現(xiàn)代生物技術(shù)

1、學(xué) 科 類：理工類 學(xué) 號(hào)：101002050213學(xué)校代碼：12795 密 級(jí)：2014屆本科生畢業(yè)論文現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用院 系： 生物與環(huán)境工程系 專 業(yè)： 生物工程 姓 名： 雷田 指導(dǎo)教師： 金巧 答辯日期： 二一四年 四 月畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立研究、寫作的成果。論文中所引用是他人的無(wú)論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人獨(dú)自承擔(dān)。 作 者 簽 名： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日摘 要現(xiàn)代生物技術(shù)是以DNA分子技術(shù)為基礎(chǔ)，包括微生物工程、細(xì)胞工程、

2、酶工程、基因工程等一系列生物高新技術(shù)的總稱。近些年，由于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，環(huán)保工作已成為全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著社會(huì)主義工業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，我國(guó)環(huán)境污染程度越來(lái)越重，環(huán)保工作也日益嚴(yán)峻。以往的環(huán)境治理方法已不能滿足當(dāng)前環(huán)保的需要，運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行環(huán)境保護(hù)研究取得的新成果,包括運(yùn)用生物芯片技術(shù)和生物傳感器技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)；污水的生物凈化，土壤中的重金屬生物修復(fù)，白色污染的消除，化學(xué)農(nóng)藥污染的消除，以及空氣脫硫，能源資源的再利用；利用生物技術(shù)保護(hù)生物圈的生物多樣性。與傳統(tǒng)治理方法相比，運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)預(yù)防和治理環(huán)境污染,改善生態(tài)環(huán)境具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：生物技術(shù)；環(huán)境保護(hù)；應(yīng)用Abs

3、tract現(xiàn)代生物技術(shù)是以DNA分子技術(shù)為基礎(chǔ)，包括微生物工程、細(xì)胞工程、酶工程、基因工程等一系列生物高新技術(shù)的總稱。近些年，由于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，環(huán)保工作已成為全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著社會(huì)主義工業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，我國(guó)環(huán)境污染程度越來(lái)越重，環(huán)保工作也日益嚴(yán)峻。以往的環(huán)境治理方法已不能滿足當(dāng)前環(huán)保的需要，運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行環(huán)境保護(hù)研究取得的新成果,包括運(yùn)用生物芯片技術(shù)和生物傳感器技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)；污水的生物凈化，土壤中的重金屬生物修復(fù)，白色污染的消除，化學(xué)農(nóng)藥污染的消除，以及空氣脫硫；能源資源的再利用；利用生物技術(shù)保護(hù)生物圈的生物多樣性。與傳統(tǒng)治理方法相比，運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)預(yù)防和治理環(huán)境污染

4、,改善生態(tài)環(huán)境具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。Modern biological technology is based on the DNA based molecular techniques, which include microbial engineering, cell engineering, enzyme engineering, gene engineering and a series of biological technology. In recent years, as people's awareness of environmental protection, en

5、vironmental protection has become the focus of attention of the whole society. With the rapid development of the socialist industrialization, our country environment pollution is more and more heavy, environmental protection has become more and more severe. Environmental governance the previous meth

6、od can not meet the need of the current environmental protection, new results in the study of environmental protection achieved by using modern biological technique, including environmental monitoring with biochip and biosensor technology; sewage purification and biological, heavy metals in soil rem

7、ediation, eliminate the white pollution, elimination of chemical pesticide pollution, and air desulfurization; re utilization of energy resources; the use of biological technology to protect the biological diversity. Compared with the traditional treatment methods, the use of modern biological techn

8、ology to prevent and control environmental pollution, improve the ecological environment has great potential and advantage.keywords： biotechnology； environmental protection； application目 錄 1 現(xiàn)代生物技術(shù)簡(jiǎn)介及我國(guó)環(huán)境現(xiàn)狀11.1 概念11.2 我國(guó)環(huán)境現(xiàn)狀12 現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境保護(hù)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)32.1 現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境保護(hù)32.2 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)33 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用5

