1.2环境生物技术 I.2.1环境生物技术的特点和研究内容 如前所述,科学的进步,技术的发展,使人类改造自然、获取物质生活资料的能力越 来越强,但同时也带来许多生态环境问题。由于人口的快速增长,自然资源的大量消耗 全球环境状况目前正在急剧恶化:水资源短缺、土地荒漠化、有毒化学品污染、臭氧层破 坏、酸雨肆虐、物种灭绝、森林减少等。人类的生存和发展面临着空前严峻的挑战,迫使 人类进行一场“环境革命”来拯救自身。在这场环境革命中,环境生物技术担负着重大使 命,并且作为一种行之有效、安全可靠的手段和方法,起着核心的作用。 环境生物技术是以生物技术与环境污染防治为主的,多门学科相交叉的一门新兴边缘 学科,它诞生于20世纪80年代末期,以高新技术为主体,并包括对传统生物技术的强化 与创新。环境生物技术涉及众多的学科领域,包括分子生物学、基因工程学、酶工程学、 发酵工程学、化学工程学、环境生物学、环境毒理学、环境工程学、植物学、动物学、生 态学、微电子学、计算机科学等。它是由生物技术与环境污染防治工程及其他工程技术紧 密结合形成的,既具有较强的基础理论,又具有鲜明的技术应用特点。环境生物技术开发 是以基础研究为先导的。研究微生物降解转化污染物的机理已深入到基因DNA的分子水 平。从基因DNA组成结构的变化追溯到相关的生理生化学的变化及其代谢功能的变化巳 成为环境生物基础研究的热点。从环境微生物中分离鉴定出降解特定污染物的基因,并应 用该基因构建高效降解污染物的基因工程菌已成为环境生物技术中高新技术的前沿课题目 标之一。利用环境生物分子遗传学指标和生理生化指标作为生物标志去指示环境污染状 况,已成为环境污染生物监测的重要技术手段。研究微生物降解污染物反应动力学及其数 学模型和相关参数,发现清除污染物与相关因素之间的定量关系已成为环境微生物工程的 设计依据。相关的计算机软件开发、试剂盒的应用、遥感技术的配合和多种传感器及生物 反应器的问世等各种基础研究和应用基础研究的成果,均有力地推动了环境生物技术不断 达到更高更新的层次。 由于环境生物技术是一门新兴学科,对环境生物技术的定义也有多种。广义上讲,凡 是涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术,都可称为环境生物技术。严格地说, 环境生物技术指的是直接或间接利用生物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,同时又能生产有用物质的工程 技术。其中,现代环境生物技术中的生物减少和污染场地的生物恢复技术在宏观上运用到 水污染控制方面显得尤为重要,因为以多种形态进入环境的污染物,通过在自然界中的迁 移,最终大都进入水体 环境生物技术除了包括生物技术所有的基础和特色之外,还必须与污染防治工程及其 他工程技术相结合。从技术难度和理论深度的角度看,环境生物技术可分为高、中、低三 个层次。高层次是指以基因工程为主导的近代污染防治生物技术,包括构建降解杀虫剂 除草剂、多环芳烃类化合物等高效基因工程菌,创造抗污染型转基因植物等;中层次是以 废物的生物处理为主要内容,既包括传统的生物处理技术,如废水处理的活性污泥法、生 物膜法等,也包括在新的理论和技术支撑下开发出的废物强化处理技术和工艺,如生物流 化床、生物强化技术等;低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术,主要包括氧
化塘、人工湿地系统和农业生态工程等。 应该指出的是,环境生物技术中的三个层次并没有重要与不重要之分,均是污染治理 不可缺少的生物技术手段。高层次的环境生物技术需要以现代生物技术知识为基础,为寻 求快速有效的污染治理与预防新途径提供了可能,是解决日前出现的日益严重且复杂的环 境问题的强有力手段。中层次的环境生物技术是当今废物生物处理中应用最广泛的技术, 在高新技术也不断渗入的过程中,其本身也在不断改进,是目前环境污染治理中的主力 军。低层次的环境生物技术,其最大特点是能最大限度地发挥自然界环境中的生物生态功 能,投资运行费用少,易于操作管理,是一种省力、省费用、省能耗的技术。为了解决日 益严重的环境污染问题,需配合使用高、中、低三个层次的技术,针对不同的问题,釆用 不同的技术或不同技术的组合。某项环境生物技术可能集高、中、低三个层次的技术于 身,难以确定明显的界限。例如,在废物资源化生物技术中,所需的高效菌种可能是通过 基因工程技术构建的,而所采用的工艺既可以是现代的发酵技术也可以是传统的技术。这 种三个层次的技术集中于同一环境生物技术的现象并不少见,而且越来越多。 从国内外的研究与应用现状分析,目前环境生物技术最有应用前景的领域是高效废物生物 处理技术、污染事故的现场补救和污染环境的现场修复技术以及可降解材料的生物合成技术。 L.2.2环境生物技术面临的任务 近年来,环境生物技术发展迅猛,已成为一种经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂 环境问题的最有效手段,在基础研究,借助于生物工程构建高效工程菌,污染环境的生物 修复,废弃物、污染物的资源化及其清洁生产工艺的建立等方面取得了显蓍成就。