环境生物技术的应用及发展前景*

杨 红 杜 辉 陶雪娟

(上海市农业科学院农业科技信息研究所， 上海 201403)

环境生物技术的应用及发展前景*

杨 红 杜 辉 陶雪娟

(上海市农业科学院农业科技信息研究所， 上海 201403)

进入2l世纪以来，减轻环境污染和遏制生态恶化趋势已成为人们关注的焦点。环境生物技术是直接或间接利用生物或生物体降低或消除污染物，净化环境或生产有用物质的工程技术。现从废水、废气与有害废物的生物处理技术以及生物分解塑料技术、EM生物技术等方面论述了环境生物技术研究进展，并探讨了该技术的发展趋势。

环境生物技术；生物处理技术；生物分解塑料；EM生物技术

环境生物技术(Environmental Biotechnology)是一门多学科相互交叉渗透的新兴边缘学科，它主要是由生物技术、环境工程和生态学等学科组成，是以微生物为介质，为人类提供服务的技术科学[1]。环境生物技术的核心是依据各类微生物的生态活动规律，可在农业、环境、工业等方面应用，尤其是为从根本上解决相关环境问题提供了希望。该技术涉及基因工程、酶工程、细胞工程、水处理工程、生态工程等工程与技术，并奠基于众多学科的基础理论[2-3]。

改革开放初期，我国经济是粗放式的增长方式，资源投入高，能源消耗大，环境污染严重。进入21世纪以来，我国经济发展取得了举世瞩目的成就，然而随之而来的各种环境问题已成为制约经济发展的瓶颈，将生态文明建设放在突出位置，协调好经济发展与生态环境的关系是社会发展的必然选择[4-5]。鉴于此，笔者主要从废水、废气与有害废物的处理以及生物塑料技术、EM生物技术等方面论述了环境生物技术研究进展，并探讨了该技术的发展趋势，以期为我国环境生物技术的进一步发展提供参考。

1 环境生物技术的优势

环境生物技术是直接或间接利用生物或生物体降低或消除污染物，从而达到净化环境或生产有用物质的目的[6]。环境生物技术较其他技术与方法有不可比拟的优越性，利用该技术处理后的最终产物大多是无毒无害的稳定物质，如CO2、H2O、N2和CH4等，有效避免了多次污染。例如，微生物可将污染物作为代谢底物降解或转化，因此，利用微生物治理环境污染具有治理效果好、成本低、无二次污染等优点[7-8]。另外，利用生物处理技术处理的产物或副产品大多能生物降解或作为资源加以利用，有效提高废物利用率和降低生产成本。因此，环境生物技术具有较大的发展潜力，特别是对资源消耗大、环境污染严重的发展中国家具有极大的应用前景。

关于环境生物技术的研究内容，国内学者认为可包括以下几方面：(1)现代环境生物技术，是指以基因工程为主导的生物防治技术，包括构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌，为快速、有效地解决日益出现的大量环境难题开辟了新的途径；(2)以废物的生物处理为主要内容，包括在新的理论和技术支撑下，开发一系列废物强化处理工艺；(3)主要包括氧化塘、人工湿地和农业、生态工程等，其特点是最大程度地发挥自然界的生物环境功能，投入资金少，且易于操作管理[9-11]。

2 环境生物技术应用的研究进展

环境生物技术的起源可追溯到100多年前的活性污泥工艺，随着其理论和实用技术的不断发展，该技术在治理环境污染、改善环境质量方面起到了积极作用。近年来，随着现代生物技术的发展，尤其是基因工程、细胞工程等现代分子学生物技术的出现，为环境科学的发展带来了新的机遇，为生物技术在环境领域的应用奠定了重要的理论基础[12]。近几年的实践证实，环境生物技术是一种经济效益佳、治理成效好、可持续利用与发展的重要环境治理手段，是当代环境科学发展的主导方向。

2.1 废水的生物处理技术

废水生物处理技术是利用水体中微生物的新陈代谢功能，使水体中的有机物转化为稳定而又无害物质，从而达到净化水质的目的。利用生物法处理废水类似于酶工程、发酵工程等，是利用生物细胞产生的多种酶进行的催化反应。生物法在废水处理中的主要方法有活性污泥法、生物膜法、厌氧处理技术、自然生物处理法等[13-16]。

2.1.1 活性污泥法

指微生物利用废水中的有机物，与之生长繁殖形成絮凝体，该方法是最传统的好氧生物处理技术。它能从污水中去除溶解性的、胶体状态的可生化有机物或能被活性污泥吸附的悬浮固体以及其他物质，同时还能去除一部分磷素和氮素等。活性污泥法及其衍生改良工艺在城市污水处理中被广泛应用。

