时间：2022-04-12 10:44:53
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摘要：盐碱化土地的恢复和治理是人类共同面临的一个难题，解决草地盐碱化问题的根本途径在于恢复植被，改善土壤结构。生物改良技术具有物理、化学和水利改良技术所不具有的优势，如实用性、经济性和可操作性等。羊草、星星草、野大麦是目前进行植被重建时重点选择的品种。基因工程可提高植物的耐盐能力，受到越来越多的关注。
关键词：盐碱化草地；植被重建；生物改良技术
为本文通讯作者几十年来，国家和地方投入大量人力、物力和财力研究改造盐碱地，经历了从单项措施（20世纪50年代以农业改良措施为主、20世纪60年代以水利措施为主）到综合措施（20世纪70年代开始农、林、牧、水全面治理工作）、从小范围试验到大面积推广的过程，在土壤盐分的成因规律和特征、不同灌溉格局下的水盐运行机理、耐盐碱植物的筛选、盐碱地恢复与重建的技术措施等诸多方面，取得了新的进展和突破，收到了较好的治理效果。
１地表覆被
地表覆被可减缓或抑制水分与大气间直接交流，对表层土壤水分蒸发起到阻隔作用，明显减少土壤水分的蒸发，抑制盐分在地表积聚，防止土壤返盐，从而达到改良目的。地表覆盖物可以利用枯草层、作物秸秆等。
11枯草法
枯草混入土壤中，增加了土壤孔隙度，不断释放营养元素，改善了土壤结构和营养状况，使水盐运动发生改变，降低了土壤盐分。枯草在分解过程中释放出大量有机酸，起到了酸碱中和作用［1，2］。在枯草层实验区和光碱斑对照区内，播种了羊草和野大麦，播种量为75kg/hm2，播种时间为6月末。7月10日测得枯草层实验区羊草出苗数为66株/m2，野大麦出苗数为69株/m2；光碱斑对照区羊草出苗数为12株/m2，野大麦出苗数为16株/m2。枯草层实验区的羊草和野大麦出苗率分别为光碱斑对照区的46倍和43倍。到了9月20日枯草层实验区的羊草存留株数为17株/m2，野大麦为20株/m2；而光碱斑对照区的羊草仅存1株/m2，野大麦为3株/m2。有枯草层的羊草和野大麦的保留率分别为光碱斑的85倍和66倍［1］。维持枯草层是草地资源可持续发展和利用的必要条件之一。
12秸秆法
在裸碱地上扦插和平埋玉米秸秆，可以使土壤理化性质各项指标有所改善，土壤表层可溶性盐分明显下降，土壤有机质含量提高，土壤pH值降低。同时，秸秆可以有效地截留一定量的耐盐碱植物的种子，尤其是虎尾草种子［3］。吴泠等（2001）在约05hm2的裸碱斑上，把直径约2cm的玉米秸秆切成25cm长的片段，进行扦插和平埋处理。扦插的行距和列距均为40cm，扦插深度为5～10cm，秸秆的施用量为350g/m2；平埋处理行距为25cm，平埋深度为1～2cm，施用量为320g/m2。实验一年后，两种处理方式都取得了良好的改良效果，其中扦插处理比平埋处理的效果更好。扦插玉米秸秆可显著提高土壤种子库，改良区土壤种子数量为402 010±177 316粒/m2，次生光碱斑土壤种子库为1 010±3 116粒/m2，被截留的种子为植被恢复提供了种源。虎尾草能在玉米秸秆周围存活，每个玉米秸秆周围可生长319±212株，产量可达68 164±38 172g/m2 ［3，4］。使用秸秆法，不需要购买大量化学药品和大规模的机械和人力投入，技术相对简单、成本较低［3］。
2植被重建
21羊草
羊草广布于我国东北和内蒙古的草原区，营养价值高、适口性强，同时耐寒、耐旱、耐盐碱、耐践踏，适于调制各种干草，是抗逆性最强、适应性最广的野生优良牧草之一。目前羊草已成为我国北方盐碱化草地改良的主要优良品种之一［2］。播种后羊草形成繁茂的单优群落，主要靠根茎进行营养繁殖，播种后2～3年内应禁止任何利用，以使羊草群体获得充分繁殖生息的时间，增加羊草与其他杂类草竞争的能力。羊草根茎主要分布在土层5～10cm深处，根茎纵横交错，其上又生长较多的细根，地表又被植被覆盖，使土壤深层盐碱不能上返，表层的盐碱还会被羊草的活动所中和或下移，形成新的表土层，植物群落得以稳定。
22星星草
星星草为典型盐生植物，在平原主要生长在碱湖周围和低湿的盐碱斑上，属C3植物。以星星草为优势形成的草地，分布广、数量多，可用于割草又可用于放牧，是盐碱化草地上优良的牧草之一。由于星星草分蘖多，生长郁闭，可以积累、保持土壤的腐殖质，特别是地下的须根系，改善碱土的物理结构，土壤有机质、全氮、全磷含量增加，土壤全钠、全钙、全镁含量不同程度降低，土壤含盐碱量下降，从而达到改良碱斑的作用［5］。种植星星草三年的地块，0～10cm土层的pH值由1078降至875［6］。3年后可作适度放牧利用，并可作为割草场。
23野大麦
野大麦营养价值高，适口性好，抗逆性较强，在pH值85～95的碱性土壤中生长良好，先后在吉林、内蒙古、河北、甘肃、新疆、青海等省区都有栽培。野大麦草丛茂密，叶量大，较长的营养枝上可达86～134片叶。播种第2年后，每年可刈割两次，第1次在6月下旬为宜，第2次在8月下旬为宜。如果刈割后有条件施肥灌水，可大幅度提高产量［2］。
3基因工程
近年来，植物耐盐基因工程研究越来越受到关注，一些与植物耐盐性有关的基因相继被克隆，不同程度地提高了转基因植物的耐盐能力。应用于植物基因工程的耐盐基因主要有：渗透保护性物质合成基因、与水分胁迫相关的功能蛋白编码基因、与信号传递和基因表达相关的调控基因、与细胞排毒抗氧化能力相关的酶基因等［7-9］。
4小结
盐碱化草地恢复是一项长期的、复杂的、系统的、涉及多学科的综合治理工程，也是一个循序渐进、逐步显效的过程，经过多年攻关，该领域研究已取得很大进展。物理、化学、水利等措施易受条件限制，成本高，难度大。相比之下，生物措施成本低、见效快、易推广，能从根本上解决草地盐碱化问题，是盐碱化草地恢复技术的发展方向［10］。在理论和方法创新的支持下，将会不断出现盐碱地恢复的新材料、新方法和新技术，实现草地生态系统的可持续发展。
【摘要】本文对含油废水处理工艺中的生物处理技术进行了相关流程和方法的探究，并最终提出了生物深度处理技术这一发展趋势。
【关键词】含油废水；生物技术；过程；深度处理
一、生物处理技术的概况介绍与应用实例
（一）概述
生物处理技术处理含油废水指的是利用在微生物代谢作用下，将分散到水中的原油、有机污染物进行降解处理，使有机污染物质转化为稳定的无害物质，最终完全无机化。近来较普遍应用且相对成熟的生物处理工艺包括好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术两大类。顾名思义，所谓好氧生物处理技术，是指利用好氧微生物代谢作用处理含油废水的技术，按所选材料，分为活性污泥法、SBR法、生物膜法、氧化塘法、AB处理法等形式；而厌氧生物处理技术，则是利用厌氧微生物作用进行含油废水处理的技术，按处理设备，分为厌氧接触法、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧生物转盘等处理方法。这两类生物处理技术在有机物负荷、污泥产率，能耗、营养物需要量、应用范围，对水温适应性、启动时间以及处理效果各方面作用不同，相对来说，好氧生物技术在处理效果上较厌氧处理技术好，但两者各有其优缺点，单纯采用一种技术难以达到理想效果。因此，结合使用两种处理技术进行含有废水处理变得较为普遍，遵照分级处理程序，先采用厌氧技术进行初步处理，利用好氧工艺进行处理检验和再处理，以确定合理的技术过程。
（二）实例
学者对含油废水处理技术的综合研究表明，油田污水的处理方法很多，如物理法、化学法等，这两种方法都能够获得一定的处理效果，但存在较多劣势，前者成本高，后者由于投入了化学药剂极易产生二次污染。相比之下，生物处理技术的经济性、适用性最强，对于大规模污水处理收到较好效果。在国内许多油田得到应用，以下对应用该技术的油田及其废水处理工艺作基本介绍：1.胜利油田王家岗废水处理站，该站点建成投产于2002年，利用美国公司菌种，由油田自行设计完成占废水总量约为70%的含油废水处理工程。其技术处理过程为：含油废水—接收罐—两级大罐沉降—溶气浮选—混合池—接触氧化池—沉淀池—计量排放。该站经过生物处理技术的废水指标满足国家废水排放标准。2.大港油田东二废水处理站，该站用美国公司RBC菌种，借助容积为2700m3的接触氧化池每天处理上万立方的废水。其废水处理技术过程为：两级沉降—过滤—隔油—接触氧化池—缓冲池—氧化塘—排放。经处理后的废水符合国家要求排放标准。3.冀东油田高一联废水处理站；该站同样建成并投产于2002年，该工程采用石油大学技术每天实际处理的废水量约3600m3，仅小于设计处理能力400m3，其废水处理技术过程为：两级大罐沉降—过滤—缓冲罐—泵提升—冷却塔—均质池—厌氧池—中沉池—接触氧化池—二沉池—缓冲池—提升—排放。对外排水质的验收报告平均数据进行处理，表明废水排放符合国家标准。
二、含油废水生物处理技术方法
随着油田开采力度加大，采油技术也在不断发展，前后经历了天然能量动力、人工注水方式、改变注入水特性这三次采油变化。目前较普遍采用以人工注水方式保持地层压力，以及通过改变注入水的特性提高采油率的后两种采油方式。由于经电脱水、分离出来的“油田污水”成分复杂，除含原油以外，还溶有各种有害杂质，因此，选取生物处理技术对废水进行处理，方法有：1.曝气生物滤池组合工艺法，该方法是在微生物氧化分解作用，填料及生物膜的吸附阻留作用和食物链分级捕食作用以及反硝化作用下共同完成的。相比传统的活性污泥法，具有生物浓度、有机负荷高，占地面积小，过程简单，成本投入低，抗温性好，菌群组成合理，耐冲击性等优点。包括：1）膜生物反应器—曝气生物滤池法，它能够高效快速过滤超滤膜，同时有效降解高浓度活性污泥生物，且不借助二沉池和污泥回流系统，具有成本小、能耗低以及处理效果好等优点。2）超声气浮—BAF法，在羟基自由基氧化、气泡内高温热解和超临界水氧化三种因素作用下，利用声化学这一边缘科学，在大于20Hz的超声波条件下，提高化学反应速率，超声波有促进有机污染物降解和提高废水的可生化性的功能，但单独应用时去除废水中有毒物质的能力不高。3）A/O—BAF法，此方法模式是“隔油/气浮/二级生化”，处理效果不甚理想。2.氧化沟，氧化沟是在20世纪中期由荷兰开发的一种污水处理工艺，它是在传统活性污泥法的基础上进行改造生成的，污水和活性污泥的混合液可在沟渠形的曝气池中循环流动。其技术过程简单，处理效果良好，排放水达标。3.人工湿地，该方法处理污水最初是借助芦苇之类的人工湿地净化污水，去除其中大量有机和无机物。经过发展，演变为利用基质、微生物和植物，在生态系统的物理、化学和生物协调作用下，通过过滤、吸附、吸收和分解等一些列过程来净化废水，实现废水无害化处理目标。同时通过生物地球化学循环，有利于绿色植物生长。它在出水水质、营养物质去除能力、成本费用、技术含量、综合管理方便等方面具有明显优势。4.氧化塘，将各类微生物和藻类置于氧化塘中，发生氧化反应后，去除有机污染物，使其转变为无机物。研究表明，它对油、酚类有机物、硫化物等的去除效果都较好。5.特种菌类处理，在污水生物处理中，很多细菌具有特殊功能，这些菌类经过分离、培养后，对有机物处理有良好效果。
三、生物处理技术的主要问题及趋势
目前采用高效降解菌的生物深度处理技术在含油废水深度处理领域的研究已取得很大进展，但未来发展中仍存在以下问题，需要重视。体现在：1.由于含油废水所含有机物复杂、繁多的特性，需要结合各种方法，优化各步处理技术，再找出一套综合工艺，满足深度处理技术高效处理废水的要求。2.提高含油废水深度处理器中特殊菌的浓度与活性。在了解含油废水成分组成的基础上，分离、培养各筛选优势菌种，监测该菌的最佳降解条件。根据反馈信息，提高净化效率。3.基于生物工程技术的处理效果，创新技术。提高更有效处理含油废水的可能性。
国外处理采油废水的技术已经由单一利用一种方法转变为多种方法结合使用，出现了物理化学方法与生物技术综合运用，提高了废水处理效率和达标度。而国内多利用二次、三次采油工艺处理废水，相对较落后，不能达到理想的处理效果，为对油田中这种难降解含油废水进行处理，生物深度处理技术成为国内油田采油废水处理技术的发展趋势。
摘要 介绍了我国生态环境现状，阐述了现代生物技术在治理环境污染应用方面的优点及其在环境保护中的应用情况，并对其应用前景进行了展望，以期促进现代生物技术在环境保护中的应用。
关键词 现代生物技术；环境保护；应用；前景
随着现代工业技术的迅速发展，我国国民经济社会总体发展速度较快，城市化进程的步伐也日益加快。在经济高速发展过程中，环境问题也随之而来。为了全面建设小康社会，保证国民健康，维护社会可持续、健康发展，必须采取有力措施进行环境保护。因此，积极利用现代生物技术、加强环境保护已经成为人民日益关注的课题。为了实现社会健康、持续发展，实现各类资源的永续利用，环保工作者的首要工作任务就是努力保护和提高环境质量。
1 我国生态环境现状
在我国过去几十年的经济快速发展中，由于片面重视经济GDP的高速发展而忽视了经济发展中的环境保护，导致目前环境状况十分严峻。近年来虽采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续。我国是世界上环境污染最为严重的国家之一，由于工业“三废”污染、农用化肥和农药的污染，造成水体污染严重，无法利用。全国约300个城市工业生产和居民生活用水较为短缺，成为缺水城市，占全国600个城市中的50%；而农村这一情况更加严重，约有1亿人口和2亿头牲畜饮水困难。在广大农村，由于水体和土壤的严重污染，耕地利用效率大大降低，不仅减少了有效耕地面积，而且直接威胁居民身体健康，引发各类疾病[1]。目前的当务之急就是要尽快应用高新技术，综合治理和保护环境，从而有效控制环境污染，保持生物多样性和生态平衡。
2 现代生物技术在治理环境污染方面的优点
由于基因重组技术的发现和应用，一项以基因工程为核心的现代生物技术迅速崛起，并成为高新产业革命的重要标志之一。现代生物技术是以DNA分子技术为基础，包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程等一系列高新技术。环境生物技术是由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科，是应用生物圈的某部分使环境得以控制，或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术。这一技术在解决环境问题过程中显示出了独特的功能和显著的优越性，不仅充分体现出这项技术是一个纯生态的过程，且从根本上体现了可持续发展的战略思想。在环境的保护和污染治理中，环境生物技术与传统方法相比较，具有明显优势。生物转化技术可以真正实现清洁生产的目的，其充分利用生物过程减少生产中产生的污染，很大程度上代替了传统生产中的化学过程，更有利于实现无废生产，促进了生产工艺的生态化。现代生物技术的发展，尤其是酶工程、细胞工程、基因工程等，提高了生产效率，强化了环境生物处理过程，在工农业生产中应用这些技术，可以降低成本，其高专一性等特性为环境生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。
3 现代生物技术在环境保护中的应用
3.1 环境监测与评价
近年来，国内外研究较多的是应用PCR技术生物芯片、生物传感器等生物高新技术进行环境监测。Niedrhauser等利用PCR技术检测了食品中的单核细胞生利斯特氏菌（易导致人类脑膜炎）。传统方法至少需10 d时间，应用PCR技术大大缩短了分析周期，对该菌种的分析只需数小时。刘永军等通过设计多种肠道病原细菌的通用引物，运用实时荧光定量PCR方法，实现了环境水体中肠道病原细菌的定量检测[2]。可以预见，PCR技术在检测水体、土壤等环境中的致病菌、指示菌及基因工程菌方面将发挥越来越重要的作用。
