摘要：隨著微生物技術的不斷發(fā)展，人類對環(huán)境的認識不斷增強，各種微生物在廢水治理等方面的應用也日益廣泛。生物強化技術是一種適應性強的新工藝，其在污水處理中的作用優(yōu)于常規(guī)的生化技術，且其優(yōu)點更為顯著。本文從理論上闡述了生物強化技術的基本思想、作用機理，并就其在廢水處理中的應用進行了分析與討論，以期加深對該技術的理解。該研究對今后的發(fā)展有一定的借鑒意義。

關鍵詞：生物強化技術；水污染治理領域；應用分析

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，水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，水污染防治已成為全球關注的焦點。從目前的水處理技術來看，以生化法為主導的水處理技術，尤其是以現(xiàn)代生物技術為主導的水處理技術，必將成為未來水處理的發(fā)展趨勢。

1現(xiàn)代生物技術的內(nèi)容與特點

1.1現(xiàn)代生物技術的內(nèi)容

（1） 基因工程是指在基因水平上，采用類似于工程設計的方法，按照人類的需要，對其進行設計，然后根據(jù)設計方案，創(chuàng)造出具有某種新的性質(zhì)的生物新品系，并能夠?qū)⑵浞€(wěn)定地遺傳給下一代。一般可分為四步：一步是獲取符合人體需要的 DNA，也就是“目的基因”；二步是將目的基因通過質(zhì)?；虿《?DNA的方法進行擴增，得到目的基因的重組 DNA；三步是在特定的細胞中導入重組 DNA；四步是篩選出能夠使目標基因得以表達的受體細胞。因為基因工程是在分子層面上進行的，所以可以跨越種間的遺傳壁壘，跨越種間的不相容性［1］。

（2） 細胞工程學是通過細胞融合、核質(zhì)移植、染色體或基因移植、組織與細胞培養(yǎng)等手段，實現(xiàn)對生物新品種的快速復制與培育。細胞工程技術的研究主要有體細胞融合，細胞核移植，細胞器吞噬，染色體重組等?！绑w細胞融合”是將兩個不同類型的細胞，通過一種特殊的方法，將兩個不同類型的細胞結(jié)合在一起，形成一個雜合體，這樣就可以實現(xiàn)兩個親本的共同表達，從而突破遠緣生物之間無法相互交流的壁壘，為新的物種的產(chǎn)生提供了可能。通過這一技術，小鼠和田鼠、小鼠和小雞，甚至小鼠和人類，都可以通過體細胞進行雜交。盡管目前動物中的雜合細胞仍處于分裂傳代階段，無法實現(xiàn)完全的個體化，但是其在理論和分子標記等方面的應用卻有著重要的意義。而通過體細胞融合形成的雜種，已經(jīng)完全形成了單株，從而形成了新的雜種植株［2］。

（3） 生物工程酶是一類能催化生物代謝的蛋白。有機小分子作為一類特殊的催化劑，可以實現(xiàn)高效的催化反應，且反應條件溫和，產(chǎn)物污染小，能耗低，反應易于調(diào)控。酶工程指的是通過酶的催化作用，對物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化，從而生產(chǎn)出人們所需要的產(chǎn)品的技術，它是將酶學理論和化工技術相結(jié)合的一項高新技術。酶工程學為醫(yī)學和醫(yī)學領域作出了重要的貢獻。如今，包括菠蘿蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶、胃蛋白酶在內(nèi)的十多種酶，已經(jīng)被應用到了食品和藥品中，用來緩解很多胃分泌功能異常病人的痛苦；此外，還有一些新的青霉素制品和青霉素酶抑制劑，這些都是在醫(yī)藥和醫(yī)藥領域中取得成功的例子［3］。

