一、我國(guó)環(huán)境保護(hù)的現(xiàn)狀
環(huán)境保護(hù)已成為當(dāng)前國(guó)際關(guān)系、經(jīng)貿(mào)合作中的一個(gè)極為重要的問(wèn)題，也日益嚴(yán)重地影響著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在我國(guó)過(guò)去幾十年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護(hù)，目前環(huán)境狀況十分嚴(yán)峻。近年來(lái)雖采取了大量控制措施，但環(huán)境質(zhì)量下降的趨勢(shì)仍在繼續(xù)。
我國(guó)是世界上環(huán)境污染最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，從城市到鄉(xiāng)村，我國(guó)的大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。貴陽(yáng)、重慶、北京、蘭州等五個(gè)城市位于世界十大空氣污染最嚴(yán)重的城市中之列，全國(guó)600多個(gè)城市中、大氣質(zhì)量符合國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不足1%。全國(guó)范圍的酸雨危害的程度和區(qū)域日益擴(kuò)大。全國(guó)每年污水排放達(dá)360億噸，僅10%的生活污水和70%的工業(yè)廢水得到處理，其中約有一半工業(yè)污水處理設(shè)施的出水達(dá)不到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。其他未經(jīng)處理的污水直接排入江河湖海，致使我國(guó)的水環(huán)境遭受嚴(yán)重污染和破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)七大水系和內(nèi)陸河流的110個(gè)重點(diǎn)河段中，屬4類和5類水體的占39%；城市地面水污染普遍嚴(yán)重，并呈進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，136條流經(jīng)城市的河流中，屬4類、5類和超過(guò)5類標(biāo)準(zhǔn)的高達(dá)76.8%；約50%的城市地下水受到不同程度的污染；全國(guó)大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富營(yíng)養(yǎng)化程度逐年加劇；一些地區(qū)的飲用水源受到嚴(yán)重污染，對(duì)人民健康造成嚴(yán)重危害。城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物與日俱增，工業(yè)廢棄物累計(jì)堆積量已超過(guò)66億噸，占地超過(guò)5萬(wàn)公頃，使200多個(gè)城市陷入垃圾包圍之中。嚴(yán)重的生態(tài)破壞，加重了1998年的長(zhǎng)江洪水災(zāi)難，給人民的生命財(cái)產(chǎn)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重?fù)p失。
當(dāng)前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)仍然保持著高度發(fā)展的態(tài)勢(shì)，環(huán)境保護(hù)的壓力將進(jìn)一步加重，由人類活動(dòng)所造成的環(huán)境污染和環(huán)境質(zhì)量的惡化已成為制約我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的障礙。據(jù)中國(guó)社會(huì)科學(xué)院1998年度調(diào)查和估計(jì)，我國(guó)環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失每年超過(guò)2000億元人民幣。如何在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)控制環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展之目標(biāo)是我國(guó)目前亟待解決的重要問(wèn)題。
當(dāng)今世界各國(guó)已普遍接受“可持續(xù)發(fā)展”這一全新的概念，并圍繞它制定和實(shí)施本國(guó)的環(huán)境保護(hù)及其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。可持續(xù)發(fā)展要求在保持經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，必須保護(hù)好人類賴以生存的環(huán)境。環(huán)境和經(jīng)濟(jì)及貿(mào)易掛鉤是當(dāng)前國(guó)際政治及經(jīng)濟(jì)關(guān)系發(fā)展中的新形勢(shì)。例如，在日元貸款中，環(huán)保貸款已成為非常重要的組成部分。ISO14000系列國(guó)際環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)，將要求企業(yè)承擔(dān)相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)責(zé)任，并對(duì)達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)給予認(rèn)證。沒(méi)有得到認(rèn)證的企業(yè)的產(chǎn)品，在出口時(shí)將有可能面臨被國(guó)外政府以未承擔(dān)環(huán)境保護(hù)的責(zé)任而拒絕進(jìn)口；同時(shí)，國(guó)外大型企業(yè)也可能因害怕和這些未達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)合作而影響其形象，從而中止和這些企業(yè)的合作。