現(xiàn)代生物技術(shù)在水污染控制中的應(yīng)用

1、第 23卷 第 3期 2010年 6月 污 染 防 治 技 術(shù) P OLLUTI O N C ONTROL TECHNOLOGY Vol . 23, No . 3Jun. , 2010現(xiàn)代生物技術(shù)在水污染控制中的應(yīng)用馮寶榮 1, 蘇宏智 1, 李友平2(1. 睢寧縣環(huán)保局 , 江蘇 睢寧 221200; 2. 西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 , 四川 南充 637009摘 要 :介紹了現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)容和特點 , 著重綜述了現(xiàn)代生物技術(shù)在廢水生物處理 、 生物修復(fù)以及微生物水處理 劑等方面的研究與應(yīng)用情況 , 展望了現(xiàn)代生物技術(shù)在今后的水污染控制領(lǐng)域中的研究方向 。關(guān)鍵詞 :現(xiàn)代生物技術(shù) ; 廢水生

2、物處理 ; 生物修復(fù) ; 水處理劑 中圖分類號 :X17; X52 文獻標識碼 :AThe Appli ca ti on of M odern B i olog i ca l i n on Con trolFENG Bao 2r 1, S p ing2(1. S uining Environm en tal P 221200, Ch ina; 2. College of Che m istry andChe Ch W N m al U n iversity, N anchong, S ichuan 637009, Ch ina Abstract:This describes the conte

3、nts and features of modern bi otechnol ogy, focuse on the app licati on of modern bi otech 2nol ogy in waste water bi ol ogical treat m ent, bi ore mediati on, and m icr obial agents in water treat m ent . The research trend of modern bi 2otechnol ogy in the field of water polluti on contr ol is dis

4、cussed .Key words:modern bi ol ogical technol ogy; bi ol ogical treat m ent of waste water; bi ore mediati on; water treat m ent agent收稿日期 :2010-03-22; 修訂日期 :2010-04-15作者簡介 :馮寶榮 (1972 , 女 , 江蘇睢寧人 , 助理工程師 , 大 專 , 主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。引 言隨著工業(yè)的高速發(fā)展 , 水環(huán)境污染問題越來越 嚴重地威脅著人類的生存環(huán)境 , 制約著社會和經(jīng)濟 的進一步發(fā)展 , 因此 , 水污染控制成為全世界共同

5、 關(guān)注的問題 。 目前的水處理技術(shù)中 , 生物處理法已 成為世界各國控制水污染的主要手段 , 尤其是現(xiàn)代 生物技術(shù)將成為水污染控制領(lǐng)域重點開發(fā)和應(yīng)用 的技術(shù)手段 , 主要應(yīng)用于廢水處理 、 生物修復(fù)以及 微生物水處理劑等方面1。環(huán)境生物技術(shù)的起源 , 可以追溯到一百多年前 的活性污泥工藝的發(fā)展 , 其理論和實用技術(shù) , 在這 一百多年來得到不斷發(fā)展和進步 , 并得到廣泛應(yīng) 用 , 對控制環(huán)境污染和改善環(huán)境質(zhì)量起到了重要作 用 。 從世界范圍看 , 環(huán)境污染至今還沒有得到有效 控制 , 特別是對發(fā)展中國家 。在中國 , 隨著經(jīng)濟的 迅猛發(fā)展 , 環(huán)境污染現(xiàn)狀依然嚴峻 , 并有加劇的趨 勢 。 隨

6、著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展 , 尤其是現(xiàn)代分子生 物學(xué)技術(shù)的出現(xiàn) , 為環(huán)境科學(xué)的發(fā)展帶來了新的機 遇 。 現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境科 學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 , 是現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境科學(xué)緊密 結(jié)合而形成的新興的交叉學(xué)科 , 是一種經(jīng)濟效益和環(huán)境效益俱佳的 、 解決復(fù)雜環(huán)境污染問題的有效手段 , 是當代環(huán)境科學(xué)研究發(fā)展的主導(dǎo)方向之一 2。 1 現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)容與特點 1. 1 現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)容生物技術(shù)也稱生物工藝學(xué)或生物工程 。國際 經(jīng)濟合作與發(fā)展組織將其定義為“ 應(yīng)用自然科學(xué) 及工程學(xué)原理 , 依靠生物劑的作用 , 將物料加工處 理 , 以提供產(chǎn)品為社會服務(wù) ” ?，F(xiàn)代生物技術(shù)是指 以 D

