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现代生物技术在水污染控制工程中的应用
摘要：现代生物技术应用在水污染控制工程领域具有成本低,效率高、工艺简单等优点,已成为各国科研人员竞相研究的课题,并通过工业化立用得以推广.通过查阅整理国内外部分资料,即对在水污染控制工程中所使用的生物技术,对其作用机理进行浅析,学习探讨使用中存在的问题.作 者：吕国峰 作者单位：哈尔滨天源石化工程设计有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150001 期 刊：黑龙江科技信息 Journal：HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)：, “”(13) 分类号：X7 关键词：生物技术 水污染控制 固定化 生物絮凝 膜反应器 工程应用现代生物技术在水污染控制中的应用
摘要：介绍了现代生物技术的.内容和特点,着重综述了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情况,展望了现代生物技术在今后的水污染控制领域中的研究方向.作 者：冯宝荣 苏宏智 李友平 FENG Bao-rong SU Hong-zhi LI You-ping 作者单位：冯宝荣,苏宏智,FENG Bao-rong,SU Hong-zhi(睢宁县环保局,江苏,睢宁,221200)李友平,LI You-ping(西华师范大学化学化工学院,四川,南充,637009)
期 刊：污染防治技术 Journal：POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY 年，卷(期)：2010, 23(3) 分类号：X17 X52 关键词：现代生物技术 废水生物处理 生物修复 水处理剂论文摘要：当今的水处理技术中，生物处理法已成为水污染控制的主要方法，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。本文介绍了现代生物技术的内容与特点，着重综述了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。
论文关键词：现代生物技术 废水生物处理 生物修复 水处理剂
0 引言
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。
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[1，2]。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。
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。
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。
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，以高污泥浓度和长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。
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，m3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。
现代生物技术在环境科学研究中的应用
随分子生物学和遗传工程技术的`迅速发展,现代生物技术在环境科学研究中的应用越来越广泛.笔者较系统地概述了与环境科学密切相关的现代生物学技术,如核酸探针检测技术、PCR技术、基因重组技术.基因芯片技术.生物酶技术、生物传感器,及其在环境监测、环境污染防治中的应用.
作 者：金明兰 尹军 JIN Ming-lan YIN Jun 作者单位：吉林建筑工程学院水污染控制与资源化利用实验室,长春,130021 刊 名：吉林建筑工程学院学报 英文刊名：JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING 年，卷(期)： 26(6) 分类号：X830.2 关键词：分子生物学技术 环境污染 环境监测生物技术在现代中药研究中的应用
摘要:本文从细胞工程、发酵工程、酶工程、基因工程4个方面对生物技术在中药研究及应用进行了综述