至2003年，ISO9000系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將和ISO14000系列環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從而將進(jìn)一步強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)對(duì)企業(yè)發(fā)展的重要意義。因此，良好的環(huán)境保護(hù)將加強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。否則，在當(dāng)前國(guó)際貿(mào)易中保護(hù)主義盛行的情況下，我國(guó)將可能面臨因環(huán)境問(wèn)題而被排斥在國(guó)際貿(mào)易之外的危險(xiǎn)。然而，我國(guó)現(xiàn)有的環(huán)保科技水平仍較低，缺乏可被應(yīng)用的高科技成果及高技術(shù)人才。而可持續(xù)發(fā)展這一方針的最終實(shí)現(xiàn)必須依靠科技進(jìn)步，特別是高新技術(shù)的應(yīng)用。僅靠傳統(tǒng)的污染防治技術(shù)和手段，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足伴隨人類科技進(jìn)步帶來(lái)的污染物產(chǎn)生速度和人類對(duì)生存環(huán)境質(zhì)量的要求，必須另辟新的途徑。20世紀(jì)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展已充分證明了高科技的作用，當(dāng)前的科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)顯示，如要摧毀一座橋梁，過(guò)去幾百架次飛機(jī)也不一定能夠成功的事情，而今只需最多兩枚導(dǎo)彈即可達(dá)到，因此只有發(fā)展和掌握高科技技術(shù)才能在當(dāng)今的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗。
二、環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)
生物是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的要素，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)主要是依靠生物過(guò)程來(lái)完成的。科技的發(fā)展也充分證明生物技術(shù)是環(huán)境保護(hù)的理想武器，這一技術(shù)在解決環(huán)境問(wèn)題過(guò)程中所顯示的獨(dú)特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個(gè)純生態(tài)過(guò)程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，加之其技術(shù)開(kāi)發(fā)所預(yù)示的廣闊的市場(chǎng)前景，受到了各國(guó)政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。隨著生物技術(shù)研究的進(jìn)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深入，人們已越來(lái)越意識(shí)到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，為從根本上解決環(huán)境問(wèn)題提供了無(wú)限的希望。
目前生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環(huán)境污染控制的生物。生物技術(shù)已是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項(xiàng)技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染環(huán)境的修復(fù)和污染嚴(yán)重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大都是無(wú)毒無(wú)害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮?dú)狻＠蒙锓椒ㄌ幚砦廴疚锿ǔＤ芤徊降轿唬苊饬宋廴疚锏亩啻无D(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是基因工程、細(xì)胞工程和酶工程等生物高技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，大大強(qiáng)化了上述環(huán)境生物處理過(guò)程，使生物處理具有更高的效率，更低的成本和更好的專一性，為生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。美國(guó)環(huán)保局(EPA)在評(píng)價(jià)環(huán)境生物技術(shù)時(shí)也指出“生物治理技術(shù)優(yōu)于其他新技術(shù)的顯著特點(diǎn)在于其是污染物消除技術(shù)而不是污染物分離技術(shù)”(BiotechnologyNewswatch,August16,1993)。
由于大部分有機(jī)污染物適于作為生物過(guò)程反應(yīng)物(底物)，其中一些有機(jī)污染物經(jīng)生物過(guò)程處理后可轉(zhuǎn)化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質(zhì)，因此，生物處理方法也常是有機(jī)廢物資源化的首選技術(shù)。生物過(guò)程是以酶促反應(yīng)為基礎(chǔ)的，作為催化劑的酶是一種活性蛋白，因此，生物反應(yīng)過(guò)程通常是在常溫、常壓下進(jìn)行的。另外，酶對(duì)底物有高度的特異性，因此，生物轉(zhuǎn)化技術(shù)(Bioconversion)的效率高，副產(chǎn)物少，這與常常需要高溫、高壓條件的化工過(guò)程相比，反應(yīng)條件大大簡(jiǎn)化，因而投資省、費(fèi)用少、消耗低，而且效果好、過(guò)程穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，同時(shí)，在多數(shù)情況下，它還可和其他技術(shù)結(jié)合使用。