另一方 面,环境生物技术的发展也面临着许多挑战,日前的主要任务包括以下几个方面:(a)解 决基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中,其遗传稳定性、功能高效性和生 态安全性等方面的问题;(b)开发废物资源化和能源化技术,利用废物生产单细胞蛋白、 生物塑料、生物肥料以及利用废物生产生物能源,如甲烷、氢气、乙醇等;(c)建立无害 化生物技术清洁生产新工艺,如生物絮礙剂、煤的生物脱硫、生物冶金、生物制浆等; (d)发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的检测技术。 中国的环境生物技术还处于起步阶段,日前的研究工作主要集中在以下几个方面: (a)高效降解污染物的基因工程菌和抗污染型转基因植物的研究;(b)无害化或无污染生物 生产工艺技术的研究;(c)生物反应器和固定化技术对废水的工业应用研究;(d)废物资源 化工程研究;(e)引人DNA扩增和其他生物技术的环境监测方法研究。 环境生物技术的基本目的是清除污染、造福人类,它利用一些生物技术的成果来处 理有关环境方面的问题。现代生物技术的发展,给环境生物技术的纵深发展增添了强大的 动力,生物技术无论是在生态环境保护方面,还是在污染预防治理方面以及环境监测方 面,都显示出独特的功能和优越性。最终环境问题解决的希望寄托在现代环境生物技术的 进展和突破上 1·3环境生物技术的应用范围及展望 生物技术在环境保护方面的应用,可大致分为两类:一是用于消除环境污染的直接应 用,如环境污染的生物净化、废弃物的生物综合利用、环境污染的生物监测等;二是用于 保护生态环境的间接应用,如用生物固氮顶替化肥,用生物制剂取代化学农药,用保护
改进和创造物种的办法维护生物的多样性,用发展生物能源的办法防止生态破坏等。 环境生物技术的应用体现在许多方面,主要包括生物工程技术在环境污染防治中的应 用、废水生物处理技术、固体有机废弃物的生物处理技术、大气污染的生物防治技术、污 染环境的生物修复技术、环境污染预防生物技术和环境生物监测技术等,这也是本书将要 重点介绍的内容 自20世纪70年代以来,生物技术在环境领域的应用就已受到了世人的高度重视,在 发达国家已成为优先发展及应用的环境保护新技术,至今取得了一系列的环境生物工程技 术及其产品,并在世界上广泛应用于废水处理、大气净化及污染环境介质治理等诸多方 面。英国、法国、德国、荷兰等国家取得的大量实用性的环境生物工程研究成果,部分已 经商品化。例如,荷兰自1982年以来已利用环境生物工程治理并恢复了6000多处污染 地,相关专业公司如后春笋般迅速发展起来。再以美国为例,在此领域内的年市场额达 数百亿美元,成立了许多的环境生物工程专业公司,部分产品已占领了国际市场,如 Alen Murray公司的 Clear-Flc系列微生物菌剂等可用于污染处理、污染水体恢复及空气 净化等; Envirogen公司最近宜布已利用基因程技术开发出一系列超级微生物菌剂,可 用于污染水体、土壤、基质及空气的恢复及净化。 当前,环境生物工程技术在国际上正在蓬勃发展。随着环境生物工程技术的进展和市 场开拓,其应用已从单个的环境目标治埋,发展为广泛应用于环境保护的各个方面。环境 生物技术已不再是一种单纯的污染防治技术,它开始影响到包括其他行业的产业政策,促 进各工业部门逐步以生物过程替代传统的化工过程,使许多污染行业的工业生产真正进人 无污染的清洁生产的轨道。随着全球范围内对环境保护的高度重视和越来越严厉的环境法 的实施,市场对环境生物工程技术的需求越来越广泛,其发展前景十分广阔
生物工程技木及其在环境污染防治中的应用 ≯2.1酶工程及其在环境污染防治中的应用 2.L.1酶与酶工程 微生物的营养和代谢都需要在酶的参与和作用下才能正常进行。酶是动物、植物、 微生物等生物体内合成的,是参与催化生物化学反应,并传递电子、原子和化学基团的生 物催化剂。酶学,无论从理论上讲还是从应用上讲,都是现代生物技术领域中一个十分重 要的学科,并且已成为一门内容广泛、发展迅速的学科。它的分支遍及众多领域,并与许 多学科紧密联系,特别是同生物化学、物理化学、微生物学、遗传学、植物学、农学、药 理学、毒理学、生理学、医学以及生物工程的关系更为密切。由于酶独特的催化功能,近 年来,它在工业、农业、医药和环境保护等各个方面的应用越来越广泛 我国在4000多年前就已经在酿酒、制酱过程中,不自觉地利用了酶的催化作用,然 而,真正认识酶的存在和作用是从19世纪开始的。1833年, Payen和 Persoz从麦芽的水 抽提物中,用酒精沉淀得到一种对热具有不稳定性的活性物质,它可促进淀粉水解成可溶 性的糖。他们把这种物质称为淀粉酶( diastase),并指出了它的热不稳定性,初步触及了 酶的一些本质问题。