环境保护中的现代生物技术黄春洁

净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGY环境保护中的现代生物技术黄春洁`黄翔峰,胡爱军2(1.上海同济水净化工程有限公司;2.同济大学环境科学与工程学院上海200092)摘要综述了基因技术、细胞技术和酶技术等现代生物技术在环境污染治理技术中的应用及其发展状况。关键词环境保护微生物遗传学基因技术细胞技术酶技术AdvancedBiotechnologyAPPliedinEnvironmentalProteetionHuangChu川ie,Huangxiangfen扩HuA劝unZ(1.Shangha艺To。幻艺WdterPur艺f艺car艺onEng艺neer艺ngCo.,.Ird;2.CollogeofEnvironmenralSeienc。&Engineer￡ngoTngjinUiversit夕,S人ang人ai200092,C人ina)AbstraetThispaperreviewedtheapPlieationanddevelopmentofadvaneedbioteehnologyinenviron-mentalpollutiontreatmentteehnology,whiehineludesgeneteehnology,eellteehnology,enzymeteehnolo-gyete.Keywordsenvironmentalproteetionmieroorganismgenetiesgeneteehnologyeellteehnologyenzymeteehnology随着工农业的不断发展,环境问题已成为世界各国共同关心的问题和仍未彻底解决的严峻挑战。在各国科技工作者的不断努力下,以生物技术为代表的各种环境污染防治技术的发展日新月异。生物技术无论在生态环境保护方面,还是在环境污染治理方面都已得到广泛的应用,这是由于生物技术独特的功能和显著的优越性所致。传统的污染物生物处理法在实际应用中也存在着一些困难:例如反应速度不比化学法快,因此需要较大的反应器和占地面积;对原水水质有一定的要求,否则会妨碍微生物的生长;污泥膨胀和流失影响处理的效果,同时剩余生物污泥的处理也较为繁杂;对于一些人工合成物,特别是难生物降解的物质如称为持久性有机污染物(POPs)的12种化学品,通常的微生物显得无能为力;传统生物处理方法使用的是细菌、真菌、藻类和原生动物等的混合群体,而不是纯培养的微生物菌株,因此其代谢过程极为复杂,能量的利用不经济,同时各种微生物间可能存在的拮抗作用和适存的环境因素差异都将降低污染物的降解速率。1环境污染治理生物技术的新发展随着生物技术在污染治理技术中的不断利用,人们对生物技术也不断提出了更高的要求。于是产生了大量的热点研究题目:如何提高生物净化功能、增强反应系统的稳定性能、简化操作管理程序、节约投资和运行费用等。从本质上看都是围绕着如何降低费用和提高效率来进行的,其实质是生物技术、生物特性如何在生物处理工艺中的应用。其主要的进展可以归纳如下:1.1运用微生物的呼吸类型及特性,创建一些新型污水处理设施,以替代传统的好氧生物处理工艺。由传统的活性污泥法发展为各种变性活性污泥法,再到今天的氧化沟、厌氧水解酸化、A/B法、A/0法、SBR法、CASS工艺、CAST工艺等。各种新工艺是厌氧一缺氧一好氧三种工况的巧妙结合。传统的好氧生物处理主要去除可生物降解的有机物,而这些新型工艺除去除可生物降解的有机物外,还可去除难降解的有机物、营养物质氮和磷等。即提高了处理污染物的质和量,又能达到降低工程投资、DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2003.04.004Vol.22NO.42003净水技术运行费用和占地面积等目的。1.2通过污水生物处理设备的革新以提高传质效率和微生物的浓度,并最终通过提高处理的负荷来达到提高处理效率的目的。近年来较为时兴的生物流化床和上流式厌氧污泥床(UASB)就是典型的例子。