《生物技术导论》课程论文
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2011 年 12 月 7 日
环境生物技术的应用及发展前景
摘 要：生物技术是环境保护的理想武器，从根本上体现了可持续发展的战略思想。污染可分为水污染、大气污染、土壤污染、生物污染、化学污染、噪声污染、辐射污染等等。带来水污染的工业有造纸、粮油加工、发酵、包装和化学制药等等。生物技术应用对环境和人类健康，预防、阻止和逆转环境恶化、加强自然资源的持续利用、保护环境和生态平衡、治理环境污染具有巨大的潜力。生物技术治理环境污染物速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等优点。随着科技的发展，环境生物技术的发展前景十分可观。
关键词：生物技术 环境保护 污染 工业 治理 前景
1 环境污染对生物的不利影响与人体健康
1.１ 酸雨对生物的危害：酸雨使土壤和河流酸化，并且经过河流汇入湖泊，导致湖泊酸化。湖泊酸化以后不仅使生长在湖中和湖边的植物死亡，而且威胁着湖内鱼、虾和贝类的生存，从而破坏湖泊中的食物链，最终可以使湖泊变成“死湖”。酸雨还直接危害陆生植物的叶和芽，使农作物和树木死亡。
1.２ 有害化学药品对生物的危害：农药是一类常见的有害化学药品。
1.３ 重金属对生物的危害:有些重金属如Mn、Cu、Zn等是生物体生命活动必需的微量元素，但是大部分重金属如Hg、Pb等对生物体的生命活动有毒害作用。
1.４ 富营养化对生物的危害:富营养化是指因水体中N、P等植物必需的矿质元素含量过多而使水质恶化的现象。
1.5 大气污染与人体健康:大气污染主要是指大气的化学性污染。我国的大气污染属于煤炭型污染，主要的污染物是烟尘和二氧化硫，此外， 还有氮氧化物和一氧化碳等。这些污染物主要通过呼吸道进入人体内，不经过肝脏的解毒作用，直接由血液运输到全身。这种危害可以分为慢性中毒、急性中毒和致癌作用三种。
1.6 水污染与人体健康
1.6.1 饮用污染的水和食用污水中的生物，能使人中毒，甚至死亡。
1.6.2 被人畜粪便和生活垃圾污染了的水体， 能够引起病毒性肝炎、细菌性痢疾等传染病以及血吸虫病等寄生虫疾病。
1.6.3 一些具有致癌作用的化学物质，如砷（As）、铬（Cr）、苯胺等污染水体后，可以在水体中的悬浮物、底泥和水生生物体内蓄积。长期饮用这样的污水， 容易诱发癌症。
1.7 固体废弃物污染与人体健康:固体废弃物是指人类在生产和生活中丢弃的固体物质，如采矿业的废石、工业的废渣、废弃的塑料制品以及生活垃圾。固体废弃物往往含有多种对人体健康有害的物质，如果不及时加以处理，长期堆放，越积越多，就会污染生态环境，对人体健康造成危害。
1.8 噪声污染对人体的健康:第一，损伤听力；第二， 干扰睡眠；第三，诱发多种疾病；
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第四， 影响心理健康。噪声会使人心情烦躁，不能集中精力学习和工作，并且容易引发工伤和交通事故。因此，我们应当采取多种措施，防治环境污染，使包括人类在内的所有生物都生活在美好的生态环境之中。
2 用生物技术治理环境污染
真正的生物技术不仅不产生污染，而且能彻底消除污染，只是自动消除污染的过程很慢，人们积极利用它，可以在短时间内消除污染。而我我们重在保护环境。
2.1 微生物转化
