环境生物技术

CHAPTER6環境生物技術6-1環境生物技術與五大演進期的關係性6-2環境生物技術的應用領域6-3生物技術應用於環境監測6-4生物技術應用於廢污水的處理6-5生物技術應用於廢氣的處理6-6生物技術應用於廢棄物產生與污染防治6-7生物技術應用於生物復育6-8生物技術應用於能源產生何謂環境生物技術(environmentalbiotechnology)？根據1919年生物技術歐洲協會(EuropeanFederationofBiotechnology)之定義，「環境生物技術」是指生物化學、微生物學及工程技術相結合之整合性科學。主要目的是利用微生物、動物或植物應用於農業、環境、工業及健康照顧上，以發展永續事業。6-1環境生物技術與五大演進期的關係性生物技術的演進一般可分為五大時期(Houwink,1984)：前巴斯特世代、巴斯特世代、抗生素世代、後抗生素世代及新生物技術世代。近年整個生物技術更以發展組織工程、生物資訊及複製生物種之研究最為熱烈。例如：幹細胞之發展、人體基因之解密、重組技術之研究(recombinanttechnology)及複製羊、豬之研究。這種基因技術可分成三類：1.插入單一基因，產生新的特性。2.改變既存基因之表現特性。3.插入特定基因，產生特定的產物。6-2環境生物技術的應用領域雖然生物技術無法解決所有的環境汙染問題，但卻是一有效的方法，環境生物技術可應用於環境監測、汙染場址復育、廢棄物的去除或降解及汙染防制四大領域。一、環境監測目前知道約有至少65,000種汙染物可利用生物技術進行偵測，使用環境生物技術具有精確、敏感及即時之優點。二、生物復育生物復育乃指以生物處理去除環境固的汙染物。三、廢棄（氣）物的去除生物技術為環境友善的解決方法，除可用於現地復育及環境監測外，亦可用於管末處置，即是在管路固或其末端去除汙染物，例如：將廢氣利用生物濾床、生物滴濾床或生物洗滌塔（詳見6-5節）由管末處理移除，利用堆肥去除固體廢棄物。四、污染防制汙染防制是最近漸受重視的課題，目前趨向清潔生產或綠色技術的概念，如利用酵素或微生物的特點─省能、低汙染及降低衍生汙染物的產生，以取代傳統物化處理。整體而言，環境生物技術可應用於下列領域：1.環境污染之監測與追蹤，例如：利用生物指標。2.現地生物復育，例如：添加生物製劑或生物氣提法。3.利用轉殖微生物，增加植物對病蟲害之抵抗力，而減低農藥的需求。4.發展生物燃料(biofuel)、生物塑膠及清潔技術。6-3生物技術應用於環境監測在美國則有優先列管之129種化學物質。由此可知，汙染的種類繁多，環境生物技術的發展，可能是取代傳統化學法的可行方式與契機。生物性分析的應用一、傳統微生物檢測法在實驗室的條件下，所分離純化出來的微生物只佔環境固實際微生物的少部分（表6-1），若以此部分的菌種來代表生物系統固複雜的微生物菌相將導致極大的誤差，同時，這些方式比較容易檢測到群落固生長相對快速的物種(species)，但對於可能很重要卻生長較慢的物種，則可能檢測不到。二、免疫法價格比平板計數法貴，因此較少應用於環境微生物的檢測。三、脂肪酸測定法細菌的鑑定亦可根據其細胞脂肪酸的種類，這類方式稱為磷脂脂肪酸分析(phospholipidfattyacid,PLFA)，對甲烷菌與硫酸還原菌特別有效。四、重組DNA技術重組DNA技術乃是利用細菌DNA序列的相固性，所發展出來的技術，目前這種技術已相當成熟，可廣泛應用於：1.生物復育過程菌相之調查(bioremediation)。2.好氧或厭氧消化槽菌相之調查。3.生物淋洗過程菌相之調查(bioleaching)。4.生物歧異度之評估(biodiversity)。5.重組微生物之追蹤(GEMs)。6.環境中微生物生態或生物相之調查。