7、NA 技術(shù)為先導(dǎo) , 包括基因工程 、 細胞工程 、 酶 工程 、 發(fā)酵工程 、 微生物工程 、 蛋白質(zhì)工程和生物修復(fù)技術(shù)在內(nèi)的一系列生物高新技術(shù)的統(tǒng)稱 3, 4。 其中每個方面都有其特定的理論基礎(chǔ)和不同的應(yīng) 用領(lǐng)域 , 但它們之間又相互補充和銜接 , 形成一個 完整的體系 。生物技術(shù)并不是一個完全新興的產(chǎn)業(yè) , 它是一 個既傳統(tǒng)又年輕的產(chǎn)業(yè) 。 說它傳統(tǒng) , 是因為生物技 術(shù)已經(jīng)過一個漫長的發(fā)展過程 。 在這一過程中 , 許 72 馮寶榮等 1現(xiàn)代生物技術(shù)在水污染控制中的應(yīng)用 第 23卷 第 3期多生物技術(shù)已發(fā)展成熟 , 融入到人們的日常生活 中 , 如啤酒 、 味精 、 疫苗等生產(chǎn)中就廣泛

8、采用了生物 技術(shù) , 傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)為經(jīng)濟發(fā)展 、 社會進 步作出了巨大貢獻 。而說它年輕 , 是因為近一 、 二 十年來 , 現(xiàn)代生物技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合 , 使人類 在基因工程 、 細胞工程 、 酶工程 、 發(fā)酵工程等方面取 得了新的突破 5。1. 1. 1 基因工程 基因工程是指在基因水平上 , 采用與工程設(shè)計十分類似的方法 , 按照人類的需要 進行設(shè)計 , 然后按設(shè)計方案創(chuàng)建出具有某種新的性 狀的生物新品系 , 并能使之穩(wěn)定地遺傳給后代 。 一 般包括四個步驟 :一是取得符合人們要求的 DNA 片段 , 這種 DNA 片段被稱為“ 目的基因 ” ; 二是將 目的基因與質(zhì)?；虿《?

9、DNA 連接成重組 DNA; 三 是把重組 DNA 引入某種細胞 ;能表達的受體細胞挑選出來,傳障礙 , 6。 1. 1. 2 細胞工程 細胞工程是指在細胞水平上的 遺傳操作 , 即通過細胞融合 、 核質(zhì)移植 、 染色體或基 因移植以及組織和細胞培養(yǎng)等方法 , 快速繁殖和培 養(yǎng)出人們所需要的新物種的技術(shù) 。細胞工程主要 包括體細胞融合 、 核移植 、 細胞器攝取和染色體片 段的重組等 。 體細胞融合是指兩個不同種類的細 胞加上融合劑 , 在一定條件下 , 彼此融合成雜交細 胞 , 使來自兩個親本細胞的基因有可能都被表達 , 這就打破了遠緣生物不能雜交的屏障 , 提供了創(chuàng)造 新物種的可能 。 采

10、用這種體細胞融合技術(shù) , 如今已 在動物間實現(xiàn)了小鼠和田鼠 、 小鼠和小雞 、 甚至于 小鼠和人等許多遠緣和超遠緣的體細胞雜交 。雖 然目前動物的雜交細胞還只停留在分裂傳代的水 平 , 不能分化發(fā)育成完整的個體 , 但在理論研究和 基因定位上都具有重大意義 。而植物間的體細胞 融合所得到的雜交細胞 , 已達到了完整的植株水 平 , 獲得了新的雜交植物 5。1. 1. 3 酶工程 酶是一種在生物體內(nèi)具有新陳代 謝催化劑作用的蛋白質(zhì) 。它們可特定地促成某個 反應(yīng) , 具有反應(yīng)效率高 、 反應(yīng)條件溫和 、 反應(yīng)產(chǎn)物污 染小 、 能耗低和反應(yīng)易控制等特點 。 酶工程就是利 用酶的催化作用進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化