微生物处理主要用于废水处理，方法有好氧和厌氧微生物处理两大类。特殊情况下，使用专一的微生物吸收转化特殊的污染物，如酚、汞、铁及塑料等。好氧微生物处理废水不产生臭气，处理废水速度快，但处理过程需要消耗动力。厌氧微生物处理的反应器是密闭的，但也要使污水和微生物充分接触。根据污水和携带微生物的污泥或微生物颗粒接触的方式不同， 形成了多种处理方式，厌氧处理往往有臭味气体产生，可以再利用的沼气是厌氧处理的产物之一。
2.2 植物转化
植物转化技术是利用植物消除由有机毒物和无机废物造成的环境污染， 被认为是一种经济、有效、非破坏性的环境修复方式，有着很大的应用前景。植物能够直接吸收有机污染物， 然后再经过不同的途径去除这些物质。植物也可以分泌各种酶类， 通过酶的催化作用来转化或降解有机污染物。同时， 植物可以将有机污染物吸附在根的表面， 与根际微生物协同作用实现对有机污染物的降解。
2.3 动物转化
以纤维素为例，牛、羊、猪吃草， 给人类的是蛋白质、脂肪，几乎全是宝。农村燃烧秸秆产生空气污染，原因在于农民无法合理利用秸秆。通过引导农民用秸秆饲养动物，发展沼气，增加秸秆回田可以有效减少燃烧秸秆。发酵工业排除的菌体、滤渣经适当处理后可以用来饲喂动物。
2.4 生态恢复
长期的污染会导致局部生态环境恶化，如石油、煤炭开采和冶金带来的土壤污染， 石油和有毒金属在土壤表层中富集， 很容易给人类和其他生物带来危害，这些污染物很难短时间自然减轻或消除，但利用生物技术可以做到这一点。首先是人工改善微生物的生长环境。其次是人工增加降解和吸收污染物的微生物数量，通过人工大量培养这些微生物并喷洒到污染的地方。
2.5 构建治理污染工程菌
人们至今找到的微生物在治理污染方面并非万能，如塑料的降解、石油高效降解、除草剂、杀虫剂的降解、贵重金属的转化等尚缺少真正有效的微生物。一些在自然界存在的微生物，如降解纤维素、木质素的微生物在体外很难广泛使用。通过基因工程，人们希望构建出更多满足人类需求的工程菌。工程菌就是采用生物工程技术将多种微生物的降解性基因从细胞中取出， 然后组装到一个细胞中， 使这个菌株集多种微生物的降解性功能于一身， 同时可以降解多种化合物。因此，工程菌具有多种功能，所以适应性也强；同时克服了混合微生物之间的相互制约，大大提高了治理污染的效率。
3 用于预防环境污染的生物技术
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3.1 抗虫、抗除草剂品种的培育化学杀虫剂、除草剂不仅直接严重污染环境，而且残留于农作物果实之中，不断给使用者带来健康危害。目前，最有效的预防办法是抗虫、抗除草剂的农作物品种。我国已经推广百万亩抗棉铃虫棉花，抗均二氮苯类除草剂的大豆也逐步推广。
3.2 研制开发生物农药和微生物菌肥。所谓生物农药，是指利用生物工程技术，将病虫害的“微生物天敌”筛选出来，培养加工成一般农药的形式，用以对付病虫害。这些微生物天敌包括细菌、真菌、病毒和原生动物（如线虫、微孢子虫）等。
3.3 研制开发可降解包装材料一次性塑料包装材料带来白色污染和过度毁坏森林。利用可降解的纤维素、淀粉和蛋白质等生物材料制作的包装材料已经在我国开始正式推广使用。我国科学家在世界上首先用大豆蛋白质加工成人造纺丝织物。
3.4 加速国土绿化。植物可以吸收、降解和转化多种有害大气污染物。许多植物还可以用作污染指示。合理的植物种类之间的搭配栽植可以减少病菌繁殖。绿地和湿地有利于储存水分，增加空气温度，减少空气扬尘带来的粉尘污染，有利于动物繁殖生长，利用动物之间的食物链， 可以减少害虫对农作物的危害。
3.5 利用生物技术改造传统工业造纸、皮革、食品和制药工业一直被认为是环境污染的主要生产行业。由于这些部门的生产原料以生物材料为主，而生物材料的自然转化机制无疑可以利用于这些部门，如酶法脱毛。
4 污染场地的生物修复
4.1 生物修复的基本概念
