低,特异性强和适于现场大量样品分析等优点。

我国在环境污染生物监测方面也取得了一些新进展。一是广泛开展了生物监测方法的研究;二是各种生物综合监测指标的研究;三是利用生物监测手段和评价环境质量。我国华东师大吴自荣等同志利用冷冻干燥的发光细菌的发光强度随水质污染程度而变化的特点,研究提出了上海苏州河水质发光细菌测试和评价方法。

废水生物处理技术我国的水污染十分严重,高浓度有机物废水的处理是我国水污染治理的重点难题。污水中有毒物质的成分十分复杂,包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用,从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质,使污水得到净化。应用遗传工程技术构建符合人们需要的微生物高效菌以及具有降解多种污染物功能的超级菌,可以提高对污染物的降解能力、加快降解速度,以增强净化污水的效力。如微生物高效菌能够将氰化物(氰化钾氰氢酸氰化亚铜等)分解成二氧化碳和氨;利用专门分解硫化物的微生物可以从废水中回收硫磺;利用能够降解石油烃的超级菌以清除油对水质的污染等。还可以将大量的微生物高效菌凝聚在泥粒上形成活性污泥,用来分解和吸附废水中的有毒物质,污水净化后沉积的污泥中存在丰富的氮、磷、钾等元素,是很好的有机肥料。

大气污染的生物处理随着现代工、农业的发展,大量有毒、有害气体被排出,严重污染环境。微生物对污染物能较快地适应,并可使废物、废气得到降解和转化。同传统空气污染控制技术如活性炭吸附、湿法洗涤和燃烧等相比,微生物法以其处理效果好、投资及运行费用低、易于管理等优点,逐渐应用于空气污染控制中。

近年来,采用把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合的方法而把煤和黄铁矿分开,进而达到脱硫。美国利用CBl菌株可脱去18-一47-的有机硫。捷克斯洛伐克1991年在其北部三个露天煤矿用氧化亚铁硫杆菌脱褐煤中硫,平均能脱去无机硫78.5-0有机硫23.4-。德国和荷兰用生物膜过滤器处理含硫化氢废气,其控制效率达90-以上。新西兰、英国、日本和美国也有在工业上规模应用的报导。

固体废物的生物降解在众多的处理方法中(如堆肥、焚烧、热处理等),生物处理具有成本低、运行费用低、操作简单、易管理等优点。城市垃圾的“生物反应堆”理论就是其中的一种,它与传统的卫生填埋相反,允许适量的水分进入填埋场,增加湿度,为微生物的生长和繁殖提供有利的条件,从而加速固体废物的降解和稳定。

(1)好氧生物处理好氧生物处理是利用好氧微生物在有氧条件下的代谢作用,将废物中复杂的有机物分解成二氧化碳和水,其重要条件是保证充足的氧气供应、稳定的温度和水。实际工程中就是在填埋场中注人空气或氧气,使微生物处于好氧代谢状态。

(2)厌氧生物处理厌氧生物处理是利用在无氧条件下生长的厌氧或兼性微生物的代谢作用处理废物,其主要降解产物是甲烷和二氧化碳等,一般需要保证温度、无氧或低溶解氧浓度。

(3)准好氧处理准好氧填埋场的主要设计与运行思想是使渗滤液集水沟水位低于渗滤液集水干管管底高程,使大气可以通过集水干管上部空间和排气通道,使填埋场具有某种好氧条件。准好氧处理靠垃圾分解产生的发酵热造成内外温差,使空气流自然通过填埋体,促进垃圾的分解和稳定。准好氧填埋有如下优点:第一,它不需要强制通风,节省能量;第二,渗滤液产生后被迅速收集,减少了对地下水的污染;第三,相对于厌氧处理,垃圾稳定得更快,危险气体,如CH4,H2S等的产量降低。

(4)混合生物处理 混合生物处理是既有好氧又有厌氧的生物处理方法,是在填埋下一层垃圾之前好氧处理30一60d,其目的是让垃圾尽快经过产酸阶段为进入厌氧产甲烷阶段做准备。这种方法主要的优点在于把厌氧的操作简单和好氧的高效率有机地结合起来了,增加了对挥发性有机酸、对空气具危害性的污染物的降解,其主要特点是降解速度快。

生物修复技术是80年代以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术,主要是利用生物独特的分解有机物质的能力,去除污染环境如土壤中的污染物,达到清除污染的目的。生物修复主要包括植物修复和微生物修复。近20年来,人们认识到植物吸收可以作为各种污染物的生存介质包括土壤等的净化技术开发。目前已经有利用沙漠植物修复科威特石油污染的土壤的研究工作。而微生物的修复工作更是显得多种多样,可以被广泛的用来去除土壤等介质中的石油污染、有机氯化物污染、聚合物污染和重金属污染等多种污染物,并且具有典型的处理速度快、经济、无二级污染的特点。

环境生物技术在预防污染上的应用

(1)利用分子遗传技术筛选特定菌种将产品生产过程的废弃物直接转化为能源或副产品,如微生物化肥;利用DNA重组及蛋白质工程技术快速生成特定的酶,应用于生产环节,减少化学无机品用量,从而达到清洁生产的目的。

(2)利用分子微生物族群、基因技术、DNA修复改变某些物质的分子结构使其具有可降解性或加速自然降解的速度。例如生物农药、生物肥料、生物可降解塑料薄膜等生物产品将会大量应用到生产实际当中,逐步取代对环境存在污染或者污染威胁的环境物质的使用(如化学制成品的农药、化肥等)。

随着科技的进步,生物科学和生物工程、以及生物技术将被越来越广泛地应用于生物多样性保护、人类健康、环境污染防治和环境、经济、社会的可持续发展,同时在攻克环境保护的科技难关中有广阔的发展前景。2l世纪,实现生物多样性保护,合理开发生物资源,有效利用生物技术,必将是本世纪的重要课题。我国是污染严重的国家,我们要构建一个有利于现代生物技术在环保中应用的良好环境,同时最大限度地减少和预防与这些技术伴生的对人类和环境的危害。

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