UASB的关键为在其上部设置了一个固一液一气三相分离器,下部设置了一个进水分布器。这两个关键的部件使反应器内能维持众多的生物量和较长的泥龄及较少的短流影响。UASB的特性使得它具有高速高效厌氧处理有机废水的性能。1.3应用微生物的共代谢作用、协同作用提高对难生物降解有机物的处理效率。共代谢作用指微生物处在能生长的基质中,在氧化分解这些物质的同时,可氧化分解原来不能降解的有机污染物。协同作用则指混合菌的共生、互生协作,即微生物间相互提供生长因子、代谢刺激物或替对方降解化学性抑制性物质,促进污水处理的高效进行。例如焦化废水脱氮工艺中,若加人甲醇作为生长基质,可以使出水的CODcr由200-300mg/L下降到100mg/L以下,而投加苯酚则达不到这一效果。2遗传学技术为基础的环境保护技术遗传学的发展也给基于生物技术的环境保护技术注人了新的生机。遗传学将在环境保护、生物资源持续利用中发挥积极的作用。2.1遗传学技术在污染治理中的应用利用遗传学进行污染生物治理的核心技术之一是高效菌种的构建与选育,基因工程与细胞工程在其中占主导地位。通过基因工程诱变育种、质粒育种以及原生质融合技术等有效分解那些难以生物降解的化合物。2.1.1基因工程技术应用基因重组技术,构建新菌株来生产一些治疗癌症的干扰素等贵重药品和其他一些精细化工产品已取得了极大的成绩。在污染防治中也展示出了广阔的前景。由于人类活动的不断增加,向环境中排放了大量的人工合成化学污染物,如塑料、农药、洗涤剂等等。其中相当一部分化学品对人和生物有急性的或慢性的毒性影响,有些污染物甚至能诱发人类的癌症。人工合成化学污染物多为非天然物质,一般不易被生物吸收或快速降解。针对这类污染物,设计并构建基因工程菌,其具有高效、专一的降解功能,使得相应的污染物在环境中的浓度降低,毒性减轻,直到消失。在美国农业发展的进程中,除草剂曾经发挥了重要的作用。但随着这种除草剂的使用,人们同时发现,搅拌并使用这种除草剂的农民,其患淋巴系统癌症的机会是普通人的8倍。科学家们从细菌质粒中发现了降解该种除草剂的基因片断,将该段基因组建到载体质粒上,转人另一繁殖快的宿主菌体细胞内,构建成基因工程菌。这种菌能高效降解除草剂2,4一D,缩短2,4一D在环境中的停留时间,降低对农民健康危害的影响,为消除由于除草剂引起癌症的危险性提供可能。我国中山大学生物系将假单胞菌R4染色体中的抗锡基因转移到大肠杆菌HB101中,获得的大肠杆菌新菌体能在100毫克/升的含锡液体内正常生长。应用细菌的抗金属基因构建出的新菌株,不仅可以用于净化金属污染的废水,同时还可回收贵重金属。达到经济益和环境效益的统一。2.1.2质粒育种技术质粒是一种存在于细菌细胞染色体之外而含有DNA遗传因子的亚细胞结构。在人工合成的污染物诱导作用下,降解性质粒DNA上的遗传密码发生变化,新生出对该种污染物的降解代谢途径。降解特定污染物的这段基因DNA,可以作为基因工程中提到的目的基因。载体质粒是转运目的基因的工具。在酶的作用下,降解性质粒上的目的基因被剪下来,再粘接到载体质粒中,此过程是体外基因重组。由降解性质粒上的目的基因DNA与载体质粒上DNA组建成的新质粒,转人受体菌细胞内,随后才能发挥目的基因的降解功能。中国科学院武汉病毒研究所从污水处理厂的废水样品中,分离得到假单胞菌SB中降解蔡的质粒,转移到Tg菌株,获得的新菌株具有高效降解蔡的能力。2.1.3原生质体融合技术菌体或植物细胞在生物酶的作用下脱去细胞壁,生成的球型体称为原生质体。原生质体在促融剂诱导下融合成一个新的细胞称为融合子。原生质环境保护中的现代生物技术融合技术属于细胞工程范围。降解纤维素废物生产乙醇燃料,是许多经济发达国家发展生物能源的战略方针。通过基因工程技术,可以构建高效降解纤维素的产乙醇工程菌。应用原生质融合技术也能达到相同的目的。它是通过分解纤维素能力强的菌体原生质体,与产乙醇率高的菌体原生质体融合实现的。筛选出的融合子杂种细胞,能以纤维二糖作为唯一碳源生长,降解木质纤维素和生产乙醇的能力也优于亲株。