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

1、現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用郎春雷(青海黃河水電公司新能源分公司,青海西寧810000摘要:對(duì)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;工程菌種中圖分類號(hào):X 17;Q-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1005-8206(2009S1-0028-04Features and Application of Modern Environmental BiotechnologyLang Chu

2、nlei(New Energy Filiale,Yellow River Hydroelectric Company,XiningQinghai810000Abstract :Application research developments of mutagenesis,protoplast fusion and genetic technology in environmental engineering were summarized.It explained that application of modern biotechnology in environmental engine

3、ering focused on removing non-degradation toxic matters by structuring high efficient engineering culture.Better ecological and economic benefits of bioremediation technology were pointed out,and it has an extremely extensive application prospect.Key words :biotechnology ;mutagenesis ;protoplast fus

4、ion ;genetic engineering ;engineering culture收稿日期:2009-02-01環(huán)境生物技術(shù)(environmental biotechnology 是直接或間接利用生物的生理活動(dòng),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20a 來產(chǎn)生的一門新興邊緣學(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3類1:第1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

5、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2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3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2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(duì)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(shí)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(duì)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、

6、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?？梢徊降轿?避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移,因此它又是一種安全而徹底消除污染的手段。另外,生物處理技術(shù)的產(chǎn)物或副產(chǎn)品,大多可以較快的被生物降解,并可作為資源加以利用,有助于把人類活動(dòng)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,生物曝氣池、生物濾池的容積之大,是其他工藝不能比擬的。生物方法還可以利用天然水塘或土壤層作為污染物處理場所,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)用具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景,特別是對(duì)于尋求用低成本解決發(fā)展中國家的環(huán)境問題具有極大潛力。在自然界中存在許多優(yōu)良菌

7、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。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(shí)間較長,降解需要幾年甚至幾十年,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)引入環(huán)境工程中。生物強(qiáng)化技術(shù)環(huán)境衛(wèi)生工程Environmental Sanitation Engineering Vol.17SupplementOctober第17卷增刊2009年10月·28·增刊自20世紀(jì)

8、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(píng)價(jià),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(duì)紫外輻射很敏感,因?yàn)閴A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,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合作用及胸腺嘧啶二

9、聚體的形成等。王戰(zhàn)勇等2采用可以降解PHB的青霉(Peni-cillum sp.DS9701菌株作為試驗(yàn)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(duì)PHB的日降解率提高7.5%,降解等量PHB所用時(shí)間減少3d。將誘變后的菌株DS2003連續(xù)傳代5次繼續(xù)測定其對(duì)PHB的降解率,結(jié)果表明,DS2003菌株連續(xù)傳代5次后對(duì)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(duì)自然篩選出的優(yōu)勢混合菌

10、進(jìn)行紫外誘變,在紫外線下照射40s時(shí)篩選出6種菌株,其中B04菌株對(duì)CODCr降解率較未誘變菌提高了19.71%,對(duì)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。試驗(yàn)證明,溫度對(duì)QH2、QH3生長有非常顯著的意義,P<0.01,在30時(shí)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射線和射線。曹德菊等6利用60Co射線輻照處理活性污泥。結(jié)果表明:輻照

11、后的活性污泥SV30、SV I、MLSS、污泥增長率均低于對(duì)照組,特別是污泥增長率,當(dāng)輻照劑量為500Gy以上呈直線下降;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(shí)分別為92%95%和94%97%,處理效率優(yōu)于對(duì)照組。2.1.3化學(xué)誘變化學(xué)誘變即采用化學(xué)物質(zhì)對(duì)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、脫氨劑羥胺和亞硝胺。2.2原生質(zhì)體融合技術(shù)育種方法1利用原生質(zhì)體再生時(shí)對(duì)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

12、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。Minqin Wang等7發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行原生質(zhì)體融合試驗(yàn)之前,采用不同強(qiáng)度、不同時(shí)間長度的紫外線對(duì)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。試驗(yàn)說明,紫外線對(duì)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2個(gè)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、

13、定向、高效。張甲耀等8已對(duì)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(duì)鉻有較高抗性的熱帶假絲酵母和具有較高除鉻性能的解脂假絲酵母作為親本菌體進(jìn)行電場誘導(dǎo)融合。試驗(yàn)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(shí),去除率和還原率可達(dá)到100%;處理高濃度含鉻廢水(200mg/L時(shí),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。郎春雷現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用·29·環(huán)境

14、衛(wèi)生工程第17卷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。在溶液中加入表面活性劑可促進(jìn)電融合。Zhiyu Jiang等11在進(jìn)行原生質(zhì)體電融合的試驗(yàn)時(shí)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)K12and Car2sonol TLSy等則

15、對(duì)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?；蚬こ淌钱?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。吳偉等12采用重組基因酵母(通過將雌激素受體的DNA整合到

