生物技术给人类环境带来哪些福利

生物技术给人类环境带来哪些福利
生物技术给人类环境带来哪些福利

生物技术给人类环境带来哪些福利
环境保护已成为当前国际关系、经贸合作中的一个极为重要的问题,也日益严重地影响着我 国国民经济的可持续发展.在我国过去几十年的经济发展中,由于忽视了发展中的环境保护 ,目前环境状况十分严峻.近年来虽采取了大量控制措施,但环境质量下降的趋势仍在继续 .? 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一,从城市到乡村,我国的大气、河流、湖泊、海 洋和土壤等均受到不同程度的污染.贵阳、重庆、北京、兰州等五个城市位于世界十大空气 污染最严重的城市中之列,全国600多个城市中、大气质量符合国家一级标准的不足1%.全 国范围的酸雨危害的程度和区域日益扩大.全国每年污水排放达360亿吨,仅10%的生活污水 和70%的工业废水得到处理,其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准. 其他未经处理的污水直接排入江河湖海,致使我国的水环境遭受严重污染和破坏.据统计, 全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中,属4类和5类水体的占39%；城市地面水污染普 遍严重,并呈进一步恶化的趋势,136条流经城市的河流中,属4类、5类和超过5类标准的高 达76.8%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富 营养化程度逐年加剧；一些地区的饮用水源受到严重污染,对人民健康造成严重危害.城市 垃圾和工业固体废弃物与日俱增,工业废弃物累计堆积量已超过66亿吨,占地超过5万公顷 ,使200多个城市陷入垃圾包围之中.严重的生态破坏,加重了1998年的长江洪水灾难,给 人民的生命财产及国民经济造成了严重损失.?
当前我国社会经济仍然保持着高度发展的态势,环境保护的压力将进一步加重,由人类活动 所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约我国社会和经济可持续发展的障碍.据中国 社会科学院1998年度调查和估计,我国环境污染和生态破坏造成的经济损失每年超过2000亿 元人民币.如何在经济高速发展的同时控制环境污染,改善环境质量,以实现社会经济可 持续发展之目标是我国目前亟待解决的重要问题.? 当今世界各国已普遍接受 “可持续发展”这一全新的概念,并围绕它制定和实施本国的环境保
二、环境生物技术的特点?
生物是构成生态系统的要素,生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的.科技的发 展也充分证明生物技术是环境保护的理想武器,这一技术在解决环境问题过程中所显示的独 特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程,从根本上体现了可持续发展的战略思 想.生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和 以 及无二次污染等显著优点,加之其技术开发所预示的广阔的市场前景,受到了各国政府、科 技工作者和企业家的高度重视.随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入,人 们已越来越意识到,现代生物技术的发展,为从根本上解决环境问题提供了无限的希望.? 目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物,少部分利用植物作为环境污染控制的生 物.生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术,其在水污染控制、大气污 染 治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的 修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面,发挥着极为重要的作用.应 用环境生物技术处理污染物时,最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质,如二氧化碳、水 和氮气.利用生物方法处理污染物通常能一步到位,避免了污染物的多次转移,因此它是一 种消除污染安全而彻底的方法.特别是现代生物技术的发展,尤其是基因工程、细胞工程和 酶工程等生物高技术的飞速发展和应用,大大强化了上述环境生物处理过程,使生物处理具 有更高的效率,更低的成本和更好的专一性,为生物技术在环境保护中的应用展示了更为广 阔的 前景.美国环保局(EPA)在评价环境生物技术时也指出 “生物治理技术优于其他新技术的显 著特点在于其是污染物消除技术而不是污染物分离技术 ”(Biotechnology Newswatch,Augus t 16,1993).? 由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应物(底物),其中一些有机污染物经生物过程处 理后可转化成沼气、酒精、生物蛋白等有用物质,因此,生物处理方法也常是有机废物资源 化的首选技术.生物过程是以酶促反应为基础的,作为催化剂的酶是一种活性蛋白,因此, 生物反应过程通常是在常温、常压下进行的.另外,酶对底物有高度的特异性,因此,生物 转化技术(Bioconversion)的效率高,副产物少,这与常常需要高温、高压条件的化工过程 相比,反应条件大大简化,因而投资省、费用少、消耗低,而且效果好、过程稳定、操作简便 ,同时,在多数情况下,它还可和其他技术结合使用.用生物过程代替化学过程可以降低生 产活动的污染水平,有利于实现工艺过程生态化或无废生产,真正实现清洁生产的目标.据 美国环保局估算,美国现有的化学工业若有5%为生物过程取代,污染防治费用可降低约1亿 美元.生物处理技术除易于大规模处理外,还可利用天然水体或土壤作为污染物处理场所, 从而大大节约生物处理的费用.另外,生物技术的产品或副产品基本上都是可以较快生物降 解的,并且都可以作为一种营养源加以利用.用生物制品代替一切可以取代的化学药物、化 石能源、人工合成物等,有助于把人类活动产生的环境污染降至最低程度,使经济发展进入 可持续发展的轨道.生物是构成生态系统的要素,生态系统内物质循环主要是依靠生物过程 来完成的.因此,利用环境生物技术可治理用其他方法难以处理的环境介质,即用生物修复 (Bioremediation)技术净化环境,使受污染的宝贵资源如水资源(包括地面水和地下水)、土 壤等得以重新利用,同时还可进一步强化环境的自净能力.?
