生物工程在當(dāng)代環(huán)境問題中的應(yīng)用綜述

梁嘉駿

摘 要：人們改變自然的能力促使了人類社會的進(jìn)步和發(fā)展，人們?yōu)榱藵M足自身的需求，廣泛的攫取著大自然的資源和財富，然而環(huán)境的變化也影響著人們的生活。新世紀(jì)以來，自然界中資源的日益枯竭和環(huán)境污染的加劇極大影響了人們的日常生活和社會的進(jìn)步發(fā)展。現(xiàn)代化的生物工程技術(shù)為治理環(huán)境污染、環(huán)境保護(hù)提供了新的解決路徑，本文論述了生物工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生物工程;環(huán)境保護(hù);技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0003-02

0 引言

20世紀(jì)70年代，生物工程作為一個高綜合性的應(yīng)用學(xué)科進(jìn)行了跨越式的大發(fā)展，與其他基礎(chǔ)學(xué)科的聯(lián)系日益緊密，在全球各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著人類對資源的需求的提高，也逐漸意識到環(huán)境保護(hù)和資源的合理開發(fā)的重要性，生物工程技術(shù)因其自身的高效環(huán)保等特點，在環(huán)境保護(hù)方面具有極大的應(yīng)用潛力。本文通過深入探究生物工程的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題，旨在為未來生物工程在環(huán)保方向的更廣泛應(yīng)用助力。

1 環(huán)境問題及生物工程應(yīng)用價值

生物工程技術(shù)，即以生命科學(xué)原理為基礎(chǔ)，以生物有機體內(nèi)各種生化反應(yīng)及相關(guān)工程原理為核心的一項新興科學(xué)技術(shù)。生物工程技術(shù)治理污染的基本原理是借由生物抑制劑使污染源從自然環(huán)境中消解或排除，同時不對環(huán)境造成較大負(fù)性影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，各種生物工程技術(shù)的成果猶如雨后春筍般橫空出世，為世界環(huán)境的治理和人類文明的發(fā)展提出了越來越多的可行方案。

1.1 環(huán)境問題

自工業(yè)革命至今，人類社會和自然環(huán)境之間的矛盾變得愈發(fā)尖銳。從上個世紀(jì)80年代伊始，改革開放敲開了中國經(jīng)濟(jì)飛速增長的大門，中國速度引起國際熱烈反響。但是從河套平原的次生土地鹽漬化，到華北平原上的漫天沙塵，從黃土高原的水土流失，再到長江中下游平源上的濕地退化。越來越多生態(tài)環(huán)境問題正在警醒著國人：唯有掘棄“粗放式”和“掠奪式”的環(huán)境開發(fā)與生產(chǎn)活動，才能實現(xiàn)人類命運共同體的可持續(xù)發(fā)展。然而，根據(jù)有關(guān)部門的調(diào)查顯示，僅我國的鹽堿化土地就達(dá)到了1.8億公頃，近十年來有50億噸的土壤流失，全國“三廢”污染嚴(yán)重，有將近半數(shù)的城市在居民生活用水和社會生產(chǎn)用水上存在不同程度的缺口，因環(huán)境質(zhì)量下降而造成的疾病嚴(yán)重危害著居民的生活質(zhì)量與生命健康。

1.2 生物工程應(yīng)用價值

與純粹的化學(xué)反應(yīng)處理相比，生物工程技術(shù)的風(fēng)險更低，對環(huán)境的污染更小，原料與產(chǎn)物獲取的途徑與條件也更為簡便與溫和。生物技術(shù)不僅在處理環(huán)境污染方面速度快、消耗低、成本少，同時兼具了環(huán)保效率較高、無二次污染等優(yōu)點，有能從根本上為人類共同體的可持續(xù)發(fā)展助力的巨大潛力。20世紀(jì)50年代，隨著DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與中心法則的相繼提出，以DNA分子技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代生物體系開始崛起。例如將常規(guī)菌接受外來基因并能夠進(jìn)行超遠(yuǎn)緣性狀表達(dá)的基因工程、細(xì)胞工程，也有將基因重組而得的新物種進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)從而發(fā)揮其巨大效益的微生物工程，即酶工程和蛋白質(zhì)工程。如今，人類已將生物工程技術(shù)大規(guī)模地運用到了社會生產(chǎn)活動當(dāng)中。例如人類利用轉(zhuǎn)基因等生物工程菌，在發(fā)酵工程中大規(guī)模地進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)污染物的處理，最終令其分解成為對自然界無害的小分子無機物，達(dá)到人與自然的和諧共處的目的。蘇云桿菌抗蟲基因的成功導(dǎo)入，令棉花新物種擁有了抗菌的優(yōu)勢，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)藥的使用量驟減，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益中取得共贏。

