生物工程概论论文

生物技术与环境保护Biologicaltechnologyandenvironmentalprotection摘要文章重点阐述环境生物技术的进展，并介绍现代生物技术在环境保护方面的应用。Abstract:Thearticlefocusesonenvironmentalbiotechnologyadvances,andintroducedmodernbiologicaltechnologyapplicationinenvironmentalprotection.关键词生物技术环境保护生物应用Keyword:BiologicaltechnologyEnvironmentalprotectionApplicationofbiological一、我国环境保护的现状环境保护已成为当前国际关系、经贸合作中的一个极为重要的问题，也日益严重地影响着我国国民经济的可持续发展。在我国过去几十年的经济发展中，由于忽视了发展中的环境保护，目前环境状况十分严峻。近年来虽采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续。 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一，从城市到乡村，我国的大气、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。贵阳、重庆、北京、兰州等五个城市位于世界十大空气污染最严重的城市中之列，全国600多个城市中、大气质量符合国家一级标准的不足1%。全国范围的酸雨危害的程度和区域日益扩大。全国每年污水排放达360亿吨，仅10%的生活污水和70%的工业废水得到处理，其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准。其他未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破坏。据统计，全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中，属4类和5类水体的占39%；城市地面水污染普遍严重，并呈进一步恶化的趋势，136条流经城市的河流中，属4类、5类和超过5类标准的高达76.8%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富营养化程度逐年加剧；一些地区的饮用水源受到严重污染，对人民健康造成严重危害。城市垃圾和工业固体废弃物与日俱增，工业废弃物累计堆积量已超过66亿吨，占地超过5万公顷，使200多个城市陷入垃圾包围之中。严重的生态破坏，加重了1998年的长江洪水灾难，给人民的生命财产及国民经济造成了严重损失。[1]当前我国社会经济仍然保持着高度发展的态势，环境保护的压力将进一步加重，由人类活动所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约我国社会和经济可持续发展的障碍。据中国社会科学院1998年度调查和估计，我国环境污染和生态破坏造成的经济损失每年超过2000亿元人民币。如何在经济高速发展的同时控制环境污染，改善环境质量，以实现社会经济可持续发展之目标是我国目前亟待解决的重要问题。当今世界各国已普遍接受“可持续发展” 这一全新的概念，并围绕它制定和实施本国的环境保护及其相关的产业政策。可持续发展要求在保持经济高速发展的同时，必须保护好人类赖以生存的环境。环境和经济及贸易挂钩是当前国际政治及经济关系发展中的新形势。例如，在日元贷款中，环保贷款已成为非常重要的组成部分。ISO14000系列国际环境管理标准，将要求企业承担相应的环境保护责任，并对达到该标准的企业给予认证。没有得到认证的企业的产品，在出口时将有可能面临被国外政府以未承担环境保护的责任而拒绝进口；同时，国外大型企业也可能因害怕和这些未达到该标准的企业合作而影响其形象，从而中止和这些企业的合作。至2003年，ISO9000系列质量标准将和ISO14000系列环境管理标准统一成一个标准，从而将进一步强化环境保护对企业发展的重要意义。因此，良好的环境保护将加强我国企业的国际竞争力。否则，在当前国际贸易中保护主义盛行的情况下，我国将可能面临因环境问题而被排斥在国际贸易之外的危险。然而，我国现有的环保科技水平仍较低，缺乏可被应用的高科技成果及高技术人才。