现代生物技术与社会发展论文

现代生物技术在水污染控制中的应用Theapplicationofmodernbiologicaltechnologyinwaterpollutioncontrol摘要：随着经济建设的飞速发展，当今的水处理技术中，现代生物技术成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段。本文介绍了现代生物技术的主要内容及特点，着重综述了成熟的生物技术，以及正在发展的现代生物技术在废水生物处理、生物修复以及微生物水处理剂等方面的研究与应用状况，在此基础上提出今后现代生物技术在水污染控制领域中的研究方向。关键字：现代生物技术废水生物处理生物修复Abstract:Alongwiththeeconomicaldevelopment,Today'swatertreatmenttechnology,modernbiotechnologyaskeydevelopmentareasofwaterpollutioncontrolandapplicationoftechnicalmeans.Thisarticledescribesthemaincontentofmodernbiotechnologyandfeatures,werereviewedinthematurebiotechnology,andtheongoingdevelopmentofmodernbiotechnologyinwastewaterbiologicaltreatment,bioremediation,andmicrobialwatertreatmentagentFangmianresearchandapplication,onthisbasispresentedinthefutureofmodernbiotechnologyinthefieldofwaterpollutioncontrolresearch.Keyword：Modernbiotechnologybioremediationofwastewaterbiologicaltreatment前言随着工业的高速发展，水环境污染问题越来越严重地威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，水污染控制成为全世界共同关注的问题。目前的水处理技术中，生物处理法已成为世界各国控制水污染的主要手段，尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段，主要应用于废水处理、生物修复以及微生物水处理剂等方面。自从20世纪80年代，我国城市污水处理已经在各方面有了很大的进展，但是其形势仍然极其严峻。我国目前淡水资源相当短缺,人均拥有量2300立方米，列世界100多位，等同于世界人均水平的1/4。由此来看，我国目前的水污染形势较严峻,特别是城市污水的排放对地表水和地下水水质的影响非常突出。我国的经济体制从计划经济转型过来。在这种经济体制下，我国城市污水处理的管理机构和管理方式等方面一直沿袭旧的经营管理模式，对污水处理设施方面的建造、设备运行和价费行使统一管理、分级领导的体制，给城市污水处理相关行业导致了很多弊端。我国污水处理面临着水污染严重，污水处理起步较晚、基础较差、要求高的严峻形势。近年来，我国城市污水处理方面有了很大发展。但绝大多数城市的污水处理能力满足不了实际需要目前的水处理技术中，生物处理法已成为世界各国控制水污染的主要手段，尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段，主要应用于废水处理、生物修复以及微生物水处理剂等方面。1现代生物技术的内容与特点现代生物技术是指以DNA技术为先导，包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程和生物修复技术在内的一系列生物高新技术的统称。其中每个方面都有其特定的理论基础和不同的应用领域，但它们之间又相互补充和衔接，形成一个完整的体系。[1，2]生物技术的特点大致有：①以生物为对象，不依赖地球上的有限资源,而是着眼于再生资源的利用；②在常温、常压下进行，过程简单，可连续化操作，并可节约能源，减少环境污染；③开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径；④可解决常规技术和传统方法不能解决的问题；⑤可定向地按人们的需要创造新物种、新品种和其他有经济价值的生命类型。[3]1.1基因工程基因工程是指在基因水平上,采用与工程设计十分类似的方法,按照人类的需要进行设计,然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳定地遗传给后代。一般包括四个步骤:一是取得符合人们要求的DNA片段,这种DNA片段被称为“目的基因”;二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA;三是把重组DNA引入某种细胞;四是把目的基因所能表达的受体细胞挑选出来。由于基因工程是在分子水平上进行操作,因而它可以突破物种间的遗传障碍,大跨度地超越物种间的不亲和性。[6]1.2细胞工程细胞工程是指在细胞水平上的遗传操作,即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法,快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。细胞工程主要包括体细胞融合、核移植、细胞器摄取和染色体片段的重组等。体细胞融合是指两个不同种类的细胞加上融合剂,在一定条件下,彼此融合成杂交细胞,使来自两个亲本细胞的基因有可能都被表达,这就打破了远缘生物不能杂交的屏障,提供了创造新物种的可能。采用这种体细胞融合技术,如今已在动物间实现了小鼠和田鼠、小鼠和小鸡、甚至于小鼠和人等许多远缘和超远缘的体细胞杂交。虽然目前动物的杂交细胞还只停留在分裂传代的水平,不能分化发育成完整的个体,但在理论研究和基因定位上都具有重大意义。而植物间的体细胞融合所得到的杂交细胞,已达到了完整的植株水平,获得了新的杂交植物。[5]1.3酶工程酶是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用的蛋白质。它们可特定地促成某个反应,具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低和反应易控制等特点。酶工程就是利用酶的催化作用进行物质转化,生产人们所需产品的技术,是将酶学理论与化工技术结合起来的一项高新技术。酶工程对医药、医疗方面贡献巨大。