1、現代環境生物技術的特點及應用郎春雷(青海黃河水電公司新能源分公司,青海西寧810000摘要:對誘變、原生質體融合及基因技術在環境工程中的研究進展進行了概述;說明了現代生物技術在環境工程上的應用主要集中在構建高效工程用菌去除難降解有毒物質方面;指出了生物修復技術具有較好的生態和經濟效益,發展應用前景廣闊。關鍵詞:生物技術;誘變;原生質體融合;基因工程;工程菌種中圖分類號:X 17;Q-3文獻標識碼:B文章編號: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環境生物技術(environmental biotechnology 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工藝,或能夠高效地凈化被污染的環境以及將污染物轉化為資源的人工技術。它包括環境中污染物的減少、污染場地的生物修復和生物可降解材料的開發和應用等,其核心是微生物學過程。它是近20a 來產生的一門新興邊緣學科,主要涉及生物技術、工程學、環境學和生態學等學科。環境生物技術可以按技術難易劃分為3類1:第1類是指以分子生物學技術為主體,以基因工程為主導的污染控

5、制與監測技術,包括構建降解殺蟲劑、除草劑、多環芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌,創造抗污染型轉基因植物等;第2類是以目前大量應用的經過改革與創新的生物處理技術,如生物流化床法、上流式厭氧甲烷發酵法和變形活性污泥法等等;第3類包括生物穩定塘、人工濕地和污染控制資源化生態工程等自然凈化系統。筆者僅討論后2種環境生物技術。1環境生物技術的特點生物與環境之間既有對立的一面,又有統一的一面,生物體靠體內調節和變異來適應環境變化,同時通過自身來影響和改變環境。環境生物技術擁有許多其他方法不可比擬的優勢,如微生物對各類污染物均有較強、較快的適應性,并可將其作為代謝底物降解和轉化,具有效果好、運行費用低、

6、無二次污染等優勢。用生物方法處理污染物的最終產物大都是無毒無害、穩定的物質,如二氧化碳、水、氮氣和甲烷等,通常可一步到位,避免了污染物的多次轉移,因此它又是一種安全而徹底消除污染的手段。另外,生物處理技術的產物或副產品,大多可以較快的被生物降解,并可作為資源加以利用,有助于把人類活動產生的環境污染減到最小程度。生物技術還易于進行大規模操作,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,大大降低處理費用,因此生物技術在環境領域的應用具有深遠的發展前景,特別是對于尋求用低成本解決發展中國家的環境問題具有極大潛力。在自然界中存在許多優良菌

7、種能有效分解自然界中的各種物質,但隨著現代工業的不斷發展,人工合成的非天然物質日益增多。如有機氯農藥、有機磷農藥、塑料、合成洗滌劑等一些高濃度、高毒性的有機污染物,不易被自然界中現存的微生物降解,這些物質在土壤和水中存留時間較長,降解需要幾年甚至幾十年,其在土壤和水體中不斷積累,嚴重污染了環境。因此,在環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引入環境工程中。生物強化技術環境衛生工程Environmental Sanitation Engineering Vol.17SupplementOctober第17卷增刊2009年10月·28·增刊自20世紀

8、70年代中期產生以來,經幾十年的研究與應用,已在生物修復中顯現出了強大的生命力,該方法可有效提高有毒有害污染物的去除效果,將生物強化技術融入傳統的生物修復中,并結合現代分子生物技術提供的新方法、新手段進行監測和評價,已成為生物修復發展的一種趨勢。2生物育種技術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射波長非常接近,DNA強烈吸收紫外輻射。引起DNA結構變化的形式有多方面,如DNA鏈的斷裂,DNA分子內和分子間的交聯,核酸與蛋白質的交聯,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。王戰勇等2采用可以降解PHB的青霉(Peni-cillum sp.DS9701菌株作為試驗的出發菌株,經過紫外線的照射誘變處理,分離得到一種突變菌株DS2003。結果顯示,菌株DS2003對PHB的日降解率提高7.5%,降解等量PHB所用時間減少3d。將誘變后的菌株DS2003連續傳代5次繼續測定其對PHB的降解率,結果表明,DS2003菌株連續傳代5次后對PHB的降解率基本穩定。吳憶寧等3采用在連續流條件下以活性污泥代替純菌種進行UV誘變,作用效果顯著且具應用潛力。通過與普通馴化的污泥進行比較發現,經誘變的活性污泥更適于降解木質素,且效率較高。喬慶霞等4對自然篩選出的優勢混合菌

