環境生物技術

根據1919 年生物技術歐洲協會(European Federation of Biotechnology)之定義,「環境生物技術」是指生物化學,微生物學及工程技術相結合之整合性科學.主要目的是利用微生物,動物或植物應用於農業,環境,工業及健康照顧上,以發展永續事業。 ^[1] 

生物技術在處理環境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件温和以及無二次污染等顯著優點。隨着生物技術研究的進展和人們對環境問題認識的深入，人們已越來越意識到，現代生物技術的發展，為從根本上解決環境問題提供了希望。

生物技術應用於環境保護中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環境污染控制的生物。生物技術已是環境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各個方面，發揮着極為重要的作用。應用環境生物技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害的、穩定的物質，如二氧化碳、水和氮氣。利用生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現代生物技術的發展，尤其是基因工程、細胞工程和酶工程等生物高技術的飛速發展和應用，大大強化了上述環境生物處理過程，使生物處理具有更高的效率，更低的成本和更好的專一性，為生物技術在環境保護中的應用展示了更為廣闊的前景。

由於大部分有機污染物適於作為生物過程反應物(底物)，其中一些有機污染物經生物過程處理後可轉化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質，因此，生物處理方法也常是有機廢物資源化的首選技術。生物過程是以酶促反應為基礎的，作為催化劑的酶是一種活性蛋白，因此，生物反應過程通常是在常温、常壓下進行的。另外，酶對底物有高度的特異性，因此，生物轉化技術的效率高，副產物少，這與常常需要高温、高壓條件的化工過程相比，反應條件大大簡化，因而投資省、費用少、消耗低，而且效果好、過程穩定、操作簡便，同時，在多數情況下，它還可和其他技術結合使用。用生物過程代替化學過程可以降低生產活動的污染水平，有利於實現工藝過程生態化或無廢生產，真正實現清潔生產的目標。另外，生物技術的產品或副產品基本上都是可以較快生物降解的，並且都可以作為一種營養源加以利用。用生物製品代替一切可以取代的化學藥物、化石能源、人工合成物等，有助於把人類活動產生的環境污染降至最低程度，使經濟發展進入可持續發展的軌道。生物是構成生態系統的要素，生態系統內物質循環主要是依靠生物過程來完成的。因此，利用環境生物技術可治理用其他方法難以處理的環境介質，即用生物修復技術淨化環境，使受污染的寶貴資源如水資源(包括地面水和地下水)、土壤等得以重新利用，同時還可進一步強化環境的自淨能力。

環境生物技術不僅單純適用於環境污染治理，如今已相當廣泛地應用於環境監測，尤其是以生物傳感器為核心的環境生物監測技術，可在線在位迅速地提供環境質量參數，成為環境質量預報和報警中的重要組成部分。

（一）污水的生物淨化。污水中的有毒物質包括各種酚類、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、醛、醇及蛋白質等等。微生物通過自身的生命活動可以解除污水的毒害作用，從而使污水中的有毒物質轉化為有益的無毒物質，使污水得到淨化。當今固定化酶和固定化細胞技術處理污水就是生物淨化污水的方法之一，固定化酶和固定化細胞技術是酶工程技術。固定化酶又稱水不溶性酶，是通過物理吸附法或化學鍵合法使水溶性酶和固態的不溶性載體相結合，將酶變成不溶於水但仍保留催化活性的衍生物，微生物細胞是一個天然的固定化酶反應器，用製備固定化酶的方法直接將微生物細胞固定，即可催化一系列生化反應的固定化細胞。運用固定化酶和固定化細胞可以高效處理廢水中的有機污染物、無機金屬毒物等，此方面國內外成功的例子很多。近幾年我國在應用固定化細胞技術降解合成洗滌劑中的表面活性劑直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)方面取得較大進展，對於含100mg/L廢水，降解率和酶活性保存率均在90%以上；利用固定化酵母細胞降解含酚的廢水也已實際應用於廢水處理。

（二）污染土壤的生物修復。重金屬污染是造成土壤污染的主要污染物。重金屬污染的生物修復是利用生物(主要是微生物、植物)作用，削減、淨化土壤中重金屬或降低重金屬的毒性。其原理是:通過生物作用(如酶促反應)改變重金屬在土壤中的化學形態，使重金屬固定或解毒，降低其在土壤環境中的移動性和生物可利用性，通過生物吸收、代謝達到對重金屬的削減、淨化與固定作用。污染土壤的生物修復過程可以增加土壤有機質的含量，激發微生物的活性，由此可以改善土壤的生態結構，這將有助於土壤的固定，遏制風蝕、水蝕等作用，防止水土流失。

