浅谈环境生物技术在环境保护中的应用及其发展趋势
葛露萍 [1**********]3
【摘要】：环境生物技术是一门由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科，是直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染以及同时生产有用物质的人工技术系统。现如今随着经济社会的快速发展，城市在不断更新，随之衍生出很多的环境问题，环境生物技术在环境保护中发挥了重要作用，并且希望通过进一步研究发展，更深一步开发环境生物技术在环境保护中的应用，从而达到在环保的同时能够促进环境、社会、经济三者协调可持续发展。
【关键词】：环境生物技术 环境保护 高效净化 可持续发展
【Abstract 】：Environmental biotechnology is an emerging research field by modern biotechnology and environmental engineering are combined, directly or indirectly using the intact organisms or organisms in some part or some function, set up to reduce or eliminate pollutants produced in the production process, or to the environmental pollution and high purifying technology and artificial system for production of useful substances. Nowadays, with the rapid economic and social development in the city, constantly updated, derived from many environmental problems, environmental biotechnology has played an important role in environmental protection, and hope that through further research and development, application of a deeper development of environmental biotechnology in environmental protection, so as to promote the social and economic environment, can the three coordinated sustainable development in environmental protection at the same time.
【Key words】：Environmental Biotechnology Environmental protection High efficiency purification Sustainable development
一、引言
环境生物技术(Environmental Biotechnology) 简称EBT ，是近20年来才定义的新型边缘学科。环境生物技术主要由生物技术、工程学、环境学和生态学组成。一般认为生物工程即生物技术，是指综合应用生物学、化学和工程学等手段，直接或间接地利用生物体本身，生物体某些组分或某些特殊机能，生产有用物质的一门综合性科学体系。根据1919 年生物技术欧洲协会(European Federation of Biotechnology)之定义, 「环境生物技术」是指生物化学, 微生物学及工程技术相结合之整合性科学. 主要目的是利用微生物, 动物或植物应用于农业, 环境, 工业及健康照顾这些方面, 以发展永续事业。
二、环境生物技术的形成与发展
19世纪末，生物滤池的出现和1914年W.Lockett 和E.Arden 发明的“活性污泥法”被视为环境生物技术的开端。20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加剧，直接促进了环境生物技术的发展。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。80年代后期，分子生物技术已广泛应用于环境污染治理，特别是在可降解微生物及其降解机理方面进行了更深一步的研究。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菌类等三大最新的发展技术。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。这些事实不仅表明了环境生物技术的形成、发展及演变与世界各地出现的一系列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的高度重视。
三、环境生物技术的层次
（1）低层次的环境生物技术
包括氧化塘、人工湿地、厌氧发酵等。
（2）中层次的环境生物技术
如污水处理的活性污泥法和生物膜法等。
（3）高层次的环境生物技术