环境生物技术不仅单纯适用于环境污染治理,如今已相当广泛地应用于环境监测,尤其是以 生物传感器为核心的环境生物监测技术,可在线在位迅速地提供环境质量参数,成为环境质 量预报和报警中的重要组成部分.?
三、环境生物技术的重要进展?
环境污染是人类社会在21世纪必将面临的四大难题之一,空气、水体和土地资源的污染越来 越严重,不但影响了国民经济的可持续发展,甚至已威胁到人类的健康、智力乃至生存,因 此全球各国近几年都在寻找新的途径和方法,以治理和解决环境污染问题.? 我国是一个发展中国家,经济水平和科技总体水平离国际发展水平仍有相当差距,这就要求 我国在科技发展特别是环保高科技发展上,需跟踪国际前沿,与国际上同步开发未来可能应 用的高新技术.以下重点介绍几项经多年开发,已接近产业化的环境生物技术.?
1.高硫煤微生物脱硫技术?
煤炭是世界能源的重要组成部分,我国是世界上最大的产煤国和煤消耗国,煤炭占我国一次 能源的3/4,高硫煤储量约占总储量的1/3,并且高硫煤开采比例也逐年上升,而黄铁矿硫约 占总硫的60%.煤中通常含有0.25％～7%的硫,如我国西南地区煤平均含硫量为3.23%,西北地 区为3.05%,中南地区为2.02%,华北地区为1.65%.煤炭中的硫分为可燃硫和不燃硫.不燃硫主要 是硫 酸盐,可燃硫包括无机硫和有机硫.可燃硫经燃烧生成SO2随烟气排入大气,导致了严重的 环境污染,造成的经济损失每年达数百亿元.据报道,1997年,我国的SO?2年排放量已达2 346万吨,居世界第一位,62%的城市大气SO?2日平均浓度超过国家三级标准；全国酸雨区 面积已占国土面积的30%,华中酸雨区酸雨频率高达90%以上.预计2000年我国一次能源的消 耗量将超过12亿吨.SO?2年排放量将会达到3822万吨.《中国21世纪议程》中指出： “发 展少污染的洁净煤技术是中国政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要方面,也是促进 中国以煤为主的能源系统向环境无害的可持续发展的模式转变的战略组成部分. ”可见洁净 煤是中国能源的未来.?
我国是一个发展中国家,经济还比较落后,如何采取可持续发展的战略,开发廉价的、操作简 便的煤脱硫技术,将具有深远的经济和环境保护意义.在众多的煤洁净、脱硫技术中,煤的 燃前脱硫技术,其脱硫成本仅相当于洗涤烟气脱硫的1/10,同时燃前脱硫便于大规模、全面 地控制燃煤的二氧化硫、粉尘排放,因而受到各国的高度重视.与现有的物理、化学法相比 ,微生物洁净技术具有投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新的污染,并可和现有的物 理洗煤过程相结合,脱除其中的灰分,而煤基本无损失,且可提高煤的燃值,因而受到许多 国家政府和企业的极大关注,竞相开发这一技术.? 煤的微生物洁净技术(主要是脱硫、脱尘)研究是在生物沥滤铜、铀等金属的基础上发展起来 的.煤炭中的硫分主要包括有机硫和无机硫、无机黄铁矿硫以及少量的硫酸盐硫.其中,相比 有 机硫分、黄铁矿硫(FeS?2)较易去除,早期的研究主要利用Thiobacillus ferrooxidans自 养菌在几天时间里将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸,硫酸溶于水中而排出,该方法可去除 约90%的无机硫,使某些煤的含硫量降至1%以下.虽然该方法脱硫效率较高,但缺点是处理 的时间较长,并要求较大的反应器容积和较细的煤炭粒径.意大利、荷兰、英国和德国等国 参加的欧共体项目已在意大利的North Sardinia煤矿建立了一个利用煤微生物脱硫净化技术 的示范工程,进行应用微生物脱除煤中无机硫及有机硫的工业化实验.实验结果显示,该方法 要溶解黄铁矿需花1～2周的时间,煤粒要求细小.同时国际研究机构的实验显示,该方法的 技术可行性虽已无障碍,但该方法能耗较高,所需场地较大,经济可行性较差.?
