3生物技术与环境

生物技术与环境环境•环境既包括以大气、水、土壤、植物、动物、微生物等为内容的物质因素，也包括以观念、制度、行为准则等为内容的非物质因素；既包括自然因素，也包括社会因素；既包括非生命体形式，也包括生命体形式。环境是相对于某个主体而言的，主体不同，环境的大小、内容等也就不同。•狭义的环境，指如环境问题中的“环境”一词，大部分的环境往往指相对于人类这个主体而言的一切自然环境要素的总和数。环境问题•环境问题多种多样，归纳起来有两大类：•一类是自然演变和自然灾害引起的原生环境问题，也叫第一环境问题。如地震、洪涝、干旱、台风、崩塌、滑坡、泥石流等。•一类是人类活动引起的次生环境问题，也叫第二环境问题。次生环境问题一般又分为环境污染和生态破坏两大类。如乱砍滥伐引起的森林植被的破坏、过度放牧引起的草原退化、大面积开垦草原引起的沙漠化和土地沙化、工业生产造成大气、水环境恶化等。生态破坏全球变暖臭氧层破坏淡水资源危机能源短缺森林资源锐减土地荒漠化物种加速灭绝水土流失草原危机全球变暖•近100多年来，全球平均气温经历了冷－暖－冷－暖两次波动，总得看为上升趋势。进入八十年代后，全球气温明显上升。1981～1990年全球平均气温比100年前上升了0.48℃。•导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料（如煤、石油等），排放出大量的CO2等多种温室气体。由于这些温室气体对来自太阳辐射的短波具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，也就是常说的温室效应，导致全球气候变暖。•全球变暖的后果，会使全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。臭氧层破坏•在地球大气层近地面约20～30公里的平流层里存在着一个臭氧层，其中臭氧含量占这一高度气体总量的十万分之一。臭氧含量虽然极微，却具有强烈的吸收紫外线的功能，因此，它能挡住太阳紫外辐射对地球生物的伤害，保护地球上的一切生命。•然而人类生产和生活所排放出的一些污染物，如冰箱空调等设备制冷剂的氟氯烃类化合物以及其它用途的氟溴烃类等化合物，它们受到紫外线的照射后可被激化，形成活性很强的原子与臭氧层的臭氧（O3）作用，使其变成氧分子（O2），这种作用连锁般地发生，臭氧迅速耗减，使臭氧层遭到破坏。•南极的臭氧层空洞，就是臭氧层破坏的一个最显著的标志。到1994年，南极上空的臭氧层破坏面积已达2400万平方公里。南极上空的臭氧层是在20亿年里形成的，可是在一个世纪里就被破坏了60%。北半球上空的臭氧层也比以往任何时候都薄，欧洲和北美上空的臭氧层平均减少了10～15%，西伯利亚上空甚至减少了35%。因此科学家警告说，地球上空臭氧层破坏的程度远比一般人想象的要严重的多。淡水资源危机•地球表面虽然2/3被水覆盖，但是97%为无法饮用的海水，只有不到3%是淡水，其中又有2%封存于极地冰川之中。在仅有的1%淡水中，25%为工业用水，70%为农业用水，只有很少的一部分可供饮用和其它生活用途。•世界上100多个国家和地区缺水，其中28个国家被列为严重缺水的国家和地区。预测再过20～30年，严重缺水的国家和地区将达46～52个，缺水人口将达28～33亿人。我国广大的北方和沿海地区水资源严重不足，据统计我国北方缺水区总面积达58万平方公里。全国500多座城市中，有300多座城市缺水，每年缺水量达58亿立方米，这些缺水城市主要集中在华北、沿海和省会城市、工业型城市。森林锐减•森林是人类赖以生存的生态系统中的一个重要的组成部分。•由于世界人口的增长，对耕地、牧场、木材的需求量日益增加，导致对森林的过度采伐和开垦，使森林受到前所未有的破坏。地球上曾经有76亿公顷的森林，到20世纪时下降为55亿公顷，到1976年已经减少到28亿公顷。据统计，全世界每年约有1200万公顷的森林消失，其中占绝大多数是对全球生态平衡至关重要的热带雨林。土地荒漠化•荒漠化是由于气候变化和人类不合理的经济活动等因素，使干旱、半干旱和具有干旱灾害的半湿润地区的土地发生了退化。•到1996年为止，全球荒漠化的土地已达到3600万平方公里，占到整个地球陆地面积的1/4，相当于俄罗斯、加拿大、中国和美国国土面积的总和。全球现有超过12亿多人受到荒漠化的直接威胁。•在人类当今诸多的环境问题中，荒漠化是最为严重的灾难之一，已经不是一个单纯的生态环境问题，而且演变为经济问题和社会问题，它给人类带来贫困和社会不稳定。物种加速灭绝•现今地球上生存着500～1000万种生物。由于人口的增长，人类不断侵占动物的栖息地，滥捕乱杀野生动物和乱砍滥伐名贵植物的现象仍然十分严重，每年有数千种动植物灭绝，且灭绝速度越来越快。•物种灭绝将对整个地球的食物供给带来威胁，对人类社会发展带来的损失和影响是难以预料和挽回的。•中国是生物多样性破坏较严重的国家，高等植物中濒危或接近濒危的物种达4000-5000种，约占中国拥有的物种总数的15%-20%，高于世界10%-15%的平均水平。水土流失•中国每年流失的土壤总量达50多亿吨，每年流失的土壤养分为4000万吨标准化肥（相当于中国一年的化肥使用量）。自1949年以来，中国水土流失毁掉的耕地总量达4000万亩，这对中国的农业是极大损失。•在水土流失的过程中，不仅地表层的土壤被冲走，埋藏在地下的许多宝贵的矿藏也被大量冲走。这一现象导致可耕地面积的不断减少和生产能力的下降。草原危机•由于耕地面积越来越少，一些农民开始蚕食那些脆弱的草原和湿地，有可能将这些草地的地力耗尽。•目前中国草原的１／３由于过度放牧及只放牧不养草被毁于一旦。联合国计划开发署警告称，再不采取紧急措施，中国草原的产草量将下降３０％。环境污染•大气污染水污染•土壤污染酸雨•垃圾成灾有毒化学品污染•噪声污染放射性污染大气污染•大气污染是指空气中污染物的浓度达到或超过了有害程度，导致破坏生态系统和人类的正常生存和发展，对人和生物造成危害。大气污染是中国第一大环境污染问题。•中国大气环境面临的形势非常严峻，大气污染物排放总量居高不下。2011年中国二氧化硫年排放量高达1857万吨，烟尘1159万吨，工业粉尘1175万吨。