11、, 生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品 的技術(shù) , 是將酶學(xué)理論與化工技術(shù)結(jié)合起來的一項 高新技術(shù) 。 酶工程對醫(yī)藥 、 醫(yī)療方面貢獻巨大 。 現(xiàn) 在 , 菠蘿蛋白酶 、 纖維素酶 、 淀粉酶 、 胃蛋白酶等十 幾種可以進行食物轉(zhuǎn)化的酶 , 都已進入食品和藥物 中 , 以解除許多存在胃分泌功能障礙患者的痛苦 ; 另外 , 新型青霉素產(chǎn)品及青霉素酶抑制劑等 , 也都 是酶工程在醫(yī)藥 、 醫(yī)療領(lǐng)域的成功應(yīng)用實例 5。 1. 1. 4 發(fā)酵工程 發(fā)酵工程是指利用微生物的特 定性狀 , 通過現(xiàn)代工程技術(shù) , 在生物的反應(yīng)器中生 產(chǎn)有用物質(zhì)的技術(shù) 。發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn) 酒精類飲料 、 生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包 , 發(fā)展到

12、今天成 為生物工程的一個極其重要的分支 , 成為一個包括 了微生物學(xué) 、 化學(xué)工程 、 基因工程 、 細胞工程 、 機械 工程和計算機軟硬件工程的一個多學(xué)科工程 ?，F(xiàn) 代發(fā)酵工程不但能生產(chǎn)酒精類飲料 、 醋酸和面包 , 而且能生產(chǎn)胰島素 、 、 抗生素和疫 , 、 細 , 在化學(xué)工 , 、 香料 、 生物高分子 、 酶 、 維生素 5。1. 2 現(xiàn)代生物技術(shù)的特點生物技術(shù)的特點大致有 :(1 以生物為對象 , 不依賴地球上的有限資源 , 而是著眼于再生資源的 利用 ; (2 在常溫 、 常壓下進行 , 過程簡單 , 可連續(xù) 操作 , 并可節(jié)約能源 , 減少環(huán)境污染 ; (3 開辟了生 產(chǎn)高純度

13、 、 優(yōu)質(zhì) 、 安全可靠的生物制品的新途徑 ;(4 可解決常規(guī)技術(shù)和傳統(tǒng)方法不能解決的問題 ;(5 可定向地按人們的需要 , 創(chuàng)造新物種 、 新品種 和其他有經(jīng)濟價值的生命類型 7。2 現(xiàn)代生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用廢水生物處理是利用微生物的生命活動過程 , 對廢水中的污染物進行轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化 , 從而使廢水得 到凈化的處理方法 。 生物處理環(huán)境污染 , 是中國新 世紀面臨的重大課題 。以環(huán)境污染的生物處理為 主 , 中國已開展了環(huán)境微生物學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用方面 的研究 , 為含重金屬廢水 、 石油廢水 、 印染廢水 、 油 脂廢水 、 農(nóng)藥廢水以及城市生活垃圾 、 生活污水等 的處理 , 提供了效果

14、好 、 投資省 、 運行成本低的生物 處理技術(shù)和設(shè)備 8。廢水生物處理技術(shù)發(fā)展迅 速 , 好氧法 、 厭氧生物法以及生物發(fā)酵法已趨于成 熟 , 所以這里只介紹固定化等新興技術(shù) 。2. 1 固定化微生物技術(shù)固定化微生物技術(shù) , 是生物工程領(lǐng)域中的一項 新技術(shù) 。 進入 20世紀 80年代后 , 國內(nèi)外開始應(yīng)用 這種具有獨特優(yōu)點的新技術(shù) , 來處理工業(yè)廢水和分 解難生物降解的有機物質(zhì) , 一些具有特異性的優(yōu)勢 菌種不斷得到改造或創(chuàng)造 , 將這些高效專性菌 , 如2010年 6月 馮寶榮等 1現(xiàn)代生物技術(shù)在水污染控制中的應(yīng)用 73 脫色菌 、 脫氮菌 、 脫磷菌 、 假單胞菌等進行固定化 后 , 菌