关键词:生物技术 中药
中药是我国制药工业的重要组成部分。我国拥有世界上最丰富的天然药用资源。我国现有中药资源12807种。近年来，随着盲目挖掘捕猎，不仅使野生资源日益减少，造成全国经常使用的400余种药材每年有20%的短缺，而且严重破坏了生态环境，使人类遭受到巨大的生命财产损失。人工栽培品种又面临着品质退化、农药污染和种子带病等问题，严重影响了对药材品质的保证和控制。使得我国中药生产加工总体上仍处于与现代科学技术严重脱节状态。因此除了制定有关政策法律保护占我国药材市场80%供应量的野生资源以外，还必须找到切实可行的新技术途径彻底改变我国中药生产的落后面貌。
生物技术是一门应用生物科学研究成果工程手段增加生物制品数量、提高质量，从而满足人类日益增长需求的技术，它的具体内容包括细胞工程、发酵工程、酶和蛋白质工程、基因工程等4个方面。生物技术作为一种综合了生命科学与多种现代科学理论与研究手段的高新技术，在中药资源研究领域具有广阔的应用前景[1，2，9]。
1、细胞工程生产药材原料或药用有效成分、部位
植物能生产30000多种化合物，是微生物来源的4倍。有些物质是很难用化学方法合成的，有些很难用微生物生产或增加产量。植物细胞培养不受环境、生态和气候条件限制，生长比整体植株快，次生代谢物质的含量是自然植株的数倍甚至数千倍，如人参皂苷在组织培养中含量占干重的27%，全株中只有4.5%;紫草素在细胞培养物中占12%，而全株只有1.5%。药用植物三七、人参、雪莲、银杏、紫草、洋地黄、长春花、丹参、红豆杉等的培养已进行了系统研究，并优化了培养条件。人参细胞培养物的化学成分和药理活性分析表明与种植人参无明显差异。
一些植物的细胞培养已达到商业化生产应用，如在日本植物细胞培养反应器的规模已达4000~0L，美国Phyto公司已达到了75000L紫杉醇的生产规模。除大规模细胞培养之外，毛状根和不定根组织培养也非常成功。培养的黄芪毛状根的效价与药用黄芪类似，丹参毛状根的培养物含有7种丹参碱，并且能分泌到培养基中。希腊毛地黄细胞在褐藻酸盐的固定化下培养，可将有毒物质毛地黄苷转化为地高辛，利用紫草细胞培养技术生产紫草宁等。依据野生新疆雪莲的抗炎、抗辐射等作用，有人进行了细胞培养物与天然新疆雪莲抗炎、镇痛和抗辐射的药理实验，表明新疆雪莲细胞培养物可以成为野生新疆雪莲的替代品，具有深入开发应用的价值。
另外，细胞培养技术可进行犀角等药用动物器官的培养，来解决资源短缺的矛盾。采用细胞融合技术可得到有用的新的杂交药用植物，通过杂交株的培养，可得到集合多种功能的中药材新品种。
2、发酵工程技术的'应用
发酵工程中药发酵研究始于20世纪80年代，人工条件下利用细胞的快速增殖与次生代谢产物的产生，为人工资源的生产提供技术平台。水蛭素不与血小板反应，在治疗血小板减少症(HIT)方面具有其它抗凝药物无法比拟的效果。在5L发酵罐中重组毕赤酵母能够高密度发酵产生水蛭素，最高总产量1.8g/L，为大规模工业化铺平了道路。周晓燕等用经选育的猪芩PU-99菌作生产菌株，在1t罐中生产，菌丝体干重2.3%，含粗多糖31%。利用微生物生长代谢来炮制中药，比一般的物理或化学炮制手段优越，可较大幅度地改变药性，提高疗效，降低毒副作用，为中药活性成分结构修饰提供新途径，产生新药效，扩大适应症，保护中药活性成分免遭破坏，节省药源。
3、基因工程技术的应用
基因工程 基因工程是利用分子生物学和微生物遗传学的现代研究方法和手段发展起来的。由于这些领域的迅速发展，如今已有可能人工定向改变药用植物的遗传性状，培育出一些具有抗病、抗虫、抗除草剂等药用植物新品种。如在抗虫害研究方面Delannay等用HD-1菌株的毒蛋白基因转入到蕃茄细胞之后所做的大田试验的结果向人们表明，转基因番茄的植株系上虫害确实得到了有效的控制。我们可将这种基因转入到药用植物的植物细胞之中以改造药用植物的品质。而在实际研究中这些技术的关键在于用什么方法将外源基因导入植物的基因组，并得到高效表达，在目前各式各样的研究方法之中农杆菌做载体将外源基因导入植物基因组的方法比较成熟。
另外，利用转基因动植物来生产有效成分的研究受到较多重视，某些蛋白质成分难以用细胞培养、发酵培养获得，用转基因动植物来作天然的发酵罐可以在自然的状态下表达出复杂的天然蛋白质。动物饲养或植物栽培比细胞培养、微生物发醇容易得多，动植物体就象天然的发酵罐，且可以传代。
基因水平研究中药的作用机理，还可以利用基因工程技术以DNA为标志物进行新药的检测。
4、酶工程技术的应用
