论环境生物技术在环境污染治理中的应用

(四川大学新能源与低碳技术研究院 四川 成都 610065)

科技与经济的飞速发展，相继产生种种环境问题，不同程度的大气、水和土壤污染等现象，环境保护和修复工作刻不容缓。环境生物技术是现代生物技术与环境工程相结合应用于环境污染防治的一门新兴交叉学科，在环境污染治理中起着核心的作用。通过直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成部分或某些机能，污染物进行降低或消除能够高效净化环境污染以及同时生产有用物质的人工技术系统[1]。环境生物技术现已在研究领域不断扩大，具有多学科性和综合性，工程实践也证实了其可成为解决复杂环境污染的有效手段之一。

一、环境生物技术

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且稳定的物质，如CO2、H2O、N2和CH4。基因工程、细胞工程和酶工程等生物技术的融合，一定程度上强化了环境生物处理过程，使得生物处理达到更高的效率，更低的成本和更好的专一性。目前较为热点的八种环境生物技术进行分析：

(一)生物监测技术

传统的环境监测以化学分析，生物监测为主的新手段应生物技术的发展而生，可测定微生物的酶和细胞基因等监测环境的变化。生物发光菌可以检测水体中的毒物，如卤素呼吸菌、苯乙烯降解菌等，可监测水体中的有害物质和海水中藻类的爆发[2]。生物传感器、生物芯片，PCR，生物免疫检验，病毒检测等新的分子生物工具介入到生物监测技术[3]。

(二)生物降解技术

微生物对污染物具有代谢、转化及降解作用。针对某些特定的废水或成分单一的高浓度有机废水，将选育出具有较高降解活性的菌种，纯培养后用于废水处理。从自然环境中分离筛选优良菌种，通过遗传学改造，定向选育出降解能力高的工程菌种，可能大幅度提高微生物的降解能力[4]。

(三)固定化生物技术

主要指利用化学或物理的方法将分散、游离的生物催化剂(细胞或酶)固定在限定的空间区域，提高微生物细胞的浓度的同时，且使其保持较高活性，可反复利用的技术，从而增加微生物的环境适应能力和对有机物的降解能力[5-6]。固定化方法分为吸附法、包埋法、交联法、共价结合法和组合固定化技术。

(四)基因工程育种技术

利用基因工程育种可以集中目的基因，使调控某一特性的基因优先突变，促使微生物的降解特性向有益的方向转变。在纯培养条件下，构建各种高效基因工程菌研究降解石油、纤维、农药等有机污染物以及它们净化重金属污染的水体。

(五)生物强化处理技术

向废水中投加从天然体系中筛选的优势菌种或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，提高废水处理的效果。

(六)生物自然净化技术

主要指水体生物处理系统的生物塘(厌氧塘和氧化塘)和土地处理系统的人工湿地。生物自然净化技术投资少，运行费用低，但占地面积大，出水水质不易控制[7]。虽氧化塘、人工湿地及厌氧发酵等处理技术较次，但都是治理污染不可缺少的生物工程技术。

(七)生物修复技术

利用原位环境中或外源添加入环境的微生物和其微生物代谢过程，对环境中的污染物进行富集或消除的生物学过程。微生物催化降解有机污染物，达到修复被污染的环境或消除环境中的污染物的一个受控或自发进行的过程[8]。与传统的理化修复技术比较，生物修复技术具有可以原位、成本低、对周围环境的扰动小、对污染物的去除具有持久性、公众易于接受、可以与物理化学方法结合使用等优点[9]。但同时存在修复周期长，降解能力有限的特点。

(八)生物絮凝剂

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、无毒且廉价的水处理剂。水处理剂使用的无机或有机合成高分子絮凝剂具有成本高，产生二次污染等缺点。细菌、真菌等微生物生产出的生物絮凝剂工业废水处理中现已应用降解性能好[10]。

二、环境生物技术研究任务与发展趋势

环境生物技术的发展与进步将有利于解决一些研究任务[11]：①将实验室阶段研究的基因工程菌应用到实际工程中，深入探究其功能的高效性、遗传的稳定性、生态的安全性等方面的问题。②将环境生物技术应用到开发废物资源化和能源化技术中。③利用环境生物技术建立无害化生物技术清洁生产新工艺。

环境生物技术的发展趋势：应用环境生物技术处理污染的核心是利用相应的功能微生物，因此，从环境中分离获得功能新菌株十分重要，降解污染物的能力可能比较有限，利用基因工具进行改造，定向选育出降解能力较高的工程菌种，提高微生物的降解能力。同时，在实验室条件下构建作用强大的工程菌，为解决生物修复周期长提供解决途径。对污染物降解基因，降解途径等降解机制的认识，有助于构建高效的基因工程菌。进一步开发生物检测手段，对环境中的情况进行连续监测，借助计算机数据收集模拟，结合其它现代科学技术，提高处理效率，增强处理效果。

污染物处理时运用传统生物技术，主要是借助微生物及生物的代谢功能实现污染净化，净化速度较慢，因此，为了提高处理效率及效果必须优化传统微生物或生物处理技术，及时的进行创新、改进，可以合理的提高生物用量、调整操作流程，实现技术优化。基因工程是环境生物技术未来主要的发展方向与发展趋势，主要是利用基因分离与重组技术，将有利的基因片段在受体细胞中进行性状表达，待基因性状表达出来后，再次进行分离运用[12]。有助于生物品种改良，通过基因工程制作高效菌种对由农药、塑料造成的环境污染治理具有良好的效果。