9、3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)53.1.1 生物芯片技術(shù)53.1.2 生物傳感器技術(shù)53.2 消除污染，改善生態(tài)環(huán)境63.2.1 污水的生物凈化63.2.2 污染土壤的生物修復(fù)73.2.3 白色污染的消除83.2.4 化學(xué)農(nóng)藥污染的消除83.2.5 微生物脫硫治理空氣污染93.3 能源資源的利用93.4 挽救瀕臨滅絕物種，保護(hù)生物多樣性104 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用展望12參考文獻(xiàn)13致謝141 現(xiàn)代生物技術(shù)簡(jiǎn)介及我國(guó)環(huán)境現(xiàn)狀1.1 概念 現(xiàn)代生物技術(shù)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物（或生物組織、細(xì)胞及其他部分）的特性和功能，設(shè)計(jì)、構(gòu)建具有預(yù)期性的新物質(zhì)或新品系，以及與工程原理相結(jié)合，加工生產(chǎn)產(chǎn)品或提供

10、服務(wù)的綜合性技術(shù)。這門技術(shù)內(nèi)涵十分豐富它涉及到：對(duì)生物的遺傳基因進(jìn)行改造或重組，并使重組基因在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生人類需要的新物質(zhì)的基因技術(shù)（如克隆技術(shù)）；從簡(jiǎn)單普通的原料出發(fā)，設(shè)計(jì)最佳路線，選擇適當(dāng)?shù)拿?，合成所需功能產(chǎn)品的生物分子工程技術(shù)；利用生物細(xì)胞大量加工、制造產(chǎn)品的生物生產(chǎn)技術(shù)（如發(fā)酵）；將生物分子與電子、光學(xué)或機(jī)械系統(tǒng)連接起來(lái)，并把生物分子捕獲的信息放大、傳遞，轉(zhuǎn)換成為光、電或機(jī)械信息的生物耦合技術(shù)；在納米（即百萬(wàn)分之一毫米）尺度上研究生物大分子精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系。并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造利用它們組裝分子設(shè)備的納米生物技術(shù)，模擬生物或生物系統(tǒng)、組織、器官功能結(jié)構(gòu)的仿生技術(shù)等等。1.2 我

11、國(guó)環(huán)境現(xiàn)狀目前我國(guó)由于工業(yè)“三廢”污染、農(nóng)用化肥和農(nóng)藥的污染以及廢棄塑料和農(nóng)用地膜的污染嚴(yán)重的影響了我國(guó)的生態(tài)環(huán)境，使得水污染日益加劇，水資源嚴(yán)重短缺，全國(guó)600多個(gè)城市中已有一半城市缺水，農(nóng)村則有8000萬(wàn)人和6000萬(wàn)頭牲畜飲水困難；土壤污染嚴(yán)重，耕地面積銳減，近l0年來(lái)每年流失的土壤總量達(dá)50億t，土地荒漠化日益加劇，森林覆蓋面積下降，草場(chǎng)退化每年減少森林面積達(dá)2500萬(wàn)畝；人們的身體健康受到嚴(yán)重威脅，疾病發(fā)病率急劇上升。因此，加大環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理力度，加快應(yīng)用高新技術(shù)，如現(xiàn)代生物技術(shù)來(lái)控制環(huán)境污染和保持生態(tài)平衡，提高環(huán)境質(zhì)量已成為環(huán)保工作者的工作重點(diǎn)。中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，我國(guó)城市空

12、氣質(zhì)量污染狀況十分嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)近幾年的治理，城市的污染狀況有所好轉(zhuǎn)，但總體上依然嚴(yán)重，全國(guó)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)城市到2010年底僅占1/3。其中二氧化硫年均濃度在3248微克/立方米之間，全國(guó)平均值為66微克/立方米。52.3%的北方城市和37.5%的南方城市平均值超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（60微克/立方米）。氮氧化物年均值濃度在4140微克/立方米之間，全國(guó)平均值為45微克/立方米。北方城市平均值為49微克/立方米，南方城市平均值為41微克/立方米?？倯腋☆w粒物年均值濃度在32741微克/立方米之間，全國(guó)年平均值為291微克/立方米。在我國(guó)，水體污染十分嚴(yán)重。中國(guó)工程院院士、湖泊環(huán)境研究主席、科學(xué)家劉鴻亮教授