近年来，利用生物传感器监测环境中的污染物，日益为人们所青睐。目前，生物传感器具有使用方便、成本低、省时、易制作等优点，如甲烷生物传感器、氨生物传感器、乙醇生物传感器、亚硝酸盐生物传感器、BOD生物传感器等已达到商业化应用水平，在环境监测中的应用前景广阔[3]。
3.2 工业污水和生活废水的处理与净化
工业污水和生活废水中含有多种有毒物质，例如氰化物、酚类、有机汞、重金属、蛋白质、有机酸、醇、醛、有机磷等，这些污水和废水成分构成复杂，净化难度也较大。生物净化污水的常用方法为固定化酶和固定化细胞技术，也就是酶工程技术。国外已经有许多成功的应用经验，利用固定化酶和固定化细胞实现对工业污水和生活废水中无机金属、有机污染毒物的高效处理。例如德国，以共介结合法制成农药降解酶柱，将酶固定于硅珠及多孔玻璃上，从而实现对多种农药的降解，包括对硫磷等，去除率超过95％。而在我国，固定化细胞技术的应用也有了较大发展，主要用于降解合成洗涤剂中的表面活性剂，对于含100 mg/L废水，酶活性保存率和降解率均超过90%。
（1）废水好氧生物处理。活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术，它是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝吸附废水中污染物，并在氧的作用下将这些物质同化为菌体本身组分。活性污泥有着很大的表面积，能够与混合液进行广泛接触，在较短的时间内，通过吸附作用，除去废水中大量的呈悬浮状态和肢体状态的有机污染物，使废水的BOD值大幅度下降。该方法不仅操作简单、方便，而且能使运行管理人员随时了解曝气池中活性污泥的浓度和泥质情况，从而掌握和控制整个工艺的运行参数，通过确定稳定的污泥沉降比值，从而达到高效污水处理的效果[4]。
（2）废水厌氧生物处理。厌氧生物处理又称厌氧消化，是在厌氧条件下由许多种微生物的共同作用，使有机物分解并形成甲烷和二氧化碳的过程。其过程包括水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。由于厌氧处理能量需求低，污泥产量低，能分解好氧生物所不能分解的微生物，因此这项技术也被广泛应用于当今废水处理方面，并达到了预期的效果。
3.3 污染土壤的生物修复
土壤污染也是较为严重的环境污染问题之一，其最主要表现形式是土壤板结沙化、重金属污染，导致土壤无法利用，威胁农业生产。利用生物修复技术治理土壤重金属污染，主要是通过酶促反应等生物作用，对土壤中的重金属进行固定，由于重金属元素的化学形态发生了改变，其移动性也相应降低，通过有针对性的生物对其吸收、代谢，可以削减土壤中重金属的含量，达到净化土壤和降低毒性的目的。其中应用最广的属低温微生物修复技术，重金属的低温微生物修复是利用低温微生物的生物活性，对重金属亲和吸附或转化为低重金属的污染程度。此外，污染土壤经过生物修复过程后还可以增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，由此可以改善土壤的生态结构，这将有助于土壤的固定，遏制风蚀、水蚀等作用，防止水土流失等[5]。
3.4 白色污染的处理和消除
我国每年产生的塑料垃圾数量十分巨大，对环境的破坏程度也十分严重，城乡废弃塑料袋和农用地膜在土壤中几十年都不分解，是形成环境污染的主要污染物之一，利用现代生物技术广泛分离可以降解塑料的微生物群。对塑料制品中的主要成分聚酯分子结构进行破坏，从而消除污染物质。日本及德国已经开展了相关研究，利用细菌生产塑料，通过基因工程方法，对细菌生产聚合物的功能基因进行分离和重组，实现多功能塑料的高效生产。英国在这方面的应用已经实现了产业化，利用微生物生产的塑料深受消费者欢迎，尤其是受到生态环境保护者的青睐。在应用现代生物技术治理白色污染的同时还应大力推广可降解的塑料制品和地膜的应用和研发，从根本上解决白色污染。
3.5 化学农药污染的消除
据估计，我国每年大量使用农药后，仅有0.1％左右的农药可以作用于目标病虫，99.9％的农药则进入农业生态系统，并在食物链中不断传递、迁移，对长期生活在农业生态系统中的人类构成危害，同时也对大气、水源造成污染。为了解决这些问题，人们致力于研制安全有效的方法，也取得了相应的进展。一方面是利用微生物对农药的毒害残留成分进行降解，消除其不利影响。微生物通过其生化途径，分解农药成分，形成无害产物，如CO2和H2O，从而实现无副作用的农药污染治理。另一方面应全面推广生物农药，从源头上消除农药对环境的污染。生物农药，主要是利用某些特殊微生物或微生物的代谢产物所具有的杀虫、防病、促生功能。其有效功能成分完全存在和来源于自然生态系统，是一种来于自然、归于自然正常的物质循环方式，它的最大特点是极易被日光、植物或各种土壤微生物分解。因此，可以认为它们对自然生态环境安全、无污染。英国科学家利用一种叫绿僵菌的真菌杀灭蝗虫，已经取得良好效果。目前，国际上真菌杀虫剂的开发研究方兴未艾，发展迅速[6]。
3.6 微生物脱硫治理空气污染
煤炭直接燃用时将排放出大量的SO2等有害气体，造成大气污染，并由此引发酸雾、酸雨，破坏生态平衡，危害人类健康。据北京环保局计算，2010年北京市仅燃煤每年排入大气的SO2就高达26万t。生物学家利用微生物脱硫，把Fe2+ 变成Fe3+，把单体硫变成硫酸，取得了良好效果。如日本中央电力研究所从土壤中分离出一种硫杆菌，它是一种铁氧化细菌，能有效除去煤中的无机硫。目前，在美国和德国已建成2个实验室规模的连续生化脱硫试验装置。4个欧洲研究组织在意大利撒丁岛已建成一套工业规模的中试连续生化脱硫装置。这些研究已经取得了很大的进展，获得了许多有价值的数据，为朝着工程应用方向发展奠定了基础。微生物脱硫技术简单，成本低，更为重要的是符合“源头防治”的环保新理念，比“末端治理”（污染产生后再治理）效益高，是很有前途的大气污染治理方法[7]。
4 发展前景
我国是一个发展中大国，改革开发30余年来，我国经济总量已居世界第2位，但经济持续高速增长的同时也伴随着严重的物质资源过度滥用和生态环境的严重破坏。现代生物技术作为一种有效的环境污染治理措施，受到越来越多的关注，其在环境生物监测、污染治理、生物修复等方面都得到了广泛的应用，并取得了很好的经济效益和社会效益。更新环保理念，积极借鉴发达国家先进的现代生物技术，对适合我国国情的新技术要加以引进、消化、吸收、创新，大力发展现代生物技术，是我国推进循环经济、实施可持续发展战略的重要组成部分，也是实现全面建设小康社会的宏伟目标，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展之路的重要技术保障。随着现代生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展为根本上解决环境保护问题
提供了无限的希望。现代生物技术的迅猛发展无疑将会推动环境保护理论及技术的日臻完善，为人类治理和保护环境提供更多可行、可用、有效的方法。
摘 要：随着全球范围内对环境保护的高度重视和越来越严厉的环境法，市场对环境生物技术的需求越来越广泛。同样，随着环境生物技术的进展和市场开拓，其应用已从单个的环境目标治理，发展为广泛应用于环境保护的各个方面。本文主要阐述了环境保护工程中环境生物技术的特点，并针对环境生物技术的重要进展进行分析论述，仅供参考。
关键词：环境保护；环境工程；生物技术
环境生物技术已不单纯是一种污染治理技术，而已开始影响到包括其他行业的产业政策，促进各工业部门逐步以生物过程替代传统的化工过程，如利用生物酶制剂在造纸行业中，进行生物漂白，减少甚至彻底替代化学漂白，并最终在造纸工业中实现完全的生物制浆和生物漂白，彻底解决严重污染我国水环境的造纸黑液问题，使许多污染行业的工业生产真正进入无污染的清洁生产的轨道。
1 环境生物技术的特点
生物是构成生态系统的要素，生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的。科技的发展也充分证明生物技术是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，加之其技术开发所预示的广阔的市场前景，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。
目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物，少部分利用植物作为环境污染控制的生物。生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。应用环境生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用生物方法处理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。大部分有机污染物适于作为底物，一些有机污染物经生物过程处理后可转化成沼气、酒精、生物蛋白等有用物质，因此，生物处理方法也常是有机废物资源化的首选技术。生物过程是以酶促反应为基础的，酶是一种活性蛋白，生物反应过程通常是在常温、常压下进行的，因而投资省、费用少、消耗低、效果好、过程稳定、操作简便，同时，它还可和其他技术结合使用。生物过程代替化学过程可以降低生产活动的污染水平，有利于实现工艺过程生态化或无废生产，真正实现清洁生产的目标。另外，生物技术的产品或副产品基本上都是可以较快生物降解的，且都可以作为一种营养源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化学药物、化石能源、人工合成物等，有助于把人类活动产生的环境污染降至最低程度，使经济发展进入可持续发展的轨道。利用环境生物技术可治理用其他方法难以处理的环境介质，即用生物修复技术净化环境，使受污染的宝贵资源如水资源、土壤等得以重新利用，同时还可进一步强化环境的自净能力。
2 环境生物技术的重要进展
环境污染不但影响了国民经济的可持续发展，甚至已威胁到人类的健康、智力乃至生存，因此全球各国近几年都在寻找新的途径和方法，以治理和解决环境污染问题。我国是一个发展中国家，经济水平和科技总体水平离国际发展水平仍有相当差距，这就要求我国在科技发展特别是环保高科技发展上，需跟踪国际前沿，与国际同步开发未来可能应用的高新技术。以下介绍几项已接近产业化的环境生物技术。
2.1 高硫煤微生物脱硫技术
我国是一个发展中国家，开发廉价的、操作简便的煤脱硫技术，将具有深远的经济和环境保护意义。与现有的物理、化学法相比，微生物洁净技术具有投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新污染，并可和现有的物理洗煤过程相结合，脱除其中的灰分，而煤基本无损失，且可提高煤的燃值等优势。
煤的微生物洁净技术主要是脱硫、脱尘。煤炭中的硫分主要包括有机硫和无机硫、无机黄铁矿硫以及少量的硫酸盐硫。其中，有机硫分、黄铁矿硫FeS2较易去除，早期的研究主要利用一些自养菌在几天时间里将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水中而排出。虽然该方法脱硫效率较高，可去除90%的无机硫，使某些煤的含硫量降至1%以下，但处理的时间较长，并要求较大的反应器容积和较细的煤炭粒径。
为提高脱硫效率，近年来研究人员把选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合，即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。另外，该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，所以也具有脱去灰分的优点。目前，浮选法微生物脱硫已成为国际上洁净煤技术开发的热点。
2.2 造纸工业生物制浆和生物漂白技术
造纸工业中的制浆和漂白工序是污染物产生的主要工序。与化学法相比，虽然机械法制浆纸浆得率高，可节省大量林木资源，但能耗很大，成品纸强度等质量性能不如硫酸盐浆，因而限制了这项技术的发展。生物技术可以帮助解决这问题，其中以生物制浆与生物漂白为最具优势，采用生物制浆与生物漂白可以有效减少蒸煮黑液和漂白废液的产生。利用微生物与微生物酶类进行生物制浆与生物漂白具有很大的优势和潜力，因为微生物极易生长繁殖，酶催化反应具有高度专一性，反应条件温和，并且高效无污染。
木质素是造纸工业中有效利用纤维素的最大障碍。传统的化学漂白法是采用多段的氯/二氧化氯漂白及碱提取来去掉木质素，在废水中会有大量含氯的、致癌致畸的物质，如呋喃、二恶英等，造成严重的环境污染和生态破坏。将生物预漂白技术引入制浆造纸工业中，用木聚糖酶对纸浆进行预漂白，至今，用于生物预漂白的木聚糖酶已经经历了三代的发展。目前，对第三代木聚糖酶的研究与应用正进入高峰期，采用基因工程与蛋白质工程手段获得性质优良的耐热耐碱木聚糖酶已成为各相关实验室的研究热点，期望不久的将来重组酶会更有效地应用于漂白工艺中。未来生物制浆和生物漂白的技术突破将使造纸工业摆脱污染，实现清洁生产。
2.3 污染土壤的生物修复
人类的生产活动，当代工业的迅速发展，大量的人造化学物质排放入环境中，对资源和环境构成越来越严重的破坏。化石燃料的开采和使用，工业三废的排放，给我们赖以生存的环境造成难以估量的污染，不仅制约了经济的发展，而且影响到人类的健康和生存。
针对严重污染的土壤，我国尚未采取大规模的治理措施，仅在少数地区开展了治理，并以物理化学方法(如洗脱、吸附)为主，不仅投资成本高，而且也造成了二次污染。对全国范围的污染环境进行修复，若采用传统方法，即使考虑劳动力相对便宜的因素，其投资规模将仍然非常庞大，如采用生物修复技术，不仅其投资规模大为缩小，而且还没有二次污染。综上所述，环境污染的生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展的生物技术，更具有广阔的市场和发展前景。可预见，在21世纪，生物修复技术将成为我国生态环境保护领域最具有价值和最具有生命力的大面积污染的优选生物工程技术。
生物修复技术是80年代以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术，其主要利用生物特有的分解有毒有害物质的能力，去除污染环境如土壤中的污染物，达到清除环境污染的目的。实践结果表明生物修复技术是可行的、有效的和优越的，此后该技术被不断扩大应用于环境中其他污染类型的治理。生物修复是采用诸如提高通气效率、补充营养，投加优良菌种、改善环境条件等办法来提高微生物的代谢作用和降解活性水平，以促进对污染物的降解速度，从而达到治理污染环境的目的。
结束语
目前，我国的环境生物技术处于刚刚起步阶段，该技术的进一步开发需要得到社会、同行及主管部门的广泛支持，大力开展以污染控制生物技术为主体的环境生物技术的研究，将大力推进生物技术在环境保护中的应用，并将通过生物高技术的发展带动整个环保科技的发展，解决我国目前和未来面临的严峻的环境保护问题，并为环保市场提供高品质的环境保护高技术，应该充分认识到环境生物技术开发对我国环境保护和社会、经济发展的重大意义。
随着农业革命、手工业革命、工业革命、商品国际化革命、信息产业化革命的推进,许多科学家们预言21世纪必将产生一次生物技术革命,而这一革命的主战场就是农业。现代生物技术可有效提高农作物产量、改善农作物的营养品质。因此,现代生物技术必然会成为未来农业发展的重要趋势。
1现代生物技术在农业领域的应用
