發(fā)布時(shí)間：2022-03-26 06:13:24
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的生物技術(shù)進(jìn)展論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
隨著農(nóng)業(yè)革命、手工業(yè)革命、工業(yè)革命、商品國際化革命、信息產(chǎn)業(yè)化革命的推進(jìn),許多科學(xué)家們預(yù)言21世紀(jì)必將產(chǎn)生一次生物技術(shù)革命,而這一革命的主戰(zhàn)場就是農(nóng)業(yè)?，F(xiàn)代生物技術(shù)可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善農(nóng)作物的營養(yǎng)品質(zhì)。因此,現(xiàn)代生物技術(shù)必然會成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。
1現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
1.1基因工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
基因工程即利用分子生物學(xué)和微生物學(xué)技術(shù),設(shè)計(jì)好不同來源的基因順序,在體外成功構(gòu)建雜交DNA分子后導(dǎo)入受體細(xì)胞,使受體細(xì)胞表現(xiàn)出人們需要的表現(xiàn)型,產(chǎn)生出人們需要的物質(zhì)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用基因工程技術(shù),獲得的農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性強(qiáng),還可獲得畜、禽新品種及具有特殊作用的動、植物。例如,經(jīng)過7年的努力攻關(guān),2011年勝利突破了大面積示范(即6.67hm2示范)平均產(chǎn)量為13500kg/hm2的超級雜交稻第3期目標(biāo),達(dá)到了13899kg/hm2[1];運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將相應(yīng)的基因?qū)胗筒酥杏型嘤鲛D(zhuǎn)基因抗病油菜新品種[2];運(yùn)用基因工程技術(shù)可將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中,使農(nóng)作物能夠不受除草劑的影響,目前已生產(chǎn)出多種抗除草劑作物品種,應(yīng)用廣泛[3]。
1.2細(xì)胞工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
細(xì)胞工程是指在體外培養(yǎng)細(xì)胞,以改變細(xì)胞某些生物學(xué)特性為目的將不同作物或動物進(jìn)行細(xì)胞雜交,使植物或動物個體繁殖速度加快,以獲得優(yōu)良品種或新品種及某些具有特殊作用的物質(zhì)的一門技術(shù)[4]。細(xì)胞工程技術(shù)在植物快速繁殖、植物新品種選育等方面發(fā)揮著重要作用。目前植物體細(xì)胞雜交應(yīng)用較多,如可以將馬鈴薯細(xì)胞和番茄細(xì)胞進(jìn)行雜交,可獲得上結(jié)番茄下結(jié)馬鈴薯的“番茄馬鈴薯”;將豆科植物與向日葵進(jìn)行細(xì)胞雜交,可培育出具有高營養(yǎng)價(jià)值的“向日豆”[5]。
1.3發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
發(fā)酵工程即利用微生物具有的特殊作用生產(chǎn)出對人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品,或直接將微生物應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程的一門新的技術(shù)。發(fā)酵工程主要可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的2個方面,一是生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品,如果酒、茯磚茶、食醋等;二是生產(chǎn)一些食品添加劑。如茯磚茶的制作過程中就運(yùn)用到了發(fā)酵工程技術(shù),通過調(diào)控渥堆時(shí)間、使用接種劑、發(fā)酵劑等方法可以改進(jìn)茯磚茶的加工工藝,進(jìn)而可生產(chǎn)出“金花”飽滿、品質(zhì)優(yōu)良的茯磚茶。
1.4酶工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
酶工程,簡單來說就是利用酶的生物催化功能,借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)。酶工程可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的制酒、制醬等方面。例如,隨著我國糧食的不斷增產(chǎn),一些地區(qū)出現(xiàn)了粗糧過剩的問題,需要解決粗糧的淀粉利用。解決辦法之一是生產(chǎn)葡萄糖,但由于葡萄糖甜度不大,難以在市場上應(yīng)用。最有效的辦法還是運(yùn)用酶工程技術(shù)的手段,將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)樘鸲却蟮墓?果糖不僅比葡萄糖甜度大,其比蔗糖的甜度還高50%以上。
2微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
2.1微生物肥料的特點(diǎn)
微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用該種肥料可獲得特定的肥料效應(yīng)[6]。生物肥料的定義分為2個方面,從狹義上講,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發(fā)酵產(chǎn)生的,活性高。施入該種肥料能夠產(chǎn)生活性物質(zhì),能夠增加作物的固氮作用,改善土壤的理化性質(zhì),使作物的生長環(huán)境變得更好,使作物生長更優(yōu)、產(chǎn)量更高。從廣義上講,生物肥料泛指各種具有特定肥效的生物制劑,包括特定的活的生物體、生物體的代謝物或基質(zhì)的轉(zhuǎn)化物等,此種生物體不限定,既可以是微生物,也可以是動、植物組織和細(xì)胞[7-8]。
2.2生物肥料的應(yīng)用優(yōu)勢
微生物肥料具有其他化肥和農(nóng)藥沒有的優(yōu)勢,可有效改善土壤的理化性質(zhì),提高土壤肥力。目前微生物肥料已應(yīng)用在綠色有機(jī)食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展中,并發(fā)揮著極其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身無毒害作用,對環(huán)境幾乎無污染;同時(shí),施用量一般不大,在其生產(chǎn)過程中所消耗的能量也很少,因而可節(jié)約農(nóng)民的施肥成本。此外,微生物肥料還可改善土壤的理化性質(zhì),減少土壤營養(yǎng)流失和富營養(yǎng)化的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)化利用。
2.3微生物肥料的應(yīng)用前景
目前,微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用已越來越廣泛,也得到了農(nóng)民以及社會的逐步認(rèn)可。國內(nèi)外都在積極發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和綠色食品,微生物肥料作為一種保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人類健康的理想肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用必將越來越廣泛、越來越重要。但是如何合理的使其替代化肥并更穩(wěn)定地發(fā)揮其生態(tài)作用是未來研究的方向。
隨著農(nóng)業(yè)革命、手工業(yè)革命、工業(yè)革命、商品國際化革命、信息產(chǎn)業(yè)化革命的推進(jìn),許多科學(xué)家們預(yù)言21世紀(jì)必將產(chǎn)生一次生物技術(shù)革命,而這一革命的主戰(zhàn)場就是農(nóng)業(yè)?，F(xiàn)代生物技術(shù)可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善農(nóng)作物的營養(yǎng)品質(zhì)。因此,現(xiàn)代生物技術(shù)必然會成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。
1現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
1.1基因工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
基因工程即利用分子生物學(xué)和微生物學(xué)技術(shù),設(shè)計(jì)好不同來源的基因順序,在體外成功構(gòu)建雜交DNA分子后導(dǎo)入受體細(xì)胞,使受體細(xì)胞表現(xiàn)出人們需要的表現(xiàn)型,產(chǎn)生出人們需要的物質(zhì)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用基因工程技術(shù),獲得的農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性強(qiáng),還可獲得畜、禽新品種及具有特殊作用的動、植物。例如,經(jīng)過7年的努力攻關(guān),2011年勝利突破了大面積示范(即6.67hm2示范)平均產(chǎn)量為13500kg/hm2的超級雜交稻第3期目標(biāo),達(dá)到了13899kg/hm2[1];運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將相應(yīng)的基因?qū)胗筒酥杏型嘤鲛D(zhuǎn)基因抗病油菜新品種[2];運(yùn)用基因工程技術(shù)可將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中,使農(nóng)作物能夠不受除草劑的影響,目前已生產(chǎn)出多種抗除草劑作物品種,應(yīng)用廣泛[3]。
1.2細(xì)胞工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
細(xì)胞工程是指在體外培養(yǎng)細(xì)胞,以改變細(xì)胞某些生物學(xué)特性為目的將不同作物或動物進(jìn)行細(xì)胞雜交,使植物或動物個體繁殖速度加快,以獲得優(yōu)良品種或新品種及某些具有特殊作用的物質(zhì)的一門技術(shù)[4]。細(xì)胞工程技術(shù)在植物快速繁殖、植物新品種選育等方面發(fā)揮著重要作用。目前植物體細(xì)胞雜交應(yīng)用較多,如可以將馬鈴薯細(xì)胞和番茄細(xì)胞進(jìn)行雜交,可獲得上結(jié)番茄下結(jié)馬鈴薯的“番茄馬鈴薯”;將豆科植物與向日葵進(jìn)行細(xì)胞雜交,可培育出具有高營養(yǎng)價(jià)值的“向日豆”[5]。
1.3發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
發(fā)酵工程即利用微生物具有的特殊作用生產(chǎn)出對人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品,或直接將微生物應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程的一門新的技術(shù)。發(fā)酵工程主要可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的2個方面,一是生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品,如果酒、茯磚茶、食醋等;二是生產(chǎn)一些食品添加劑。如茯磚茶的制作過程中就運(yùn)用到了發(fā)酵工程技術(shù),通過調(diào)控渥堆時(shí)間、使用接種劑、發(fā)酵劑等方法可以改進(jìn)茯磚茶的加工工藝,進(jìn)而可生產(chǎn)出“金花”飽滿、品質(zhì)優(yōu)良的茯磚茶。
1.4酶工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
酶工程,簡單來說就是利用酶的生物催化功能,借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)。酶工程可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的制酒、制醬等方面。例如,隨著我國糧食的不斷增產(chǎn),一些地區(qū)出現(xiàn)了粗糧過剩的問題,需要解決粗糧的淀粉利用。解決辦法之一是生產(chǎn)葡萄糖,但由于葡萄糖甜度不大,難以在市場上應(yīng)用。最有效的辦法還是運(yùn)用酶工程技術(shù)的手段,將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)樘鸲却蟮墓?果糖不僅比葡萄糖甜度大,其比蔗糖的甜度還高50%以上。
2微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
2.1微生物肥料的特點(diǎn)
微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用該種肥料可獲得特定的肥料效應(yīng)[6]。生物肥料的定義分為2個方面,從狹義上講,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發(fā)酵產(chǎn)生的,活性高。施入該種肥料能夠產(chǎn)生活性物質(zhì),能夠增加作物的固氮作用,改善土壤的理化性質(zhì),使作物的生長環(huán)境變得更好,使作物生長更優(yōu)、產(chǎn)量更高。從廣義上講,生物肥料泛指各種具有特定肥效的生物制劑,包括特定的活的生物體、生物體的代謝物或基質(zhì)的轉(zhuǎn)化物等,此種生物體不限定,既可以是微生物,也可以是動、植物組織和細(xì)胞[7-8]。
2.2生物肥料的應(yīng)用優(yōu)勢
微生物肥料具有其他化肥和農(nóng)藥沒有的優(yōu)勢,可有效改善土壤的理化性質(zhì),提高土壤肥力。目前微生物肥料已應(yīng)用在綠色有機(jī)食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展中,并發(fā)揮著極其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身無毒害作用,對環(huán)境幾乎無污染;同時(shí),施用量一般不大,在其生產(chǎn)過程中所消耗的能量也很少,因而可節(jié)約農(nóng)民的施肥成本。此外,微生物肥料還可改善土壤的理化性質(zhì),減少土壤營養(yǎng)流失和富營養(yǎng)化的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)化利用。
2.3微生物肥料的應(yīng)用前景
目前,微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用已越來越廣泛,也得到了農(nóng)民以及社會的逐步認(rèn)可。國內(nèi)外都在積極發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和綠色食品,微生物肥料作為一種保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人類健康的理想肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用必將越來越廣泛、越來越重要。但是如何合理的使其替代化肥并更穩(wěn)定地發(fā)揮其生態(tài)作用是未來研究的方向[11-12]。
在20世紀(jì)90年代，我國分子生物學(xué)家和育種學(xué)家合作，獲得了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花植株和相關(guān)專利，育成的眾多品種已在全國各個棉區(qū)普遍種植。農(nóng)業(yè)部在上世紀(jì)90年代，分別對轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、轉(zhuǎn)基因抗病番茄、甜椒等授予了安全證書，但后兩者由于無明顯商業(yè)價(jià)值，并未應(yīng)用于生產(chǎn)。按照我國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理?xiàng)l例，經(jīng)過5個階段嚴(yán)格的安全評價(jià)后，農(nóng)業(yè)部于2009年11月向轉(zhuǎn)cry1Ab／cry1Ac基因抗蟲水稻華恢1號、轉(zhuǎn)cry1Ab／cry1Ac基因抗蟲水稻Bt汕優(yōu)63在湖北省的生產(chǎn)應(yīng)用，以及轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米BVLA430101在山東省生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)放了安全證書，但這些品種仍須通過品種審定方可進(jìn)入種子銷售市場。
作為植物生物技術(shù)發(fā)展較早的國家，美國自上世紀(jì)90年代以來，不斷有新產(chǎn)品（品種）的研發(fā)，并經(jīng)由美國農(nóng)業(yè)部動植物檢疫部門、環(huán)保局、食品藥品管理局等生物技術(shù)產(chǎn)品監(jiān)管機(jī)構(gòu)根據(jù)產(chǎn)品對人類或動物食用、對環(huán)境安全影響的全面評價(jià)而確定能否進(jìn)入市場。表2列出了1990—2012年美國已批準(zhǔn)種植的轉(zhuǎn)基因作物及所改造的性狀。表中列出的10種植物中，馬鈴薯和番茄生物技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)主要在20世紀(jì)90年代，但由于應(yīng)用價(jià)值不高，并未得到廣泛應(yīng)用；苜蓿、水稻等為較近期開發(fā)的產(chǎn)品。改造的性狀已從早期單純集中于耐除草劑（大豆、油菜）、抗蟲（玉米、棉花）發(fā)展到通過基因改造與常規(guī)雜交等手段結(jié)合，同時(shí)改造多個性狀，包括改良營養(yǎng)性狀（如提高大豆、油菜種子油成分中不飽和脂肪酸含量，以改進(jìn)油營養(yǎng)成分），提高對非生物脅迫抗性（如抗旱玉米的培育）等。而復(fù)合2種或3種性狀的生物技術(shù)作物的種植面積有明顯的增長，已有不少商用品種是既耐除草劑又抗蟲的，近年來復(fù)合性狀的范圍更有所擴(kuò)大，如，應(yīng)用大豆遺傳圖譜定位和轉(zhuǎn)基因技術(shù)結(jié)合，美國孟山都生物技術(shù)公司（簡稱孟山都）2009年推出了既耐除草劑又可增產(chǎn)7％～11％的大豆新品種RReady2Yield。