13、對(duì)全國(guó)55000千米河段進(jìn)行了研究調(diào)查，報(bào)告顯示，23.3%的河段水質(zhì)污染嚴(yán)重而不能用于灌溉，45%的河段魚蝦絕跡，85%的河段不符合人類飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而且河流自潔等生態(tài)功能也嚴(yán)重衰退，形勢(shì)異常嚴(yán)峻。在我國(guó)，人均土地面積只有0.771公頃，為世界人均水平的1/3；人均耕地面積才0.106公頃，為世界人均水平的43%。不僅如此，我國(guó)耕地的總體質(zhì)量還不好，全國(guó)大于陡坡的耕地有近600萬(wàn)公頃，有水源保證和灌溉設(shè)施的耕地只占40%，中低產(chǎn)田占總耕地面積的79%，更有許多耕地面臨嚴(yán)重的水土流失，沙漠化，鹽堿化，風(fēng)蝕，海蝕。2 現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境保護(hù)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)2.1 現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境保護(hù)環(huán)境生物技術(shù)是由現(xiàn)

14、代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科，是應(yīng)用生物圈的某部分使環(huán)境得以控制，或治理預(yù)定要進(jìn)入生物圈的污染物的生物技術(shù)1。這一技術(shù)在解決環(huán)境問(wèn)題過(guò)程中顯示出了獨(dú)特的功能和顯著的優(yōu)越性，不僅充分體現(xiàn)出這項(xiàng)技術(shù)是一個(gè)純生態(tài)的過(guò)程，且從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。在環(huán)境的保護(hù)和污染治理中，環(huán)境生物技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比較，具有明顯優(yōu)勢(shì)。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)可以真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目的，其充分利用生物過(guò)程減少生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染，很大程度上代替了傳統(tǒng)生產(chǎn)中的化學(xué)過(guò)程，更有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)廢生產(chǎn)，促進(jìn)了生產(chǎn)工藝的生態(tài)化?，F(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是酶工程、細(xì)胞工程、基因工程等，提高了生產(chǎn)效率，強(qiáng)化了環(huán)境生物處理過(guò)程，在工農(nóng)

15、業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用這些技術(shù)，可以降低成本，其高效性、專一性等特性為環(huán)境生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。2.2 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)現(xiàn)代生物技術(shù)可以有效地降低環(huán)境保護(hù)工作成本。以往的環(huán)境保護(hù)治理工作大都運(yùn)用一些傳統(tǒng)的工作方式，花費(fèi)人力物力成本較高且效果一般。現(xiàn)代生物技術(shù)的細(xì)胞技術(shù)、酶技術(shù)和分子技術(shù)可以極大地降低環(huán)境治理的綜合成本，且效果十分良好。例如利用降解技術(shù)處理垃圾和廢物，可以有效地減少垃圾占地和污染物的排放，經(jīng)過(guò)生物技術(shù)降解后的垃圾還可以循環(huán)利用，對(duì)環(huán)境的污染程度大大降低?，F(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用大都不受氣候、場(chǎng)地等條件限制。利用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行環(huán)境保護(hù)工作，大都是通過(guò)化

16、學(xué)反應(yīng)的原理處理污染物，這些化學(xué)反應(yīng)一般不受場(chǎng)地、氣候等條件限制，可以隨時(shí)發(fā)揮作用。這樣一來(lái)，不但可以使現(xiàn)代生物技術(shù)的運(yùn)用范圍迅速擴(kuò)展，也大大提高了環(huán)境保護(hù)工作水平?，F(xiàn)代生物技術(shù)可以創(chuàng)造可再生資源。一些傳統(tǒng)的環(huán)境污染物經(jīng)過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)的處理，可以轉(zhuǎn)化為可再生能源繼續(xù)使用，這是現(xiàn)代生物技術(shù)的另一項(xiàng)重要的優(yōu)勢(shì)。例如農(nóng)村的沼氣池改造項(xiàng)目可以將以往污染農(nóng)村環(huán)境的牲畜糞便等進(jìn)行加工，產(chǎn)生沼氣這種清潔能源，既實(shí)現(xiàn)了環(huán)保，又生產(chǎn)出了新能源，效果良好?，F(xiàn)代生物技術(shù)能夠徹底去除有害污染物，使環(huán)境保護(hù)工作一勞永逸。將現(xiàn)代生物技術(shù)運(yùn)用于環(huán)境保護(hù)工作中有害污染物的去除，就是利用現(xiàn)代生物技術(shù)徹底改變?cè)形廴疚锏膬?nèi)部分子

