環(huán)保工程中生物技術(shù)的應(yīng)用

劉國英

摘要：近些年來，隨著工業(yè)的發(fā)展以及社會的不斷進(jìn)步，農(nóng)藥大量使用造成的污染和水污染已經(jīng)嚴(yán)重危害到人們的健康。在環(huán)境的治理和保護(hù)中，現(xiàn)代生物技術(shù)已成為不可缺的手段。該文介紹了固定化微生物技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)在水污染處理和農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用，為現(xiàn)代生物技術(shù)更好地應(yīng)用于環(huán)保工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù);農(nóng)藥監(jiān)測;環(huán)保工程;水污染

1 引言

現(xiàn)代生物技術(shù)是以DNA技術(shù)為先導(dǎo)，包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、微生物工程、蛋白質(zhì)工程和生物修復(fù)技術(shù)在內(nèi)的一系列生物高新技術(shù)的統(tǒng)稱[1]，是為人類提供服務(wù)的一項科學(xué)技術(shù)。生物技術(shù)是在常溫常壓下進(jìn)行的一種可持續(xù)化發(fā)展、節(jié)省能源、減少環(huán)境污染的利用模式，應(yīng)用過程簡單、可連續(xù)操作且節(jié)約能源、減少環(huán)境污染;在工作中可以生產(chǎn)純度較高、質(zhì)量高、安全可靠的生物制品的技術(shù)[2]?，F(xiàn)代生物技術(shù)主要應(yīng)用于以下4個主要領(lǐng)域：醫(yī)療保健，谷物生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)，谷物非食品利用和其他產(chǎn)品及環(huán)境的使用。

生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用已經(jīng)從最簡單的治理發(fā)展到了防治結(jié)合，以防為主，以治為輔[3]。其中，對白色污染的治理，通過篩選可以降解塑料的微生物形成高效降解菌，能夠使白色污染得到處理;在土壤修復(fù)中生物技術(shù)的應(yīng)用，可以把污染物進(jìn)行有效分解生成二氧化碳和水。通過利用現(xiàn)代生物技術(shù)工程，確保土壤微生物能夠?qū)崿F(xiàn)對塑料和農(nóng)業(yè)用膜的生態(tài)降解。在固廢的處理中，生物技術(shù)可以使廢棄物經(jīng)過微生物的分解變成優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，使廢物資源化，增進(jìn)城市固化物的優(yōu)化改良;基因工程還可以通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改變生物的特性得到不產(chǎn)生污染的物質(zhì)[4]。固定化微生物技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)在水污染的處理中做出了重大貢獻(xiàn)，生物技術(shù)中的生物傳感器的發(fā)現(xiàn)與運用為農(nóng)藥檢測提供了可能，一系列生物技術(shù)在保護(hù)環(huán)境的運用中表現(xiàn)出了不可替代的作用。因此，生物技術(shù)對環(huán)保工程的應(yīng)用越來越廣泛且越來越完善，其在環(huán)保工程中占據(jù)了重要地位。

2 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

2.1 水污染處理

2.1.1 水體污染現(xiàn)狀 水體污染是日常生活中常見到的污染現(xiàn)象，過多的污水排入到水中，超過水體的可容納量，經(jīng)過水體的自凈功能水質(zhì)仍無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。污染物不僅破環(huán)水中原本的環(huán)境，影響水體的功能，還會使居民生活用水和生產(chǎn)用水遭到破壞，威脅人們的身體健康，更破壞了水中生物的多樣性[5]。大量含有氮、磷的化工廢水排入水中，使水體營養(yǎng)富集化，出現(xiàn)赤潮和水華現(xiàn)象，嚴(yán)重危害水中生物的生存。大量污水直接排放到水中，造成了全國1/3以上的水域受到了嚴(yán)重污染，嚴(yán)重的水污染造成了我國水資源嚴(yán)重短缺。治理水污染已經(jīng)刻不容緩。利用生物技術(shù)中的微生物工程處理水體中的污染取得了顯著成效，其中固定化微生物技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)是比較有效實用的廢水污染的處理方法。