为提高脱硫效率,近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合, 即把煤粉碎成微粒与水混合,并将微生物加入溶液中,让微生物附着在黄铁矿表面,使其表 面变成 亲水性,能溶于水.在浮选中其难以附着在气泡上,下沉至底部,从而把煤和黄铁矿分开. 由于它仅处理黄铁矿的表面,因此脱硫时间只需数分钟即可,从而大幅度缩短了处理时间, 可脱除无机硫约70%.另外,该法在把煤中的黄铁矿脱硫时,灰分也可同时沉底,所以也具有 脱去灰分的优点.?
A.S. Atins 等采用Thiobacillus ferrooxidans 菌在煤炭粒度0.15±0.075mm、煤浆浓度2 %、细菌浓度3.26×10?10?个/g、pH?2的条件下,对美国一种高硫煤(总硫＞10.4%,黄 铁 矿硫＞5.9%)处理2分钟后,用常规浮选分离,结果精煤总硫降至6～6.45%,黄铁矿硫脱除率 达75%以上,而若无细菌处理,精煤总硫仍高达10.2%,基本没有脱除.Attia等对皮兹堡两 种含硫分别为3.8%(黄铁矿硫1.9%)和1.59%的煤样利用微生物进行了约10分钟的处理 ,前一种煤样黄铁矿和灰分的脱除率达到80%和60%以上,另一煤样也显示了相似的结果.日 本Ohmu ra等也开展了一系列类似的研究,取得了良好的脱硫效果.目前,浮选法微生物脱硫已成为 国际上洁净煤技术开发的热点.?
我国在煤的微生物脱硫方面的研究起步较晚,80年代中期后,我国一些研究人员在利用微 生物进行煤脱硫(包括有机硫)方面开展了一些基础研究工作.从松藻煤矿分离到氧化亚铁硫 杆菌,在pH1.55～1.70的条件下,利用浸出法可使黄铁矿硫的去除率达到86.11％～95.16%.? 国家环境保护总局资助,中国环境科学研究院生物工程重点实验室进行了浮选法微生物脱硫 工 艺的可行性研究.结果显示该工艺是相当可行的.在中性条件下,经约30分钟的微生物处理 , 可脱除无机硫达60%,比纯物理浮选提高约1倍.目前该技术正进行扩大规模试验,预计将 在未来1～2年内完成,从而为该项目的产业化奠定基础.?
2.造纸工业中的生物制浆和生物漂白技术?
造纸工业是世界上六大污染工业之一.我国造纸行业年排放废水量达40亿吨,占全国工业废 水排放量的1/6,其中有机污染物(以BOD计)达170万吨,约占全国工业废水中有机污染物总 量的1/4.在用植物材料进行化学制浆与化学漂白过程中,含有大量木质素、半纤维素和有 害 物质的废液被倾倒入江河湖泊中,造成严重的环境污染和生态破坏.多年来,人们不懈地努 力,试图开发出无污染和高效率的制浆造纸新工艺,以减少污染,保护环境.?
造纸工业中的制浆和漂白工序是污染物产生的主要工序.与化学法相比,虽然机械法制浆可 以大大提高纸浆得率,从而节省大量林木资源.但是,磨木浆的能量消耗很大,而且成品纸 的强度等质量性能不如硫酸盐浆,因而限制了这项技术的发展.生物技术可以帮助解决这些 问题,其中最具吸引力和挑战性的是生物制浆与生物漂白.因为造纸工业废水主要由蒸煮黑 液和漂白废液组成,采用生物制浆与生物漂白可以有效减少这些废液的产生.利用微生物与 微生物酶类进行生物制浆与生物漂白具有很大的优势和潜力,因为微生物极易生长繁殖,酶 催化反应具有高度专一性,反应条件温和,并且高效无污染.1987年,在美国政府和Weaver 工业公司等造纸企业的支持下,组建了生物制浆财团,由美国农业部林产研究所联合威斯康 星大学、明尼苏达大学等研究机构,开展了长期深入的研究工作.他们选出了一株能快速生 长 并选择性从木材中除去木素的白腐菌(Ceriporiopsis subvermispora).把它接种到用蒸汽 简单灭过菌的木片上,用强制通风的办法来控制温湿度,培养2周后,用于热机法制浆,已 完成了50吨规模的实验.结果显示,不仅可以节省能耗38%,提高设备生产能力,而且可以 减少树脂问题,明显改善成纸的强度性能.目前他们正在努力加快新技术的产业化,并力图 将新技术的应用范围扩大到亚硫酸盐浆、硫酸盐浆,乃至非木材浆中去.? 木质素是造纸工业中有效利用纤维素的最大障碍.在化学制浆过程中,大部分木质素可从木 材、草类或其他粗原料的纤维中除去,但还残留大约3～12%,这部分残留的木质素会造成纸 浆褐色,并降低纸张的强度.因此,需要对纸浆进行漂白.传统的化学漂白法是采用多段的 氯/二氧化氯漂白及碱提取来去掉木质素,在废水中会有大量含氯的、致癌致畸的物质,如 呋喃、二恶英等,造成严重的环境污染和生态破坏.?
