論環境生物技術在環境污染治理中的應用

(四川大學新能源與低碳技術研究院 四川 成都 610065)

科技與經濟的飛速發展，相繼產生種種環境問題，不同程度的大氣、水和土壤污染等現象，環境保護和修復工作刻不容緩。環境生物技術是現代生物技術與環境工程相結合應用于環境污染防治的一門新興交叉學科，在環境污染治理中起著核心的作用。通過直接或間接利用完整的生物體或生物體的某些組成部分或某些機能，污染物進行降低或消除能夠高效凈化環境污染以及同時生產有用物質的人工技術系統[1]。環境生物技術現已在研究領域不斷擴大，具有多學科性和綜合性，工程實踐也證實了其可成為解決復雜環境污染的有效手段之一。

一、環境生物技術

應用環境生物技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害且穩定的物質，如CO2、H2O、N2和CH4。基因工程、細胞工程和酶工程等生物技術的融合，一定程度上強化了環境生物處理過程，使得生物處理達到更高的效率，更低的成本和更好的專一性。目前較為熱點的八種環境生物技術進行分析：

(一)生物監測技術

傳統的環境監測以化學分析，生物監測為主的新手段應生物技術的發展而生，可測定微生物的酶和細胞基因等監測環境的變化。生物發光菌可以檢測水體中的毒物，如鹵素呼吸菌、苯乙烯降解菌等，可監測水體中的有害物質和海水中藻類的爆發[2]。生物傳感器、生物芯片，PCR，生物免疫檢驗，病毒檢測等新的分子生物工具介入到生物監測技術[3]。

(二)生物降解技術

微生物對污染物具有代謝、轉化及降解作用。針對某些特定的廢水或成分單一的高濃度有機廢水，將選育出具有較高降解活性的菌種，純培養后用于廢水處理。從自然環境中分離篩選優良菌種，通過遺傳學改造，定向選育出降解能力高的工程菌種，可能大幅度提高微生物的降解能力[4]。

(三)固定化生物技術

主要指利用化學或物理的方法將分散、游離的生物催化劑(細胞或酶)固定在限定的空間區域，提高微生物細胞的濃度的同時，且使其保持較高活性，可反復利用的技術，從而增加微生物的環境適應能力和對有機物的降解能力[5-6]。固定化方法分為吸附法、包埋法、交聯法、共價結合法和組合固定化技術。

(四)基因工程育種技術

利用基因工程育種可以集中目的基因，使調控某一特性的基因優先突變，促使微生物的降解特性向有益的方向轉變。在純培養條件下，構建各種高效基因工程菌研究降解石油、纖維、農藥等有機污染物以及它們凈化重金屬污染的水體。

(五)生物強化處理技術

向廢水中投加從天然體系中篩選的優勢菌種或基因組合技術產生的高效菌種，以去除某一種或某一類有害物質，提高廢水處理的效果。

(六)生物自然凈化技術

主要指水體生物處理系統的生物塘(厭氧塘和氧化塘)和土地處理系統的人工濕地。生物自然凈化技術投資少，運行費用低，但占地面積大，出水水質不易控制[7]。雖氧化塘、人工濕地及厭氧發酵等處理技術較次，但都是治理污染不可缺少的生物工程技術。

(七)生物修復技術

利用原位環境中或外源添加入環境的微生物和其微生物代謝過程，對環境中的污染物進行富集或消除的生物學過程。微生物催化降解有機污染物，達到修復被污染的環境或消除環境中的污染物的一個受控或自發進行的過程[8]。與傳統的理化修復技術比較，生物修復技術具有可以原位、成本低、對周圍環境的擾動小、對污染物的去除具有持久性、公眾易于接受、可以與物理化學方法結合使用等優點[9]。但同時存在修復周期長，降解能力有限的特點。