2.1.2 生物膜法

利用微生物附着在载体表面形成一层生物膜，污水在流经载体表面时，通过微生物对有机物的吸附、与微生物发生各种化学反应或氧气向生物膜内部的扩散等，形成CO2、H2O等各种代谢产物。生物膜法具有污泥量小、易于固液分离、膜的生物活性高、反应稳定等优点。利用该方法时，污染物、溶解氧以及各种营养物必须要由液相扩散到生物膜表面或内部才能被转化或分解。

2.1.3 厌氧生物处理法

在厌氧状态下，污水中的有机物被厌氧细菌分解、代谢、消化，使得污水中的有机物含量大幅减少，同时产生沼气的一种高效的污水处理方式。该方法的优点是产生的沼气是很好的家庭生活和发电能源、无需搅拌和供氧，能量消耗少、可处理高浓度的废水；缺点是初次启动需要的时间较长、对温度的要求较高、处理后的水质很难达到直接排放标准。

2.1.4 自然生物处理

主要包括稳定塘和土地处理系统。生物稳定塘法是在稳定的塘内引种水生植物，达到净化水质的目的：该方法操作简单，可作为引种的植物有茭白、水葫芦、芦苇、美人蕉等。土地处理系统是利用土壤及其微生物、植物根系等净化废水，同时也利用污水中的有机物(N、P、K等)促进植物生长，人工湿地是一种常见的土地处理系统，合理应用物种共生、物质循环的原理，既治理了环境污染，又合理地进行了资源利用，其去污机理见表1。

2.2 废气的生物处理技术

图1 微生物净化废气流程

目前生物法已逐渐成为净化有机废气和恶臭物质的主要方法，且已开始在脱臭微生物的分离与纯种鉴定等方面开展研究。荷兰及德国已建立了500个生物脱臭处理装置，负荷250～380 m3/(m2·h)。Demmer使用生物滴滤池处理NH3，去除率达90%[18]，我国在这方面的研究始于20世纪80年代末。姜安玺[19]等从筛选适宜微生物出发，进行了填料塔脱除硫系恶臭H2S、DMS、MT等的研究试验，筛选到1株硫化氢氧化优势菌，并鉴定为化能硫杆菌。

2.3 有害废物的处理技术

利用微生物还可处理环境中的有害废物，如重金属污染物、有毒有机物和高能放射性物质、化学肥料等。用常规办法处理这些物质成本较高，而利用微生物处理技术则能有效降低成本。最近发现一种特别抗放射性物质的细菌(Deincoccusradiodurans)，研究用其生物降解基因进行遗传工程处理有害废物。现已将广谱假单孢菌酶—甲苯双加氧酶(toluenedioxygenase)基因进行了克隆，即使在高电离辐射荧流光存在情况下，也能在D．radiodurans细菌中表达和有活性[20-22]。另外，固体废弃物的处理方法也正向减量化、无害化、资源化方向发展，如固体废弃物堆肥、城市生活垃圾填埋、发酵产生沼气等。

2.4 生物分解塑料

生物分解塑料是指在自然界中，能被细菌、霉菌、藻类等微生物分解，且代谢物不会造成环境污染的塑料。与传统塑料相比，生物分解塑料可降低30%～50%石油消耗，减少对石油等不可再生资源的依赖，同时还可与有机废弃物(如厨余垃圾)堆肥处理，省去了人工分拣环节，提高了垃圾收集与处理的工作效率[23-24]。目前，生物分解塑料按其作用效果可分为完全生物降解塑料和破坏性生物降解塑料[25]，按其原材料来源可分为以下4种：可再生的天然生物质资源、由可再生天然生物质资源通过生物合成的聚合物、利用石油副产品化学合成的聚合物、以上3种材料的混合物。

