新疆农业大学 专业课程论文
题目: 环境生物技术的发展及应用 姓名:
学院:专业: 班级:
学号: 指导教师: 麦麦提.阿布都拉 农学院 生物技术 生技061 063135121 葛杰职称:
2010年11月25日
新疆农业大学教务处制
环境生物技术的发展及应用
作者：麦麦提.阿布都拉指导教师：姚正培
[摘 要]: 环境生物技术是一门利用微生物介质为人类提供服务的技术科学, 其核心思想是依据各类微生物的生态活动规律,从中寻找最有效的能解决目前一些环境问题的途径, 如稀释污染物、截留废物中的可循环利用资源等。主要介绍了环境生物技术的形成和发展过程, 以及在治理水污染, 土壤污染, 白色污染和农药污染等方面的应用。最后讨论了环境生物技术的发展前景。
[关键词]: 环境生物技术; 污染治理; 应用前景
引言 环境生物技术(Environmental Biotechnology)是生物技术在环境治理和环境保护中的广泛应用衍生出的一门新学科和新技术, 是一门由现代生物技术与环境工程技术相结合而形成的前沿交叉学科。凡是与生物技术结合, 对环境进行监控、治理或修复,清洁生产、污染物资源化以及生物材料和能源开发等, 均属于环境生物技术研究和应用的范畴[1]。
1环境生物技术的形成和发展
19 世纪末, 生物滤池的出现和1914 年W.Lockett 和E.Alden 发明的“活性污泥法”被视为环境生物技术的开端。2O 世纪五六十年代, 由于工农业的快速发展, 随之而来的环境污染尤其是水污染的加剧, 直接促进了环境生物技术的发展。进入7O 年代, 污染物可降解性和分解程度方面的研究有了相当大的提高。StaIldford 大学的Perry Mc Carty 和LilyY.Young, 德国的Bernardschink, K.N.Timmis, G.Fuchs 及当时在荷兰工作A.J.B.Zehnder, 都开始系统地对一系列芳香类有机物的好氧和厌氧条件下的分解和降解途径及其机理进行了大量的研究。Chakrabaty 等人还首次构建了含有多种降解质粒的“超级细菌”。
现代生物技术向环境科学与工程的渗透促进了环境生物技术的产生。1981 年, 欧洲的生物技术联盟(EFB)首次将“环境生物技术”用于命名相关的专门机构, 并将控制污染的生物技术概称为环境生物技术。1983 年, 美国在西雅图召开了首届“利用基因控制污染”的环境生物技术专题会议, 提出环境生物技术的中心任务是解决有毒有害化学品的污染问题。8O 年代后期, 分子生物技术已广泛应用于环境污染治理, 尤其在可降解微生物及其降解机理方面进行了更深入的研究。Exxon 油轮在Alaska 的漏油事故中, Ronal Atlas 等微生物学家证实了环境中的土著微生物(Indigenous microorganism)能够分解掉石油成份。Michigan 州立大学的James Tiedje 的实验室, 首次从污染的河泥中分离出了具有脱氯功能的厌氧微生物, 后来又提出了还原脱氯反应与微生物的能量代谢是结合在一起的理论, 增加了人们对微生物代谢途径的了解。1994 年, 由美国生物工业组织(BIO)和白宫国家科学技术委员会共同组织的可持续环境生物技术大会上提出了基因工程微生物、优选微生物和生物传感技术中可利用茵类等三大最新发展技术。1995 年, 美国国家科学和技术委员会发表的《21 世纪生物技术新方向》蓝皮报告。将环境保护和环境生物技术列在了重要地位。在此之后又召开两届国际环境生物技术大会。这些事实不但表明了环境生物技术的发展及演变与世界各地出现的一系列的环境污染问题有着密切的联系, 而且充分显示出世
界各国对环境保护和环境生物技术研究的高度重视[2]。
2环境生物技术应用研究[3- 7]
2.1 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ρ( LAS)为100 mg/L 的废水, 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。
2.2 污染土壤的生物修复
重金属污染是造成土壤污染的主要污染物。重金属污染的生物修复是利用生物(主要是微生物、植物)作用, 削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。其原理是:通过生物作用(如酶促反应)改变重金属在土壤中的化学形态, 使重金属固定或解毒, 降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性, 通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。污染土壤的生物修复过程可以增加土壤有机质的含量, 激发微生物的活性, 由此可以改善土壤的生态结构, 这将有助于土壤的固定, 遏制风蚀、水蚀等作用, 防止水土流失。
2.3 白色污染的消除