用生物過(guò)程代替化學(xué)過(guò)程可以降低生產(chǎn)活動(dòng)的污染水平，有利于實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程生態(tài)化或無(wú)廢生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標(biāo)。據(jù)美國(guó)環(huán)保局估算，美國(guó)現(xiàn)有的化學(xué)工業(yè)若有5%為生物過(guò)程取代，污染防治費(fèi)用可降低約1億美元。生物處理技術(shù)除易于大規(guī)模處理外，還可利用天然水體或土壤作為污染物處理場(chǎng)所，從而大大節(jié)約生物處理的費(fèi)用。另外，生物技術(shù)的產(chǎn)品或副產(chǎn)品基本上都是可以較快生物降解的，并且都可以作為一種營(yíng)養(yǎng)源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化學(xué)藥物、化石能源、人工合成物等，有助于把人類活動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境污染降至最低程度，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的軌道。生物是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的要素，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)主要是依靠生物過(guò)程來(lái)完成的。因此，利用環(huán)境生物技術(shù)可治理用其他方法難以處理的環(huán)境介質(zhì)，即用生物修復(fù)(Bioremediation)技術(shù)凈化環(huán)境，使受污染的寶貴資源如水資源(包括地面水和地下水)、土壤等得以重新利用，同時(shí)還可進(jìn)一步強(qiáng)化環(huán)境的自凈能力。
環(huán)境生物技術(shù)不僅單純適用于環(huán)境污染治理，如今已相當(dāng)廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，尤其是以生物傳感器為核心的環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)，可在線在位迅速地提供環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，成為環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)和報(bào)警中的重要組成部分。
三、環(huán)境生物技術(shù)的重要進(jìn)展
環(huán)境污染是人類社會(huì)在21世紀(jì)必將面臨的四大難題之一，空氣、水體和土地資源的污染越來(lái)越嚴(yán)重，不但影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，甚至已威脅到人類的健康、智力乃至生存，因此全球各國(guó)近幾年都在尋找新的途徑和方法，以治理和解決環(huán)境污染問(wèn)題。
我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)水平和科技總體水平離國(guó)際發(fā)展水平仍有相當(dāng)差距，這就要求我國(guó)在科技發(fā)展特別是環(huán)保高科技發(fā)展上，需跟蹤國(guó)際前沿，與國(guó)際上同步開(kāi)發(fā)未來(lái)可能應(yīng)用的高新技術(shù)。以下重點(diǎn)介紹幾項(xiàng)經(jīng)多年開(kāi)發(fā)，已接近產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境生物技術(shù)。
1.高硫煤微生物脫硫技術(shù)
煤炭是世界能源的重要組成部分，我國(guó)是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó)和煤消耗國(guó)，煤炭占我國(guó)一次能源的3/4，高硫煤儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的1/3，并且高硫煤開(kāi)采比例也逐年上升，而黃鐵礦硫約占總硫的60%。煤中通常含有0.25％～7%的硫，如我國(guó)西南地區(qū)煤平均含硫量為3.23%，西北地區(qū)為3.05%，中南地區(qū)為2.02%，華北地區(qū)為1.65%。煤炭中的硫分為可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸鹽，可燃硫包括無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫。可燃硫經(jīng)燃燒生成SO2隨煙氣排入大氣，導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染，造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)數(shù)百億元。據(jù)報(bào)道，1997年，我國(guó)的SO2年排放量已達(dá)2346萬(wàn)噸，居世界第一位，62%的城市大氣SO2日平均濃度超過(guò)國(guó)家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；全國(guó)酸雨區(qū)面積已占國(guó)土面積的30%，華中酸雨區(qū)酸雨頻率高達(dá)90%以上。預(yù)計(jì)2000年我國(guó)一次能源的消耗量將超過(guò)12億噸。SO2年排放量將會(huì)達(dá)到3822萬(wàn)噸。《中國(guó)21世紀(jì)議程》中指出：“發(fā)展少污染的潔凈煤技術(shù)是中國(guó)政府履行國(guó)際公約、承擔(dān)相應(yīng)國(guó)際義務(wù)的重要方面，也是促進(jìn)中國(guó)以煤為主的能源系統(tǒng)向環(huán)境無(wú)害的可持續(xù)發(fā)展的模式轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略組成部分。”可見(jiàn)潔凈煤是中國(guó)能源的未來(lái)。