植物生物技術(shù)的新進(jìn)展及前景
據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計(jì)，為保證全球人口增長的需求，在2005—2050年期間，全球食品生產(chǎn)的增加要達(dá)到70％。在增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的同時(shí)，還須面對減少資源耗用、滿足消費(fèi)者對健康食品需求等問題，這些都對植物育種提出了新的要求。作為當(dāng)代育種重要手段之一的生物技術(shù)育種，近年來也把育種目標(biāo)更多地轉(zhuǎn)向高產(chǎn)、抗逆（非生物脅迫）、高品質(zhì)等，即所謂第2代轉(zhuǎn)基因育種。能合成類胡蘿卜素的金稻米和抗旱玉米MON87460是其中2個成功的例子。
維生素A缺乏可引起夜盲、干眼病、角膜軟化，甚至與兒童腹瀉等有關(guān)，估計(jì)全球有過億兒童處于維生素A缺乏狀態(tài)。2000年，瑞士和德國的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)表了他們通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法，把來自植物黃水仙和細(xì)菌的β－胡蘿卜素合成途徑相關(guān)酶基因———八氫番茄紅素合成酶基因（PSY）、番茄紅素脫氫酶基因（CRT1）、番茄紅素環(huán)化酶基因（帶轉(zhuǎn)運(yùn)肽），用3個質(zhì)粒共轉(zhuǎn)化水稻未成熟胚，潮霉素篩選，獲得了種子胚乳為黃色、干種子中胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1?6μg／g的轉(zhuǎn)基因水稻株系，開創(chuàng)了這一通過轉(zhuǎn)基因賦予稻米新營養(yǎng)成分的新領(lǐng)域，因其黃色的胚乳而被命名為金稻米。然而，由于產(chǎn)生的胡蘿卜素含量太低，缺乏實(shí)用上的意義。隨后的數(shù)年，這2位科學(xué)家與先正達(dá)公司合作，從導(dǎo)入的基因、啟動子來源、篩選標(biāo)記以及載體的選擇等方面，作了一系列的改變［2］，如用以糖為篩選基礎(chǔ)的標(biāo)記代替了抗生素抗性的篩選系統(tǒng)，選用胚乳特異表達(dá)啟動子、不同水稻品種用于轉(zhuǎn)化等；而關(guān)鍵的突破來自PSY來源的改變，先正達(dá)公司的科學(xué)家經(jīng)大量的比較、分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入來自玉米的PSY，可明顯把轉(zhuǎn)基因水稻干種子胚乳中胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到最高可達(dá)36?7μg／g的水平，其中維生素A的前體β－胡蘿卜素占80％以上，獲得了GR1／GR2等株系。β－胡蘿卜素被人吸收后，可經(jīng)歷酶解過程而轉(zhuǎn)化為維生素A，按照美國國家科學(xué)院醫(yī)學(xué)研究所推薦的兒童每天所需維生素A的攝入量，如以金稻米中胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的保守估計(jì)為24μg／g計(jì)算，只需食用72g大米即可提供兒童每天維生素A需求的50％。成人的自愿食用試驗(yàn)結(jié)果表明，食用量為65～98g即可明顯提高血液中維生素A的含量，可見大米中的β－胡蘿卜素能有效地轉(zhuǎn)化為維生素A。
金稻米的開發(fā)是學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)（公共部門）和生物技術(shù)企業(yè)（私人部門）合作完成的，為保證其使用達(dá)到減少世界上貧困人口、特別是兒童中的維生素A缺乏癥的研發(fā)目標(biāo)，享有發(fā)明權(quán)和專利權(quán)的科學(xué)家和公司已達(dá)成協(xié)議，無償授予發(fā)展中國家對相關(guān)品種的使用權(quán)。2005—2010年，通過一系列育種項(xiàng)目，這一性狀已轉(zhuǎn)育到世界各地多個地方品種中，近期已在國際水稻研究所和菲律賓水稻研究所完成田間試驗(yàn)，后者擬在2013年向菲律賓政府監(jiān)管當(dāng)局申報(bào)，爭取2014年開始交給農(nóng)民種植。
全球氣候的異常變化、水資源的短缺使耐旱成為了一個重要的育種目標(biāo)。孟山都的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)把來自細(xì)菌的冷擊蛋白CSP轉(zhuǎn)入植物，能賦予受體對非生物脅迫的抵抗能力，如寒冷（擬南芥），冷、熱和缺水（水稻），干旱（玉米）等。初步研究顯示，CSP為一類RNA伴侶蛋白，存在于細(xì)菌和植物中，可能通過在轉(zhuǎn)錄和翻譯中起作用而調(diào)節(jié)生物對脅迫的反應(yīng)。鑒于美國中西部玉米種植區(qū)常有旱情，他們的進(jìn)一步研究集中于玉米的抗旱性，在對多個基因和轉(zhuǎn)化事件的表型和表達(dá)分析比較后，選定了產(chǎn)量、葉片生長、光合效率均表現(xiàn)良好的CspB?Zm事件1株系，并與生產(chǎn)品種配成3個雜交組合，進(jìn)行控制給水條件下的田間試驗(yàn)，與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ毡容^，主要表現(xiàn)在籽粒數(shù)和帶籽粒的穗數(shù)增加，平均可增產(chǎn)0?5t／hm2（10?5％）；隨后在美國中西部干旱地區(qū)田間種植，增產(chǎn)達(dá)0?75t／hm2（15％）。該品系內(nèi)轉(zhuǎn)入的目標(biāo)基因CspB來自枯草芽孢桿菌，命名為MON87460，2010年12月美國食品藥品監(jiān)管局已承認(rèn)該產(chǎn)品的食用安全評價(jià)，2011年12月美國農(nóng)業(yè)部解除對其監(jiān)管，成為全球第1個可供生產(chǎn)應(yīng)用的抗旱轉(zhuǎn)基因作物品種。其與常規(guī)品種雜交獲得的雜交種Drought?GardHybrid已作為孟山都公司的重要新產(chǎn)品在美國推出，以圖提高干旱地區(qū)的玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性，有利于農(nóng)民及環(huán)境。
此外，通過不同途徑的改變，以提高產(chǎn)量、抗逆性、品質(zhì)等為目標(biāo)的研究也有不少報(bào)道，如Kebeish等［6］用細(xì)菌的乙醇酸分解途徑作為葉綠體光呼吸的旁路，把相關(guān)基因引入到擬南芥，以增加光合作用和生物量，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株生物量增加、光呼吸作用減少、光合作用有所改進(jìn)；Mao等、Baum等［8］利用近年迅速發(fā)展的RNA干涉（RNAi）技術(shù)，開發(fā)全新的抗蟲作物品種培育途徑。其中，中國科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳曉亞院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組發(fā)現(xiàn)，棉花的一種代謝物———棉酚可抑制棉鈴蟲幼蟲的生長，他們從蟲中腸分離了棉酚誘導(dǎo)表達(dá)的基因———細(xì)胞色素P450基因（CYP6AE14），研究了其在幼蟲對棉酚耐受性中的關(guān)鍵作用；進(jìn)一步根據(jù)CYP6AE14編碼序列構(gòu)建RNA干涉載體，轉(zhuǎn)化植物（擬南芥、煙草），用這些表達(dá)特異雙鏈RNA的葉子喂飼棉鈴蟲幼蟲，其中腸CYP6AE14轉(zhuǎn)錄水平下降，生長緩慢，在飼料中加入棉酚后生長抑制大大增加；試驗(yàn)結(jié)果表明，植物介導(dǎo)CYP6AE14基因的RNA干涉可有效增大棉酚對棉鈴蟲的毒性。這一研究結(jié)果提出了通過植物表達(dá)雙鏈RNA，喂飼昆蟲可成為啟動昆蟲RNA干涉的新策略，未來可應(yīng)用于昆蟲研究和田間害蟲的控制中。
第3代的生物技術(shù)育種常指用植物生產(chǎn)各種重組蛋白，包括藥用蛋白、工業(yè)用蛋白，也有報(bào)道稱之為“植物分子農(nóng)業(yè)（Plantmolecularfarming，PMF）”，它包括了從植物種植（或細(xì)胞培養(yǎng)）、收獲、運(yùn)輸、儲藏到蛋白質(zhì)抽提、純化的下游過程。早在20世紀(jì)90年代初，當(dāng)植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)日漸成熟時(shí)，由于轉(zhuǎn)基因植物具有成本低、容易規(guī)?；⒖杀苊馊嗽春蛣游镌床≡镂廴镜葍?yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為可以作為生物藥物生產(chǎn)的一個重要系統(tǒng)；早期的設(shè)想多是擬在植物果實(shí)中表達(dá)疫苗，通過食用即可賦予使用者對該種傳染病的預(yù)防能力。1992年，首個植物生產(chǎn)重組蛋白的報(bào)道———美國德克薩斯州的科學(xué)家在植物成功表達(dá)乙型肝炎表面抗原的文章發(fā)表于美國科學(xué)院院刊（PNAS），隨后，類似研究也申請獲得美國專利。然而，由于蛋白表達(dá)量低、穩(wěn)定性差、食用難以控制疫苗劑量等問題，這類疫苗從未達(dá)到商業(yè)生產(chǎn)、投放市場的水平。十多年后，美國陶氏農(nóng)業(yè)科學(xué)公司于2006年初宣布，其應(yīng)用煙草細(xì)胞懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)生產(chǎn)的禽類新城疫病毒疫苗已得到美國農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)，為全球第1個獲批使用的植物生產(chǎn)疫苗。表3總結(jié)了目前處于臨床試驗(yàn)，或批準(zhǔn)使用的植物生產(chǎn)藥物，包括疫苗、抗體、治療用蛋白和保健用蛋白。應(yīng)用不同的植物生產(chǎn)體系，如瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)等生產(chǎn)的、針對乙型肝炎、狂犬病、H5N1流感的疫苗已進(jìn)入不同階段的臨床試驗(yàn)。由于植物病毒介導(dǎo)的瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)可迅速、高量在植物中生產(chǎn)重組蛋白，在抗體生產(chǎn)中有較佳的應(yīng)用前景，第1個獲歐盟作為醫(yī)學(xué)建議并被美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)新藥應(yīng)用觀察的植物生產(chǎn)抗體是美國植物生物技術(shù)公司的產(chǎn)品CaroRxTM，該產(chǎn)品用煙草生產(chǎn)，功效為保護(hù)牙齒免受細(xì)菌的侵害?？贵w外的一些治療用蛋白質(zhì)，如Biolex治療公司研制的用于治療乙型和丙型肝炎的α－干擾素（商品名Locferon）已完成臨床Ⅱ期試驗(yàn)，而Pro?talix生物治療公司研制，用轉(zhuǎn)基因胡蘿卜細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)，用于高歇氏病治療的人葡糖腦苷脂酶（prGCD）于2009年進(jìn)入III期臨床試驗(yàn)，取得良好結(jié)果。此外，把編碼重組蛋白基因轉(zhuǎn)化谷類作物，在其種子胚乳表達(dá)，作為保健型產(chǎn)品，也已有數(shù)個成功的例子，如美國Ventria公司用水稻生產(chǎn)的人乳鐵蛋白、人溶菌酶等，已被批準(zhǔn)作為精細(xì)化學(xué)產(chǎn)品投放市場。
用生物技術(shù)手段，在植物生產(chǎn)藥物的發(fā)展中，所用的植物體系主要包括轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)為基礎(chǔ)的生物反應(yīng)器；用農(nóng)桿菌滲透或病毒感染植物組織而導(dǎo)入重組蛋白基因并在其內(nèi)瞬時(shí)表達(dá)的體系；以及通過常規(guī)遺傳轉(zhuǎn)化獲得穩(wěn)定的、在特定部位（如籽粒的胚乳）高效表達(dá)目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)基因株系等。這些體系各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如細(xì)胞培養(yǎng)體系的生產(chǎn)全過程均在室內(nèi)可控條件下進(jìn)行，生產(chǎn)系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量可達(dá)到醫(yī)藥工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，且易于通過安全監(jiān)管，但其生產(chǎn)成本高、可用細(xì)胞類型少、蛋白表達(dá)水平有待提高等問題仍有待解決；瞬時(shí)表達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)是可在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)大量的急需產(chǎn)品，如疫苗等，但其運(yùn)輸、儲存難度大；常規(guī)遺傳轉(zhuǎn)化獲得的轉(zhuǎn)基因籽粒易于運(yùn)輸、儲存以及生產(chǎn)規(guī)?；?，但也存在產(chǎn)品開發(fā)耗時(shí)長、田間生產(chǎn)受環(huán)境影響大以及對環(huán)境安全監(jiān)管要求高等問題。
過去20年的歷史已經(jīng)證明了植物為基礎(chǔ)的體系確實(shí)可以生產(chǎn)各種類型的人體蛋白，近年來處于領(lǐng)頭地位的新藥物開發(fā)已到達(dá)臨床研究的后期階段，即將進(jìn)入市場。作為一個低成本、高產(chǎn)的生物藥物生產(chǎn)系統(tǒng)，各國政府、各種基金會、企業(yè)公司紛紛投放資金支持相關(guān)研究，以取得領(lǐng)先地位。如歐盟的PharmaPlanta聯(lián)盟，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省Meti項(xiàng)目，美國的BlueAngel項(xiàng)目，巴西的PMP計(jì)劃等。
植物生物技術(shù)發(fā)展的成果是生物科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、商業(yè)性生產(chǎn)三者結(jié)合的結(jié)果。30年來，它已從實(shí)驗(yàn)室走到了大田，證明了在增加糧食和飼料生產(chǎn)中發(fā)揮的作用。隨著生命科學(xué)的發(fā)展，大量新技術(shù)的出現(xiàn)，這一新的育種技術(shù)及其應(yīng)用范圍也在不斷的改進(jìn)中：在基因來源方面，更多的來源于植物自身的基因正在取代第1代轉(zhuǎn)基因作物中的細(xì)菌來源或人工合成基因；在目標(biāo)方面，更多轉(zhuǎn)向產(chǎn)量乃至總生物量的增加，如在高二氧化碳強(qiáng)度的世界中，通過修飾Rubisco大單位，改變其熱穩(wěn)定活性，增加葉片中淀粉的合成，進(jìn)而增加植物的生物量；在影響新產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)———外源基因?qū)敕椒ǚ矫?，新一代的技術(shù)———TALEN，即轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（Transcriptionactivator?likeeffectornucleases）已被證明可以在植物中定點(diǎn)引起高頻率的基因敲除、插入和取代，可成為一個把外源DNA定點(diǎn)插入受體植物基因組的重要平臺，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，將能克服多年來各種方法引入的外源基因均為隨機(jī)插入而致的不良效應(yīng)，按設(shè)計(jì)獲得所需的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品；在應(yīng)用的范圍方面，生物技術(shù)的應(yīng)用使植物已不僅為人類提供食品和飼料，還將提供藥品、工業(yè)用品（如生物活性化合物）和能源產(chǎn)品，如增加可能的能源植物的生物量等，有助于減少人類對石化燃料的依賴。隨著植物生物技術(shù)自身的發(fā)展和完善、日漸成熟的監(jiān)管體系以及人們對這一新生事物認(rèn)識的增加，其應(yīng)用將逐步為公眾所接受，以在新型的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)中發(fā)揮更大的作用。
本文作者：梅曼彤 單位：廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院
摘要:二十一世紀(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各國的綜合實(shí)力與國際競爭力不斷增強(qiáng)，先進(jìn)的技術(shù)也使得醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)展，成為了增強(qiáng)本國經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的重要方式之一，醫(yī)藥生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展越來越呈現(xiàn)出勢不可擋的姿態(tài)。本文簡略分析了全球和我國醫(yī)藥生物技術(shù)所取得的進(jìn)步，闡述了我國目前醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)存在的問題，并在此基礎(chǔ)上，探討了相應(yīng)的解決措施。
