環(huán)境保護工程中生物技術(shù)與重要進展分析

傅永杰 肖許亮 曾曜

（1、四川省核工業(yè)輻射測試防護院，四川 成都 610000；2、重慶市大渡口區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 404100）

環(huán)境生物技術(shù)已不單純是一種污染治理技術(shù)，而已開始影響到包括其他行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策，促進各工業(yè)部門逐步以生物過程替代傳統(tǒng)的化工過程，如利用生物酶制劑在造紙行業(yè)中，進行生物漂白，減少甚至徹底替代化學(xué)漂白，并最終在造紙工業(yè)中實現(xiàn)完全的生物制漿和生物漂白，徹底解決嚴重污染我國水環(huán)境的造紙黑液問題，使許多污染行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)真正進入無污染的清潔生產(chǎn)的軌道。

1 環(huán)境生物技術(shù)的特點

生物是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的要素，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)主要是依靠生物過程來完成的。科技的發(fā)展也充分證明生物技術(shù)是環(huán)境保護的理想武器，這一技術(shù)在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點，加之其技術(shù)開發(fā)所預(yù)示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。

目前生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環(huán)境污染控制的生物。生物技術(shù)已是環(huán)境保護中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、污染環(huán)境的修復(fù)和污染嚴重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護的各個方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮氣。利用生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。大部分有機污染物適于作為底物，一些有機污染物經(jīng)生物過程處理后可轉(zhuǎn)化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質(zhì)，因此，生物處理方法也常是有機廢物資源化的首選技術(shù)。生物過程是以酶促反應(yīng)為基礎(chǔ)的，酶是一種活性蛋白，生物反應(yīng)過程通常是在常溫、常壓下進行的，因而投資省、費用少、消耗低、效果好、過程穩(wěn)定、操作簡便，同時，它還可和其他技術(shù)結(jié)合使用。生物過程代替化學(xué)過程可以降低生產(chǎn)活動的污染水平，有利于實現(xiàn)工藝過程生態(tài)化或無廢生產(chǎn)，真正實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標。另外，生物技術(shù)的產(chǎn)品或副產(chǎn)品基本上都是可以較快生物降解的，且都可以作為一種營養(yǎng)源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化學(xué)藥物、化石能源、人工合成物等，有助于把人類活動產(chǎn)生的環(huán)境污染降至最低程度，使經(jīng)濟發(fā)展進入可持續(xù)發(fā)展的軌道。利用環(huán)境生物技術(shù)可治理用其他方法難以處理的環(huán)境介質(zhì)，即用生物修復(fù)技術(shù)凈化環(huán)境，使受污染的寶貴資源如水資源、土壤等得以重新利用，同時還可進一步強化環(huán)境的自凈能力。

2 環(huán)境生物技術(shù)的重要進展

環(huán)境污染不但影響了國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，甚至已威脅到人類的健康、智力乃至生存，因此全球各國近幾年都在尋找新的途徑和方法，以治理和解決環(huán)境污染問題。我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟水平和科技總體水平離國際發(fā)展水平仍有相當差距，這就要求我國在科技發(fā)展特別是環(huán)保高科技發(fā)展上，需跟蹤國際前沿，與國際同步開發(fā)未來可能應(yīng)用的高新技術(shù)。以下介紹幾項已接近產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境生物技術(shù)。

2.1 高硫煤微生物脫硫技術(shù)

我國是一個發(fā)展中國家，開發(fā)廉價的、操作簡便的煤脫硫技術(shù)，將具有深遠的經(jīng)濟和環(huán)境保護意義。與現(xiàn)有的物理、化學(xué)法相比，微生物潔凈技術(shù)具有投資低、操作簡便、反應(yīng)條件溫和、不產(chǎn)生新污染，并可和現(xiàn)有的物理洗煤過程相結(jié)合，脫除其中的灰分，而煤基本無損失，且可提高煤的燃值等優(yōu)勢。

煤的微生物潔凈技術(shù)主要是脫硫、脫塵。煤炭中的硫分主要包括有機硫和無機硫、無機黃鐵礦硫以及少量的硫酸鹽硫。其中，有機硫分、黃鐵礦硫FeS2較易去除，早期的研究主要利用一些自養(yǎng)菌在幾天時間里將黃鐵礦氧化分解成鐵離子和硫酸，硫酸溶于水中而排出。雖然該方法脫硫效率較高，可去除90%的無機硫，使某些煤的含硫量降至1%以下，但處理的時間較長，并要求較大的反應(yīng)器容積和較細的煤炭粒徑。

為提高脫硫效率，近年來研究人員把選煤技術(shù)之一的浮選法和微生物處理相結(jié)合，即把煤粉碎成微粒與水混合，并將微生物加入溶液中，讓微生物附著在黃鐵礦表面，使其表面變成親水性，能溶于水。在浮選中其難以附著在氣泡上，下沉至底部，從而把煤和黃鐵礦分開。由于它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時間只需數(shù)分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時間，可脫除無機硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時，灰分也可同時沉底，所以也具有脫去灰分的優(yōu)點。目前，浮選法微生物脫硫已成為國際上潔凈煤技術(shù)開發(fā)的熱點。