我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)還比較落后，如何采取可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，開(kāi)發(fā)廉價(jià)的、操作簡(jiǎn)便的煤脫硫技術(shù)，將具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)意義。在眾多的煤潔凈、脫硫技術(shù)中，煤的燃前脫硫技術(shù)，其脫硫成本僅相當(dāng)于洗滌煙氣脫硫的1/10，同時(shí)燃前脫硫便于大規(guī)模、全面地控制燃煤的二氧化硫、粉塵排放，因而受到各國(guó)的高度重視。與現(xiàn)有的物理、化學(xué)法相比，微生物潔凈技術(shù)具有投資低、操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和、不產(chǎn)生新的污染，并可和現(xiàn)有的物理洗煤過(guò)程相結(jié)合，脫除其中的灰分，而煤基本無(wú)損失，且可提高煤的燃值，因而受到許多國(guó)家政府和企業(yè)的極大關(guān)注，競(jìng)相開(kāi)發(fā)這一技術(shù)。
煤的微生物潔凈技術(shù)(主要是脫硫、脫塵)研究是在生物瀝濾銅、鈾等金屬的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。煤炭中的硫分主要包括有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫、無(wú)機(jī)黃鐵礦硫以及少量的硫酸鹽硫。其中，相比有機(jī)硫分、黃鐵礦硫(FeS2)較易去除，早期的研究主要利用Thiobacillusferrooxidans自養(yǎng)菌在幾天時(shí)間里將黃鐵礦氧化分解成鐵離子和硫酸，硫酸溶于水中而排出，該方法可去除約90%的無(wú)機(jī)硫，使某些煤的含硫量降至1%以下。雖然該方法脫硫效率較高，但缺點(diǎn)是處理的時(shí)間較長(zhǎng)，并要求較大的反應(yīng)器容積和較細(xì)的煤炭粒徑。意大利、荷蘭、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)參加的歐共體項(xiàng)目已在意大利的NorthSardinia煤礦建立了一個(gè)利用煤微生物脫硫凈化技術(shù)的示范工程，進(jìn)行應(yīng)用微生物脫除煤中無(wú)機(jī)硫及有機(jī)硫的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法要溶解黃鐵礦需花1～2周的時(shí)間，煤粒要求細(xì)小。同時(shí)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)顯示，該方法的技術(shù)可行性雖已無(wú)障礙，但該方法能耗較高，所需場(chǎng)地較大，經(jīng)濟(jì)可行性較差。
為提高脫硫效率，近年來(lái)研究人員把煤的物理選煤技術(shù)之一的浮選法和微生物處理相結(jié)合，即把煤粉碎成微粒與水混合，并將微生物加入溶液中，讓微生物附著在黃鐵礦表面，使其表面變成親水性，能溶于水。在浮選中其難以附著在氣泡上，下沉至底部，從而把煤和黃鐵礦分開(kāi)。由于它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時(shí)間只需數(shù)分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時(shí)間，可脫除無(wú)機(jī)硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時(shí)，灰分也可同時(shí)沉底，所以也具有脫去灰分的優(yōu)點(diǎn)。
A.S.Atins等采用Thiobacillusferrooxidans菌在煤炭粒度0.15±0.075mm、煤漿濃度2%、細(xì)菌濃度3.26×1010個(gè)/g、pH2的條件下，對(duì)美國(guó)一種高硫煤(總硫＞10.4%，黃鐵礦硫＞5.9%)處理2分鐘后，用常規(guī)浮選分離，結(jié)果精煤總硫降至6～6.45%，黃鐵礦硫脫除率達(dá)75%以上，而若無(wú)細(xì)菌處理，精煤總硫仍高達(dá)10.2%，基本沒(méi)有脫除。Attia等對(duì)皮茲堡兩種含硫分別為3.8%(黃鐵礦硫1.9%)和1.59%的煤樣利用微生物進(jìn)行了約10分鐘的處理，前一種煤樣黃鐵礦和灰分的脫除率達(dá)到80%和60%以上，另一煤樣也顯示了相似的結(jié)果。日本Ohmura等也開(kāi)展了一系列類似的研究，取得了良好的脫硫效果。目前，浮選法微生物脫硫已成為國(guó)際上潔凈煤技術(shù)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
我國(guó)在煤的微生物脫硫方面的研究起步較晚，80年代中期后，我國(guó)一些研究人員在利用微生物進(jìn)行煤脫硫(包括有機(jī)硫)方面開(kāi)展了一些基礎(chǔ)研究工作。從松藻煤礦分離到氧化亞鐵硫桿菌，在pH1.55～1.70的條件下，利用浸出法可使黃鐵礦硫的去除率達(dá)到86.11％～95.16%。
國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局資助，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了浮選法微生物脫硫工藝的可行性研究。結(jié)果顯示該工藝是相當(dāng)可行的。在中性條件下，經(jīng)約30分鐘的微生物處理，可脫除無(wú)機(jī)硫達(dá)60%，比純物理浮選提高約1倍。目前該技術(shù)正進(jìn)行擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)，預(yù)計(jì)將在未來(lái)1～2年內(nèi)完成，從而為該項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
2.造紙工業(yè)中的生物制漿和生物漂白技術(shù)