现在,菠萝蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等十几种可以进行食物转化的酶,都已进入食品和药物中,以解除许多存在胃分泌功能障碍患者的痛苦;另外,新型青霉素产品及青霉素酶抑制剂等,也都是酶工程在医药、医疗领域的成功应用实例。[5]1.4发酵工程发酵工程是指利用微生物的特定性状,通过现代工程技术,在生物的反应器中生产有用物质的技术。发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包,发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支,成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但能生产酒精类饮料、醋酸和面包,而且能生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物,还能生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料,在化学工业上,能生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。[5]2现代生物技术在废水处理中的应用废水生物处理是利用微生物的生命活动过程对废水中的污染物进行转移和转化，从而使废水得到净化的处理方法。废水生物处理技术发展迅速，好氧法、厌氧生物法以及生物发酵法已趋于成熟，所以，这里只介绍固定化等新兴技术。2.1固定化微生物技术固定化微生物技术是生物工程领域中的一项新技术。进入80年代后国内外开始应用这种具有独特优点的新技术来处理工业废水和分解难生物降解的有机物质，一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或创造，将这些高效专性菌如脱色菌、脱氮、脱磷菌假单胞菌等进行固定化后，菌体密度提高，大大提高了处理效率，尤其是对难降解有毒物质有明显优势。王增长等人利用新研制的聚集—交联固定化细胞技术，将筛选的高效优势脱色菌种固定在活性污泥上，投加于“厌氧—好氧—生物滤池”工艺流程中，处理印染废水，结果表明：出水色度极低，处理后的水可回用。[4]2.2生物强化处理技术为了提高废水处理的效果，而向废水中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质。主要强化方法有：①高浓度活性污泥法，以高污泥浓度和泥龄来促进对难分解物质的处理，加快反应速度。日本用该法处理难分解的聚乙烯醇和粪便污水取得显著效果。②生物—铁法，是在普通活性污泥中加入无机盐，多用铁盐(氢氧化铁或氧化铁粉)，形成生物铁絮凝体活性污泥，具有高浓度活性污泥法的特点，主要用来提高除磷效果。③生物—活性炭法，综合利用微生物氧化能力和活性炭良好的吸附能力，使二者产生协同增效作用。在该系统中，每g活性炭去除1～3gCOD，分解废水毒性能力明显增强，同时提高脱氮水平。[7]2.3生物反应器技术生物反应器技术，是现代生物技术发展的一个主要方向。现代化的新型生物膜反应器，其共同特点是反应器内装有比表面大的载体，有利于微生物附着生长形成生物膜，供气或供给的其他反应条件优越，污染物具有充分的时间与微生物接触，有利于增强微生物的分解代谢能力。目前，2000m3的反应器已经问世。虽然其处理能力较低，造价较高，但其管理方便，运行费用低，所以欧美地区约有7%的污水处理厂采用该技术。[8]3生物修复技术生物修复技术是利用生物，特别是微生物将土壤、地下水或海洋中污染物现场降解为CO2和H2O或转化为无害物质的工程技术系统。这项技术正被用于清除地下水、废水中的污染物。金属虽然不能被生物降解，但微生物可将其转移或降低其毒性。为了加快去除污染物的进程，常常采用许多强化措施，使自然生态系统维持原状的前提下，使受污染的环境得以修复。研究表明，生物修复与传统的物化法相比具有以下优点：①经济，仅为物化法30%-50%；②对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；③最大限度地降低污染物的浓度；④修复时间较短，就地修复，操作方便。[9]生物修复中主要涉及两大问题，即有效性和安全性评价。为提高有效性今后将应用分子微生物学分离、鉴别、制造更高效降解和聚集有害有毒化合物的微生物。为提高生物修复的安全性评价水平，需发展鉴定微生物的分子生物技术，以确定微生物在环境中的去留和基因。[10]4微生物水处理剂微生物水处理剂主要集中在以下几个方面：①微生态制剂。微生态制剂是一种由优势互补的微生物菌群、繁殖促进剂和活化剂配制而成的活性微生物制剂，已经在保健领域发挥重要作用。用于环境净化的微生态制剂由于其应用范围广、使用安全、无副作用，为区域环境保护提供了新的重要手段。欧美近年来加快了这方面的研究开发，已有采用微生态制剂原位修复水体的成功实例。[11]②生物吸附剂。生物吸附剂是废水生物处理的一个新的发展方向，主要有两大类：一类是高比表面积和高吸附率的生物体吸附水中的污染物；另一类是集生物吸附和生物降解能力为一体净化废水中的污染物的生物吸附剂。目前生物吸附剂的固定化技术使生物与离子交换树脂一样能解吸回收金属和重复利用。③微生物絮凝剂。微生物絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵，抽提精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂，这些是无机或有机合成高分子絮凝剂所不具备的。其特点是降解性能好，成本低，无二次污染等。目前，已筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中，霉菌8种，细菌5种，放线菌5种，酵母菌1种。[12]随着生物技术的发展，微生物水处理剂的开发与应用具有良好的前景。5现代生物技术在水污染控制领域研究方向的展望现代生物技术在水污染控制领域,已显示出独特性和应用前景。总体上看,环境生物技术具有如下发展趋势:(1)分离、筛选和培养高效降解菌,利用微生物共代谢作用、多菌种协同作用,降解难降解污染物;(2)构建高效反应器,优化运行条件,探索新技术、新方法;(3)开发高效、无毒、廉价、可大批量生产的微生物水处理剂;(4)着力实践和推广生物修复示范工程,为生态环境建设提供有力的技术支持。结语从国内目前的情况看,环境监测是政府行为,环境自动监测系统几乎无一例外地皆为政府投资建设,而且绝大多数环境自动监测技术都用于区域环境质量的监测,这无疑限制了环境自动监测技术环境的发展。实际上,环境监测作为