現(xiàn)代生物技術在環(huán)境污染治理中的應用

1、 課程論文題 目 現(xiàn)代生物技術在環(huán)境污染治理中的應用指導教師 劉貴忠學生姓名 張朋學 號 200900803019專 業(yè) 應用物理學教學單位 物理系 現(xiàn)代生物技術在環(huán)境污染治理中的應用 摘要:在環(huán)境污染治理中,作為一種技術手段,生物技術具有高效性,反應條件溫和等優(yōu)點,它對環(huán)境污染的治理和修復發(fā)揮了巨大作用,為重金屬廢水,石油廢水,油脂廢水,農(nóng)藥廢水,以及生活污水提供了一條十分有效的途徑。隨著生物技術研究的進展和人們對環(huán)境問題認識的深入,人們已越來越意識到,現(xiàn)代生物技術的發(fā)展,為從根本上解決環(huán)境問題提供了無限的希望。我們要在污染環(huán)境修復、污染環(huán)境治理、廢棄物的循環(huán)再生過程中應用生物技術,其中應用

2、最廣泛的是酶工程技術,微生物工程技術,分子生物學技術,基因工程。 關鍵詞:現(xiàn)代生物技術 生物治理 污染治理 環(huán)境保護1. 引言 1.1環(huán)境保護已成為當前國際關系、經(jīng)貿合作中的一個極為重要的問題,也日益嚴重地影響著我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在我國過去幾十年的經(jīng)濟發(fā)展中,由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護,目前環(huán)境狀況十分嚴峻。近年來雖采取了大量控制措施,但環(huán)境質量下降的趨勢仍在繼續(xù)。 1.2 我國是世界上環(huán)境污染最為嚴重的國家之一,從城市到鄉(xiāng)村,我國的大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。當前我國社會經(jīng)濟仍然保持著高度發(fā)展的態(tài)勢,環(huán)境保護的壓力將進一步加重,由人類活動所造成的環(huán)境污染和環(huán)境

3、質量的惡化已成為制約我國社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的障礙。如何在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時控制環(huán)境污染,改善環(huán)境質量,以實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展之目標是我國目前亟待解決的重要問題。 1.3現(xiàn)代生物技術不但在凈化環(huán)境,減少污染和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面發(fā)揮出重要的作用,還可以為保護人類生存環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展作出積極的貢獻。在環(huán)境治理中,生物技術因其投資少,處理效率高,運行成本低等優(yōu)點而得到廣泛的應用。2. 現(xiàn)代生物技術的概況 2.1現(xiàn)代生物技術是應用現(xiàn)代生物科學以及某些工程原理,如酶工程,基因工程,微生物工程等,利用生命體(從微生物到高級動物)及其組成(含器官,組織,細胞,細胞器,基因)來發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種技

4、術體系。一般認為,生物技術包括基因工程,細胞工程,酶工程和發(fā)酵工程四個方面。 2.2生物技術直接關系到與人民生活,衛(wèi)生,健康密切相關的醫(yī)藥衛(wèi)生,食品工業(yè),化學工業(yè),農(nóng)業(yè)的發(fā)展。可以在糧食危機,能源危機,環(huán)境污染中發(fā)揮巨大的作用,并且還可以從基因的角度治愈人類的遺傳病。因此,現(xiàn)代生物技術已經(jīng)被世界各國列為重點項目。 2.3環(huán)境生物技術(Environmental Biotechnology,也稱為Environmental Bioengineering)。是一門由現(xiàn)代生物技術與環(huán)境工程相結合的新興交叉學科。直接或間接利用完整的生物體或生物體的某些組成部分或某些機能,建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)

5、工藝,或者能夠高效凈化環(huán)境污染以及同時生產(chǎn)有用物質的人工技術系統(tǒng),稱之為環(huán)境生物技術。 3.現(xiàn)代生物技術的特點 生物是構成生態(tài)系統(tǒng)的要素,生態(tài)系統(tǒng)內物質循環(huán)主要是依靠生物過程來完成的?？萍嫉陌l(fā)展也充分證明生物技術是環(huán)境保護的理想武器,這一技術在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程。生物技術在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點,受到了高度重視。隨著生物技術研究的進展和人們對環(huán)境問題認識的深入,人們已越來越意識到,現(xiàn)代生物技術的發(fā)展,為從根本上解決環(huán)境問題提供了希望。 目前生物技術應用于環(huán)境保護中主要是利

6、用微生物。生物技術已是環(huán)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(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、污染環(huán)境的修復等環(huán)境保護的各個方面,發(fā)揮著極為重要的作用。應用環(huán)境生物技術處理污染物時,最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)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。特別是現(xiàn)代生物技術的發(fā)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(fā)展和應用,大大強化了上述環(huán)境生物處理過程,使生物處理具有更高的效率。美國環(huán)保局(EPA)在評價環(huán)境生物技術時也指出“生物治理技術優(yōu)于其他新技術的顯著特點在

7、于其是污染物消除技術而不是污染物分離技術” 由于大部分有機污染物適于作為生物過程反應物(底物),其中一些有機污染物經(jīng)生物過程處理后可轉化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質,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。生物反應過程通常是在常溫、常壓下進行的。 酶對底物有高度的特異性,生物轉化技術的效率高,副產(chǎn)物少,這與常常需要高溫、高壓條件的化工過程相比,反應條件大大簡化,因而消耗低,效果好、過程穩(wěn)定、操作簡便。用生物過程代替化學過程可以降低生產(chǎn)活動的污染水平,有利于實現(xiàn)工藝過程生態(tài)化或無廢生產(chǎn),真正實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標。生物處理技術除易于