1878年,Kune首先把这种物质定义为酶( enzyme),这个词来自希 腊文,意思为“在酵母中”( In yeast)。1896年, Buchner兄弟无意中发现酵母无细胞抽 提液也能将糖发酵成酒精,这说明酶不仅存在于细胞内,而且在细胞外也可在一定条件下 进行催化反应,同时也阐明了发酵是酶的作用的化学本质。他们的成功为20世纪酶学和 酶工程学的发展揭开了序幕。 那么,酶到底是什么?从19世纪40年代起人们就开始探讨这个问题。半个多世纪以 来,人们一直都把酶定义为生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质。在 Pasteur认为 发酵是酵母细胞生命活动的结果之后20年, Buchner兄弟又证明了发酵并非需要完整的 活细胞,30年后美国科学家 Sumner终于证实了酶的本质是蛋白质。因此从传统上来讲, 酶是一种生物体产生的具有催化能力的蛋白质。 但是,近年来发现,除了“经典”酶以外,某些生物分子也具有催化活性。1982年, Cech等人研究发现,四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工, 催化得到rRNA产物。也就是说,RNA本身可以是一个生物催化剂,具有酶的功能, Cech将这种具有酶活性的RNA称为“ ribozyme”。这些研究结果对酶的传统概念提出了 6挑战,提出了酶并不一定是蛋白质的问题。1986年,Polk和Tamo0tmo同时报道了 用事先设计好的过渡态类似物作为半抗原,按一般单克隆抗体制备程序获得具有催化活性
的抗体,这是抗体酶( abzyme,是 antibody与 enzyne的组合词)研究中的一个突破,它 是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研究的成果,是抗体的高度选择性与酶的高效 催化性巧妙结合的产物,为酶的结构功能研究和抗体与酶的应用等方面开辟了一个新的研 究领域 关于酶的概念还在进行很多新的争论,但酶是一类特殊的催化剂这一点仍然是学者们 的共识。今后关于酶的本质是否仍会有新发现,例如多糖和脂是否也有酶活性等问题,还 有待于进一步的研究。酶的本质不限于蛋白质已是毫无疑问了。 随着酶学研究迅速发展,特别是酶的应用推广,一门新的技术学科应运而生—酶工 程。酶工程是现代生物技术的主要内容之一,其主要任务是通过预先设计、经过人工操作 控制而获得大量所需的酶,并通过各种方法使酶发挥其最大的催化功能,即利用酶的特定 功能,借助工程学手段为人们提供产品或分解有害物质。 酶工程是利用酶的催化作用进行物质转化(合成有用物、分解有害物)的技术,是将 酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。酶工程的内容包括酶的生产、酶的分离纯化 酶分子修饰、酶固定化、酶反应动力学、酶反应器、酶的应用等。随着科学发展,酶工程 所涉及的面越来越广。酶工程的发展经历了如下过程:自然酶的开发与应用,固定化酶, 多酶反应器,仿生技术。 酶工程的研究内容主要包括以下方面 a,酶制剂的分离、纯化、大批量生产及新酶的开发; b,酶生产中基因工程技术的运用 c.酶的固定化技术; d.酶分子改造与化学修饰以及酶结构与功能的研究; e.多酶反应器的研究与应用; E.酶抑制剂、激活剂的开发与应用研究; g.酶的应用性开发; h.模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成的研究 与其他生物技术领域的交叉和渗透。 酶工程的主要目的和意义是使酶学和工程学相互渗透、结合,为人们提供产品或以特 定的功能来为人们服务。很久以来,中国就一直致力于酶工程的研究、发展和应用。中国 的酶工程最早始于酶制剂的应用,其中以a淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的用途最广,占中国 酶制剂的产量和产值的大部分,主要用于食品、轻纺及医药工业中。此外,蔗糖酶、∝半 乳糖苷酶(蜜二糖酶)、③半乳糖苷酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖化酶、蛋白酶等也 有较广泛的应用。20世纪70年代以来,酶工程已经成为一门新兴的工业技术,中国已相 继建成多家酶制剂工厂生产酶制剂,其产品在食品、轻化工及医药工业中得到了广泛的 应用 然而与国外研究与应用状况相比,中国酶工程研究与开发仍有较大差距,特别是在高 产菌株的选育、酶制剂的制备工艺、产品质量等方面、在固定化酶和固定化细胞的研究方 面都霱要强化。并争取能较广泛地用于生产。另外,新型的酶生物反应器的研制也是人们 应予重视的领域。近年来,人们在实践过程中也逐渐强化了酶制品和酶技术在临床诊断、 分析、医药工业和环境保护等方面的应用研究,以及研究和改进食品工业用的酶制剂、洗7 涤剂用酶制剂的生产工艺,培养高产菌种,增加酶制剂品种,提高产品质量