生物工程在当代环境问题中的应用综述

梁嘉骏

摘 要：人们改变自然的能力促使了人类社会的进步和发展，人们为了满足自身的需求，广泛的攫取着大自然的资源和财富，然而环境的变化也影响着人们的生活。新世纪以来，自然界中资源的日益枯竭和环境污染的加剧极大影响了人们的日常生活和社会的进步发展。现代化的生物工程技术为治理环境污染、环境保护提供了新的解决路径，本文论述了生物工程技术在环境保护中的应用。

关键词：生物工程;环境保护;技术应用

中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0003-02

0 引言

20世纪70年代，生物工程作为一个高综合性的应用学科进行了跨越式的大发展，与其他基础学科的联系日益紧密，在全球各个领域都有广泛的应用。随着人类对资源的需求的提高，也逐渐意识到环境保护和资源的合理开发的重要性，生物工程技术因其自身的高效环保等特点，在环境保护方面具有极大的应用潜力。本文通过深入探究生物工程的应用现状及问题，旨在为未来生物工程在环保方向的更广泛应用助力。

1 环境问题及生物工程应用价值

生物工程技术，即以生命科学原理为基础，以生物有机体内各种生化反应及相关工程原理为核心的一项新兴科学技术。生物工程技术治理污染的基本原理是借由生物抑制剂使污染源从自然环境中消解或排除，同时不对环境造成较大负性影响。随着现代科学的发展，各种生物工程技术的成果犹如雨后春笋般横空出世，为世界环境的治理和人类文明的发展提出了越来越多的可行方案。

1.1 环境问题

自工业革命至今，人类社会和自然环境之间的矛盾变得愈发尖锐。从上个世纪80年代伊始，改革开放敲开了中国经济飞速增长的大门，中国速度引起国际热烈反响。但是从河套平原的次生土地盐渍化，到华北平原上的漫天沙尘，从黄土高原的水土流失，再到长江中下游平源上的湿地退化。越来越多生态环境问题正在警醒着国人：唯有掘弃“粗放式”和“掠夺式”的环境开发与生产活动，才能实现人类命运共同体的可持续发展。然而，根据有关部门的调查显示，仅我国的盐碱化土地就达到了1.8亿公顷，近十年来有50亿吨的土壤流失，全国“三废”污染严重，有将近半数的城市在居民生活用水和社会生产用水上存在不同程度的缺口，因环境质量下降而造成的疾病严重危害着居民的生活质量与生命健康。

1.2 生物工程应用价值

与纯粹的化学反应处理相比，生物工程技术的风险更低，对环境的污染更小，原料与产物获取的途径与条件也更为简便与温和。生物技术不仅在处理环境污染方面速度快、消耗低、成本少，同时兼具了环保效率较高、无二次污染等优点，有能从根本上为人类共同体的可持续发展助力的巨大潜力。20世纪50年代，随着DNA分子双螺旋结构的构建与中心法则的相继提出，以DNA分子技术为基础的现代生物体系开始崛起。例如将常规菌接受外来基因并能够进行超远缘性状表达的基因工程、细胞工程，也有将基因重组而得的新物种进行大规模培养从而发挥其巨大效益的微生物工程，即酶工程和蛋白质工程。如今，人类已将生物工程技术大规模地运用到了社会生产活动当中。例如人类利用转基因等生物工程菌，在发酵工程中大规模地进行工业生产污染物的处理，最终令其分解成为对自然界无害的小分子无机物，达到人与自然的和谐共处的目的。苏云杆菌抗虫基因的成功导入，令棉花新物种拥有了抗菌的优势，从而使农业生产过程中农药的使用量骤减，在经济和环境效益中取得共赢。