高层次的环境生物技术体现在防治污染方面，是一种以基因工程作为主导的，通过基因工程构建高效降解杀虫剂、除草剂以及多环芳烃类化合物污染的基因工程菌，从而创造出抗污染型转基因植物等。
四、环境生物技术的特点
速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和这些都是环境生物技术在处理环境污染物方面的优点，而且它在处理过程中不会产生二次污染，这些都是其他技术不可比拟的。随着环境生物技术的逐步发展，技术研究的进一步深化以及人们对环境问题进一步深刻认识的前景下，环境问题的根治有了希望。环境生物技术针对环境污染治理上的有如下特点：
（1）环境生物技术处理污染物是对降解破坏污染物的分子结构, 降解的产物以及副产物, 进行最大程度上的生物再利用。通过这一过程尽可能做在减轻人类活动产生的环境污染程度的同时又对废弃物进行了资源化利用。
（2）另一方面, 环境生物技术处理污染物的过程是将污染物质一步到位直接转化成无毒无害的稳定物质, 如CO 2、H 2O 、N 2和CH 4等。具体如芳香烃的分解，芳香烃具有普遍的生物毒性，但在低浓度范围内，它们可以不同程度的被微生物分解。
（3）环境生物技术是以酶促反应为基础的生物化学过程, 通常是在常温、常压下可进行, 过程简单, 成本低廉, 可连续化操作, 并可节约能源, 减少环境污染。
（4）随着社会科学的不断发展，将会出现很多常规技术和传统方法不能解决的环境污染问题，这时候环境生物技术就可发挥作用。
（5）新物种、新品种和其他有经济价值的生命类型的不断创造发明也需要环境生物技术提供支持。
五、环境生物技术在环境保护中的应用
环境生物技术是环境保护的理想武器。环境生物技术是利用生物的生理活动高效净化污染环境，以及将污染物转化为资源的人工技术系统。
在最近十年来，随着环境生物技术的迅速发展，它的研究领域的不断扩大，通过工程实践结果表明其可以在兼顾经济效益和环境效益的基础上有效地解决解决复杂环境污染问题。
在减轻人类生产活动产生的环境污染的过程中，原则上可以通过生物降解环境生物处理技术的产物或副产物来作为资源的二次利用。通过生物处理技术还可以进行大
规模操作，比如一些大容积的生化曝气池和生物滤池，它们的处理效果也其他处理工艺所不可比拟的。再者，污染物的处理场所也可以用生物方法就地制宜，比如利用一些天然水塘或者是土壤层这样的便利，如此一来，处理费用就可以大大地降低了。
1、环境生物技术在治理环境污染上的表现
（1）对污水进行生物净化。
污水中存在着大量的有毒物质，其中包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。而要使污水得到净化，去除污水的毒害作用并转化污水中的有毒物质为有益的无毒物质，则可以通过微生物通过自身的生命活动来消除这些。比如现在广为使用的生物净化污水的方法之一就是固定化酶和固定化细胞技术处理污水，而学术上所谓的酶工程技术就是这个固定化酶和固定化细胞技术。而要得到催化一系列生化反应的固定化细胞则是需要用制备固定化酶的方法直接将微生物细胞固定，而微生物细胞是一个天然的固定化酶反应器，其中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，通过固定微生物细胞即可达到效果。在这方面国内外有很多成功的例子可以形象贴切地展现运用固定化酶和固定化细胞高效处理废水中的有机污染物、无机金属毒物等类似污染的效果。在实际应用于废水处理的技术中，近几年来，我国取得较大进展的便是运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)，比如对于含100mg/L废水，通过固定化酵母细胞降解含酚，降解率和酶活性保存率都在90%以上。
（2）对污染土壤进行生物修复。
造成土壤污染的主要污染物是重金属污染。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的过程就是对重金属污染进行生物修复。它的原理是:运用改变重金属在土壤中的化学形态的这种生物作用(如酶促反应) ，固定或解毒重金属，使得重金属在土壤环境中的移动性和生物可利用性得到降低，对其进行生物吸收和代谢，从而达到削减、净化与固定重的目的。为了固定土壤，防止水土流失，遏制风蚀、水蚀等污染土壤的行为，可以通过生物修复来增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，从而改善土壤的生态结构来完成。
（3）去除白色污染。
现如今，环境污染的重要成分当属很难化解的废弃塑料和农用地膜。因此为了将塑料和农膜迅速降解，经过研究发现可以运用生物工程技术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，与此同时还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，从而达到预期目的。
（4）去除化学农药的污染。
目前，农药对环境的污染也变成不可忽视的一方面。而消除化学农药的污染也可运用微生物降解来完成。能降解农药的微生物也分很多。一般不会带来副作用的比较彻底的降解途径则是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO 和H O ；而另外一种正面效应与有负面效应并存的途径的降解结果相对比较复杂，它是通过共代谢作用，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。因此为了获得最佳的降解、除毒效果，就需要利用基因工程的方法改造已知有降解农药作用的微生物，是的其生化反应途径改变，从而来规避负面效应。当然，全面推广生物农药将是最好的彻底消除化学农药污染的方案。