10、進行紫外誘變,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。試驗證明,溫度對QH2、QH3生長有非常顯著的意義,P<0.01,在30時生長良好。應用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照組,特別是污泥增長率,當輻照劑量為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時分別為92%95%和94%97%,處理效率優于對照組。2.1.3化學誘變化學誘變即采用化學物質對微生物進行誘變,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原生質體融合技術育種方法1利用原生質體再生時對再生條件的控制,使菌株遺傳特性發生改變的原生質體再生育種方法。2通過加熱或UV照射處理,使參與原生質體融合

12、的一方滅活的“定向”融合技術,滅活一方在融合過程中可將其遺傳物質傳遞給有活力的受體原生質體。Minqin Wang等7發現在進行原生質體融合試驗之前,采用不同強度、不同時間長度的紫外線對原生質體進行照射,其融合子的DNA存在著極大的區別。試驗說明,紫外線對細胞原生質體的誘導作用,有利于融合子細胞中親本優勢性狀的增強。3利用原生質體進行染色體DNA轉化、質粒DNA高頻轉化、原生質體的轉染、利用脂質體進行原生質體的轉化和轉染技術。4原生質體融合技術和電子技術相結合的電融合技術。電誘導原生質體融合技術是將2個彼此靠近的細胞在電脈沖的作用下兩者發生質膜的融合,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行研究,并得到了最佳誘導參數。盧顯妍、尹華等9采用對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行電場誘導融合。試驗結果表明:融合子R32的去除率和還原率都明顯高于2株親本菌。當處理低濃度含鉻廢水時,去除率和還原率可達到100%;處理高濃度含鉻廢水(200mg/L時,還原率仍可達到50%以上。王守剛等10采用CRY-3型細胞融合儀,在改變電場強度,其他電融合參數不變的情況下處理供試固氮菌(N5-1和磷鉀菌(N17親本。郎春雷現代環境生物技術的特點及應用·29·環境

14、衛生工程第17卷5電穿孔法(electroporation。電脈沖使電場中的細胞膜可逆地形成小孔(nm,周圍溶液中的外源基因得以進入細胞,這是一種將外源性分子(基因或DNA序列引入細胞內的方法,用以進行轉染或細胞融合。在溶液中加入表面活性劑可促進電融合。Zhiyu Jiang等11在進行原生質體電融合的試驗時發現,在溶液中加入中性表面活性物質DX、TAGB、Span-80以及AEO-9可以促進原生質體的融合。同樣,在低濃度帶正電荷的表面活性物質Bardac2280以及兩性物質CAB 脂類的作用下,也可提高電融合率。相反,帶負電荷的聚合體表面活性物質K12and Car2sonol TLSy等則

15、對反應起副作用。所有這些新技術方法無疑均提高了原生質體融合的效率,擴大了原生質體融合技術的應用范圍。2.3基因工程基因工程也稱遺傳工程、重組DNA技術,是現代生物技術的核心,是以細胞外進行DNA拼接、重組技術的基因工程,是以人們可控制的方式來分離和操作特定的基因。它能創造新的物種,能賦予微生物新的機能,使微生物生產出自身本來不能合成的物質,或者增加它原有的合成能力。凡由傳統的誘變、篩選以及重組育種技術能做到的任何事情,均可用基因工程做得更好、更有效、更容易成功。基因工程是當今最重要的高新生物技術之一,在環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報告基因的質粒(編碼-半乳糖苷酶上,并轉至酵母細胞中所成的轉基因酵母和SOS/Umu試驗分別檢測了壬基酚聚氧乙烯醚經生物降解前后的雌激素活性和致突變活性,在此基礎上探討了兩者的相關性,為控制此類物質的環境污染效應提供了依據。李爾煬、史樂文13采用染色體DNA轉化原生質球的方法,構建一株處理含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生產廢水作降解試驗,COD的去除率在66%91%。2.4各種生物手段相結合的育種方法誘變、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合起來,就會優勢互補,構建出更有效的工程菌種。裘娟萍等14以紅發夫酵母AS2.1557為出發株,經誘變育種總色素含量提高8.5倍,總色素產量提高2倍。用生長弱、含量高的突變株與生長快、含量低的野生型進行原生質體融合,融合子產量比高產親株提高169%。廖勁松等15已經對降解聚乙烯醇菌株進行原生質體培養及融合的研究,從自然界中分離得到4株能降解聚乙烯醇(PVA的細菌,經紫外線誘變,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行原生質體融合,并通過正交試驗,對原生質體融合的條件進行優化,融合率達到4.603×10

