浅谈生物工程技术在环境保护中的应用

2019-01-23郭陈娴姚建松杨易帆

中国资源综合利用 2019年11期

郭陈娴，姚建松，杨易帆

（浙江环科环境研究院有限公司，杭州 310000）

近年来，生物工程技术得到广泛应用，发展形势良好。生物工程技术以生命科学为主，但与其他学科存在交叉，具备较强的综合性与较高的复杂性，具备广泛的应用潜力。随着生物工程技术的普遍应用和生物工程技术人员整体素质的提升，生物工程技术逐渐开始应用到环境保护中。生物工程技术具有效率高、节能环保等优势，因此在环境保护领域应用潜力巨大。

1 现代生物工程技术的应用价值

生物工程技术是各个学科交叉与整合的结果，其主要包含酶、基因、发酵和细胞工程，人们可以根据不同的需求以不同的形式进行组合，并将其应用到不同领域。随着基因技术的飞速发展，依托基因重组而产生的基因工程技术获得迅速发展，当代生物工程技术是有机融入发酵工程、基因工程、细胞工程以及酶工程等的新型技术。将生物工程技术应用到环境工程中，能够形成环境生物技术，以有效解决环境污染。生物工程技术的有效应用，最终能够保证人同自然和谐相处，符合当前我国倡导的可持续发展战略。相比于传统的污染治理技术，生物工程技术的优势较为显著[1-3]。

2 生态环境问题

2.1 资源耗损严重

一是淡水资源分布不均衡，我国很多淡水资源已经被污染。河流自净能力有限，大肆排污会导致众多河流被污染。二是我国很多矿产资源开采和利用不合理，导致矿产资源大量浪费。近些年，随着我国交通行业的快速发展，私家车数量与日俱增，能源消耗不断增加。部分工业企业生产工艺落后，造成资源大量浪费。三是我国森林总面积较大，但人均面积较小。部分地区存在滥砍滥伐现象，不仅破坏了森林资源，还加剧了空气污染。目前，我国存在众多资源浪费现象，严重影响社会经济的可持续发展。

2.2 生态环境遭受严重破坏

现阶段，我国生态环境问题依旧严重，从整体来讲，生态环境依然面临质量下降的风险。当前，森林乱砍乱伐、林地变耕地的情况屡屡发生，部分地区土地退化、沙化现象较为严重，水环境的安全系数非常低。城市生态较为脆弱，众多城市人均绿地严重不足，居住环境有待改善，环境污染较为严重。另外，我国海洋污染比较严重，海洋污染成为制约我国海洋经济发展的重要因素。

2.3 人们缺乏环境保护意识

当前，我国生态环境面临严峻的挑战，如淡水资源污染、土地污染等。人们要增强环境保护意识，积极治理环境污染，确保人与自然和谐共处，为社会经济稳定发展提供基础保障。环境与人们的生活息息相关，人们要维护好生态环境，保护共同的家园。

3 生物工程技术在环境保护中的实际应用

3.1 污染物减排

通过应用生物工程技术，人们研发出独特的“工程细胞株”或者“工程菌”，以降低污染物的排放量甚至实现零排放，有效保护生态环境。例如，生物农药无污无毒染，十分安全；生物质能源可以减少污染物的排放量；催化效率较高的“工程菌”能够有效提升化学反应效率，避免生产原料和能源大量耗损。

3.2 环境监测

环境监测是环境保护不可或缺的内容，人们既可以利用化学方式与相关仪器监测环境质量，还可以开展生物监测。例如，利用水葫芦能够对水体中的砷进行监测；利用克霉伯氏菌、大肠埃希氏菌等对水质进行监测。当前，PCR技术、核酸探针、生物荧光、酶联免疫吸附、生物传感器等生物技术已经应用于环境监测中。聚合酶式反应技术可以应用于水样、土壤以及沉积物等环境标本的细胞监测中。生物传感技术可以测定水体中的生化需氧量、酚、有机磷和硝酸根，还能够测定大气中二氧化碳、二氧化硫以及氧化氮的浓度。研究发现，传感器菌株可以用于检测汞元素，检测土壤中汞的生物有效性；利用多孔渗透膜、氧电极以及固定化硝化细菌组成微生物传感器，可以测定样品的亚硝酸盐含量，间接测定空气中的氧化氮浓度。未来，生物工程技术将会更为灵敏，响应更为迅速，在环境监测中获得更为广泛的应用。

