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淺談現代生物技術在環境保護中的作用及前景

淺談現代生物技術在環境保護中的作用及前景

  摘 要 針對我國目前生態環境狀況,論述了現代生物技術在治理環境汙染,保護生態環境中的應用和發展前景。

  關鍵詞 現代生物技術 生態環境 環境保護

  1 我國生態環境現狀

  目前我國由於工業“三廢”汙染、農用化肥和農藥的汙染以及廢棄塑膠和農用地膜的汙染,嚴重的影響了我國的生態環境,使得水汙染日益加劇,水資源嚴重短缺,全國600多個城市中已有一半城市缺水,農村則有8 000萬人和6 000萬頭牲畜飲水困難;土壤汙染嚴重,耕地面積銳減,近10年來每年流失的土壤總量達50億t,土地荒漠化日益加劇;森林覆蓋面積下降,草場退化,每年減少森林面積達2 500萬畝;人們的身體健康受到嚴重威脅,疾病發病率急劇上升。因此,加大環境保護和環境治理力度,加快應用高新技術,如現代生物技術來控制環境汙染和保持生態平衡,提高環境質量已成為環保工作者的工作重點。

  2 現代生物技術與環境保護

  現代生物技術是以DNA分子技術為基礎,包括微生物工程,細胞工程,酶工程,基因工程等一系列生物高新技術的總稱。現代生物技術不僅在農作物改良、醫藥研究、食品工程方面發揮著重要作用,而且也隨著日益突出的環境問題在治理汙染、環境生物監測等方面發揮著重要的作用。自20 世紀 80年代以來生物技術作為一種高新技術,已普遍受到世界各國和民間研究機構的高度重視,發展十分迅猛。與傳統方法比較,生物治理方法具有許多優點。

  (1)生物技術處理垃圾廢棄物是降解破壞汙染物的分子結構,降解的產物以及副產物,大都是可以被生物重新利用的,有助於把人類活動產生的環境汙染減輕到最小程度,這樣既做到一勞永逸,不留下長期汙染問題,同時也對垃圾廢棄物進行了資源化利用。

  (2) 利用發酵工程技術處理汙染物質,最終轉化產物大都是無毒無害的穩定物質,如二氧化碳、水、氮氣和甲烷氣體等,常常是一步到位,避免汙染物的多次轉移而造成重複汙染,因此生物技術是一種既安全又徹底消除汙染的手段。

  (3)生物技術是以酶促反應為基礎的生物化學過程,而作為生物催化劑的酶是一種活性蛋白質,其反應過程是在常溫常壓和接近中性的條件下進行的,所以大多數生物治理技術可以就地實施,而且不影響其他作業的正常進行,與常常需要高溫高壓的化工過程比較,反應條件大大簡化,具有裝置簡單、成本低廉、效果好、過程穩定、操作簡便等優點。

  所以,當今生物技術已廣泛應用於環境監測、工業清潔生產、工業廢棄物和城市生活垃圾的處理,有毒有害物質的無害化處理等各個方面。

  3 現代生物技術在環境保護中的應用

  3.1 汙水的生物淨化

  汙水中的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。微生物透過自身的'生命活動可以解除汙水的毒害作用,從而使汙水中的有毒物質轉化為有益的無毒物質,使汙水得到淨化。當今固定化酶和固定化細胞技術處理汙水就是生物淨化汙水的方法之一。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,是透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汙染物、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種農藥的酶,以共介結合法固定於多孔玻璃及矽珠上,製成酶柱,用於處理對硫磷廢水,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,對於含100mg/L廢水,降解率和酶活性儲存率均在90%以上;利用固定化酵母細胞降解含酚廢水也已實際應用於廢水處理。

  3.2 汙染土壤的生物修復

  重金屬汙染是造成土壤汙染的主要汙染物。重金屬汙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:透過生物作用(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,透過生物吸收、代謝達到對重金屬的削減、淨化與固定作用。汙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。

  3.3 白色汙染的消除

  廢棄塑膠和農用地膜經久不化解,估計是形成環境汙染的重要成分。據估計我國土壤、溝河中塑膠垃圾有百萬噸左右。塑膠在土壤中殘存會引起農作物減產,若再連續使用而不採取措施,十幾年後不少耕地將顆粒無收,可見數量巨大的塑膠垃圾嚴重影響著生態和環境,研究和開發生物可降解塑膠已迫在眉睫。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膠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匯入某一土壤微生物(如:根瘤菌)中,使兩者同時發揮各自的作用,將塑膠和農膜迅速降解。同時,還需大力推行可降解塑膠和地膜的研發、生產和應用。

  有些微生物能產生與塑膠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,可以用發酵方法進行生產,由此形成的塑膠和地膜因有可被生物降解、高熔點、高彈性、不含有毒物質等優點而在醫學等許多領域有極好的應用前景。為了降低成本、提高產量,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採用微生物發酵法生產聚-β羥基烷酸(PHAs),研究人員正設法構建出自溶性PHAs生產菌種,即將PHAs重組菌進行發酵,在積累大量的PHAs後,加入訊號物質,使裂解蛋白產生,細胞壁破壞,PHAs析出,以簡化胞內產物PHAs的提取過程,降低提取成本。

  3.4 化學農藥汙染的消除

  一般情況下,使用的化學殺蟲劑約80%會殘留在土壤中,特別是氯代烴類農藥是最難分解的,經生態系統造成滯留毒害作用。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藥已成為消除農藥對環境汙染的一個重要方面。能降解農藥的微生物,有的是透過礦化作用將農藥逐漸分解成終產物CO2和H2O,這種降解途徑徹底,一般不會帶來副作用;有的是透過共代謝作用,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汙染,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。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。長期以來並沒有得到廣泛的使用。現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。

  參考文獻

  1 孔繁翔. 環境生物學[M]. 北京:高等教育出版社,2000

  2 陳堅. 環境生物技術[J], 生物工程進展,2001(5)

  3 姜成林,徐麗華. 微生物資源的開發與利用[M].北京:中國輕工業出版社,2001

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