环保工程中生物技术的应用

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　　摘要：近些年来，随着工业的发展以及社会的不断进步，农药大量使用造成的污染和水污染已经严重危害到人们的健康。在环境的治理和保护中，现代生物技术已成为不可缺的手段。该文介绍了固定化微生物技术和生物修复技术在水污染处理和农药检测中的应用，为现代生物技术更好地应用于环保工程提供参考借鉴。
　　关键词：生物技术;农药监测;环保工程;水污染
　　1 引言
　　现代生物技术是以DNA技术为先导，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、微生物工程、蛋白质工程和生物修复技术在内的一系列生物高新技术的统称[1]，是为人类提供服务的一项科学技术。生物技术是在常温常压下进行的一种可持续化发展、节省能源、减少环境污染的利用模式，应用过程简单、可连续操作且节约能源、减少环境污染;在工作中可以生产纯度较高、质量高、安全可靠的生物制品的技术[2]。现代生物技术主要应用于以下4个主要领域：医疗保健，谷物生产，农业，谷物非食品利用和其他产品及环境的使用。
　　生物技术在环境保护中的应用已经从最简单的治理发展到了防治结合，以防为主，以治为辅[3]。其中，对白色污染的治理，通过筛选可以降解塑料的微生物形成高效降解菌，能够使白色污染得到处理;在土壤修复中生物技术的应用，可以把污染物进行有效分解生成二氧化碳和水。通过利用现代生物技术工程，确保土壤微生物能够实现对塑料和农业用膜的生态降解。在固废的处理中，生物技术可以使废弃物经过微生物的分解变成优质的有机肥料，使废物资源化，增进城市固化物的优化改良;基因工程还可以通过转基因技术改变生物的特性得到不产生污染的物质[4]。固定化微生物技术和生物修复技术在水污染的处理中做出了重大贡献，生物技术中的生物传感器的发现与运用为农药检测提供了可能，一系列生物技术在保护环境的运用中表现出了不可替代的作用。因此，生物技术对环保工程的应用越来越广泛且越来越完善，其在环保工程中占据了重要地位。
　　2 现代生物技术在环境保护中的应用
　　2.1 水污染处理
　　2.1.1 水体污染现状 水体污染是日常生活中常见到的污染现象，过多的污水排入到水中，超过水体的可容纳量，经过水体的自净功能水质仍无法达到标准。污染物不仅破环水中原本的环境，影响水体的功能，还会使居民生活用水和生产用水遭到破壞，威胁人们的身体健康，更破坏了水中生物的多样性[5]。大量含有氮、磷的化工废水排入水中，使水体营养富集化，出现赤潮和水华现象，严重危害水中生物的生存。大量污水直接排放到水中，造成了全国1/3以上的水域受到了严重污染，严重的水污染造成了我国水资源严重短缺。治理水污染已经刻不容缓。利用生物技术中的微生物工程处理水体中的污染取得了显著成效，其中固定化微生物技术和生物修复技术是比较有效实用的废水污染的处理方法。
　　2.1.2 固定化微生物技术 固定化微生物技术是新发展的一项高科技创新技术，可以使一些难以处理的废水问题得到改进和创新，降低污染率，大幅度地提高了废水处理的成功率，是当前最为前沿的高科技技术之一[6]。固定化微生物处理技术主要运用于化粪池、隔油槽、排水管、城市污水处理厂以及工业废水等的处理。可分为交联法、包埋法和吸附法3种：
　　2.1.2.1 交联法 新研制的聚集-交联固定化微生物技术在废水处理中得到了很大的应用[7]。许以农等通过活性艳红X-3B染料模拟废水，经过固定化小球，一定量的海藻酸钠溶解后与活性污泥混合然后滴入到7.5%的氯化钠溶液中制作出固定化小球，最后把得到的产物用0.85%的氯化钠溶液进行冲洗，直到冲洗干净为止。通过使用重络酸钾—分光光度法进行测定，色度的测定用稀释倍数法。实验结果得出，在处理过程中数据显示对印染污水处理时间在16h以内色度去除率随着时间的增加而增大，停留时间达到16h去除率达到峰值，16h后去除率明显降低，色度去除率最高可达到78.09%[8]。通过此技术可以有效去除印染废水，大大增加了水的循环利用率。