關(guān)鍵詞:醫(yī)藥生物技術(shù);產(chǎn)業(yè)化;措施
近年來，醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，為各行各業(yè)帶來了較為廣闊的發(fā)展空間，將生物技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，不僅使得醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，也使得其成為相對活躍的產(chǎn)業(yè)之一。雖然醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展的態(tài)勢良好，但仍然存在著大大小小的問題，需要我們?nèi)ヌ剿骱徒鉀Q，才能使得醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)跨向一個更高的臺階。
1醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展的總趨勢
從全球醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展的狀況來看，生物技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)的運(yùn)用，正在引發(fā)著醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的重大變革。在2000年，全球生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的銷售額高達(dá)500多億美元，而醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的銷售額就占去了60%，實(shí)際上自90年代以后，全球生物技術(shù)藥品的銷售額以年均30%的速度增長著。
2我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r
我國的醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相較國外的發(fā)展情況而言起步相對較晚，但是隨著國家在醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支持力度的加大，使得醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)有了較快的發(fā)展，縮短了與西方先進(jìn)國家的差距，在全球醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中占有了一席之地。
3我國醫(yī)藥生物技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的問題
隨著我國社會的不斷向前發(fā)展，醫(yī)藥生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了很大的進(jìn)步，但是其發(fā)展過程中，不斷的涌現(xiàn)出了許多問題，如在醫(yī)藥生物技術(shù)領(lǐng)域的資金投入不足;生物醫(yī)藥產(chǎn)品的自主創(chuàng)新不足，產(chǎn)品的研發(fā)能力有限等問題，這些問題在很大程度上阻礙了我國醫(yī)藥生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的更好發(fā)展。
3．1自主研發(fā)產(chǎn)品能力有限，創(chuàng)新性不足
在我國現(xiàn)有的生物技術(shù)藥物中，只有少數(shù)部分是自主研發(fā)，擁有產(chǎn)品的自主產(chǎn)權(quán)，而絕大部分則是依靠國外的醫(yī)藥生物技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的仿制，真正的自主創(chuàng)新其實(shí)很少，以至于出現(xiàn)藥品研制上的重復(fù)，藥品生產(chǎn)的過量等多種問題，再加上國內(nèi)缺乏對醫(yī)藥生物技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的意識，使得部分的醫(yī)藥生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展停滯不前，導(dǎo)致藥品生產(chǎn)企業(yè)之間的競爭壓力增大，企業(yè)的利潤不斷減少，嚴(yán)重的出現(xiàn)虧損現(xiàn)象，最終血本無歸。有的藥品生產(chǎn)商為了避免出現(xiàn)這種情況，選擇企業(yè)著重于仿制藥品的生產(chǎn)，因?yàn)榉轮扑幤房梢詼p少自主研發(fā)的資金投入，相對來說費(fèi)用較少，而且盈利較快，風(fēng)險(xiǎn)也就相對較低，這種思想的循環(huán)使得我國的醫(yī)藥生物技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)突破性的創(chuàng)新。
3．2醫(yī)藥生物技術(shù)的研究成果難以轉(zhuǎn)化為醫(yī)藥產(chǎn)品
這些年經(jīng)過醫(yī)藥生物技術(shù)研究方面專業(yè)人才的努力，我國的醫(yī)藥生物技術(shù)在研究方面較以前取得了很大的進(jìn)展，但現(xiàn)實(shí)是很難將這種研究上的成果轉(zhuǎn)化為醫(yī)藥產(chǎn)品。
3．3在醫(yī)藥生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的投資不足
從我國在醫(yī)藥技術(shù)研究中的投入資金來看，是遠(yuǎn)少于國外在醫(yī)藥領(lǐng)域的資金投入的，這也是為什么我國的醫(yī)藥生物技術(shù)的研究難有創(chuàng)新性的發(fā)展。醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)本就是高風(fēng)險(xiǎn)、高投資、高回報(bào)的產(chǎn)業(yè)，醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)得不到充足的資金支持，勢必會阻礙其研發(fā)過程的進(jìn)展，從而影響我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
3．4我國醫(yī)藥企業(yè)規(guī)模相對較小，競爭力較弱
隨著近些年我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了較多的生物制藥企業(yè)，但是這些企業(yè)普遍的特點(diǎn)就是規(guī)模較小，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱，自主研發(fā)新產(chǎn)品的能力較低，因此在醫(yī)藥行業(yè)的國際競爭中的競爭能力較差，抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱，這顯然對我國的醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分不利。
4解決我國醫(yī)藥生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的措施
隨著經(jīng)濟(jì)、政治、文化、科技全球化趨勢的不斷增強(qiáng)，每個國家、各個行業(yè)都面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，對醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)來說也不例外。在競爭如此激烈的大環(huán)境中，要加快我國醫(yī)藥生物技術(shù)的自主研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可以采取以下措施:
4．1端正態(tài)度，客觀認(rèn)識到我國醫(yī)藥生物技術(shù)的發(fā)展與世界先進(jìn)國家的水平。
在擺正態(tài)度的同時(shí)，總結(jié)我國醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，同時(shí)加強(qiáng)與先進(jìn)國家的交流，積極吸取、引進(jìn)國外的先進(jìn)醫(yī)藥生物技術(shù)，自主研發(fā)創(chuàng)新醫(yī)藥產(chǎn)品，形成我們自己的國際競爭優(yōu)勢。
4．2加大在醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的資金投入。
從醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的性質(zhì)可以看出，想要實(shí)現(xiàn)我國醫(yī)藥生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，就需要我們集中人力、物力、財(cái)力，加大在醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的投入，有重點(diǎn)、有針對性的扶持醫(yī)藥生物技術(shù)項(xiàng)目，提高我們的醫(yī)藥生物技術(shù)水平。同時(shí)，還應(yīng)該注重培養(yǎng)醫(yī)藥生物技術(shù)方面的專業(yè)人才，提高醫(yī)藥生物技術(shù)人才的專業(yè)素養(yǎng)，為我國醫(yī)藥生物技術(shù)的研究與發(fā)展注入新生力量。
4．3注重醫(yī)藥生物技術(shù)研究成果向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)上下游技術(shù)的完美銜接。
在加強(qiáng)醫(yī)藥生物技術(shù)的研究的同時(shí)，注重研究成果的轉(zhuǎn)化，建立好高校的醫(yī)藥生物技術(shù)研究和藥品生產(chǎn)企業(yè)的溝通、合作橋梁，實(shí)現(xiàn)雙方的完美銜接。
5結(jié)語
綜上所述，我國的醫(yī)藥生物技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，雖然在這一過程中仍有些許問題有待解決，但是我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍然勢不可擋，相信在其未來的發(fā)展過程中，必將實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性飛躍。
作者：劉航 單位：沈陽師范大學(xué)
摘要：隨著社會不斷進(jìn)步，科技日益發(fā)展，現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，被廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為其注入了新的活力，不斷促進(jìn)新時(shí)期食品工業(yè)向前發(fā)展。在現(xiàn)代生物技術(shù)作用下，提高了食品資源利用率，改良了食品的品質(zhì)，食品包裝實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，有效解決了食品工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的環(huán)保與健康問題，不斷促進(jìn)食品工業(yè)走上健康持續(xù)發(fā)展的道路。
關(guān)鍵詞：食品工業(yè)；現(xiàn)代生物技術(shù)；應(yīng)用進(jìn)展；分析
生物技術(shù)是一種對生命有機(jī)體進(jìn)行加工改造、利用的重要技術(shù)，也是新時(shí)期國際上食品領(lǐng)域的最具前沿的關(guān)鍵性技術(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，人們的生活水平日漸提高，對食品提出了更高的要求。而現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用有效解決了食品工業(yè)發(fā)展中存在的各種問題，滿足了人們對食品的客觀要求，不斷推動食品這個極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，能夠更好地應(yīng)對來自各方面的挑戰(zhàn)，不斷發(fā)展壯大，促進(jìn)我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。
1基因工程、細(xì)胞工程在食品加工業(yè)中的應(yīng)用
在現(xiàn)代生物技術(shù)中，基因工程技術(shù)是其不可或缺的組成元素，是分子遺傳學(xué)、工程技術(shù)作用下的產(chǎn)物，可以有效改良微生物、動物的基因，為食品工業(yè)提供多樣化的動植物原材料，價(jià)格低廉的酶制劑，增加食品功能，不斷促進(jìn)新功能食品的開發(fā)。以改善食品原材料品質(zhì)、加工性能為例，在食品加工過程中，動、植物都是重要的基本原料。在生產(chǎn)植物食品原材料方面，基因工程能夠改良品種，促進(jìn)新品種的開發(fā)，促使原材料增產(chǎn)，比如，耐除草劑植物?；蚬こ淘谝欢ǔ潭壬县S富了食品原料的種類，優(yōu)化了食品資源的品質(zhì)特性，大大增加了食用以及營養(yǎng)價(jià)值。比如，充分利用反義RNA技術(shù)，把不同類型的基因結(jié)構(gòu)順利轉(zhuǎn)移到番茄植株上面，延緩了番茄的后熟、老化，具有更長的架貨期，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。此外，基因工程的應(yīng)用促使谷類蛋白質(zhì)中的氨基酸比例發(fā)生變化，提高了谷類物質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值。就細(xì)胞工程而言，以細(xì)胞為基點(diǎn)，按照相關(guān)規(guī)定，有計(jì)劃地改造生物的生產(chǎn)性能、遺傳特性，來獲取所需的新生物體、細(xì)胞成品的一種技術(shù)。在食品工業(yè)中，細(xì)胞工程的應(yīng)用和細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞融合技術(shù)緊密相連。在植物細(xì)胞作用下，生產(chǎn)出各種功能性食品、食品添加劑，比如，天然香料。就我國而言，充分利用胡蘿卜細(xì)胞，生產(chǎn)出大量的胡蘿卜素，其繁殖速度相當(dāng)快，周期也非常短，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
2酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用
2．1食品保鮮：
從某種角度來說，酵屬于生物催化劑，具有多樣化的特點(diǎn)，比如，較高的催化劑率，被廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)中。在食品保鮮方面，生物酶發(fā)揮著不可替代的作用，要根據(jù)不同物質(zhì)中酶的種類，選用適宜的生物酶，有效抑制食品中不利于保質(zhì)的酶或者減慢其發(fā)展速度，實(shí)現(xiàn)食品保鮮。比如，在瓶裝飲料中加入適量的葡萄糖氧化酶，能夠有效吸取瓶隙存在的氧氣，適當(dāng)延長食品的保鮮期，避免食品壞掉，增加生產(chǎn)運(yùn)營成本。對于溶菌酶來說，能夠有效溶解革蘭氏陽性菌，主要用于這些食品的保鮮，比如，干酪、水產(chǎn)品；而對于細(xì)胞壁溶解酶來說，能夠在一定程度上避免一些微生物的大量繁殖，取代了有毒化學(xué)防腐劑的地位，食品具有非常好的保鮮貯藏效果。
2．2食品加工：
在酶工程作用下，傳統(tǒng)食品工業(yè)發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，比如，玉米在酶作用下實(shí)現(xiàn)液化、糖化等，能夠生產(chǎn)大量的果葡萄漿，取代了蔗糖的地位，作為飲料、食品重要的甜味劑。就日本而言，推出了谷氨酞胺轉(zhuǎn)胺酶，具有催化蛋白質(zhì)分子的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)移分子內(nèi)部的酞基，能夠改變低檔次面粉中的蛋白質(zhì)，具有較好的口感，面食具有較好的彈性、持水能力。對于玉米面來說，它的口感比較粗糙，運(yùn)營效益并不理想，在酶工程作用下，改良后的玉米面深受社會大眾喜愛，具有很好的銷量。
3發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用
在食品領(lǐng)域中，發(fā)酵工程技術(shù)是應(yīng)用最早的生物技術(shù)，在該技術(shù)作用下，能夠有效改造傳統(tǒng)發(fā)酵食品，不斷加快現(xiàn)酵產(chǎn)品的研發(fā)，涉及到不同食品工業(yè)領(lǐng)域，比如，食品加工催化劑、飲料穩(wěn)定劑。以“開發(fā)功能性食品”為例，在相關(guān)研究中，發(fā)現(xiàn)很多真菌中都含有多糖成分，比如，冬蟲夏草、猴頭菇，可以提升人體的免疫力，更好地抵抗各類疾病。更為重要的是，有些的真菌還具有較好的抗腫瘤能力、抗衰老作用。而這為發(fā)展功能性食品提供了關(guān)鍵性的原料。就傳統(tǒng)生產(chǎn)方法來說，主要是依靠人工，采摘或者種植，但其規(guī)模大都比較小，產(chǎn)量較少極易受到各種客觀條件的影響，無法滿足社會市場的客觀需求。在發(fā)酵條件下，可以實(shí)現(xiàn)真菌多糖的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，在增加產(chǎn)量的同時(shí)，還提高了真菌的質(zhì)量，為更好地研制功能性食品做好了鋪墊。
4結(jié)語
總而言之，在食品工業(yè)發(fā)展中，現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮著不可替代的作用，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但在應(yīng)用過程中，需要注重自主創(chuàng)新，加強(qiáng)國際科技合作，優(yōu)化利用國外先進(jìn)技術(shù)，尋求新的發(fā)展出路。而生物技術(shù)企業(yè)也需要意識到現(xiàn)代生物技術(shù)的重要性，不斷增加產(chǎn)品的科技含量，擴(kuò)大自身規(guī)模。以此，在促使現(xiàn)代生物技術(shù)優(yōu)化利用的基礎(chǔ)上，不斷促進(jìn)新時(shí)期食品加工業(yè)走上長遠(yuǎn)發(fā)展道路。
作者：陳家祿 單位：海南師范大學(xué)