1.2現(xiàn)代生物技術的特點

其主要特征包括：（1）以生物體為研究對象，并不依靠地球上有限的資源，而注重可再生的資源；（2）該工藝在常溫常壓下進行，工藝簡便，可以連續(xù)運行，節(jié)能降耗，降低了對環(huán)境的污染；（3）為制備高純度，高質(zhì)量，安全可靠的生物產(chǎn)品提供了一條新的道路；（4）能夠克服用常規(guī)工藝或常規(guī)工藝無法克服的困難；（5）根據(jù)人類需求，有針對性地創(chuàng)造出新的物種，以及其它具有經(jīng)濟意義的生物［4］。

2環(huán)境生物技術的基礎研究對水污染治理技術的應用2.1關于微生物遺傳學的研究

大量的微生物和原蟲具有凈化污水的能力，而傳統(tǒng)的生物處理方法主要是通過馴化和繁殖來實現(xiàn)，其對污水的降解效率很低。自上世紀70年代起，人們在篩選出對某些毒性大、組分單一的高濃度有機污水中，通過純化、分離、純化等手段，取得了良好的效果，并在污水處理中得到了廣泛應用，取得了良好的效果。然而，從自然界中獲得的細菌，其對污染物的降解性通常受到限制，需要對細菌進行基因改造，并通過定向培育具有超高降解性的工程細菌，來大幅提升細菌的降解能力。這一變化對環(huán)境生物技術的發(fā)展具有重要的促進作用［5］。

微生物的繁殖方法包括：原生質(zhì)體混血繁殖、遺傳工程繁殖等。利用原生質(zhì)體融合可以突破物種之間的遺傳壁壘，使一個菌株具有兩組或多組雙親。目前，該技術的應用已經(jīng)獲得了顯著的發(fā)展，例如已經(jīng)成功地研制出了用于污水處理的多功能酵母和用于處理高蛋白質(zhì)污水的曲霉雜種。

遺傳工程技術從80年代開始用于環(huán)保。通過遺傳改良，可以將目標基因聚焦到特定功能的基因上，使其優(yōu)先發(fā)生變異，從而使其具有更好的功能。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一批含有抗汞、抗鎘、抗鉛等重金屬抗性基因的細菌。將工程化的細菌應用到活性污泥的處理中，可以使污泥的凈化效果維持幾個月。當前，大多數(shù)的基因工程菌仍處于純培養(yǎng)狀態(tài)，對其降解石油、纖維、農(nóng)藥等有機污染物及其對重金屬污染的水質(zhì)進行了研究［6］。

2.2關于生物凈化酶學研究

在此過程中，微生物對環(huán)境的凈化是通過生物酶的催化來完成的。因此，對生物凈化酶的活性和適合的反應條件進行深入的探討，對其應用具有重要意義。80年代以后，隨著生物技術在環(huán)保方面的應用，將污水生物處理技術推向了一個新的高度［2］。

目前，該領域的研究重點已從常規(guī)的分離和篩選，擴展到了對降解產(chǎn)物的代謝途徑，降解酶系的構(gòu)成等方面。根據(jù)實驗結(jié)果，活性污泥中含有大量的脫氫酶，淀粉酶，脲酶，脂肪酶，過氧化氫酶，胰蛋白酶等。在此基礎上，研究了不同種類的原蟲和微生物在活性污泥中的去除效果。由于微生物的脲酶和蛋白酶較高，所以廢水中的尿素和蛋白質(zhì)主要由微生物降解，從而提高了廢水中的氨基酸含量。因為原生動物的過氧化氫酶活力要比細菌高得多，而且原生動物可以將細菌的降解過程中所生成的氨基酸作為氮源，并參與到了氧化過程中。所以，當有原生動物的時候，出水中的有機質(zhì)、氨基酸、水溶性磷含量會明顯降低，這些酶的活性水平也會受到反應條件的影響，例如污水的 pH、溫度、突變劑等。污水中的污染物組分復雜，且含有毒性物質(zhì)，會對其酶活性產(chǎn)生影響，這使得對污水中微生物的凈化性能的研究變得更加復雜和困難［7］。