而可持续发展这一方针的最终实现必须依靠科技进步，特别是高新技术的应用。仅靠传统的污染防治技术和手段，已远远不能满足伴随人类科技进步带来的污染物产生速度和人类对生存环境质量的要求，必须另辟新的途径。20世纪科技进步和社会发展已充分证明了高科技的作用，当前的科索沃战争显示，如要摧毁一座桥梁，过去几百架次飞机也不一定能够成功的事情，而今只需最多两枚导弹即可达到，因此只有发展和掌握高科技技术才能在当今的国际竞争中立于不败。[2]二、现代生物技术与环境保护　　现代生物技术是以DNA分子技术为基础，包括微生物工程，细胞工程，酶工程，基因工程等一系列生物高新技术的总称。现代生物技术不仅在农作物改良、医药研究、食品工程方面发挥着重要作用，而且也随着日益突出的环境问题在治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。自20世纪80年代以来生物技术作为一种高新技术，已普遍受到世界各国和民间研究机构的高度重视，发展十分迅猛。与传统方法比较，生物治理方法具有许多优点。1、生物技术处理垃圾废弃物是降解破坏污染物的分子结构，降解的产物以及副产物，大都是可以被生物重新利用的，有助于把人类活动产生的环境污染减轻到最小程度，这样既做到一劳永逸，不留下长期污染问题,同时也对垃圾废弃物进行了资源化利用。2、利用发酵工程技术处理污染物质，最终转化产物大都是无毒无害的稳定物质，如二氧化碳、水、氮气和甲烷气体等，常常是一步到位，避免污染物的多次转移而造成重复污染，因此生物技术是一种既安全又彻底消除污染的手段。3、生物技术是以酶促反应为基础的生物化学过程，而作为生物催化剂的酶是一种活性蛋白质，其反应过程是在常温常压和接近中性的条件下进行的，所以大多数生物治理技术可以就地实施，而且不影响其他作业的正常进行，与常常需要高温高压的化工过程比较，反应条件大大简化，具有设备简单、成本低廉、效果好、过程稳定、操作简便等优点。 　　所以，当今生物技术已广泛应用于环境监测、工业清洁生产、工业废弃物和城市生活垃圾的处理，有毒有害物质的无害化处理等各个方面。[3]　三、生物技术在环境保护中的应用1污水的生物净化　　污水中的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。当今固定化酶和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，即是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，如德国将能降解对硫磷等9种农药的酶，以共介结合法固定于多孔玻璃及硅珠上，制成酶柱，用于处理对硫磷废水，去除率达95%以上；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废水也已实际应用于废水处理。[4]2生物农药　　 化学农药的应用，对控制农作物的病虫害，增加农作物产量起了重要作用，但对人类的健康和生存环境却构成了很大的威胁。据统计，现有30%的杀冲剂，50%的除草剂和90%的灭菌剂在动物实验中引起肿瘤。美国国家科学院的研究报告说，目前食品中的杀虫剂残留量严重超标，比儿童安全量高出100~150倍。农药的使用还使土壤受到污染和破坏。国际上从60年代开始发展起来的生物农药是生物防治病虫害的一支新军。传统的生物防治是利用“天敌”来杀虫除害。这虽可减少化学农药的使用，减少农药的化学污染，但饲养和释放“天敌”，不仅费时费工，耗资巨大。而且在突发性病虫害前常措手不及，无能为力。而生物农药却可解决这个难题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。[5]四、环境生物技术的重要进展环境污染是人类社会在21世纪必将面临的四大难题之一，空气、水体和土地资源的污染越来越严重，不但影响了国民经济的可持续发展，甚至已威胁到人类的健康、智力乃至生存，因此全球各国近几年都在寻找新的途径和方法，以治理和解决环境污染问题。我国是一个发展中国家，经济水平和科技总体水平离国际发展水平仍有相当差距，这就要求我国在科技发展特别是环保高科技发展上，需跟踪国际前沿，与国际上同步开发未来可能应用的高新技术。以下重点介绍几项经多年开发，已接近产业化的环境生物技术。1高硫煤微生物脱硫技术 煤炭是世界能源的重要组成部分，我国是世界上最大的产煤国和煤消耗国，煤炭占我国一次能源的3/4，高硫煤储量约占总储量的1/3，并且高硫煤开采比例也逐年上升，而黄铁矿硫约占总硫的60%。