废弃塑料和农用地膜经久不化解, 估计是形成环境污染的重要成分。据估计我国土壤、沟河中塑料垃圾有百万吨左右。塑料在土壤中残存会引起农作物减产, 若再连续使用而不采取措施, 十几年后不少耕地将颗粒无收, 可见数量巨大的塑料垃圾严重影响着生态和环境, 研究和开发生物可降解塑料已迫在眉睫。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌, 另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物(如: 根瘤菌)中, 使两者同时发挥各自的作用, 将塑料和农膜迅速降解。同时, 还需大力推行可降解塑料和地膜的研发、生产和应用。
有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物即聚酯, 这些聚酯是微生物内源性贮藏物质, 可以用发酵方法进行生产, 由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在医学等许多领域有极好的应用前景。为了降低成本、提高产量, 人们正在用重组DNA 技术对相关的微生物进行改造, 此方面目前一个研究热点是采用微生物发酵法生产聚- β羟基烷酸
(PHAs), 研究人员正设法构建出自溶性PHAs 生产菌种, 即将PHAs重组菌进行发酵, 在积累大量的PHAs 后, 加入信号物质, 使裂解蛋白产生, 细胞壁破坏, PHAs 析出, 以简化胞内产物PHAs 的提取过程, 降低提取成本。
2.4 化学农药污染的消除
一般情况下, 使用的化学杀虫剂约80%会残留在土壤中, 特别是氯代烃类农药是最难分解的,经生态系统造成滞留毒害作用。因此多年来人们一直在寻找更为安全有效的办法, 而利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。能降解农药的微生物, 有的是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO2 和H2O, 这种降解途径彻底, 一般不会带来副作用; 有的是通过共代谢作用, 将农药转化为可代谢的中间产物, 从而从环境中消除残留农药, 这种途径的降解结果比较复杂, 有正面效应也有负面效应。为了避免负面效应, 就需要用基因工程的方法对已知有降解农药作用的微生物进行改造, 改变其生化反应途径, 以希望获得最佳的降解、除毒效果。要想彻底消除化学农药的污染, 最好全面推广生物农药。
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。其中微生物杀虫剂得到了最广泛的研究, 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。
3 环境生物技术的优越性
用环境生物技术处理污染物时, 最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质, 如二氧化碳、水和氮气。利用生物方法处理污染物通常能一步到位, 避免了污染物的多次转移, 因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。特别是现代生物技术的发展, 尤其是基因工程、细胞工程和酶工程等生物高技术的飞速发展和应用, 大大强化了上述环境生物处理过程, 使生物处理具有更高的效率,更低的成本和更好的专一性, 为生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。美国环保局(EPA)在评价环境生物技术时也指出“生物治理技术优于其他新技术的显著特点在于其是污染物消除技术而不是污染物分离技术”[8]。
4 环境生物技术存在的问题
尽管生物技术相对安全, 但在其应用当中还存在一定的问题与困难, 主要表现在: ①反应速度不如化学法快, 因而需要较大的反应器和占地面积;②对原水水质有一定的要求, 否则将会妨碍微生物的生长; ③在运行中有时会产生污泥膨胀和流失, 剩余污泥也难处理; ④对于一些人工合成物, 特别是难生化降解物质, 通常的微生物尚显得无能为力;⑤活的有害菌体从实验室泄漏到环境中; ⑥大规模工程微生物的应用可能影响生态系统。目前, 科学家们正在努力解决这些问题和开始控制这种潜在的危险性[9]。
5 环境生物技术的广阔前景
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。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, 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。
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