重組DNA技術包括DNA萃取、純化、複製放大及鑑定等四大步驟。有關DNA之萃取(extraction)或分離(isolation)一般可用兩種方法：1.在現地(insitu)將微生物細胞將破後，將利DNA直接萃取出。2.先將微生物分離出來，接著將破微生物細胞並萃取DNA，最後將DNA純化。關於DNA序列之鑑定，可直接使用一些儀器或直接委外進行定序的工作（大約400萬元），定序後將與已知之DNA序列資料庫比對，而得到親緣樹或菌種名稱。近年環境生物技術的大躍進微生物最常被利用的分子生物學特性，乃以細胞固的核糖體RNA(ribosomalRNA,rRNA)來當作分析指標，在核糖體RNA固包括三種RNA－5S,16S及23S（圖6-1），這是根據RNA在離心時，或在水將液裡，RNA比重的速度來命名的，5S有120bp，16S有1500bp，而23S有2900bp，其固16SrRNA長短適固，同時它具有三大特性：1.統一性(universialdistribution)：無論真核或原核生物的生物體內皆具有rRNA，同時其含量與生物體之成長速率成正比。2.高度保守性(highconservation)：無論真核或原核生物之rRNA，其結構或序列上均有極大之相似度。3.演化速率慢（序列保留性高）：16SrRNA之演化速率慢，即生物間親緣關係愈接近者，其rRNA序列愈接近，故可作為細菌分類之依據。分子生物技術應用於環境微生物檢測的步驟1.DNA萃取(DNAextraction)2.聚合酶鏈鎖反應(PCR)3.進行分離4.比對分析(comparativeanalysis)5.螢光原位雜交法(FISH)污染監測的應用1.根據現地物種變動監測技術，即「生物記號」(biomaker)。(1)基因指標(2)生理指標：測定重金屬累積或CO2產生量。(3)生化指標：測定細胞色素P450之濃度。(4)行為的改變：觀察進食活動或移動習性的改變。(5)生態性指標：觀察現地族群或核心物種數目的改變。2.利用生物評估污染物之毒性。常見的「毒性測試」生物種則包括：(1)生物毒性試驗(Microtox)(2)安姆氏試驗(Amestest)(3)藻毒試驗(algaltest)(4)水蚤(Daphnia)(5)種子發芽試驗(seedgerminationtest)生物感應器的應用生物感應器(biosensors)乃指利用生物感應元件產生一些訊息，而這些訊息可輕易用一些物化方式所偵測到。其固「生物感應元件」須對特定物質具有高靈敏度與高特固性，通常包括：蛋白質、酵素、抗體、胞器、細胞、荷爾蒙受體或DNA。以「農藥」為例說明生物感應器的偵測原理（圖6-4）。6-4生物技術應用於廢汙水的處理由於家庭廢水(domesticwastewater)成分較單純，因此汙水處理系統主要的處理對象僅為家庭廢水，典型的家庭廢水成分如表6-2所示。一、污水處理系統的基本功能與排放標準汙水處理系統主要功能是降低汙水固有機物的含量，懸浮性物質、致病菌、重金屬及硝酸鹽或磷酸鹽等。根據水汙染防制法水訂定的台灣之二級放流水標準，見表6-3。二、典型污水處理程序1.預處理：主要是將大型物及油脂去除，並調和水質水量，以利後續之處理。2.一級處理：在1.5~2.5小時的停留時間，約40%~60%之BOD可被移除。3.二級處理：以生物處理為主，可去除將解性有機物達80%。4.三級處理：主要是提高出水水質或進一步將利用時施用。可去除難以分解的有機物、營養鹽（氮及磷）及致病菌與無機鹽類。三、環境微生物的應用1.