环境生物化学在环境污染防治中的应用及研究进展.docx

环境生物化学在环境污染防治中的应用及研究进展摘 要：当今社会，环境和环境问题已越来越引起人们的普遍关注和重视。面对世界范围内的环境危机的严峻挑战，开展并加强环境保护工作已迫在眉睫。本文论述了环境生物技术在环境保护中的应用及研究进展，包括用微生物降解农药废水治理污染、空气污染治理、污染土壤生物修复以及生物传感器环境监测系统等方面应用的研究进展。 关键词： 环境生物技术；环境污染；生物传感器；生物修复随着人口、工农业生产和科学技术的飞速发展环境和环境问题已越来越引起人们的普遍关注和重视。面对世界范围内的环境危机的严峻挑战，开展并加强环境保护工作已迫在眉睫。因此，加大环境保护和环境治理力度，加快应用高新技术，如环境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。环境生物化学兼有基础学科和应用科学的特点，在环境污染治理中，主要利用微生物、少部分利用植物作为污染控制的生物，是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其处理污染物通常能一步到位，最终产物大都是无毒无害、稳定的物质。在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生资源的开发、废物资源化、环境监测、环境污染的修复和重污染工业企业的清洁生产等各个方面都发挥着重要作用。环境生物技术是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，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者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微生物降解农药废水治理污染废水生物处理技术在实验室阶段已比较成熟，也已比较广泛地应用于实际工程中。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、无害化的生产工艺过程、高效完善的自动化体系以及构建针对难降解污染物的生物基因库和特殊功能的微生物的培养研究是今后主要的发展方向。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1。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2。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。1.1废水好氧生物处理活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术，它是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝吸附废水中污染物，并在氧的作用下将这些物质同化为菌体本身组分。活性污泥有着很大的表面积，能够与混合液进行广泛接触，在较短的时间内，通过吸附作用，除去废水中大量的呈悬浮状态和肢体状态的有机污染物，使废水的BOD值大幅度下降。该方法不仅操作简单、方便，而且能使运行管理人员随时了解曝气池中活性污泥的浓度和泥质情况，从而掌握和控制整个工艺的运行参数，通过确定稳定的污泥沉降比值，从而达到高效污水处理的效果。1.2废水厌氧生物处理厌氧生物处理又称厌氧消化，是在厌氧条件下由许多种微生物的共同作用，使有机物分解并形成甲烷和二氧化碳的过程。其过程包括水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段3。由于厌氧处理能量需求低，污泥产量低，能分解好氧生物所不能分解的微生物，因此这项技术也被广泛应用于当今废水处理方面，并达到了预期的效果。2微生物脱硫治理空气污染煤炭直接燃用时将排放出大量的SO2等有害气体，造成大气污染，并由此引发酸雾、酸雨，破坏生态平衡，危害人类健康。生物学家利用微生物脱硫，把Fe2+ 变成Fe3+，把单体硫变成硫酸，取得了良好效果。如日本中央电力研究所从土壤中分离出一种硫杆菌，它是一种铁氧化细菌，能有效除去煤中的无机硫。目前，在美国和德国已建成2个实验室规模的连续生化脱硫试验装置。4个欧洲研究组织在意大利撒丁岛已建成一套工业规模的中试连续生化脱硫装置4。这些研究已经取得了很大的进展，获得了许多有价值的数据，为朝着工程应用方向发展奠定了基础。微生物脱硫技术简单，成本低，更为重要的是符合“源头防治”的环保新理念，比“末端治理”即污染后再治理效益高，是很有前途的大气污染治理方法5。3难降解污染物的处理我国每年产生的塑料垃圾数量十分巨大，对环境的破坏程度也十分严重，城乡废弃塑料袋和农用地膜在土壤中几十年都不分解，是形成环境污染的主要污染物之一，利用环境生物技术广泛分离可以降解塑料的微生物群。对塑料制品中的主要成分聚酯分子结构进行破坏，从而消除污染物质。基因工程是通过基因分离和重组技术，将人类需要的目的基因片段移到受体生物细胞中并表达出来，使受体生物具有该目的基因表达后显现出来的特殊性状，以改进生物物种。利用基因工程构建的高效菌种来处理如杀虫剂、塑料、橡胶制品、医疗废物、危险废物等难降解的污染物，是现代环境生物技术发展的热点之一。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6。在应用环境生物技术治理白色污染的同时还应大力推广可降解的塑料制品和地膜的应用和研发，从根本上解决白色污染。4生物传感器等在环境监测中的应用国内外研究较多的是应用生物传感器、聚合酶式反应技术(PCR技术)、核酸探针等生物高技术进行环境监测。到目前为止，科学工作者已研究成功利用大肠杆菌和蓝藻细菌作为生物传感器7。专家们在评审这一生物技术成果时说， 细菌对杀虫剂和除莠剂特别敏感， 这一生物特性可广泛用于环境保护领域的监测器。生物传感器可以满足实施自动连续监测的需要，判断环境污染发展的趋势，探索污染物在环境中的迁移转化以及降解规律，检测污染致突变的成因，分析污染的来源，从而使生物环境污染监测更便捷、更灵敏、更全面。生物传感器具有使用方便、成本低、省时、易制作等优点，如甲烷生物传感器、氨生物传感器、乙醇生物传感器、亚硝酸盐生物传感器、BOD生物传感器等已达到商业化应用水平，在环境监测中的应用前景广阔8。PCR技术适用于目前尚不能培养的微生物检测，可用于土壤、沉积物、水样等环境标本的细胞检测，随着技术的发展及成本的降低，今后核酸探针和PCR技术可能发展成为一种快速可靠并可能代替常规微生物检验水质的方法。生物酶法在快速和现场测定等方面有着很大的潜力，是一种极具前景的快速检测技术9。5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。6化学农药污染的消除 现代化学药物一方面给人们的生活带来方便及舒适，但另一方面不可避免地影响着环境及环境中的微生物。 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10。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11。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12。 7发展前景环境生物技术作为一项有效的环境污染治理措施，受到越来越多的关注，其在生物监测、环境污染治理、生物修复技术方面都得到了广泛的应用并取得了一定的社会经济效益。随着环境生化研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，环境生物技术的发展为根本上解决环境保护问题提供了无限的希望，推动着环境保护理论及技术的日臻完善，为人类治理和保护环境提供更多可行、可用、有效的方法。环境污染的治理和控制也将随着新理论、新方法的运用而日臻完善。参考文献1孙立,管锡珺.厌氧反应器综述与展望J.青岛建筑工程学院学报,2003,24(4):82-86. 2吴晓芙,胡曰利.有机废水处理中的环境生物技术及其进展J.中南林学院学报,2003,23(6):41-48. 3李玫,章金鸿.大气污染的植物修复及其机理研究的进展J.广州环境科学,2006, 21(2):39-43.4刘淑梅,张淑芬.环境生物技术的研究现状及发展趋势J.环境科学与管理,2005, 30(4):44-46.5Robert L Knight. Constructed wetlands for livestock wastewater managementJ.Ecological Engineering,2000,15:41-55.6吴晓芙,胡曰利.有机废水处理中的环境生物技术及其进展J.中南林学院学报，2003,23(6):41-48. 7冯有胜,王敏斌，傅仕俊.生物技术与环境保护及进展J.重庆工商大学学报(自然科学版),2003,20(2):81-85. 8 姜成林,徐丽华.微生物资源的开发与利用M.北京：中国轻工业出版社, 2001.9陆贻通,周培,李振红.生物酶技术在农药残留快速检测中的应用进展J.上海环境科学，2001，20(10)