本文作者：王訓(xùn)博、熊路、黃海兵、王定興、李昊旻、許永立 單位：湖南城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、湖南城市學(xué)院城市管理學(xué)院
隨著農(nóng)業(yè)革命、手工業(yè)革命、工業(yè)革命、商品國際化革命、信息產(chǎn)業(yè)化革命的推進(jìn)，許多科學(xué)家們預(yù)言21世紀(jì)必將產(chǎn)生一次生物技術(shù)革命，而這一革命的主戰(zhàn)場就是農(nóng)業(yè)。現(xiàn)代生物技術(shù)可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善農(nóng)作物的營養(yǎng)品質(zhì)。因此，現(xiàn)代生物技術(shù)必然會成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。
1現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
1.1基因工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
基因工程即利用分子生物學(xué)和微生物學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)好不同來源的基因順序，在體外成功構(gòu)建雜交DNA分子后導(dǎo)入受體細(xì)胞，使受體細(xì)胞表現(xiàn)出人們需要的表現(xiàn)型，產(chǎn)生出人們需要的物質(zhì)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用基因工程技術(shù)，獲得的農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性強(qiáng)，還可獲得畜、禽新品種及具有特殊作用的動、植物。例如，經(jīng)過7年的努力攻關(guān)，2011年勝利突破了大面積示范（即6.67hm2示范）平均產(chǎn)量為13500kg/hm2的超級雜交稻第3期目標(biāo)，達(dá)到了13899kg/hm2[1]；運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將相應(yīng)的基因?qū)胗筒酥杏型嘤鲛D(zhuǎn)基因抗病油菜新品種[2]；運(yùn)用基因工程技術(shù)可將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中，使農(nóng)作物能夠不受除草劑的影響，目前已生產(chǎn)出多種抗除草劑作物品種，應(yīng)用廣泛[3]。
1.2細(xì)胞工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
細(xì)胞工程是指在體外培養(yǎng)細(xì)胞，以改變細(xì)胞某些生物學(xué)特性為目的將不同作物或動物進(jìn)行細(xì)胞雜交，使植物或動物個體繁殖速度加快，以獲得優(yōu)良品種或新品種及某些具有特殊作用的物質(zhì)的一門技術(shù)[4]。細(xì)胞工程技術(shù)在植物快速繁殖、植物新品種選育等方面發(fā)揮著重要作用。目前植物體細(xì)胞雜交應(yīng)用較多，如可以將馬鈴薯細(xì)胞和番茄細(xì)胞進(jìn)行雜交，可獲得上結(jié)番茄下結(jié)馬鈴薯的“番茄馬鈴薯”；將豆科植物與向日葵進(jìn)行細(xì)胞雜交，可培育出具有高營養(yǎng)價(jià)值的“向日豆”[5]。
1.3發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
發(fā)酵工程即利用微生物具有的特殊作用生產(chǎn)出對人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接將微生物應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程的一門新的技術(shù)。發(fā)酵工程主要可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的2個方面，一是生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如果酒、茯磚茶、食醋等；二是生產(chǎn)一些食品添加劑。如茯磚茶的制作過程中就運(yùn)用到了發(fā)酵工程技術(shù)，通過調(diào)控渥堆時(shí)間、使用接種劑、發(fā)酵劑等方法可以改進(jìn)茯磚茶的加工工藝，進(jìn)而可生產(chǎn)出“金花”飽滿、品質(zhì)優(yōu)良的茯磚茶。
1.4酶工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
酶工程，簡單來說就是利用酶的生物催化功能，借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)。酶工程可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的制酒、制醬等方面。例如，隨著我國糧食的不斷增產(chǎn)，一些地區(qū)出現(xiàn)了粗糧過剩的問題，需要解決粗糧的淀粉利用。解決辦法之一是生產(chǎn)葡萄糖，但由于葡萄糖甜度不大，難以在市場上應(yīng)用。最有效的辦法還是運(yùn)用酶工程技術(shù)的手段，將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)樘鸲却蟮墓?，果糖不僅比葡萄糖甜度大，其比蔗糖的甜度還高50%以上。
2微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
2.1微生物肥料的特點(diǎn)
微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用該種肥料可獲得特定的肥料效應(yīng)[6]。生物肥料的定義分為2個方面，從狹義上講，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發(fā)酵產(chǎn)生的，活性高。施入該種肥料能夠產(chǎn)生活性物質(zhì)，能夠增加作物的固氮作用，改善土壤的理化性質(zhì)，使作物的生長環(huán)境變得更好，使作物生長更優(yōu)、產(chǎn)量更高。從廣義上講，生物肥料泛指各種具有特定肥效的生物制劑，包括特定的活的生物體、生物體的代謝物或基質(zhì)的轉(zhuǎn)化物等，此種生物體不限定，既可以是微生物，也可以是動、植物組織和細(xì)胞[7-8]。
2.2生物肥料的應(yīng)用優(yōu)勢
微生物肥料具有其他化肥和農(nóng)藥沒有的優(yōu)勢，可有效改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力。目前微生物肥料已應(yīng)用在綠色有機(jī)食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展中，并發(fā)揮著極其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身無毒害作用，對環(huán)境幾乎無污染；同時(shí)，施用量一般不大，在其生產(chǎn)過程中所消耗的能量也很少，因而可節(jié)約農(nóng)民的施肥成本。此外，微生物肥料還可改善土壤的理化性質(zhì)，減少土壤營養(yǎng)流失和富營養(yǎng)化的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)化利用。
2.3微生物肥料的應(yīng)用前景
目前，微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用已越來越廣泛，也得到了農(nóng)民以及社會的逐步認(rèn)可。國內(nèi)外都在積極發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和綠色食品，微生物肥料作為一種保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人類健康的理想肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用必將越來越廣泛、越來越重要。但是如何合理的使其替代化肥并更穩(wěn)定地發(fā)揮其生態(tài)作用是未來研究的方向[11-12]。
1甲硫氨酸生產(chǎn)國內(nèi)外發(fā)展近況
甲硫氨酸是繼谷氨酸之后產(chǎn)量第二大的氨基酸，2011年，針對動物飼料的甲硫氨酸市場年銷售額約28.5億美元，銷量85萬噸，年增長率5%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2014年全球甲硫氨酸需求量約100萬噸，呈逐年增長趨勢。目前甲硫氨酸三大主要生產(chǎn)商為贏創(chuàng)（原德固賽）公司，安迪蘇（原普朗克）公司和日本曹達(dá)（原孟山都）公司[6]。2006年，中國藍(lán)星有限公司收購安迪蘇子公司，并于2010年在江蘇南京開始建廠，將最初年產(chǎn)能7萬噸的計(jì)劃翻倍至14萬噸。該廠的建成投產(chǎn)將結(jié)束中國重要動物飼料添加劑完全依賴進(jìn)口的局勢。贏創(chuàng)公司2011年12月決議，在新加坡建立產(chǎn)能15萬噸的甲硫氨酸加工廠，將在2014年第三季度投入生產(chǎn)。韓國杰希公司和法國阿科瑪公司于2012年宣布將在東南亞建立產(chǎn)能8萬噸的甲硫氨酸加工廠，該廠將采用全新的發(fā)酵-化學(xué)法聯(lián)合生產(chǎn)線。德國巴斯夫公司雖然于2007年申請了發(fā)酵生產(chǎn)甲硫氨酸的專利，但至今仍不適用于商業(yè)生產(chǎn)。法國邁陀保利克公司和羅蓋特公司合作致力于L-甲硫氨酸發(fā)酵產(chǎn)品的研發(fā)[6]。
2生物技術(shù)生產(chǎn)甲硫氨酸研究進(jìn)展
2.1微生物發(fā)酵路線的相關(guān)研究
2.1.1甲硫氨酸生物合成途徑的研究
為構(gòu)建甲硫氨酸生產(chǎn)菌，首先需要了解甲硫氨酸的生物合成途徑，其中最基本的氨基酸生產(chǎn)菌——大腸桿菌(Escherichiacoli)和谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。如圖1，細(xì)菌中甲硫氨酸合成途徑以天冬氨酸為起點(diǎn)，經(jīng)天冬氨酸激酶(aspartokinase，AK)和高絲氨酸脫氫酶(homoserinedehydrogenase，HSD)兩個限速酶催化，生成高絲氨酸，進(jìn)而分別合成蘇氨酸和甲硫氨酸。甲硫氨酸合成存在兩個途徑：巰基轉(zhuǎn)移途徑以胱硫醚為中間體，以半胱氨酸為硫源，而直接巰基化途徑則可利用無機(jī)硫源。大腸桿菌只通過巰基轉(zhuǎn)移途徑合成甲硫氨酸，谷氨酸幫桿菌可同時(shí)利用兩個途徑。2002年Hwang等[14]在谷氨酸棒桿菌中發(fā)現(xiàn)了甲硫氨酸生物合成的直接巰基化途徑，并對metY或metB進(jìn)行突變，比較突變株生長參數(shù)。兩種酶在序列上存在相似性，但微生物優(yōu)先選擇巰基轉(zhuǎn)移途徑。因此它們在進(jìn)化上可能來自同一種酶，而MetY是長期進(jìn)化過程中突變和自然選擇的結(jié)果，存在受甲硫氨酸反饋抑制、與底物親和性低的缺陷。2007年，該課題組[15]對MetB和MetY進(jìn)行純化，比較了二者的生化參數(shù)。發(fā)現(xiàn)MetB和MetY對O-乙酰高絲氨酸催化作用的Km值分別為3.9和6.4mmol/L，與之前的推測吻合。同時(shí)，MetY對硫化物離子的Km也過高，證明其與硫化物離子的結(jié)合也很微弱，溫度和pH耐受性也較MetB差。至此，MetY存在的生理意義和利用價(jià)值尚不明晰。2006年，Krmer等[16]在對大腸桿菌和谷氨酸棒桿菌甲硫氨酸代謝途徑進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，以甲硫醇為硫源時(shí)，NADPH的消耗減少，可使甲硫氨酸理論產(chǎn)量得到提高。以甲硫醇或其二聚體二甲基二硫?yàn)榱蛟吹脑硎菍⑵?S-CH3基團(tuán)完整地插入甲硫氨酸的R基而直接生成甲硫氨酸。這一理論在2010年被Bolten等[17]證實(shí)，并通過基因敲除和14C同位素示蹤實(shí)驗(yàn)證明，催化這一反應(yīng)的酶正是MetY。至此，MetY這一獨(dú)特功能為該領(lǐng)域的研究提供了全新的線索。
2.1.2甲硫氨酸生產(chǎn)菌選育的相關(guān)研究
除發(fā)酵常用的谷氨酸棒桿菌和大腸桿菌之外，枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、百合棒桿菌(Corynebacteriumlilium)也常用作改造的出發(fā)菌株。2012年，Dike等[3]從不同土樣中篩選出三株蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)RS-16，DS-13,和AS-9，其中最優(yōu)菌株RS-16經(jīng)96h發(fā)酵產(chǎn)甲硫氨酸1.84mg/mL。但野生型菌株氨基酸的生物合成受到嚴(yán)格的代謝調(diào)控，一般不能滿足大量生產(chǎn)氨基酸的需要。因此，需要人為打破微生物對甲硫氨酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)。篩選抗結(jié)構(gòu)類似物菌株和營養(yǎng)缺陷型菌株是最常用的育種方法。2003年，Kumar等[18]采用紫外和亞硝基胍誘變技術(shù)處理百合屬棒桿菌，篩選獲得M-128菌株，其甲硫氨酸產(chǎn)量為2.3g/L；2009年，閔偉紅等[19-20]通過抗結(jié)構(gòu)類似物的篩選獲得北京棒桿菌(Corynebacteriumpekinense)突變株E31，其甲硫氨酸產(chǎn)量達(dá)1.479g/L。2011年，該課題組以E31為出發(fā)菌株，采用復(fù)合誘變和青霉素濃縮法篩選獲得12株賴氨酸和蘇氨酸雙重營養(yǎng)缺陷型突變株，其中突變株GE37的甲硫氨酸產(chǎn)量達(dá)3.55g/L。這些傳統(tǒng)的改造方法機(jī)理難以闡明，工作量大，但突變?nèi)?、有效。隨著基因技術(shù)的發(fā)展，2007年，Park等[1]解除了蘇氨酸對HSD的反饋抑制，同時(shí)敲除了thrB基因，阻止蘇氨酸合成。分批發(fā)酵過程中甲硫氨酸產(chǎn)量達(dá)2.9g/L。2011年，Chen等[21]利用分子動力學(xué)模擬與統(tǒng)計(jì)耦合分析相結(jié)合鑒別出30個關(guān)鍵氨基酸殘基，并證明這些殘基的突變可在不同程度上解除大腸桿菌AKⅢ的反饋抑制。至此，對于兩大限速酶的研究逐漸趨于半理性，能在代謝和進(jìn)化水平上做出合理的解釋，改造目標(biāo)更明確。在菌種選育過程中，一些新發(fā)現(xiàn)也給研究人員以啟示。2005年，Mampel等[22]對谷氨酸棒桿菌進(jìn)行轉(zhuǎn)座子誘變，得到7000個具有乙硫氨酸抗性的突變株，轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)為ORFNCgl2640，NCl2640失活會導(dǎo)致甲硫氨酸產(chǎn)量增加，證明該位點(diǎn)與L-甲硫氨酸合成途徑中某種抑制的解除密切相關(guān)。其結(jié)構(gòu)和具體功能有待科研工作者深入研究。2010年，Bolten等[17]發(fā)現(xiàn)了MetY的獨(dú)特功能后，試圖對MetY進(jìn)行過表達(dá)以增加甲硫氨酸產(chǎn)量，結(jié)果MetY酶活力提高近30倍，但發(fā)酵液中并無甲硫氨酸，胞內(nèi)甲硫氨酸產(chǎn)量也只提高2倍。胞內(nèi)組分分析發(fā)現(xiàn)其底物O-乙酰高絲氨酸已完全耗盡。這說明半理性的單基因修飾難以保證整個代謝網(wǎng)絡(luò)的平衡，以途徑中各代謝物和酶的功能性質(zhì)及代謝流分布信息為基礎(chǔ)，更加理性化的多基因修飾成為下一階段的研究目標(biāo)。2002年BiranD發(fā)現(xiàn)大腸桿菌[23]中MetA極易被四種依賴ATP催化的蛋白酶水解，且該基因受熱轉(zhuǎn)錄休克調(diào)控。2013年，Dike等[24]對根癌土壤桿菌中MetA進(jìn)行表征時(shí)發(fā)現(xiàn)了相同的不穩(wěn)定性和極端不耐熱特性。這極有可能也是賴氨酸和蘇氨酸易發(fā)酵生產(chǎn)，在同一途徑下游的甲硫氨酸卻一直難以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)的重要原因。
2.1.3甲硫氨酸向胞外輸出的研究
發(fā)酵法生產(chǎn)甲硫氨酸在合成水平上不易達(dá)到增產(chǎn)目標(biāo)，即便細(xì)胞質(zhì)內(nèi)甲硫氨酸產(chǎn)量得到提高，釋放至培養(yǎng)液中的量卻極少?？偨Y(jié)有以下兩方面原因：①微生物自身調(diào)控嚴(yán)格，為趨利避害，甲硫氨酸在自然條件下不會過量積累，即使經(jīng)改造的菌株，甲硫氨酸的產(chǎn)量與微生物細(xì)胞適應(yīng)性之間的平衡也難把握。②即使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)甲硫氨酸過量積累，但其輸出體系不完善，產(chǎn)物被微生物自身再利用或直接傷害細(xì)胞。2005年，Trtschel等[25]在已經(jīng)提高了胞內(nèi)甲硫氨酸濃度的條件下，利用DNA微陣列技術(shù)識別出過量表達(dá)的膜蛋白基因brnF（編碼BrnFE中較大的亞基），之前研究表明其與異亮氨酸輸出體系有關(guān)。當(dāng)BrnFE的合成被氯霉素關(guān)閉時(shí)，仍能觀察到大量甲硫氨酸輸出，只有極大提高氯霉素水平，其輸出才會減弱。這說明甲硫氨酸輸出體系不止一個，還存在不易被識別、但輸出能力高的其它體系。發(fā)掘并擴(kuò)增輸出通道既可增加發(fā)酵液中甲硫氨酸產(chǎn)量，又能避免代謝物積累對微生物的損傷。
2.1.4發(fā)酵條件的相關(guān)研究
