現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

.頁眉.頁腳..現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)及在環(huán)境工程中的應(yīng)用摘要:對誘變、原生質(zhì)體融合及基因技術(shù)在環(huán)境工程中的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述;說明了現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境工程上的應(yīng)用主要集中在構(gòu)建高效工程用菌去除難降解有毒物質(zhì)方面;指出了生物修復(fù)技術(shù)具有較好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益,發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。關(guān)鍵詞:生物技術(shù)；誘變；原生質(zhì)體融合；基因工程；工程菌種Abstract:Environmentalbiotechnologyisnewlydevelopingtechnologyinthe21stcentury.Itisgenerallyacknowledgedthatenvironmentalpollution,resourceproblem,ecologydestroy,andhealthproblemandsooncanbesolvedbyenvironmentalbiotechnology.Thecontentsandcharactersofenvironmentalbiotechnologyareanalyzed.Theapplicationofenvironmentalbiotechnologytoenvironmentalprotectionandremediationisdiscussed.Keywords:EnvironmentalBiotechnology;EnvironmentalProtection;EnvironmentRemediation環(huán)境生物技術(shù)(environmentalbiotechnology)是直接或間接利用生物的生理活動,建立降低或消除污染物的生產(chǎn)工藝,或能夠高效地凈化被污染的環(huán)境以及將污染物轉(zhuǎn)化為資源的人工技術(shù).它包括環(huán)境中污染物的減少、污染場地的生物修復(fù)和生物可降解材料的開發(fā)和應(yīng)用等.其核心是微生物學(xué)過程.它是近20年來產(chǎn)生的一門多學(xué)科相互滲透的新興邊緣學(xué)科,主要涉及生物技術(shù)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科.環(huán)境生物技術(shù)可以按技術(shù)難易劃分為三類[1].第一類是指以分子生物學(xué)技術(shù)為主體,以基因工程為主導(dǎo)的污染控制與監(jiān)測技術(shù),包括構(gòu)建降解殺蟲劑、除草劑、多環(huán)芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌,創(chuàng)造抗污染型轉(zhuǎn)基因植物等.第二類是以目前大量應(yīng)用的經(jīng)過改革與創(chuàng)新的生物處理技術(shù),如生物流化床法、上流式厭氧甲烷發(fā)酵法和變形活性污泥法等等.第三類包括:生物穩(wěn)定塘、人工濕地和污染控制資源化生態(tài)工程等自然凈化系統(tǒng).筆者僅討論后兩種環(huán)境生物技術(shù).1環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)生物與環(huán)境之間既有對立的一面,又有統(tǒng)一的一面,生物體靠體內(nèi)調(diào)節(jié)和變異來適應(yīng)環(huán)境變化,同時通過自身來影響和改變環(huán)境.環(huán)境生物技術(shù)擁有許多其他方法不可比擬的優(yōu)勢,如微生物對各類污染物均有較強(qiáng)、較快的適應(yīng)性,并可將其作為代謝底物降解和轉(zhuǎn)化,具有效果好、運(yùn)行費(fèi)用低、無二次污染等優(yōu)勢.