8、大規(guī)模處理外,還可利用天然水體或土壤作為污染物處理場所。另外,生物技術的產(chǎn)品或副產(chǎn)品基本上都是可以較快生物降解的,并且都可以作為一種營養(yǎng)源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化學藥物、化石能源、人工合成物等,有助于把人類活動產(chǎn)生的環(huán)境污染降至最低程度。生物是構成生態(tài)系統(tǒng)的要素,生態(tài)系統(tǒng)內物質循環(huán)主要是依靠生物過程來完成的。 利用環(huán)境生物技術可治理用其他方法難以處理的環(huán)境介質,即用生物修復技術凈化環(huán)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(huán)境的自凈能力。 環(huán)境生物技術不僅單純適用于環(huán)境污染治理,如今已相當廣泛地應用于環(huán)境監(jiān)測,尤其是以生物傳感

9、器為核心的環(huán)境生物監(jiān)測技術,可在線在位迅速地提供環(huán)境質量參數(shù),成為環(huán)境質量預報和報警中的重要組成部分。4.現(xiàn)代生物技術在環(huán)境保護中的應用 4.1 污水的生物凈化 污水中的有毒物質的成分十分復雜,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,使污水得到凈化。當今固定化酶和固定化細胞技術處理污水就是生物凈化污水的方法之一。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(tài)的不溶性載體相結合,將酶變成不溶于水但仍保留催化活性的

10、衍生物,微生物細胞是一個天然的固定化酶反應器,用制備固定化酶的方法直接將微生物細胞固定,即是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,如德國將能降解對硫磷等9種農(nóng)藥的酶,以共介結合法固定于多孔玻璃及硅珠上,制成酶柱,用于處理對硫磷廢水,去除率達95%以上;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,對于含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廢水也已實際應用于廢水處理。 4.2 污染土壤的生物修復 重金

11、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、凈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(tài),使重金屬固定或解毒,降低其在土壤環(huán)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、凈化與固定作用。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(fā)微生物的活性,由此可以改善土壤的生態(tài)結構,這將有助于土壤的固定,遏制風蝕、水蝕等作用,防止水土流失。4.3 白色污染的消除 廢棄塑料和農(nóng)用地膜經(jīng)久不化解,估計是形成環(huán)境污染的重要成分。據(jù)估計我國土壤、溝河中塑料垃圾有百萬噸左右。塑料

12、在土壤中殘存會引起農(nóng)作物減產(chǎn),若再連續(xù)使用而不采取措施,十幾年后不少耕地將顆粒無收,可見數(shù)量巨大的塑料垃圾嚴重影響著生態(tài)和環(huán)境,研究和開發(fā)生物可降解塑料已迫在眉睫。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(nóng)膜的優(yōu)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并將該基因導入某一土壤微生物(如:根瘤菌)中,使兩者同時發(fā)揮各自的作用,將塑料和農(nóng)膜迅速降解。同時,還需大力推行可降解塑料和地膜的研發(fā)、生產(chǎn)和應用。 有些微生物能產(chǎn)生與塑料類似的高分子化合物即聚酯,這些聚酯是微生物內源性貯藏物質,可以用發(fā)酵方法進行生產(chǎn),由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔點、高彈性、不含有毒物質

13、等優(yōu)點而在醫(yī)學等許多領域有極好的應用前景。為了降低成本、提高產(chǎn)量,人們正在用重組DNA技術對相關的微生物進行改造,此方面目前一個研究熱點是采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)聚-羥基烷酸(PHAs),研究人員正設法構建出自溶性PHAs生產(chǎn)菌種,即將PHAs重組菌進行發(fā)酵,在積累大量的PHAs后,加入信號物質,使裂解蛋白產(chǎn)生,細胞壁破壞,PHAs析出,以簡化胞內產(chǎn)物PHAs的提取過程,降低提取成本。4.4 化學農(nóng)藥污染的消除 一般情況下,使用的化學殺蟲劑約80%會殘留在土壤中,特別是氯代烴類農(nóng)藥是最難分解的,經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)造成滯留毒害作用。因此多年來人們一直在尋找更為安全有效的辦法,而利用微生物降解農(nóng)藥已成為消除農(nóng)

14、藥對環(huán)境污染的一個重要方面。能降解農(nóng)藥的微生物,有的是通過礦化作用將農(nóng)藥逐漸分解成終產(chǎn)物CO2和H2O,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(nóng)藥轉化為可代謝的中間產(chǎn)物,從而從環(huán)境中消除殘留農(nóng)藥,這種途徑的降解結果比較復雜,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(nóng)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(nóng)藥的污染,最好全面推廣生物農(nóng)藥。 所謂生物農(nóng)藥是指由生物體產(chǎn)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(chǎn)物,主要包括微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素制劑和微生物

15、除草劑等。其中微生物殺蟲劑得到了最廣泛的研究,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。長期以來并沒有得到廣泛的使用?，F(xiàn)在人們正在利用重組DNA技術克服其缺點來提高殺蟲效果,例如目前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(jīng)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周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,形成重組桿狀病毒并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(fā)育從而達到殺死害蟲的目的5.結語 著名的天文學家和生物學家,佛瑞得 霍意耳(Fred Hoyle)先生曾經(jīng)說過,還未解決的主要問題的答案應該由基本的假設來得到,而且同時也必須依靠經(jīng)過反復嘗試和檢驗的科學工具及方法。隨著處理技術的不斷發(fā)展,生物方法所能處理或修復的對象也在時刻不停地改變。為了使生物技術能滿足新的發(fā)展需要。我們必須真正進行探索,并且可能以過去未曾想象到的方式來使用生物或是它們的衍生物。 參考文獻1孔繁翔.環(huán)境生物學. 高等教育出版社,20