造紙工業(yè)是世界上六大污染工業(yè)之一。我國(guó)造紙行業(yè)年排放廢水量達(dá)40億噸，占全國(guó)工業(yè)廢水排放量的1/6，其中有機(jī)污染物(以BOD計(jì))達(dá)170萬(wàn)噸，約占全國(guó)工業(yè)廢水中有機(jī)污染物總量的1/4。在用植物材料進(jìn)行化學(xué)制漿與化學(xué)漂白過(guò)程中，含有大量木質(zhì)素、半纖維素和有害物質(zhì)的廢液被傾倒入江河湖泊中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。多年來(lái)，人們不懈地努力，試圖開(kāi)發(fā)出無(wú)污染和高效率的制漿造紙新工藝，以減少污染，保護(hù)環(huán)境。
造紙工業(yè)中的制漿和漂白工序是污染物產(chǎn)生的主要工序。與化學(xué)法相比，雖然機(jī)械法制漿可以大大提高紙漿得率，從而節(jié)省大量林木資源。但是，磨木漿的能量消耗很大，而且成品紙的強(qiáng)度等質(zhì)量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。生物技術(shù)可以幫助解決這些問(wèn)題，其中最具吸引力和挑戰(zhàn)性的是生物制漿與生物漂白。因?yàn)樵旒埞I(yè)廢水主要由蒸煮黑液和漂白廢液組成，采用生物制漿與生物漂白可以有效減少這些廢液的產(chǎn)生。利用微生物與微生物酶類進(jìn)行生物制漿與生物漂白具有很大的優(yōu)勢(shì)和潛力，因?yàn)槲⑸飿O易生長(zhǎng)繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無(wú)污染。1987年，在美國(guó)政府和Weaver工業(yè)公司等造紙企業(yè)的支持下，組建了生物制漿財(cái)團(tuán)，由美國(guó)農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)研究所聯(lián)合威斯康星大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，開(kāi)展了長(zhǎng)期深入的研究工作。他們選出了一株能快速生長(zhǎng)并選擇性從木材中除去木素的白腐菌(Ceriporiopsissubvermispora)。把它接種到用蒸汽簡(jiǎn)單滅過(guò)菌的木片上，用強(qiáng)制通風(fēng)的辦法來(lái)控制溫濕度，培養(yǎng)2周后，用于熱機(jī)法制漿，已完成了50噸規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，不僅可以節(jié)省能耗38%，提高設(shè)備生產(chǎn)能力，而且可以減少樹脂問(wèn)題，明顯改善成紙的強(qiáng)度性能。目前他們正在努力加快新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，并力圖將新技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到亞硫酸鹽漿、硫酸鹽漿，乃至非木材漿中去。
木質(zhì)素是造紙工業(yè)中有效利用纖維素的最大障礙。在化學(xué)制漿過(guò)程中，大部分木質(zhì)素可從木材、草類或其他粗原料的纖維中除去，但還殘留大約3～12%，這部分殘留的木質(zhì)素會(huì)造成紙漿褐色，并降低紙張的強(qiáng)度。因此，需要對(duì)紙漿進(jìn)行漂白。傳統(tǒng)的化學(xué)漂白法是采用多段的氯/二氧化氯漂白及堿提取來(lái)去掉木質(zhì)素，在廢水中會(huì)有大量含氯的、致癌致畸的物質(zhì)，如呋喃、二惡英等，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。
80年代初，西方工業(yè)國(guó)家工業(yè)污染控制戰(zhàn)略出現(xiàn)了重大變革，以污染預(yù)防取代了污染治理。芬蘭率先將生物預(yù)漂白技術(shù)引入制漿造紙工業(yè)中。用木聚糖酶對(duì)紙漿進(jìn)行預(yù)漂白，可以減少隨后的化學(xué)漂白用氯量30％～40%，廢液中有機(jī)氯化物與毒性物含量顯著減少。至今，用于生物預(yù)漂白的木聚糖酶已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展。從第一代酸性酶，第二代中性酶，到第三代堿性酶。
目前，對(duì)第三代木聚糖酶的研究與應(yīng)用正進(jìn)入高峰期，采用基因工程與蛋白質(zhì)工程手段獲得性質(zhì)優(yōu)良的耐熱耐堿木聚糖酶已成為各相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的研究熱點(diǎn)，期望不久的將來(lái)重組酶會(huì)更有效地應(yīng)用于漂白工藝中。目前，酶法助漂新工藝在歐洲和北美的30余家大型紙廠得到應(yīng)用，成為生物技術(shù)在造紙工業(yè)應(yīng)用最成功的一例。加拿大已有約10%的硫酸鹽法紙漿廠采用了該新工藝。丹麥諾和諾德公司和美國(guó)山道斯化學(xué)公司等多家酶制劑廠商，紛紛推出了專門用于紙漿處理的木聚糖酶和纖維素酶新產(chǎn)品。
由于木聚糖酶處理工藝是通過(guò)降解除去紙漿表面再沉積的半纖維素等方式，來(lái)幫助化學(xué)漂劑漂白的。木聚糖酶只能起到助漂的作用，不能真正替代化學(xué)漂劑。因此，生物預(yù)漂白并不能完全替代化學(xué)漂白，能減少污染卻不能最終消除污染，因此要從根本上消除有毒氯漂液的污染，需最終實(shí)現(xiàn)生物漂白，即完全采用生物手段除去紙漿中殘留的木質(zhì)素。近年來(lái)，利用各種木質(zhì)素酶進(jìn)行生物漂白的研究正在迅速興起，人們期望利用木質(zhì)素酶對(duì)木質(zhì)素的直接作用來(lái)實(shí)現(xiàn)生物漂白。許多實(shí)驗(yàn)室都在努力研究非木聚糖酶的漂白用酶，涉及的酶類包括木素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶、漆酶和纖維二糖脫氫酶等。其中，一種叫做漆酶的木質(zhì)素酶成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