2 生物工程在環(huán)保領(lǐng)域中的經(jīng)典應(yīng)用

日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題從國民心中的隱痛惡化為當(dāng)前迫在眉睫的大疾。本文將對生物工程技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的經(jīng)典應(yīng)用場景進(jìn)行梳理，為生物工程技術(shù)后續(xù)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2.1 污水治理

目前人類可通過發(fā)酵工程，利用微生物自身細(xì)胞內(nèi)正常的代謝活動，降解凈化污水中污染物。例如通過固定化酶或固定化細(xì)胞技術(shù)，大量吸附污水中的懸浮污染物，并在氧氣的作用下，將溶解的有機物氧化分解為簡單的小分子物質(zhì)，從而使污染物含量大幅度下降。在我國，利用固定化微生物膜降解有機污染物的方法也被廣泛研究和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，固定化技術(shù)可對多種含硫磷的農(nóng)藥的降解率超過95%，即便是處理洗滌劑濃度為100g/L的廢水，其污染降解率也可超過90%。生物膜法的優(yōu)點在于酶的利用率高、對水質(zhì)變動適應(yīng)性強、運行穩(wěn)定占地少，可實現(xiàn)封閉運轉(zhuǎn)防止臭味等優(yōu)點[1]。

除了好氧微生物處理外，污水的治理還可采用厭氧微生物處理工序。目前厭氧微生物污水處理工序已被大規(guī)模地應(yīng)用到了社會生產(chǎn)活動中的污水處理方面。厭氧微生物通過自身的生理反應(yīng)的共同作用下，經(jīng)過水解發(fā)酵階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段，含污水中的有機污染物分解為二氧化碳和甲烷的過程。在生態(tài)系統(tǒng)中，各營養(yǎng)級的能量是在傳遞中逐級遞減的，熱學(xué)第二定律也指出，孤立系統(tǒng)自發(fā)地朝著最大最大熵狀態(tài)演化，孤立系統(tǒng)的無序性是在不斷升高的，能量的總量并沒有減少，但品質(zhì)卻在不斷降低。厭氧生物反應(yīng)器除了擁有耗能低、代謝廢物少等優(yōu)勢外，還因為其技術(shù)本身能夠有效提高能源的利用效率和在緩解世界能源危機做出的獨特貢獻(xiàn)而備受青睞。相信人類通過進(jìn)行廢水好氧微生物處理技術(shù)和厭氧微生物處理技術(shù)的有機結(jié)合，定能夠令中國社會在自然與人類協(xié)調(diào)共處的關(guān)系上更進(jìn)一步。

2.2 城市廢棄物

工業(yè)廢氣，即因煤和石油燃燒而生成的二氧化硫、氮氫化合物等酸性氣體的混合氣體，嚴(yán)重空氣質(zhì)量。由于污染物性質(zhì)不同，如今生物工程技術(shù)在處理廢氣方面的應(yīng)用成效仍和污水凈化存在著較大的差距。但相比于傳統(tǒng)法中的空氣凈化工程而言，生物工程技術(shù)對于有害氣體的處理和轉(zhuǎn)化已凸顯出了巨大的優(yōu)勢。日本中央電力研究所已從土壤中分離出了一種硫桿菌[2]，它可以利用自身細(xì)胞內(nèi)特有的酶，將自身中的硫單質(zhì)氧化成為硫酸，把二價鐵離子轉(zhuǎn)化成為三價鐵離子，高效地實現(xiàn)了煤的脫硫，為技術(shù)的大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，憑借著自身的高效性與實用性，符合人類“源頭防治”和“綠色經(jīng)濟(jì)”理念的生物脫硫技術(shù)定能在日后大放異彩[3]。

2.3 污染土壤治理

垃圾掩埋處理是當(dāng)今固體廢棄物處理的主要方式，存在著占地大、二次污染嚴(yán)重等缺點。歐美等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)較為推崇的垃圾焚燒處理也存在著易產(chǎn)生氣體污染物、能源消耗大等短板。以上兩種措施均會產(chǎn)生不同程度的土壤污染問題?；诖?，應(yīng)當(dāng)利用生物工程技術(shù)改進(jìn)微生物的催化酶，高效分解土壤污染物，使其降解成為有益于生態(tài)環(huán)境的小分子物質(zhì)，達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益雙收的效果。

除了固體廢棄物外，重金屬離子也是土壤的另一大污染源。重金屬離子會與生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，從而破壞蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，令其失去生理活性。而蛋白質(zhì)又是生物體內(nèi)生命活動的主要承擔(dān)者，因此治理土壤中的重金屬離子污染刻不容緩。目前可通過微生物酶促等生理作用，對富含重金屬離子的被污染土地進(jìn)行凈化，改變重金屬離子的化學(xué)形態(tài)從而降低其在土壤中的移動性。通過應(yīng)用低溫微生物修復(fù)技術(shù)，也可有效對重金屬離子進(jìn)行吸附降解，從而修復(fù)被污染土地，減少水土流失和土地荒漠化的程度，加快綠色中國的建設(shè)[4]。