1.1基因工程在农业领域的应用
基因工程即利用分子生物学和微生物学技术,设计好不同来源的基因顺序,在体外成功构建杂交DNA分子后导入受体细胞,使受体细胞表现出人们需要的表现型,产生出人们需要的物质。在农业领域应用基因工程技术,获得的农作物优质、高产、抗性强,还可获得畜、禽新品种及具有特殊作用的动、植物。例如,经过7年的努力攻关,2011年胜利突破了大面积示范(即6.67hm2示范)平均产量为13500kg/hm2的超级杂交稻第3期目标,达到了13899kg/hm2[1];运用转基因技术将相应的基因导入油菜中有望培育出转基因抗病油菜新品种[2];运用基因工程技术可将抗除草剂基因导入农作物中,使农作物能够不受除草剂的影响,目前已生产出多种抗除草剂作物品种,应用广泛[3]。
1.2细胞工程在农业领域的应用
细胞工程是指在体外培养细胞,以改变细胞某些生物学特性为目的将不同作物或动物进行细胞杂交,使植物或动物个体繁殖速度加快,以获得优良品种或新品种及某些具有特殊作用的物质的一门技术[4]。细胞工程技术在植物快速繁殖、植物新品种选育等方面发挥着重要作用。目前植物体细胞杂交应用较多,如可以将马铃薯细胞和番茄细胞进行杂交,可获得上结番茄下结马铃薯的“番茄马铃薯”;将豆科植物与向日葵进行细胞杂交,可培育出具有高营养价值的“向日豆”[5]。
1.3发酵工程在农业领域的应用
发酵工程即利用微生物具有的特殊作用生产出对人类生产有用的产品,或直接将微生物应用到工业生产过程的一门新的技术。发酵工程主要可应用在农业领域的2个方面,一是生产传统的发酵产品,如果酒、茯砖茶、食醋等;二是生产一些食品添加剂。如茯砖茶的制作过程中就运用到了发酵工程技术,通过调控渥堆时间、使用接种剂、发酵剂等方法可以改进茯砖茶的加工工艺,进而可生产出“金花”饱满、品质优良的茯砖茶。
1.4酶工程在农业领域的应用
酶工程,简单来说就是利用酶的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质。酶工程可应用在农业领域中的制酒、制酱等方面。例如,随着我国粮食的不断增产,一些地区出现了粗粮过剩的问题,需要解决粗粮的淀粉利用。解决办法之一是生产葡萄糖,但由于葡萄糖甜度不大,难以在市场上应用。最有效的办法还是运用酶工程技术的手段,将葡萄糖转变为甜度大的果糖,果糖不仅比葡萄糖甜度大,其比蔗糖的甜度还高50%以上。
2微生物肥料在农业领域的应用
2.1微生物肥料的特点
微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料,在农业生产中应用该种肥料可获得特定的肥料效应[6]。生物肥料的定义分为2个方面,从狭义上讲,生物肥料就是指微生物肥料,是由具有特殊作用的大量有益微生物发酵产生的,活性高。施入该种肥料能够产生活性物质,能够增加作物的固氮作用,改善土壤的理化性质,使作物的生长环境变得更好,使作物生长更优、产量更高。从广义上讲,生物肥料泛指各种具有特定肥效的生物制剂,包括特定的活的生物体、生物体的代谢物或基质的转化物等,此种生物体不限定,既可以是微生物,也可以是动、植物组织和细胞[7-8]。
2.2生物肥料的应用优势
微生物肥料具有其他化肥和农药没有的优势,可有效改善土壤的理化性质,提高土壤肥力。目前微生物肥料已应用在绿色有机食品生产、农业生态环境保护以及高产、优质、高效农业的持续发展中,并发挥着极其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身无毒害作用,对环境几乎无污染;同时,施用量一般不大,在其生产过程中所消耗的能量也很少,因而可节约农民的施肥成本。此外,微生物肥料还可改善土壤的理化性质,减少土壤营养流失和富营养化的产生,实现土壤的可持续化利用。
2.3微生物肥料的应用前景
目前,微生物肥料在农业领域方面的应用已越来越广泛,也得到了农民以及社会的逐步认可。国内外都在积极发展绿色农业和绿色食品,微生物肥料作为一种保护生态环境、维护人类健康的理想肥料在农业生产中的应用必将越来越广泛、越来越重要。但是如何合理的使其替代化肥并更稳定地发挥其生态作用是未来研究的方向[11-12]。
【摘要】 生物技术已经深入中药研究和开发的各个领域,在高质量中药天然药物原料的研究生产及中药材资源可持续利用中发挥着极大的作用。
【关键词】 生物技术;中药现代化;应用;综述
中医药学是我国在自然科学领域最有特色的学科之一,中药现代化就是将传统中医药的优势和特色与现代科学技术相结合,把中药推向国际化。生物技术作为一种综合了生命科学与多种现代科学理论与研究手段的高技术,在21世纪将对生命科学的各个领域产生十分深远的影响。
1 生物技术在高质量中药天然药物原料的研究生产及中药材资源可持续利用中的应用
生产具有国际竞争力的现代中药,其前提是有高质量的中药原料。现代中药必须严格保证所用的药材原料无污染,农药残留和重金属含量在十分安全的范围内,药效物质基础的含量稳定、可靠并有严格的质量标准。我国中药资源达1.2万余种,这些中药材中部分涉及到珍稀濒危物种,因此对珍稀濒危中药材的挽救、保护与合理利用迫在眉睫。迁移珍稀濒危动、植物至饲养地和植物园是保存物种的重要方法,建立相应的基因库用于保存动植物的基因,考察物种的变异具有重要意义。
就中药材栽培而言,GAP的实施已成为业内共识。基因技术在这方面正在逐渐发挥重要作用,如中药材优良品种选育、道地性药材遗传特征分析、抗性基因的转基因药用植物等。
应用RAPD技术对南北苍术间的差异进行了分析,认为苍术的道地性是在遗传和生态两因素长期复杂作用下形成的遗传和化学成分有稳定差异的居群[1];李萍等将5srRNA基因间区序列的变异用于对金银花药材道地性的分析[2]。有报道用转基因植物可生产外源基因编码的产物(如a栝蒌素、干扰素等),随着表达效率的提高和受体植物范围的不断扩大,将有可能在传统中药材中加入有用的新遗传特性,增加植物的抗病能力等,这将为中药材的绿色栽培奠定良好的基础[3]。
2 细胞工程技术为中药人工资源的开发提供了有效途径
作为中药和天然药物发挥药效活性的物质基础,天然活性成分往往含量很低,而天然野生资源随着药物的开发利用储存量不断下降,其原料来源能否满足批量化生产的需求,是所有天然创新药物开发所面临的重大难题,也是高水平中药能否广泛应用并走向世界的瓶颈。因此,针对特定有效成分或组分生产的中药人工资源开发生产技术引起了研究者的极大关注。为合理利用其资源,可利用生物技术的方法和手段进行一些珍稀濒危品种的快速繁殖,研究其在自然或人工控制条件下个体更新的速率及规律等,如石斛试管苗的快速繁殖。
发酵工程利用生物细胞在人工条件下的快速增殖与次生代谢产物的产生,为人工资源的生产提供了技术平台。目前,以冬虫夏草菌发酵生产的菌丝体及产物已形成产业化规模,并有相应的下游产品畅销。
以微生物、植物、动物细胞为反应器,进行天然活性物质的生产和加工,也已引起研究者的极大兴趣,以此推动的天然产物的生物转化和生物合成研究与开发,在国内中药研究和开发中的作用正为更多的研究和生产部门所重视。许建峰[4]等利用高山红景天培养细胞生物转化外源酪醇生产红景天苷。紫杉醇作为一种作用机理独特的天然抗癌药物,自发现以来受到了人们的广泛重视,但其在植物红豆杉中的含量极低,而红豆杉生长缓慢,资源匮乏,因此严重限制了紫杉醇的进一步开发应用。为此,近年来各国科学家在寻找及扩大紫杉醇的药源途径上进行了大量的工作。甘烦远等对紫杉醇的研究进行了综述,通过两篇综述所反映出的研究内容可以看出为解决紫杉醇的资源问题。全世界的科学家分别从筛选高产红豆杉栽培品种、微生物生物合成、化学合成、生物合成途径探索、生物合成关键酶的发现及其基因表达等多途径进行资源研究,而这些研究中生物合成与生物转化技术起着极为重要的作用。
3 酶工程是中药活性成分生产追求的最佳技术手段之一
就疗效确切的单一天然活性成分而言,能够通过工业化生产获得天然结构复杂的单一产物是人们追求的目标,但天然化合物结构复杂,常有多个不对称碳原子,合成难度较大或合成条件苛刻;而酶工程为这类成分的获得提供了新的途径。如金东史等利用酶转化方法将人参中的主要皂苷成分转化成含量只有十万分之几的人参皂苷Rh2,并达到了月产30kg的生产规模[5]。
4 生物技术为提高中药品质评价水平提供了新的实验方法
中药材是中药研究开发的基础,基础的质量标准无法控制,以后的研究和开发均属无本之木,其质量标准的制定也就失去了意义。中药材的质量控制主要应包括两个方面的内容,一是品种的控制,主要是解决真伪的问题。其二中药材的有效物质是次生代谢产物,其积累主要与其合成关键酶的表达及表达量等有关。因此建立合理中药材的生产和质量评价体系将对中药现代化尤为重要。
基因分子标记技术在中药品质评价中的应用,使中药材鉴定的方法从传统的形态表征分析推进到对生物遗传物质的分析。在中药的分子鉴别研究中目前主要有以下一些方面:(1)基于PCR方法的DNA分子标记技术,如RAPD、AFLP等;(2)基于分子杂交的DNA分子标记技术,如RFLP;(3)基于DNA序列分析的分子标记技术,如DNA直接测序法、PCRRFLP法[6]。利用这些基因鉴别方法对了解和分析药用动(植)物的遗传特性、基因与药材产地、化合物积累的相关性等均具有重要意义。
5 生物技术为中药和天然药物新药研究与开发提供了新的工具和途径
中药新药的研发是中药现代化和国际化的关键,要研制符合国际标准规范的现代中药,应用现代先进的科学技术势在必行。
5.1 生物芯片为中药新药分子水平的机理研究提供依据:中药鉴定基因芯片,可以对中药材的产地、质量进行鉴定;可以搞清楚中药作用的分子机理,筛选出中药有效成分。
5.2 生物转化及生物组合化学为以天然活性成分为先导化合物发现新药提供了新的思路与方法:生物转化技术可以弥补化学合成的不足,1997年Khmelnitsky利用盐活化生物催化剂脂酶,成功地在有机相中进行了紫杉醇系列衍生物的生物合成。由此可见,生物转化技术在以天然活性成分为基础的创新药物研究与开发中具有重要的意义。
5.3 生物技术为天然微量活性成分的生产提供了新的技术平台:中药中微量高效成分的研制开发一直是困扰医药产业界的核心问题,利用定向生物转化技术可将天然药物中的高含量成分转化成微量高活性成分,因此大大提高微量成分的含量,使其达到产业化的要求。如研究发现多种微生物能定向地将含量较高的喜树碱转化为10羟基喜树碱。丁家宜等利用人参毛状根成功地实现了对羟基苯醌生物合成天然熊果苷。
5.4 物技术实现天然结构复杂活性化合物的结构修饰:天然活性成分的研发中还有一个
难以解决的问题,即天然活性成分常常体内外药效学活性差异较大,其中一个重要因素是其在体内吸收不好,导致生物利用度太低。利用生物技术实现天然结构复杂活性化合物的结构修饰,对提高这类成分的生物利用度,进而实现产业开发具有重要意义。
综上所述,生物技术已经深入中药研究和开发的各个领域,虽然大多数研究尚处于起步阶段,但其影响正在不断扩大,所显示出的潜在社会价值和经济效益也日益得到重视,生物技术将深入到中药新药研制的各个环节。正确利用现代生物技术合理地解决中医药现代科学研究和产业开发中的重要问题,必将有力地推动我国的中医药现代化和国际化进程,为加入WTO后的中国民族产业的国际竞争注入活力。
随着农业革命、手工业革命、工业革命、商品国际化革命、信息产业化革命的推进,许多科学家们预言21世纪必将产生一次生物技术革命,而这一革命的主战场就是农业。现代生物技术可有效提高农作物产量、改善农作物的营养品质。因此,现代生物技术必然会成为未来农业发展的重要趋势。
1现代生物技术在农业领域的应用
1.1基因工程在农业领域的应用
基因工程即利用分子生物学和微生物学技术,设计好不同来源的基因顺序,在体外成功构建杂交DNA分子后导入受体细胞,使受体细胞表现出人们需要的表现型,产生出人们需要的物质。在农业领域应用基因工程技术,获得的农作物优质、高产、抗性强,还可获得畜、禽新品种及具有特殊作用的动、植物。例如,经过7年的努力攻关,2011年胜利突破了大面积示范(即6.67hm2示范)平均产量为13500kg/hm2的超级杂交稻第3期目标,达到了13899kg/hm2[1];运用转基因技术将相应的基因导入油菜中有望培育出转基因抗病油菜新品种[2];运用基因工程技术可将抗除草剂基因导入农作物中,使农作物能够不受除草剂的影响,目前已生产出多种抗除草剂作物品种,应用广泛[3]。
1.2细胞工程在农业领域的应用
细胞工程是指在体外培养细胞,以改变细胞某些生物学特性为目的将不同作物或动物进行细胞杂交,使植物或动物个体繁殖速度加快,以获得优良品种或新品种及某些具有特殊作用的物质的一门技术[4]。细胞工程技术在植物快速繁殖、植物新品种选育等方面发挥着重要作用。目前植物体细胞杂交应用较多,如可以将马铃薯细胞和番茄细胞进行杂交,可获得上结番茄下结马铃薯的“番茄马铃薯”;将豆科植物与向日葵进行细胞杂交,可培育出具有高营养价值的“向日豆”[5]。
1.3发酵工程在农业领域的应用
发酵工程即利用微生物具有的特殊作用生产出对人类生产有用的产品,或直接将微生物应用到工业生产过程的一门新的技术。发酵工程主要可应用在农业领域的2个方面,一是生产传统的发酵产品,如果酒、茯砖茶、食醋等;二是生产一些食品添加剂。如茯砖茶的制作过程中就运用到了发酵工程技术,通过调控渥堆时间、使用接种剂、发酵剂等方法可以改进茯砖茶的加工工艺,进而可生产出“金花”饱满、品质优良的茯砖茶。
1.4酶工程在农业领域的应用
酶工程,简单来说就是利用酶的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质。酶工程可应用在农业领域中的制酒、制酱等方面。例如,随着我国粮食的不断增产,一些地区出现了粗粮过剩的问题,需要解决粗粮的淀粉利用。解决办法之一是生产葡萄糖,但由于葡萄糖甜度不大,难以在市场上应用。最有效的办法还是运用酶工程技术的手段,将葡萄糖转变为甜度大的果糖,果糖不仅比葡萄糖甜度大,其比蔗糖的甜度还高50%以上。
2微生物肥料在农业领域的应用
2.1微生物肥料的特点
微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料,在农业生产中应用该种肥料可获得特定的肥料效应[6]。生物肥料的定义分为2个方面,从狭义上讲,生物肥料就是指微生物肥料,是由具有特殊作用的大量有益微生物发酵产生的,活性高。施入该种肥料能够产生活性物质,能够增加作物的固氮作用,改善土壤的理化性质,使作物的生长环境变得更好,使作物生长更优、产量更高。从广义上讲,生物肥料泛指各种具有特定肥效的生物制剂,包括特定的活的生物体、生物体的代谢物或基质的转化物等,此种生物体不限定,既可以是微生物,也可以是动、植物组织和细胞[7-8]。
2.2生物肥料的应用优势
微生物肥料具有其他化肥和农药没有的优势,可有效改善土壤的理化性质,提高土壤肥力。目前微生物肥料已应用在绿色有机食品生产、农业生态环境保护以及高产、优质、高效农业的持续发展中,并发挥着极其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身无毒害作用,对环境几乎无污染;同时,施用量一般不大,在其生产过程中所消耗的能量也很少,因而可节约农民的施肥成本。此外,微生物肥料还可改善土壤的理化性质,减少土壤营养流失和富营养化的产生,实现土壤的可持续化利用。
2.3微生物肥料的应用前景
目前,微生物肥料在农业领域方面的应用已越来越广泛,也得到了农民以及社会的逐步认可。国内外都在积极发展绿色农业和绿色食品,微生物肥料作为一种保护生态环境、维护人类健康的理想肥料在农业生产中的应用必将越来越广泛、越来越重要。但是如何合理的使其替代化肥并更稳定地发挥其生态作用是未来研究的方向[11-12]。