過(guò)去，一般都認(rèn)為漆酶的氧化還原電位太低，不能攻擊構(gòu)成木素結(jié)構(gòu)90%以上的非酚木素結(jié)構(gòu)。但進(jìn)入90年代后，有人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有可起氧化還原中介物作用的簡(jiǎn)單有機(jī)化合物存在時(shí)，漆酶不僅能氧化非酚結(jié)構(gòu)，而且能使硫酸鹽漿脫木素和脫甲氧基。目前研究較多的中介物有1-羥基苯并三唑(1-hydroxybensotriazol,1-H等。佐治亞大學(xué)的研究者則發(fā)現(xiàn)一株漆酶產(chǎn)生菌朱紅密孔菌(pycnoporusCinnaba-rinus)可以產(chǎn)生自己的氧化還原中介物3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilicacid,3-HAA)。漆酶加3-HAA系統(tǒng)不僅能氧化非酚模式化合物，而且能降解合成的木素。日本報(bào)道，利用漆酶進(jìn)行生物漂白，可以去掉50％～60%的殘余木質(zhì)素，減少氯漂50％～60%，然而，離真正意義的生物漂白還有一段距離。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且在紙漿中木質(zhì)素與木聚糖形成復(fù)合體緊密地附著在纖維上，難以除去。僅依賴于一種酶的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，利用木聚糖酶與木質(zhì)素酶兩種酶的共同作用有望完全降解掉紙漿中殘留的木質(zhì)素，實(shí)現(xiàn)真正意義上的生物漂白。未來(lái)生物制漿和生物漂白的技術(shù)突破將使造紙工業(yè)擺脫污染，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。
3.石油污染土壤的生物修復(fù)
人類的生產(chǎn)活動(dòng)，當(dāng)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的人造化學(xué)物質(zhì)排放入環(huán)境中，對(duì)資源和環(huán)境構(gòu)成越來(lái)越嚴(yán)重的破壞。化石燃料的開(kāi)采和使用，工業(yè)三廢的排放，給我們賴以生存的環(huán)境造成難以估量的污染，比如在國(guó)外僅石油的開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及事故性泄漏等原因造成每年約有1000萬(wàn)噸石油烴進(jìn)入環(huán)境(不包括石油加工行業(yè)的損失)，另外全世界各國(guó)每年大約使用1500萬(wàn)噸的各種農(nóng)藥廣泛噴灑于面積巨大的農(nóng)田，引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)平衡，不僅制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且影響到人類的健康和生存。我國(guó)如華北油田周圍的很多農(nóng)田由于原油污染而無(wú)法耕種，每年都要支付大量資金作為對(duì)農(nóng)民的賠償。黃河水系年平均含油最高可達(dá)4.82mg/L，遼河水系年平均含油最高可達(dá)7.68mg/L，明顯地超過(guò)了國(guó)家三級(jí)地面水的標(biāo)準(zhǔn)(＜0.1mg/L)。有的甚至污染到地下水資源，如山東淄博地區(qū)地下水最高含油達(dá)到了100mg/L以上，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(＜0.1mg/L)1000倍以上。全國(guó)各地的儲(chǔ)油場(chǎng)所也已開(kāi)始滲漏污染到地下水，嚴(yán)重威脅了地下水資源的水質(zhì)，石油污染是1998年發(fā)生在渤海的1萬(wàn)平方公里赤潮的主要原因之一。有鑒于此，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了環(huán)境修復(fù)計(jì)劃，如荷蘭在80年代已投資15億美元進(jìn)行土壤污染的修復(fù)，德國(guó)在1995年一年就投資60億美元凈化土壤污染，英國(guó)、法國(guó)、日本、俄羅斯等也相應(yīng)投巨資進(jìn)行環(huán)境污染的修復(fù)。據(jù)《21世紀(jì)生物技術(shù)：新的方向》一書介紹，美國(guó)在90年代中，每年都投資幾百億美元進(jìn)行污染環(huán)境的修復(fù)，該書分析：如果采用傳統(tǒng)的修復(fù)方法(物理和化學(xué)方法)來(lái)治理美國(guó)本土陸地上的環(huán)境污染，就需要投資1.7萬(wàn)億美元，而如果采用生物修復(fù)技術(shù)，而只需3400～6000億美元的投資，也就是傳統(tǒng)方法所需投資的1/5～1/3。該書還分析：在今后若干年內(nèi)，美國(guó)市場(chǎng)對(duì)生物修復(fù)技術(shù)服務(wù)及其生物產(chǎn)品的需求將以每年15%或更高的速度增長(zhǎng)，到2000年生物修復(fù)技術(shù)的純利潤(rùn)將超過(guò)5億美元。
針對(duì)嚴(yán)重污染的環(huán)境，我國(guó)尚未采取大規(guī)模的治理措施，僅在少數(shù)地區(qū)開(kāi)展了治理，并以物理化學(xué)方法(如洗脫、吸附)為主，不僅投資成本高，而且也造成了二次污染。我們的國(guó)土面積比美國(guó)略大，且環(huán)境污染還更為嚴(yán)重，對(duì)全國(guó)范圍的污染環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，若采用傳統(tǒng)方法，即使考慮勞動(dòng)力相對(duì)便宜的因素，其投資規(guī)模將仍然非常龐大，如采用生物修復(fù)技術(shù)，不僅其投資規(guī)模大為縮小(僅需傳統(tǒng)方法的1/5～1/3)，而且還沒(méi)有二次污染。綜上所述，環(huán)境污染的生物修復(fù)技術(shù)是我國(guó)今后治理環(huán)境污染必須發(fā)展的生物技術(shù)，更具有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。可充分預(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)，生物修復(fù)技術(shù)將成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域最具有價(jià)值和最具有生命力的大面積污染的優(yōu)選生物工程技術(shù)。