15、體密度提高 , 大大提高了處理效率 , 尤其是對 難降解有毒物質(zhì)具有明顯優(yōu)勢 。王增長等人 9利 用新研制的聚集 -交聯(lián)固定化細胞技術(shù) , 將篩選的 高效優(yōu)勢脫色菌種固定在活性污泥上 , 投加于“ 厭 氧 -好氧 -生物濾池 ” 工藝流程中處理印染廢水 , 結(jié)果表明 :出水色度極低 , 處理后的水可回用 。 2. 2 生物強化處理技術(shù)為了提高廢水處理的效果 , 而向廢水中投加從 自然界中篩選的優(yōu)勢菌種 , 或通過基因組合技術(shù)產(chǎn) 生的高效菌種 , 以去除某一種或某一類有害物質(zhì) 。 主要強化方法有 :(1 高濃度活性污泥法 。以高污 泥濃度和長泥齡來促進對難分解物質(zhì)的處理 , 加快 反應(yīng)速度 。

16、日本采用該法處理難分解的聚乙烯醇 和糞便污水 , 取得顯著效果 10。 (2 -(, 主要用來提高除磷效 果 。 (3 生物 -活性炭法 。綜合利用微生物氧化 能力和活性炭良好的吸附能力 , 使二者產(chǎn)生協(xié)同增 效作用 。 在該系統(tǒng)中 , 每 1g 活性炭可去除 13g COD, 分解廢水毒性能力明顯增強 , 同時提高脫氮 水平 。2. 3 生物反應(yīng)器技術(shù)生物反應(yīng)器技術(shù) , 是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的一個 主要方向 。 現(xiàn)代化的新型生物膜反應(yīng)器 , 其共同特 點是反應(yīng)器內(nèi)裝有比表面大的載體 , 有利于微生物 附著生長形成生物膜 , 供氣或供給其他反應(yīng)條件優(yōu) 越 、 污染物具有充分與微生物接觸的時間 、

17、 有利于 增強微生物的分解代謝能力 。 目前 , 2000m 3的反 應(yīng)器已經(jīng)問世 , 雖然其處理能力較低 , 造價較高 , 但 其管理方便 , 運行費用低 , 所以歐美地區(qū)約有 7%的污水處理廠采用該技術(shù) 11。2. 4 生物修復(fù)技術(shù)生物修復(fù)技術(shù) 12是利用生物 、 特別是微生物 , 將土壤 、 地下水或海洋中污染物現(xiàn)場降解為 CO 2和 H2O , 或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的工程技術(shù)系統(tǒng) 。 這項 技術(shù)正被用于清除地下水 、 廢水中的污染物 。 金屬 雖然不能被生物降解 , 但微生物可將其轉(zhuǎn)移或降低 其毒性 。 為了加快去除污染物的進程 , 常常采用許 多強化措施 , 使自然生態(tài)系統(tǒng)在維持原狀的前

18、提 下 , 讓受污染的環(huán)境得以修復(fù) 。研究表明 , 生物修 復(fù)與傳統(tǒng)的物化法相比 , 具有以下優(yōu)點 :(1 經(jīng)濟 , 其修復(fù)費用僅為物化法的 30%50%; (2 對環(huán)境 影響小 , 不產(chǎn)生二次污染 , 遺留問題少 ; (3 最大限 度地降低污染物的濃度 ; (4 修復(fù)時間較短 , 可就 地修復(fù) , 操作方便 。生物修復(fù)中主要涉及兩大問題 , 即有效性和安 全性評價 。 為提高其有效性 , 今后將應(yīng)用分子微生 物學(xué)分離 、 鑒別 、 制造更高效降解和聚集有害有毒 化合物的微生物 。為提高生物修復(fù)的安全性評價 水平 , 需發(fā)展鑒定微生物的分子生物技術(shù) , 以確定 微生物在環(huán)境中的去留和基因 13