目前，利用固定化技術來改善酶的活力已成為一個非常熱門的課題。然而，目前的固定化技術存在著使用范圍較窄、成本較高等缺點，限制了其推廣應用。由于微生物是一個多酶體系，且具有較高的穩(wěn)定性和較高的催化效率，因此，微生物固定化技術在世界范圍內(nèi)受到了極大的重視，已有很多研究結(jié)果。英國 ICI公司將細胞固定化技術應用于氰化物廢水的治理，開創(chuàng)了將生物技術應用于環(huán)保的一個新的方向。美國、德國、日本、中國等國家已將其應用于高濃度的有機廢水和重金屬廢水的治理，并對廢水進行了脫色，得到了較好的結(jié)果［8］。

3環(huán)境生物技術在水污染治理中的開發(fā)與應用3.1生物發(fā)酵技術

其中，最早涉及到的就是污水的生物處理。在污水處理領域，當前國內(nèi)外研究熱點有：（1）基于升流型厭氧污泥處理廠，發(fā)展了一種新型的“水解好氧”處理（H/O）工藝。它的主要特征是在水解酸化階段進行厭氧處理。H/O方法對含表面活性劑廢水、焦化廢水、染色廢水等廢水進行了有效的處理，對廢水中的 COD的脫除率比傳統(tǒng)方法提高了20%～30%；本工藝在水解過程中，對木材中的真菌、細菌進行了有效的菌種培養(yǎng)，從而使制漿過程中的 COD脫除效果得到了明顯的改善；在此基礎上，采用高效的脫色細菌對染料廢水進行處理，對染料廢水的脫色率可達80%。（2）生物除磷、脫硝技術。70年代以后，利用湖泊廢水中的磷、氮等進行生物除磷、脫硝的技術有了很大的發(fā)展。生物除磷技術是指在城市生活污水中，聚磷微生物過量攝入的一種新的處理方法。聚磷微有機體包括：假單胞菌屬（Pseudomonas）、氣單胞菌（Pseudomonas）、不動桿菌屬（Pseudomonas）等。氮磷是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素，因此，發(fā)展高效的氮磷同步脫除技術是實現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的關鍵。其中，氮磷污染是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關鍵。（3）Cross-Organic Report（SBR）：80年代發(fā)展起來的一種新工藝，適用于城鎮(zhèn)污水處理廠的日處理能力不超過200 000 t［9］。

3.2生物強化技術

生物強化技術能使微生物在高鹽、高濃度等極端條件下仍能維持較高的活力，適用于高毒性和高濃度廢水的處理。該工藝不存在污染物遷移和二次污染問題。同時，該方法使用的時間更短，并且與常規(guī)方法相比，該方法的工藝參數(shù)更高，工藝更快。療效顯著［10］。

（1） 基因轉(zhuǎn)移作用。通過對污染物進行篩選，我們可以發(fā)現(xiàn)具有特殊代謝基因和代謝特征的微生物，然后將生物強化技術引入到這些微生物當中，加快自然界中的基因交流和微生物的構(gòu)建，從而削弱微生物的降解能力，提高污染物的降解效率。

（2） 共代謝作用。一些污染物質(zhì)是無法被細菌完全清除的。但是，如果在水中存在著其它底物的時候，可以在適當?shù)臅r候?qū)⒛承┘毦踩氲剿校缓蟾鶕?jù)細菌的協(xié)同作用等改變污染物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將水里的污染物進行降解，從而進行處理。以水為目標可以在水中添加某些營養(yǎng)物質(zhì)，并與細菌、細菌、細菌等共代謝產(chǎn)物，從而將水里舊有的底物，如乙烷、二氯苯、苯酚、氨等，從而獲得它們生存所需要的能量。在經(jīng)過微生物的催化作用下，會生成一種能夠改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)并將其分解的水解酶［12］。

（3） 常規(guī)利用。利用菌株的選擇和突變技術，得到具有良好的新陳代謝性能的菌株，然后將這些菌株在被污染的水中進行增殖，從而對水中的污染物進行降解。這是一個很古老的辦法。工作人員把所得的碳和能被完全降解的細菌放在了水里，細菌會懸浮在水里，以粘附或自由的方式來分解污染物質(zhì)。