17、排列結(jié)構(gòu)，形成新的物質(zhì)，而這些新的物質(zhì)大都是水、二氧化碳等無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，污染物去除較為徹底，從而達(dá)到一勞永逸的效果。3 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè) 應(yīng)用酶聯(lián)免疫技術(shù)、PCR技術(shù)、電子顯微技術(shù)、基因差異顯示技術(shù)、生物傳感器、基因探針、生物芯片等現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)，這里主要介紹生物芯片技術(shù)與生物傳感器技術(shù)兩種。 3.1.1 生物芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)是通過(guò)縮微技術(shù)，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過(guò)程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、基因及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的

18、檢測(cè)。其工作原理是采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等生物樣品有序地固化于支持物(如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體)的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標(biāo)記的待測(cè)生物樣品中靶分子雜交，通過(guò)特定的儀器如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機(jī)對(duì)雜交信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測(cè)分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量。由于常用玻片或硅片作為固相支持物，且在制備過(guò)程模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù)，所以稱之為生物芯片技術(shù)。生物芯片技術(shù)已成功應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)中的水質(zhì)控制、病原細(xì)菌瞬時(shí)檢測(cè)、細(xì)菌基因表達(dá)水平測(cè)量及菌種鑒定等方面。法國(guó)一家水管理企業(yè)開(kāi)發(fā)的生

19、物芯片可隨時(shí)監(jiān)測(cè)公共飲用水中微生物的變化2；Rhode Island大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種生物芯片技術(shù)可瞬時(shí)檢測(cè)出水中的沙門氏菌和大腸桿菌；利用DNA芯片建立的細(xì)菌檢測(cè)及鑒定系統(tǒng)，可快速(<4h)監(jiān)測(cè)細(xì)菌的種類和濃度，且該系統(tǒng)的精確性、檢測(cè)范圍和鑒定能力能通過(guò)在芯片上增加更多的寡核苷酸探針得到持續(xù)擴(kuò)展3。3.1.2 生物傳感器技術(shù)生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器，是利用生物感應(yīng)元件的專一性和一個(gè)能夠產(chǎn)生與待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器結(jié)合起來(lái)的分析裝置。其工作原理主要決定于生物敏感元件與待測(cè)物質(zhì)之間的相互作用，通過(guò)這種作用，電子組分能將待測(cè)對(duì)象檢出并轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電子信號(hào)。當(dāng)待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用，進(jìn)

20、入固定化生物敏感膜時(shí)，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息被相應(yīng)的化學(xué)或物理學(xué)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)儀表二次放大并輸出，以電子計(jì)算機(jī)處理后，即完成對(duì)產(chǎn)生信號(hào)的檢測(cè)程序4。由此，可獲得待測(cè)物質(zhì)的種類及濃度的結(jié)果。生物傳感技術(shù)可用來(lái)測(cè)定水體中的BOD、酚、NO、有機(jī)磷。利用該技術(shù)研制的BOD測(cè)定儀可直接測(cè)量水中BOD含量；用酶電極安培傳感器可以檢測(cè)溶液和有機(jī)介質(zhì)中的酚類化合物；以不同的NO還原酶做生物催化劑，通過(guò)測(cè)量電流的生物傳感裝置可測(cè)定水中NO含量。另外，該技術(shù)還可以用來(lái)分析大氣中的CO2、SO2、NO的含量及濃度等。利用自養(yǎng)微生物和氧電極制成的電位傳感器，可抗各種離子和揮

21、發(fā)性酸的干擾，連續(xù)自動(dòng)在線分析大氣環(huán)境中CO2的含量，靈敏度高；以硫桿菌屬和氧電極制作安培型生物傳感器可用來(lái)檢測(cè)酸雨酸霧樣品中SO2的含量；用多孔氣體滲透膜、固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成微生物傳感器，可通過(guò)測(cè)定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。除此之外，該技術(shù)還可監(jiān)測(cè)水體中的赤潮、檢測(cè)殘留有毒有害物質(zhì)、測(cè)定持久性有機(jī)污染物、評(píng)價(jià)污染物毒性和測(cè)定細(xì)菌總數(shù)等。葉綠素a自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀可以通過(guò)對(duì)水中葉綠素a的監(jiān)測(cè)來(lái)監(jiān)視赤潮和水華現(xiàn)象的發(fā)生，從而可對(duì)水質(zhì)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；免疫傳感器利用抗體和抗原之間的免疫化學(xué)反應(yīng)可以測(cè)定環(huán)境中的持久性有機(jī)污染物；利用生物傳感技術(shù)研制的一種新型伏安型細(xì)菌總數(shù)生物傳