用生物方法處理污染物的最終產(chǎn)物大都是無毒無害、穩(wěn)定的物質(zhì),如二氧化碳、水、氮?dú)夂图淄榈?通常可一步到位,避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移,因此它又是一種消除污染安全而徹底的手段.另外,生物處理技術(shù)的產(chǎn)物或副產(chǎn)品,大多可以較快生物降解的,并可作為資源加以利用,有助于把人類活動產(chǎn)生的環(huán)境污染減到最小程度.生物技術(shù)還易于進(jìn)行大規(guī)模操作,一些生物曝氣池、生物濾池的容積之大,也是其他工藝望塵莫及的.生物方法還可以就地利用天然水塘或土壤層作為污染物處理場所,這可大大降低處理費(fèi)用.因此生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用將是勢不可擋的.環(huán)境生物技術(shù)具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景,特別是對于尋求用低成本解決環(huán)境問題的發(fā)展中國家具有極大潛力.在自然界中存在許多優(yōu)良菌種能有效分解自然界中的各種物質(zhì),但隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,人工合成的非天然物質(zhì)日益增多。例如:有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、塑料、合成洗滌劑等一些高濃度、高毒性的有機(jī)污染物,不易被自然界中現(xiàn)存的微生物降解,這些物質(zhì)在土壤和水中存留時間較長,衰減75%～100%所需的時間要幾年甚至幾十年,其在土壤和水體中不斷積累,嚴(yán)重污染了環(huán)境。因此,在環(huán)境工程中極其需要快速降解污染物的高效菌種,為此,研究人員已將生物技術(shù)引入到環(huán)境工程當(dāng)中來。生物強(qiáng)化技術(shù)自20世紀(jì)70年代中期產(chǎn)生以來,經(jīng)幾十年的研究與應(yīng)用,已在生物修復(fù)中顯現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力,該方法可有效提高有毒有害污染物的去除效果,將生物強(qiáng)化技術(shù)融入到傳統(tǒng)的生物修復(fù)中,并結(jié)合現(xiàn)代分子生物技術(shù)提供的新方法、新手段進(jìn)行監(jiān)測和評價,已成為生物修復(fù)發(fā)展的一種趨勢.2生物育種技術(shù)2.1誘變育種2.1.1短波長射線誘變短波長射線,主要以紫外線為主。紫外線可以引起DNA的變化。DNA鏈上的堿基對紫外輻射很敏感。因為堿基吸收的光波波長和紫外輻射發(fā)射波長非常接近,DNA強(qiáng)烈吸收紫外輻射。引起DNA結(jié)構(gòu)變化的形式有多方面,例如:DNA鏈的斷裂,DNA分子內(nèi)和分子間的交聯(lián),核酸與蛋白質(zhì)的交聯(lián),胞嘧啶和鳥嘌呤的水和作用及胸腺嘧啶二聚體的形成等。王戰(zhàn)勇等[2],采用可以降解PHB的青霉(Penicillumsp)DS9701菌株作為試驗的出發(fā)菌株,經(jīng)過紫外線的照射誘變處理,分離得到一種突變菌株DS2003。結(jié)果顯示,菌株DS2003對PHB的日降解率提高了7.5%,降解等量PHB所用時間減少了3d。將誘變后的菌株DS2003連續(xù)傳代5次繼續(xù)測定其對PHB的降解率,結(jié)果表明,DS2003菌株連續(xù)傳代5次后對PHB的降解率基本穩(wěn)定。吳憶寧等[3],采用在連續(xù)流條件下以活性污泥代替純菌種進(jìn)行UV誘變,作用效果顯著且具應(yīng)用潛力。通過與普通馴化的污泥進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),經(jīng)誘變的活性污泥更適于降解木質(zhì)素,且效率較高。喬慶霞等[4],對自然篩選出的優(yōu)勢混合菌進(jìn)行紫外誘變,在紫外線下照射40s時篩選出6種菌株,其中B04菌株對CODCr降解率較未誘變菌提高了19.71%,對TCl的降解率較未誘變菌提高了99.86%。