淺談生物工程在環(huán)境保護中的應用

羅鴻斌　徐匆

摘 要：隨著生物學的迅猛發(fā)展，生物工程由于其高效、無二次污染等優(yōu)點，在環(huán)境保護中得到廣泛應用。通過綜述生物工程在減少污染物排放、環(huán)境監(jiān)測、廢水處理、固體廢棄物處理、大氣污染處理、土壤污染治理等環(huán)境保護領域的應用，以供研究者參考。

關鍵詞：生物工程 環(huán)境 保護

中圖分類號：X506 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）005-109-02

生物工程，這門新興的綜合性應用學科于上世紀70年代初興起，是以生物化學、微生物學、遺傳學和細胞學等為代表的生物學的理論和技術為基礎，結合機械、電子、計算機、化工等現代工程技術，創(chuàng)造出具有特別功能的“工程菌”或“工程細胞株”，以產生有用的代謝產物或發(fā)揮其特別生理功能。包括基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程、酶工程和生物反應器等內容。

生物工程用于環(huán)境有悠久的歷史。但現代生物工程和環(huán)境工程的結合，于20世紀80年代誕生在歐美地區(qū)，形成了環(huán)境生物工程，它涉及的學科領域眾多，通過利用生物體或生物體某些組成部分或機能，建立降低或消除污染物產生的工藝流程，或者能高效凈化環(huán)境污染，同時又生產有用物質的工程技術。利用生物工程處理污染物的最大特點是，處理產物都是水、二氧化碳、氮氣等無毒、無害的物質；可以有效避免二次污染，是一種安全而徹底的方法。

1 生物工程技術減少污染物排放

利用生物工程技術，研制具有特別功能的“工程菌”或“工程細胞株”，并用于生產流程中，減少污染物排放、甚至零排放。例如，生物農藥具有安全、無毒、不污染環(huán)境等特點；生物質能源的利用能有效降低污染物排放；高催化效率“工程菌”提高化學反應速度，減少生產過程能源、原料的消耗；這些對于保護生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。

2 生物工程在環(huán)境監(jiān)測的應用

監(jiān)測環(huán)境污染是環(huán)境保護工作中的一個重要環(huán)節(jié)，除了應用化學或儀器分析進行測定外，生物監(jiān)測也日益成為重要的監(jiān)測手段?？梢岳弥甘旧铩⒒蚬こ碳夹g改造過的微生物、分子生物學技術、生物芯片技術、生物傳感器等技術監(jiān)測環(huán)境污染。如水葫蘆監(jiān)測水域中的砷；用細菌總數及糞便污染指示菌（大腸埃希氏菌、克霉伯氏菌等）監(jiān)測水質；用鼠傷寒少門氏菌檢驗物質致突變性與致癌性。近年來，研究較多的有聚合酶式反應技術（PCR技術）、生物傳感器、核酸探針、酶聯免疫吸附技術（ELISA）、生物熒光方法等生物高新技術也應用于環(huán)境監(jiān)測。PCR 技術可用于土壤、沉積物、水樣等環(huán)境標本的細胞檢測。生物傳感技術可用來測定水體中的BOD、酚、NO3、有機磷，還可以用來分析大氣中的CO2、SO2、NOx的含量及濃度等。Andreas等報道了將檢測汞的傳感器菌株用于測定土壤中汞的生物有效性；Charlesp等用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成微生物傳感器，用此傳感器測定樣品中的亞硝酸鹽含量，可間接測定空氣中NOx的濃度，其檢出限為1*10-8mol/L。今后，生物工程技術由于其快速、靈敏、特異性強的特性，將在環(huán)境監(jiān)測中廣泛應用。

3 生物工程在廢水處理中的應用

廢水中所含的污染物質是多種多樣的，需要幾種方法組成一個多層次處理系統(tǒng)。物理方法一般適用于預處理，化學方法容易產生二次污染；利用生物工程措施凈化廢水則是利用生物的新陳代謝作用，對廢水中的污染物質進行轉化和穩(wěn)定，將廢水中污染物轉化為無毒、無害、穩(wěn)定的物質。

固定化微生物技術。這是生物工程領域的新技術，利用基因工程技術將一些具有特異性的優(yōu)勢菌種不斷得到改造或創(chuàng)造，將這些具有脫色菌、脫氮、脫磷等高效專性菌進行固定化后，菌體密度提高，極大提高了處理工業(yè)廢水和分解難生物降解的有機物質的效率，具有明顯優(yōu)勢。