•中国47个重点城市中，约70%以上的城市大气环境质量达不到中国规定的二级标准。水污染•水污染是指水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性污染等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。•中国七大水系的污染程度依次是：辽河、海河、淮河、黄河、松花江、珠江、长江，其中42%的水质超过3类标准（不能做饮用水源），中国有36%的城市河段为劣5类水质，丧失使用功能。大型淡水湖泊（水库）和城市湖泊水质普遍较差，75%以上的湖泊富营养化加剧，主要由氮、磷污染引起。土壤污染•当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累通过“土壤→植物→人体”，或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度，就是土壤污染。•土壤污染物大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。•无机污染物主要包括酸、碱、重金属，盐类、放射性元素铯、锶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。•有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂、3，4-苯并芘以及由城市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。噪声污染•噪声污染是指所产生的环境噪声超过国家规定的环境噪声排放标准，并干扰他人正常工作、学习、生活的现象。放射性污染•放射性污染是指由于人类活动造成物料、人体、场所、环境介质表面或者内部出现超过国家标准的放射性物质或者射线。酸雨•酸雨是由于空气中二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等酸性污染物引起的pH值小于5.6的酸性降水。•受酸雨危害的地区，出现了土壤和湖泊酸化，植被和生态系统遭受破坏，建筑材料、金属结构和文物被腐蚀等等一系列严重的环境问题。•全球受酸雨危害严重的有欧洲、北美及东亚地区。我国在八十年代，酸雨主要发生在西南地区，到九十年代中期，已发展到长江以南、青藏高原以东及四川盆地的广大地区。垃圾成灾•全球每年产生垃圾近100亿吨，而且处理垃圾的能力远远赶不上垃圾增加的速度。垃圾除了占用大量土地外，还污染环境。危险垃圾，特别是有毒、有害垃圾的处理问题（包括运送、存放），因其造成的危害更为严重、产生的危害更为深远，而成了当今世界各国面临的一个十分棘手的环境问题。•中国工业固体废物年产生量达8.2亿吨，综合利用率约46%。中国城市生活垃圾年产生量为1.4亿吨，达到无害化处理要求的不到10%。塑料包装物和农膜导致的白色污染已蔓延中国各地。有毒化学品污染•市场上约有7～8万种化学品。对人体健康和生态环境有危害的约有3.5万种。其中有致癌、致畸、致突变作用的约500余种。随着工农业生产的发展，如今每年又有1000～2000种新的化学品投入市场。•由于化学品的广泛使用，全球的大气、水体、土壤乃至生物都受到了不同程度的污染、毒害，连南极的企鹅也未能幸免。自五十年代以来，涉及有毒有害化学品的污染事件日益增多，如果不采取有效防治措施，将对人类和动植物造成严重的危害。环境生物技术•环境生物技术——由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科，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。•目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物，少部分利用植物作为环境污染控制的生物。•生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。生物技术在环境保护中的应用•污水的生物净化•污染土壤的生物修复•大气污染的生物处理•白色污染的消除•化学农药污染的消除•生物监测技术污水的生物净化•污水中的有毒物质包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。•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。•近几年我国在应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LAS)方面取得较大进展，对于含100mg/L废水，降解率和酶活性保存率均在90%以上；利用固定化酵母细胞降解含酚的废水也已实际应用于废水处理。应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LAS)直链烷基苯磺酸钠(LAS)随污水排入水体，对水生生物尤其是鱼类，有严重的危害。其泡沫覆盖水面，减少水中溶解氧；还会破坏鱼的味蕾组织，使其味觉迟钝，丧失觅食与避开毒物的能力。水中洗涤剂浓度在10mg/L以上时，鱼类难以生存；浓度为45mg/L时，水稻生长受到严重影响，甚至死亡。稀洗涤剂可被皮肤部分吸收，引起过敏湿疹。动物试验表明，ABS有致畸胎作用。应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LAS)•目前已经确定的LAS降解菌主要有：产碱杆菌属、芽孢杆菌属、埃希氏菌属、黄杆菌属、微球菌属、邻单胞菌属、变形杆菌属、假蛋白菌属等•李湘梅从成都宝洁公司污水处理站采集的污泥中，筛选出一株对LAS有较强降解能力的菌株CS3，初步鉴定为产碱杆菌属。采用逐渐提高LAS浓度的方法驯化CS3菌株，使其对LAS的降解能力从20mg/L提高到200mg/L.•影响因素:降解时间、温度、pH值、需氧量•利用产检杆菌处理含LAS污水的工艺方法有：生物接触氧化法、间歇式活性污泥法、生物流化床法、土壤处理法等。生物接触氧化法污水处理工艺污染土壤的生物修复•污染土壤的生物修复是利用生物(主要是微生物、植物)作用，削减、净化土壤中污染物或降低污染物的