2 生物工程在环保领域中的经典应用

日益严峻的环境问题从国民心中的隐痛恶化为当前迫在眉睫的大疾。本文将对生物工程技术在环保领域中的经典应用场景进行梳理，为生物工程技术后续的发展打下良好的基础。

2.1 污水治理

目前人类可通过发酵工程，利用微生物自身细胞内正常的代谢活动，降解净化污水中污染物。例如通过固定化酶或固定化细胞技术，大量吸附污水中的悬浮污染物，并在氧气的作用下，将溶解的有机物氧化分解为简单的小分子物质，从而使污染物含量大幅度下降。在我国，利用固定化微生物膜降解有机污染物的方法也被广泛研究和应用。据统计，固定化技术可对多种含硫磷的农药的降解率超过95%，即便是处理洗涤剂浓度为100g/L的废水，其污染降解率也可超过90%。生物膜法的优点在于酶的利用率高、对水质变动适应性强、运行稳定占地少，可实现封闭运转防止臭味等优点[1]。

除了好氧微生物处理外，污水的治理还可采用厌氧微生物处理工序。目前厌氧微生物污水处理工序已被大规模地应用到了社会生产活动中的污水处理方面。厭氧微生物通过自身的生理反应的共同作用下，经过水解发酵阶段，产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，含污水中的有机污染物分解为二氧化碳和甲烷的过程。在生态系统中，各营养级的能量是在传递中逐级递减的，热学第二定律也指出，孤立系统自发地朝着最大最大熵状态演化，孤立系统的无序性是在不断升高的，能量的总量并没有减少，但品质却在不断降低。厌氧生物反应器除了拥有耗能低、代谢废物少等优势外，还因为其技术本身能够有效提高能源的利用效率和在缓解世界能源危机做出的独特贡献而备受青睐。相信人类通过进行废水好氧微生物处理技术和厌氧微生物处理技术的有机结合，定能够令中国社会在自然与人类协调共处的关系上更进一步。

2.2 城市废弃物

工业废气，即因煤和石油燃烧而生成的二氧化硫、氮氢化合物等酸性气体的混合气体，严重空气质量。由于污染物性质不同，如今生物工程技术在处理废气方面的应用成效仍和污水净化存在着较大的差距。但相比于传统法中的空气净化工程而言，生物工程技术对于有害气体的处理和转化已凸显出了巨大的优势。日本中央电力研究所已从土壤中分离出了一种硫杆菌[2]，它可以利用自身细胞内特有的酶，将自身中的硫单质氧化成为硫酸，把二价铁离子转化成为三价铁离子，高效地实现了煤的脱硫，为技术的大规模的工业应用奠定了基础，凭借着自身的高效性与实用性，符合人类“源头防治”和“绿色经济”理念的生物脱硫技术定能在日后大放异彩[3]。

2.3 污染土壤治理

垃圾掩埋处理是当今固体废弃物处理的主要方式，存在着占地大、二次污染严重等缺点。欧美等发达国家及地区较为推崇的垃圾焚烧处理也存在着易产生气体污染物、能源消耗大等短板。以上两种措施均会产生不同程度的土壤污染问题。基于此，应当利用生物工程技术改进微生物的催化酶，高效分解土壤污染物，使其降解成为有益于生态环境的小分子物质，达到环境与经济效益双收的效果。

除了固体废弃物外，重金属离子也是土壤的另一大污染源。重金属离子会与生物体内的蛋白质结合，从而破坏蛋白質的空间结构，令其失去生理活性。而蛋白质又是生物体内生命活动的主要承担者，因此治理土壤中的重金属离子污染刻不容缓。目前可通过微生物酶促等生理作用，对富含重金属离子的被污染土地进行净化，改变重金属离子的化学形态从而降低其在土壤中的移动性。通过应用低温微生物修复技术，也可有效对重金属离子进行吸附降解，从而修复被污染土地，减少水土流失和土地荒漠化的程度，加快绿色中国的建设[4]。