對于甲硫氨酸發(fā)酵，最特殊的培養(yǎng)基成分即硫和甲基。以谷氨酸棒桿菌為例，2006年，Krmer等[16]用計(jì)算機(jī)模擬了不同硫源在甲硫氨酸合成途徑中的應(yīng)用。以硫酸鹽為硫源通過直接巰基化途徑生成1mol甲硫氨酸消耗8molNADPH，巰基轉(zhuǎn)移途徑消耗9molNADPH，而以硫代硫酸鹽為硫源，整個代謝過程只需要5.5molNADPH，以硫化物為硫源，NADPH消耗量僅為硫酸鹽的一半。但PPP途徑和TCA循環(huán)所能提供的NADPH是固定的，因此不同硫源的利用效率有待在實(shí)踐中考證。硫與甲基來源的結(jié)合可以考慮比較硫代硫酸鹽與甲酸鹽、硫化物與甲酸鹽及甲硫醇的利用情況。除了這兩種關(guān)鍵組分，2014年，Anakwenze等[26]從發(fā)酵的油豆種子中分離出甲硫氨酸產(chǎn)量為1.89mg/ml的赤云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)EC1，對發(fā)酵總體積、接種量、碳源及氮源濃度、促生長物質(zhì)均進(jìn)行探索優(yōu)化，最終赤云金芽孢桿菌EC1甲硫氨酸的產(chǎn)量可以達(dá)到3.18mg/mL。對于發(fā)酵工藝的探索一直是實(shí)際生產(chǎn)中的關(guān)鍵。Sharma等[27]研究了百合棒桿菌產(chǎn)甲硫氨酸中稀釋速率與溶解氧對甲硫氨酸產(chǎn)量的影響。最終確定當(dāng)稀釋速率為0.16、溶氧為42%時(shí)，甲硫氨酸生產(chǎn)速率最大值為160mg/(L?h)。2012年，賈翠英等[28]研究了不同破壁方法對細(xì)菌甲硫氨酸產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，經(jīng)堿破壁、溶菌酶破壁，超聲波破壁、堿與超聲波復(fù)合破壁、溶菌酶與超聲波復(fù)合破壁后，甲硫氨酸產(chǎn)量分別提高10.9%、12%、18.3%、19.6%、22.2%。這種工藝可以將胞內(nèi)甲硫氨酸釋放出來，增加收率，復(fù)合破壁比單一破壁效果更顯著。
2.2酶法生產(chǎn)路線的相關(guān)研究
2.2.1外消旋混合物拆分生產(chǎn)甲硫氨酸
酶法拆分又分為兩種思路，傳統(tǒng)的拆分是消除外消旋混合物中的D-甲硫氨酸，另一種路線將D型轉(zhuǎn)化為L型，純化的同時(shí)也增加了產(chǎn)量無疑是更理想的選擇。2007年，F(xiàn)indrik等[29]利用原玻璃蠅節(jié)桿菌(Arthrobacterprotophormiae)中D-氨基酸氧化酶、過氧化氫酶、紅球菌(Rhodococcus)中L-苯丙氨酸脫氫酶、博伊丁假絲酵母(Candidaboidinii)中甲酸脫氫酶串聯(lián)實(shí)現(xiàn)D-甲硫氨酸向L-甲硫氨酸的完全轉(zhuǎn)化。更具意義的是，D-氨基酸氧化酶和L-苯丙氨酸脫氫酶可以作用于不同的底物，因此，該體系也適用于其它D型氨基酸及某種氨基酸外消旋體向L型的轉(zhuǎn)化合成。
2.2.2化合物酶解生產(chǎn)甲硫氨酸
2014年，Jin等[30]對大腸桿菌中經(jīng)密碼子優(yōu)化的腈水解酶基因進(jìn)行重新合成和表達(dá)，從而有效利用2-氨基-4-甲硫基丁腈水解生產(chǎn)甲硫氨酸。并在催化劑充足的情況下，以固定的底物/催化劑比值探索底物最佳濃度。該課題組也對在填充床反應(yīng)器中利用固定化靜息細(xì)胞生產(chǎn)甲硫氨酸進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示固定化腈水解酶100h后活性仍大于80%，甲硫氨酸總回收率達(dá)97%。該項(xiàng)研究表明，重組腈水解酶應(yīng)用于甲硫氨酸生產(chǎn)具有巨大潛力，酶在微生物體內(nèi)的過表達(dá)與酶的固定化技術(shù)相結(jié)合可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量突破。
2.3發(fā)酵與體外酶催化路線相結(jié)合
發(fā)酵法即以培養(yǎng)基組分為原料，利用微生物自身體內(nèi)代謝反應(yīng)，將低成本原料轉(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品，是最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的氨基酸生產(chǎn)方式。發(fā)酵法之所以至今無法應(yīng)用于甲硫氨酸生產(chǎn)，關(guān)鍵在于其合成途徑的每一步均受到嚴(yán)格地反饋抑制，經(jīng)本課題組改造后的菌株GE37的甲硫氨酸發(fā)酵產(chǎn)量也僅為3.55g/L[20]。因此發(fā)酵法生產(chǎn)甲硫氨酸仍處于科研階段。體外酶催化反應(yīng)目前并沒有一套完整的獨(dú)立生產(chǎn)體系，而是作為化學(xué)生產(chǎn)方法的輔助手段，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-甲硫氨酸的分離[31]。近年的研究也多屬于化學(xué)合成法的下游，目的是獲得高純度的L-甲硫氨酸。酶催化與發(fā)酵法相比，反應(yīng)過程較短，反應(yīng)體系及條件易靈活操控。因此，發(fā)酵與體外酶催化路線相結(jié)合可以回避微生物的部分反饋抑制，縮短發(fā)酵過程以得到產(chǎn)量較大的中間體，進(jìn)而以此為底物合成L-甲硫氨酸。韓國杰希公司采用的發(fā)酵/化學(xué)法聯(lián)合生產(chǎn)工藝即為兩種路線結(jié)合的實(shí)例，并于2012年宣布在東南亞建立產(chǎn)能80000噸的甲硫氨酸加工廠。該路線以葡萄糖為基質(zhì)，利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)琥珀酰高絲氨酸，隨后用酶將這一中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成甲硫氨酸和琥珀酸。如圖3所示，經(jīng)計(jì)算，這種全新的發(fā)酵/化學(xué)法聯(lián)合工藝生產(chǎn)的L-甲硫氨酸成本略高于化學(xué)合成法[6]。
3面臨的問題及展望
3.1發(fā)酵法生產(chǎn)面臨的問題和建議
甲硫氨酸與其他氨基酸相比至今難以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵法生產(chǎn)，綜合上文所述，總結(jié)了以下三個方面原因和建議：
3.1.1硫源的利用效率
甲硫氨酸與其他氨基酸最大的不同即對硫源的需求，而發(fā)酵法應(yīng)用最普遍的硫源為硫酸鹽，需消耗大量NADPH，但生物體能提供的NADPH有限；硫化物對NADPH需求量雖少，但因多有毒且穩(wěn)定性差，不適用于培養(yǎng)基；硫代硫酸鹽兼具氧化性與還原性，應(yīng)該對其進(jìn)行進(jìn)一步選擇和研究。甲硫醇作為硫和甲基的綜合供體，可以縮短代謝途徑并為最后一步提供更多甲基。因此，應(yīng)該對硫代硫酸鹽與甲硫醇或二甲基二硫的復(fù)合使用進(jìn)行新的嘗試。提高NADPH的供應(yīng)量也是菌株改造的策略之一。
3.1.2代謝途徑調(diào)控的改造硫和甲基的參與已經(jīng)使代謝途徑增長，而合成途徑中涉及到諸多反饋抑制性酶，進(jìn)一步削弱了代謝流。如何確定關(guān)鍵酶、發(fā)現(xiàn)酶的活性中心及抑制劑結(jié)合位點(diǎn)，并進(jìn)一步識別關(guān)鍵殘基成為一個艱巨的課題。通過半理性設(shè)計(jì)，本課題組已找出北京棒桿菌(Corynebacteriumpekinense)天冬氨酸激酶與抑制劑結(jié)合位點(diǎn)有直接或間接作用的所有關(guān)鍵氨基酸殘基，并通過突變解除反饋抑制得到高活力菌株。2013年，李慧穎[32]得到突變體R169H，酶活較突變前提高2.3倍；同年，郭永玲[33]得到突變體T361N、A362I，酶活分別提高47.99倍、34.60倍；2014年，任軍等[34]得到突變體G277K，酶活提高9.48倍；同年，朱運(yùn)明等[35]得到突變體G377F，酶活提高9.3倍。此外，類似的單基因修飾研究缺少全面性和持續(xù)性，還應(yīng)對改造前后的代謝流變化進(jìn)行對比分析，嘗試針對改造后的缺陷進(jìn)行多基因修飾，繼續(xù)對甲硫氨酸產(chǎn)量是否提高進(jìn)行試驗(yàn)。較成功的理性設(shè)計(jì)在甲硫氨酸同族氨基酸——賴氨酸生產(chǎn)中有成功的先例。2013年，SKind等人[36]根據(jù)TCA循環(huán)和賴氨酸合成途徑相關(guān)知識，通過敲除sucCD在琥珀酰輔酶A合成酶水平上有目的性地阻斷TCA循環(huán)，使其與賴氨酸合成途徑相結(jié)合，增加目的產(chǎn)物合成途徑代謝流，產(chǎn)量提高60%。由于理性設(shè)計(jì)需要大量全面準(zhǔn)確的生物學(xué)信息，直接針對代謝流的整合在甲硫氨酸研究領(lǐng)域還需要嘗試和突破。
3.1.3關(guān)鍵酶在代謝過程中的穩(wěn)定性
在大腸桿菌和根癌土壤桿菌中均證實(shí)了高絲氨酸酰基轉(zhuǎn)移酶(homoserinetranssuccinylase,HTS)的不穩(wěn)定性，這可能也是賴氨酸和蘇氨酸易發(fā)酵生產(chǎn)，而同一途徑下游的甲硫氨酸卻一直難以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)的重要原因。其極端不耐熱和易被蛋白酶分解這兩大特性，是發(fā)酵法面臨的難題。對Biran等人發(fā)現(xiàn)的四種可能分解HTS的蛋白酶進(jìn)行修飾，或與嗜熱菌關(guān)鍵基因整合都是菌株改造可以嘗試的方向。此外，甲硫氨酸向胞外輸出的研究尚不成熟，可在菌株改造后，對胞內(nèi)組分進(jìn)行量化分析，以探索胞內(nèi)甲硫氨酸產(chǎn)量最大時(shí)的條件，以及能分泌到胞外營養(yǎng)缺陷型菌種選育。
3.2酶法生產(chǎn)面臨的問題和建議
酶法合成一般不作為單獨(dú)的生產(chǎn)路線，傳統(tǒng)的酶法是與石化生產(chǎn)路線相結(jié)合，以石化生產(chǎn)廢棄物為原料，進(jìn)行化學(xué)合成后，對外消旋混合物進(jìn)行拆分以得到高純度的L-甲硫氨酸，其中Findrik等人[29]將D型轉(zhuǎn)化為L型的試驗(yàn)是更具意義的研究。韓國杰希公司首次采用發(fā)酵法與體外酶催化的聯(lián)合生產(chǎn)工藝，先利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)琥珀酰高絲氨酸，隨后用酶法在微生物體外將這一中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成甲硫氨酸和琥珀酸。降低生產(chǎn)成本的同時(shí)減少污染。2010年，Bolten等人[17]對谷氨酸棒桿菌MetY進(jìn)行過表達(dá)使酶活力大幅提高，但由于胞內(nèi)底物耗盡，甲硫氨酸產(chǎn)量未仍不理想。參考杰希公司，可嘗試由發(fā)酵法獲得大量O-乙酰高絲氨酸，并利用過表達(dá)的酶在體外催化甲硫醇與O-乙酰高絲氨酸生成甲硫氨酸。目前，對酪氨酸、半胱氨酸和脯氨酸的生產(chǎn)，從蛋白中分離仍是最經(jīng)濟(jì)的方法。由于植物可以合成甲硫氨酸，因此通過酶解方法利用稻草等農(nóng)作物的廢棄物生產(chǎn)甲硫氨酸是最經(jīng)濟(jì)的模式。2015年，Sanders等[6]對這種方法的成本進(jìn)行了核算，證明了其具有一定可行性。但該法不適用于獲得高純度的L-甲硫氨酸，因?yàn)楫a(chǎn)物組成復(fù)雜，分離純化難度大。甲硫氨酸的生物技術(shù)生產(chǎn)與理論值之間的差距證明，此項(xiàng)研究具有廣闊的進(jìn)步空間，對微生物發(fā)酵、酶法分解等多方面的探索仍有待深入研究。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，利用生物技術(shù)生產(chǎn)甲硫氨酸仍將是科研工作者面臨的重要課題。
作者：王隆洋 閔偉紅 單位：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品與工程學(xué)院 小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室
1種質(zhì)資源的遺傳多樣性及鑒別
鐵皮石斛苗期與石斛屬有些品種在形態(tài)特征上有相似性，特別是涉及到種內(nèi)遺傳差異時(shí)，利用傳統(tǒng)的鑒別方法往往不易區(qū)分。RAPD［12］、AFLP［13－14］、SSR［15］、ISSR［16－17］等分子標(biāo)記技術(shù)目前被廣泛用于鐵皮石斛不同野生居群、不同栽培群體的遺傳多樣性及親緣關(guān)系的研究。采用RAPD技術(shù)進(jìn)行基因組DNA多態(tài)性分析，能從石斛屬內(nèi)26個種當(dāng)中方便快捷地鑒別出鐵皮石斛［12］。Ding等［18］利用SRAP標(biāo)記分析鐵皮石斛9個居群共84份材料的遺傳多樣性，并進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明原位保存是保證鐵皮石斛遺傳多樣性的首選方法;采用RAPD和ISSR分析9個鐵皮石斛自然居群，表明居群間的遺傳差異明顯，具有豐富的遺傳多樣性，并且ISSR的多樣性檢測優(yōu)于RAPD［19］。謝明璐等［15］利用開發(fā)的SSR標(biāo)記成功對鐵皮石斛種質(zhì)純度進(jìn)行鑒定。金波等［20］將擴(kuò)增獲得的鐵皮石斛特異RAPD分子標(biāo)記片段，經(jīng)克隆、測序，重新設(shè)計(jì)一對特異性引物轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的SCAR標(biāo)記，能特異性地在鐵皮石斛中擴(kuò)增出300bp的片段，實(shí)現(xiàn)鐵皮石斛的快速有效鑒定。Hou等［21］利用15個新的三核苷酸微衛(wèi)星標(biāo)記能夠簡便快捷地對鐵皮石斛進(jìn)行遺傳多樣性鑒定和分析。建立DNA指紋圖譜，有利于鑒定和篩選鐵皮石斛優(yōu)良品種。虞泓等［22］用AFLP技術(shù)對石斛屬內(nèi)4個品種和1個外類群種進(jìn)行基因組DNA多態(tài)性分析，構(gòu)建了藥用石斛的DNA分子指紋圖譜。為更準(zhǔn)確地進(jìn)行鐵皮石斛種質(zhì)鑒定、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位和遺傳多樣性的分析，趙瑞強(qiáng)等［23］采用正交設(shè)計(jì)和單因素相結(jié)合的方法構(gòu)建和優(yōu)化鐵皮石斛SCoT-PCR反應(yīng)體系，在32份鐵皮石斛材料的遺傳多樣性驗(yàn)證中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性?；蛐酒瑥倪z傳的角度鑒別鐵皮石斛品種真?zhèn)?，進(jìn)一步推動了鐵皮石斛的遺傳分析和鑒別。Sze等［24］利用5SrDNA的基因間隔區(qū)的不同，建立了高通量鑒定商業(yè)石斛(楓斗石斛)的基因芯片，可以對鐵皮石斛與其他種類的石斛進(jìn)行有效區(qū)分?；蛐酒c中藥化學(xué)成分指紋圖譜等的鑒定相結(jié)合，能確定鐵皮石斛藥用價(jià)值的優(yōu)劣，發(fā)揮最佳作用［25］。
2組織培養(yǎng)
鐵皮石斛種子自然狀態(tài)下萌發(fā)率極低，利用組織培養(yǎng)進(jìn)行鐵皮石斛人工快繁是解決鐵皮石斛野生資源短缺的有效途徑，已有大量石斛組織培養(yǎng)條件的研究報(bào)道，目前鐵皮石斛試管苗已進(jìn)入商品化生產(chǎn)。2.1外植體鐵皮石斛組織培養(yǎng)外植體來源廣泛，一般采用野生鐵皮石斛種子［26－29］、根尖［30－31］、莖段［32－34］、腋芽［35］等作為外植體。應(yīng)用最早和最廣泛的外植體是無菌種子，在離體培養(yǎng)條件下，種子萌發(fā)后形成原球莖，原球莖可以直接發(fā)育形成幼苗，也可以誘導(dǎo)原球莖產(chǎn)生大量愈傷組織，由愈傷組織再分化發(fā)育成幼苗［36－37］。唐桂香等［26］以成熟的鐵皮石斛種子為材料，以1/2MS為基本培養(yǎng)基并添加20%馬鈴薯液，種胚萌發(fā)率達(dá)到79.35%，并能成功誘導(dǎo)出原球莖。杜剛等［27］以鐵皮石斛種子為外植體，通過組織培養(yǎng)獲得大量種苗。秦廷豪等［31］用鐵皮石斛莖段、帶頂芽的莖段和根蔸3類外植體在MS培養(yǎng)基上進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)僅根蔸能誘導(dǎo)出原球莖。王麗萍等［32］和李澤生等［34］分別以MS和1/2MS為基本培養(yǎng)基，選用鐵皮石斛幼嫩莖段為外植體能夠高效誘導(dǎo)出原球莖。張紅梅等［33］以鐵皮石斛莖段為外植體材料，經(jīng)歷芽誘導(dǎo)、叢生芽增殖和生根培養(yǎng)3個階段，獲得大量的試管苗，芽誘導(dǎo)率達(dá)到86.7%。2.2基本培養(yǎng)基選擇合適的培養(yǎng)基是組織培養(yǎng)最關(guān)鍵的一步，針對培養(yǎng)目的、培養(yǎng)途徑、培養(yǎng)階段的不同，所使用的培養(yǎng)基也不同。鐵皮石斛組織培養(yǎng)采用的基本培養(yǎng)基包括MS，1/2MS，N6以及相應(yīng)的改良培養(yǎng)基等［37］。最適培養(yǎng)基的選擇主要根據(jù)不同外植體來源和不同生長階段決定。以鐵皮石斛種胚作為培養(yǎng)材料，研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)改良的N6培養(yǎng)基對胚的萌發(fā)和生長最好，以莖尖作為培養(yǎng)材料，N6培養(yǎng)基誘導(dǎo)愈傷組織能力明顯不如MS［38－39］。以鐵皮石斛莖段為材料誘導(dǎo)叢生芽，1/2MS誘導(dǎo)的效果最好，生成的苗粗壯［40］。鮑騰飛等［41］的研究表明1/2MS最有利于鐵皮石斛類原球莖的生長增殖。王春等［42］以1/2MS+1.0mg·L－1BA+0.5mg·L－1NAA培養(yǎng)基誘導(dǎo)鐵皮石斛原球莖，誘導(dǎo)率達(dá)到58%。鐵皮石斛不同生長階段的最適培養(yǎng)基也有較大差異。1/2MS、MS和Kc等培養(yǎng)基都適合原球莖的增殖，而B5和1/2MS較適宜鐵皮石斛的壯苗培養(yǎng)［43］。2.3培養(yǎng)條件除基本培養(yǎng)基之外，包括外源激素、附加物、蔗糖、pH值、溫度和光照等培養(yǎng)條件對不同階段鐵皮石斛生長分化均有影響。鐵皮石斛組織培養(yǎng)中常使用的外源激素主要是生長素類(如IAA、IBA、NAA)和細(xì)胞分裂素類(如BA、ZT和KT)［44］。蘇鈦等［45］的研究表明，BA相對于其他激素對鐵皮石斛原球莖誘導(dǎo)效果最好，以2.0mg·L－1BA誘導(dǎo)率最高。洪森榮等［46］探討6－BA和2，4－D對鐵皮石斛原球莖增殖和分化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加1mg·L－16－BA和0.1mg·L－12，4－D對原球莖增殖效果較好。唐桂香等［26］的研究表明，0.5mg·L－1NAA對鐵皮石斛的生根效果最好。李璐等［47］比較了6－BA和TDZ對鐵皮石斛花芽誘導(dǎo)的影響，結(jié)果表明，0.2mg·L－1TDZ最適宜誘導(dǎo)其開花。宋順等［48］以MS為基本培養(yǎng)基，發(fā)現(xiàn)添加0.5mg·L－16－BA和1.5mg·L－1NAA最適合鐵皮石斛原球莖誘導(dǎo)，其誘導(dǎo)率為95%;而添加1mg·L－16－BA和1mg·L－1NAA最適合原球莖增殖;添加5mg·L－16－BA+1mg·L－1NAA最適合原球莖分化，其分化率達(dá)80%;而在根誘導(dǎo)的培養(yǎng)基中添加1.5mg·L－1IBA+100g·L－1香蕉泥，其生根率能達(dá)到100%。一些有機(jī)添加物對鐵皮石斛種子萌發(fā)、芽增殖、組培苗壯苗具有一定的促進(jìn)作用，已報(bào)道的有馬鈴薯泥［49－50］、香蕉泥［49］、蘋果汁［51］等，使用濃度一般在10%～20%。培養(yǎng)基的pH值、溫度、光照強(qiáng)度和時(shí)間均對鐵皮石斛生長有明顯的影響。陳青青等［52］研究表明，pH對鐵皮石斛的苗鮮重和生根率影響顯著，以pH值5.4為宜，其原因可能是pH影響細(xì)胞的透性、代謝和培養(yǎng)物的生長與分化，在25℃、光照強(qiáng)度為1500lx時(shí)，最適宜鐵皮石斛生長。鮑順淑等［53］的研究表明，在人工光型密閉式植物工廠的可控環(huán)境條件下，在光照強(qiáng)度和CO2濃度一定時(shí)，光照時(shí)間控制在12h/d，鐵皮石斛組培苗的凈光合速率和葉綠素含量較高，干重和腋芽數(shù)增加較多，表現(xiàn)出良好的生長與繁殖能力。
