環(huán)境生物技術的應用及發(fā)展前景*

楊 紅 杜 輝 陶雪娟

(上海市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所， 上海 201403)

環(huán)境生物技術的應用及發(fā)展前景*

楊 紅 杜 輝 陶雪娟

(上海市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所， 上海 201403)

進入2l世紀以來，減輕環(huán)境污染和遏制生態(tài)惡化趨勢已成為人們關注的焦點。環(huán)境生物技術是直接或間接利用生物或生物體降低或消除污染物，凈化環(huán)境或生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術。現(xiàn)從廢水、廢氣與有害廢物的生物處理技術以及生物分解塑料技術、EM生物技術等方面論述了環(huán)境生物技術研究進展，并探討了該技術的發(fā)展趨勢。

環(huán)境生物技術；生物處理技術；生物分解塑料；EM生物技術

環(huán)境生物技術(Environmental Biotechnology)是一門多學科相互交叉滲透的新興邊緣學科，它主要是由生物技術、環(huán)境工程和生態(tài)學等學科組成，是以微生物為介質(zhì)，為人類提供服務的技術科學[1]。環(huán)境生物技術的核心是依據(jù)各類微生物的生態(tài)活動規(guī)律，可在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、工業(yè)等方面應用，尤其是為從根本上解決相關環(huán)境問題提供了希望。該技術涉及基因工程、酶工程、細胞工程、水處理工程、生態(tài)工程等工程與技術，并奠基于眾多學科的基礎理論[2-3]。

改革開放初期，我國經(jīng)濟是粗放式的增長方式，資源投入高，能源消耗大，環(huán)境污染嚴重。進入21世紀以來，我國經(jīng)濟發(fā)展取得了舉世矚目的成就，然而隨之而來的各種環(huán)境問題已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，將生態(tài)文明建設放在突出位置，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關系是社會發(fā)展的必然選擇[4-5]。鑒于此，筆者主要從廢水、廢氣與有害廢物的處理以及生物塑料技術、EM生物技術等方面論述了環(huán)境生物技術研究進展，并探討了該技術的發(fā)展趨勢，以期為我國環(huán)境生物技術的進一步發(fā)展提供參考。

1 環(huán)境生物技術的優(yōu)勢

環(huán)境生物技術是直接或間接利用生物或生物體降低或消除污染物，從而達到凈化環(huán)境或生產(chǎn)有用物質(zhì)的目的[6]。環(huán)境生物技術較其他技術與方法有不可比擬的優(yōu)越性，利用該技術處理后的最終產(chǎn)物大多是無毒無害的穩(wěn)定物質(zhì)，如CO2、H2O、N2和CH4等，有效避免了多次污染。例如，微生物可將污染物作為代謝底物降解或轉(zhuǎn)化，因此，利用微生物治理環(huán)境污染具有治理效果好、成本低、無二次污染等優(yōu)點[7-8]。另外，利用生物處理技術處理的產(chǎn)物或副產(chǎn)品大多能生物降解或作為資源加以利用，有效提高廢物利用率和降低生產(chǎn)成本。因此，環(huán)境生物技術具有較大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對資源消耗大、環(huán)境污染嚴重的發(fā)展中國家具有極大的應用前景。

關于環(huán)境生物技術的研究內(nèi)容，國內(nèi)學者認為可包括以下幾方面：(1)現(xiàn)代環(huán)境生物技術，是指以基因工程為主導的生物防治技術，包括構建降解殺蟲劑、除草劑、多環(huán)芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌，為快速、有效地解決日益出現(xiàn)的大量環(huán)境難題開辟了新的途徑；(2)以廢物的生物處理為主要內(nèi)容，包括在新的理論和技術支撐下，開發(fā)一系列廢物強化處理工藝；(3)主要包括氧化塘、人工濕地和農(nóng)業(yè)、生態(tài)工程等，其特點是最大程度地發(fā)揮自然界的生物環(huán)境功能，投入資金少，且易于操作管理[9-11]。