2.4 塑料分子治理

由于塑料分子单体间形成的化学键结构复杂，加上塑料本身是一种非自然产物，生物圈中绝大多数的微生物体内都缺乏有效降解塑料的酶。而且由于塑料的化学性质稳定，进行焚烧处理会释放大量诸如甲苯、氯化氢的有害气体，从而进一步局限了传统的垃圾处理方式在塑料上的应用，因此发展新的塑料处理方式是本世纪环境保护的重要课题之一。由于塑料独具的特性和便捷，在一定程度上决定了其在生产应用中的不可替代性，目前除研发新型可自然降解的地膜外，寻找、培育、利用可高效降解塑料的生物体也是治理白色污染的一重要思路。微生物对塑料分解的关键在于促使其对塑料分子中的聚酯结构进行破坏。同时也可采取细菌DNA重组技术，向目的菌株中转入可转录翻译出相关酶的DNA，创造出自然界中不存在的新型菌株，对塑料进行高效、无二次污染的高效降解，从而达到绿色发展的要求[5]。

2.5 化学农药污染

滥用化学农药的后果是灾难性的。据估计，在人类向田野中施加的农药仅有百分之一左右可直接作用于害虫身上，剩余的百分之九十九通过污染土壤和水源，在食物网中传递、富集，从而给人类的健康带来危害。目前，为了缓解化学农药对环境的污染破坏，除利用生物工程技术被动地修复生态外，还要积极主动地从源头上解决问题，研发对环境负面效应较低的生物农药。作为利用生物工程技术大规模生产的商业化产品，生物农药包括有微生物杀虫剂、农用抗生素制剂、微生物除草剂等，它们的主要成分大多是由生物代谢的、具有除杂草和防止害虫侵害的有机物质，极易在阳光环境下被植物或其它微生物降解，可有效避免其对生态造成污染或打破生态系统中的相对平衡。目前，人类已可通过施放外源激素，干扰农作物害虫正常的交配活动，从而改变害虫的雄雌比例及年龄组成，长期将害虫的种群密度稳定在环境容纳量的一半以下，达到了遏制害虫过度繁殖、保护生产的目的。

2.6 环境保护与环境监测

目前，国内外涉足较多的是生物传感器和应用PCR技术生物芯片等高新生物技术。当下PCR应用较多的是环境水体肠道病原细菌的定量检测以及食品中的致病细菌检测等领域。PCR技术耗时周期短，在传统法至少需10小时间基础上，PCR技术仅需数小时即可完成对菌种的分析检测，同时，通过设计通用引物，可使用实时荧光定量PCR的方法对水中病原体进行监控。如今，生物传感器凭借其使用方便、成本低、省时易制作等优点在环境监测领域中引起广泛关注，在商业化应用的层面上，生物传感器也取得了可喜的进展。目前，如甲烷生物传感器，BOB生物传感器，乙醇生物传感器，亚硝酸盐生物传感器等皆已投入到了应用当中，在未来中国社会发展中的应用前景广阔[6]。

3 结语

环境问题依然是全球关注的热点话题，绿色、可持续的发展模式是大势所趋，各个国家的生态工程建设开展地如火如荼。生物技术具备的高效率、成本低、毒害低等优点会愈加凸显，相信生物工程技术定将为人类命运共同体的构建提供更多行之有效的方案。

参考文献

[1] 王利明.苏州地区农村生活污水处理工艺的调研及示范工程的设计[D].苏州科技大学，2017.

[2] 邱广亮.微生物法脱除工业烟气二氧化硫的研究[D].天津大学，2006.

[3] 胡婷婷，张梦君，朱振宇，等.生物技术在煤炭清洁化利用中的应用[J].煤炭加工与综合利用，2018（01）：76-80.

[4] 周宇，马刚平，张向伟，等.多环芳烃类污染土壤强化生物修复技术研究及应用[J].环境工程，2017，35（12）：184-188.

[5] 陈希荣，叶舟.纳米技术与生物可降解塑料及其应用[J].中国包装，2005（6）：75-79.

[6] 赵瑞彬，彭晓静，贾瑞宝，等.水体突发污染事件在线生物监测技术的发展和应用分析[J].生态毒理学报，2019，14（2）：42-52.