2.1.2 固定化微生物技術(shù) 固定化微生物技術(shù)是新發(fā)展的一項高科技創(chuàng)新技術(shù)，可以使一些難以處理的廢水問題得到改進(jìn)和創(chuàng)新，降低污染率，大幅度地提高了廢水處理的成功率，是當(dāng)前最為前沿的高科技技術(shù)之一[6]。固定化微生物處理技術(shù)主要運用于化糞池、隔油槽、排水管、城市污水處理廠以及工業(yè)廢水等的處理。可分為交聯(lián)法、包埋法和吸附法3種：

2.1.2.1 交聯(lián)法 新研制的聚集-交聯(lián)固定化微生物技術(shù)在廢水處理中得到了很大的應(yīng)用[7]。許以農(nóng)等通過活性艷紅X-3B染料模擬廢水，經(jīng)過固定化小球，一定量的海藻酸鈉溶解后與活性污泥混合然后滴入到7.5%的氯化鈉溶液中制作出固定化小球，最后把得到的產(chǎn)物用0.85%的氯化鈉溶液進(jìn)行沖洗，直到?jīng)_洗干凈為止。通過使用重絡(luò)酸鉀—分光光度法進(jìn)行測定，色度的測定用稀釋倍數(shù)法。實驗結(jié)果得出，在處理過程中數(shù)據(jù)顯示對印染污水處理時間在16h以內(nèi)色度去除率隨著時間的增加而增大，停留時間達(dá)到16h去除率達(dá)到峰值，16h后去除率明顯降低，色度去除率最高可達(dá)到78.09%[8]。通過此技術(shù)可以有效去除印染廢水，大大增加了水的循環(huán)利用率。

2.1.2.2 包埋法 包埋法包括無機(jī)載體包埋法和有機(jī)載體包埋法。無機(jī)包埋法是通過使用玻璃、二氧化硅等無機(jī)材料對微生物進(jìn)行固定。這些無機(jī)材料有較高的機(jī)械強度、對酸堿耐受力強，成本較低。張晨等通過把多孔陶粒、碳納米管和石墨等材料組合，然后包埋脫氮菌，最后進(jìn)行處理人工廢水，脫氮效果良好[9]。王亞飛等運用海藻酸鈉固定化顆粒與活性污泥的共生系統(tǒng)進(jìn)行含鋅廢水的處理，結(jié)果得出此方法可以高效去除鋅[10]。

2.1.2.3 吸附法 高吸附能力的物質(zhì)對微生物進(jìn)行吸附，然后將其固定化。吸附法包括物理和離子吸附法[11]。常用活性炭、麥稈等農(nóng)用廢棄物及沸石的吸附作用來處理含鈾廢水、硫酸銅廢水、氨氮廢水等，取得了良好的效果[12]。

2.1.3 生物修復(fù)技術(shù) 生物修復(fù)技術(shù)主要是通過利用一些微生物、藻類某些植物等的代謝活性改變污染物的化學(xué)或物理特性，主要應(yīng)用于土壤、地下水或海洋污染物的修復(fù)。這種技術(shù)又可以分為微生物、植物和動物修復(fù)技術(shù)3種。

2.1.3.1 微生物修復(fù) 對被重金屬污染的水體進(jìn)行修復(fù)。相關(guān)專家通過分離、純化、篩選活性污泥，活性污泥得到的霉菌能夠吸附水中的Cr（Ⅵ）離子[13]。通過對藤黃微球菌、產(chǎn)堿假單胞菌的吸附特性進(jìn)行的研究，得出這2種菌落能夠迅速吸附水體中的Cu2+、Pb2+，這2種物質(zhì)可以被這2種菌吸附，而且速度較快在短短的3min內(nèi)吸附量就可以達(dá)到總量的75%。最后微生物通過改變金屬離子及原子的形態(tài)，使其沉淀至底部，有毒重金屬得以除去[14]。此外，微生物修復(fù)還可以改變對金屬離子的價態(tài)，使離子可以溶解到某種液體，從而除去土壤中的有害物質(zhì)。