煤中通常含有0.25％～7%的硫，如我国西南地区煤平均含硫量为3.23%，西北地区为3.05%，中南地区为2.02%，华北地区为1.65%。煤炭中的硫分为可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸盐，可燃硫包括无机硫和有机硫。可燃硫经燃烧生成SO2随烟气排入大气，导致了严重的环境污染，造成的经济损失每年达数百亿元。据报道，1997年，我国的SO2年排放量已达2346万吨，居世界第一位，62%的城市大气SO2日平均浓度超过国家三级标准；全国酸雨区面积已占国土面积的30%，华中酸雨区酸雨频率高达90%以上。预计2000年我国一次能源的消耗量将超过12亿吨。SO2年排放量将会达到3822万吨。《中国21世纪议程》中指出：“发展少污染的洁净煤技术是中国政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要方面，也是促进中国以煤为主的能源系统向环境无害的可持续发展的模式转变的战略组成部分。”可见洁净煤是中国能源的未来。我国是一个发展中国家，经济还比较落后，如何采取可持续发展的战略，开发廉价的、操作简便的煤脱硫技术，将具有深远的经济和环境保护意义。在众多的煤洁净、脱硫技术中，煤的燃前脱硫技术，其脱硫成本仅相当于洗涤烟气脱硫的1/10，同时燃前脱硫便于大规模、全面地控制燃煤的二氧化硫、粉尘排放，因而受到各国的高度重视。与现有的物理、化学法相比，微生物洁净技术具有投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新的污染，并可和现有的物理洗煤过程相结合，脱除其中的灰分，而煤基本无损失，且可提高煤的燃值，因而受到许多国家政府和企业的极大关注，竞相开发这一技术。煤的微生物洁净技术(主要是脱硫、脱尘)研究是在生物沥滤铜、铀等金属的基础上发展起来的。煤炭中的硫分主要包括有机硫和无机硫、无机黄铁矿硫以及少量的硫酸盐硫。其中，相比有机硫分、黄铁矿硫(FeS2)较易去除，早期的研究主要利用Thiobacillus ferrooxidans自养菌在几天时间里将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水中而排出，该方法可去除约90%的无机硫，使某些煤的含硫量降至1%以下。虽然该方法脱硫效率较高，但缺点是处理的时间较长，并要求较大的反应器容积和较细的煤炭粒径。意大利、荷兰、英国和德国等国参加的欧共体项目已在意大利的NorthSardinia煤矿建立了一个利用煤微生物脱硫净化技术的示范工程，进行应用微生物脱除煤中无机硫及有机硫的工业化实验。实验结果显示，该方法要溶解黄铁矿需花1～2周的时间，煤粒要求细小。同时国际研究机构的实验显示，该方法的技术可行性虽已无障碍，但该方法能耗较高，所需场地较大，经济可行性较差。为提高脱硫效率，近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合，即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。另外，该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，所以也具有脱去灰分的优点。A.S.Atins等采用Thiobacillusferrooxidans菌在煤炭粒度0.15±0.075mm、煤浆浓度2%、细菌浓度3.26×1010个/g、pH2的条件下，对美国一种高硫煤(总硫＞10.4%，黄铁矿硫＞5.9%)处理2分钟后，用常规浮选分离，结果精煤总硫降至6～6.45%，黄铁矿硫脱除率达75%以上，而若无细菌处理，精煤总硫仍高达10.2%，基本没有脱除。Attia等对皮兹堡两种含硫分别为3.8%(黄铁矿硫1.9%)和1.59%的煤样利用微生物进行了约10分钟的处理，前一种煤样黄铁矿和灰分的脱除率达到80%和60%以上，另一煤样也显示了相似的结果。日本Ohmura等也开展了一系列类似的研究，取得了良好的脱硫效果。目前，浮选法微生物脱硫已成为国际上洁净煤技术开发的热点。我国在煤的微生物脱硫方面的研究起步较晚，80年代中期后，我国一些研究人员在利用微生物进行煤脱硫(包括有机硫)方面开展了一些基础研究工作。从松藻煤矿分离到氧化亚铁硫杆菌，在pH1.55～1.70的条件下，利用浸出法可使黄铁矿硫的去除率达到86.11％～95.16%。 