随着工农业生产的发展，工业生产中排放的废水、固体废弃物、农田中施用的农药、石油开采中的井喷及运输中的泄漏等对水体、土壤环境的污染日趋严重，从而引起人们的关注。微生物是自然界生态系统中的分解者，它可使进入环境的污染物不断地降解，最终转化为CO２、H
使污染的环境得以净化，然而在某些天然污染环境中往往因缺乏合适的降解微生２O 等无机物，
物或因微生物数量（浓度）过低、缺乏使微生物生长所必要的营养（如N 、P 等），缺乏足够的溶解氧等条件，使污染环境的自净过程极其缓慢，使污染物不断贮积，结果环境污染程度更趋严重。
为了改善人类居住的环境，人们采用活性污泥法、生物膜法， 通过建造大型污水处理厂来解决水体的污染； 采用生物堆肥法来解决有机生活垃圾对环境的危害。在难降解的工业废水及有机垃圾处理中， 通过投菌法添加高效降解菌来提高污水处理系统和垃圾堆肥场中高效降解微生物的数量， 增强其降解污染物的活性和提高处理效果；在污染成分单一的工业废水处理中，通过添加合适的营养来促进微生物的生长，从而提高处理效果，缩短净化时间。
4.2 生物修复的原理
4.2.1 用于生物修复的微生物及其他生物。
4.2.2 提供合适的环境条件：营养，电子供体。
4.2.3 微生物在环境污染治理中的作用。（1）微生物对有机污染物的降解与转化。在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成CO２、H２O、SO２、PO３、NO２、NO３等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、CO２、H２ 、CH４ 等。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。（２）微生物对重金属的转化与固定。
4.3 生物修复的方法
4.3.1 原位生物修复。原位生物修复技术即原位处理法，是指污染土壤或水体不经搬动或输送， 在其原位和易残留部位之间进行原位处理。污染物降解的主体 ——微生物一般采用
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土著微生物，有时也加入经过驯化和培养的微生物以及商品化的适宜微生物菌剂。
4.3.2 在采用人工修复氧强化技术时，除了可采用传统的受污染水体布设气管，以风机曝气外，德国Messer公司的BIOX纯氧曝气系统可省去风机，它将纯氧置于储罐中，液氧经气化器、减压阀和计量装置后通过布气管将氧气以微气泡形式释放，其他还有AIRE－O2曝气器、轴向流液下曝气器、复叶推流式曝气器等，它们的充氧能力和动力效率较高，且可防止河面漂浮物的不利影响。上海佛欣河道治理公司还推出专利产品河道曝气船，除了可改善景观外，还可将船开至溶氧较低的河段游动供氧， 机动灵活性较高。在土壤生物修复中，可通过真空或加压进行土壤曝气，其被称之为“生物通风堆”（如下图所示），其可补充土壤中的氧气，并有助于排出二氧化碳。
生物通风堆示意图
4.3.3 异位生物修复和原位—异位联合修复技术。对土壤或严重污染的水体，有时只能采用较为昂贵的异位生物修复。例如，对受污染的土壤采用挖掘堆置处理，为防止污染物向地下水或更广大地域扩散，将土壤运输到一个经过各种工程准备的场所堆放，并在此进行生物修复，从系统中渗漏出来的水要收集起来，重新喷洒至土壤堆上或另外处理，土堆中可投入一些填充剂，如木片、树皮、木屑等。可改善土壤结构，使之疏松通气，又可保持一定的温度，有利于降解污染物的微生物生长繁殖，处理后的土壤应运回原地。
5 环境生物技术的发展前景
5.1 大气污染治理与微生物脱硫技术的开发