2.2 造紙工業(yè)生物制漿和生物漂白技術(shù)

造紙工業(yè)中的制漿和漂白工序是污染物產(chǎn)生的主要工序。與化學(xué)法相比，雖然機械法制漿紙漿得率高，可節(jié)省大量林木資源，但能耗很大，成品紙強度等質(zhì)量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項技術(shù)的發(fā)展。生物技術(shù)可以幫助解決這問題，其中以生物制漿與生物漂白為最具優(yōu)勢，采用生物制漿與生物漂白可以有效減少蒸煮黑液和漂白廢液的產(chǎn)生。利用微生物與微生物酶類進行生物制漿與生物漂白具有很大的優(yōu)勢和潛力，因為微生物極易生長繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無污染。

木質(zhì)素是造紙工業(yè)中有效利用纖維素的最大障礙。傳統(tǒng)的化學(xué)漂白法是采用多段的氯/二氧化氯漂白及堿提取來去掉木質(zhì)素，在廢水中會有大量含氯的、致癌致畸的物質(zhì)，如呋喃、二惡英等，造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。將生物預(yù)漂白技術(shù)引入制漿造紙工業(yè)中，用木聚糖酶對紙漿進行預(yù)漂白，至今，用于生物預(yù)漂白的木聚糖酶已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展。目前，對第三代木聚糖酶的研究與應(yīng)用正進入高峰期，采用基因工程與蛋白質(zhì)工程手段獲得性質(zhì)優(yōu)良的耐熱耐堿木聚糖酶已成為各相關(guān)實驗室的研究熱點，期望不久的將來重組酶會更有效地應(yīng)用于漂白工藝中。未來生物制漿和生物漂白的技術(shù)突破將使造紙工業(yè)擺脫污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

2.3 污染土壤的生物修復(fù)

人類的生產(chǎn)活動，當代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的人造化學(xué)物質(zhì)排放入環(huán)境中，對資源和環(huán)境構(gòu)成越來越嚴重的破壞。化石燃料的開采和使用，工業(yè)三廢的排放，給我們賴以生存的環(huán)境造成難以估量的污染，不僅制約了經(jīng)濟的發(fā)展，而且影響到人類的健康和生存。

針對嚴重污染的土壤，我國尚未采取大規(guī)模的治理措施，僅在少數(shù)地區(qū)開展了治理，并以物理化學(xué)方法(如洗脫、吸附)為主，不僅投資成本高，而且也造成了二次污染。對全國范圍的污染環(huán)境進行修復(fù)，若采用傳統(tǒng)方法，即使考慮勞動力相對便宜的因素，其投資規(guī)模將仍然非常龐大，如采用生物修復(fù)技術(shù)，不僅其投資規(guī)模大為縮小，而且還沒有二次污染。綜上所述，環(huán)境污染的生物修復(fù)技術(shù)是我國今后治理環(huán)境污染必須發(fā)展的生物技術(shù)，更具有廣闊的市場和發(fā)展前景。可預(yù)見，在21世紀，生物修復(fù)技術(shù)將成為我國生態(tài)環(huán)境保護領(lǐng)域最具有價值和最具有生命力的大面積污染的優(yōu)選生物工程技術(shù)。

生物修復(fù)技術(shù)是80年代以來出現(xiàn)和發(fā)展的清除和治理環(huán)境污染的生物工程技術(shù)，其主要利用生物特有的分解有毒有害物質(zhì)的能力，去除污染環(huán)境如土壤中的污染物，達到清除環(huán)境污染的目的。實踐結(jié)果表明生物修復(fù)技術(shù)是可行的、有效的和優(yōu)越的，此后該技術(shù)被不斷擴大應(yīng)用于環(huán)境中其他污染類型的治理。生物修復(fù)是采用諸如提高通氣效率、補充營養(yǎng)，投加優(yōu)良菌種、改善環(huán)境條件等辦法來提高微生物的代謝作用和降解活性水平，以促進對污染物的降解速度，從而達到治理污染環(huán)境的目的。

結(jié)束語

目前，我國的環(huán)境生物技術(shù)處于剛剛起步階段，該技術(shù)的進一步開發(fā)需要得到社會、同行及主管部門的廣泛支持，大力開展以污染控制生物技術(shù)為主體的環(huán)境生物技術(shù)的研究，將大力推進生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用，并將通過生物高技術(shù)的發(fā)展帶動整個環(huán)保科技的發(fā)展，解決我國目前和未來面臨的嚴峻的環(huán)境保護問題，并為環(huán)保市場提供高品質(zhì)的環(huán)境保護高技術(shù)，應(yīng)該充分認識到環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)對我國環(huán)境保護和社會、經(jīng)濟發(fā)展的重大意義。

[1]崔巍.環(huán)境保護行政管理體制研究[J].河南大學(xué)，2010-05-01.

[2]孫明媚.論我國的環(huán)境保護公眾參與制度[J].中國海洋大學(xué)，2009-06-10.