22、感器可用來(lái)測(cè)定細(xì)菌總數(shù)。3.2 消除污染，改善生態(tài)環(huán)境現(xiàn)代生物技術(shù)在消除污染，改善生態(tài)環(huán)境方面常被采用。它包括環(huán)境污染物的生物減少和污染場(chǎng)地的生物補(bǔ)救或修復(fù)。3.2.1 污水的生物凈化污水中的有毒物質(zhì)的成分十分復(fù)雜，包括各種酚類、氰化物、重金屬、有機(jī)磷、有機(jī)汞、有機(jī)酸、醛、醇及蛋白質(zhì)等等。微生物通過(guò)身的生命活動(dòng)可以解除污水的毒害作用，從而使污水中的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有益的無(wú)毒物質(zhì)，使污水得到凈化。當(dāng)今固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)處理污水就是生物凈化污水的方法之一。固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)是酶工程技術(shù)。固定化酶又稱水不溶性酶，是通過(guò)物理吸附法或化學(xué)鍵合法使水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體相結(jié)合將酶變成不溶于水

23、但仍保留催化活性的衍生物。微生物細(xì)胞是一個(gè)天然的固定化酶反應(yīng)器用制備固定化酶的方法直接將微生物細(xì)胞固定，即是可催化一系列生化反應(yīng)的固定化細(xì)胞。運(yùn)用固定化酶和固定化細(xì)胞可以高效處理廢水中的有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)金屬毒物等，此方面國(guó)內(nèi)外成功的例子很多，如德國(guó)將能降解對(duì)硫磷等9種農(nóng)藥的酶，以共介結(jié)合法固定于多孑L玻璃及硅珠上，制成酶柱，用于處理對(duì)硫磷廢水，去除率達(dá)95以上；近幾年我國(guó)在應(yīng)用固定化細(xì)胞技術(shù)降解合成洗滌劑中的表面活性劑直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS)方面取得較大進(jìn)展，對(duì)于含100mg/L廢水，降解率和酶活性保存率均在90以上：利用固定化酵母細(xì)胞降解含酚廢水也已實(shí)際應(yīng)用于廢水處理5。3.2.2 污染土

24、壤的生物修復(fù) 重金屬污染是造成土壤污染的主要污染物。重金屬污染的生物修復(fù)是利用生物(主要是微生物、植物)作用，削減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬的毒性。其原理是：通過(guò)生物作用（如酶促反應(yīng))改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定或解毒。降低其在土壤環(huán)境中的移動(dòng)性和生物可利用性。通過(guò)生物吸收、代謝達(dá)到對(duì)重金屬的削減、凈化與固定作用。污染土壤的生物修復(fù)過(guò)程可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，激發(fā)微生物的活性，由此可以改善土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)，這將有助于土壤的固定，遏制風(fēng)蝕、水蝕等作用，防止水土流失。在當(dāng)代礦產(chǎn)資源的大量開(kāi)采利用、工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展和化學(xué)藥品的廣泛使用，帶來(lái)的一個(gè)突出的問(wèn)題是如何控制和減輕重金屬對(duì)

25、環(huán)境的污染。因?yàn)橹亟饘傥廴緯?huì)對(duì)作物生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和地下水開(kāi)采等多方面產(chǎn)生重大影響，并通過(guò)食物鏈影響人類的生活和健康。另一方面，重金屬污染具有隱蔽性、不可逆性、生物不可降解性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)使重金屬污染的修復(fù)比較困難。傳統(tǒng)的治理方法在已污染環(huán)境的改良和治理方面曾起過(guò)積極的作用，但這些方法不僅所需費(fèi)用昂貴，同時(shí)大多只能暫時(shí)緩解重金屬的危害，還可能導(dǎo)致二次污染，不能從根本上解決問(wèn)題。用轉(zhuǎn)基因的方式獲得具有修復(fù)多種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤能力的植物，改善植物對(duì)重金屬這種污染源的吸收已獲得成效，最近，美國(guó)在一項(xiàng)受污染土地的試驗(yàn)中已證明，將進(jìn)一步誘發(fā)處理某種基因引入到黃楊，使黃楊抗汞能力提高近10倍6。隨著基