2 環(huán)境生物技術應用的研究進展

環(huán)境生物技術的起源可追溯到100多年前的活性污泥工藝，隨著其理論和實用技術的不斷發(fā)展，該技術在治理環(huán)境污染、改善環(huán)境質(zhì)量方面起到了積極作用。近年來，隨著現(xiàn)代生物技術的發(fā)展，尤其是基因工程、細胞工程等現(xiàn)代分子學生物技術的出現(xiàn)，為環(huán)境科學的發(fā)展帶來了新的機遇，為生物技術在環(huán)境領域的應用奠定了重要的理論基礎[12]。近幾年的實踐證實，環(huán)境生物技術是一種經(jīng)濟效益佳、治理成效好、可持續(xù)利用與發(fā)展的重要環(huán)境治理手段，是當代環(huán)境科學發(fā)展的主導方向。

2.1 廢水的生物處理技術

廢水生物處理技術是利用水體中微生物的新陳代謝功能，使水體中的有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定而又無害物質(zhì)，從而達到凈化水質(zhì)的目的。利用生物法處理廢水類似于酶工程、發(fā)酵工程等，是利用生物細胞產(chǎn)生的多種酶進行的催化反應。生物法在廢水處理中的主要方法有活性污泥法、生物膜法、厭氧處理技術、自然生物處理法等[13-16]。

2.1.1 活性污泥法

指微生物利用廢水中的有機物，與之生長繁殖形成絮凝體，該方法是最傳統(tǒng)的好氧生物處理技術。它能從污水中去除溶解性的、膠體狀態(tài)的可生化有機物或能被活性污泥吸附的懸浮固體以及其他物質(zhì)，同時還能去除一部分磷素和氮素等?；钚晕勰喾捌溲苌牧脊に囋诔鞘形鬯幚碇斜粡V泛應用。

2.1.2 生物膜法

利用微生物附著在載體表面形成一層生物膜，污水在流經(jīng)載體表面時，通過微生物對有機物的吸附、與微生物發(fā)生各種化學反應或氧氣向生物膜內(nèi)部的擴散等，形成CO2、H2O等各種代謝產(chǎn)物。生物膜法具有污泥量小、易于固液分離、膜的生物活性高、反應穩(wěn)定等優(yōu)點。利用該方法時，污染物、溶解氧以及各種營養(yǎng)物必須要由液相擴散到生物膜表面或內(nèi)部才能被轉(zhuǎn)化或分解。

2.1.3 厭氧生物處理法

在厭氧狀態(tài)下，污水中的有機物被厭氧細菌分解、代謝、消化，使得污水中的有機物含量大幅減少，同時產(chǎn)生沼氣的一種高效的污水處理方式。該方法的優(yōu)點是產(chǎn)生的沼氣是很好的家庭生活和發(fā)電能源、無需攪拌和供氧，能量消耗少、可處理高濃度的廢水；缺點是初次啟動需要的時間較長、對溫度的要求較高、處理后的水質(zhì)很難達到直接排放標準。

2.1.4 自然生物處理

主要包括穩(wěn)定塘和土地處理系統(tǒng)。生物穩(wěn)定塘法是在穩(wěn)定的塘內(nèi)引種水生植物，達到凈化水質(zhì)的目的：該方法操作簡單，可作為引種的植物有茭白、水葫蘆、蘆葦、美人蕉等。土地處理系統(tǒng)是利用土壤及其微生物、植物根系等凈化廢水，同時也利用污水中的有機物(N、P、K等)促進植物生長，人工濕地是一種常見的土地處理系統(tǒng)，合理應用物種共生、物質(zhì)循環(huán)的原理，既治理了環(huán)境污染，又合理地進行了資源利用，其去污機理見表1。

2.2 廢氣的生物處理技術

圖1 微生物凈化廢氣流程

目前生物法已逐漸成為凈化有機廢氣和惡臭物質(zhì)的主要方法，且已開始在脫臭微生物的分離與純種鑒定等方面開展研究。荷蘭及德國已建立了500個生物脫臭處理裝置，負荷250～380 m3/(m2·h)。Demmer使用生物滴濾池處理NH3，去除率達90%[18]，我國在這方面的研究始于20世紀80年代末。姜安璽[19]等從篩選適宜微生物出發(fā)，進行了填料塔脫除硫系惡臭H2S、DMS、MT等的研究試驗，篩選到1株硫化氫氧化優(yōu)勢菌，并鑒定為化能硫桿菌。