沈齊英等[5],采用紫外誘變,處理由燕化煉油廠污水廠的活性污泥中馴化篩選得到的降酚菌株,好氧條件篩選出2種高效降酚微生物QH2和QH3。實(shí)驗證明,溫度對QH2、QH3生長影有非常顯著的意義,P<0.01,在30℃時生長良好。應(yīng)用QH2和QH3菌種處理煉油廠含酚廢水,菌種能夠有效地降解較為復(fù)雜的含酚污水,且QH2菌種處理效果最佳。2.1.2電離輻射射線誘變電離輻射射線,主要是χ-射線,γ-射線等。曹德菊等[6],利用60Coγ-射線輻照處理活性污泥。結(jié)果表明,輻照后的活性污泥SV30、SVI、MLSS、污泥增長率均低于對照,特別是污泥增長率,當(dāng)輻照劑量為500Gy以上是呈直線下降;輻照處理活性污泥的污水COD去除率也明顯降低,氨氮去除率在低劑量(50、100Gy)時分別為92%～95%和94%～97%,處理效率優(yōu)于對照。2.1.3化學(xué)誘變化學(xué)誘變即采用化學(xué)物質(zhì)對微生物進(jìn)行誘變,引起基因突變或真核生物染色體的畸變。常用的誘變劑有:堿基類似物5-氨基尿嘧啶、5-溴尿嘧啶及2-氨基嘧啶、脫氨劑羥胺(NH2OH)和亞硝胺(HNO2)。2.2原生質(zhì)體融合技術(shù)育種利用原生質(zhì)體融合技術(shù)育種原生質(zhì)體融合衍生有如下幾種技術(shù)方法：(1)利用原生質(zhì)體再生時對再生條件的控制,使菌株遺傳特性發(fā)生改變的原生質(zhì)體再生育種方法。(2)通過加熱或UV照射處理,使參與原生質(zhì)體融合的一方滅活的“定向”融合技術(shù),滅活一方在融合過程中可將其遺傳物質(zhì)傳遞給有活力的受體原生質(zhì)體。WangMinqin等[7]發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行原生質(zhì)體融合實(shí)驗之前,采用不同強(qiáng)度、不同時間長度的紫外線對原生質(zhì)體進(jìn)行照射,其融合子的DNA存在著極大的區(qū)別。實(shí)驗說明,紫外線對細(xì)胞原生質(zhì)體的誘導(dǎo)作用,有利于融合子細(xì)胞中親本優(yōu)勢性狀的增強(qiáng)。(3)利用原生質(zhì)體進(jìn)行染色體DNA轉(zhuǎn)化、質(zhì)粒DNA高頻轉(zhuǎn)化、原生質(zhì)體的轉(zhuǎn)染、利用脂質(zhì)體進(jìn)行原生質(zhì)體的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)染技術(shù)。(4)原生質(zhì)體融合技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合的電融合技術(shù)。電誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合技術(shù)是將兩個彼此靠近的細(xì)胞在電脈沖的作用下兩者發(fā)生質(zhì)膜的融合,這種方法需要專門的儀器———電融合儀,方法直觀、定向、高效。張甲耀等[8],已對選育蒽降解生物耦合降解菌株的電融合過程及融合子的篩選過程進(jìn)行研究,并得到了最佳誘導(dǎo)參數(shù)。盧顯妍、尹華等[9],采用對鉻有較高抗性的熱帶假絲酵母(Candidatropicalis)和具有較高除鉻性能的解脂假絲酵母(C.lipolytica)作為親本菌體進(jìn)行電場誘導(dǎo)融合,實(shí)驗結(jié)果表明,融合子R32的去除率和還原率都明顯高于2株親本菌。當(dāng)處理低濃度含鉻廢水時,去除率和還原率可達(dá)到100%;處理高濃度含鉻廢水(200mg/L)時,還原率仍可達(dá)到50%以上。王守剛等[10],采用CRY—3型細(xì)胞融合儀,在改變電場強(qiáng)度,其他電融合參數(shù)不變的情況下處理供試固氮菌(N5-1)和磷鉀菌(N17)親本。(5)電穿孔法(electroporation),電脈沖使電場中的細(xì)胞膜可逆地形成小孔(nm),周圍溶液中的外源基因得以進(jìn)入細(xì)胞,這是一種將外源性分子(基因或DNA序列),引入細(xì)胞內(nèi)的方法,用以進(jìn)行轉(zhuǎn)染或細(xì)胞融合。(6)在溶液中加入表面活性劑,可促進(jìn)電融合。