生物反應器技術。在活性污泥中加入既有固定載體又有流動載體，既有好氧又有厭氧固定膜的反應器，大大增加反應體系中的生物量和生物類群，運用發(fā)酵工程原理，最高水平地發(fā)揮微生物降解污染物的生物活性。此法可提高生物處理的效率，節(jié)約大量的人力，簡化操作程序。

生物強化處理技術。通過向廢水中加入優(yōu)勢菌種或通過基因工程技術產生的“超級工程茵”，形成高效生物膜，以去除有害物質。常見的方法有：高濃度活性污泥法、生物-鐵法、生物活性炭法。

隨著污染日益嚴重、環(huán)境標準的不斷提高、科學技術的進步，利用生物工程技術開發(fā)了不少處理廢水的新工藝和技術。如升流式厭氧污泥床（USAB）生物處理技術、厭氧折流板反應器（ABR）生物處理技術、間歇式活性污泥法（SBA）生物處理技術、吸附-降解（AB）生物處理技術等。

4 生物工程技術在固體廢棄物處理中的應用

固體垃圾處理的常用方法有：堆肥、填埋、焚燒。堆肥法和填埋法利用了生物學原理，通過“無害化、資源化、減量化”措施處理的廢棄物，可作為肥料使用，實現廢物資源的二次利用。國內張玲、凌云、孫立明、王建香等研究人員都研究了復合微生物菌劑在堆肥和填埋處理中的應用，并取得很好效果。國外有研究人員用蚯蚓床處理有機垃圾和糞便。蚯蚓床處理可以將廢棄物轉變?yōu)闊o臭味、肥效高的蚯蚓糞土，蚯蚓本身也是很好的醫(yī)藥原料和優(yōu)良飼料，效果顯著。

生物工程技術對于消除白色污染亦有重要意義，主要表現在以下幾個方面：（1）利用基因工程技術可以篩選優(yōu)勢微生物、構建高效降解菌，并通過發(fā)酵工程技術大量培養(yǎng)，達到降解白色污染物的目的。（2）利用基因工程技術將能編碼降解蛋白的基因導入某一土壤微生物（如：根瘤菌）中，使兩者同時發(fā)揮各自的作用，迅速降解塑料等白色污染物。（3）通過基因工程方法，利用微生物生產可降解塑料。

5 生物工程在大氣污染治理中的應用

廢氣的生物處理和空氣凈化主要是指利用微生物吸附分解有機物能力和降解惡臭物質與有機廢物的方法，主要方法有生物洗滌、生物過濾、生物吸附法等。這些方法具有成本低、效率高、消耗低、安全性好和無二次污染等優(yōu)點，比傳統(tǒng)廢氣處理方法優(yōu)勢明顯。此外，還可通過減少生產過程的污染物排放，從源頭上減少污染物。酸雨的主要原因是燃煤產生的高濃度SO2，可以通過微生物脫硫技術減少SO2的排放。

6 生物工程在土壤污染治理的應用

土壤污染主要包括重金屬污染、農藥殘留、土壤板結等方面。我國土壤重金屬污染物主要來源于工業(yè)廢渣、污水灌溉、生活垃圾等。土壤是人類生存的基礎，我們既要保證18億畝耕地紅線，又要保證土壤的質量，生產健康的食品。

重金屬難以降解，是土壤污染的重要污染源且對人體健康危害極大。重金屬污染土壤生物修復技術包括植物修復和微生物修復。生物修復的主要原理是利用或通過基因工程技術改造微生物、動物和植物等生物的功能，將重金屬吸附或轉化為無毒產物。主要通過以下兩種方法實現對重金屬的凈化：（1）通過生物作用，改變重金屬在土壤中的化學形態(tài)，降低其移動性和生物可利用性；（2）通過生物吸收、代謝，削減、凈化與固定重金屬。

另外，農業(yè)生產中，80%以上的農藥會殘留在土壤之中，其中的磷、氯代烴等是造成污染的主要物質。運用現代微生物技術可以將這些有害物質分解為H2O和CO2等無毒無害或毒性較小的其他物質，不會對環(huán)境造成破壞。

7 結語

綜上所述，生物工程已經在環(huán)保領域得到了廣泛應用，并產生了重要的作用和深遠的影響。隨著現代生物學技術的迅猛發(fā)展和相關工程技術的提高，生物工程在環(huán)保領域中必將發(fā)揮更積極的作用，擔當更重要的角色，帶動整個環(huán)保事業(yè)邁入新發(fā)展。

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