在20世纪90年代，我国分子生物学家和育种学家合作，获得了具有自主知识产权的转基因抗虫棉花植株和相关专利，育成的众多品种已在全国各个棉区普遍种植。农业部在上世纪90年代，分别对转基因抗虫棉、转基因抗病番茄、甜椒等授予了安全证书，但后两者由于无明显商业价值，并未应用于生产。按照我国农业转基因生物安全管理条例，经过5个阶段严格的安全评价后，农业部于2009年11月向转cry1Ab／cry1Ac基因抗虫水稻华恢1号、转cry1Ab／cry1Ac基因抗虫水稻Bt汕优63在湖北省的生产应用，以及转植酸酶基因玉米BVLA430101在山东省生产应用发放了安全证书，但这些品种仍须通过品种审定方可进入种子销售市场。
作为植物生物技术发展较早的国家，美国自上世纪90年代以来，不断有新产品（品种）的研发，并经由美国农业部动植物检疫部门、环保局、食品药品管理局等生物技术产品监管机构根据产品对人类或动物食用、对环境安全影响的全面评价而确定能否进入市场。表2列出了1990—2012年美国已批准种植的转基因作物及所改造的性状。表中列出的10种植物中，马铃薯和番茄生物技术产品的研发主要在20世纪90年代，但由于应用价值不高，并未得到广泛应用；苜蓿、水稻等为较近期开发的产品。改造的性状已从早期单纯集中于耐除草剂（大豆、油菜）、抗虫（玉米、棉花）发展到通过基因改造与常规杂交等手段结合，同时改造多个性状，包括改良营养性状（如提高大豆、油菜种子油成分中不饱和脂肪酸含量，以改进油营养成分），提高对非生物胁迫抗性（如抗旱玉米的培育）等。而复合2种或3种性状的生物技术作物的种植面积有明显的增长，已有不少商用品种是既耐除草剂又抗虫的，近年来复合性状的范围更有所扩大，如，应用大豆遗传图谱定位和转基因技术结合，美国孟山都生物技术公司（简称孟山都）2009年推出了既耐除草剂又可增产7％～11％的大豆新品种RReady2Yield。
植物生物技术的新进展及前景
据联合国粮农组织估计，为保证全球人口增长的需求，在2005—2050年期间，全球食品生产的增加要达到70％。在增加农业产品的同时，还须面对减少资源耗用、满足消费者对健康食品需求等问题，这些都对植物育种提出了新的要求。作为当代育种重要手段之一的生物技术育种，近年来也把育种目标更多地转向高产、抗逆（非生物胁迫）、高品质等，即所谓第2代转基因育种。能合成类胡萝卜素的金稻米和抗旱玉米MON87460是其中2个成功的例子。
维生素A缺乏可引起夜盲、干眼病、角膜软化，甚至与儿童腹泻等有关，估计全球有过亿儿童处于维生素A缺乏状态。2000年，瑞士和德国的科学家领导的团队在《Science》上发表了他们通过农杆菌介导转化法，把来自植物黄水仙和细菌的β－胡萝卜素合成途径相关酶基因———八氢番茄红素合成酶基因（PSY）、番茄红素脱氢酶基因（CRT1）、番茄红素环化酶基因（带转运肽），用3个质粒共转化水稻未成熟胚，潮霉素筛选，获得了种子胚乳为黄色、干种子中胡萝卜素质量分数为1?6μg／g的转基因水稻株系，开创了这一通过转基因赋予稻米新营养成分的新领域，因其黄色的胚乳而被命名为金稻米。然而，由于产生的胡萝卜素含量太低，缺乏实用上的意义。随后的数年，这2位科学家与先正达公司合作，从导入的基因、启动子来源、筛选标记以及载体的选择等方面，作了一系列的改变［2］，如用以糖为筛选基础的标记代替了抗生素抗性的筛选系统，选用胚乳特异表达启动子、不同水稻品种用于转化等；而关键的突破来自PSY来源的改变，先正达公司的科学家经大量的比较、分析，发现导入来自玉米的PSY，可明显把转基因水稻干种子胚乳中胡萝卜素质量分数提高到最高可达36?7μg／g的水平，其中维生素A的前体β－胡萝卜素占80％以上，获得了GR1／GR2等株系。β－胡萝卜素被人吸收后，可经历酶解过程而转化为维生素A，按照美国国家科学院医学研究所推荐的儿童每天所需维生素A的摄入量，如以金稻米中胡萝卜素质量分数的保守估计为24μg／g计算，只需食用72g大米即可提供儿童每天维生素A需求的50％。成人的自愿食用试验结果表明，食用量为65～98g即可明显提高血液中维生素A的含量，可见大米中的β－胡萝卜素能有效地转化为维生素A。
金稻米的开发是学术机构（公共部门）和生物技术企业（私人部门）合作完成的，为保证其使用达到减少世界上贫困人口、特别是儿童中的维生素A缺乏症的研发目标，享有发明权和专利权的科学家和公司已达成协议，无偿授予发展中国家对相关品种的使用权。2005—2010年，通过一系列育种项目，这一性状已转育到世界各地多个地方品种中，近期已在国际水稻研究所和菲律宾水稻研究所完成田间试验，后者拟在2013年向菲律宾政府监管当局申报，争取2014年开始交给农民种植。
全球气候的异常变化、水资源的短缺使耐旱成为了一个重要的育种目标。孟山都的科学家发现把来自细菌的冷击蛋白CSP转入植物，能赋予受体对非生物胁迫的抵抗能力，如寒冷（拟南芥），冷、热和缺水（水稻），干旱（玉米）等。初步研究显示，CSP为一类RNA伴侣蛋白，存在于细菌和植物中，可能通过在转录和翻译中起作用而调节生物对胁迫的反应。鉴于美国中西部玉米种植区常有旱情，他们的进一步研究集中于玉米的抗旱性，在对多个基因和转化事件的表型和表达分析比较后，选定了产量、叶片生长、光合效率均表现良好的CspB?Zm事件1株系，并与生产品种配成3个杂交组合，进行控制给水条件下的田间试验，与非转基因对照比较，主要表现在籽粒数和带籽粒的穗数增加，平均可增产0?5t／hm2（10?5％）；随后在美国中西部干旱地区田间种植，增产达0?75t／hm2（15％）。该品系内转入的目标基因CspB来自枯草芽孢杆菌，命名为MON87460，2010年12月美国食品药品监管局已承认该产品的食用安全评价，2011年12月美国农业部解除对其监管，成为全球第1个可供生产应用的抗旱转基因作物品种。其与常规品种杂交获得的杂交种Drought?GardHybrid已作为孟山都公司的重要新产品在美国推出，以图提高干旱地区的玉米产量稳定性，有利于农民及环境。
此外，通过不同途径的改变，以提高产量、抗逆性、品质等为目标的研究也有不少报道，如Kebeish等［6］用细菌的乙醇酸分解途径作为叶绿体光呼吸的旁路，把相关基因引入到拟南芥，以增加光合作用和生物量，发现转基因植株生物量增加、光呼吸作用减少、光合作用有所改进；Mao等、Baum等［8］利用近年迅速发展的RNA干涉（RNAi）技术，开发全新的抗虫作物品种培育途径。其中，中国科学院上海植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室陈晓亚院士领导的课题组发现，棉花的一种代谢物———棉酚可抑制棉铃虫幼虫的生长，他们从虫中肠分离了棉酚诱导表达的基因———细胞色素P450基因（CYP6AE14），研究了其在幼虫对棉酚耐受性中的关键作用；进一步根据CYP6AE14编码序列构建RNA干涉载体，转化植物（拟南芥、烟草），用这些表达特异双链RNA的叶子喂饲棉铃虫幼虫，其中肠CYP6AE14转录水平下降，生长缓慢，在饲料中加入棉酚后生长抑制大大增加；试验结果表明，植物介导CYP6AE14基因的RNA干涉可有效增大棉酚对棉铃虫的毒性。这一研究结果提出了通过植物表达双链RNA，喂饲昆虫可成为启动昆虫RNA干涉的新策略，未来可应用于昆虫研究和田间害虫的控制中。
第3代的生物技术育种常指用植物生产各种重组蛋白，包括药用蛋白、工业用蛋白，也有报道称之为“植物分子农业（Plantmolecularfarming，PMF）”，它包括了从植物种植（或细胞培养）、收获、运输、储藏到蛋白质抽提、纯化的下游过程。早在20世纪90年代初，当植物转基因技术日渐成熟时，由于转基因植物具有成本低、容易规模化、可避免人源和动物源病原物污染等优点，被认为可以作为生物药物生产的一个重要系统；早期的设想多是拟在植物果实中表达疫苗，通过食用即可赋予使用者对该种传染病的预防能力。1992年，首个植物生产重组蛋白的报道———美国德克萨斯州的科学家在植物成功表达乙型肝炎表面抗原的文章发表于美国科学院院刊（PNAS），随后，类似研究也申请获得美国专利。然而，由于蛋白表达量低、稳定性差、食用难以控制疫苗剂量等问题，这类疫苗从未达到商业生产、投放市场的水平。十多年后，美国陶氏农业科学公司于2006年初宣布，其应用烟草细胞悬浮培养系统生产的禽类新城疫病毒疫苗已得到美国农业部批准，为全球第1个获批使用的植物生产疫苗。表3总结了目前处于临床试验，或批准使用的植物生产药物，包括疫苗、抗体、治疗用蛋白和保健用蛋白。应用不同的植物生产体系，如瞬时表达系统等生产的、针对乙型肝炎、狂犬病、H5N1流感的疫苗已进入不同阶段的临床试验。由于植物病毒介导的瞬时表达系统可迅速、高量在植物中生产重组蛋白，在抗体生产中有较佳的应用前景，第1个获欧盟作为医学建议并被美国食品药品管理局（FDA）批准新药应用观察的植物生产抗体是美国植物生物技术公司的产品CaroRxTM，该产品用烟草生产，功效为保护牙齿免受细菌的侵害。抗体外的一些治疗用蛋白质，如Biolex治疗公司研制的用于治疗乙型和丙型肝炎的α－干扰素（商品名Locferon）已完成临床Ⅱ期试验，而Pro?talix生物治疗公司研制，用转基因胡萝卜细胞培养生产，用于高歇氏病治疗的人葡糖脑苷脂酶（prGCD）于2009年进入III期临床试验，取得良好结果。此外，把编码重组蛋白基因转化谷类作物，在其种子胚乳表达，作为保健型产品，也已有数个成功的例子，如美国Ventria公司用水稻生产的人乳铁蛋白、人溶菌酶等，已被批准作为精细化学产品投放市场。
用生物技术手段，在植物生产药物的发展中，所用的植物体系主要包括转基因植物细胞悬浮培养为基础的生物反应器；用农杆菌渗透或病毒感染植物组织而导入重组蛋白基因并在其内瞬时表达的体系；以及通过常规遗传转化获得稳定的、在特定部位（如籽粒的胚乳）高效表达目标基因的转基因株系等。这些体系各有其优缺点，如细胞培养体系的生产全过程均在室内可控条件下进行，生产系统和产品质量可达到医药工业的标准，且易于通过安全监管，但其生产成本高、可用细胞类型少、蛋白表达水平有待提高等问题仍有待解决；瞬时表达最大的优点是可在短时间内生产大量的急需产品，如疫苗等，但其运输、储存难度大；常规遗传转化获得的转基因籽粒易于运输、储存以及生产规模化，但也存在产品开发耗时长、田间生产受环境影响大以及对环境安全监管要求高等问题。
过去20年的历史已经证明了植物为基础的体系确实可以生产各种类型的人体蛋白，近年来处于领头地位的新药物开发已到达临床研究的后期阶段，即将进入市场。作为一个低成本、高产的生物药物生产系统，各国政府、各种基金会、企业公司纷纷投放资金支持相关研究，以取得领先地位。如欧盟的PharmaPlanta联盟，日本经济产业省Meti项目，美国的BlueAngel项目，巴西的PMP计划等。
植物生物技术发展的成果是生物科学研究、技术开发、商业性生产三者结合的结果。30年来，它已从实验室走到了大田，证明了在增加粮食和饲料生产中发挥的作用。随着生命科学的发展，大量新技术的出现，这一新的育种技术及其应用范围也在不断的改进中：在基因来源方面，更多的来源于植物自身的基因正在取代第1代转基因作物中的细菌来源或人工合成基因；在目标方面，更多转向产量乃至总生物量的增加，如在高二氧化碳强度的世界中，通过修饰Rubisco大单位，改变其热稳定活性，增加叶片中淀粉的合成，进而增加植物的生物量；在影响新产品的关键技术———外源基因导入方法方面，新一代的技术———TALEN，即转录激活因子样效应物核酸酶（Transcriptionactivator?likeeffectornucleases）已被证明可以在植物中定点引起高频率的基因敲除、插入和取代，可成为一个把外源DNA定点插入受体植物基因组的重要平台，该技术的实际应用，将能克服多年来各种方法引入的外源基因均为随机插入而致的不良效应，按设计获得所需的转基因产品；在应用的范围方面，生物技术的应用使植物已不仅为人类提供食品和饲料，还将提供药品、工业用品（如生物活性化合物）和能源产品，如增加可能的能源植物的生物量等，有助于减少人类对石化燃料的依赖。随着植物生物技术自身的发展和完善、日渐成熟的监管体系以及人们对这一新生事物认识的增加，其应用将逐步为公众所接受，以在新型的可持续发展农业中发挥更大的作用。#p#分页标题#e#
本文作者：梅曼彤 单位：广州华南农业大学生命科学学院
摘要:二十一世纪随着科学技术的进步，各国的综合实力与国际竞争力不断增强，先进的技术也使得医药生物产业实现了突破性的进展，成为了增强本国经济综合实力的重要方式之一，医药生物技术的产业化发展越来越呈现出势不可挡的姿态。本文简略分析了全球和我国医药生物技术所取得的进步，阐述了我国目前医药生物技术产业存在的问题，并在此基础上，探讨了相应的解决措施。
关键词:医药生物技术;产业化;措施
近年来，医药生物产业的飞速发展，为各行各业带来了较为广阔的发展空间，将生物技术应用于医药产业，不仅使得医药生物产业发展迅速，也使得其成为相对活跃的产业之一。虽然医药生物产业目前发展的态势良好，但仍然存在着大大小小的问题，需要我们去探索和解决，才能使得医药生物技术产业跨向一个更高的台阶。
1医药生物技术发展的总趋势
从全球医药生物技术发展的状况来看，生物技术在医药行业的运用，正在引发着医药产业的重大变革。在2000年，全球生物技术产业的销售额高达500多亿美元，而医药生物技术产业的销售额就占去了60%，实际上自90年代以后，全球生物技术药品的销售额以年均30%的速度增长着。
2我国医药生物技术产业的发展状况
我国的医药生物技术产业的发展，相较国外的发展情况而言起步相对较晚，但是随着国家在医药生物技术产业的支持力度的加大，使得医药生物技术产业有了较快的发展，缩短了与西方先进国家的差距，在全球医药生物技术产业中占有了一席之地。
3我国医药生物技术与产业发展所面临的问题
随着我国社会的不断向前发展，医药生物技术及其产业取得了很大的进步，但是其发展过程中，不断的涌现出了许多问题，如在医药生物技术领域的资金投入不足;生物医药产品的自主创新不足，产品的研发能力有限等问题，这些问题在很大程度上阻碍了我国医药生物技术及其产业的更好发展。
3．1自主研发产品能力有限，创新性不足
在我国现有的生物技术药物中，只有少数部分是自主研发，拥有产品的自主产权，而绝大部分则是依靠国外的医药生物技术进行产品的仿制，真正的自主创新其实很少，以至于出现药品研制上的重复，药品生产的过量等多种问题，再加上国内缺乏对医药生物技术知识产权保护的意识，使得部分的医药生物技术及产业的发展停滞不前，导致药品生产企业之间的竞争压力增大，企业的利润不断减少，严重的出现亏损现象，最终血本无归。有的药品生产商为了避免出现这种情况，选择企业着重于仿制药品的生产，因为仿制药品可以减少自主研发的资金投入，相对来说费用较少，而且盈利较快，风险也就相对较低，这种思想的循环使得我国的医药生物技术难以实现突破性的创新。
3．2医药生物技术的研究成果难以转化为医药产品
这些年经过医药生物技术研究方面专业人才的努力，我国的医药生物技术在研究方面较以前取得了很大的进展，但现实是很难将这种研究上的成果转化为医药产品。
3．3在医药生物技术及产业的投资不足
从我国在医药技术研究中的投入资金来看，是远少于国外在医药领域的资金投入的，这也是为什么我国的医药生物技术的研究难有创新性的发展。医药生物技术产业本就是高风险、高投资、高回报的产业，医药生物产业得不到充足的资金支持，势必会阻碍其研发过程的进展，从而影响我国医药生物技术产业的健康发展。
3．4我国医药企业规模相对较小，竞争力较弱
随着近些年我国医药生物技术产业的不断发展，涌现出了较多的生物制药企业，但是这些企业普遍的特点就是规模较小，经济实力较弱，自主研发新产品的能力较低，因此在医药行业的国际竞争中的竞争能力较差，抗风险能力弱，这显然对我国的医药生物技术产业的发展十分不利。