80年代初,西方工业国家工业污染控制战略出现了重大变革,以污染预防取代了污染治理. 芬兰 率先将生物预漂白技术引入制浆造纸工业中.用木聚糖酶对纸浆进行预漂白,可以减少随后 的化学漂白用氯量30％～40%,废液中有机氯化物与毒性物含量显著减少.至今,用于生物预漂 白的木聚糖酶已经经历了三代的发展.从第一代酸性酶,第二代中性酶,到第三代碱性酶. 目前,对第三代木聚糖酶的研究与应用正进入高峰期,采用基因工程与蛋白质工程手段获得 性质 优良的耐热耐碱木聚糖酶已成为各相关实验室的研究热点,期望不久的将来重组酶会更有效 地应用于漂白工艺中.目前,酶法助漂新工艺在欧洲和北美的30余家大型纸厂得到应用,成 为生物技术在造纸工业应用最成功的一例.加拿大已有约10%的硫酸盐法纸浆厂采用了该新 工艺.丹麦诺和诺德公司和美国山道斯化学公司等多家酶制剂厂商,纷纷推出了专门用于纸 浆处理的木聚糖酶和纤维素酶新产品.?
由于木聚糖酶处理工艺是通过降解除去纸浆表面再沉积的半纤维素等方式,来帮助化学漂剂 漂白的.木聚糖酶只能起到助漂的作用,不能真正替代化学漂剂.因此,生物预漂白并不 能完全替代化学漂白,能减少污染却不能最终消除污染,因此要从根本上消除有毒氯漂液的 污染,需最终实现生物漂白,即完全采用生物手段除去纸浆中残留的木质素 .近年来,利用各种木质素酶进行生物漂白的研究正在迅速兴起,人们期望利用木质素酶对 木质素的直接作用来实现生物漂白.许多实验室都在努力研究非木聚糖酶的漂白用酶,涉及 的酶类包括木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和纤维二糖脱氢酶等.其中,一种叫做漆 酶的木质素酶成为近年来的研究热点.?
过去,一般都认为漆酶的氧化还原电位太低,不能攻击构成木素结构90%以上的非酚木素结 构.但进入90年代后,有人发现,当有可起氧化还原中介物作用的简单有机化合物存在 时 ,漆酶不仅能氧化非酚结构,而且能使硫酸盐浆脱木素和脱甲氧基.目前研究较多的中介物 有1-羟基苯并三唑(1-hydroxybensotriazol,1-H等.佐治亚大学的研究者则发现一株漆 酶产生菌朱红密孔菌(pycnoporus Cinnaba-rinus)可以产生自己的氧化还原中介物3-羟基 邻 氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilic acid,3-HAA).漆酶加3-HAA系统不仅能氧化非酚模式化 合物,而且能降解合成的木素.日本报道,利用漆酶进行生物漂白,可以去掉50％～60%的残余 木质素,减少氯漂50％～60%,然而,离真正意义的生物漂白还有一段距离.木质素的结构 非常 复杂,并且在纸浆中木质素与木聚糖形成复合体紧密地附着在纤维上,难以除去.仅依赖于 一种酶的作用远远不够,利用木聚糖酶与木质素酶两种酶的共同作用有望完全降解掉纸浆中 残留的木质素,实现真正意义上的生物漂白.未来生物制浆和生物漂白的技术突破将使造纸工 业摆脱污染,实现清洁生产.?
3.石油污染土壤的生物修复?