3.3 污水治理

工业污水含有大量污染物，需要有效处理。物理法通常用于预处理，化学法容易造成二次污染。生物工程技术可以净化污水，促进生物的新陈代谢，有效处理污水中的污染物，将污染物转化成无毒无害的物质。固定化微生物工程技术是一种新型生物工程技术，通过应用基因工程技术，不断改造部分优势菌种，对具备脱磷、脱色、脱氮等作用的专性菌进行固定化，提升菌体密度，有效提升工业污水治理效率。生物强化治理技术将优势菌种或者基因工程技术形成的“超级工程菌”融入污水中，产生高效的生物膜，最终除掉有害物质。当前，我国环境污染比较严重，环境治理要求不断提升，人们积极利用生物工程技术，研发新型污水治理工艺，如USAB生物处理、ABR生物处理、SBA生物处理和AB生物处理等。

3.4 固体废弃物治理

焚烧、堆肥以及填埋是处理固体废弃物的常用方式。填埋和堆肥利用生物学原理，对废弃物进行资源化、减量化和无害化处理，实现废物的二次利用。研究发现，复合微生物菌剂可以应用到填埋和堆肥处理中，效果较好。另外，人们可以利用蚯蚓床处理有机垃圾。蚯蚓床可以把固体废弃物转化成肥效较高且没有臭味的蚯蚓粪土，蚯蚓自身也是优质饲料与医药原料，处理效果极为显著。值得一提的是，生物工程技术可以有效清除白色污染。一是基因工程技术能够筛选优势微生物，培养高效的降解菌，同时利用发酵工程技术，实现对白色污染物的降解目标。二是基因工程技术可以把编码降解蛋白的基因植入土壤微生物中，让两者共同发挥作用，快速降解塑料等白色污染物。三是利用基因工程生产微生物，最终有效分解塑料。

3.5 土壤污染治理

目前，我国土壤污染严重，突出表现为重金属污染，重金属元素大多来自工业废渣、生活垃圾以及污水灌溉等。土壤是人类赖以生存的物质基础，只有确保土壤质量，人们才能生产出绿色健康的食品。重金属降解较为困难，它是土壤的主要污染源，严重危害人体健康。植物修复与微生物修复是目前常用的两种重金属污染土壤生物修复技术。生物修复是指利用基因工程技术，改造动物、植物和微生物等生物的功能，把重金属分解或者转变成无毒的产物。通常，重金属污染修复需要利用两种方式。一是利用生物作用，改变土壤中的重金属化学形态，减小其生物可利用性与移动性。二是利用生物的代谢和吸收，对重金属进行固定、净化和消减。在农业作业中，超过80%的农药都会残留于土壤中，其中，氯代烃、磷等是导致土壤污染的关键物质。现代微生物技术能够有效分解这些有害物质，使其转化成二氧化碳与水等无害无毒或者毒性较小的物质，保护生态环境。

3.6 化肥污染治理

化肥是农作物生长不可或缺的生产资料，能够有效提升农作物产量。然而，农业过量应用化肥，会导致土壤板结，与此同时，未被植物吸收的大量化肥进入地表水和地下水中，严重污染水源，对鱼类造成严重威胁。部分化肥具有挥发性，会污染空气。所以，人们要合理降低化肥的使用量，有效利用生物固氮技术，让植物自主吸收空气中的氮元素。豆类植物可以自主吸收空气中游离的氮离子，利用自身根系进行固氮。人们可以利用细胞融合技术，把豆类植物的固氮能力转移到非豆类植物中，以降低氮肥的使用量。