质粒育种和原生质体融合育种不象基因工程育种那样把目标集中在目的基因上。某些不必要的成分也会带人到杂种细胞内而产生非目标的影响。由于质粒的不稳定性,也往往造成杂种细胞丧失降解污染物的能力。研究表明,重组质粒的遗传不稳定性分为两种类型:一种是由质粒在细胞分裂时的缺陷分配导致整个质粒丢失而引起,称为“分配性不稳定”;另一种是因重组质粒DNA的缺失、插人或重排而引起,称为“结构不稳定”。由此,可对工程菌首先进行质粒的抽提监测和酶切物理图谱的测定,确定其不稳定原因后,通过改进控制质粒在于细胞中分配途径或修整DNA片段编码以提高工程菌的遗传稳定性。2.1.4酶工程及固定化技术酶是由生物个体产生的具有高度催化活性的蛋白质。酶是生物催化剂,专一性强,效率高。单一的酶针对特定的污染物有极高的净化效果。工业发达国家已应用固定化酶或固定化细胞净化食品工业或其他行业的排放废水。单一的酶或细胞固定在载体上,不会随废水流失,因而可最大限度地发挥它们净化污染物的功能。这对于安全有效地使用基因工程菌或其他遗传工程菌,是一个有力的保障。近二十年来,应用固定化技术处理废水有了长足的进展。固定化纤维酶在24小时内可以降解70%的纤维素,转化为纤维二糖。固定化硫磷水解酶能降解72%对硫磷农药。已经商品化的假单胞菌固定化细胞,可以有效降解苯、酚、甲苯、胺和禁。利用固定化细胞可以使30%氰化物废水降至只含有1毫克/升。固定化技术极大地延长了酶和细胞的使用寿命,提高了净化污染物的效率。固定化酶和固定化细胞是酶工程的核心。以它为基础可以根据化学反应工程的需要,组装成高效、连续运转的生物反应器。2.2遗传学技术在环境监测中的应用在环境保护的许多开发研究和工程实践中,都需要对环境微生物状况进行检测和评价。经典的生物技术应用于环境监测主要有以下几种方法:用细菌总数及粪便污染指示菌(大肠埃希氏菌、克霉伯氏菌等)监测水质;通过测定水中藻类(常用硅藻、栅藻、小球藻等)的生长量来进行水质监测或物质的毒性检测。目前已在基因水平上发展起来的应用于环境微生物的分类鉴定、分子遗传、种间及种内亲缘关系、菌株持久性等方面的技术主要有:生物传感器、生物芯片、核酸探针检测技术、DNA一DNA杂交、rRNA和rRNA基因序列分析、质粒指纹图谱分析、聚合酶链式反应(PCR)技术、低分子量RNA分布图等。这些利用生物遗传物质结构和性能上的特异性而发展起来的技术,在应用上具有快速、准确的特点,一般人工培养测定需数天至数十天才可完成的工作,使用此类技术仅需数小时即可完成,尤其对于人工难以分离培养的菌株的监测更具有巨大的优越性。另一类已被较为广泛应用的技术是通过环境化学物质对微生物的致变作用评价该物质的生态毒性强度。致变作用通常反应在两个方面:一是受测微生物解毒系统基因RNA蛋白及酶活性的增加,二是DNA的改变。其中DNA的损伤度反映了化学物的遗传毒性。与此相关的监测技术有免疫法、P后标志法、Ames试验等。近年来,国内外有关核酸探针、PCR技术用于细菌、病毒检测的报道日益增多,非放射性核酸探针的灵敏度和特异性基本上达到了放射性同位素标记探针的水平,使核酸杂交技术检测水环境中的致病菌,如大肠杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌、耶尔森氏菌等腹泻性致病菌。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,随着技术的完善及成本的降低,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。生物传感器是以酶、微生物、抗原或抗体等具有生物活性的生物材料作分子识别元件,将外界对其理化性质的影(下转第24页)水质稳定剂对FeSO;成膜影响的试验研究面膜的酸滴时间变长。这说明铜缓蚀剂参与了成膜,改善了膜的质量。同时膜色均不为红棕色,与无缓蚀剂时所形成的膜不同。(3)随着水中含盐量的增加,或随浓缩倍率的增大,膜的厚度增加。例如,铜片分别在去离子水,模拟水及东湖自来水中成膜,膜的酸滴时间分别为105