除了可以處理金屬污染物，還可以抑制藻類植物的生長，防止出現(xiàn)水華現(xiàn)象。近年來，由于生活和生產(chǎn)中大量排出含有氮、磷的污水使水體富營養(yǎng)化，使某些藻類大量繁殖出現(xiàn)水華，從而影響了水中生物的生存[15]。生物修復(fù)技術(shù)可以有效控制這種現(xiàn)象的處理，為此，有學(xué)者進(jìn)行了實驗：在蓄水池中投入Bpa-1017以防治藻類繁殖。在投加Bpa-1017后出現(xiàn)部分區(qū)域藻類繁殖量大時，然后用Eama-11進(jìn)行抑藻，在氣溫高的主汛期藻類容易大量繁殖所以要增大投加量，把檢測出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最后運用0.1mL浮游生物計數(shù)板進(jìn)行計數(shù)，計算藻細(xì)胞密度。在6月期間總細(xì)胞密藻類總密度出現(xiàn)明顯下降，各蓄水池的數(shù)值約在（5.79×107～7.7×107個）/L，由于受到氣候的影響，7—8月總細(xì)胞密度出現(xiàn)上升的情況，各池的數(shù)值上升至（8×107～15.94×107個）/L，從6月到9月的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出藻細(xì)胞密度總體控制在（6.83×107～7.96×107個）/L，明顯低于治理前，水體沒有暴發(fā)水華[16]。生物修復(fù)技術(shù)通過往污水中添加生物類抑制劑，使得水質(zhì)得到改善恢復(fù)了水中生物生存的環(huán)境，如果沒有生物修復(fù)技術(shù)水華現(xiàn)象的后果將不堪設(shè)想。

2.1.3.2 植物修復(fù) 經(jīng)過調(diào)查研究，植物根系可以吸收、降解、揮發(fā)或者固定住重金屬離子，然后達(dá)到水中污染物降低的效果，從而有效地治理水污染，修復(fù)水體[17]。該技術(shù)是一項綠色技術(shù)，不會對環(huán)境造成二次污染，最重要的是成本低，可以被大量采用。董家麟等，研究了8種水生植物對水中重金屬的富集能力，結(jié)果表明，水鱉科植物對Cu、Pb、Cd、Zn的富集能力最強;龍須眼子菜對水體中鉛、鎘去除效果最好;而對于水中鋅、鉛、鎘、銅等物質(zhì)，可以利用豌豆、向日葵進(jìn)行處理[18]。

2.1.3.3 動物修復(fù) 除了微生物、植物修復(fù)技術(shù)，動物修復(fù)技術(shù)在水污染處理中也取得了很好的效果，如甲殼類動物、貝類以及環(huán)節(jié)動物能夠?qū)λw中重金屬起到了一定的富集作用。半靜態(tài)雙箱模型進(jìn)行牡蠣重金屬富集作用模擬實驗，可以得出，牡蠣對于水中Hg、Cd、Pb等重金屬污染物有著很好的指示作用。在實際情況當(dāng)中，為了提高分解的速度，一般情況是采用了強化的手段，讓生態(tài)環(huán)境可以保持平衡的狀態(tài)下去修復(fù)一些污染物，使得這些污染物質(zhì)可以得到降解，分解成沒有污染性的一些物質(zhì)[19]。實踐表明，在大多數(shù)的情況下，其生物的修復(fù)技術(shù)相比傳統(tǒng)的生物技術(shù)法，有很好的經(jīng)濟(jì)性，不僅降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且對環(huán)境的污染程度較小，不存在二次污染;通過減少污染物的物質(zhì)濃度，進(jìn)而降低其污染的特性;修復(fù)時間短，對一些具有毒性的污染物有很好的分解效果[20]。

2.2 農(nóng)藥檢測

2.2.1 農(nóng)藥污染現(xiàn)狀 在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，大量農(nóng)藥的使用破壞了環(huán)境中的平衡，危害人類的健康。工廠排放的大量的二氧化硫形成酸雨，造成了我國糧食蔬菜和水果減產(chǎn)，林木死亡，更嚴(yán)重的使人類的呼吸系統(tǒng)疾病加重?；瘜W(xué)農(nóng)藥的大量使用，使農(nóng)殘蔬菜進(jìn)入了人們的生活，嚴(yán)重危害了人們的身體健康。因此，現(xiàn)在的嚴(yán)峻情況下，對農(nóng)藥的處理和檢測顯得越來越重要。