2.3 有害廢物的處理技術

利用微生物還可處理環(huán)境中的有害廢物，如重金屬污染物、有毒有機物和高能放射性物質(zhì)、化學肥料等。用常規(guī)辦法處理這些物質(zhì)成本較高，而利用微生物處理技術則能有效降低成本。最近發(fā)現(xiàn)一種特別抗放射性物質(zhì)的細菌(Deincoccusradiodurans)，研究用其生物降解基因進行遺傳工程處理有害廢物。現(xiàn)已將廣譜假單孢菌酶—甲苯雙加氧酶(toluenedioxygenase)基因進行了克隆，即使在高電離輻射熒流光存在情況下，也能在D．radiodurans細菌中表達和有活性[20-22]。另外，固體廢棄物的處理方法也正向減量化、無害化、資源化方向發(fā)展，如固體廢棄物堆肥、城市生活垃圾填埋、發(fā)酵產(chǎn)生沼氣等。

2.4 生物分解塑料

生物分解塑料是指在自然界中，能被細菌、霉菌、藻類等微生物分解，且代謝物不會造成環(huán)境污染的塑料。與傳統(tǒng)塑料相比，生物分解塑料可降低30%～50%石油消耗，減少對石油等不可再生資源的依賴，同時還可與有機廢棄物(如廚余垃圾)堆肥處理，省去了人工分揀環(huán)節(jié)，提高了垃圾收集與處理的工作效率[23-24]。目前，生物分解塑料按其作用效果可分為完全生物降解塑料和破壞性生物降解塑料[25]，按其原材料來源可分為以下4種：可再生的天然生物質(zhì)資源、由可再生天然生物質(zhì)資源通過生物合成的聚合物、利用石油副產(chǎn)品化學合成的聚合物、以上3種材料的混合物。

2.5 EM生物技術

EM是一種復合微生物菌劑，是20世紀80年代初由日本琉球大學教授比嘉照夫研制。由于該制劑能把5科10屬80多種具有不同性質(zhì)和作用的有效微生物(主要是乳酸菌類、光合菌類、酵母菌類、發(fā)酵絲狀菌類、革蘭氏陽性放線菌類等)復合在同一種液體中，并以活性狀態(tài)共同存在，所以EM用途十分廣泛[26]。目前全世界已有100多個國家和地區(qū)，在工業(yè)污水和生活污水處理、垃圾濾液處理、有機物處理、江河湖泊水質(zhì)處理、畜禽養(yǎng)殖污染治理等領域廣泛應用。據(jù)研究，使用EM生物技術處理城市生活污水，BOD5可降低70.7%～90.3%，COD可降低60%～80%[27]；王平等[28]通過構建有效微生物好氧生物濾池反應器 (EM—SBR)，證實EM對啤酒工業(yè)廢水中COD和BOD去除率為94．53%和96．47%；黃永春[29]研究證實，在養(yǎng)蝦的水中投入EM，與傳統(tǒng)養(yǎng)殖相比，異養(yǎng)細菌數(shù)量減少40.0%，弧菌數(shù)量減少7.8%，光合細菌數(shù)量增加98.2%，放線菌數(shù)量增加 99.2%，蝦成活率提高23.08%，餌料系數(shù)下降 9.4%，利潤提高16.1l%。EM處理污水的作用機理還不清楚。另外，目前EM生產(chǎn)成本高、劑穩(wěn)定性差且不易保存，因此，在今后的技術研究中應重點解決上述問題，從而推進EM生物技術在我國環(huán)境保護領域的廣泛應用。

3 環(huán)境生物技術的發(fā)展趨勢

3.1 微觀化

以生物反應器為主要對象的微觀解析。一方面，以核酸雜交技術為主的分子生物學技術的應用以及代謝組學、基因組學的發(fā)展，為篩選和利用各種環(huán)境功能微生物、監(jiān)測和調(diào)控生物反應器創(chuàng)新了方法和手段，并為在分子水平上闡述分子適應性等問題提供了可靠的理論依據(jù)。另一方面，納米技術、激光共聚焦顯微鏡、化學芯片等先進工具和技術手段的迅速發(fā)展，從微觀角度探索環(huán)境生物技術的過程、本質(zhì)和機制提供了極大的便利。

