梁嘉駿

摘 要：人們改變自然的能力促使了人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們?yōu)榱藵M足自身的需求，廣泛的攫取著大自然的資源和財(cái)富，然而環(huán)境的變化也影響著人們的生活。新世紀(jì)以來，自然界中資源的日益枯竭和環(huán)境污染的加劇極大影響了人們的日常生活和社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展?，F(xiàn)代化的生物工程技術(shù)為治理環(huán)境污染、環(huán)境保護(hù)提供了新的解決路徑，本文論述了生物工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生物工程;環(huán)境保護(hù);技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0003-02

0 引言

20世紀(jì)70年代，生物工程作為一個(gè)高綜合性的應(yīng)用學(xué)科進(jìn)行了跨越式的大發(fā)展，與其他基礎(chǔ)學(xué)科的聯(lián)系日益緊密，在全球各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著人類對(duì)資源的需求的提高，也逐漸意識(shí)到環(huán)境保護(hù)和資源的合理開發(fā)的重要性，生物工程技術(shù)因其自身的高效環(huán)保等特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)方面具有極大的應(yīng)用潛力。本文通過深入探究生物工程的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題，旨在為未來生物工程在環(huán)保方向的更廣泛應(yīng)用助力。

1 環(huán)境問題及生物工程應(yīng)用價(jià)值

生物工程技術(shù)，即以生命科學(xué)原理為基礎(chǔ)，以生物有機(jī)體內(nèi)各種生化反應(yīng)及相關(guān)工程原理為核心的一項(xiàng)新興科學(xué)技術(shù)。生物工程技術(shù)治理污染的基本原理是借由生物抑制劑使污染源從自然環(huán)境中消解或排除，同時(shí)不對(duì)環(huán)境造成較大負(fù)性影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，各種生物工程技術(shù)的成果猶如雨后春筍般橫空出世，為世界環(huán)境的治理和人類文明的發(fā)展提出了越來越多的可行方案。

1.1 環(huán)境問題

自工業(yè)革命至今，人類社會(huì)和自然環(huán)境之間的矛盾變得愈發(fā)尖銳。從上個(gè)世紀(jì)80年代伊始，改革開放敲開了中國經(jīng)濟(jì)飛速增長的大門，中國速度引起國際熱烈反響。但是從河套平原的次生土地鹽漬化，到華北平原上的漫天沙塵，從黃土高原的水土流失，再到長江中下游平源上的濕地退化。越來越多生態(tài)環(huán)境問題正在警醒著國人：唯有掘棄“粗放式”和“掠奪式”的環(huán)境開發(fā)與生產(chǎn)活動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)人類命運(yùn)共同體的可持續(xù)發(fā)展。然而，根據(jù)有關(guān)部門的調(diào)查顯示，僅我國的鹽堿化土地就達(dá)到了1.8億公頃，近十年來有50億噸的土壤流失，全國“三廢”污染嚴(yán)重，有將近半數(shù)的城市在居民生活用水和社會(huì)生產(chǎn)用水上存在不同程度的缺口，因環(huán)境質(zhì)量下降而造成的疾病嚴(yán)重危害著居民的生活質(zhì)量與生命健康。

1.2 生物工程應(yīng)用價(jià)值

與純粹的化學(xué)反應(yīng)處理相比，生物工程技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)更低，對(duì)環(huán)境的污染更小，原料與產(chǎn)物獲取的途徑與條件也更為簡便與溫和。生物技術(shù)不僅在處理環(huán)境污染方面速度快、消耗低、成本少，同時(shí)兼具了環(huán)保效率較高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，有能從根本上為人類共同體的可持續(xù)發(fā)展助力的巨大潛力。20世紀(jì)50年代，隨著DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與中心法則的相繼提出，以DNA分子技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代生物體系開始崛起。例如將常規(guī)菌接受外來基因并能夠進(jìn)行超遠(yuǎn)緣性狀表達(dá)的基因工程、細(xì)胞工程，也有將基因重組而得的新物種進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)從而發(fā)揮其巨大效益的微生物工程，即酶工程和蛋白質(zhì)工程。如今，人類已將生物工程技術(shù)大規(guī)模地運(yùn)用到了社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中。例如人類利用轉(zhuǎn)基因等生物工程菌，在發(fā)酵工程中大規(guī)模地進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)污染物的處理，最終令其分解成為對(duì)自然界無害的小分子無機(jī)物，達(dá)到人與自然的和諧共處的目的。蘇云桿菌抗蟲基因的成功導(dǎo)入，令棉花新物種擁有了抗菌的優(yōu)勢(shì)，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)藥的使用量驟減，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益中取得共贏。