(八)生物絮凝劑

通過微生物發酵抽提精制而得到的一種具有生物分解性和安全性的新型、高效、無毒且廉價的水處理劑。水處理劑使用的無機或有機合成高分子絮凝劑具有成本高，產生二次污染等缺點。細菌、真菌等微生物生產出的生物絮凝劑工業廢水處理中現已應用降解性能好[10]。

二、環境生物技術研究任務與發展趨勢

環境生物技術的發展與進步將有利于解決一些研究任務[11]：①將實驗室階段研究的基因工程菌應用到實際工程中，深入探究其功能的高效性、遺傳的穩定性、生態的安全性等方面的問題。②將環境生物技術應用到開發廢物資源化和能源化技術中。③利用環境生物技術建立無害化生物技術清潔生產新工藝。

環境生物技術的發展趨勢：應用環境生物技術處理污染的核心是利用相應的功能微生物，因此，從環境中分離獲得功能新菌株十分重要，降解污染物的能力可能比較有限，利用基因工具進行改造，定向選育出降解能力較高的工程菌種，提高微生物的降解能力。同時，在實驗室條件下構建作用強大的工程菌，為解決生物修復周期長提供解決途徑。對污染物降解基因，降解途徑等降解機制的認識，有助于構建高效的基因工程菌。進一步開發生物檢測手段，對環境中的情況進行連續監測，借助計算機數據收集模擬，結合其它現代科學技術，提高處理效率，增強處理效果。

污染物處理時運用傳統生物技術，主要是借助微生物及生物的代謝功能實現污染凈化，凈化速度較慢，因此，為了提高處理效率及效果必須優化傳統微生物或生物處理技術，及時的進行創新、改進，可以合理的提高生物用量、調整操作流程，實現技術優化。基因工程是環境生物技術未來主要的發展方向與發展趨勢，主要是利用基因分離與重組技術，將有利的基因片段在受體細胞中進行性狀表達，待基因性狀表達出來后，再次進行分離運用[12]。有助于生物品種改良，通過基因工程制作高效菌種對由農藥、塑料造成的環境污染治理具有良好的效果。

廢棄物為原料生產氫氣和沼氣等清潔能源，以及生物可降解塑料，生物農藥等環境友好材料是利用環境生物技術實現污染物資源化的兩個重要方向。對能源的依賴和使用，也使人們預感到不可再生能源的有限性和潛在的危機。生物技術在消除有害物質和廢棄物的同時，可以轉化再利用和資源化[13]。

三、環境生物技術在實際工程中的應用

環境生物技術是環境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各個方面，發揮著極為重要的作用。

(一)廢氣凈化中的生物技術

有機合成工業和石油化學工業的發展，排放進入大氣的有機物與日俱增，這類物質一般帶有惡臭，不僅對感官有刺激作用，而且其中不少有機物具有毒性，對人體和環境產生很大的危害。采用生物技術控制和處理，將廢氣中的有機污染物或惡臭物質降解或轉化。應用生物技術處理廢氣與傳統有機廢氣處理方法相比較，成本低、效率高、安全性好和無二次污染[14]。現階段主要利用的是生物過濾法、生物吸附法和生物洗滌法等。廢氣排放中的揮發性有機物和惡臭物質，大部分物質是可以被微生物降解的。根據微生物在廢氣處理過程中存在的形式，可將處理方法分為生物吸收法和生物過濾法。生物吸收法主要用來處理含胺、酚和乙醛等污染物的氣體,去除率可高達95%。生物過濾法常用于有臭味廢氣的降解[3]。

利用微生物代謝凈化工業性惡臭氣體效果顯著，而且不產生二次異臭。利用生物膜過濾處理含硫化氫的氣體，硫化氫除去率達90%以上。橡膠再生脫硫實驗中使用生物膜填料塔后發現，當運行條件合理控制時，凈化效率可以在90%左右持續維持，達到排放標準，耗資低等優點[15]。