18、-5。融合子F-4菌株培養成活性污泥后,PVA去除率可達87%,是普通活性污泥的34倍。陳菲莉等16以三環芳烴蒽為模式污染物,把高效降解蒽的少動鞘氨醇單胞菌和產生物表活劑的銅綠假單胞菌作為耦合降解系統的2種構建菌,分別進行Co60輻射誘變再與根際優勢菌進行原生質體電融合,融合子再定殖回土壤。通過銅綠假單胞菌產生的表面活性劑進一步提高少動鞘氨醇單胞菌降解蒽的能力,用以恢復被多環芳烴污染的環境。3問題與展望3.1問題盡管環境生物技術相對安全,但在其應用中還存在一定的問題與困難,主要表現如下:1反應速度較慢,需要較大的反應器和占較大面積的土地;2對原水水質有嚴格的要求,否則會影響微生物的正常生長;3

19、運行中可能會出現污泥膨脹和流失,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,一般的微生物也無能為力;5活的有害菌體可能從實驗室泄露,大規模工程微生物的應用可能影響生態系統。3.2展望隨著經濟的騰飛、人口的膨脹、資源的短缺、環境狀況的惡化以及人們環保意識的增強,生物技術的環境保護功能越來越顯得重要,其明顯的經濟效益、環境效益和社會效益引起科技界和企業界的極大關注。生物技術在環境污染修復和防治、資源的再生利用、無公害產品的生產開發和生態環境保護等方面起到了相當重要的作用,對人類社會的可持續發展產生重要影響。因此,世界各國都極為重視,并投入大量人力、物力進行·30

20、3;增刊4結束語基于固廢BOT項目的全工作流程和工作WBS結構,筆者通過對固廢BOT項目整個生命周期風險因素的全面識別,建立了固廢BOT項目的風險因素框架。該框架共分4級,其中一級風險因素為7個、二級風險因素為32個、三級風險因素為46個、四級風險因素為13個。該框架是對固廢BOT項目風險因素的系統化、結構化,并為今后同類研究提供理論支持和方法基礎。由于風險因素普遍存在于每個項目且隨著項目的發展而變化,因此實踐中經常利用層次分析法(AHP和專家調查法對固廢BOT項目的風險因素進行實證研究,并根據定量評價的結果對風險因素進行排序,從而確定各個風險因素的重要性和權重,以幫助項目干系人規避固廢BOT

21、項目中的各類風險,確保固廢BOT項目的正常運行和可持續發展。參考文獻1Hancock C B,Morin T J,Robin N.Introducing RISKMAN:The European Project Risk Management MethodogyM.UK:NCC Blackwell Limited,1994. 2楊衛華.基于風險分擔的高速公路BOT項目特許定價研究D.大連:大連理工大學,2007.3金德民.工程項目全壽命期風險管理系統理論及集成研究D.天津:天津大學管理學院,2004.4陳軍平.污水BOT項目風險因素研究D.北京:中國科學院研究生院, 2009.5全國管理咨詢師

22、考試教材編寫委員會.企業管理咨詢實務與案例分析M.北京:企業管理出版社,2009.作者簡介:陳軍平(1973,北京大學管理學學士,中國科學院研究生院工程碩士,具有證券從業資格、國際項目經理(IPMP資質。曾在清華紫光股份有限公司、清華紫光環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理等職。現供職于北京北控環保工程技術有限公司,任戰略企管部副部長。研究開發:要培養新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本;運用各種相關技術加以優化組合,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合;加強不同專業、不同學科之間的合作,如將毒理學、微生物學和環境工程相

23、結合;重點從根本上消除污染源,充分協調人與自然的關系,充分實現廢物資源化。參考文獻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.撫順石油學院學報,2001,21(4:

24、36-39.3吳憶寧,劉士銳,張穎,等.UV誘變技術培養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勢混合菌的誘變篩選研究J.水處理技術,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.環境科學與技術,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.環境科學學報,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.離子注入在生物強化技術中的應用研究J.環境科學與技術,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