生物修復(fù)技術(shù)是80年代以來(lái)出現(xiàn)和發(fā)展的清除和治理環(huán)境污染的生物工程技術(shù)，其主要利用生物特有的分解有毒有害物質(zhì)的能力，去除污染環(huán)境如土壤中的污染物，達(dá)到清除環(huán)境污染的目的。在該技術(shù)的萌芽階段，主要應(yīng)用于環(huán)境中石油烴污染的治理，并取得成功。實(shí)踐結(jié)果表明生，物修復(fù)技術(shù)是可行的、有效的和優(yōu)越的，此后該技術(shù)被不斷擴(kuò)大應(yīng)用于環(huán)境中其他污染類型的治理。歐洲各國(guó)如德國(guó)、丹麥、荷蘭對(duì)生物修復(fù)技術(shù)非常重視，全歐洲從事該項(xiàng)技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司大約有近百個(gè)，他們的研究證明，利用微生物分解有毒有害物質(zhì)的生物修復(fù)技術(shù)是治理大面積污染區(qū)域的一種有價(jià)值的方法。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局、國(guó)防部、能源部都積極推進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用。美國(guó)的一些州也對(duì)生物修復(fù)技術(shù)持積極態(tài)度，如新澤西州、威斯康星州規(guī)定將該技術(shù)列為凈化受儲(chǔ)油罐泄漏污染土壤治理的方法之一。美國(guó)能源部制定了90年代土壤和地下水的生物修復(fù)計(jì)劃，并組織了一個(gè)由聯(lián)邦政府、學(xué)術(shù)和實(shí)業(yè)界人員組成的“生物修復(fù)行動(dòng)委員會(huì)”(BioremediationActionCommittee)來(lái)負(fù)責(zé)生物修復(fù)技術(shù)的研究和具體應(yīng)用實(shí)施。生物修復(fù)是采用諸如提高通氣效率、補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)(對(duì)石油污染而言，主要是補(bǔ)充N、P)，投加優(yōu)良菌種、改善環(huán)境條件等辦法來(lái)提高微生物的代謝作用和降解活性水平，以促進(jìn)對(duì)污染物的降解速度，從而達(dá)到治理污染環(huán)境的目的。生物修復(fù)技術(shù)最成功的例子是JonE.Llidstrom等人在1990年夏到1991年應(yīng)用投加營(yíng)養(yǎng)和高效降解菌對(duì)阿拉斯加ExxonValdez王子海灣由于油輪泄漏造成的污染進(jìn)行的處理，取得非常明顯的效果，使得近百公里海岸的環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。
四、展望
自本世紀(jì)70年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家就十分重視生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，并開(kāi)展了大規(guī)模的科研活動(dòng)。目前已開(kāi)發(fā)了一系列的環(huán)境生物技術(shù)及其產(chǎn)品，并在世界上廣泛應(yīng)用于污水處理、大氣凈化及污染環(huán)境介質(zhì)治理等諸多方面。例如，美國(guó)Charabarty構(gòu)建的超級(jí)細(xì)菌可快速降解土壤和水體中的石油組分，該技術(shù)已獲得專利，并在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了應(yīng)用。至今，英、法、德、荷等國(guó)已取得大量實(shí)用性的環(huán)境生物技術(shù)研究成果，部分已經(jīng)商品化。如英國(guó)ICI公司的生物可降解塑料等環(huán)境友善產(chǎn)品(EnvironmentallyFriendlyProducts)，在世界上具有廣泛影響。荷蘭在環(huán)境生物技術(shù)的研究及應(yīng)用中在歐洲居領(lǐng)先地位，自1982年以來(lái)，已利用環(huán)境生物技術(shù)治理并恢復(fù)了6000多處污染地，一批公司，如GistBrocedes公司已迅速發(fā)展起來(lái)。
環(huán)境生物技術(shù)的重要性已為眾多的國(guó)家普遍接受，在發(fā)達(dá)國(guó)家，已成為優(yōu)先發(fā)展及應(yīng)用的環(huán)境保護(hù)新技術(shù)。例如，1996年6月在美國(guó)召開(kāi)的，96環(huán)境生物技術(shù)大會(huì)上，生物恢復(fù)、工業(yè)水處理、空氣處理和污染防治專題討論均有相關(guān)政府和工業(yè)部門代表參加。1994年4月由美國(guó)生物工業(yè)組織(BIO)和白宮國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織的可持續(xù)環(huán)境中的生物技術(shù)大會(huì)上提出了基因工程微生物、優(yōu)選微生物菌株和生物傳感技術(shù)中可利用菌株等三大最新發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。這些技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展不單純局限于工業(yè)末端處理和被污染系統(tǒng)的恢復(fù)，在污染防治或清潔生產(chǎn)方面具有同樣重要的意義。例如，利用新型酶法生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)生物可降解原料、產(chǎn)品全生命周期分析等。1995年12月美國(guó)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)發(fā)表了由其基礎(chǔ)科學(xué)委員會(huì)生物技術(shù)分委員會(huì)(BiotechnologySubcommittee)完成的《21世紀(jì)的生物技術(shù)：新的方向》(Biotechnologyforthe21stCentury:NewHorizons)的藍(lán)皮報(bào)告，指出了生物技術(shù)在經(jīng)歷了第一次浪潮(醫(yī)藥和健康)后，迎來(lái)了第二次浪潮，這包括：1.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)；2.環(huán)境生物技術(shù)(主要是生物降解)；3.生物制造工藝/生物處理工藝，包括能源研究；4.海洋生物技術(shù)研究。其中的兩大方面(2和3)均直接和環(huán)境保護(hù)有關(guān)。