3誘變育種
鐵皮石斛生長相對緩慢，一般2～3年才能采收，對現(xiàn)有品種進(jìn)行遺傳改良，培育生長迅速、藥用有效成分含量高的新品種是提高產(chǎn)量及質(zhì)量的有效途徑。誘變育種突變頻率高，誘發(fā)變異較易穩(wěn)定，可有效改良作物性狀，縮短育種年限［54］。物理及化學(xué)誘變是常采用的方法，輻射誘變結(jié)合組織培養(yǎng)，能加速變異性狀的穩(wěn)定和新品種的育成。詹忠根等［55］利用137Csγ射線輻照鐵皮石斛種胚原球莖，針對形態(tài)變異的試管苗，采用流式細(xì)胞分析DNA的倍性變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分外部形態(tài)發(fā)生改變的植株其細(xì)胞內(nèi)DNA的倍性發(fā)生了改變。洪薩麗等［56］利用60Co-γ輻照霍山石斛原球莖，研究誘變對石斛生長和生物堿積累的影響，結(jié)果表明適當(dāng)劑量的60Co-γ輻照處理可促進(jìn)POD、SOD、CAT和PAL酶活性，抑制PPO酶活性，從而能促進(jìn)石斛原球莖生長，提高懸浮培養(yǎng)原球莖生物堿含量。張青華等［57］采用0.09%秋水仙堿處理24h誘導(dǎo)鐵皮石斛叢生芽變異率達(dá)到48%，對葉、氣孔、染色體的檢測，證明變異芽為四倍體或嵌合體。2.5g·L－1植酸能促進(jìn)石斛多糖的合成，還能促進(jìn)石斛對碳、氮、磷的吸收［58］。太空誘變育種在中藥材品種培育和改良中應(yīng)用廣泛，目前已有數(shù)十個審(認(rèn))定的中藥材品種是通過太空誘變獲得的。經(jīng)航天誘變的仙斛1號鐵皮石斛已經(jīng)通過浙江省非主要農(nóng)作物品種審定委員會認(rèn)定。太空誘變技術(shù)在有效創(chuàng)造特異突變基因資源和培育作物新品種方面已經(jīng)顯示出重要的作用，成為空間生命科學(xué)研究的重要組成部分［59］。利用太空誘變培育突破性優(yōu)良品種方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢，使今后獲得更多優(yōu)良鐵皮石斛新品種成為可能。
4基因工程
4.1基因克隆鐵皮石斛的藥用有效成分為生物堿、石斛多糖等植物次生代謝產(chǎn)物，這些次生代謝產(chǎn)物需要經(jīng)過復(fù)雜的代謝途徑最終合成，并受代謝的關(guān)鍵酶與限速酶調(diào)控，如轉(zhuǎn)移酶、合成酶、環(huán)化酶等。對關(guān)鍵酶基因進(jìn)行克隆和分析，是研究鐵皮石斛藥用有效成分代謝途徑及相關(guān)分子機(jī)制的重點(diǎn)，也是培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)鐵皮石斛新品種的基礎(chǔ)。樊洪泓［60］克隆了石斛生物堿合成途徑中的關(guān)鍵基因法呢基焦磷酸合酶基因(FPS)的片段，并進(jìn)行序列分析。為研究鐵皮石斛多糖合成與蔗糖合成酶活性關(guān)系及表達(dá)調(diào)控，孟衡玲等［61］成功克隆了鐵皮石斛蔗糖合成酶基因(DOSS1)并對其表達(dá)分析。曾淑華等［62］對克隆的鐵皮石斛磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(pepc)進(jìn)行表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，pepc基因在F型鐵皮石斛中的表達(dá)量為H型的5.55倍。植物凝集素如甘露糖結(jié)合凝集素與植物抗病蟲害密切相關(guān)。鐵皮石斛在自然條件下很少發(fā)生病蟲害，為探究其病蟲害抗性與蘭科植物凝集素之間的內(nèi)在關(guān)系，Chen等［63］提取鐵皮石斛葉片的RNA，根據(jù)蘭科植物凝集素保守序列區(qū)設(shè)計(jì)引物，通過RACE技術(shù)克隆得到全長768bp的鐵皮石斛甘露糖結(jié)合凝集素基因(DOA)，包含1個498bp的開放閱讀框，其編碼的165個氨基酸為凝集素前體。半定量RT-PCR分析表明，DOA基因是一個組成型表達(dá)基因，在根、莖、葉中均有表達(dá)，在莖中表達(dá)量最高，可能與鐵皮石斛莖的病蟲害抗性密切相關(guān)。鐵皮石斛自然狀態(tài)下種子萌發(fā)需要真菌共生，生長階段也常伴有共生真菌。鈣依賴蛋白激酶(calcium-dependentproteinkinases，CDPKs)以及促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase，MAPK)及其級聯(lián)途徑在從枝菌根、根瘤菌－宿主植物共生體系中起重要調(diào)控作用。張崗等［64－65］從小菇真菌(Mycenasp．)侵染的鐵皮石斛根中分別克隆了一個受菌根真菌誘導(dǎo)的鐵皮石斛鈣依賴蛋白激酶基因(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基因表達(dá)均顯著上調(diào)，分別達(dá)到對照根中的5.16倍和7.91倍，表明DoCPK1和DoMPK1基因參與小菇真菌和鐵皮石斛菌根早期互作，可能在該共生體系中起作用。4.2遺傳轉(zhuǎn)化目前，鐵皮石斛的遺傳轉(zhuǎn)化最常用的方法是農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和基因槍法。根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)介導(dǎo)遺傳轉(zhuǎn)化關(guān)鍵時(shí)期為共培養(yǎng)階段。Yu等［66］構(gòu)建了含β－葡萄糖苷酸酶基因(GUS)的表達(dá)載體，以潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因(Hpt)篩選標(biāo)記，將類原球莖與農(nóng)桿菌在無抗生素的培養(yǎng)基上共培養(yǎng)3d，光照16h·d－1，再轉(zhuǎn)移至添加50mg·L－1羧芐青霉素的培養(yǎng)基上繼續(xù)培養(yǎng)3～4周，之后在含200mg·L－1卡拉霉素的培養(yǎng)基上選擇培養(yǎng)6～8周得到轉(zhuǎn)基因植株。GUS組織化學(xué)檢測和Southern雜交證明GUS基因成功表達(dá)。基因槍法在石斛轉(zhuǎn)基因中應(yīng)用更多。Kuchnle等［67］采用微粒轟擊法將Nos-NPTII基因和番木瓜病毒(PRV)外殼蛋白基因(CP)一起導(dǎo)入雜種石斛的原球莖。經(jīng)過卡那霉素選擇培養(yǎng)，PCR分析表明，13株抗性植株帶有NosNPT基因，其中有1株帶有PRVCP基因。Chia等［68］成功將熒光素酶基因(Luc)通過基因槍法導(dǎo)入石斛類原球莖并獲得再生植株。Yu等［66］進(jìn)一步發(fā)展了一個高頻再生、高效而穩(wěn)定表達(dá)的轉(zhuǎn)化體系。以潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因HPT為篩選標(biāo)記，50mg·L－1濃度下就能完全抑制非轉(zhuǎn)化的雜種石斛原球莖生長。楊雪飛等［71］利用基因槍法將來源于大麥(HordeumvulgareL．)的抗旱耐鹽基因lea3導(dǎo)入鐵皮石斛的類原球莖中，經(jīng)PPT篩選和生根壯苗培養(yǎng)獲得轉(zhuǎn)化植株。對轉(zhuǎn)化植株進(jìn)行除草劑PPT葉片涂抹檢測和lea3基因的PCR檢測，結(jié)果表明lea3基因已整合到6個株系7株鐵皮石斛轉(zhuǎn)化植株基因組中，轉(zhuǎn)化頻率為1.05%。與對照相比，獲得的轉(zhuǎn)lea3基因植株的耐鹽脅迫能力明顯增強(qiáng)。鐵皮石斛轉(zhuǎn)基因植株的遺傳特性可以穩(wěn)定表達(dá)，這為利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行鐵皮石斛優(yōu)良新品種培育奠定了基礎(chǔ)。
5展望
鐵皮石斛藥用價(jià)值極高，但由于較長時(shí)期缺乏保護(hù)和發(fā)展，加上生態(tài)環(huán)境破壞，近年來野生資源數(shù)量急劇下降。鐵皮石斛行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已于2012年制定，但是，宣傳和貫徹落實(shí)力度不夠，鐵皮石斛產(chǎn)業(yè)和市場仍然比較混亂。不少研究者對鐵皮石斛的遺傳多樣性進(jìn)行分析，克隆鐵皮石斛代謝途徑中的一些關(guān)鍵基因，對其遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)作了探索，但分子生物學(xué)等基礎(chǔ)研究整體相對滯后。今后應(yīng)從以下幾方面開展工作:首先，應(yīng)該積極推進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹落實(shí)。其次，加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)和鑒定，建立種質(zhì)資源的分子遺傳圖譜和可追溯的原始檔案，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種選育提供理論依據(jù)。創(chuàng)新和優(yōu)化組織培養(yǎng)技術(shù)，縮短培養(yǎng)周期，降低生產(chǎn)成本，建立標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)和生產(chǎn)技術(shù)體系，為其規(guī)?；a(chǎn)奠定基礎(chǔ)，從而解決資源短缺問題。此外，加強(qiáng)鐵皮石斛的基礎(chǔ)研究工作，發(fā)掘特異和優(yōu)良基因資源，利用基因工程技術(shù)為育種提供新的途徑，為鐵皮石斛產(chǎn)業(yè)發(fā)展探求新的道路。
作者：張志勇 齊澤民 黃作喜 單位：內(nèi)江師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 四川省高校特色農(nóng)業(yè)資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
【摘要】生物技術(shù)是科技時(shí)代迅速發(fā)展的產(chǎn)物，廣泛的應(yīng)用到人類生活的各個方面，對解決人類生活面臨的食物、資源、健康等重大問題起著重要的作用。本文對現(xiàn)代生物技術(shù)在糧食生產(chǎn)、糧食儲藏、糧油食品加工、糧油食品檢測、糧油副產(chǎn)物利用和飼料工業(yè)等各方面的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行論述。
【關(guān)鍵詞】生物技術(shù) 糧油食品工業(yè)
生物技術(shù)又可稱之為生物工程，主要包括分子生物學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生理學(xué)、免疫學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等多種學(xué)科，并和計(jì)算機(jī)、化學(xué)等學(xué)科內(nèi)容相互滲透成為一個比較綜合的學(xué)科，主要包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程等技術(shù)，其中基因工程是其主要的核心技術(shù)，該種技術(shù)主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、植物、醫(yī)學(xué)、食品、動物等領(lǐng)域。應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)可以按照人們的意愿創(chuàng)造出人們想要的物種，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滿足人們的需求。
一、生物技術(shù)在糧食生產(chǎn)中的應(yīng)用
生物技術(shù)在糧食生產(chǎn)中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：可以利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得產(chǎn)量更高，并有一定的抵御蟲害的作物品種，獲得營養(yǎng)價(jià)值更高的作物品種，此外，還可以利用細(xì)胞工程技術(shù)對植物進(jìn)行無性繁殖，從而獲得高產(chǎn)量的作物，利用生物技術(shù)可以制造出無毒生物農(nóng)藥從生產(chǎn)出更多的綠色產(chǎn)品。生物技術(shù)培育出的作物主要有三代，第一代是通過培育轉(zhuǎn)基因作物可以提高農(nóng)作物抗蟲害的能力，目前種植面積比較多的是抗除草劑的農(nóng)作物。第二代是通過轉(zhuǎn)基因來提高農(nóng)作物的營養(yǎng)價(jià)值為主要特征。第三代是通過轉(zhuǎn)基因作物提高食品的免疫功能，即可以利用轉(zhuǎn)基因的作物來生產(chǎn)一些具有新功能的食品以及藥物。
二、生物技術(shù)在糧油加工中的應(yīng)用
我國的糧油加工產(chǎn)品主要以初級產(chǎn)品為主，而在食品的精深加工方面比較落后，資源的深層次利用率比較低，而利用生物技術(shù)可以將產(chǎn)品原料加工成產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，通過對農(nóng)產(chǎn)品的二次開發(fā)以此形成新的產(chǎn)品。利用生物技術(shù)可以快速的提高糧油加工的能力并提升水平，使我國的糧油加工生產(chǎn)能力能夠得到跨越式的發(fā)展。
三、生物技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用
生物技術(shù)已經(jīng)滲透到了食品加工的各個方面，利用基因工程可以有效的改良發(fā)酵工業(yè)中的微生物菌種，對食品加工原料進(jìn)行改造，提高氨基酸在食品加工中的含量，此外，利用基因工程還可以改進(jìn)其生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步提高食品的營養(yǎng)價(jià)值。利用蛋白質(zhì)工程可以創(chuàng)造出人類需求的不同功能的蛋白質(zhì)新產(chǎn)品，可以更改酶的特性。在食品工程中酶技術(shù)的應(yīng)用比較成熟，在糧油食品加工中應(yīng)用比較廣泛的是酶制劑的應(yīng)用，主要有釀造酶、蛋白酶、果品酶等。這些酶主要應(yīng)用在果蔬加工，乳制品加工等方面。
四、生物技術(shù)與食品安全
生物技術(shù)在食品安全中的應(yīng)用主要是轉(zhuǎn)基因食品安全問題。任何物種在進(jìn)化過程中都會經(jīng)歷自然選擇或者是人工選擇，他們能夠幸存的物種都是這兩種選擇的結(jié)果，不過是自然選擇還是人工選擇其實(shí)質(zhì)都是遺傳變異選擇，在物種進(jìn)化中遺傳是基礎(chǔ)，變異一定會存在。任何物種都是在遺傳的基礎(chǔ)上經(jīng)過進(jìn)化發(fā)展而來的，對遺傳變異進(jìn)行人工選擇就是常規(guī)育種，而轉(zhuǎn)基因育種在本質(zhì)上和常規(guī)育種并沒有本質(zhì)的區(qū)別，轉(zhuǎn)基因的食品安全問題和其它新出現(xiàn)的技術(shù)一樣，只是在人類科學(xué)進(jìn)步進(jìn)程中新出現(xiàn)的科學(xué)問題而已，應(yīng)該對以抱有正確的態(tài)度，深入的對其進(jìn)行研究和探討。轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為發(fā)展最快的新技術(shù)，正對人們生活的各個方面產(chǎn)生巨大的影響。
五、生物技術(shù)與食品安全檢測
食品安全越來越受到人們的關(guān)注，日常食品安全已成為人們生活的焦點(diǎn)，為了讓人們吃到更為安全的食品，對食品安全檢測技術(shù)的研究已經(jīng)提上日程，而生物技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用，發(fā)揮了較大的推動作用，并取得了不錯的效果。在當(dāng)前的食品安全檢測中比較廣泛應(yīng)用的生物技術(shù)有生物芯片、免疫技術(shù)等生物技術(shù)，通過這些生物技術(shù)的應(yīng)用使得食品安全的檢測更加方便快捷而且靈敏度也比較高，人們對食品安全也更加放心。
六、糧油深加工生物技術(shù)的進(jìn)展
在糧油深加工方面，美國主要利用酶以及發(fā)酵工程來進(jìn)行糧油資源的開發(fā)，同時(shí)還利用基因工程等生物技術(shù)來改良農(nóng)作物的性能，改善農(nóng)作物所含的營養(yǎng)價(jià)值。生物技術(shù)在糧油加工中的應(yīng)用主要有以下幾個方面，首先是利用生物技術(shù)進(jìn)一步提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，并為農(nóng)作物的生產(chǎn)尋找更好地的農(nóng)業(yè)技術(shù)。通過新的生物技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步改良農(nóng)作物的品種，另外，還有利用農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)廢棄物和加工副產(chǎn)物生產(chǎn)工業(yè)制品，包括生物能源、生物材料等。
七、結(jié)語