2.2.2 生物酶技術(shù) 這種技術(shù)在農(nóng)藥檢測中應(yīng)用廣泛。在農(nóng)藥檢測中這種技術(shù)處理功效較高，主要是將微生物與酶進(jìn)行有效的結(jié)合，然后對污染物進(jìn)行分解，從而達(dá)到處理污染物的結(jié)果，此技術(shù)可以增強環(huán)境監(jiān)測過程中污染的處理功效。它的使用可以降低微生物的生存要求，創(chuàng)造出適宜的溫度和酸堿度，提高微生物的作用效果，對污染物有針對性。

最近幾十年，為了防治農(nóng)作物被害蟲危害，大量的使用農(nóng)藥使得環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，為了監(jiān)測農(nóng)藥的污染，酶技術(shù)中使用膽堿酯酶對環(huán)境進(jìn)行檢測。它在被催化后可以水解生成膽堿和有機(jī)酸，科學(xué)家們通過研究和實驗得出，有機(jī)磷農(nóng)藥是此酶的抑制物，在農(nóng)藥檢測中運用此酶，通過測定它的活性，從而判斷出是否出現(xiàn)了有機(jī)磷的污染，并且靈敏度極高[21]。目前，此技術(shù)在不同的領(lǐng)域和環(huán)境都有利用的實例，在使用時可以充分地根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，從而采取更具有針對性和效力的方案進(jìn)行監(jiān)測。生物酶技術(shù)的污染治理成本較低，不需要引進(jìn)龐大的設(shè)備和裝置，具有顯著的治理效果。

2.2.3 生物傳感器技術(shù) 除了生物酶技術(shù)，利用生物傳感器技術(shù)可以實現(xiàn)對土壤、農(nóng)牧產(chǎn)品中有機(jī)污染的快速、便捷、低成本檢測，已經(jīng)成為了當(dāng)下各農(nóng)學(xué)和環(huán)境專業(yè)研究的熱點[22]。大量毒死蜱的使用已經(jīng)嚴(yán)重危害了人們的身體健康，為此科研人員利用Fe3O4納米顆粒、石墨烯納米材料、殼聚糖等復(fù)合修飾乙酰膽堿酯酶，研制出一種生物傳感器，可以有效檢測毒死蜱的濃度。將買來的白菜用高度純水沖洗后晾干，然后在蔬菜上噴入不同濃度毒死蜱農(nóng)藥，擱置一段時間，然后分2組稱取10g外層葉片打成汁，加入20.0mL的丙酮和pH7.0的0.1mol/L磷酸鹽緩沖溶液混合物進(jìn)行超聲處理30min左右，離心機(jī)分離超聲處理30min后取上清液。將三電極系統(tǒng)插入溶液中，運用循環(huán)伏安法和阻抗譜研究修飾電極的電化學(xué)性能，通過一系列的實驗得出，此生物傳感器可以成功測定農(nóng)藥中毒死蜱[23]。檢測結(jié)果線性相關(guān)準(zhǔn)確、精度高、出限低，適用于蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留物毒死蜱的快速檢測。

黃思靜等利用pH敏感水凝膠薄膜和有機(jī)磷水解酶制備了一種無線磁彈性傳感器[24]。通過有機(jī)磷水解酶可以分解有機(jī)磷化合物，水凝膠的pH值就會被改變，引起水凝膠的膨脹與收縮，通過測量可以檢測出有機(jī)磷農(nóng)藥。該傳感器用于對氧磷和硫磷的測定，檢出限分別為1×10-7mol/L和8.5×10-7mol/L。為了評價農(nóng)藥和實際廢水的生物毒性，經(jīng)過科學(xué)研究的電流型微生物傳感器，可以評價出農(nóng)藥和廢水的生物毒性[25]。生物傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，為環(huán)境污染物的分析與監(jiān)測提供了一項新手段，可以檢測出空氣中的農(nóng)藥含量，為人們的健康提供保障。

3 結(jié)語

生物技術(shù)的快速發(fā)展，使得環(huán)境保護(hù)和治理得以實現(xiàn)，固化微生物技術(shù)是水污染處理中先進(jìn)的處理方法，生物修復(fù)技術(shù)可以分別使用微生物、植物、動物進(jìn)行修復(fù)水體的污染。生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，有效地減少了重金屬污染物，保護(hù)了水生生物的生存環(huán)境。

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（責(zé)編：張宏民）