(二)廢水處理中的生物技術

利用微生物的生命活動，將污染物進行轉移或轉化，使廢水得到凈化的處理方法，是一種較為經濟的處理手段。生物具有較強的吸附力，又具有良好的沉降性，出水處理效果好；生物具有很強的降解能力，處理效率高，可處理水量大，技術成熟；成本低，無二次污染[16]。

根據微生物在廢水中存在的狀態或形式，廢水生物處理可分為活性污泥法和生物膜法。水體污染狀況的加劇和對廢水處理要求的日益提高，好氧與厭氧工藝相結合、生物膜法與活性污泥法相結合的廢水處理技術，與其它工藝一同應用于廢水處理[17]。廢水處理中生物除磷，利用聚磷的微生物超量攝取廢水中磷來去除廢水中的磷，這類微生物主要有：假單胞菌屬、氣單胞菌屬和不動桿菌屬等。氮和磷都屬于水體富營養化的主要因子，對于封閉或半封閉的水體，開發同時能有效去除水體中氮和磷的方法尤為重要[18]。

廢水生物處理技術比較成熟，廣泛地應用到實際工程案例。好氧與厭氧工藝、生物膜法與活性污泥法相結合的廢水處理技術，高效完善的自動化體系是主要發展方向。此外，還應充分考慮使微生物降解后的產物得到充分利用的途徑，盡可能提供更多的資源，還可實現真正意義上的清潔生產。

(三)固體廢棄物處理的生物技術

固體廢棄物主要來源為工業固體廢棄物和城市生活垃圾。傳統的固體廢棄物處理通常采用的方法為固積、掩埋、焚燒，這三種方法會產生有害物質對環境造成二次污染[3]。為了將固體廢棄物“三化”處理，即無害化，資源化，減量化，處理過程達到清潔有效且可循環，因此，固體廢棄物的處理單元引入生物技術，利用微生物自身生命活動，經過生物處理后的產物，使其變成有機肥料，投入農作物種植，將“三化”進行到底。

生物技術處理固體廢棄物的主要方法是衛生填埋、堆肥和沼氣發酵。發達國家已開始推廣了機械快速堆肥技術，并對有機垃圾、城市垃圾、糞便等使用蚯蚓床進行處理，將有機廢棄物轉化成無臭、肥力好的肥料，同時，蚯蚓的糞便可作為醫學原料加工、富含蛋白質的蚯蚓肉體可以用于畜牧養殖業材料加工[19]。

(四)土壤修復中的生物技術

土壤污染具有隱蔽性和滯后性的特點，大量的有機或無機污染物進入土壤，造成土壤污染很難根治，特別是重金屬污染，農作物吸附后，通過飲食就會對人體健康構成危害。

污染土壤的修復，初期一般采用物理和化學的方法，如熱處理法和化學浸出法，但費用昂貴，不適于大面積應用[20]。大量研究表明，造成土壤污染的主要原因是重金屬含量超標。合理運用微生物修復技術處理土壤內的重金屬物質，原理是利用生物本身吸收和代謝的生命體活動去改變重金屬的化學形態，使其化學特性固定，從而降低其在土壤中的移動性，最終達到對受污染土壤中重金屬的凈化和消減[3]。科學的使用生物處理、修復在被污染的土壤，可以使土壤內部的重金屬含量快速降低，同時，還可以增加土壤中有機質含量且微生物活動對土壤內的生態結構可進行優化、鞏固，改善土壤的水土保持功能[21]。

四、結語

生物技術在處理環境污染物時，表現出速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等優點。隨著現代生物技術的發展，將從根本上解決環境問題提供支持，已被廣泛地應用于生物多樣性保護、環境污染防治和環境、經濟、社會的可持續發展，解決污染治理的難題。如何有效地將生物技術利用到環境保護中，將是本世紀的重要課題之一，充分地利用我國的資源優勢，借鑒先進技術和經驗，根據實際情況有重點地加強環境生物技術的研究與開發。發展、運用和完善新的理論、新技術，為環境污染治理和環境保護提供更多可行有效的方法。