2 生物工程在環(huán)保領(lǐng)域中的經(jīng)典應(yīng)用

日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題從國民心中的隱痛惡化為當(dāng)前迫在眉睫的大疾。本文將對(duì)生物工程技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的經(jīng)典應(yīng)用場景進(jìn)行梳理，為生物工程技術(shù)后續(xù)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2.1 污水治理

目前人類可通過發(fā)酵工程，利用微生物自身細(xì)胞內(nèi)正常的代謝活動(dòng)，降解凈化污水中污染物。例如通過固定化酶或固定化細(xì)胞技術(shù)，大量吸附污水中的懸浮污染物，并在氧氣的作用下，將溶解的有機(jī)物氧化分解為簡單的小分子物質(zhì)，從而使污染物含量大幅度下降。在我國，利用固定化微生物膜降解有機(jī)污染物的方法也被廣泛研究和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，固定化技術(shù)可對(duì)多種含硫磷的農(nóng)藥的降解率超過95%，即便是處理洗滌劑濃度為100g/L的廢水，其污染降解率也可超過90%。生物膜法的優(yōu)點(diǎn)在于酶的利用率高、對(duì)水質(zhì)變動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定占地少，可實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)轉(zhuǎn)防止臭味等優(yōu)點(diǎn)[1]。

除了好氧微生物處理外，污水的治理還可采用厭氧微生物處理工序。目前厭氧微生物污水處理工序已被大規(guī)模地應(yīng)用到了社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中的污水處理方面。厭氧微生物通過自身的生理反應(yīng)的共同作用下，經(jīng)過水解發(fā)酵階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段，含污水中的有機(jī)污染物分解為二氧化碳和甲烷的過程。在生態(tài)系統(tǒng)中，各營養(yǎng)級(jí)的能量是在傳遞中逐級(jí)遞減的，熱學(xué)第二定律也指出，孤立系統(tǒng)自發(fā)地朝著最大最大熵狀態(tài)演化，孤立系統(tǒng)的無序性是在不斷升高的，能量的總量并沒有減少，但品質(zhì)卻在不斷降低。厭氧生物反應(yīng)器除了擁有耗能低、代謝廢物少等優(yōu)勢(shì)外，還因?yàn)槠浼夹g(shù)本身能夠有效提高能源的利用效率和在緩解世界能源危機(jī)做出的獨(dú)特貢獻(xiàn)而備受青睞。相信人類通過進(jìn)行廢水好氧微生物處理技術(shù)和厭氧微生物處理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，定能夠令中國社會(huì)在自然與人類協(xié)調(diào)共處的關(guān)系上更進(jìn)一步。

2.2 城市廢棄物

工業(yè)廢氣，即因煤和石油燃燒而生成的二氧化硫、氮?dú)浠衔锏人嵝詺怏w的混合氣體，嚴(yán)重空氣質(zhì)量。由于污染物性質(zhì)不同，如今生物工程技術(shù)在處理廢氣方面的應(yīng)用成效仍和污水凈化存在著較大的差距。但相比于傳統(tǒng)法中的空氣凈化工程而言，生物工程技術(shù)對(duì)于有害氣體的處理和轉(zhuǎn)化已凸顯出了巨大的優(yōu)勢(shì)。日本中央電力研究所已從土壤中分離出了一種硫桿菌[2]，它可以利用自身細(xì)胞內(nèi)特有的酶，將自身中的硫單質(zhì)氧化成為硫酸，把二價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)化成為三價(jià)鐵離子，高效地實(shí)現(xiàn)了煤的脫硫，為技術(shù)的大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，憑借著自身的高效性與實(shí)用性，符合人類“源頭防治”和“綠色經(jīng)濟(jì)”理念的生物脫硫技術(shù)定能在日后大放異彩[3]。

2.3 污染土壤治理

垃圾掩埋處理是當(dāng)今固體廢棄物處理的主要方式，存在著占地大、二次污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。歐美等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)較為推崇的垃圾焚燒處理也存在著易產(chǎn)生氣體污染物、能源消耗大等短板。以上兩種措施均會(huì)產(chǎn)生不同程度的土壤污染問題?；诖?，應(yīng)當(dāng)利用生物工程技術(shù)改進(jìn)微生物的催化酶，高效分解土壤污染物，使其降解成為有益于生態(tài)環(huán)境的小分子物質(zhì)，達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益雙收的效果。

除了固體廢棄物外，重金屬離子也是土壤的另一大污染源。重金屬離子會(huì)與生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，從而破壞蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，令其失去生理活性。而蛋白質(zhì)又是生物體內(nèi)生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，因此治理土壤中的重金屬離子污染刻不容緩。目前可通過微生物酶促等生理作用，對(duì)富含重金屬離子的被污染土地進(jìn)行凈化，改變重金屬離子的化學(xué)形態(tài)從而降低其在土壤中的移動(dòng)性。通過應(yīng)用低溫微生物修復(fù)技術(shù)，也可有效對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附降解，從而修復(fù)被污染土地，減少水土流失和土地荒漠化的程度，加快綠色中國的建設(shè)[4]。