废弃物为原料生产氢气和沼气等清洁能源，以及生物可降解塑料，生物农药等环境友好材料是利用环境生物技术实现污染物资源化的两个重要方向。对能源的依赖和使用，也使人们预感到不可再生能源的有限性和潜在的危机。生物技术在消除有害物质和废弃物的同时，可以转化再利用和资源化[13]。

三、环境生物技术在实际工程中的应用

环境生物技术是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，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。

(一)废气净化中的生物技术

有机合成工业和石油化学工业的发展，排放进入大气的有机物与日俱增，这类物质一般带有恶臭，不仅对感官有刺激作用，而且其中不少有机物具有毒性，对人体和环境产生很大的危害。采用生物技术控制和处理，将废气中的有机污染物或恶臭物质降解或转化。应用生物技术处理废气与传统有机废气处理方法相比较，成本低、效率高、安全性好和无二次污染[14]。现阶段主要利用的是生物过滤法、生物吸附法和生物洗涤法等。废气排放中的挥发性有机物和恶臭物质，大部分物质是可以被微生物降解的。根据微生物在废气处理过程中存在的形式，可将处理方法分为生物吸收法和生物过滤法。生物吸收法主要用来处理含胺、酚和乙醛等污染物的气体,去除率可高达95%。生物过滤法常用于有臭味废气的降解[3]。

利用微生物代谢净化工业性恶臭气体效果显著，而且不产生二次异臭。利用生物膜过滤处理含硫化氢的气体，硫化氢除去率达90%以上。橡胶再生脱硫实验中使用生物膜填料塔后发现，当运行条件合理控制时，净化效率可以在90%左右持续维持，达到排放标准，耗资低等优点[15]。

(二)废水处理中的生物技术

利用微生物的生命活动，将污染物进行转移或转化，使废水得到净化的处理方法，是一种较为经济的处理手段。生物具有较强的吸附力，又具有良好的沉降性，出水处理效果好；生物具有很强的降解能力，处理效率高，可处理水量大，技术成熟；成本低，无二次污染[16]。

根据微生物在废水中存在的状态或形式，废水生物处理可分为活性污泥法和生物膜法。水体污染状况的加剧和对废水处理要求的日益提高，好氧与厌氧工艺相结合、生物膜法与活性污泥法相结合的废水处理技术，与其它工艺一同应用于废水处理[17]。废水处理中生物除磷，利用聚磷的微生物超量摄取废水中磷来去除废水中的磷，这类微生物主要有：假单胞菌属、气单胞菌属和不动杆菌属等。氮和磷都属于水体富营养化的主要因子，对于封闭或半封闭的水体，开发同时能有效去除水体中氮和磷的方法尤为重要[18]。

废水生物处理技术比较成熟，广泛地应用到实际工程案例。好氧与厌氧工艺、生物膜法与活性污泥法相结合的废水处理技术，高效完善的自动化体系是主要发展方向。此外，还应充分考虑使微生物降解后的产物得到充分利用的途径，尽可能提供更多的资源，还可实现真正意义上的清洁生产。

(三)固体废弃物处理的生物技术

固体废弃物主要来源为工业固体废弃物和城市生活垃圾。传统的固体废弃物处理通常采用的方法为固积、掩埋、焚烧，这三种方法会产生有害物质对环境造成二次污染[3]。为了将固体废弃物“三化”处理，即无害化，资源化，减量化，处理过程达到清洁有效且可循环，因此，固体废弃物的处理单元引入生物技术，利用微生物自身生命活动，经过生物处理后的产物，使其变成有机肥料，投入农作物种植，将“三化”进行到底。

生物技术处理固体废弃物的主要方法是卫生填埋、堆肥和沼气发酵。发达国家已开始推广了机械快速堆肥技术，并对有机垃圾、城市垃圾、粪便等使用蚯蚓床进行处理，将有机废弃物转化成无臭、肥力好的肥料，同时，蚯蚓的粪便可作为医学原料加工、富含蛋白质的蚯蚓肉体可以用于畜牧养殖业材料加工[19]。

(四)土壤修复中的生物技术

土壤污染具有隐蔽性和滞后性的特点，大量的有机或无机污染物进入土壤，造成土壤污染很难根治，特别是重金属污染，农作物吸附后，通过饮食就会对人体健康构成危害。

污染土壤的修复，初期一般采用物理和化学的方法，如热处理法和化学浸出法，但费用昂贵，不适于大面积应用[20]。大量研究表明，造成土壤污染的主要原因是重金属含量超标。合理运用微生物修复技术处理土壤内的重金属物质，原理是利用生物本身吸收和代谢的生命体活动去改变重金属的化学形态，使其化学特性固定，从而降低其在土壤中的移动性，最终达到对受污染土壤中重金属的净化和消减[3]。科学的使用生物处理、修复在被污染的土壤，可以使土壤内部的重金属含量快速降低，同时，还可以增加土壤中有机质含量且微生物活动对土壤内的生态结构可进行优化、巩固，改善土壤的水土保持功能[21]。

四、结语

生物技术在处理环境污染物时，表现出速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等优点。随着现代生物技术的发展，将从根本上解决环境问题提供支持，已被广泛地应用于生物多样性保护、环境污染防治和环境、经济、社会的可持续发展，解决污染治理的难题。如何有效地将生物技术利用到环境保护中，将是本世纪的重要课题之一，充分地利用我国的资源优势，借鉴先进技术和经验，根据实际情况有重点地加强环境生物技术的研究与开发。发展、运用和完善新的理论、新技术，为环境污染治理和环境保护提供更多可行有效的方法。