4解决我国医药生物技术及其产业发展问题的措施
随着经济、政治、文化、科技全球化趋势的不断增强，每个国家、各个行业都面临着机遇与挑战，对医药生物技术产业来说也不例外。在竞争如此激烈的大环境中，要加快我国医药生物技术的自主研究与产业发展，可以采取以下措施:
4．1端正态度，客观认识到我国医药生物技术的发展与世界先进国家的水平。
在摆正态度的同时，总结我国医药生物技术发展过程中的经验教训，同时加强与先进国家的交流，积极吸取、引进国外的先进医药生物技术，自主研发创新医药产品，形成我们自己的国际竞争优势。
4．2加大在医药生物技术产业的资金投入。
从医药生物技术产业的性质可以看出，想要实现我国医药生物技术及产业的发展，就需要我们集中人力、物力、财力，加大在医药生物技术产业的投入，有重点、有针对性的扶持医药生物技术项目，提高我们的医药生物技术水平。同时，还应该注重培养医药生物技术方面的专业人才，提高医药生物技术人才的专业素养，为我国医药生物技术的研究与发展注入新生力量。
4．3注重医药生物技术研究成果向产品的转化，实现上下游技术的完美衔接。
在加强医药生物技术的研究的同时，注重研究成果的转化，建立好高校的医药生物技术研究和药品生产企业的沟通、合作桥梁，实现双方的完美衔接。
5结语
综上所述，我国的医药生物技术的研究与产业发展取得了很大的进步，虽然在这一过程中仍有些许问题有待解决，但是我国医药生物技术产业的发展仍然势不可挡，相信在其未来的发展过程中，必将实现创新性飞跃。
作者：刘航 单位：沈阳师范大学
摘要：随着社会不断进步，科技日益发展，现代生物技术应运而生，被广泛应用到食品工业中，发挥着至关重要的作用，为其注入了新的活力，不断促进新时期食品工业向前发展。在现代生物技术作用下，提高了食品资源利用率，改良了食品的品质，食品包装实现了产业化，有效解决了食品工业生产中产生的环保与健康问题，不断促进食品工业走上健康持续发展的道路。
关键词：食品工业；现代生物技术；应用进展；分析
生物技术是一种对生命有机体进行加工改造、利用的重要技术，也是新时期国际上食品领域的最具前沿的关键性技术。随着经济日益发展，人们的生活水平日渐提高，对食品提出了更高的要求。而现代生物技术的应用有效解决了食品工业发展中存在的各种问题，满足了人们对食品的客观要求，不断推动食品这个极具发展潜力的新兴产业向前发展，能够更好地应对来自各方面的挑战，不断发展壮大，促进我国社会经济的持续发展。
1基因工程、细胞工程在食品加工业中的应用
在现代生物技术中，基因工程技术是其不可或缺的组成元素，是分子遗传学、工程技术作用下的产物，可以有效改良微生物、动物的基因，为食品工业提供多样化的动植物原材料，价格低廉的酶制剂，增加食品功能，不断促进新功能食品的开发。以改善食品原材料品质、加工性能为例，在食品加工过程中，动、植物都是重要的基本原料。在生产植物食品原材料方面，基因工程能够改良品种，促进新品种的开发，促使原材料增产，比如，耐除草剂植物。基因工程在一定程度上丰富了食品原料的种类，优化了食品资源的品质特性，大大增加了食用以及营养价值。比如，充分利用反义RNA技术，把不同类型的基因结构顺利转移到番茄植株上面，延缓了番茄的后熟、老化，具有更长的架货期，极大地提高了经济效益。此外，基因工程的应用促使谷类蛋白质中的氨基酸比例发生变化，提高了谷类物质的营养价值。就细胞工程而言，以细胞为基点，按照相关规定，有计划地改造生物的生产性能、遗传特性，来获取所需的新生物体、细胞成品的一种技术。在食品工业中，细胞工程的应用和细胞培养、细胞融合技术紧密相连。在植物细胞作用下，生产出各种功能性食品、食品添加剂，比如，天然香料。就我国而言，充分利用胡萝卜细胞，生产出大量的胡萝卜素，其繁殖速度相当快，周期也非常短，为实现工业化生产奠定坚实的基础，具有非常广阔的应用前景。
2酵工程在食品工业中的应用
2．1食品保鲜：
从某种角度来说，酵属于生物催化剂，具有多样化的特点，比如，较高的催化剂率，被广泛应用到食品工业中。在食品保鲜方面，生物酶发挥着不可替代的作用，要根据不同物质中酶的种类，选用适宜的生物酶，有效抑制食品中不利于保质的酶或者减慢其发展速度，实现食品保鲜。比如，在瓶装饮料中加入适量的葡萄糖氧化酶，能够有效吸取瓶隙存在的氧气，适当延长食品的保鲜期，避免食品坏掉，增加生产运营成本。对于溶菌酶来说，能够有效溶解革兰氏阳性菌，主要用于这些食品的保鲜，比如，干酪、水产品；而对于细胞壁溶解酶来说，能够在一定程度上避免一些微生物的大量繁殖，取代了有毒化学防腐剂的地位，食品具有非常好的保鲜贮藏效果。
2．2食品加工：
在酶工程作用下，传统食品工业发生了质的转变，比如，玉米在酶作用下实现液化、糖化等，能够生产大量的果葡萄浆，取代了蔗糖的地位，作为饮料、食品重要的甜味剂。就日本而言，推出了谷氨酞胺转胺酶，具有催化蛋白质分子的特点，转移分子内部的酞基，能够改变低档次面粉中的蛋白质，具有较好的口感，面食具有较好的弹性、持水能力。对于玉米面来说，它的口感比较粗糙，运营效益并不理想，在酶工程作用下，改良后的玉米面深受社会大众喜爱，具有很好的销量。
3发酵工程在食品工业中的应用
在食品领域中，发酵工程技术是应用最早的生物技术，在该技术作用下，能够有效改造传统发酵食品，不断加快现酵产品的研发，涉及到不同食品工业领域，比如，食品加工催化剂、饮料稳定剂。以“开发功能性食品”为例，在相关研究中，发现很多真菌中都含有多糖成分，比如，冬虫夏草、猴头菇，可以提升人体的免疫力，更好地抵抗各类疾病。更为重要的是，有些的真菌还具有较好的抗肿瘤能力、抗衰老作用。而这为发展功能性食品提供了关键性的原料。就传统生产方法来说，主要是依靠人工，采摘或者种植，但其规模大都比较小，产量较少极易受到各种客观条件的影响，无法满足社会市场的客观需求。在发酵条件下，可以实现真菌多糖的工业化连续生产，在增加产量的同时，还提高了真菌的质量，为更好地研制功能性食品做好了铺垫。
4结语
总而言之，在食品工业发展中，现代生物技术的应用发挥着不可替代的作用，其应用范围不断扩大。但在应用过程中，需要注重自主创新，加强国际科技合作，优化利用国外先进技术，寻求新的发展出路。而生物技术企业也需要意识到现代生物技术的重要性，不断增加产品的科技含量，扩大自身规模。以此，在促使现代生物技术优化利用的基础上，不断促进新时期食品加工业走上长远发展道路。
作者：陈家禄 单位：海南师范大学
本文作者：王训博、熊路、黄海兵、王定兴、李昊旻、许永立 单位：湖南城市学院化学与环境工程学院、湖南农业大学生物科学与技术学院、湖南城市学院城市管理学院
随着农业革命、手工业革命、工业革命、商品国际化革命、信息产业化革命的推进，许多科学家们预言21世纪必将产生一次生物技术革命，而这一革命的主战场就是农业。现代生物技术可有效提高农作物产量、改善农作物的营养品质。因此，现代生物技术必然会成为未来农业发展的重要趋势。
1现代生物技术在农业领域的应用
1.1基因工程在农业领域的应用
基因工程即利用分子生物学和微生物学技术，设计好不同来源的基因顺序，在体外成功构建杂交DNA分子后导入受体细胞，使受体细胞表现出人们需要的表现型，产生出人们需要的物质。在农业领域应用基因工程技术，获得的农作物优质、高产、抗性强，还可获得畜、禽新品种及具有特殊作用的动、植物。例如，经过7年的努力攻关，2011年胜利突破了大面积示范（即6.67hm2示范）平均产量为13500kg/hm2的超级杂交稻第3期目标，达到了13899kg/hm2[1]；运用转基因技术将相应的基因导入油菜中有望培育出转基因抗病油菜新品种[2]；运用基因工程技术可将抗除草剂基因导入农作物中，使农作物能够不受除草剂的影响，目前已生产出多种抗除草剂作物品种，应用广泛[3]。
1.2细胞工程在农业领域的应用
细胞工程是指在体外培养细胞，以改变细胞某些生物学特性为目的将不同作物或动物进行细胞杂交，使植物或动物个体繁殖速度加快，以获得优良品种或新品种及某些具有特殊作用的物质的一门技术[4]。细胞工程技术在植物快速繁殖、植物新品种选育等方面发挥着重要作用。目前植物体细胞杂交应用较多，如可以将马铃薯细胞和番茄细胞进行杂交，可获得上结番茄下结马铃薯的“番茄马铃薯”；将豆科植物与向日葵进行细胞杂交，可培育出具有高营养价值的“向日豆”[5]。
1.3发酵工程在农业领域的应用
发酵工程即利用微生物具有的特殊作用生产出对人类生产有用的产品，或直接将微生物应用到工业生产过程的一门新的技术。发酵工程主要可应用在农业领域的2个方面，一是生产传统的发酵产品，如果酒、茯砖茶、食醋等；二是生产一些食品添加剂。如茯砖茶的制作过程中就运用到了发酵工程技术，通过调控渥堆时间、使用接种剂、发酵剂等方法可以改进茯砖茶的加工工艺，进而可生产出“金花”饱满、品质优良的茯砖茶。
1.4酶工程在农业领域的应用
酶工程，简单来说就是利用酶的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质。酶工程可应用在农业领域中的制酒、制酱等方面。例如，随着我国粮食的不断增产，一些地区出现了粗粮过剩的问题，需要解决粗粮的淀粉利用。解决办法之一是生产葡萄糖，但由于葡萄糖甜度不大，难以在市场上应用。最有效的办法还是运用酶工程技术的手段，将葡萄糖转变为甜度大的果糖，果糖不仅比葡萄糖甜度大，其比蔗糖的甜度还高50%以上。
2微生物肥料在农业领域的应用
2.1微生物肥料的特点
微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料，在农业生产中应用该种肥料可获得特定的肥料效应[6]。生物肥料的定义分为2个方面，从狭义上讲，生物肥料就是指微生物肥料，是由具有特殊作用的大量有益微生物发酵产生的，活性高。施入该种肥料能够产生活性物质，能够增加作物的固氮作用，改善土壤的理化性质，使作物的生长环境变得更好，使作物生长更优、产量更高。从广义上讲，生物肥料泛指各种具有特定肥效的生物制剂，包括特定的活的生物体、生物体的代谢物或基质的转化物等，此种生物体不限定，既可以是微生物，也可以是动、植物组织和细胞[7-8]。
2.2生物肥料的应用优势
微生物肥料具有其他化肥和农药没有的优势，可有效改善土壤的理化性质，提高土壤肥力。目前微生物肥料已应用在绿色有机食品生产、农业生态环境保护以及高产、优质、高效农业的持续发展中，并发挥着极其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身无毒害作用，对环境几乎无污染；同时，施用量一般不大，在其生产过程中所消耗的能量也很少，因而可节约农民的施肥成本。此外，微生物肥料还可改善土壤的理化性质，减少土壤营养流失和富营养化的产生，实现土壤的可持续化利用。
2.3微生物肥料的应用前景
目前，微生物肥料在农业领域方面的应用已越来越广泛，也得到了农民以及社会的逐步认可。国内外都在积极发展绿色农业和绿色食品，微生物肥料作为一种保护生态环境、维护人类健康的理想肥料在农业生产中的应用必将越来越广泛、越来越重要。但是如何合理的使其替代化肥并更稳定地发挥其生态作用是未来研究的方向[11-12]。
1甲硫氨酸生产国内外发展近况
甲硫氨酸是继谷氨酸之后产量第二大的氨基酸，2011年，针对动物饲料的甲硫氨酸市场年销售额约28.5亿美元，销量85万吨，年增长率5%。据不完全统计，2014年全球甲硫氨酸需求量约100万吨，呈逐年增长趋势。目前甲硫氨酸三大主要生产商为赢创（原德固赛）公司，安迪苏（原普朗克）公司和日本曹达（原孟山都）公司[6]。2006年，中国蓝星有限公司收购安迪苏子公司，并于2010年在江苏南京开始建厂，将最初年产能7万吨的计划翻倍至14万吨。该厂的建成投产将结束中国重要动物饲料添加剂完全依赖进口的局势。赢创公司2011年12月决议，在新加坡建立产能15万吨的甲硫氨酸加工厂，将在2014年第三季度投入生产。韩国杰希公司和法国阿科玛公司于2012年宣布将在东南亚建立产能8万吨的甲硫氨酸加工厂，该厂将采用全新的发酵-化学法联合生产线。德国巴斯夫公司虽然于2007年申请了发酵生产甲硫氨酸的专利，但至今仍不适用于商业生产。法国迈陀保利克公司和罗盖特公司合作致力于L-甲硫氨酸发酵产品的研发[6]。
2生物技术生产甲硫氨酸研究进展
2.1微生物发酵路线的相关研究
2.1.1甲硫氨酸生物合成途径的研究
为构建甲硫氨酸生产菌，首先需要了解甲硫氨酸的生物合成途径，其中最基本的氨基酸生产菌——大肠杆菌(Escherichiacoli)和谷氨酸棒杆菌(Corynebacteriumglutamicum)成为研究者关注的焦点。如图1，细菌中甲硫氨酸合成途径以天冬氨酸为起点，经天冬氨酸激酶(aspartokinase，AK)和高丝氨酸脱氢酶(homoserinedehydrogenase，HSD)两个限速酶催化，生成高丝氨酸，进而分别合成苏氨酸和甲硫氨酸。甲硫氨酸合成存在两个途径：巯基转移途径以胱硫醚为中间体，以半胱氨酸为硫源，而直接巯基化途径则可利用无机硫源。大肠杆菌只通过巯基转移途径合成甲硫氨酸，谷氨酸帮杆菌可同时利用两个途径。2002年Hwang等[14]在谷氨酸棒杆菌中发现了甲硫氨酸生物合成的直接巯基化途径，并对metY或metB进行突变，比较突变株生长参数。两种酶在序列上存在相似性，但微生物优先选择巯基转移途径。因此它们在进化上可能来自同一种酶，而MetY是长期进化过程中突变和自然选择的结果，存在受甲硫氨酸反馈抑制、与底物亲和性低的缺陷。2007年，该课题组[15]对MetB和MetY进行纯化，比较了二者的生化参数。发现MetB和MetY对O-乙酰高丝氨酸催化作用的Km值分别为3.9和6.4mmol/L，与之前的推测吻合。同时，MetY对硫化物离子的Km也过高，证明其与硫化物离子的结合也很微弱，温度和pH耐受性也较MetB差。至此，MetY存在的生理意义和利用价值尚不明晰。2006年，Krmer等[16]在对大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌甲硫氨酸代谢途径进行计算机模拟分析时发现，以甲硫醇为硫源时，NADPH的消耗减少，可使甲硫氨酸理论产量得到提高。以甲硫醇或其二聚体二甲基二硫为硫源的原理是将其-S-CH3基团完整地插入甲硫氨酸的R基而直接生成甲硫氨酸。这一理论在2010年被Bolten等[17]证实，并通过基因敲除和14C同位素示踪实验证明，催化这一反应的酶正是MetY。至此，MetY这一独特功能为该领域的研究提供了全新的线索。
2.1.2甲硫氨酸生产菌选育的相关研究