2.5 EM生物技术

EM是一种复合微生物菌剂，是20世纪80年代初由日本琉球大学教授比嘉照夫研制。由于该制剂能把5科10属80多种具有不同性质和作用的有效微生物(主要是乳酸菌类、光合菌类、酵母菌类、发酵丝状菌类、革兰氏阳性放线菌类等)复合在同一种液体中，并以活性状态共同存在，所以EM用途十分广泛[26]。目前全世界已有100多个国家和地区，在工业污水和生活污水处理、垃圾滤液处理、有机物处理、江河湖泊水质处理、畜禽养殖污染治理等领域广泛应用。据研究，使用EM生物技术处理城市生活污水，BOD5可降低70.7%～90.3%，COD可降低60%～80%[27]；王平等[28]通过构建有效微生物好氧生物滤池反应器 (EM—SBR)，证实EM对啤酒工业废水中COD和BOD去除率为94．53%和96．47%；黄永春[29]研究证实，在养虾的水中投入EM，与传统养殖相比，异养细菌数量减少40.0%，弧菌数量减少7.8%，光合细菌数量增加98.2%，放线菌数量增加 99.2%，虾成活率提高23.08%，饵料系数下降 9.4%，利润提高16.1l%。EM处理污水的作用机理还不清楚。另外，目前EM生产成本高、剂稳定性差且不易保存，因此，在今后的技术研究中应重点解决上述问题，从而推进EM生物技术在我国环境保护领域的广泛应用。

3 环境生物技术的发展趋势

3.1 微观化

以生物反应器为主要对象的微观解析。一方面，以核酸杂交技术为主的分子生物学技术的应用以及代谢组学、基因组学的发展，为筛选和利用各种环境功能微生物、监测和调控生物反应器创新了方法和手段，并为在分子水平上阐述分子适应性等问题提供了可靠的理论依据。另一方面，纳米技术、激光共聚焦显微镜、化学芯片等先进工具和技术手段的迅速发展，从微观角度探索环境生物技术的过程、本质和机制提供了极大的便利。

3.2 集成化

环境中污染物的组成极为复杂，单靠一两种生物技术难以净化。在当前实际应用中，虽然已将各种单元生物技术按一定的工艺流程组合起来，但其合理性与综合效率的提高还有待于进一步研究探讨。因此，根据污染物的性质、组成状态以及对治理后环境质量的要求，研究基于不同原理的单元生物技术及其他技术的集成耦合是环境生物技术发展的必然选择。

3.3 资源化

常规的环境生物技术在治理污染物的氧化过程中耗能较大，同时也失去了储存在有机物内的大量化学能，因此，今后的环境生物技术必须以低能耗和低资源损耗为前提，减少有机物氧化，尽可能多地回收资源并加以利用。目前，利用环境生物技术实现污染物资源化的途经主要有：以废物为原料生产清洁能源、生物分解塑料、生物农药等环境友好型材料。近年来，微生物燃料电池由于同时具备控制污染和产生电能等优点，而成为环境生物技术领域研究的新热点。

3.4 系统化

近年来，从环境污染物中分泌干扰素的生物降解技术备受关注，如何提高生物的降解效率、保证系统的生态安全性是今后该领域值得深入研究的问题。另一方面，目前的环境生物技术未考虑所产生的温室气体排放问题，随着环境质量标准的提高和对污染物控制的深入认识，人们会逐步认识到必须应用系统的观点去研究和应用环境生物技术[30-33]。

4 环境生物技术的展望

环境生物技术发展前景广阔，在今后的研究中应重点把握以下几点：(1) 把解决水、能源等资源的可持续发展问题放在首位，在治理好环境的同时提供了更多的可再生资源；(2) 开发和采用更有效的分子技术工具，深入研究微生物的生态活动规律；(3) 综合利用分子生物学、模型分析工具和采用新材料解决日益严峻的生态环境问题；(4) 更加注重生物膜技术的研究。

综上所述，环境生物技术不仅能有效解决环境问题，还能产生较大的经济效益。我国是一个污染严重的国家，且正处于经济转型发展的关键期，各级政府部门与相关科研单位应相互配合，充分利用我国的资源优势，借鉴国外该领域的先进技术与经验，有序、有重点地做好我国环境生物技术的基础研究与应用开发。

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Application and Development Prospects of Environmental Biotechnology

Yang Hong，Du Hui，Tao Xuejuan

(Information Institute of Agricultural Science and Technology，Shanghai 201403,China)

alleviation of environmental pollution and controlling of ecological deterioration has increasingly become a major concern in the 21st century. Environmental biotechnology is a group of technologies that use directly or indirectly biological organisms for the purposes of reducing environmental pollution, purifying environment or producing useful substances. In order to provide theoretical basis for further development of environmental biotechnology in China, this paper summarizes the progress of biotechnology for wastes and hazard wastes treatment, biodegradable plastics and EM biotechnology, as well as the development trend of environmental biotechnology.

environmental biotechnology; biological treatment; biodegradable plastics; EM biotechnology

* 国家科技部项目“崇明县低碳农业示范园建设技术集成与示范”(2010BAK69B18)

2015-05-08；2015-06-13修回

杨红,女, 1986年生,硕士,研究方向为:农业水土环境保护。E-mail:yanghongxxsic2005@163.com

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