　　2.1.2.2 包埋法 包埋法包括无机载体包埋法和有机载体包埋法。无机包埋法是通过使用玻璃、二氧化硅等无机材料对微生物进行固定。这些无机材料有较高的机械强度、对酸碱耐受力强，成本较低。张晨等通过把多孔陶粒、碳纳米管和石墨等材料组合，然后包埋脱氮菌，最后进行处理人工废水，脱氮效果良好[9]。王亚飞等运用海藻酸钠固定化颗粒与活性污泥的共生系统进行含锌废水的处理，结果得出此方法可以高效去除锌[10]。
　　2.1.2.3 吸附法 高吸附能力的物质对微生物进行吸附，然后将其固定化。吸附法包括物理和离子吸附法[11]。常用活性炭、麦秆等农用废弃物及沸石的吸附作用来处理含铀废水、硫酸铜废水、氨氮废水等，取得了良好的效果[12]。
　　2.1.3 生物修复技术 生物修复技术主要是通过利用一些微生物、藻类某些植物等的代谢活性改变污染物的化学或物理特性，主要应用于土壤、地下水或海洋污染物的修复。这种技术又可以分为微生物、植物和动物修复技术3种。
　　2.1.3.1 微生物修复 对被重金属污染的水体进行修复。相关专家通过分离、纯化、筛选活性污泥，活性污泥得到的霉菌能够吸附水中的Cr（Ⅵ）离子[13]。通过对藤黄微球菌、产碱假单胞菌的吸附特性进行的研究，得出这2种菌落能够迅速吸附水体中的Cu2+、Pb2+，这2种物质可以被这2种菌吸附，而且速度较快在短短的3min内吸附量就可以达到总量的75%。最后微生物通过改变金属离子及原子的形态，使其沉淀至底部，有毒重金属得以除去[14]。此外，微生物修复还可以改变对金属离子的价态，使离子可以溶解到某种液体，从而除去土壤中的有害物质。
　　除了可以处理金属污染物，还可以抑制藻类植物的生长，防止出现水华现象。近年来，由于生活和生产中大量排出含有氮、磷的污水使水体富营养化，使某些藻类大量繁殖出现水华，从而影响了水中生物的生存[15]。生物修复技术可以有效控制这种现象的处理，为此，有学者进行了实验：在蓄水池中投入Bpa-1017以防治藻类繁殖。在投加Bpa-1017后出现部分区域藻类繁殖量大时，然后用Eama-11进行抑藻，在气温高的主汛期藻类容易大量繁殖所以要增大投加量，把检测出来的数据进行记录，最后运用0.1mL浮游生物计数板进行计数，计算藻细胞密度。在6月期间总细胞密藻类总密度出现明显下降，各蓄水池的数值约在（5.79×107～7.7×107个）/L，由于受到气候的影响，7—8月总细胞密度出现上升的情况，各池的数值上升至（8×107～15.94×107个）/L，从6月到9月的监测数据可以看出藻细胞密度总体控制在（6.83×107～7.96×107个）/L，明显低于治理前，水体没有暴发水华[16]。生物修复技术通过往污水中添加生物类抑制剂，使得水质得到改善恢复了水中生物生存的环境，如果没有生物修复技术水华现象的后果将不堪设想。 　　2.1.3.2 植物修复 经过调查研究，植物根系可以吸收、降解、挥发或者固定住重金属离子，然后达到水中污染物降低的效果，从而有效地治理水污染，修复水体[17]。该技术是一项绿色技术，不会对环境造成二次污染，最重要的是成本低，可以被大量采用。董家麟等，研究了8种水生植物对水中重金属的富集能力，结果表明，水鳖科植物对Cu、Pb、Cd、Zn的富集能力最强;龙须眼子菜对水体中铅、镉去除效果最好;而对于水中锌、铅、镉、铜等物质，可以利用豌豆、向日葵进行处理[18]。
　　2.1.3.3 动物修复 除了微生物、植物修复技术，动物修复技术在水污染处理中也取得了很好的效果，如甲壳类动物、贝类以及环节动物能够对水体中重金属起到了一定的富集作用。半静态双箱模型进行牡蛎重金属富集作用模拟实验，可以得出，牡蛎对于水中Hg、Cd、Pb等重金属污染物有着很好的指示作用。在实际情况当中，为了提高分解的速度，一般情况是采用了强化的手段，让生态环境可以保持平衡的状态下去修复一些污染物，使得这些污染物质可以得到降解，分解成没有污染性的一些物質[19]。实践表明，在大多数的情况下，其生物的修复技术相比传统的生物技术法，有很好的经济性，不仅降低了企业的生产成本，而且对环境的污染程度较小，不存在二次污染;通过减少污染物的物质浓度，进而降低其污染的特性;修复时间短，对一些具有毒性的污染物有很好的分解效果[20]。