国家环境保护总局资助，中国环境科学研究院生物工程重点实验室进行了浮选法微生物脱硫工艺的可行性研究。结果显示该工艺是相当可行的。在中性条件下，经约30分钟的微生物处理，可脱除无机硫达60%，比纯物理浮选提高约1倍。目前该技术正进行扩大规模试验，预计将在未来1～2年内完成，从而为该项目的产业化奠定基础。[6]2石油污染土壤的生物修复人类的生产活动，当代工业的迅速发展，大量的人造化学物质排放入环境中，对资源和环境构成越来越严重的破坏。化石燃料的开采和使用，工业三废的排放，给我们赖以生存的环境造成难以估量的污染，比如在国外仅石油的开采、运输、储存以及事故性泄漏等原因造成每年约有1000万吨石油烃进入环境(不包括石油加工行业的损失)，另外全世界各国每年大约使用1500万吨的各种农药广泛喷洒于面积巨大的农田，引起土壤、地下水、水系和海洋的严重污染，破坏生态平衡，不仅制约了经济的发展，而且影响到人类的健康和生存。我国如华北油田周围的很多农田由于原油污染而无法耕种，每年都要支付大量资金作为对农民的赔偿。黄河水系年平均含油最高可达4.82mg/L，辽河水系年平均含油最高可达7.68mg/L，明显地超过了国家三级地面水的标准(＜0.1mg/L)。有的甚至污染到地下水资源，如山东淄博地区地下水最高含油达到了100mg/L以上，超过国家标准(＜0.1mg/L)1000倍以上。全国各地的储油场所也已开始渗漏污染到地下水，严重威胁了地下水资源的水质，石油污染是1998年发生在渤海的1 万平方公里赤潮的主要原因之一。有鉴于此，世界各发达国家纷纷制定了环境修复计划，如荷兰在80年代已投资15亿美元进行土壤污染的修复，德国在1995年一年就投资60亿美元净化土壤污染，英国、法国、日本、俄罗斯等也相应投巨资进行环境污染的修复。据《21世纪生物技术：新的方向》一书介绍，美国在90年代中，每年都投资几百亿美元进行污染环境的修复，该书分析：如果采用传统的修复方法(物理和化学方法)来治理美国本土陆地上的环境污染，就需要投资1.7万亿美元，而如果采用生物修复技术，而只需3400～6000亿美元的投资，也就是传统方法所需投资的1/5～1/3。该书还分析：在今后若干年内，美国市场对生物修复技术服务及其生物产品的需求将以每年15%或更高的速度增长，到2000年生物修复技术的纯利润将超过5亿美元。针对严重污染的环境，我国尚未采取大规模的治理措施，仅在少数地区开展了治理，并以物理化学方法(如洗脱、吸附)为主，不仅投资成本高，而且也造成了二次污染。我们的国土面积比美国略大，且环境污染还更为严重，对全国范围的污染环境进行修复，若采用传统方法，即使考虑劳动力相对便宜的因素，其投资规模将仍然非常庞大，如采用生物修复技术，不仅其投资规模大为缩小(仅需传统方法的1/5～1/3)，而且还没有二次污染。综上所述，环境污染的生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展的生物技术，更具有广阔的市场和发展前景。可充分预见，在21世纪，生物修复技术将成为我国生态环境保护领域最具有价值和最具有生命力的大面积污染的优选生物工程技术。[7]五、未来自本世纪70年代以来，发达国家就十分重视生物技术在环境领域的应用，并开展了大规模的科研活动。目前已开发了一系列的环境生物技术及其产品，并在世界上广泛应用于污水处理、大气净化及污染环境介质治理等诸多方面。例如，美国Charabarty构建的超级细菌可快速降解土壤和水体中的石油组分，该技术已获得专利，并在海湾战争中得到了应用。至今，英、法、德、荷等国已取得大量实用性的环境生物技术研究成果，部分已经商品化。如英国ICI公司的生物可降解塑料等环境友善产品(EnvironmentallyFriendlyProducts)，在世界上具有广泛影响。荷兰在环境生物技术的研究及应用中在欧洲居领先地位，自1982年以来，已利用环境生物技术治理并恢复了6000多处污染地，一批公司，如GistBrocedes公司已迅速发展起来。 环境生物技术的重要性已为众多的国家普遍接受，在发达国家，已成为优先发展及应用的环境保护新技术。例如，1996年6月在美国召开的，96环境生物技术大会上，生物恢复、工业水处理、空气处理和污染防治专题讨论均有相关政府和工业部门代表参加。1994年4月由美国生物工业组织(BIO)和白宫国家科学技术委员会组织的可持续环境中的生物技术大会上提出了基因工程微生物、优选微生物菌株和生物传感技术中可利用菌株等三大最新发展技术领域。