药用植物的有效成分大多是属于植物次生代谢产物。植物的次生代谢非常复杂，是由不同的代谢途径，分许多步在不同的酶类参与下完成的。次生代谢调控的研究，首先必须明确某一化合物的生物合成途径及其有关的酶类。用改变次生代谢关键酶的基因来调控次生代谢物的产生是较理想的途径，这方面的研究已有报道。Hashimoto等以发根农杆菌介导，用花椰菜花叶病毒35s为启动子改造Ri质粒，将天仙子羟化酶导入富含莨菪碱的颠茄中，并在卡那酶素培养基上筛选出抗卡那酶素毛状根。在转化后的颠茄毛状根中羟化酶活性增高，6β-羟基莨菪碱较用野生型发根农杆菌诱导毛状根含量高，东莨菪碱的含量也提高了5倍。此项研究结果表明，利用次生代谢物生物合成途径中某些关键酶基因的转化，来生产次生代谢物是可能的。
另外中药经口服后其中有些成分是经过体内酶的作用才转化为有用化合物，因此通过研究生物体的酶的作用可以解释某些中药的作用机理。
5、结语
综上所述，生物技术应用于中药生产，不仅可以保护和增殖珍稀濒危传统药材，大量生产高品质的地道药材和药用活性成分，提高药材活性成分的含量，而且还可以使药材和药品生产质量稳定，阐明药效物质基础。生物技术在中药领域日益广泛而卓有成效的应用，对促进我国中药现代化，促进我国中药进入国际市场，将起着不可替代的重要作用。
1 我国生态环境现状
目前我国由于工业“三废”污染、农用化肥和农药的污染以及废弃塑料和农用地膜的污染，严重的影响了我国的生态环境，使得水污染日益加剧，水资源严重短缺，全国600多个城市中已有一半城市缺水，农村则有8 000万人和6 000万头牲畜饮水困难;土壤污染严重，耕地面积锐减，近10年来每年流失的土壤总量达50亿t，土地荒漠化日益加剧;森林覆盖面积下降，草场退化，每年减少森林面积达2 500万亩;人们的身体健康受到严重威胁，疾病发病率急剧上升，因此，加大环境保护和环境治理力度，加快应用高新技术，如现代生物技术来控制环境污染和保持生态平衡，提高环境质量已成为环保工作者的工作重点。
2 现代生物技术与环境保护
现代生物技术是以DNA分子技术为基础，包括微生物工程，细胞工程，酶工程，基因工程等一系列生物高新技术的总称。现代生物技术不仅在农作物改良、医药研究、食品工程方面发挥着重要作用，而且也随着日益突出的环境问题在治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。自20 世纪 80年代以来生物技术作为一种高新技术，已普遍受到世界各国和民间研究机构的高度重视，发展十分迅猛。与传统方法比较，生物治理方法具有许多优点。
(1)生物技术处理垃圾废弃物是降解破坏污染物的分子结构，降解的产物以及副产物，大都是可以被生物重新利用的，有助于把人类活动产生的环境污染减轻到最小程度，这样既做到一劳永逸，不留下长期污染问题,同时也对垃圾废弃物进行了资源化利用。
(2) 利用发酵工程技术处理污染物质，最终转化产物大都是无毒无害的稳定物质，如二氧化碳、水、氮气和甲烷气体等，常常是一步到位，避免污染物的多次转移而造成重复污染，因此生物技术是一种既安全又彻底消除污染的手段。
(3)生物技术是以酶促反应为基础的生物化学过程，而作为生物催化剂的酶是一种活性蛋白质，其反应过程是在常温常压和接近中性的条件下进行的，所以大多数生物治理技术可以就地实施，而且不影响其他作业的正常进行，与常常需要高温高压的化工过程比较，反应条件大大简化，具有设备简单、成本低廉、效果好、过程稳定、操作简便等优点。
所以，当今生物技术已广泛应用于环境监测、工业清洁生产、工业废弃物和城市生活垃圾的处理，有毒有害物质的无害化处理等各个方面。
3 现代生物技术在环境保护中的应用
3.1 污水的生物净化
污水中的有毒物质的成分十分复杂，包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用，从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质，使污水得到净化。当今固定化酶和固定化细胞技术处理污水就是生物净化污水的方法之一。固定化酶和固定化细胞技术是酶工程技术。固定化酶又称水不溶性酶，是通过物理吸附法或化学键合法使水溶性酶和固态的不溶性载体相结合，将酶变成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物，微生物细胞是一个天然的固定化酶反应器，用制备固定化酶的方法直接将微生物细胞固定，即是可催化一系列生化反应的固定化细胞。运用固定化酶和固定化细胞可以高效处理废水中的有机污染物、无机金属毒物等，此方面国内外成功的例子很多，如德国将能降解对硫磷等9种农药的酶，以共介结合法固定于多孔玻璃及硅珠上，制成酶柱，用于处理对硫磷废水，去除率达95%以上;近几年我国在应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LAS)方面取得较大进展，对于含100mg/L废水，降解率和酶活性保存率均在90%以上;利用固定化酵母细胞降解含酚废水也已实际应用于废水处理，