ZhiyuJiang等[11],在進(jìn)行原生質(zhì)體電融合的實(shí)驗時發(fā)現(xiàn),在溶液中加入中性表面活性物質(zhì)DX,TAGB,Span-80以及AEO-9可以促進(jìn)原生質(zhì)體的融合。同樣,在低濃度帶正電荷的表面活性物質(zhì)Bardac2280以及兩性物質(zhì)CAB脂類的作用下,也可提高電融合率。相反,帶負(fù)電荷的聚合體表面活性物質(zhì)K12andCar2sonolTLSy等則對反應(yīng)起副作用。所有這些新技術(shù)方法無疑均提高了原生質(zhì)體融合的效率,擴(kuò)大了原生質(zhì)體融合技術(shù)的應(yīng)用范圍。2.3基因工程基因工程也稱遺傳工程、重組DNA技術(shù),是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心,是以細(xì)胞外進(jìn)行DNA拼接、重組技術(shù)的基因工程,是以人們可控制的方式來分離和操作特定的基因。它能創(chuàng)造新的物種,能賦予微生物新的機(jī)能,使微生物生產(chǎn)出自身本來不能合成的物質(zhì),或者增加它原有的合成能力。凡由傳統(tǒng)的誘變、篩選以及重組育種技術(shù)能做到的任何事情,均可用基因工程做得更好、更有效、更容易成功。基因工程是當(dāng)今最重要的高新生物技術(shù)之一,在環(huán)境工程菌種選育上的成果令人振奮。例如:吳偉等[12],采用重組基因酵母(通過將雌激素受體(h2ER)的DNA整合到含lac-Z報告基因的質(zhì)粒(編碼β-半乳糖苷酶)上,并轉(zhuǎn)至酵母細(xì)胞中所成的轉(zhuǎn)基因酵母)和SOS/Umu試驗分別檢測了壬基酚聚氧乙烯醚(NP10EO)經(jīng)生物降解前后的雌激素活性和致突變活性,在此基礎(chǔ)上探討了兩者的相關(guān)性,為控制此類物質(zhì)的環(huán)境污染效應(yīng)提供了依據(jù)。李爾煬、史樂文[13],采用染色體DNA轉(zhuǎn)化原生質(zhì)球的方法,構(gòu)建一株處理含PTA廢水的工程菌LEY3。LEY3能同時降解6種化合物:PTA、萘、苯甲酸、十六烷、乙二醇和甲醇。用LEY3對含PTA生產(chǎn)廢水作降解試驗,COD的去除率在66%～91%之間。2.4各種生物手段相結(jié)合的育種方法誘變、融合以及基因工程都是菌種改良的基本手段和有效工具,其中誘變是最基礎(chǔ)的方法,盡管融合和基因工程是菌種改良最有效、最有潛力的方法,但是與誘變的方法結(jié)合起來,就會優(yōu)勢互補(bǔ),構(gòu)建出更有效的工程菌種。例如:裘娟萍等[14],以紅發(fā)夫酵母AS2.1557為出發(fā)株,經(jīng)誘變育種總色素含量提高8.5倍,總色素產(chǎn)量提高2倍。用生長弱、含量高的突變株與生長快、含量低的野生型進(jìn)行原生質(zhì)體融合,融合子產(chǎn)量比高產(chǎn)親株提高169%。廖勁松等[15],已經(jīng)對降解聚乙烯醇菌株進(jìn)行原生質(zhì)體培養(yǎng)及融合的研究。他們從自然界中分離得到4株能降解聚乙烯醇(PVA)的細(xì)菌,經(jīng)紫外線誘變,得到2株具有單重抗藥性的突變菌株S7和K15,將其作為親本菌株進(jìn)行原生質(zhì)體融合,并通過正交試驗,對原生質(zhì)體融合的條件進(jìn)行優(yōu)化,融合率達(dá)到4.603×10-5。融合子F-4菌株培養(yǎng)成活性污泥后,PVA去除率可達(dá)87%,是普通活性污泥的3～4倍。陳菲莉等[16],以三環(huán)芳烴蒽為模式污染物,把高效降解蒽的少動鞘氨醇單胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)和產(chǎn)生物表活劑的銅綠假單胞菌(Pseudomonasaerugiosa)作為耦合降解系統(tǒng)的兩種構(gòu)建菌,分別進(jìn)行Co60輻射誘變再與根際優(yōu)勢菌進(jìn)行原生質(zhì)體電融合,融合子再定殖回土壤。通過銅綠假單胞菌產(chǎn)生的表面活性劑進(jìn)一步提高少動鞘氨醇單胞菌降解蒽的能力,用以恢復(fù)被多環(huán)芳烴污染的環(huán)境。