除发酵常用的谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌之外，枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、百合棒杆菌(Corynebacteriumlilium)也常用作改造的出发菌株。2012年，Dike等[3]从不同土样中筛选出三株蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)RS-16，DS-13,和AS-9，其中最优菌株RS-16经96h发酵产甲硫氨酸1.84mg/mL。但野生型菌株氨基酸的生物合成受到严格的代谢调控，一般不能满足大量生产氨基酸的需要。因此，需要人为打破微生物对甲硫氨酸生物合成的代谢调节。筛选抗结构类似物菌株和营养缺陷型菌株是最常用的育种方法。2003年，Kumar等[18]采用紫外和亚硝基胍诱变技术处理百合属棒杆菌，筛选获得M-128菌株，其甲硫氨酸产量为2.3g/L；2009年，闵伟红等[19-20]通过抗结构类似物的筛选获得北京棒杆菌(Corynebacteriumpekinense)突变株E31，其甲硫氨酸产量达1.479g/L。2011年，该课题组以E31为出发菌株，采用复合诱变和青霉素浓缩法筛选获得12株赖氨酸和苏氨酸双重营养缺陷型突变株，其中突变株GE37的甲硫氨酸产量达3.55g/L。这些传统的改造方法机理难以阐明，工作量大，但突变全面、有效。随着基因技术的发展，2007年，Park等[1]解除了苏氨酸对HSD的反馈抑制，同时敲除了thrB基因，阻止苏氨酸合成。分批发酵过程中甲硫氨酸产量达2.9g/L。2011年，Chen等[21]利用分子动力学模拟与统计耦合分析相结合鉴别出30个关键氨基酸残基，并证明这些残基的突变可在不同程度上解除大肠杆菌AKⅢ的反馈抑制。至此，对于两大限速酶的研究逐渐趋于半理性，能在代谢和进化水平上做出合理的解释，改造目标更明确。在菌种选育过程中，一些新发现也给研究人员以启示。2005年，Mampel等[22]对谷氨酸棒杆菌进行转座子诱变，得到7000个具有乙硫氨酸抗性的突变株，转座子插入位点为ORFNCgl2640，NCl2640失活会导致甲硫氨酸产量增加，证明该位点与L-甲硫氨酸合成途径中某种抑制的解除密切相关。其结构和具体功能有待科研工作者深入研究。2010年，Bolten等[17]发现了MetY的独特功能后，试图对MetY进行过表达以增加甲硫氨酸产量，结果MetY酶活力提高近30倍，但发酵液中并无甲硫氨酸，胞内甲硫氨酸产量也只提高2倍。胞内组分分析发现其底物O-乙酰高丝氨酸已完全耗尽。这说明半理性的单基因修饰难以保证整个代谢网络的平衡，以途径中各代谢物和酶的功能性质及代谢流分布信息为基础，更加理性化的多基因修饰成为下一阶段的研究目标。2002年BiranD发现大肠杆菌[23]中MetA极易被四种依赖ATP催化的蛋白酶水解，且该基因受热转录休克调控。2013年，Dike等[24]对根癌土壤杆菌中MetA进行表征时发现了相同的不稳定性和极端不耐热特性。这极有可能也是赖氨酸和苏氨酸易发酵生产，在同一途径下游的甲硫氨酸却一直难以实现发酵生产的重要原因。
2.1.3甲硫氨酸向胞外输出的研究
发酵法生产甲硫氨酸在合成水平上不易达到增产目标，即便细胞质内甲硫氨酸产量得到提高，释放至培养液中的量却极少。总结有以下两方面原因：①微生物自身调控严格，为趋利避害，甲硫氨酸在自然条件下不会过量积累，即使经改造的菌株，甲硫氨酸的产量与微生物细胞适应性之间的平衡也难把握。②即使细胞质内甲硫氨酸过量积累，但其输出体系不完善，产物被微生物自身再利用或直接伤害细胞。2005年，Trtschel等[25]在已经提高了胞内甲硫氨酸浓度的条件下，利用DNA微阵列技术识别出过量表达的膜蛋白基因brnF（编码BrnFE中较大的亚基），之前研究表明其与异亮氨酸输出体系有关。当BrnFE的合成被氯霉素关闭时，仍能观察到大量甲硫氨酸输出，只有极大提高氯霉素水平，其输出才会减弱。这说明甲硫氨酸输出体系不止一个，还存在不易被识别、但输出能力高的其它体系。发掘并扩增输出通道既可增加发酵液中甲硫氨酸产量，又能避免代谢物积累对微生物的损伤。
2.1.4发酵条件的相关研究
对于甲硫氨酸发酵，最特殊的培养基成分即硫和甲基。以谷氨酸棒杆菌为例，2006年，Krmer等[16]用计算机模拟了不同硫源在甲硫氨酸合成途径中的应用。以硫酸盐为硫源通过直接巯基化途径生成1mol甲硫氨酸消耗8molNADPH，巯基转移途径消耗9molNADPH，而以硫代硫酸盐为硫源，整个代谢过程只需要5.5molNADPH，以硫化物为硫源，NADPH消耗量仅为硫酸盐的一半。但PPP途径和TCA循环所能提供的NADPH是固定的，因此不同硫源的利用效率有待在实践中考证。硫与甲基来源的结合可以考虑比较硫代硫酸盐与甲酸盐、硫化物与甲酸盐及甲硫醇的利用情况。除了这两种关键组分，2014年，Anakwenze等[26]从发酵的油豆种子中分离出甲硫氨酸产量为1.89mg/ml的赤云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)EC1，对发酵总体积、接种量、碳源及氮源浓度、促生长物质均进行探索优化，最终赤云金芽孢杆菌EC1甲硫氨酸的产量可以达到3.18mg/mL。对于发酵工艺的探索一直是实际生产中的关键。Sharma等[27]研究了百合棒杆菌产甲硫氨酸中稀释速率与溶解氧对甲硫氨酸产量的影响。最终确定当稀释速率为0.16、溶氧为42%时，甲硫氨酸生产速率最大值为160mg/(L•h)。2012年，贾翠英等[28]研究了不同破壁方法对细菌甲硫氨酸产量的影响。结果表明，经碱破壁、溶菌酶破壁，超声波破壁、碱与超声波复合破壁、溶菌酶与超声波复合破壁后，甲硫氨酸产量分别提高10.9%、12%、18.3%、19.6%、22.2%。这种工艺可以将胞内甲硫氨酸释放出来，增加收率，复合破壁比单一破壁效果更显著。
2.2酶法生产路线的相关研究
2.2.1外消旋混合物拆分生产甲硫氨酸
酶法拆分又分为两种思路，传统的拆分是消除外消旋混合物中的D-甲硫氨酸，另一种路线将D型转化为L型，纯化的同时也增加了产量无疑是更理想的选择。2007年，Findrik等[29]利用原玻璃蝇节杆菌(Arthrobacterprotophormiae)中D-氨基酸氧化酶、过氧化氢酶、红球菌(Rhodococcus)中L-苯丙氨酸脱氢酶、博伊丁假丝酵母(Candidaboidinii)中甲酸脱氢酶串联实现D-甲硫氨酸向L-甲硫氨酸的完全转化。更具意义的是，D-氨基酸氧化酶和L-苯丙氨酸脱氢酶可以作用于不同的底物，因此，该体系也适用于其它D型氨基酸及某种氨基酸外消旋体向L型的转化合成。
2.2.2化合物酶解生产甲硫氨酸
2014年，Jin等[30]对大肠杆菌中经密码子优化的腈水解酶基因进行重新合成和表达，从而有效利用2-氨基-4-甲硫基丁腈水解生产甲硫氨酸。并在催化剂充足的情况下，以固定的底物/催化剂比值探索底物最佳浓度。该课题组也对在填充床反应器中利用固定化静息细胞生产甲硫氨酸进行了研究，结果显示固定化腈水解酶100h后活性仍大于80%，甲硫氨酸总回收率达97%。该项研究表明，重组腈水解酶应用于甲硫氨酸生产具有巨大潜力，酶在微生物体内的过表达与酶的固定化技术相结合可能实现产量突破。
2.3发酵与体外酶催化路线相结合
发酵法即以培养基组分为原料，利用微生物自身体内代谢反应，将低成本原料转化为高价值产品，是最经济环保的氨基酸生产方式。发酵法之所以至今无法应用于甲硫氨酸生产，关键在于其合成途径的每一步均受到严格地反馈抑制，经本课题组改造后的菌株GE37的甲硫氨酸发酵产量也仅为3.55g/L[20]。因此发酵法生产甲硫氨酸仍处于科研阶段。体外酶催化反应目前并没有一套完整的独立生产体系，而是作为化学生产方法的辅助手段，2000年之前即用于DL-同型半胱氨酸向L-甲硫氨酸的合成及DL-甲硫氨酸的分离[31]。近年的研究也多属于化学合成法的下游，目的是获得高纯度的L-甲硫氨酸。酶催化与发酵法相比，反应过程较短，反应体系及条件易灵活操控。因此，发酵与体外酶催化路线相结合可以回避微生物的部分反馈抑制，缩短发酵过程以得到产量较大的中间体，进而以此为底物合成L-甲硫氨酸。韩国杰希公司采用的发酵/化学法联合生产工艺即为两种路线结合的实例，并于2012年宣布在东南亚建立产能80000吨的甲硫氨酸加工厂。该路线以葡萄糖为基质，利用微生物发酵法生产琥珀酰高丝氨酸，随后用酶将这一中间产物转化成甲硫氨酸和琥珀酸。如图3所示，经计算，这种全新的发酵/化学法联合工艺生产的L-甲硫氨酸成本略高于化学合成法[6]。
3面临的问题及展望
3.1发酵法生产面临的问题和建议
甲硫氨酸与其他氨基酸相比至今难以实现发酵法生产，综合上文所述，总结了以下三个方面原因和建议：
3.1.1硫源的利用效率
甲硫氨酸与其他氨基酸最大的不同即对硫源的需求，而发酵法应用最普遍的硫源为硫酸盐，需消耗大量NADPH，但生物体能提供的NADPH有限；硫化物对NADPH需求量虽少，但因多有毒且稳定性差，不适用于培养基；硫代硫酸盐兼具氧化性与还原性，应该对其进行进一步选择和研究。甲硫醇作为硫和甲基的综合供体，可以缩短代谢途径并为最后一步提供更多甲基。因此，应该对硫代硫酸盐与甲硫醇或二甲基二硫的复合使用进行新的尝试。提高NADPH的供应量也是菌株改造的策略之一。
3.1.2代谢途径调控的改造硫和甲基的参与已经使代谢途径增长，而合成途径中涉及到诸多反馈抑制性酶，进一步削弱了代谢流。如何确定关键酶、发现酶的活性中心及抑制剂结合位点，并进一步识别关键残基成为一个艰巨的课题。通过半理性设计，本课题组已找出北京棒杆菌(Corynebacteriumpekinense)天冬氨酸激酶与抑制剂结合位点有直接或间接作用的所有关键氨基酸残基，并通过突变解除反馈抑制得到高活力菌株。2013年，李慧颖[32]得到突变体R169H，酶活较突变前提高2.3倍；同年，郭永玲[33]得到突变体T361N、A362I，酶活分别提高47.99倍、34.60倍；2014年，任军等[34]得到突变体G277K，酶活提高9.48倍；同年，朱运明等[35]得到突变体G377F，酶活提高9.3倍。此外，类似的单基因修饰研究缺少全面性和持续性，还应对改造前后的代谢流变化进行对比分析，尝试针对改造后的缺陷进行多基因修饰，继续对甲硫氨酸产量是否提高进行试验。较成功的理性设计在甲硫氨酸同族氨基酸——赖氨酸生产中有成功的先例。2013年，SKind等人[36]根据TCA循环和赖氨酸合成途径相关知识，通过敲除sucCD在琥珀酰辅酶A合成酶水平上有目的性地阻断TCA循环，使其与赖氨酸合成途径相结合，增加目的产物合成途径代谢流，产量提高60%。由于理性设计需要大量全面准确的生物学信息，直接针对代谢流的整合在甲硫氨酸研究领域还需要尝试和突破。
3.1.3关键酶在代谢过程中的稳定性
在大肠杆菌和根癌土壤杆菌中均证实了高丝氨酸酰基转移酶(homoserinetranssuccinylase,HTS)的不稳定性，这可能也是赖氨酸和苏氨酸易发酵生产，而同一途径下游的甲硫氨酸却一直难以实现发酵生产的重要原因。其极端不耐热和易被蛋白酶分解这两大特性，是发酵法面临的难题。对Biran等人发现的四种可能分解HTS的蛋白酶进行修饰，或与嗜热菌关键基因整合都是菌株改造可以尝试的方向。此外，甲硫氨酸向胞外输出的研究尚不成熟，可在菌株改造后，对胞内组分进行量化分析，以探索胞内甲硫氨酸产量最大时的条件，以及能分泌到胞外营养缺陷型菌种选育。
3.2酶法生产面临的问题和建议
酶法合成一般不作为单独的生产路线，传统的酶法是与石化生产路线相结合，以石化生产废弃物为原料，进行化学合成后，对外消旋混合物进行拆分以得到高纯度的L-甲硫氨酸，其中Findrik等人[29]将D型转化为L型的试验是更具意义的研究。韩国杰希公司首次采用发酵法与体外酶催化的联合生产工艺，先利用微生物发酵生产琥珀酰高丝氨酸，随后用酶法在微生物体外将这一中间产物转化成甲硫氨酸和琥珀酸。降低生产成本的同时减少污染。2010年，Bolten等人[17]对谷氨酸棒杆菌MetY进行过表达使酶活力大幅提高，但由于胞内底物耗尽，甲硫氨酸产量未仍不理想。参考杰希公司，可尝试由发酵法获得大量O-乙酰高丝氨酸，并利用过表达的酶在体外催化甲硫醇与O-乙酰高丝氨酸生成甲硫氨酸。目前，对酪氨酸、半胱氨酸和脯氨酸的生产，从蛋白中分离仍是最经济的方法。由于植物可以合成甲硫氨酸，因此通过酶解方法利用稻草等农作物的废弃物生产甲硫氨酸是最经济的模式。2015年，Sanders等[6]对这种方法的成本进行了核算，证明了其具有一定可行性。但该法不适用于获得高纯度的L-甲硫氨酸，因为产物组成复杂，分离纯化难度大。甲硫氨酸的生物技术生产与理论值之间的差距证明，此项研究具有广阔的进步空间，对微生物发酵、酶法分解等多方面的探索仍有待深入研究。随着现代生物技术的发展，利用生物技术生产甲硫氨酸仍将是科研工作者面临的重要课题。
作者：王隆洋 闵伟红 单位：吉林农业大学食品与工程学院 小麦和玉米深加工国家工程实验室
1种质资源的遗传多样性及鉴别
铁皮石斛苗期与石斛属有些品种在形态特征上有相似性，特别是涉及到种内遗传差异时，利用传统的鉴别方法往往不易区分。RAPD［12］、AFLP［13－14］、SSR［15］、ISSR［16－17］等分子标记技术目前被广泛用于铁皮石斛不同野生居群、不同栽培群体的遗传多样性及亲缘关系的研究。采用RAPD技术进行基因组DNA多态性分析，能从石斛属内26个种当中方便快捷地鉴别出铁皮石斛［12］。Ding等［18］利用SRAP标记分析铁皮石斛9个居群共84份材料的遗传多样性，并进行聚类分析，结果表明原位保存是保证铁皮石斛遗传多样性的首选方法;采用RAPD和ISSR分析9个铁皮石斛自然居群，表明居群间的遗传差异明显，具有丰富的遗传多样性，并且ISSR的多样性检测优于RAPD［19］。谢明璐等［15］利用开发的SSR标记成功对铁皮石斛种质纯度进行鉴定。金波等［20］将扩增获得的铁皮石斛特异RAPD分子标记片段，经克隆、测序，重新设计一对特异性引物转化成稳定的SCAR标记，能特异性地在铁皮石斛中扩增出300bp的片段，实现铁皮石斛的快速有效鉴定。Hou等［21］利用15个新的三核苷酸微卫星标记能够简便快捷地对铁皮石斛进行遗传多样性鉴定和分析。建立DNA指纹图谱，有利于鉴定和筛选铁皮石斛优良品种。虞泓等［22］用AFLP技术对石斛属内4个品种和1个外类群种进行基因组DNA多态性分析，构建了药用石斛的DNA分子指纹图谱。为更准确地进行铁皮石斛种质鉴定、遗传图谱构建、基因定位和遗传多样性的分析，赵瑞强等［23］采用正交设计和单因素相结合的方法构建和优化铁皮石斛SCoT-PCR反应体系，在32份铁皮石斛材料的遗传多样性验证中表现出良好的稳定性和重复性。基因芯片从遗传的角度鉴别铁皮石斛品种真伪，进一步推动了铁皮石斛的遗传分析和鉴别。Sze等［24］利用5SrDNA的基因间隔区的不同，建立了高通量鉴定商业石斛(枫斗石斛)的基因芯片，可以对铁皮石斛与其他种类的石斛进行有效区分。基因芯片与中药化学成分指纹图谱等的鉴定相结合，能确定铁皮石斛药用价值的优劣，发挥最佳作用［25］。
2组织培养