目前國(guó)際上許多環(huán)境生物技術(shù)成果已進(jìn)入商品化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。生物技術(shù)是水污染控制中最成熟也是最富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，在國(guó)外的環(huán)保產(chǎn)業(yè)中一直是市場(chǎng)占有量最大的，并隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新污染治理的需要新技術(shù)工藝設(shè)備不斷出現(xiàn)并產(chǎn)業(yè)化，美國(guó)在此領(lǐng)域內(nèi)的年市場(chǎng)額達(dá)數(shù)百億美元。數(shù)十項(xiàng)環(huán)境生物技術(shù)產(chǎn)品已獲得有關(guān)國(guó)家政府部門的許可，進(jìn)行野外應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，去除土壤和水體中的重金屬和有毒有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。以美國(guó)為例，成立了相當(dāng)數(shù)量的環(huán)境生物技術(shù)專業(yè)公司，部分產(chǎn)品已占領(lǐng)了國(guó)際市場(chǎng)，如AlenMurrayCorp的Clear-Flo系列微生物菌劑和日本的EM菌等可用于污染處理、污染水體恢復(fù)及空氣凈化等。Envirogen公司最近宣布已利用基因工程技術(shù)開(kāi)發(fā)出一系列超級(jí)微生物菌劑，可用于污染水體、土壤、基質(zhì)及空氣的恢復(fù)及凈化。
當(dāng)前，環(huán)境生物技術(shù)在國(guó)際上已進(jìn)入蓬勃發(fā)展的軌道。隨著全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視和越來(lái)越嚴(yán)厲的環(huán)境法，市場(chǎng)對(duì)環(huán)境生物技術(shù)的需求越來(lái)越廣泛。例如，美國(guó)的清潔空氣法(CleanAirAct)實(shí)施后將形成高達(dá)幾百億美元的燃煤脫硫市場(chǎng)，其中預(yù)計(jì)微生物脫硫?qū)⑦_(dá)250億美元，而越來(lái)越低的燃油硫分標(biāo)準(zhǔn)也促進(jìn)了石油微生物脫硫技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)的BiosystemCo.正開(kāi)展的產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)將大大推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。利用微生物制氫氣和乙醇等可再生性清潔燃料，為徹底解決困擾人類的大氣化石燃料污染，展示了光明的前景。多年來(lái)，由于全球范圍內(nèi)濫用化學(xué)品，特別是殺蟲劑造成了大規(guī)模的水體、土壤污染，對(duì)其治理和恢復(fù)也將成為一個(gè)巨大的市場(chǎng)，非常保守的估計(jì)，在未來(lái)10年內(nèi)全球市場(chǎng)達(dá)115億美元。總之，環(huán)境生物技術(shù)，尤其是環(huán)境污染控制生物技術(shù)將具有廣闊的市場(chǎng)前景。
隨著環(huán)境生物技術(shù)的進(jìn)展和市場(chǎng)開(kāi)拓，其應(yīng)用已從單個(gè)的環(huán)境目標(biāo)治理，發(fā)展為廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面。環(huán)境生物技術(shù)已不單純是一種污染治理技術(shù)，而已開(kāi)始影響到包括其他行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策，促進(jìn)各工業(yè)部門逐步以生物過(guò)程替代傳統(tǒng)的化工過(guò)程，如利用生物酶制劑在造紙行業(yè)中，進(jìn)行生物漂白，減少甚至徹底替代化學(xué)漂白，并最終在造紙工業(yè)中實(shí)現(xiàn)完全的生物制漿和生物漂白，徹底解決嚴(yán)重污染我國(guó)水環(huán)境的造紙黑液?jiǎn)栴}，使許多污染行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)真正進(jìn)入無(wú)污染的清潔生產(chǎn)的軌道。目前，我國(guó)的環(huán)境生物技術(shù)處于剛剛起步階段。該技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)需要得到社會(huì)、同行及主管部門的廣泛支持，大力開(kāi)展以污染控制生物技術(shù)為主體的環(huán)境生物技術(shù)的研究，將大力推進(jìn)生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，并將通過(guò)生物高技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)整個(gè)環(huán)保科技的發(fā)展，解決我國(guó)目前和未來(lái)面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，并為環(huán)保市場(chǎng)提供高品質(zhì)的環(huán)境保護(hù)高技術(shù)。應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境生物技術(shù)開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大意義。