利用微生物脱去煤中的无机硫和有机硫，可控制燃煤中SO2等含硫气体的排放。这些微生物包括硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、酸热硫化叶菌等。日本利用氧化亚铁硫杆菌已使H2S脱除率达99.99%，我国利用该菌对炼油厂进行干气催化和工业废气脱硫，H2S脱除率分别为71.5%和46.9%。在燃煤的处理过程中，还可采用浮选与微生物脱硫技术相结合，对煤和黄铁矿进行分离，达到清除或降低燃煤SO2排放的目的。虽然生物技术在大气污染治理中的应用时间尚短，但其具有技术简单成本低、安全性好、无二次污染等优点。今后，在微生物脱硫技术以及高活性脱硫菌种的研制和培养方面，配以清洁生产技术的研究，将会备受关注，也会成为解决原煤燃烧产生的SO2污染的最佳途径。
5.2 水污染治理工艺的完善
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废水生物处理技术在实验室阶段已比较成熟，也已比较广泛地应用于实际工程中。好氧与厌氧工艺相结合、生物膜法与活性污泥法相结合的废水处理技术、无害化的生产工艺过程、高效完善的自动化体系以及构建针对难降解污染物的生物基因库和特殊功能的微生物的培养研究是今后主要的发展方向。
5.3 难降解污染物的处理
基因工程是通过基因分离和重组技术，将人类需要的目的基因片段移到受体生物细胞中并表达出来，使受体生物具有该目的基因表达后显现出来的特殊性状，以改进生物物种。利用基因工程构建的高效菌种来处理如杀虫剂、塑料、橡胶制品、医疗废物、危险废物等难降解的污染物，是现代环境生物技术发展的热点之一。
5.4 环境芯片的前景展望
生物芯片技术是21世纪的朝阳产业。它克服了传统生物学技术操作繁杂、自动化程度低，检测效率低等不足，充分利用了生物科学、信息学等当今前沿领域的研究成果，现在已越来越广泛的被应用到多个领域中。环境科学研究的主要是环境中的物质，尤其是人类活动产生的污染物，及其在环境中的产生、迁移 转变、归宿等过程和运动规律，因此，将生物芯片技术引入环境科学研究中有重大意义。生物芯片高信息量、快速、微型化、自动化、成本低、污染少、用途广等优点，很适应环境学研究中的技术需求。虽然生物芯片技术在环境领域的应用实例还较少，且其自身还有许多问题亟待解决(如提高芯片的特异性、简化样品制备和标记操作程序、增加信号检测的灵敏度等等)，但随着技术的发展与完善，生物芯片技术必将会越来越广泛的应用到环境科学研究的各个领域。
5.5 生物传感器的研制
随着科技的进步，分子生物技术将会在开发研制生物传感器方面发挥积极作用。生物传感器可以满足实施自动连续监测的需要，判断环境污染发展的趋势，探索污染物在环境中的迁移转化以及降解规律，检测污染致突变的成因，分析污染的来源，从而使生物环境污染监测更便捷、更灵敏、更全面。生物传感器具有成本低、制作容易、使用方便、测定快速等优点。
5.6 环境生物技术与其它技术的结合
环境生物技术的发展离不开相关科学技术的配合。其与相关科学技术的结合，可提高处理效率、增强处理效果。将光、声、电与高效生物处理技术相结合，处理高浓度有毒有害难降解有机废水，如光催化氧化－生物处理新技术、电化学高级氧化－高效生物处理技术、辐射分解－生物处理组合工艺等；采用SBR＋臭氧氧化工艺和物化气浮－接触氧化处理印染废水，采用混凝－气浮－厌氧－好氧处理苎麻废水、油田和炼油废水等。这些工艺、设备、电子计算机的结合正在使以环境生物技术为主的综合治理技术向自动化、模块化方向发展。
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