26、因工程技術(shù)新的開(kāi)發(fā)高潮到來(lái)，初步的試驗(yàn)實(shí)踐和生產(chǎn)實(shí)踐顯示，運(yùn)用基因工程消除重金屬等污染源具有廉價(jià)、安全的特點(diǎn)，它正在成為研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。3.2.3 白色污染的消除廢棄塑料和農(nóng)用地膜經(jīng)久不化解，估計(jì)是形成環(huán)境污染的重要成分。據(jù)估計(jì)我國(guó)土壤、溝河中塑料垃圾有百萬(wàn)噸左右。塑料在土壤中殘存會(huì)引起農(nóng)作物減產(chǎn)，若再連續(xù)使用而不采取措施，十幾年后不少耕地將顆粒無(wú)收，可見(jiàn)數(shù)量巨大的塑料垃圾嚴(yán)重影響著生態(tài)和環(huán)境，研究和開(kāi)發(fā)生物可降解塑料已迫在眉睫。利用生物工程技術(shù)一方面可以廣地分離篩選能夠降解塑料和農(nóng)膜的優(yōu)勢(shì)微生物、構(gòu)建高效降解菌，另一方面可以分離克隆降解基因并將該基因?qū)肽骋煌寥牢⑸铮ㄈ绺鼍?中，使兩者

27、同時(shí)發(fā)揮各自的作用，將塑料和農(nóng)膜迅速降解。同時(shí)，還需大力推行可降解塑料和地膜的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。有些微生物能產(chǎn)生與塑料類似的高分子化合物即聚酯，這些聚酯是微生物內(nèi)源性貯藏物質(zhì)，可以用發(fā)酵方法進(jìn)行生產(chǎn)，由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔點(diǎn)、高彈性、不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)而在醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景。為了降低成本、提高產(chǎn)量，人們正在用重組DNA技術(shù)對(duì)相關(guān)的微生物進(jìn)行改造此方面目前一個(gè)研究熱點(diǎn)是采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)聚一B羥基烷酸（PHAs)研究人員正設(shè)法構(gòu)建出自溶性PHAs生產(chǎn)菌種即將PHAs重組菌進(jìn)行發(fā)酵，在積累大量的PHAs后，加入信號(hào)物質(zhì)，使裂解蛋白產(chǎn)生，細(xì)胞壁破壞，PHAs析出以簡(jiǎn)

28、化胞內(nèi)產(chǎn)物PHAs的提取過(guò)程，降低提取成本。3.2.4 化學(xué)農(nóng)藥污染的消除一般情況下使用的化學(xué)殺蟲劑約80會(huì)殘留在土壤中特別是氯代烴類農(nóng)藥是最難分解的經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)造成滯留毒害作用。因此多年來(lái)人們一直在尋找更為安全有效的辦法，而利用微生物降解農(nóng)藥已成為消除農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染的一個(gè)重要方面。能降解農(nóng)藥的微生物，都是通過(guò)礦化作用將農(nóng)藥逐漸分解成終產(chǎn)物CO2和H2O，這種降解途徑徹底，一般不會(huì)帶來(lái)副作用：有的是通過(guò)代謝作用，將農(nóng)藥轉(zhuǎn)化為可代謝的中間產(chǎn)物，從而從環(huán)境中消除殘留農(nóng)藥，這種途徑的降解結(jié)果比較復(fù)雜，有正面效應(yīng)也有負(fù)面效應(yīng)。為了避免負(fù)面效應(yīng)，就需要用基因工程的方法對(duì)已知有降解農(nóng)藥作用的微生物進(jìn)行改造改

29、變其生化反應(yīng)途徑，以希望獲得最佳的降解、除毒效果。要想徹底消除化學(xué)農(nóng)藥的污染，最好全面推廣生物農(nóng)藥。所謂生物農(nóng)藥是指由生物體產(chǎn)生的具有防止病蟲害和除雜草等功能的一大類物質(zhì)總稱，它們多是生物體的代謝產(chǎn)物主要包括微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素制劑和微生物除草劑等。其中微生物殺蟲劑得到了最廣泛的研究，主要包括病毒殺蟲劑、細(xì)菌殺蟲劑、真菌殺蟲劑、放線菌殺蟲劑等。長(zhǎng)期以來(lái)并沒(méi)有得到廣泛的使用。現(xiàn)在人們正在利用重組DNA技術(shù)克服其缺點(diǎn)來(lái)提高殺蟲效果，例如目前病毒殺蟲劑的一個(gè)研究熱點(diǎn)是桿狀病毒基因工程的改造人們正在研究將外源毒蛋白基因如編碼神經(jīng)毒素的基因克隆到桿狀病毒中以增強(qiáng)桿狀病毒的毒性：將能干擾害蟲正常生活周