铁皮石斛种子自然状态下萌发率极低，利用组织培养进行铁皮石斛人工快繁是解决铁皮石斛野生资源短缺的有效途径，已有大量石斛组织培养条件的研究报道，目前铁皮石斛试管苗已进入商品化生产。2.1外植体铁皮石斛组织培养外植体来源广泛，一般采用野生铁皮石斛种子［26－29］、根尖［30－31］、茎段［32－34］、腋芽［35］等作为外植体。应用最早和最广泛的外植体是无菌种子，在离体培养条件下，种子萌发后形成原球茎，原球茎可以直接发育形成幼苗，也可以诱导原球茎产生大量愈伤组织，由愈伤组织再分化发育成幼苗［36－37］。唐桂香等［26］以成熟的铁皮石斛种子为材料，以1/2MS为基本培养基并添加20%马铃薯液，种胚萌发率达到79.35%，并能成功诱导出原球茎。杜刚等［27］以铁皮石斛种子为外植体，通过组织培养获得大量种苗。秦廷豪等［31］用铁皮石斛茎段、带顶芽的茎段和根蔸3类外植体在MS培养基上进行诱导培养，发现仅根蔸能诱导出原球茎。王丽萍等［32］和李泽生等［34］分别以MS和1/2MS为基本培养基，选用铁皮石斛幼嫩茎段为外植体能够高效诱导出原球茎。张红梅等［33］以铁皮石斛茎段为外植体材料，经历芽诱导、丛生芽增殖和生根培养3个阶段，获得大量的试管苗，芽诱导率达到86.7%。2.2基本培养基选择合适的培养基是组织培养最关键的一步，针对培养目的、培养途径、培养阶段的不同，所使用的培养基也不同。铁皮石斛组织培养采用的基本培养基包括MS，1/2MS，N6以及相应的改良培养基等［37］。最适培养基的选择主要根据不同外植体来源和不同生长阶段决定。以铁皮石斛种胚作为培养材料，研究发现未经改良的N6培养基对胚的萌发和生长最好，以茎尖作为培养材料，N6培养基诱导愈伤组织能力明显不如MS［38－39］。以铁皮石斛茎段为材料诱导丛生芽，1/2MS诱导的效果最好，生成的苗粗壮［40］。鲍腾飞等［41］的研究表明1/2MS最有利于铁皮石斛类原球茎的生长增殖。王春等［42］以1/2MS+1.0mg·L－1BA+0.5mg·L－1NAA培养基诱导铁皮石斛原球茎，诱导率达到58%。铁皮石斛不同生长阶段的最适培养基也有较大差异。1/2MS、MS和Kc等培养基都适合原球茎的增殖，而B5和1/2MS较适宜铁皮石斛的壮苗培养［43］。2.3培养条件除基本培养基之外，包括外源激素、附加物、蔗糖、pH值、温度和光照等培养条件对不同阶段铁皮石斛生长分化均有影响。铁皮石斛组织培养中常使用的外源激素主要是生长素类(如IAA、IBA、NAA)和细胞分裂素类(如BA、ZT和KT)［44］。苏钛等［45］的研究表明，BA相对于其他激素对铁皮石斛原球茎诱导效果最好，以2.0mg·L－1BA诱导率最高。洪森荣等［46］探讨6－BA和2，4－D对铁皮石斛原球茎增殖和分化的影响时发现，添加1mg·L－16－BA和0.1mg·L－12，4－D对原球茎增殖效果较好。唐桂香等［26］的研究表明，0.5mg·L－1NAA对铁皮石斛的生根效果最好。李璐等［47］比较了6－BA和TDZ对铁皮石斛花芽诱导的影响，结果表明，0.2mg·L－1TDZ最适宜诱导其开花。宋顺等［48］以MS为基本培养基，发现添加0.5mg·L－16－BA和1.5mg·L－1NAA最适合铁皮石斛原球茎诱导，其诱导率为95%;而添加1mg·L－16－BA和1mg·L－1NAA最适合原球茎增殖;添加5mg·L－16－BA+1mg·L－1NAA最适合原球茎分化，其分化率达80%;而在根诱导的培养基中添加1.5mg·L－1IBA+100g·L－1香蕉泥，其生根率能达到100%。一些有机添加物对铁皮石斛种子萌发、芽增殖、组培苗壮苗具有一定的促进作用，已报道的有马铃薯泥［49－50］、香蕉泥［49］、苹果汁［51］等，使用浓度一般在10%～20%。培养基的pH值、温度、光照强度和时间均对铁皮石斛生长有明显的影响。陈青青等［52］研究表明，pH对铁皮石斛的苗鲜重和生根率影响显著，以pH值5.4为宜，其原因可能是pH影响细胞的透性、代谢和培养物的生长与分化，在25℃、光照强度为1500lx时，最适宜铁皮石斛生长。鲍顺淑等［53］的研究表明，在人工光型密闭式植物工厂的可控环境条件下，在光照强度和CO2浓度一定时，光照时间控制在12h/d，铁皮石斛组培苗的净光合速率和叶绿素含量较高，干重和腋芽数增加较多，表现出良好的生长与繁殖能力。
3诱变育种
铁皮石斛生长相对缓慢，一般2～3年才能采收，对现有品种进行遗传改良，培育生长迅速、药用有效成分含量高的新品种是提高产量及质量的有效途径。诱变育种突变频率高，诱发变异较易稳定，可有效改良作物性状，缩短育种年限［54］。物理及化学诱变是常采用的方法，辐射诱变结合组织培养，能加速变异性状的稳定和新品种的育成。詹忠根等［55］利用137Csγ射线辐照铁皮石斛种胚原球茎，针对形态变异的试管苗，采用流式细胞分析DNA的倍性变化，结果发现大部分外部形态发生改变的植株其细胞内DNA的倍性发生了改变。洪萨丽等［56］利用60Co-γ辐照霍山石斛原球茎，研究诱变对石斛生长和生物碱积累的影响，结果表明适当剂量的60Co-γ辐照处理可促进POD、SOD、CAT和PAL酶活性，抑制PPO酶活性，从而能促进石斛原球茎生长，提高悬浮培养原球茎生物碱含量。张青华等［57］采用0.09%秋水仙碱处理24h诱导铁皮石斛丛生芽变异率达到48%，对叶、气孔、染色体的检测，证明变异芽为四倍体或嵌合体。2.5g·L－1植酸能促进石斛多糖的合成，还能促进石斛对碳、氮、磷的吸收［58］。太空诱变育种在中药材品种培育和改良中应用广泛，目前已有数十个审(认)定的中药材品种是通过太空诱变获得的。经航天诱变的仙斛1号铁皮石斛已经通过浙江省非主要农作物品种审定委员会认定。太空诱变技术在有效创造特异突变基因资源和培育作物新品种方面已经显示出重要的作用，成为空间生命科学研究的重要组成部分［59］。利用太空诱变培育突破性优良品种方面具有的独特优势，使今后获得更多优良铁皮石斛新品种成为可能。
4基因工程
4.1基因克隆铁皮石斛的药用有效成分为生物碱、石斛多糖等植物次生代谢产物，这些次生代谢产物需要经过复杂的代谢途径最终合成，并受代谢的关键酶与限速酶调控，如转移酶、合成酶、环化酶等。对关键酶基因进行克隆和分析，是研究铁皮石斛药用有效成分代谢途径及相关分子机制的重点，也是培养优质铁皮石斛新品种的基础。樊洪泓［60］克隆了石斛生物碱合成途径中的关键基因法呢基焦磷酸合酶基因(FPS)的片段，并进行序列分析。为研究铁皮石斛多糖合成与蔗糖合成酶活性关系及表达调控，孟衡玲等［61］成功克隆了铁皮石斛蔗糖合成酶基因(DOSS1)并对其表达分析。曾淑华等［62］对克隆的铁皮石斛磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(pepc)进行表达分析发现，pepc基因在F型铁皮石斛中的表达量为H型的5.55倍。植物凝集素如甘露糖结合凝集素与植物抗病虫害密切相关。铁皮石斛在自然条件下很少发生病虫害，为探究其病虫害抗性与兰科植物凝集素之间的内在关系，Chen等［63］提取铁皮石斛叶片的RNA，根据兰科植物凝集素保守序列区设计引物，通过RACE技术克隆得到全长768bp的铁皮石斛甘露糖结合凝集素基因(DOA)，包含1个498bp的开放阅读框，其编码的165个氨基酸为凝集素前体。半定量RT-PCR分析表明，DOA基因是一个组成型表达基因，在根、茎、叶中均有表达，在茎中表达量最高，可能与铁皮石斛茎的病虫害抗性密切相关。铁皮石斛自然状态下种子萌发需要真菌共生，生长阶段也常伴有共生真菌。钙依赖蛋白激酶(calcium-dependentproteinkinases，CDPKs)以及促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase，MAPK)及其级联途径在从枝菌根、根瘤菌－宿主植物共生体系中起重要调控作用。张岗等［64－65］从小菇真菌(Mycenasp．)侵染的铁皮石斛根中分别克隆了一个受菌根真菌诱导的铁皮石斛钙依赖蛋白激酶基因(DoCPK1)和促分裂原活化蛋白激酶基因(DoMPK1)，在小菇真菌侵染30d的石斛根中，DoCPK1和DoMPK1基因表达均显著上调，分别达到对照根中的5.16倍和7.91倍，表明DoCPK1和DoMPK1基因参与小菇真菌和铁皮石斛菌根早期互作，可能在该共生体系中起作用。4.2遗传转化目前，铁皮石斛的遗传转化最常用的方法是农杆菌介导法和基因枪法。根癌农杆菌(Agrobacteriumtumefaciens)介导遗传转化关键时期为共培养阶段。Yu等［66］构建了含β－葡萄糖苷酸酶基因(GUS)的表达载体，以潮霉素磷酸转移酶基因(Hpt)筛选标记，将类原球茎与农杆菌在无抗生素的培养基上共培养3d，光照16h·d－1，再转移至添加50mg·L－1羧苄青霉素的培养基上继续培养3～4周，之后在含200mg·L－1卡拉霉素的培养基上选择培养6～8周得到转基因植株。GUS组织化学检测和Southern杂交证明GUS基因成功表达。基因枪法在石斛转基因中应用更多。Kuchnle等［67］采用微粒轰击法将Nos-NPTII基因和番木瓜病毒(PRV)外壳蛋白基因(CP)一起导入杂种石斛的原球茎。经过卡那霉素选择培养，PCR分析表明，13株抗性植株带有NosNPT基因，其中有1株带有PRVCP基因。Chia等［68］成功将荧光素酶基因(Luc)通过基因枪法导入石斛类原球茎并获得再生植株。Yu等［66］进一步发展了一个高频再生、高效而稳定表达的转化体系。以潮霉素磷酸转移酶基因HPT为筛选标记，50mg·L－1浓度下就能完全抑制非转化的杂种石斛原球茎生长。杨雪飞等［71］利用基因枪法将来源于大麦(HordeumvulgareL．)的抗旱耐盐基因lea3导入铁皮石斛的类原球茎中，经PPT筛选和生根壮苗培养获得转化植株。对转化植株进行除草剂PPT叶片涂抹检测和lea3基因的PCR检测，结果表明lea3基因已整合到6个株系7株铁皮石斛转化植株基因组中，转化频率为1.05%。与对照相比，获得的转lea3基因植株的耐盐胁迫能力明显增强。铁皮石斛转基因植株的遗传特性可以稳定表达，这为利用转基因技术进行铁皮石斛优良新品种培育奠定了基础。
5展望
铁皮石斛药用价值极高，但由于较长时期缺乏保护和发展，加上生态环境破坏，近年来野生资源数量急剧下降。铁皮石斛行业标准已于2012年制定，但是，宣传和贯彻落实力度不够，铁皮石斛产业和市场仍然比较混乱。不少研究者对铁皮石斛的遗传多样性进行分析，克隆铁皮石斛代谢途径中的一些关键基因，对其遗传转化技术作了探索，但分子生物学等基础研究整体相对滞后。今后应从以下几方面开展工作:首先，应该积极推进行业标准的贯彻落实。其次，加强种质资源保护和鉴定，建立种质资源的分子遗传图谱和可追溯的原始档案，为高产优质新品种选育提供理论依据。创新和优化组织培养技术，缩短培养周期，降低生产成本，建立标准化培养和生产技术体系，为其规模化生产奠定基础，从而解决资源短缺问题。此外，加强铁皮石斛的基础研究工作，发掘特异和优良基因资源，利用基因工程技术为育种提供新的途径，为铁皮石斛产业发展探求新的道路。
作者：张志勇 齐泽民 黄作喜 单位：内江师范学院生命科学学院 四川省高校特色农业资源研究与利用重点实验室
【摘要】生物技术是科技时代迅速发展的产物，广泛的应用到人类生活的各个方面，对解决人类生活面临的食物、资源、健康等重大问题起着重要的作用。本文对现代生物技术在粮食生产、粮食储藏、粮油食品加工、粮油食品检测、粮油副产物利用和饲料工业等各方面的应用研究进展进行论述。
【关键词】生物技术 粮油食品工业
生物技术又可称之为生物工程，主要包括分子生物学、微生物学、细胞生物学、生理学、免疫学、系统生物学等多种学科，并和计算机、化学等学科内容相互渗透成为一个比较综合的学科，主要包括基因工程、细胞工程、酶工程等技术，其中基因工程是其主要的核心技术，该种技术主要应用在农业、植物、医学、食品、动物等领域。应用现代生物技术可以按照人们的意愿创造出人们想要的物种，或者是具有全新的功能，或者是改造原有的功能使其更好的满足人们的需求。
一、生物技术在粮食生产中的应用
生物技术在粮食生产中的应用主要有以下几个方面：可以利用转基因技术获得产量更高，并有一定的抵御虫害的作物品种，获得营养价值更高的作物品种，此外，还可以利用细胞工程技术对植物进行无性繁殖，从而获得高产量的作物，利用生物技术可以制造出无毒生物农药从生产出更多的绿色产品。生物技术培育出的作物主要有三代，第一代是通过培育转基因作物可以提高农作物抗虫害的能力，目前种植面积比较多的是抗除草剂的农作物。第二代是通过转基因来提高农作物的营养价值为主要特征。第三代是通过转基因作物提高食品的免疫功能，即可以利用转基因的作物来生产一些具有新功能的食品以及药物。
二、生物技术在粮油加工中的应用
我国的粮油加工产品主要以初级产品为主，而在食品的精深加工方面比较落后，资源的深层次利用率比较低，而利用生物技术可以将产品原料加工成产品并实现产业化，通过对农产品的二次开发以此形成新的产品。利用生物技术可以快速的提高粮油加工的能力并提升水平，使我国的粮油加工生产能力能够得到跨越式的发展。
三、生物技术在食品加工中的应用
生物技术已经渗透到了食品加工的各个方面，利用基因工程可以有效的改良发酵工业中的微生物菌种，对食品加工原料进行改造，提高氨基酸在食品加工中的含量，此外，利用基因工程还可以改进其生产工艺，进一步提高食品的营养价值。利用蛋白质工程可以创造出人类需求的不同功能的蛋白质新产品，可以更改酶的特性。在食品工程中酶技术的应用比较成熟，在粮油食品加工中应用比较广泛的是酶制剂的应用，主要有酿造酶、蛋白酶、果品酶等。这些酶主要应用在果蔬加工，乳制品加工等方面。
四、生物技术与食品安全
生物技术在食品安全中的应用主要是转基因食品安全问题。任何物种在进化过程中都会经历自然选择或者是人工选择，他们能够幸存的物种都是这两种选择的结果，不过是自然选择还是人工选择其实质都是遗传变异选择，在物种进化中遗传是基础，变异一定会存在。任何物种都是在遗传的基础上经过进化发展而来的，对遗传变异进行人工选择就是常规育种，而转基因育种在本质上和常规育种并没有本质的区别，转基因的食品安全问题和其它新出现的技术一样，只是在人类科学进步进程中新出现的科学问题而已，应该对以抱有正确的态度，深入的对其进行研究和探讨。转基因技术作为发展最快的新技术，正对人们生活的各个方面产生巨大的影响。
五、生物技术与食品安全检测
食品安全越来越受到人们的关注，日常食品安全已成为人们生活的焦点，为了让人们吃到更为安全的食品，对食品安全检测技术的研究已经提上日程，而生物技术在食品安全检测中的应用，发挥了较大的推动作用，并取得了不错的效果。在当前的食品安全检测中比较广泛应用的生物技术有生物芯片、免疫技术等生物技术，通过这些生物技术的应用使得食品安全的检测更加方便快捷而且灵敏度也比较高，人们对食品安全也更加放心。
六、粮油深加工生物技术的进展
在粮油深加工方面，美国主要利用酶以及发酵工程来进行粮油资源的开发，同时还利用基因工程等生物技术来改良农作物的性能，改善农作物所含的营养价值。生物技术在粮油加工中的应用主要有以下几个方面，首先是利用生物技术进一步提高农作物的产量，并为农作物的生产寻找更好地的农业技术。通过新的生物技术的应用进一步改良农作物的品种，另外，还有利用农作物、农业废弃物和加工副产物生产工业制品，包括生物能源、生物材料等。
七、结语
生物技术在食品粮油领域，在食品生产、粮油食品加工以及副产品利用等方面都有重要的应用，随着基因组技术在农作物的成功实施以及深入开展，新一轮的农业技术革命将会展开。为此，要认识在粮油食品安全领域生物技术应用的重要性，并不断在粮油食品加工中引入生物技术，以更好的促进粮油食品加工行业的发展。
【摘要】随着环境保护工程的广泛展开，生物技术的应用已经拓展到各个方面，从单个环境目标治理，发展为全系统的广泛应用。本文主要阐述环境保护工程中生物技术的应用及重要进展进行论述。
【关键词】环境保护工程；生物技术；进展
1 环境保护与生物技术关系概述
环境保护的涉及面很广，包括空气质量、水资源保护、土地保护、森林保护等内容。由于人类对自然资源的过度开发和不合理利用，环境问题已经日益激化，生物技术作为一项有效的科技手段，对解决环境问题有着积极地作用。在当今资源保护过程中，生物技术已经占有主要的地位，生物净化技术的应用得到广泛认可。
生物技术方向潜力巨大，有很多领域都有新发现，继续挖掘生物技术的潜能，是未来环境治理的主流方法。生物技术的发展给环境保护带来了福音，但是生物技术的应用必须是严谨的，并遵守既定的原则，否则可能会再次对环境造成污染。随着人们生活节奏的不断加快，人们对于快捷方便的生活方式越来越依赖，但是经济发展不能以牺牲环境为代价，人类应该以高效率、低耗能、投入少的方式发展经济。生物技术能够成为经济发展的基本保障，深入研究生物技术，符合我国环境发展的国情。
2 环境生物技术的特点及现状
无数种生物构成了地球的生态系统，依靠这些生物完成了生态系统内的物质循环过程。环境生物技术产生就是利用了物质循环的原理，随着科技的发展生物技术被证明是环境保护的理想手段，这一技术的独特功能在解决环境问题过程中显示出无可比拟的优越性，这充分体现出它是一个纯生态的过程，符合我国可持续发展的战略思想。生物技术对处理环境污染具有很好地作用，同时具有速度快、成本低、效率高、消耗低等优点。因为生物技术来源于自然界中的生物，所以具有无二次污染、反应条件温等显著特点。环境生物技术明显的优势以及其广阔的市场前景，受到了世界各国的高度重视。