3.2 集成化

環(huán)境中污染物的組成極為復雜，單靠一兩種生物技術難以凈化。在當前實際應用中，雖然已將各種單元生物技術按一定的工藝流程組合起來，但其合理性與綜合效率的提高還有待于進一步研究探討。因此，根據(jù)污染物的性質(zhì)、組成狀態(tài)以及對治理后環(huán)境質(zhì)量的要求，研究基于不同原理的單元生物技術及其他技術的集成耦合是環(huán)境生物技術發(fā)展的必然選擇。

3.3 資源化

常規(guī)的環(huán)境生物技術在治理污染物的氧化過程中耗能較大，同時也失去了儲存在有機物內(nèi)的大量化學能，因此，今后的環(huán)境生物技術必須以低能耗和低資源損耗為前提，減少有機物氧化，盡可能多地回收資源并加以利用。目前，利用環(huán)境生物技術實現(xiàn)污染物資源化的途經(jīng)主要有：以廢物為原料生產(chǎn)清潔能源、生物分解塑料、生物農(nóng)藥等環(huán)境友好型材料。近年來，微生物燃料電池由于同時具備控制污染和產(chǎn)生電能等優(yōu)點，而成為環(huán)境生物技術領域研究的新熱點。

3.4 系統(tǒng)化

近年來，從環(huán)境污染物中分泌干擾素的生物降解技術備受關注，如何提高生物的降解效率、保證系統(tǒng)的生態(tài)安全性是今后該領域值得深入研究的問題。另一方面，目前的環(huán)境生物技術未考慮所產(chǎn)生的溫室氣體排放問題，隨著環(huán)境質(zhì)量標準的提高和對污染物控制的深入認識，人們會逐步認識到必須應用系統(tǒng)的觀點去研究和應用環(huán)境生物技術[30-33]。

4 環(huán)境生物技術的展望

環(huán)境生物技術發(fā)展前景廣闊，在今后的研究中應重點把握以下幾點：(1) 把解決水、能源等資源的可持續(xù)發(fā)展問題放在首位，在治理好環(huán)境的同時提供了更多的可再生資源；(2) 開發(fā)和采用更有效的分子技術工具，深入研究微生物的生態(tài)活動規(guī)律；(3) 綜合利用分子生物學、模型分析工具和采用新材料解決日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題；(4) 更加注重生物膜技術的研究。

綜上所述，環(huán)境生物技術不僅能有效解決環(huán)境問題，還能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。我國是一個污染嚴重的國家，且正處于經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的關鍵期，各級政府部門與相關科研單位應相互配合，充分利用我國的資源優(yōu)勢，借鑒國外該領域的先進技術與經(jīng)驗，有序、有重點地做好我國環(huán)境生物技術的基礎研究與應用開發(fā)。

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Application and Development Prospects of Environmental Biotechnology

Yang Hong，Du Hui，Tao Xuejuan

(Information Institute of Agricultural Science and Technology，Shanghai 201403,China)

alleviation of environmental pollution and controlling of ecological deterioration has increasingly become a major concern in the 21st century. Environmental biotechnology is a group of technologies that use directly or indirectly biological organisms for the purposes of reducing environmental pollution, purifying environment or producing useful substances. In order to provide theoretical basis for further development of environmental biotechnology in China, this paper summarizes the progress of biotechnology for wastes and hazard wastes treatment, biodegradable plastics and EM biotechnology, as well as the development trend of environmental biotechnology.

environmental biotechnology; biological treatment; biodegradable plastics; EM biotechnology

* 國家科技部項目“崇明縣低碳農(nóng)業(yè)示范園建設技術集成與示范”(2010BAK69B18)

2015-05-08；2015-06-13修回

楊紅,女, 1986年生,碩士,研究方向為:農(nóng)業(yè)水土環(huán)境保護。E-mail:yanghongxxsic2005@163.com

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