30、期的基因如編碼保幼激素酯酶的基因插入到桿狀病毒基因組中形成重組桿狀病毒并使其表達(dá)出相關(guān)激素，以破壞害蟲的激素平衡干擾其正常的代謝和發(fā)育從而達(dá)到殺死害蟲的目的。 “露雨二號(hào)”是根據(jù)我國(guó)傳統(tǒng)的中醫(yī)藥理論研制而成的，它是以多種中草藥材為原料的天然廣譜殺蟲劑，其成本和藥效都與目前的化學(xué)高效殺蟲劑不相上下7?？梢哉f(shuō)，該產(chǎn)品的推出在改善農(nóng)藥結(jié)構(gòu)及保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面都是一個(gè)突破性的研究進(jìn)展。目前我國(guó)已登記的2 000多個(gè)農(nóng)藥品種中，生物農(nóng)藥只有40多個(gè)，其發(fā)展空間是很大的。實(shí)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，必須保護(hù)生態(tài)環(huán)境，農(nóng)藥必須向低毒、無(wú)公害方向發(fā)展。3.2.5 微生物脫硫治理空氣污染煤炭直接燃用時(shí)將排放出大量的S

31、O2 等有害氣體，造成大氣污染，并由此引發(fā)酸霧、酸雨，破壞生態(tài)平衡，危害人類健康。據(jù)北京環(huán)保局計(jì)算，2010年北京市僅燃煤每年排入大氣的SO2就高達(dá)26萬(wàn)t。生物學(xué)家利用微生物脫硫，把Fe2+變成Fe3+，把單體硫變成硫酸，取得了良好效果。如日本中央電力研究所從土壤中分離出一種硫桿菌，它是一種鐵氧化細(xì)菌，能有效除去煤中的無(wú)機(jī)硫。目前，在美國(guó)和德國(guó)已建成2個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的連續(xù)生化脫硫試驗(yàn)裝置。4個(gè)歐洲研究組織在意大利撒丁島已建成一套工業(yè)規(guī)模的中試連續(xù)生化脫硫裝置。這些研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，獲得了許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，為朝著工程應(yīng)用方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。微生物脫硫技術(shù)簡(jiǎn)單。成本低，更為重要的是符合“源

32、頭防治”的環(huán)保新理念比“末端治理”(污染產(chǎn)生后再治理)效益高，是很有前途的大氣污染治理方法8。3.3 能源資源的再利用對(duì)能源資源的依賴和使用，使人們預(yù)感非再生能源資源的有限性和潛在的危機(jī)，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了新希望。今天，生物技術(shù)這一概念也擴(kuò)展到消除有害物質(zhì)和廢棄物及這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和再利用方面，如利用廢棄物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白（SCP）、纖維質(zhì)原料生產(chǎn)酒精等。德國(guó)從木糖生產(chǎn)食用酵母，后來(lái)發(fā)展了從造紙工業(yè)的亞硫酸廢液制造飼料酵母，年產(chǎn)量在1500萬(wàn)t單細(xì)胞蛋白作為肉類代制品以補(bǔ)充蛋白質(zhì)的不足。我國(guó)科學(xué)工作者利用味精廢水生產(chǎn)熱帶假絲酵母單細(xì)胞蛋白，含蛋白達(dá)60%，產(chǎn)品用作飼料，效果與魚