（三）白色污染的消除。廢棄塑料和農用地膜經久不化解，估計是形成環境污染的重要成分。利用生物工程技術一方面可以廣泛地分離篩選能夠降解塑料和農膜的優勢微生物、構建高效降解菌，另一方面可以分離克隆降解基因並將該基因導入某一土壤微生物(如：根瘤菌)中，使兩者同時發揮各自的作用，將塑料和農膜迅速降解。

（四）化學農藥污染的消除。利用微生物降解農藥已成為消除農藥對環境污染的一個重要方面。能降解農藥的微生物，有的是通過礦化作用將農藥逐漸分解成終產物CO 和H O，這種降解途徑徹底，一般不會帶來副作用；有的是通過共代謝作用，將農藥轉化為可代謝的中間產物，從而從環境中消除殘留農藥，這種途徑的降解結果比較複雜，有正面效應也有負面效應。為了避免負面效應，就需要用基因工程的方法對已知有降解農藥作用的微生物進行改造，改變其生化反應途徑，以希望獲得最佳的降解、除毒效果。要想徹底消除化學農藥的污染，最好全面推廣生物農藥。

所謂生物農藥是指由生物體產生的具有防止病蟲害和除雜草等功能的一大類物質總稱，它們多是生物體的代謝產物，主要包括微生物殺蟲劑、農用抗生素製劑和微生物除草劑等。微生物殺蟲劑，主要包括病毒殺蟲劑、細菌殺蟲劑、真菌殺蟲劑、放線菌殺蟲劑等。長期以來並沒有得到廣泛的使用。人們正在利用重組DNA技術克服其缺點來提高殺蟲效果，例如病毒殺蟲劑的一個研究熱點是桿狀病毒基因工程的改造，人們正在研究將外源毒蛋白基因如編碼神經毒素的基因克隆到桿狀病毒中以增強桿狀病毒的毒性；將能干擾害蟲正常生活週期的基因如編碼保幼激素酯酶的基因插入到桿狀病毒基因組中，形成重組桿狀病毒並使其表達出相關激素,以破壞害蟲的激素平衡，干擾其正常的代謝和發育從而達到殺死害蟲的目的。

應用酶聯免疫技術、PCR技術、電子顯微技術、基因差異顯示技術、生物傳感器、基因探針、生物芯片等現代生物技術對環境進行監測與評價，是近年來國內外科學工作者研究的熱點，研究報道也日益增多。應用酶聯免疫技術檢測分析環境中的農藥及其代謝物是90年代的一項新技術。國內外已經開發出殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等農藥以及多氯聯苯、二噁英、抗菌素等污染物的酶聯免疫分析方法，其中用於現場快速分析的酶免疫試劑盒已商品化。此技術具有快速靈敏，費用低，特異性強和適於現場大量樣品分析等優點。

我國在環境污染的生物監測方面也取得了一些新進展。一是廣泛開展了生物監測方法的研究；二是各種生物綜合監測指標的研究；三是利用生物監測手段和評價環境質量。我國華東師大吳自榮等同志利用冷凍乾燥的發光細菌的發光強度隨水質污染程度而變化的特點，研究提出了上海蘇州河水質發光細菌測試和評價方法。

廢水生物處理技術我國的水污染十分嚴重，高濃度有機物廢水的處理是我國水污染治理的重點難題。污水中有毒物質的成分十分複雜，包括各種酚類、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、醛、醇及蛋白質等等。微生物通過自身的生命活動可以解除污水的毒害作用，從而使污水中的有毒物質轉化為有益的無毒物質，使污水得到淨化。應用遺傳工程技術構建符合人們需要的微生物高效菌以及具有降解多種污染物功能的超級菌，可以提高對污染物的降解能力、加快降解速度，以增強淨化污水的效力。如微生物高效菌能夠將氰化物(氰化鉀、氰氫酸、氰化亞銅等)分解成二氧化碳和氨；利用專門分解硫化物的微生物可以從廢水中回收硫磺；利用能夠降解石油烴的超級菌以清除油對水質的污染等。還可以將大量的微生物高效菌凝聚在泥粒上形成活性污泥，用來分解和吸附廢水中的有毒物質，污水淨化後沉積的污泥中存在豐富的氮、磷、鉀等元素，是很好的有機肥料。

大氣污染的生物處理隨着現代工、農業的發展，大量有毒、有害氣體被排出，嚴重污染環境。微生物對污染物能較快地適應，並可使廢物、廢氣得到降解和轉化。同傳統空氣污染控制技術如活性炭吸附、濕法洗滌和燃燒等相比，微生物法以其處理效果好、投資及運行費用低、易於管理等優點，逐漸應用於空氣污染控制中。