16、含lac-Z報(bào)告基因的質(zhì)粒(編碼-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(yàn)分別檢測了壬基酚聚氧乙烯醚經(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(shí)降解6種化合物:PTA、萘、苯甲酸、十六烷、乙二醇和甲醇。用LEY3對(duì)含PTA生產(chǎn)廢水作降解試驗(yàn),COD的去除率在66%91%。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

17、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(huì)優(yōu)勢互補(bǔ),構(gòu)建出更有效的工程菌種。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(duì)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,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(yàn),對(duì)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

18、-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34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(dòng)鞘氨醇單胞菌和產(chǎn)生物表活劑的銅綠假單胞菌作為耦合降解系統(tǒng)的2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(dòng)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(duì)安全,但在其應(yīng)用中還存在一定的問題與困難,主要表現(xiàn)如下: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(duì)原水水質(zhì)有嚴(yán)格的要求,否則會(huì)影響微生物的正常生長;3

19、運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)污泥膨脹和流失,剩余污泥也難處理;4對(duì)于人工合成物,特別是難生化降解的污染物,一般的微生物也無能為力;5活的有害菌體可能從實(shí)驗(yàn)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(shí)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(huì)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(duì)人類社會(huì)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·30

20、3;增刊4結(jié)束語基于固廢BOT項(xiàng)目的全工作流程和工作WBS結(jié)構(gòu),筆者通過對(duì)固廢BOT項(xiàng)目整個(gè)生命周期風(fēng)險(xiǎn)因素的全面識(shí)別,建立了固廢BOT項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素框架。該框架共分4級(jí),其中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素為7個(gè)、二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素為32個(gè)、三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素為46個(gè)、四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素為13個(gè)。該框架是對(duì)固廢BOT項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因素的系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化,并為今后同類研究提供理論支持和方法基礎(chǔ)。由于風(fēng)險(xiǎn)因素普遍存在于每個(gè)項(xiàng)目且隨著項(xiàng)目的發(fā)展而變化,因此實(shí)踐中經(jīng)常利用層次分析法(AHP和專家調(diào)查法對(duì)固廢BOT項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)證研究,并根據(jù)定量評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序,從而確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的重要性和權(quán)重,以幫助項(xiàng)目干系人規(guī)避固廢BOT

21、項(xiàng)目中的各類風(fēng)險(xiǎn),確保固廢BOT項(xiàng)目的正常運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展。參考文獻(xiàn)1Hancock C B,Morin T J,Robin N.Introducing RISKMAN:The European Project Risk Management MethodogyM.UK:NCC Blackwell Limited,1994. 2楊衛(wèi)華.基于風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)的高速公路BOT項(xiàng)目特許定價(jià)研究D.大連:大連理工大學(xué),2007.3金德民.工程項(xiàng)目全壽命期風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)理論及集成研究D.天津:天津大學(xué)管理學(xué)院,2004.4陳軍平.污水BOT項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因素研究D.北京:中國科學(xué)院研究生院, 2009.5全國管理咨詢師

22、考試教材編寫委員會(huì).企業(yè)管理咨詢實(shí)務(wù)與案例分析M.北京:企業(yè)管理出版社,2009.作者簡介:陳軍平(1973,北京大學(xué)管理學(xué)學(xué)士,中國科學(xué)院研究生院工程碩士,具有證券從業(yè)資格、國際項(xiàng)目經(jīng)理(IPMP資質(zhì)。曾在清華紫光股份有限公司、清華紫光環(huán)保有限公司和浦華控股有限公司工作,任總裁秘書、企劃部副部長和分公司副總經(jīng)理等職?，F(xiàn)供職于北京北控環(huán)保工程技術(shù)有限公司,任戰(zhàn)略企管部副部長。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)科之間的合作,如將毒理學(xué)、微生物學(xué)和環(huán)境工程相

23、結(jié)合;重點(diǎn)從根本上消除污染源,充分協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系,充分實(shí)現(xiàn)廢物資源化。參考文獻(xiàn)1Alves C F,Melo L F,Vieira M J.Influence of Medium Composition on the Characteristics of a Denitrifying Biofilm Formed by Alcaligenes Denitrifi-cans in a Fluidized Bed ReactorJ.Process Biochem,2002,37(8:837-845.2王戰(zhàn)勇,張洪林,陳珊.降解聚-羥基丁酸菌株的誘變育種J.撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào),2001,21(4:

24、36-39.3吳憶寧,劉士銳,張穎,等.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,蕭錦,等.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,申林波,等.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,等.60Co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(bào),2005,25(4:540-544.7Yu Z L.Ion Bean and Life Science-A New Research FieldJ.Physics,1997,6(2:333-338.8王海,張甲耀,方程,等.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(1:6-8.9Naoto U,Rieko H,Hiroyuki H.Effect of Mitochondria on Electrofusion of Yeast Protop LastsJ.Enzyme Microb Technol,1998,23(1/2:107-112.10Ren J P,Dickson M H,Earle E D.Improved R