人类的生产活动,当代工业的迅速发展,大量的人造化学物质排放入环境中,对资源和环境 构成越来越严重的破坏.化石燃料的开采和使用,工业三废的排放,给我们赖以生存的环境 造成难以估量的污染,比如在国外仅石油的开采、运输、储存以及事故性泄漏等原因造成每 年约有1000万吨石油烃进入环境(不包括石油加工行业的损失),另外全世界各国每年大约使 用1500万吨的各种农药广泛喷洒于面积巨大的农田,引起土壤、地下水、水系和海洋的严重 污染,破坏生态平衡,不仅制约了经济的发展,而且影响到人类的健康和生存.我国如华北 油田周围的很多农田由于原油污染而无法耕种,每年都要支付大量资金作为对农民的赔偿. 黄河水系年平均含油最高可达4.82mg/L,辽河水系年平均含油最高可达7.68mg/L,明显地超 过了国家三级地面水的标准(＜0.1mg/L).有的甚至污染到地下水资源,如山东淄博地区地下水 最 高含油达到了100mg/L以上,超过国家标准(＜0.1mg/L)1000倍以上.全国各地的储油场所 也已 开始渗漏污染到地下水,严重威胁了地下水资源的水质,石油污染是1998年发生在渤海的1 万平方公里赤潮的主要原因之一.有鉴于此,世界各发达国家纷纷制定了环境修复计划,如 荷兰在80年代已投资15亿美元进行土壤污染的修复,德国在1995年一年就投资60亿美元 净化 土壤污染,英国、法国、日本、俄罗斯等也相应投巨资进行环境污染的修复.据《21世纪生物 技术：新的方向》一书介绍,美国在90年代中,每年都投资几百亿美元进行污染环境的修复 ,该书分析：如果采用传统的修复方法(物理和化学方法)来治理美国本土陆地上的环境污 染,就需要投资1.7万亿美元,而如果采用生物修复技术,而只需3400～6000亿美元的投资 ,也就是传统方法所需投资的1/5～1/3.该书还分析：在今后若干年内,美国市场对生物 修复技术服务及其生物产品的需求将以每年15%或更高的速度增长,到2000年生物修复技术 的纯利润将超过5亿美元.?
针对严重污染的环境,我国尚未采取大规模的治理措施,仅在少数地区开展了治理,并以物 理化学方法(如洗脱、吸附)为主,不仅投资成本高,而且也造成了二次污染.我们的国土面 积比美国略大,且环境污染还更为严重,对全国范围的污染环境进行修复,若采用传统方法 ,即使考虑劳动力相对便宜的因素,其投资规模将仍然非常庞大,如采用生物修复技术,不 仅其投资规模大为缩小(仅需传统方法的1/5～1/3),而且还没有二次污染.综上所述,环境 污染的生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展的生物技术,更具有广阔的市场和发 展前景.可充分预见,在21世纪,生物修复技术将成为我国生态环境保护领域最具有价值和最 具有生命力的大面积污染的优选生物工程技术.?
生物修复技术是80年代以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术,其主要利用 生物 特有的分解有毒有害物质的能力,去除污染环境如土壤中的污染物,达到清除环境污染的目 的.在该技术的萌芽阶段,主要应用于环境中石油烃污染的治理,并取得成功.实践结果表 明生,物修复技术是可行的、有效的和优越的,此后该技术被不断扩大应用于环境中其他污 染 类型的治理.欧洲各国如德国、丹麦、荷兰对生物修复技术非常重视,全欧洲从事该项技术 的研究机构和商业公司大约有近百个,他们的研究证明,利用微生物分解有毒有害物质的生 物修复技术是治理大面积污染区域的一种有价值的方法.美国国家环保局、国防部、能源部 都积极推进生物修复技术的研究和应用.美国的一些州也对生物修复技术持积极态度,如新 泽西州、威斯康星州规定将该技术列为净化受储油罐泄漏污染土壤治理的方法之一.美国能 源部制定了90年代土壤和地下水的生物修复计划,并组织了一个由联邦政府、学术和实业界 人员组成的 “生物修复行动委员会 ”(Bioremediation Action Committee)来负责生物修复 技术的研究和具体应用实施.生物修复是采用诸如提高通气效率、补充营养(对石油污染而 言,主要是补充N、P),投加优良菌种、改善环境条件等办法来提高微生物的代谢作用和降 解活性水平,以促进对污染物的降解速度,从而达到治理污染环境的目的.生物修复技术最 成功的例子是Jon E. Llidstrom等人在1990年夏到1991年应用投加营养和高效降解菌对阿拉 斯加Exxon Valdez 王子海湾由于油轮泄漏造成的污染进行的处理,取得非常明显的效果, 使得近百公里海岸的环境质量得到明显改善.?