19、。2. 5 微生物水處理劑微生物水處理劑主要集中在以下幾個方面 : (1 微生態(tài)制劑,、 無副作用 , 為區(qū)域環(huán)境保護提供了新 的重要手段 。 歐美近年來加快了這方面的研究開 發(fā) , 已有采用微生態(tài)制劑原位修復(fù)水體的成功 實例 14。(2 生物吸附劑 。生物吸附劑是廢水生物處 理的一個新的發(fā)展方向 。 主要有兩大類 :一類是高 比表面積和高吸附率的生物體吸附水中的污染物 ; 另一類是集生物吸附和生物降解能力為一體 , 凈化 廢水中污染物的生物吸附劑 。目前生物吸附劑的 固定化技術(shù) , 使其與離子交換樹脂一樣 , 能解吸回 收金屬和重復(fù)利用 。(3 微生物絮凝劑 。微生物絮凝劑是利用生 物技術(shù)

20、, 通過微生物發(fā)酵 , 抽提精制而得到的一種 具有生物分解性和安全性的新型 、 高效 、 無毒的廉 價水處理劑 , 這些是無機或有機合成高分子絮凝劑 所不具備的 。其特點是降解性能好 , 成本低 , 無二 次污染等 。 目前 , 已篩選出 19種具有絮凝能力的 微生物 , 其中 , 霉菌 8種 , 細菌 5種 , 放線菌 5種 , 酵 母菌 1種 15。隨著生物技術(shù)的發(fā)展 , 微生物水處 理劑的開發(fā)與應(yīng)用具有良好的前景 。3 現(xiàn)代生物技術(shù)在水污染控制領(lǐng)域研究方向的 展望現(xiàn)代生物技術(shù)在水污染控制領(lǐng)域 , 已顯示出獨 特的魅力和應(yīng)用前景 。 總體上看 , 環(huán)境生物技術(shù)具 有如下發(fā)展趨勢 :(1 分

21、離 、 篩選和培養(yǎng)高效降解 菌 , 利用微生物共代謝作用 、 多菌種協(xié)同作用 , 降解 難降解污染物 ; (2 構(gòu)建高效反應(yīng)器 , 優(yōu)化運行 (下轉(zhuǎn)第 90頁 90 蔡同鋒等 1環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)綜述 第 23卷 第 3期合的方法來融資 。 將污染源自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè) , 作為污染治理設(shè)施的組成部分 。(8 對自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護 , 需要較強的 專業(yè)技術(shù)人員 。 隨著自動監(jiān)測站點的增加 , 自動監(jiān) 測站的數(shù)量將大大增加 。必須組建一支專業(yè)的維 修保養(yǎng)隊伍 , 才能保證自動監(jiān)測系統(tǒng)的儀器設(shè)備正 常運轉(zhuǎn) , 來保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集率及準確度 15, 16。4 結(jié) 語從國內(nèi)目前的情況看 , 環(huán)境監(jiān)測

22、是政府行為 , 環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)幾乎無一例外地皆為政府投資 建設(shè) , 而且絕大多數(shù)環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)都用于區(qū)域 環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測 , 這無疑限制了環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù) 環(huán)境的發(fā)展 。實際上 , 它外 , 。 在中 ,競爭機制 , 對應(yīng)用環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)的重要性和迫 切性還沒有充分地顯示出來 。但在經(jīng)濟發(fā)達的國 家和地區(qū) , 建立環(huán)境監(jiān)測技術(shù)市場 , 已經(jīng)有成功的 經(jīng)驗 ?？梢灶A(yù)計 , 隨著國內(nèi)社會主義市場經(jīng)濟的日趨 完善 , 環(huán)境監(jiān)測也必將擺脫單純的政府行為 , 形成 一個有競爭性的環(huán)境監(jiān)測市場 。屆時環(huán)境自動監(jiān) 測技術(shù)必將在市場經(jīng)濟的大潮中 , 得到充分的 發(fā)展 。參考文獻 1 吳 瓊 . 淺議環(huán)境

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