2.4 塑料分子治理

由于塑料分子單體間形成的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上塑料本身是一種非自然產(chǎn)物，生物圈中絕大多數(shù)的微生物體內(nèi)都缺乏有效降解塑料的酶。而且由于塑料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)行焚燒處理會(huì)釋放大量諸如甲苯、氯化氫的有害氣體，從而進(jìn)一步局限了傳統(tǒng)的垃圾處理方式在塑料上的應(yīng)用，因此發(fā)展新的塑料處理方式是本世紀(jì)環(huán)境保護(hù)的重要課題之一。由于塑料獨(dú)具的特性和便捷，在一定程度上決定了其在生產(chǎn)應(yīng)用中的不可替代性，目前除研發(fā)新型可自然降解的地膜外，尋找、培育、利用可高效降解塑料的生物體也是治理白色污染的一重要思路。微生物對(duì)塑料分解的關(guān)鍵在于促使其對(duì)塑料分子中的聚酯結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。同時(shí)也可采取細(xì)菌DNA重組技術(shù)，向目的菌株中轉(zhuǎn)入可轉(zhuǎn)錄翻譯出相關(guān)酶的DNA，創(chuàng)造出自然界中不存在的新型菌株，對(duì)塑料進(jìn)行高效、無二次污染的高效降解，從而達(dá)到綠色發(fā)展的要求[5]。

2.5 化學(xué)農(nóng)藥污染

濫用化學(xué)農(nóng)藥的后果是災(zāi)難性的。據(jù)估計(jì)，在人類向田野中施加的農(nóng)藥僅有百分之一左右可直接作用于害蟲身上，剩余的百分之九十九通過污染土壤和水源，在食物網(wǎng)中傳遞、富集，從而給人類的健康帶來危害。目前，為了緩解化學(xué)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染破壞，除利用生物工程技術(shù)被動(dòng)地修復(fù)生態(tài)外，還要積極主動(dòng)地從源頭上解決問題，研發(fā)對(duì)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)較低的生物農(nóng)藥。作為利用生物工程技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)化產(chǎn)品，生物農(nóng)藥包括有微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素制劑、微生物除草劑等，它們的主要成分大多是由生物代謝的、具有除雜草和防止害蟲侵害的有機(jī)物質(zhì)，極易在陽光環(huán)境下被植物或其它微生物降解，可有效避免其對(duì)生態(tài)造成污染或打破生態(tài)系統(tǒng)中的相對(duì)平衡。目前，人類已可通過施放外源激素，干擾農(nóng)作物害蟲正常的交配活動(dòng)，從而改變害蟲的雄雌比例及年齡組成，長期將害蟲的種群密度穩(wěn)定在環(huán)境容納量的一半以下，達(dá)到了遏制害蟲過度繁殖、保護(hù)生產(chǎn)的目的。

2.6 環(huán)境保護(hù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)

目前，國內(nèi)外涉足較多的是生物傳感器和應(yīng)用PCR技術(shù)生物芯片等高新生物技術(shù)。當(dāng)下PCR應(yīng)用較多的是環(huán)境水體腸道病原細(xì)菌的定量檢測(cè)以及食品中的致病細(xì)菌檢測(cè)等領(lǐng)域。PCR技術(shù)耗時(shí)周期短，在傳統(tǒng)法至少需10小時(shí)間基礎(chǔ)上，PCR技術(shù)僅需數(shù)小時(shí)即可完成對(duì)菌種的分析檢測(cè)，同時(shí)，通過設(shè)計(jì)通用引物，可使用實(shí)時(shí)熒光定量PCR的方法對(duì)水中病原體進(jìn)行監(jiān)控。如今，生物傳感器憑借其使用方便、成本低、省時(shí)易制作等優(yōu)點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中引起廣泛關(guān)注，在商業(yè)化應(yīng)用的層面上，生物傳感器也取得了可喜的進(jìn)展。目前，如甲烷生物傳感器，BOB生物傳感器，乙醇生物傳感器，亞硝酸鹽生物傳感器等皆已投入到了應(yīng)用當(dāng)中，在未來中國社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用前景廣闊[6]。

3 結(jié)語

環(huán)境問題依然是全球關(guān)注的熱點(diǎn)話題，綠色、可持續(xù)的發(fā)展模式是大勢(shì)所趨，各個(gè)國家的生態(tài)工程建設(shè)開展地如火如荼。生物技術(shù)具備的高效率、成本低、毒害低等優(yōu)點(diǎn)會(huì)愈加凸顯，相信生物工程技術(shù)定將為人類命運(yùn)共同體的構(gòu)建提供更多行之有效的方案。

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