生物技術(shù)在食品糧油領(lǐng)域，在食品生產(chǎn)、糧油食品加工以及副產(chǎn)品利用等方面都有重要的應(yīng)用，隨著基因組技術(shù)在農(nóng)作物的成功實(shí)施以及深入開展，新一輪的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命將會展開。為此，要認(rèn)識在糧油食品安全領(lǐng)域生物技術(shù)應(yīng)用的重要性，并不斷在糧油食品加工中引入生物技術(shù)，以更好的促進(jìn)糧油食品加工行業(yè)的發(fā)展。
【摘要】隨著環(huán)境保護(hù)工程的廣泛展開，生物技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)拓展到各個方面，從單個環(huán)境目標(biāo)治理，發(fā)展為全系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。本文主要闡述環(huán)境保護(hù)工程中生物技術(shù)的應(yīng)用及重要進(jìn)展進(jìn)行論述。
【關(guān)鍵詞】環(huán)境保護(hù)工程；生物技術(shù)；進(jìn)展
1 環(huán)境保護(hù)與生物技術(shù)關(guān)系概述
環(huán)境保護(hù)的涉及面很廣，包括空氣質(zhì)量、水資源保護(hù)、土地保護(hù)、森林保護(hù)等內(nèi)容。由于人類對自然資源的過度開發(fā)和不合理利用，環(huán)境問題已經(jīng)日益激化，生物技術(shù)作為一項(xiàng)有效的科技手段，對解決環(huán)境問題有著積極地作用。在當(dāng)今資源保護(hù)過程中，生物技術(shù)已經(jīng)占有主要的地位，生物凈化技術(shù)的應(yīng)用得到廣泛認(rèn)可。
生物技術(shù)方向潛力巨大，有很多領(lǐng)域都有新發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)挖掘生物技術(shù)的潛能，是未來環(huán)境治理的主流方法。生物技術(shù)的發(fā)展給環(huán)境保護(hù)帶來了福音，但是生物技術(shù)的應(yīng)用必須是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，并遵守既定的原則，否則可能會再次對環(huán)境造成污染。隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快，人們對于快捷方便的生活方式越來越依賴，但是經(jīng)濟(jì)發(fā)展不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)，人類應(yīng)該以高效率、低耗能、投入少的方式發(fā)展經(jīng)濟(jì)。生物技術(shù)能夠成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本保障，深入研究生物技術(shù)，符合我國環(huán)境發(fā)展的國情。
2 環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀
無數(shù)種生物構(gòu)成了地球的生態(tài)系統(tǒng)，依靠這些生物完成了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)過程。環(huán)境生物技術(shù)產(chǎn)生就是利用了物質(zhì)循環(huán)的原理，隨著科技的發(fā)展生物技術(shù)被證明是環(huán)境保護(hù)的理想手段，這一技術(shù)的獨(dú)特功能在解決環(huán)境問題過程中顯示出無可比擬的優(yōu)越性，這充分體現(xiàn)出它是一個純生態(tài)的過程，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。生物技術(shù)對處理環(huán)境污染具有很好地作用，同時(shí)具有速度快、成本低、效率高、消耗低等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樯锛夹g(shù)來源于自然界中的生物，所以具有無二次污染、反應(yīng)條件溫等顯著特點(diǎn)。環(huán)境生物技術(shù)明顯的優(yōu)勢以及其廣闊的市場前景，受到了世界各國的高度重視。
目前環(huán)境保護(hù)對生物技術(shù)的應(yīng)用主要是微生物及其衍生物，少部分生物技術(shù)利用植物控制環(huán)境污染。目前生物技術(shù)是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣泛、最為重要的技術(shù)，其在很多領(lǐng)域發(fā)揮作用。
3 環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展
3.1 在治理大氣污染和改善空氣質(zhì)量中的應(yīng)用
霧霾是2014年出現(xiàn)頻率非常高的詞，整個冬天它都糾纏著我國大部分城市，這樣大規(guī)的霧霾天氣說明我們的空氣質(zhì)量正在急速下滑，大氣污染問題已經(jīng)不容忽視，它已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的生活和身體健康。我國對治理大氣污染、空氣污染非常重視，生物技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在大氣污染治理上。目前主要采用的方法有生物的吸附、生物的洗滌和生物的過濾等方法[2。生物技術(shù)雖然仍需要更大程度的提升，但與傳統(tǒng)的廢氣治理方法相比，生物技術(shù)轉(zhuǎn)化廢氣效果更加明顯，而且節(jié)省時(shí)間，大大提高了工作效率。生物技術(shù)對能源的凈化和轉(zhuǎn)化更加安全可靠，經(jīng)過處理的氣體不會造成二次污染，甚至可以達(dá)到二次利用的效果。
3.2 在改善水體質(zhì)量，治理水源污染中的作用
生物技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域就是在改善水體質(zhì)量方面，生物處理是目前水處理技術(shù)的重要手段，世界范圍內(nèi)大多都采用這一方法進(jìn)行污水的處理。我國在污水處理上也會遵循這一趨勢，不斷研究發(fā)展并提升生物處理污水的能力。目前常見的水污染治理的生物技術(shù)有活性污泥法、生物膜處理法、穩(wěn)定塘法、土地處理系統(tǒng)法和人工濕地處理系統(tǒng)法等[1]。生物技術(shù)應(yīng)用突出表現(xiàn)在微生物水處理劑、廢水處理、以及生物修復(fù)等方面。
3.3 在治理土地污染中的作用
我國針對土壤嚴(yán)重污染的問題，出臺了較多政策進(jìn)行治理。目前我國通常采用物理治理的方法解決土地污染，通過大面積的植樹造林，保持水土，啟動土壤森林凈化循環(huán)的作用，避免發(fā)生大范圍的水土污染和流失。其他物理化學(xué)方法以洗脫、吸附）為主 ，不僅投資成本高，而且極易造成二次污染[1]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土地的依附性很大，如果不注意土地污染問題的治理，后果不堪設(shè)想。但傳統(tǒng)方法修復(fù)周期過長，治理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及污染速度，因此必須運(yùn)用生物技術(shù)對土壤污染進(jìn)行治理，同時(shí)保護(hù)土壤的有機(jī)成分，挽救每況愈下的土地。
3.4 生物技術(shù)的其他應(yīng)用方向
生物轉(zhuǎn)化過程是以酶為反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行的，因?yàn)槊甘且环N活性蛋白，極易受到酸、堿及高溫的破壞，所以生物反應(yīng)的過程必須在常溫、常壓的環(huán)境下進(jìn)行。生物反應(yīng)的條件相對比較好達(dá)到，因而其投資少、耗能低、速度快好、效果好、操作簡便、設(shè)備簡單。
生物轉(zhuǎn)化代替化學(xué)處理可以大大降低反應(yīng)過程的污染水平，更有利于實(shí)現(xiàn)生態(tài)化生產(chǎn)或無廢生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目的。此外，生物反應(yīng)的產(chǎn)品及副產(chǎn)品大多都是可以加快生物降解，有的甚至是下一次反應(yīng)的催化劑，且反應(yīng)產(chǎn)物大多可以作為其他生物的營養(yǎng)源加以利用。
4 結(jié)束語
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國環(huán)境問題日益凸顯，環(huán)境問題亟待解決，現(xiàn)有的生物技術(shù)已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要，因此需要不斷挖掘生物技術(shù)的潛力，環(huán)境治理和技術(shù)革新的探索之路還要繼續(xù)走下去。未來生物技術(shù)的研究必須要考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相統(tǒng)一，促進(jìn)社會進(jìn)步與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。
【摘 要】對于大多數(shù)的國家來說，有機(jī)質(zhì)為主的水污染是水環(huán)境保護(hù)過程中的首要問題，有機(jī)質(zhì)水污染形成的原因包括城市生活污水與工業(yè)、農(nóng)業(yè)等有機(jī)廢水的排放。生物環(huán)境技術(shù)成為了當(dāng)前處理有機(jī)廢水最主要的方法，主要是由于其效率高、能耗地、處理速度快、適用性好及安全性好等特點(diǎn)。本文主要介紹了生物環(huán)境技術(shù)中的好氧與厭氧處理工藝、人工池塘和濕地的方法與應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】有機(jī)廢水；生物環(huán)境技術(shù)；綜述
在世界五大環(huán)境問題中水資源方面的問題顯得非常的突出與緊要。我國雖然是世界上的資源大國，有著非常豐富的地表水資源，但是我國由于人口眾多的原因，人均淡水資源量達(dá)不到世界平均水平的四分之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，我國所面臨的水質(zhì)污染與水生態(tài)污染的問題越來越突出，這方面的問題制約著我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展，威脅這人們的飲水安全與可持續(xù)發(fā)展。而在全球范圍的水質(zhì)與水生態(tài)污染中有機(jī)污染的影響最為嚴(yán)重，主要的有機(jī)廢水來源包括城市生活污水及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的廢水排放。
1 生化處理技術(shù)
生化處理就是通過微生物來對有機(jī)廢水中的有機(jī)污染物進(jìn)行消化和分解，從這個過程中得到碳和能源。根據(jù)生化反應(yīng)的不同可以將生化處理技術(shù)分為好氧與厭氧兩種。好氧降解中，有機(jī)物質(zhì)被完全分解為水和二氧化碳，降解比較徹底，效率也高，是生化處理技術(shù)的主要方法。厭氧降解中是改變有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，反應(yīng)需要的時(shí)間較長，但能夠降低有機(jī)廢水中有機(jī)物質(zhì)的濃度，也能夠降解一些難降解的有機(jī)物質(zhì)，因此也有著重要的地位[1]。
1.1 好氧降解
1.1.1 活性污泥降解方法
這種方法屬于好氧降解技術(shù)中最傳統(tǒng)的，其中的活性污泥實(shí)際上是微生物生長于繁殖之后形成的絮凝體，這種物質(zhì)有著非常強(qiáng)的吸附于分解有機(jī)物質(zhì)的能力，而且自身的凝聚性較好。具體的方法就是在有機(jī)廢水中曝氣供氧來使微生物形成活性污泥，從而降解有機(jī)物質(zhì)。
1.1.2 生物膜法
這種方法主要是在有機(jī)廢水中添加微生物附著的介質(zhì)來進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)分解，微生物在介質(zhì)表面不斷地生長和繁殖就會形成膜，這些膜對污水進(jìn)行凈化。隨著生物膜不斷地分解有機(jī)物質(zhì)，微生物會不斷的生長，因此生物膜也會越來越厚，在著過過程中在生物膜的內(nèi)部就會形成一種微生物生長的兼氧與厭氧的環(huán)境，因此生物膜法中其實(shí)也有著一部分厭氧降解的作用[2]。隨著生物膜厚度的增加，達(dá)到一定程度之后會自動脫落成為污泥，介質(zhì)的表面會重新生長微生物從而形成新的生物膜來凈化污水。
1.2 厭氧降解技術(shù)
在釀酒、制醬等領(lǐng)域中，厭氧技術(shù)有著非常悠久的歷史，但是直到1881年才得以在水環(huán)境保護(hù)中得到應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷的完善和使用范圍的不斷擴(kuò)大，人們漸漸認(rèn)識到了厭氧降解技術(shù)產(chǎn)能高、能耗小的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)出了厭氧濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等厭氧反應(yīng)器。這些厭氧反應(yīng)器都有著共同的特點(diǎn)：有機(jī)負(fù)荷比較大、反應(yīng)時(shí)間有所縮短。近幾年來，厭氧技術(shù)逐漸應(yīng)用到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等高中低不同濃度的有機(jī)廢水和城市生活污水的處理中。但是厭氧降解技術(shù)產(chǎn)出的水質(zhì)不能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，“后處理”成為了技術(shù)最重要的缺陷。
2 生物自然凈化技術(shù)
2.1 生物塘
在水中培植大量的生長快速的水生植物就形成了生物塘，這種方法主要是通過水生植物的吸收和收獲來講有機(jī)污水中的有機(jī)物質(zhì)帶走，從而達(dá)到凈化水體的作用[3]。在生物塘中增加曝氧系統(tǒng)就會形成氧化塘，能夠在生物塘中兼具好氧降解的功能。傳統(tǒng)的生物塘存在面積大、處理時(shí)間長、出水不合格等缺陷，在不斷地改進(jìn)過程中總結(jié)出了解決這些缺陷的幾點(diǎn)措施：高效水生植物的培育、實(shí)現(xiàn)生物塘綜合處理等。
2.2 人工濕地
人工濕地發(fā)展的基礎(chǔ)是污染灌溉，這種方法投資與能耗都非常低，而且還能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供肥力。將污水經(jīng)過一級和二級處理之后就用于灌溉系統(tǒng)。沼澤、泥潭與水域邊緣地帶等都屬于濕地，水體、這種條件之下發(fā)育的土壤、適應(yīng)這種環(huán)境的動植物就組成了整個的濕地環(huán)境。人工濕地就是指通過人工建造于濕地功能相似的系統(tǒng)，由于保護(hù)水資源與改善水生態(tài)環(huán)境。人工濕地包括表面流型、潛流型、垂直流型三種，其中垂直流型應(yīng)用最為廣泛。
3 環(huán)境生物技術(shù)的展望
生物環(huán)境技術(shù)不斷發(fā)展的動力與目的都是提高污水處理效率、降低技術(shù)應(yīng)用成本。難降解有機(jī)物質(zhì)、高濃度有機(jī)廢水和去氮除磷問題是當(dāng)前有機(jī)污水治理的主要難點(diǎn)和方向，是環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展方向。
3.1 實(shí)現(xiàn)的工藝優(yōu)化組合
不同的工藝通過優(yōu)化組合就能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，是生物降解技術(shù)的一個重要的發(fā)展趨勢。例如好氧降解與厭氧降解實(shí)現(xiàn)組合能夠克服好氧負(fù)荷率小于去氮除磷效果差的缺點(diǎn)，克服厭氧處理時(shí)間較長與出水水質(zhì)不高的缺點(diǎn)。
3.2 與其他技術(shù)相結(jié)合
環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展需要其他科學(xué)技術(shù)的配合，要將環(huán)境生物技術(shù)與其他的技術(shù)結(jié)合起來才能夠提高處理的效果。高效生物技術(shù)與光、電的結(jié)合能夠由于有毒有害難降解有機(jī)廢水的處理，例如如光催化氧化-生物處理新技術(shù)、電化學(xué)高級氧化-高效生物處理技術(shù)等。環(huán)境生物技術(shù)不斷地與計(jì)算機(jī)、電子信息等技術(shù)的結(jié)合，逐漸實(shí)現(xiàn)了環(huán)境生物技術(shù)的自動化與模塊化。
3.3 難降解有機(jī)物質(zhì)的處理
在微生物群體中占優(yōu)勢的與降解力較高的菌種都屬于優(yōu)勢菌?？梢酝ㄟ^自然篩選馴化、混合培養(yǎng)、細(xì)胞工程、基因工程等方式來培養(yǎng)優(yōu)勢菌種。這些優(yōu)勢高效菌種能夠用來對難降解的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行處理，是現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)之一。
3.4 生物傳感器
生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測，能夠判斷污染的發(fā)展趨勢、探索污染物的轉(zhuǎn)化與降解規(guī)律、檢測污染物突變的原因、分析污染的來源等。生物傳感器的研制對生物環(huán)境污染的監(jiān)測有著積極地作用，使其更加的方便、快捷、靈敏、全面，而且還具有廉價(jià)、簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)。
4 總結(jié)
水領(lǐng)域中應(yīng)用的技術(shù)種類有很多種，每種技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用的范圍。環(huán)境生物技術(shù)主要是利用生物本身或者去其產(chǎn)物來對水污染進(jìn)行治理，微生物和植物是生物主體，微生物主要是發(fā)揮降解功能來凈化有機(jī)污水中的有機(jī)物質(zhì)，而植物主要是通過吸收功能來實(shí)現(xiàn)治理有機(jī)污水。這種技術(shù)效率較高、投入較大、安全性好、適用范圍廣，應(yīng)該在有機(jī)廢水的處理過程中積極推廣。