3.3生物反應技術

在此基礎上，提出了一種新的、具有廣泛應用前景的生物反應器技術。美，英，德，日本等先進的新工藝和新工藝的大規(guī)模投入，使得國內(nèi)外生物反應器的市場競爭日趨激烈，而我國北京，上海正在加緊研發(fā)。現(xiàn)在，我們已經(jīng)生產(chǎn)出了2 000 m3的大容量反應器。該系統(tǒng)采用射流動能與液面重量之差，在污水中進行回旋運動，可有效地提高污水的回收率。該菌株具有封閉性能好、環(huán)境友好等優(yōu)點，適用于從廢液中分離純化出單細胞蛋白，是目前國內(nèi)外對該領域研究的熱點。生物膜式反應器是將一種載體置于其中，并將微生物附著于其上而構(gòu)成的一種生物被膜式反應器。與 AS法相比，該工藝的處理量較小，投資較大，但操作簡單，操作成本較低。由于這一優(yōu)勢，目前歐美國家的廢水處理廠中，大約70%都在使用這一工藝［13］。

3.4固定化微生物技術

靜止生物技術是污染水體的一種治理手段，其對已有的細菌種群結(jié)構(gòu)的改變非常明顯，在污水的治理方面發(fā)揮了重要的功能?？煞譃槿箢悾謩e為吸附、植入和交聯(lián)。吸附是通過物質(zhì)粘附或者離子結(jié)合，將具有粘附性質(zhì)的細菌固定在介質(zhì)的內(nèi)部或者表面，從而為細菌的生長提供良好的環(huán)境。交聯(lián)方法是通過聚合反應將固定化的載體與細菌的細胞連接起來，形成一個非常剛性的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，用于對細菌進行生物降解。植入技術是通過溶液的相互作用將細菌引入到載體中。這是一種人工直接測定，而且對細菌活力的影響很大，是一種常用的、準確的測定方法。增強對微生物的依賴和抵抗毒素的能力，以減少對細胞的損傷，保證細胞的活力，提高細胞的成活率，減少細胞的損耗。這些微生物的數(shù)目迅速下降，逐漸成為生活在廢水中最常見的微生物，這樣不僅可以準確地降低給動物喂食微生物的概率，還可以縮短微生物在水體中的分解和停留的時間，降低水質(zhì)的污染［14］。

3.5城市污水生物凈化處理

采用穩(wěn)定塘、土壤處理等方法對生活污水進行了生物處理。穩(wěn)定塘既可以作為污水的一次處理，也可以作為一次處理和二次處理的設備，兩者的組合可以達到一次、二次或三次處理的目的。穩(wěn)定塘廢水處理工藝具有構(gòu)造簡單，無需特別工藝，即可實現(xiàn)廢水的持續(xù)處理。在瑞典，美國，加拿大等近40個國家中，已有40多個使用穩(wěn)定塘工藝的國家將其廣泛應用于造紙、制糖、紡織、印染、制革、食品、化工等行業(yè)。穩(wěn)定塘工藝在脫氮、脫磷等方面的效果優(yōu)于常規(guī)工藝，因此，將厭氣塘、好氣塘和兼性塘相結(jié)合的穩(wěn)定塘工藝是一種行之有效的新型工藝。土地處理系統(tǒng)指的是利用土壤及其微生物、植物根系對污染物的凈化能力，對污水進行處理，與此同時，還可以利用污水中的營養(yǎng)元素和水分，來促進作物、畜牧業(yè)或樹木的生長，從而產(chǎn)生一定的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。該工藝具有投資小、耗能小、操作方便、處理方便、處理效果好等優(yōu)點。自上世紀70年代開始，就受到了很多發(fā)達國家和發(fā)展中國家的高度重視，美國、澳大利亞、加拿大、新西蘭也對此給予了高度的關注。在水資源匱乏、土地資源富集的西北，采用土壤處理技術對城鎮(zhèn)污水進行處理，是一項具有重要意義的工作?，F(xiàn)在，土壤治理技術作為一項切實可行的技術被國家相關機構(gòu)推薦［15］。

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