目前环境保护对生物技术的应用主要是微生物及其衍生物，少部分生物技术利用植物控制环境污染。目前生物技术是环境保护中应用最广泛、最为重要的技术，其在很多领域发挥作用。
3 环境生物技术的应用进展
3.1 在治理大气污染和改善空气质量中的应用
雾霾是2014年出现频率非常高的词，整个冬天它都纠缠着我国大部分城市，这样大规的雾霾天气说明我们的空气质量正在急速下滑，大气污染问题已经不容忽视，它已经严重影响人们的生活和身体健康。我国对治理大气污染、空气污染非常重视，生物技术已经应用在大气污染治理上。目前主要采用的方法有生物的吸附、生物的洗涤和生物的过滤等方法[2。生物技术虽然仍需要更大程度的提升，但与传统的废气治理方法相比，生物技术转化废气效果更加明显，而且节省时间，大大提高了工作效率。生物技术对能源的净化和转化更加安全可靠，经过处理的气体不会造成二次污染，甚至可以达到二次利用的效果。
3.2 在改善水体质量，治理水源污染中的作用
生物技术应用最为广泛的领域就是在改善水体质量方面，生物处理是目前水处理技术的重要手段，世界范围内大多都采用这一方法进行污水的处理。我国在污水处理上也会遵循这一趋势，不断研究发展并提升生物处理污水的能力。目前常见的水污染治理的生物技术有活性污泥法、生物膜处理法、稳定塘法、土地处理系统法和人工湿地处理系统法等[1]。生物技术应用突出表现在微生物水处理剂、废水处理、以及生物修复等方面。
3.3 在治理土地污染中的作用
我国针对土壤严重污染的问题，出台了较多政策进行治理。目前我国通常采用物理治理的方法解决土地污染，通过大面积的植树造林，保持水土，启动土壤森林净化循环的作用，避免发生大范围的水土污染和流失。其他物理化学方法以洗脱、吸附）为主 ，不仅投资成本高，而且极易造成二次污染[1]。我国作为农业大国，农业生产对土地的依附性很大，如果不注意土地污染问题的治理，后果不堪设想。但传统方法修复周期过长，治理速度远远不及污染速度，因此必须运用生物技术对土壤污染进行治理，同时保护土壤的有机成分，挽救每况愈下的土地。
3.4 生物技术的其他应用方向
生物转化过程是以酶为反应介质进行的，因为酶是一种活性蛋白，极易受到酸、碱及高温的破坏，所以生物反应的过程必须在常温、常压的环境下进行。生物反应的条件相对比较好达到，因而其投资少、耗能低、速度快好、效果好、操作简便、设备简单。
生物转化代替化学处理可以大大降低反应过程的污染水平，更有利于实现生态化生产或无废生产，从而实现清洁生产的目的。此外，生物反应的产品及副产品大多都是可以加快生物降解，有的甚至是下一次反应的催化剂，且反应产物大多可以作为其他生物的营养源加以利用。 4 结束语
随着经济的不断发展，我国环境问题日益凸显，环境问题亟待解决，现有的生物技术已经不能满足社会发展的需要，因此需要不断挖掘生物技术的潜力，环境治理和技术革新的探索之路还要继续走下去。未来生物技术的研究必须要考虑到经济发展的因素，实现经济发展与环境保护相统一，促进社会进步与环境保护的协调发展。
【摘 要】对于大多数的国家来说，有机质为主的水污染是水环境保护过程中的首要问题，有机质水污染形成的原因包括城市生活污水与工业、农业等有机废水的排放。生物环境技术成为了当前处理有机废水最主要的方法，主要是由于其效率高、能耗地、处理速度快、适用性好及安全性好等特点。本文主要介绍了生物环境技术中的好氧与厌氧处理工艺、人工池塘和湿地的方法与应用。
【关键词】有机废水；生物环境技术；综述
在世界五大环境问题中水资源方面的问题显得非常的突出与紧要。我国虽然是世界上的资源大国，有着非常丰富的地表水资源，但是我国由于人口众多的原因，人均淡水资源量达不到世界平均水平的四分之一。随着经济的发展和人口的增长，我国所面临的水质污染与水生态污染的问题越来越突出，这方面的问题制约着我国的经济建设和社会发展，威胁这人们的饮水安全与可持续发展。而在全球范围的水质与水生态污染中有机污染的影响最为严重，主要的有机废水来源包括城市生活污水及工业、农业、养殖业的废水排放。
1 生化处理技术
生化处理就是通过微生物来对有机废水中的有机污染物进行消化和分解，从这个过程中得到碳和能源。根据生化反应的不同可以将生化处理技术分为好氧与厌氧两种。好氧降解中，有机物质被完全分解为水和二氧化碳，降解比较彻底，效率也高，是生化处理技术的主要方法。厌氧降解中是改变有机物质的化学结构，反应需要的时间较长，但能够降低有机废水中有机物质的浓度，也能够降解一些难降解的有机物质，因此也有着重要的地位[1]。
1.1 好氧降解
1.1.1 活性污泥降解方法
这种方法属于好氧降解技术中最传统的，其中的活性污泥实际上是微生物生长于繁殖之后形成的絮凝体，这种物质有着非常强的吸附于分解有机物质的能力，而且自身的凝聚性较好。具体的方法就是在有机废水中曝气供氧来使微生物形成活性污泥，从而降解有机物质。
1.1.2 生物膜法
这种方法主要是在有机废水中添加微生物附着的介质来进行有机物质分解，微生物在介质表面不断地生长和繁殖就会形成膜，这些膜对污水进行净化。随着生物膜不断地分解有机物质，微生物会不断的生长，因此生物膜也会越来越厚，在着过过程中在生物膜的内部就会形成一种微生物生长的兼氧与厌氧的环境，因此生物膜法中其实也有着一部分厌氧降解的作用[2]。随着生物膜厚度的增加，达到一定程度之后会自动脱落成为污泥，介质的表面会重新生长微生物从而形成新的生物膜来净化污水。
1.2 厌氧降解技术
在酿酒、制酱等领域中，厌氧技术有着非常悠久的历史，但是直到1881年才得以在水环境保护中得到应用。随着技术不断的完善和使用范围的不断扩大，人们渐渐认识到了厌氧降解技术产能高、能耗小的优点，研发出了厌氧滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等厌氧反应器。这些厌氧反应器都有着共同的特点：有机负荷比较大、反应时间有所缩短。近几年来，厌氧技术逐渐应用到了工业、农业、养殖业等高中低不同浓度的有机废水和城市生活污水的处理中。但是厌氧降解技术产出的水质不能够达到排放标准，“后处理”成为了技术最重要的缺陷。
2 生物自然净化技术
2.1 生物塘
在水中培植大量的生长快速的水生植物就形成了生物塘，这种方法主要是通过水生植物的吸收和收获来讲有机污水中的有机物质带走，从而达到净化水体的作用[3]。在生物塘中增加曝氧系统就会形成氧化塘，能够在生物塘中兼具好氧降解的功能。传统的生物塘存在面积大、处理时间长、出水不合格等缺陷，在不断地改进过程中总结出了解决这些缺陷的几点措施：高效水生植物的培育、实现生物塘综合处理等。
2.2 人工湿地
人工湿地发展的基础是污染灌溉，这种方法投资与能耗都非常低，而且还能够为农作物提供肥力。将污水经过一级和二级处理之后就用于灌溉系统。沼泽、泥潭与水域边缘地带等都属于湿地，水体、这种条件之下发育的土壤、适应这种环境的动植物就组成了整个的湿地环境。人工湿地就是指通过人工建造于湿地功能相似的系统，由于保护水资源与改善水生态环境。人工湿地包括表面流型、潜流型、垂直流型三种，其中垂直流型应用最为广泛。
3 环境生物技术的展望
生物环境技术不断发展的动力与目的都是提高污水处理效率、降低技术应用成本。难降解有机物质、高浓度有机废水和去氮除磷问题是当前有机污水治理的主要难点和方向，是环境生物技术的发展方向。
3.1 实现的工艺优化组合
不同的工艺通过优化组合就能够实现优势互补，是生物降解技术的一个重要的发展趋势。例如好氧降解与厌氧降解实现组合能够克服好氧负荷率小于去氮除磷效果差的缺点，克服厌氧处理时间较长与出水水质不高的缺点。
3.2 与其他技术相结合
环境生物技术的发展需要其他科学技术的配合，要将环境生物技术与其他的技术结合起来才能够提高处理的效果。高效生物技术与光、电的结合能够由于有毒有害难降解有机废水的处理，例如如光催化氧化-生物处理新技术、电化学高级氧化-高效生物处理技术等。环境生物技术不断地与计算机、电子信息等技术的结合，逐渐实现了环境生物技术的自动化与模块化。
3.3 难降解有机物质的处理
在微生物群体中占优势的与降解力较高的菌种都属于优势菌。可以通过自然筛选驯化、混合培养、细胞工程、基因工程等方式来培养优势菌种。这些优势高效菌种能够用来对难降解的有机物质进行处理，是现代环境生物技术的发展热点之一。
3.4 生物传感器
生物传感器能够实现自动连续监测，能够判断污染的发展趋势、探索污染物的转化与降解规律、检测污染物突变的原因、分析污染的来源等。生物传感器的研制对生物环境污染的监测有着积极地作用，使其更加的方便、快捷、灵敏、全面，而且还具有廉价、简单、快速等优点。
4 总结
水领域中应用的技术种类有很多种，每种技术都有各自的优点和适用的范围。环境生物技术主要是利用生物本身或者去其产物来对水污染进行治理，微生物和植物是生物主体，微生物主要是发挥降解功能来净化有机污水中的有机物质，而植物主要是通过吸收功能来实现治理有机污水。这种技术效率较高、投入较大、安全性好、适用范围广，应该在有机废水的处理过程中积极推广。
【摘 要】全球范围内的环境问题十分严峻，因此人们对环境保护的重视程度也逐渐提高。党的十八大对生态文明建设做了进一步部署，环境保护是我国建设和谐社会的重要内容。环境保护离不开科学技术的支持，而生物技术在其中起到举足轻重的作用。
【关键词】环境保护工程；生物技术；进展
随着环境保护工程的广泛展开，生物技术的应用已经拓展到各个方面，从单个环境目标治理，发展为全系统的广泛应用。本文主要阐述环境保护工程中生物技术的应用及重要进展进行论述。
1 环境保护与生物技术关系概述
环境保护的涉及面很广，包括空气质量、水资源保护、土地保护、森林保护等内容。由于人类对自然资源的过度开发和不合理利用，环境问题已经日益激化，生物技术作为一项有效的科技手段，对解决环境问题有着积极地作用。在当今资源保护过程中，生物技术已经占有主要的地位，生物净化技术的应用得到广泛认可。
我们享受着经济发展给生活所带来的舒适和方便，却忽视了环境对人类发出的警告。经济发展的代价是环境的严重破坏，随着环境破坏程度越来越严重，人们开始清醒的认识到环境必须要好好治理了。国人环境治理的意识正在不断的加深，生物技术得到了很好地发展，并应用到实际治理污染中[1]。虽然生物技术取得了一定的成绩，但仍然无法高效的解决环境污染问题。因此，我们对生物技术的研究还要继续深入，有效地实现研究成果和工程技术的结合，使之成为成熟的技术并推向市场。
生物技术方向潜力巨大，有很多领域都有新发现，继续挖掘生物技术的潜能，是未来环境治理的主流方法。生物技术的发展给环境保护带来了福音，但是生物技术的应用必须是严谨的，并遵守既定的原则，否则可能会再次对环境造成污染。随着人们生活节奏的不断加快，人们对于快捷方便的生活方式越来越依赖，但是经济发展不能以牺牲环境为代价，人类应该以高效率、低耗能、投入少的方式发展经济。生物技术能够成为经济发展的基本保障，深入研究生物技术，符合我国环境发展的国情。
2 环境生物技术的特点及现状
无数种生物构成了地球的生态系统，依靠这些生物完成了生态系统内的物质循环过程。环境生物技术产生就是利用了物质循环的原理，随着科技的发展生物技术被证明是环境保护的理想手段，这一技术的独特功能在解决环境问题过程中显示出无可比拟的优越性，这充分体现出它是一个纯生态的过程，符合我国可持续发展的战略思想。生物技术对处理环境污染具有很好地作用，同时具有速度快、成本低、效率高、消耗低等优点。因为生物技术来源于自然界中的生物，所以具有无二次污染、反应条件温等显著特点。环境生物技术明显的优势以及其广阔的市场前景，受到了世界各国的高度重视。
目前环境保护对生物技术的应用主要是微生物及其衍生物，少部分生物技术利用植物控制环境污染。目前生物技术是环境保护中应用最广泛、最为重要的技术，其在很多领域发挥作用。大气污染治理、水源污染控制、清洁可再生能源的开发、有毒有害物质降解、
废物资源化、污染环境修复、环境监测和重污染企业的清洁生产等各个方面都有生物技术的身影，并发挥着极其重要的作用[1]。使用环境生物技术处理环境污染物时，最终产物大部分是无毒害且稳定的物质，大部分有机污染物都转化为二氧化碳、水和氮气等。应用生物技术处理污染大多能一步到位，避免了污染物再次转移，因此它可以安全而彻底的消除污染。大部分有机污染物适可作为其他反应的底物，这些有机污染物经过生物转化后变成酒精、沼气、氨基酸、多肽等有用物质。生物转化的技术因此常常作为有机污染物资源化的首选技术。
3 环境生物技术的应用进展
3.1 在治理大气污染和改善空气质量中的应用
雾霾是2014年出现频率非常高的词，整个冬天它都纠缠着我国大部分城市，这样大规的雾霾天气说明我们的空气质量正在急速下滑，大气污染问题已经不容忽视，它已经严重影响人们的生活和身体健康。我国对治理大气污染、空气污染非常重视，生物技术已经应用在大气污染治理上。目前主要采用的方法有生物的吸附、生物的洗涤和生物的过滤等方法[2。生物技术虽然仍需要更大程度的提升，但与传统的废气治理方法相比，生物技术转化废气效果更加明显，而且节省时间，大大提高了工作效率。生物技术对能源的净化和转化更加安全可靠，经过处理的气体不会造成二次污染，甚至可以达到二次利用的效果。
3.2 在改善水体质量，治理水源污染中的作用
生物技术应用最为广泛的领域就是在改善水体质量方面，生物处理是目前水处理技术的重要手段，世界范围内大多都采用这一方法进行污水的处理。我国在污水处理上也会遵循这一趋势，不断研究发展并提升生物处理污水的能力。目前常见的水污染治理的生物技术有活性污泥法、生物膜处理法、稳定塘法、土地处理系统法和人工湿地处理系统法等[1]。生物技术应用突出表现在微生物水处理剂、废水处理、以及生物修复等方面。
3.3 在治理土地污染中的作用
我国针对土壤严重污染的问题，出台了较多政策进行治理。目前我国通常采用物理治理的方法解决土地污染，通过大面积的植树造林，保持水土，启动土壤森林净化循环的作用，避免发生大范围的水土污染和流失。其他物理化学方法以洗脱、吸附）为主 ，不仅投资成本高，而且极易造成二次污染[1]。我国作为农业大国，农业生产对土地的依附性很大，如果不注意土地污染问题的治理，后果不堪设想。但传统方法修复周期过长，治理速度远远不及污染速度，因此必须运用生物技术对土壤污染进行治理，同时保护土壤的有机成分，挽救每况愈下的土地。
3.4 生物技术的其他应用方向
生物转化过程是以酶为反应介质进行的，因为酶是一种活性蛋白，极易受到酸、碱及高温的破坏，所以生物反应的过程必须在常温、常压的环境下进行。生物反应的条件相对比较好达到，因而其投资少、耗能低、速度快好、效果好、操作简便、设备简单。
生物转化代替化学处理可以大大降低反应过程的污染水平，更有利于实现生态化生产或无废生产，从而实现清洁生产的目的。此外，生物反应的产品及副产品大多都是可以加快生物降解，有的甚至是下一次反应的催化剂，且反应产物大多可以作为其他生物的营养源加以利用。用生物反应产物代替一些化学药物、人工合成物、化石能源等，能把产生活动带来的环境污染降到最低，真正使经济发展遵循可持续发展的原理。应用生物技术还可以处理其他方法无法处理的环境问题，比如生物修复技术净化环境，能使受污染的珍贵资源如水资源、土地资源等恢复到健康的水平。
4 结束语
随着经济的不断发展，我国环境问题日益凸显，环境问题亟待解决，现有的生物技术已经不能满足社会发展的需要，因此需要不断挖掘生物技术的潜力，环境治理和技术革新的探索之路还要继续走下去。未来生物技术的研究必须要考虑到经济发展的因素，实现经济发展与环境保护相统一，促进社会进步与环境保护的协调发展。
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