这里把由生物体产生的针对农业有害物质进行杀灭或抑制的一大类物质总称为生物农药，它们多是生物体的代谢产物（信息素，生长素，萘乙酸等），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。许多因素限制了生物农药的成长，长期以来都没有得到广泛的使用。然而随着科学技术的迅速发展，生物农药的范畴不断扩大，涉及到动物、植物、微生物中的许多种类及多种与生物有关的具有农药功能的物质，如植物源物质、转基因抗有害生物作物、天然产物的仿生合成或修饰合成化合物、人工繁育的有害生物的抗结生物、信息素等。现在人们为了提高杀虫效果正在利用重组DNA 技术克服其缺点，例如目前病毒杀虫剂的一个研究热点是改造杆状病毒基因工程，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。
2、环境生物技术的预防环境污染上的应用
预防环境污染则是从根源杜绝污染物的产生，一是把生产过程中产生的污染物转化成能源或副产品，这个可以通过分子遗传技术筛选特定菌种来达成目标，比如微生物化肥；为了清洁生产，减少化学无机品的用量，则可以通过利用DNA 重组及蛋白质工程技术快速生成特定的酶，应用于生产环节来达成。二是在实际生产中将会大量地把对环境存在污染或者污染威胁的环境物质(如化学制成品的农药、化肥等) 用生物农药、生物肥料、生物可降解塑料薄膜等生物产品来替代。这一过程是运用分子微生物族群、基因技术、DNA 修复改变某些物质的分子结构使其具有可降解性或加速自然降解的速度。
六、环境生物技术的发展趋势
（1）环境生物技术逐渐受到全球普遍重视和采用
自20世纪70年代以来，各种大规模的科研活动就在一些发达国家开展起来，生物技术在环境领域的应用被十分重视，一定程度上推广了环境生物技术。进入21世纪后通过已经开发的一系列的环境生物技术及其产品在污水处理、大气净化及污染环境介质治理等方面取得了成效。至此，大量实用性的环境生物技术研究成果在英、法、德、荷等国已被应用于实际生产生活，其中一些产品甚至已经被商业化。比如在荷兰自环境生物技术被应用以来已经有6000多处污染地通过它得到治理与恢复。目前众多的国家普遍认识到环境生物技术的重要性，由此这门新型边缘学科逐步跻身发达国家优先发展及应用的环境保护的新技术行列。
（2）环境生物技术产业化步伐加快、前景广阔
随着全球范围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。目前，国际上许多环境生物技术成果己进入商品化、产业化。生物技术逐渐被应用到各个领域，比如前不久才在华中农业大学国际交流中心召开的“农业生物技术发展与产业化应用 专题会”针对生物技术在农业领域的应用发展展开了一系列的讨论研究，进一步促进生物技术在农业方面的推广。另一方面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，占据着国外的环保产业中的重要位置。多年来，由于全球范围的滥用化学品，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。做一个保守的预估，环境生物技术在全球市场上的占比在未来十年内将达到一个前所未有的高度。不久前，2016生物技术革新助力“健康中国”论坛在大连召开，中外专家围绕生物科技发展、核苷酸等生物基因技术创新，就当前生物技术创新的发展方向、前沿科研成果进行了交流，并对《“十三五”生物技术发展专项规划》提出了意见和建议，对通过生物技术创新应对中国存在的健康隐患，以及核苷酸营养与健康产业的发展等话题进行了研讨。与会专家均认为，生物技术创新是中国迈向世界科技强国建设的重要抓手和重大战略任务。建议“十三五”期间我国生物技术规划应重视健康产业发展，要把生物技术领域核心、前沿的技术和产业化应用结合起来，形成能够领先世界的生物技术，改善人民生活和健康状态。放眼全球市场，在社会经济迅速发展的前景下，新污染治理的需要，新技术、新工艺设备不断出现，并产业化，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，并进行野外应用实验。一些国家还成立了相当数量的环境生物技术专业公司，并且部分产品已占领了国际市场。
七、结语
综上所述，环境生物技术具有广阔的市场前景。生物产业是国家确定的面向未来发展的一项战略性新兴产业。我国是污染严重的国家，我们要构建一个有利于环境生物技术在环保中应用的良好环境，同时最大限度地减少和预防与这些技术伴生的对人类和环境的危害。随着科技的进步，生物科学和生物工程、以及生物技术将被越来越广泛地应用于生物多样性保护、人类健康、环境污染防治和环境、经济、社会的可持续发展，并且在攻克环境保护的科技难关中有极其重要的作用，期待更进一步的研发。2l 世纪，实现生物多样性保护，合理开发生物资源，有效利用生物技术，必将是本世纪的重要课题。
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