　　2.2 农药检测
　　2.2.1 农药污染现状 在农业发展中，大量农药的使用破坏了环境中的平衡，危害人类的健康。工厂排放的大量的二氧化硫形成酸雨，造成了我国粮食蔬菜和水果减产，林木死亡，更严重的使人类的呼吸系统疾病加重。化学农药的大量使用，使农残蔬菜进入了人们的生活，严重危害了人们的身体健康。因此，现在的严峻情况下，对农药的处理和检测显得越来越重要。
　　2.2.2 生物酶技术 这种技术在农药检测中应用广泛。在农药检测中这种技术处理功效较高，主要是将微生物与酶进行有效的结合，然后对污染物进行分解，从而达到处理污染物的结果，此技术可以增强环境监测过程中污染的处理功效。它的使用可以降低微生物的生存要求，创造出适宜的温度和酸碱度，提高微生物的作用效果，对污染物有针对性。
　　 最近几十年，为了防治农作物被害虫危害，大量的使用农药使得环境遭受严重破坏，为了监测农药的污染，酶技术中使用胆碱酯酶对环境进行检测。它在被催化后可以水解生成胆碱和有机酸，科学家们通过研究和实验得出，有机磷农药是此酶的抑制物，在农药检测中运用此酶，通过测定它的活性，从而判断出是否出现了有机磷的污染，并且灵敏度极高[21]。目前，此技术在不同的领域和环境都有利用的实例，在使用时可以充分地根据实际情况进行选择，从而采取更具有针对性和效力的方案进行监测。生物酶技术的污染治理成本较低，不需要引进庞大的设备和装置，具有显著的治理效果。
　　2.2.3 生物传感器技术 除了生物酶技术，利用生物传感器技术可以实现对土壤、农牧产品中有机污染的快速、便捷、低成本检测，已经成为了当下各农学和环境专业研究的热点[22]。大量毒死蜱的使用已经严重危害了人们的身体健康，为此科研人员利用Fe3O4纳米颗粒、石墨烯纳米材料、壳聚糖等复合修饰乙酰胆碱酯酶，研制出一种生物传感器，可以有效检测毒死蜱的浓度。将买来的白菜用高度纯水冲洗后晾干，然后在蔬菜上喷入不同浓度毒死蜱农药，搁置一段时间，然后分2组称取10g外层叶片打成汁，加入20.0mL的丙酮和pH7.0的0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液混合物进行超声处理30min左右，离心机分离超声处理30min后取上清液。将三电极系统插入溶液中，运用循环伏安法和阻抗谱研究修饰电极的电化学性能，通过一系列的实验得出，此生物传感器可以成功测定农药中毒死蜱[23]。检测结果线性相关准确、精度高、出限低，适用于蔬菜等农产品中农药残留物毒死蜱的快速检测。
　　黄思静等利用pH敏感水凝胶薄膜和有机磷水解酶制备了一种无线磁弹性传感器[24]。通过有机磷水解酶可以分解有机磷化合物，水凝胶的pH值就会被改变，引起水凝胶的膨胀与收缩，通过测量可以检测出有机磷农药。该传感器用于对氧磷和硫磷的测定，检出限分别为1×10-7mol/L和8.5×10-7mol/L。为了评价农药和实际废水的生物毒性，经过科学研究的电流型微生物传感器，可以评价出农药和废水的生物毒性[25]。生物传感器技术的出现，为环境污染物的分析与监测提供了一项新手段，可以检测出空气中的农药含量，为人们的健康提供保障。
　　3 结语
　　生物技术的快速发展，使得环境保护和治理得以实现，固化微生物技术是水污染处理中先进的处理方法，生物修复技术可以分别使用微生物、植物、动物进行修复水体的污染。生物修复技术的应用，有效地减少了重金属污染物，保护了水生生物的生存环境。
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　　（责编：张宏民）
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