3.2 污染土壤的生物修复
重金属污染是造成土壤污染的主要污染物。重金属污染的生物修复是利用生物(主要是微生物、植物)作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。其原理是:通过生物作用(如酶促反应)改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性，通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。污染土壤的生物修复过程可以增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，由此可以改善土壤的生态结构，这将有助于土壤的固定，遏制风蚀、水蚀等作用，防止水土流失。
3.3 白色污染的消除
废弃塑料和农用地膜经久不化解，估计是形成环境污染的重要成分。据估计我国土壤、沟河中塑料垃圾有百万吨左右。塑料在土壤中残存会引起农作物减产，若再连续使用而不采取措施，十几年后不少耕地将颗粒无收，可见数量巨大的塑料垃圾严重影响着生态和环境，研究和开发生物可降解塑料已迫在眉睫。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌，另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物(如：根瘤菌)中，使两者同时发挥各自的作用，将塑料和农膜迅速降解。同时，还需大力推行可降解塑料和地膜的研发、生产和应用。
有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物即聚酯，这些聚酯是微生物内源性贮藏物质，可以用发酵方法进行生产，由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在医学等许多领域有极好的应用前景。为了降低成本、提高产量，人们正在用重组DNA技术对相关的微生物进行改造，此方面目前一个研究热点是采用微生物发酵法生产聚-β羟基烷酸(PHAs)，研究人员正设法构建出自溶性PHAs生产菌种，即将PHAs重组菌进行发酵，在积累大量的PHAs后，加入信号物质，使裂解蛋白产生，细胞壁破坏，PHAs析出，以简化胞内产物PHAs的提取过程，降低提取成本。
3.4 化学农药污染的消除
一般情况下，使用的化学杀虫剂约80%会残留在土壤中，特别是氯代烃类农药是最难分解的，经生态系统造成滞留毒害作用。因此多年来人们一直在寻找更为安全有效的办法，而利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。能降解农药的微生物，有的是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO2和H2O，这种降解途径彻底，一般不会带来副作用;有的是通过共代谢作用，将农药转化为可代谢的中间产物，从而从环境中消除残留农药，这种途径的降解结果比较复杂，有正面效应也有负面效应。为了避免负面效应，就需要用基因工程的方法对已知有降解农药作用的微生物进行改造，改变其生化反应途径，以希望获得最佳的降解、除毒效果。要想彻底消除化学农药的污染，最好全面推广生物农药。
所谓生物农药是指由生物体产生的具有防止病虫害和除杂草等功能的一大类物质总称，它们多是生物体的代谢产物，主要包括微生物杀虫剂、农用抗生素制剂和微生物除草剂等。其中微生物杀虫剂得到了最广泛的研究，主要包括病毒杀虫剂、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、放线菌杀虫剂等。长期以来并没有得到广泛的使用。现在人们正在利用重组DNA技术克服其缺点来提高杀虫效果，例如目前病毒杀虫剂的一个研究热点是杆状病毒基因工程的改造，人们正在研究将外源毒蛋白基因如编码神经毒素的基因克隆到杆状病毒中以增强杆状病毒的毒性;将能干扰害虫正常生活周期的基因如编码保幼激素酯酶的基因插入到杆状病毒基因组中，形成重组杆状病毒并使其表达出相关激素,以破坏害虫的激素平衡，干扰其正常的代谢和发育从而达到杀死害虫的目的。