近年來，採用把煤的物理選煤技術之一的浮選法和微生物處理相結合的方法而把煤和黃鐵礦分開，進而達到脱硫。美國利用CBl菌株可脱去18%一47%的有機硫。捷克斯洛伐克1991年在其北部三個露天煤礦用氧化亞鐵硫桿菌脱褐煤中硫，平均能脱去無機硫78．5%0有機硫23．4%。德國和荷蘭用生物膜過濾器處理含硫化氫廢氣，其控制效率達90%以上。新西蘭、英國、日本和美國也有在工業上規模應用的報導。

固體廢物的生物降解在眾多的處理方法中(如堆肥、焚燒、熱處理等)，生物處理具有成本低、運行費用低、操作簡單、易管理等優點。城市垃圾的“生物反應堆”理論就是其中的一種，它與傳統的衞生填埋相反，允許適量的水分進入填埋場，增加濕度，為微生物的生長和繁殖提供有利的條件，從而加速固體廢物的降解和穩定。

(1)好氧生物處理好氧生物處理是利用好氧微生物在有氧條件下的代謝作用，將廢物中複雜的有機物分解成二氧化碳和水，其重要條件是保證充足的氧氣供應、穩定的温度和水。實際工程中就是在填埋場中注人空氣或氧氣，使微生物處於好氧代謝狀態。

(2)厭氧生物處理厭氧生物處理是利用在無氧條件下生長的厭氧或兼性微生物的代謝作用處理廢物，其主要降解產物是甲烷和二氧化碳等，一般需要保證温度、無氧或低溶解氧濃度。

(3)準好氧處理準好氧填埋場的主要設計與運行思想是使滲濾液集水溝水位低於滲濾液集水乾管管底高程，使大氣可以通過集水乾管上部空間和排氣通道，使填埋場具有某種好氧條件。準好氧處理靠垃圾分解產生的發酵熱造成內外温差，使空氣流自然通過填埋體，促進垃圾的分解和穩定。準好氧填埋有如下優點：第一，它不需要強制通風，節省能量；第二，滲濾液產生後被迅速收集，減少了對地下水的污染；第三，相對於厭氧處理，垃圾穩定得更快，危險氣體，如CH4，H2S等的產量降低。

(4)混合生物處理 混合生物處理是既有好氧又有厭氧的生物處理方法，是在填埋下一層垃圾之前好氧處理30一60d，其目的是讓垃圾儘快經過產酸階段為進入厭氧產甲烷階段做準備。這種方法主要的優點在於把厭氧的操作簡單和好氧的高效率有機地結合起來了，增加了對揮發性有機酸、對空氣具危害性的污染物的降解，其主要特點是降解速度快。

生物修復技術是80年代以來出現和發展的清除和治理環境污染的生物工程技術，主要是利用生物獨特的分解有機物質的能力，去除污染環境如土壤中的污染物，達到清除污染的目的。生物修復主要包括植物修復和微生物修復。近20年來，人們認識到植物吸收可以作為各種污染物的生存介質包括土壤等的淨化技術開發。已經有利用沙漠植物修復科威特石油污染的土壤的研究工作。而微生物的修復工作更是顯得多種多樣，可以被廣泛的用來去除土壤等介質中的石油污染、有機氯化物污染、聚合物污染和重金屬污染等多種污染物，並且具有典型的處理速度快、經濟、無二級污染的特點。

環境生物技術在預防污染上的應用

(1)利用分子遺傳技術篩選特定菌種將產品生產過程的廢棄物直接轉化為能源或副產品，如微生物化肥；利用DNA重組及蛋白質工程技術快速生成特定的酶，應用於生產環節，減少化學無機品用量，從而達到清潔生產的目的。

(2)利用分子微生物族羣、基因技術、DNA修復改變某些物質的分子結構使其具有可降解性或加速自然降解的速度。例如生物農藥、生物肥料、生物可降解塑料薄膜等生物產品將會大量應用到生產實際當中，逐步取代對環境存在污染或者污染威脅的環境物質的使用(如化學制成品的農藥、化肥等)。

隨着科技的進步，生物科學和生物工程、以及生物技術將被越來越廣泛地應用於生物多樣性保護、人類健康、環境污染防治和環境、經濟、社會的可持續發展，同時在攻克環境保護的科技難關中有廣闊的發展前景。21世紀，實現生物多樣性保護，合理開發生物資源，有效利用生物技術，必將是本世紀的重要課題。我國是污染嚴重的國家，我們要構建一個有利於現代生物技術在環保中應用的良好環境，同時最大限度地減少和預防與這些技術伴生的對人類和環境的危害。