浅谈生物工程在环境保护中的应用

摘 要：随着生物学的迅猛发展，生物工程由于其高效、无二次污染等优点，在环境保护中得到广泛应用。通过综述生物工程在减少污染物排放、环境监测、废水处理、固体废弃物处理、大气污染处理、土壤污染治理等环境保护领域的应用，以供研究者参考。

关键词：生物工程 环境 保护

中图分类号：X506 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-109-02

生物工程，这门新兴的综合性应用学科于上世纪70年代初兴起，是以生物化学、微生物学、遗传学和细胞学等为代表的生物学的理论和技术为基础，结合机械、电子、计算机、化工等现代工程技术，创造出具有特别功能的“工程菌”或“工程细胞株”，以产生有用的代谢产物或发挥其特别生理功能。包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生物反应器等内容。

生物工程用于环境有悠久的历史。但现代生物工程和环境工程的结合，于20世纪80年代诞生在欧美地区，形成了环境生物工程，它涉及的学科领域众多，通过利用生物体或生物体某些组成部分或机能，建立降低或消除污染物产生的工艺流程，或者能高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。利用生物工程处理污染物的最大特点是，处理产物都是水、二氧化碳、氮气等无毒、无害的物质；可以有效避免二次污染，是一种安全而彻底的方法。

1 生物工程技术减少污染物排放

利用生物工程技术，研制具有特别功能的“工程菌”或“工程细胞株”，并用于生产流程中，减少污染物排放、甚至零排放。例如，生物农药具有安全、无毒、不污染环境等特点；生物质能源的利用能有效降低污染物排放；高催化效率“工程菌”提高化学反应速度，减少生产过程能源、原料的消耗；这些对于保护生态环境都具有重要意义。

2 生物工程在环境监测的应用

监测环境污染是环境保护工作中的一个重要环节，除了应用化学或仪器分析进行测定外，生物监测也日益成为重要的监测手段。可以利用指示生物、基因工程技术改造过的微生物、分子生物学技术、生物芯片技术、生物传感器等技术监测环境污染。如水葫芦监测水域中的砷；用细菌总数及粪便污染指示菌（大肠埃希氏菌、克霉伯氏菌等）监测水质；用鼠伤寒少门氏菌检验物质致突变性与致癌性。近年来，研究较多的有聚合酶式反应技术（PCR技术）、生物传感器、核酸探针、酶联免疫吸附技术（ELISA）、生物荧光方法等生物高新技术也应用于环境监测。PCR 技术可用于土壤、沉积物、水样等环境标本的细胞检测。生物传感技术可用来测定水体中的BOD、酚、NO3、有机磷，还可以用来分析大气中的CO2、SO2、NOx的含量及浓度等。Andreas等报道了将检测汞的传感器菌株用于测定土壤中汞的生物有效性；Charlesp等用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成微生物传感器，用此传感器测定样品中的亚硝酸盐含量，可间接测定空气中NOx的浓度，其检出限为1*10-8mol/L。今后，生物工程技术由于其快速、灵敏、特异性强的特性，将在环境监测中广泛应用。

3 生物工程在废水处理中的应用

废水中所含的污染物质是多种多样的，需要几种方法组成一个多层次处理系统。物理方法一般适用于预处理，化学方法容易产生二次污染；利用生物工程措施净化废水则是利用生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物质进行转化和稳定，将废水中污染物转化为无毒、无害、稳定的物质。

固定化微生物技术。这是生物工程领域的新技术，利用基因工程技术将一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或创造，将这些具有脱色菌、脱氮、脱磷等高效专性菌进行固定化后，菌体密度提高，极大提高了处理工业废水和分解难生物降解的有机物质的效率，具有明显优势。

生物反应器技术。在活性污泥中加入既有固定载体又有流动载体，既有好氧又有厌氧固定膜的反应器，大大增加反应体系中的生物量和生物类群，运用发酵工程原理，最高水平地发挥微生物降解污染物的生物活性。此法可提高生物处理的效率，节约大量的人力，简化操作程序。

生物强化处理技术。通过向废水中加入优势菌种或通过基因工程技术产生的“超级工程茵”，形成高效生物膜，以去除有害物质。常见的方法有：高浓度活性污泥法、生物-铁法、生物活性炭法。

随着污染日益严重、环境标准的不断提高、科学技术的进步，利用生物工程技术开发了不少处理废水的新工艺和技术。如升流式厌氧污泥床（USAB）生物处理技术、厌氧折流板反应器（ABR）生物处理技术、间歇式活性污泥法（SBA）生物处理技术、吸附-降解（AB）生物处理技术等。

4 生物工程技术在固体废弃物处理中的应用

固体垃圾处理的常用方法有：堆肥、填埋、焚烧。堆肥法和填埋法利用了生物学原理，通过“无害化、资源化、减量化”措施处理的废弃物，可作为肥料使用，实现废物资源的二次利用。国内张玲、凌云、孙立明、王建香等研究人员都研究了复合微生物菌剂在堆肥和填埋处理中的应用，并取得很好效果。国外有研究人员用蚯蚓床处理有机垃圾和粪便。蚯蚓床处理可以将废弃物转变为无臭味、肥效高的蚯蚓粪土，蚯蚓本身也是很好的医药原料和优良饲料，效果显著。

生物工程技术对于消除白色污染亦有重要意义，主要表现在以下几个方面：（1）利用基因工程技术可以筛选优势微生物、构建高效降解菌，并通过发酵工程技术大量培养，达到降解白色污染物的目的。（2）利用基因工程技术将能编码降解蛋白的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，迅速降解塑料等白色污染物。（3）通过基因工程方法，利用微生物生产可降解塑料。

5 生物工程在大气污染治理中的应用

废气的生物处理和空气净化主要是指利用微生物吸附分解有机物能力和降解恶臭物质与有机废物的方法，主要方法有生物洗涤、生物过滤、生物吸附法等。这些方法具有成本低、效率高、消耗低、安全性好和无二次污染等优点，比传统废气处理方法优势明显。此外，还可通过减少生产过程的污染物排放，从源头上减少污染物。酸雨的主要原因是燃煤产生的高浓度SO2，可以通过微生物脱硫技术减少SO2的排放。

6 生物工程在土壤污染治理的应用

土壤污染主要包括重金属污染、农药残留、土壤板结等方面。我国土壤重金属污染物主要来源于工业废渣、污水灌溉、生活垃圾等。土壤是人类生存的基础，我们既要保证18亿亩耕地红线，又要保证土壤的质量，生产健康的食品。

重金属难以降解，是土壤污染的重要污染源且对人体健康危害极大。重金属污染土壤生物修复技术包括植物修复和微生物修复。生物修复的主要原理是利用或通过基因工程技术改造微生物、动物和植物等生物的功能，将重金属吸附或转化为无毒产物。主要通过以下两种方法实现对重金属的净化：（1）通过生物作用，改变重金属在土壤中的化学形态，降低其移动性和生物可利用性；（2）通过生物吸收、代谢，削减、净化与固定重金属。

另外，农业生产中，80%以上的农药会残留在土壤之中，其中的磷、氯代烃等是造成污染的主要物质。运用现代微生物技术可以将这些有害物质分解为H2O和CO2等无毒无害或毒性较小的其他物质，不会对环境造成破坏。

7 结语

综上所述，生物工程已经在环保领域得到了广泛应用，并产生了重要的作用和深远的影响。随着现代生物学技术的迅猛发展和相关工程技术的提高，生物工程在环保领域中必将发挥更积极的作用，担当更重要的角色，带动整个环保事业迈入新发展。

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