3問題與展望3.1問題盡管環(huán)境生物技術(shù)相對安全,但在其應(yīng)用當(dāng)中還存在一定的問題與困難,主要表現(xiàn)在以下幾方面:(1)反應(yīng)速度較慢,需要較大的反應(yīng)器和占較大面積的土地；(2)對原水水質(zhì)有嚴(yán)格的要求,否則會影響微生物的正常生長；(3)運(yùn)行中可能會出現(xiàn)污泥膨脹和流失,剩余污泥也難處理；(4)對于人工合成物,特別是難生化降解的污染物,一般的微生物也是無能為力；(5)活的有害菌體可能從實(shí)驗室泄露,大規(guī)模工程微生物的應(yīng)用可能影響生態(tài)系統(tǒng)。3.2展望隨著經(jīng)濟(jì)的騰飛、人口的膨脹、資源的短缺、環(huán)境狀況的惡化以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng),生物技術(shù)的環(huán)境保護(hù)功能越來越顯得重要,其明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益引起科技界和企業(yè)界的極大關(guān)注。生物技術(shù)在環(huán)境污染修復(fù)和防治,資源的再生利用,無公害產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面起到了相當(dāng)重要的作用,對人類社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。因此,世界各國都極為重視,并投入大量人力、物力進(jìn)行研究開發(fā):要培養(yǎng)新的特效物種并進(jìn)一步提高其應(yīng)用效率、降低應(yīng)用成本;運(yùn)用各種相關(guān)技術(shù)加以優(yōu)化組合,尤其是高效、低能耗、易普及的特種微生物與特殊工藝的最佳結(jié)合；加強(qiáng)不同專業(yè)、不同學(xué)科之問的合作,如將毒理學(xué)和微生物學(xué)和環(huán)境工程相結(jié)合；重點(diǎn)從根本上消除污染源,充分協(xié)調(diào)人與自然之間的關(guān)系,充分實(shí)現(xiàn)廢物資源化。參考文獻(xiàn):[1]ALVESCF,MELOLF,VIEIRAMJ.Influenceofmediumcompositiononthecharacteristicsofadenitrifyingbio2filmformedbyAlcaligenesdenitrificansinafluidizedbedreactor[J].ProcessBiochemistry,2002,37(8):837-845[2]王戰(zhàn)勇,張洪林.降解聚β-羥基丁酸菌株的誘變育種[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報,2001,21(4):36-38[3]吳憶寧,劉士銳.UV誘變技術(shù)培養(yǎng)造紙廢水高效降解菌[J].中國給水排水,2003,19(11):16–18[4]喬慶霞,陳中豪.高效降解多種氯化物優(yōu)勢混合菌的誘變篩選研究[J].水處理技術(shù),2003,29(3):137-140[5]沈齊英,劉錄.紫外誘變選育高效降酚微生物[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(1):82-85[6]曹德菊,龐曉坤,周詩華.60Coγ-射線誘變活性污泥輔助處理生活污水的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,25(4):540-544[7]YUZeng-liang.IonBeanandLifeScience-ANewResearchField[J].Physics,1997,6(2):333-338[8]王海,張甲耀.離子注入在生物強(qiáng)化技術(shù)中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005,28(1):6-8[9]NAOTOU,RIEKOH,HIROYUKIH.Effectofmitochondriaonelectrofusionofyeastprotoplasts.Enzyme&MicrobTechn2ol,1998,23(1-2):107-112[10]RENJP,DICKSONMH,EARLEED.ImprovedresistancetobacterialsoftrotbyprotoplastfusionbetweenBra