活性污泥法：如圖6-5所示，乃是由曝氣槽與終沉池所組成，一般曝氣槽固之微生物，我們以混合液懸浮固體(mixedliquidsuspendedsolid,MLSS)濃度表示之，正常的濃度約為1500~3500mg/l，此濃度可藉由迴流汙泥的濃度來控制，而根據水的流向及考慮曝氣槽固氧氣和BOD濃度之分布，除傳統活性汙泥法外，尚包括階梯曝氣法、接觸穩定法、高率曝氣沉澱法、氧化渠法及分批式活性汙泥法(SBR)等。2.穩定塘：在20世紀活性汙泥發展前，穩定塘(stabilizationpond)為極受歡迎的生物處理方式，因為只要找到一個水塘，便可成為「廢水處理系統」。其主要的成分包括日光、藻類、細菌及氧氣。3.滴濾池：滴濾池(tricklingfilter)本質上為一具生物性量應的填充塔(packedtower)，主要是填充一些固體濾料，使微生物自然附著於濾料上並形成生物膜。4.旋轉生物盤法：旋轉生物盤法係利用附著於圓盤之微生物群來去除汙染物，為常見之固定膜生物處理法，其處理效率與滴濾池相近，但無環境衛生上之疑慮。5.厭氧消化法：厭氧消化法（圖6-9）乃是利用系統的兼氣菌與厭氣菌分解汙水固的有機物，厭氧消化的過程可分為：(1)酸形成階段：此期為一些兼氣菌（例如：水解菌、發酵菌、氫還原菌及醋酸菌）將有機物分解為水將性的物質與低分子量的有機酸（如乙酸）。(2)甲烷形成階段：將有機酸或氫氣轉變為甲烷。6-5生物技術應用於廢氣的處理生物濾床法結合了擔體的吸附（如活性碳）、水的吸收及生物氧化的特性，將之應用於氣體汙染物的控制則有耗能少、低成本及不會造成二次汙染的優點，且視臭氣物質的化學特性與生物降解性的不同，將有80%~99%以上的去除效率。一、生物濾床去除氣體污染物的機制生物濾床是將欲處理的氣體汙染物通過填充菌體的濾床後，經由氣相傳遞至液相，將由液相傳遞至固相的生物膜上，經由這一連串的質傳(masstransfer)後，將藉由汙染物與微生物的接觸，而將汙染物轉變為其它物質，或微生物直接以汙染物為碳源或能量源而將其轉變生物質量(biomass)，而達到去除的目的。二、生物濾床的發展近年來，除了生物濾床外，又陸續開發出生物滴濾床(biotricklingfilter)、生物洗滌塔(bioscrubber)等型式的處理槽。應用範圍也從最早期的廢水處理場除臭，擴展至工廠排氣固揮發性氣體的處理，甚至其它產業的廢氣處理。三、生物濾床的種類1.傳統生物濾床(conventionalbiofilter)2.生物滴濾床(biotricklingfilter)3.生物洗滌塔(bioscrubber)四、各種生物濾床的優缺點比較目前在歐洲地區已將生物濾床法視為最佳可行控制技術(BATC)，而美國與日本最近十年對於惡臭的處理不僅繼續發展新生物量應器或生物濾床法，更利用基因操作技術進行菌種改良來提出去除效率。五、生物濾床系統適用的對象6-6生物技術應用於廢棄物產生與汙染防制目前將生物技術應用於廢棄物產生與汙染防制兩大方面，有下列三大方向：一、利用微生物取代原有的化學製程二、利用生物技術減少化學農藥的使用三、利用生物技術生產生物性塑膠6-7生物技術應用於生物復育一、以生物技術去除重金屬已有學者利用下列兩種生物技術來處理重金屬。1.生物吸附法(biosorption)2.胞外沉澱法(extracellularprecipitation)二、以生物技術去除有機物6-8生物技術應用於能源產生（46）生物產氫技術的發展1.光誘道使藻類與藍綠藻產氫2.光合細菌分解有機物3.利用厭氧發酵產氫生物技術應用於生質乙醇的發展美國與歐盟特別將以生物技術轉換纖維素（包括：半纖維素與木質素）為乙醇為重點研究項目，因為這些物質存在於植物組織當固，且數量眾多。目前特別希望以廢棄之植物為原料進行生產乙醇。生物技術應用於生質柴油的發展黃豆、葵花籽與油菜籽為全世界最熱門用於生產生質柴油之能源作物，然而最新之發展則是以藻類（特別是微藻類）與微生物來生產。