这些技术领域的发展不单纯局限于工业末端处理和被污染系统的恢复，在污染防治或清洁生产方面具有同样重要的意义。例如，利用新型酶法生产代替传统化学生产、设计生物可降解原料、产品全生命周期分析等。1995年12月美国国家科学和技术委员会发表了由其基础科学委员会生物技术分委员会(BiotechnologySubcommittee)完成的《21世纪的生物技术：新的方向》(Biotechnologyforthe21stCentury:NewHorizons)的蓝皮报告，指出了生物技术在经历了第一次浪潮(医药和健康)后，迎来了第二次浪潮，这包括：1.农业生物技术；2.环境生物技术(主要是生物降解)；3.生物制造工艺/生物处理工艺，包括能源研究；4.海洋生物技术研究。其中的两大方面(2和3)均直接和环境保护有关。目前国际上许多环境生物技术成果已进入商品化、产业化发展。生物技术是水污染控制中最成熟也是最富有挑战性的技术，在国外的环保产业中一直是市场占有量最大的，并随着经济的发展，新污染治理的需要新技术工艺设备不断出现并产业化，美国在此领域内的年市场额达数百亿美元。数十项环境生物技术产品已获得有关国家政府部门的许可，进行野外应用实验，去除土壤和水体中的重金属和有毒有机化学物质。以美国为例，成立了相当数量的环境生物技术专业公司，部分产品已占领了国际市场，如AlenMurrayCorp的Clear-Flo系列微生物菌剂和日本的EM菌等可用于污染处理、污染水体恢复及空气净化等。Envirogen公司最近宣布已利用基因工程技术开发出一系列超级微生物菌剂，可用于污染水体、土壤、基质及空气的恢复及净化。[8]当前，环境生物技术在国际上已进入蓬勃发展的轨道。随着全球范围内对环境保护的高度重视和越来越严厉的环境法，市场对环境生物技术的需求越来越广泛。例如，美国的清洁空气法(CleanAirAct)实施后将形成高达几百亿美元的燃煤脱硫市场，其中预计微生物脱硫将达250 亿美元，而越来越低的燃油硫分标准也促进了石油微生物脱硫技术的发展，美国的BiosystemCo.正开展的产业化试验将大大推进该技术的发展。利用微生物制氢气和乙醇等可再生性清洁燃料，为彻底解决困扰人类的大气化石燃料污染，展示了光明的前景。多年来，由于全球范围内滥用化学品，特别是杀虫剂造成了大规模的水体、土壤污染，对其治理和恢复也将成为一个巨大的市场，非常保守的估计，在未来10年内全球市场达115亿美元。总之，环境生物技术，尤其是环境污染控制生物技术将具有广阔的市场前景。[9]随着环境生物技术的进展和市场开拓，其应用已从单个的环境目标治理，发展为广泛应用于环境保护的各个方面。环境生物技术已不单纯是一种污染治理技术，而已开始影响到包括其他行业的产业政策，促进各工业部门逐步以生物过程替代传统的化工过程，如利用生物酶制剂在造纸行业中，进行生物漂白，减少甚至彻底替代化学漂白，并最终在造纸工业中实现完全的生物制浆和生物漂白，彻底解决严重污染我国水环境的造纸黑液问题，使许多污染行业的工业生产真正进入无污染的清洁生产的轨道。目前，我国的环境生物技术处于刚刚起步阶段。该技术的进一步开发需要得到社会、同行及主管部门的广泛支持，大力开展以污染控制生物技术为主体的环境生物技术的研究，将大力推进生物技术在环境保护中的应用，并将通过生物高技术的发展带动整个环保科技的发展，解决我国目前和未来面临的严峻的环境保护问题，并为环保市场提供高品质的环境保护高技术。应该充分认识到环境生物技术开发对我国环境保护和社会、经济发展的重大意义。参考文献[1]陈坚.环境生物技术[M].北京：中国轻工业出版社，1999.[2]陈坚.环境生物技术[M].北京：中国轻工业出版社，1999.[3]刘大均.生物技术[M].南京：江苏科学技术出版社，1992.[4]刘大均.生物技术[M].南京：江苏科学技术出版社，1992. [5]国家环境保护总局.中国环境状况公告（2000）[N].中国环境,2000-06-16.[6]国家环境保护总局.中国环境状况公告（2000）[N].中国环境,2000-06-16.[7]杨京平.环境生态学[M].北京：化学工业出版社，2006.[8]李学静.生物技术在环境保护上的应用及发展前景[J].农业环境与发展，2002，（4）：1-4.[9]李学静.生物技术在环境保护上的应用及发展前景[J].农业环境与发展，2002，（4）：1-4.