33、料相同。英國(guó)倫敦一家公司用硬脂噬熱芽孢桿菌這種“工程菌”能夠?qū)U棄的稻草、玉米芯等廢棄物轉(zhuǎn)化為乙醇，并且效率明顯高于酵母菌9。人們利用基因工程、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程的原理和技術(shù)，凈化處理環(huán)境污染物的同時(shí)產(chǎn)生有用的產(chǎn)品，既達(dá)到了減輕環(huán)境污染的目的，又實(shí)現(xiàn)了廢物資源化。目前很有前途的可再生生物資源是木質(zhì)纖維，它可被轉(zhuǎn)化為葡萄糖、酒精等醇類、有機(jī)酸類、微生物蛋白等多種多樣的產(chǎn)品，是無(wú)污染的工業(yè)原料。木質(zhì)纖維構(gòu)成了植物的支持系統(tǒng)、是生物圈中數(shù)量最大的廢棄物，它主要成分是木質(zhì)素、纖維素、半纖維素，相對(duì)分子量都很大，難以被微生物分解，尋找到能高效分解木質(zhì)纖維的菌種是木質(zhì)纖維資源化的關(guān)鍵所在，研究人員運(yùn)用基因

34、工程技術(shù)已成功地將分解纖維素和半纖維素的基因組建到新的菌種中用于乙醇發(fā)酵；我國(guó)科研工作者利用細(xì)胞融合技術(shù)培育出了既能利用木糖又能利用纖維二糖生產(chǎn)乙醇的菌種，這對(duì)我國(guó)纖維素再生自然資源的開(kāi)發(fā)和利用，減少環(huán)境污染。具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，海藻發(fā)電、生物絮凝劑、生物表面活性劑、PHAs、生物農(nóng)藥等其它新型能源資源也已經(jīng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。3.4 挽救瀕臨滅絕物種，保護(hù)生物多樣性生物多樣性是指生物之間的多樣化、變異性以及物種生存環(huán)境的生態(tài)復(fù)雜性，包括遺傳基因多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性三個(gè)層次。工業(yè)化以及現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，造成了地球的巨大變化，這種變化引起許多物種正在被推向滅絕。然而，隨著“

35、克隆”技術(shù)的逐漸成熟，瀕危物種得以延續(xù)，保護(hù)生物多樣性是完全可行的。事實(shí)上，自從“多莉”羔羊誕生以來(lái)，許多科學(xué)家便著手克隆瀕危物種，如我國(guó)中科院水生所，動(dòng)物所科學(xué)工作者正分別為將來(lái)克隆白鰭豚和大熊貓作準(zhǔn)備工作，并取得階段性成果。同時(shí)，現(xiàn)代生物技術(shù)將大大提高單位面積的農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量，減輕生物資源過(guò)度利用的壓力，在很大程度上緩解了生物多樣性的減少。我國(guó)科學(xué)家培育的小麥根際固氮菌肥，試用于小麥拌種，可使小麥增產(chǎn)近20，大大減少了氮肥的施用量，有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。二是利用基因工程和細(xì)胞融合技術(shù)把固氮基因直接重組到作物細(xì)胞的基因組中，從而獲得自身可以固氮的農(nóng)作物，從根本上解決了固氮問(wèn)題。目前，實(shí)驗(yàn)通過(guò)

36、細(xì)胞融合把豆科植物固氮基因轉(zhuǎn)導(dǎo)到稻、麥、玉米等作物的細(xì)胞中，成功地把肺炎克氏桿菌的固氮基因轉(zhuǎn)導(dǎo)到大腸桿菌、酵母菌細(xì)胞中，把豆科植物的固氮基因?qū)牒}卜細(xì)胞內(nèi)。由此，人們看到了利用現(xiàn)代生物技術(shù)培育人們所需要的作物和減少化肥施用保護(hù)生態(tài)環(huán)境的光明前景。生物技術(shù)的發(fā)展會(huì)培育出抗病強(qiáng)的作物品種，不需要使用像傳統(tǒng)品種那樣多的農(nóng)藥和化肥，減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。另外，以蟲治蟲，以草治草，以菌治菌等新型農(nóng)業(yè)生物技術(shù)減少農(nóng)藥用量，也有利于生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的維持10。4 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用展望 我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中大國(guó)，改革開(kāi)發(fā)30余年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量已居世界第2位。但經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)的同時(shí)也伴隨著嚴(yán)重的物質(zhì)資源過(guò)度濫用和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞?，F(xiàn)代生物技術(shù)作為一種有效的環(huán)境污染治理措施，受到越來(lái)越多的關(guān)注，其在環(huán)境生物監(jiān)測(cè)、污染治理、生物修復(fù)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。更新環(huán)保理念，積極借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)適合我國(guó)國(guó)情的新技術(shù)要加以引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新。大力發(fā)展現(xiàn)代生物技術(shù)，是我國(guó)推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)的宏偉目