2.4 塑料分子治理

由于塑料分子單體間形成的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上塑料本身是一種非自然產(chǎn)物，生物圈中絕大多數(shù)的微生物體內(nèi)都缺乏有效降解塑料的酶。而且由于塑料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)行焚燒處理會釋放大量諸如甲苯、氯化氫的有害氣體，從而進(jìn)一步局限了傳統(tǒng)的垃圾處理方式在塑料上的應(yīng)用，因此發(fā)展新的塑料處理方式是本世紀(jì)環(huán)境保護(hù)的重要課題之一。由于塑料獨具的特性和便捷，在一定程度上決定了其在生產(chǎn)應(yīng)用中的不可替代性，目前除研發(fā)新型可自然降解的地膜外，尋找、培育、利用可高效降解塑料的生物體也是治理白色污染的一重要思路。微生物對塑料分解的關(guān)鍵在于促使其對塑料分子中的聚酯結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。同時也可采取細(xì)菌DNA重組技術(shù)，向目的菌株中轉(zhuǎn)入可轉(zhuǎn)錄翻譯出相關(guān)酶的DNA，創(chuàng)造出自然界中不存在的新型菌株，對塑料進(jìn)行高效、無二次污染的高效降解，從而達(dá)到綠色發(fā)展的要求[5]。

2.5 化學(xué)農(nóng)藥污染

濫用化學(xué)農(nóng)藥的后果是災(zāi)難性的。據(jù)估計，在人類向田野中施加的農(nóng)藥僅有百分之一左右可直接作用于害蟲身上，剩余的百分之九十九通過污染土壤和水源，在食物網(wǎng)中傳遞、富集，從而給人類的健康帶來危害。目前，為了緩解化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的污染破壞，除利用生物工程技術(shù)被動地修復(fù)生態(tài)外，還要積極主動地從源頭上解決問題，研發(fā)對環(huán)境負(fù)面效應(yīng)較低的生物農(nóng)藥。作為利用生物工程技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)化產(chǎn)品，生物農(nóng)藥包括有微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素制劑、微生物除草劑等，它們的主要成分大多是由生物代謝的、具有除雜草和防止害蟲侵害的有機物質(zhì)，極易在陽光環(huán)境下被植物或其它微生物降解，可有效避免其對生態(tài)造成污染或打破生態(tài)系統(tǒng)中的相對平衡。目前，人類已可通過施放外源激素，干擾農(nóng)作物害蟲正常的交配活動，從而改變害蟲的雄雌比例及年齡組成，長期將害蟲的種群密度穩(wěn)定在環(huán)境容納量的一半以下，達(dá)到了遏制害蟲過度繁殖、保護(hù)生產(chǎn)的目的。

2.6 環(huán)境保護(hù)與環(huán)境監(jiān)測

目前，國內(nèi)外涉足較多的是生物傳感器和應(yīng)用PCR技術(shù)生物芯片等高新生物技術(shù)。當(dāng)下PCR應(yīng)用較多的是環(huán)境水體腸道病原細(xì)菌的定量檢測以及食品中的致病細(xì)菌檢測等領(lǐng)域。PCR技術(shù)耗時周期短，在傳統(tǒng)法至少需10小時間基礎(chǔ)上，PCR技術(shù)僅需數(shù)小時即可完成對菌種的分析檢測，同時，通過設(shè)計通用引物，可使用實時熒光定量PCR的方法對水中病原體進(jìn)行監(jiān)控。如今，生物傳感器憑借其使用方便、成本低、省時易制作等優(yōu)點在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中引起廣泛關(guān)注，在商業(yè)化應(yīng)用的層面上，生物傳感器也取得了可喜的進(jìn)展。目前，如甲烷生物傳感器，BOB生物傳感器，乙醇生物傳感器，亞硝酸鹽生物傳感器等皆已投入到了應(yīng)用當(dāng)中，在未來中國社會發(fā)展中的應(yīng)用前景廣闊[6]。

3 結(jié)語

環(huán)境問題依然是全球關(guān)注的熱點話題，綠色、可持續(xù)的發(fā)展模式是大勢所趨，各個國家的生態(tài)工程建設(shè)開展地如火如荼。生物技術(shù)具備的高效率、成本低、毒害低等優(yōu)點會愈加凸顯，相信生物工程技術(shù)定將為人類命運共同體的構(gòu)建提供更多行之有效的方案。

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