【摘 要】全球范圍內(nèi)的環(huán)境問題十分嚴(yán)峻，因此人們對環(huán)境保護(hù)的重視程度也逐漸提高。黨的十八大對生態(tài)文明建設(shè)做了進(jìn)一步部署，環(huán)境保護(hù)是我國建設(shè)和諧社會的重要內(nèi)容。環(huán)境保護(hù)離不開科學(xué)技術(shù)的支持，而生物技術(shù)在其中起到舉足輕重的作用。
【關(guān)鍵詞】環(huán)境保護(hù)工程；生物技術(shù)；進(jìn)展
隨著環(huán)境保護(hù)工程的廣泛展開，生物技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)拓展到各個方面，從單個環(huán)境目標(biāo)治理，發(fā)展為全系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。本文主要闡述環(huán)境保護(hù)工程中生物技術(shù)的應(yīng)用及重要進(jìn)展進(jìn)行論述。
1 環(huán)境保護(hù)與生物技術(shù)關(guān)系概述
環(huán)境保護(hù)的涉及面很廣，包括空氣質(zhì)量、水資源保護(hù)、土地保護(hù)、森林保護(hù)等內(nèi)容。由于人類對自然資源的過度開發(fā)和不合理利用，環(huán)境問題已經(jīng)日益激化，生物技術(shù)作為一項(xiàng)有效的科技手段，對解決環(huán)境問題有著積極地作用。在當(dāng)今資源保護(hù)過程中，生物技術(shù)已經(jīng)占有主要的地位，生物凈化技術(shù)的應(yīng)用得到廣泛認(rèn)可。
我們享受著經(jīng)濟(jì)發(fā)展給生活所帶來的舒適和方便，卻忽視了環(huán)境對人類發(fā)出的警告。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的代價(jià)是環(huán)境的嚴(yán)重破壞，隨著環(huán)境破壞程度越來越嚴(yán)重，人們開始清醒的認(rèn)識到環(huán)境必須要好好治理了。國人環(huán)境治理的意識正在不斷的加深，生物技術(shù)得到了很好地發(fā)展，并應(yīng)用到實(shí)際治理污染中[1]。雖然生物技術(shù)取得了一定的成績，但仍然無法高效的解決環(huán)境污染問題。因此，我們對生物技術(shù)的研究還要繼續(xù)深入，有效地實(shí)現(xiàn)研究成果和工程技術(shù)的結(jié)合，使之成為成熟的技術(shù)并推向市場。
生物技術(shù)方向潛力巨大，有很多領(lǐng)域都有新發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)挖掘生物技術(shù)的潛能，是未來環(huán)境治理的主流方法。生物技術(shù)的發(fā)展給環(huán)境保護(hù)帶來了福音，但是生物技術(shù)的應(yīng)用必須是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，并遵守既定的原則，否則可能會再次對環(huán)境造成污染。隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快，人們對于快捷方便的生活方式越來越依賴，但是經(jīng)濟(jì)發(fā)展不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)，人類應(yīng)該以高效率、低耗能、投入少的方式發(fā)展經(jīng)濟(jì)。生物技術(shù)能夠成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本保障，深入研究生物技術(shù)，符合我國環(huán)境發(fā)展的國情。
2 環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀
無數(shù)種生物構(gòu)成了地球的生態(tài)系統(tǒng)，依靠這些生物完成了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)過程。環(huán)境生物技術(shù)產(chǎn)生就是利用了物質(zhì)循環(huán)的原理，隨著科技的發(fā)展生物技術(shù)被證明是環(huán)境保護(hù)的理想手段，這一技術(shù)的獨(dú)特功能在解決環(huán)境問題過程中顯示出無可比擬的優(yōu)越性，這充分體現(xiàn)出它是一個純生態(tài)的過程，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。生物技術(shù)對處理環(huán)境污染具有很好地作用，同時(shí)具有速度快、成本低、效率高、消耗低等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樯锛夹g(shù)來源于自然界中的生物，所以具有無二次污染、反應(yīng)條件溫等顯著特點(diǎn)。環(huán)境生物技術(shù)明顯的優(yōu)勢以及其廣闊的市場前景，受到了世界各國的高度重視。
目前環(huán)境保護(hù)對生物技術(shù)的應(yīng)用主要是微生物及其衍生物，少部分生物技術(shù)利用植物控制環(huán)境污染。目前生物技術(shù)是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣泛、最為重要的技術(shù)，其在很多領(lǐng)域發(fā)揮作用。大氣污染治理、水源污染控制、清潔可再生能源的開發(fā)、有毒有害物質(zhì)降解、
廢物資源化、污染環(huán)境修復(fù)、環(huán)境監(jiān)測和重污染企業(yè)的清潔生產(chǎn)等各個方面都有生物技術(shù)的身影，并發(fā)揮著極其重要的作用[1]。使用環(huán)境生物技術(shù)處理環(huán)境污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大部分是無毒害且穩(wěn)定的物質(zhì)，大部分有機(jī)污染物都轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和氮?dú)獾?。?yīng)用生物技術(shù)處理污染大多能一步到位，避免了污染物再次轉(zhuǎn)移，因此它可以安全而徹底的消除污染。大部分有機(jī)污染物適可作為其他反應(yīng)的底物，這些有機(jī)污染物經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化后變成酒精、沼氣、氨基酸、多肽等有用物質(zhì)。生物轉(zhuǎn)化的技術(shù)因此常常作為有機(jī)污染物資源化的首選技術(shù)。
3 環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展
3.1 在治理大氣污染和改善空氣質(zhì)量中的應(yīng)用
霧霾是2014年出現(xiàn)頻率非常高的詞，整個冬天它都糾纏著我國大部分城市，這樣大規(guī)的霧霾天氣說明我們的空氣質(zhì)量正在急速下滑，大氣污染問題已經(jīng)不容忽視，它已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的生活和身體健康。我國對治理大氣污染、空氣污染非常重視，生物技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在大氣污染治理上。目前主要采用的方法有生物的吸附、生物的洗滌和生物的過濾等方法[2。生物技術(shù)雖然仍需要更大程度的提升，但與傳統(tǒng)的廢氣治理方法相比，生物技術(shù)轉(zhuǎn)化廢氣效果更加明顯，而且節(jié)省時(shí)間，大大提高了工作效率。生物技術(shù)對能源的凈化和轉(zhuǎn)化更加安全可靠，經(jīng)過處理的氣體不會造成二次污染，甚至可以達(dá)到二次利用的效果。
3.2 在改善水體質(zhì)量，治理水源污染中的作用
生物技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域就是在改善水體質(zhì)量方面，生物處理是目前水處理技術(shù)的重要手段，世界范圍內(nèi)大多都采用這一方法進(jìn)行污水的處理。我國在污水處理上也會遵循這一趨勢，不斷研究發(fā)展并提升生物處理污水的能力。目前常見的水污染治理的生物技術(shù)有活性污泥法、生物膜處理法、穩(wěn)定塘法、土地處理系統(tǒng)法和人工濕地處理系統(tǒng)法等[1]。生物技術(shù)應(yīng)用突出表現(xiàn)在微生物水處理劑、廢水處理、以及生物修復(fù)等方面。
3.3 在治理土地污染中的作用
我國針對土壤嚴(yán)重污染的問題，出臺了較多政策進(jìn)行治理。目前我國通常采用物理治理的方法解決土地污染，通過大面積的植樹造林，保持水土，啟動土壤森林凈化循環(huán)的作用，避免發(fā)生大范圍的水土污染和流失。其他物理化學(xué)方法以洗脫、吸附）為主 ，不僅投資成本高，而且極易造成二次污染[1]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土地的依附性很大，如果不注意土地污染問題的治理，后果不堪設(shè)想。但傳統(tǒng)方法修復(fù)周期過長，治理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及污染速度，因此必須運(yùn)用生物技術(shù)對土壤污染進(jìn)行治理，同時(shí)保護(hù)土壤的有機(jī)成分，挽救每況愈下的土地。
3.4 生物技術(shù)的其他應(yīng)用方向
生物轉(zhuǎn)化過程是以酶為反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行的，因?yàn)槊甘且环N活性蛋白，極易受到酸、堿及高溫的破壞，所以生物反應(yīng)的過程必須在常溫、常壓的環(huán)境下進(jìn)行。生物反應(yīng)的條件相對比較好達(dá)到，因而其投資少、耗能低、速度快好、效果好、操作簡便、設(shè)備簡單。
生物轉(zhuǎn)化代替化學(xué)處理可以大大降低反應(yīng)過程的污染水平，更有利于實(shí)現(xiàn)生態(tài)化生產(chǎn)或無廢生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目的。此外，生物反應(yīng)的產(chǎn)品及副產(chǎn)品大多都是可以加快生物降解，有的甚至是下一次反應(yīng)的催化劑，且反應(yīng)產(chǎn)物大多可以作為其他生物的營養(yǎng)源加以利用。用生物反應(yīng)產(chǎn)物代替一些化學(xué)藥物、人工合成物、化石能源等，能把產(chǎn)生活動帶來的環(huán)境污染降到最低，真正使經(jīng)濟(jì)發(fā)展遵循可持續(xù)發(fā)展的原理。應(yīng)用生物技術(shù)還可以處理其他方法無法處理的環(huán)境問題，比如生物修復(fù)技術(shù)凈化環(huán)境，能使受污染的珍貴資源如水資源、土地資源等恢復(fù)到健康的水平。
4 結(jié)束語
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國環(huán)境問題日益凸顯，環(huán)境問題亟待解決，現(xiàn)有的生物技術(shù)已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要，因此需要不斷挖掘生物技術(shù)的潛力，環(huán)境治理和技術(shù)革新的探索之路還要繼續(xù)走下去。未來生物技術(shù)的研究必須要考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相統(tǒng)一，促進(jìn)社會進(jìn)步與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。
摘要：鹽堿化土地的恢復(fù)和治理是人類共同面臨的一個難題，解決草地鹽堿化問題的根本途徑在于恢復(fù)植被，改善土壤結(jié)構(gòu)。生物改良技術(shù)具有物理、化學(xué)和水利改良技術(shù)所不具有的優(yōu)勢，如實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性等。羊草、星星草、野大麥?zhǔn)悄壳斑M(jìn)行植被重建時(shí)重點(diǎn)選擇的品種?；蚬こ炭商岣咧参锏哪望}能力，受到越來越多的關(guān)注。
關(guān)鍵詞：鹽堿化草地；植被重建；生物改良技術(shù)
為本文通訊作者幾十年來，國家和地方投入大量人力、物力和財(cái)力研究改造鹽堿地，經(jīng)歷了從單項(xiàng)措施（20世紀(jì)50年代以農(nóng)業(yè)改良措施為主、20世紀(jì)60年代以水利措施為主）到綜合措施（20世紀(jì)70年代開始農(nóng)、林、牧、水全面治理工作）、從小范圍試驗(yàn)到大面積推廣的過程，在土壤鹽分的成因規(guī)律和特征、不同灌溉格局下的水鹽運(yùn)行機(jī)理、耐鹽堿植物的篩選、鹽堿地恢復(fù)與重建的技術(shù)措施等諸多方面，取得了新的進(jìn)展和突破，收到了較好的治理效果。
１地表覆被
地表覆被可減緩或抑制水分與大氣間直接交流，對表層土壤水分蒸發(fā)起到阻隔作用，明顯減少土壤水分的蒸發(fā)，抑制鹽分在地表積聚，防止土壤返鹽，從而達(dá)到改良目的。地表覆蓋物可以利用枯草層、作物秸稈等。
11枯草法
枯草混入土壤中，增加了土壤孔隙度，不斷釋放營養(yǎng)元素，改善了土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)狀況，使水鹽運(yùn)動發(fā)生改變，降低了土壤鹽分?？莶菰诜纸膺^程中釋放出大量有機(jī)酸，起到了酸堿中和作用［1，2］。在枯草層實(shí)驗(yàn)區(qū)和光堿斑對照區(qū)內(nèi)，播種了羊草和野大麥，播種量為75kg/hm2，播種時(shí)間為6月末。7月10日測得枯草層實(shí)驗(yàn)區(qū)羊草出苗數(shù)為66株/m2，野大麥出苗數(shù)為69株/m2；光堿斑對照區(qū)羊草出苗數(shù)為12株/m2，野大麥出苗數(shù)為16株/m2。枯草層實(shí)驗(yàn)區(qū)的羊草和野大麥出苗率分別為光堿斑對照區(qū)的46倍和43倍。到了9月20日枯草層實(shí)驗(yàn)區(qū)的羊草存留株數(shù)為17株/m2，野大麥為20株/m2；而光堿斑對照區(qū)的羊草僅存1株/m2，野大麥為3株/m2。有枯草層的羊草和野大麥的保留率分別為光堿斑的85倍和66倍［1］。維持枯草層是草地資源可持續(xù)發(fā)展和利用的必要條件之一。
12秸稈法
在裸堿地上扦插和平埋玉米秸稈，可以使土壤理化性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)有所改善，土壤表層可溶性鹽分明顯下降，土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤pH值降低。同時(shí)，秸稈可以有效地截留一定量的耐鹽堿植物的種子，尤其是虎尾草種子［3］。吳泠等（2001）在約05hm2的裸堿斑上，把直徑約2cm的玉米秸稈切成25cm長的片段，進(jìn)行扦插和平埋處理。扦插的行距和列距均為40cm，扦插深度為5～10cm，秸稈的施用量為350g/m2；平埋處理行距為25cm，平埋深度為1～2cm，施用量為320g/m2。實(shí)驗(yàn)一年后，兩種處理方式都取得了良好的改良效果，其中扦插處理比平埋處理的效果更好。扦插玉米秸稈可顯著提高土壤種子庫，改良區(qū)土壤種子數(shù)量為402 010±177 316粒/m2，次生光堿斑土壤種子庫為1 010±3 116粒/m2，被截留的種子為植被恢復(fù)提供了種源?；⑽膊菽茉谟衩捉斩捴車婊?，每個玉米秸稈周圍可生長319±212株，產(chǎn)量可達(dá)68 164±38 172g/m2?。?，4］。使用秸稈法，不需要購買大量化學(xué)藥品和大規(guī)模的機(jī)械和人力投入，技術(shù)相對簡單、成本較低［3］。
2植被重建
21羊草
羊草廣布于我國東北和內(nèi)蒙古的草原區(qū)，營養(yǎng)價(jià)值高、適口性強(qiáng)，同時(shí)耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐踐踏，適于調(diào)制各種干草，是抗逆性最強(qiáng)、適應(yīng)性最廣的野生優(yōu)良牧草之一。目前羊草已成為我國北方鹽堿化草地改良的主要優(yōu)良品種之一［2］。播種后羊草形成繁茂的單優(yōu)群落，主要靠根莖進(jìn)行營養(yǎng)繁殖，播種后2～3年內(nèi)應(yīng)禁止任何利用，以使羊草群體獲得充分繁殖生息的時(shí)間，增加羊草與其他雜類草競爭的能力。羊草根莖主要分布在土層5～10cm深處，根莖縱橫交錯，其上又生長較多的細(xì)根，地表又被植被覆蓋，使土壤深層鹽堿不能上返，表層的鹽堿還會被羊草的活動所中和或下移，形成新的表土層，植物群落得以穩(wěn)定。
22星星草
星星草為典型鹽生植物，在平原主要生長在堿湖周圍和低濕的鹽堿斑上，屬C3植物。以星星草為優(yōu)勢形成的草地，分布廣、數(shù)量多，可用于割草又可用于放牧，是鹽堿化草地上優(yōu)良的牧草之一。由于星星草分蘗多，生長郁閉，可以積累、保持土壤的腐殖質(zhì)，特別是地下的須根系，改善堿土的物理結(jié)構(gòu)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量增加，土壤全鈉、全鈣、全鎂含量不同程度降低，土壤含鹽堿量下降，從而達(dá)到改良堿斑的作用［5］。種植星星草三年的地塊，0～10cm土層的pH值由1078降至875［6］。3年后可作適度放牧利用，并可作為割草場。
23野大麥
野大麥營養(yǎng)價(jià)值高，適口性好，抗逆性較強(qiáng)，在pH值85～95的堿性土壤中生長良好，先后在吉林、內(nèi)蒙古、河北、甘肅、新疆、青海等省區(qū)都有栽培。野大麥草叢茂密，葉量大，較長的營養(yǎng)枝上可達(dá)86～134片葉。播種第2年后，每年可刈割兩次，第1次在6月下旬為宜，第2次在8月下旬為宜。如果刈割后有條件施肥灌水，可大幅度提高產(chǎn)量［2］。
3基因工程
近年來，植物耐鹽基因工程研究越來越受到關(guān)注，一些與植物耐鹽性有關(guān)的基因相繼被克隆，不同程度地提高了轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽能力。應(yīng)用于植物基因工程的耐鹽基因主要有：滲透保護(hù)性物質(zhì)合成基因、與水分脅迫相關(guān)的功能蛋白編碼基因、與信號傳遞和基因表達(dá)相關(guān)的調(diào)控基因、與細(xì)胞排毒抗氧化能力相關(guān)的酶基因等［7-9］。
4小結(jié)
鹽堿化草地恢復(fù)是一項(xiàng)長期的、復(fù)雜的、系統(tǒng)的、涉及多學(xué)科的綜合治理工程，也是一個循序漸進(jìn)、逐步顯效的過程，經(jīng)過多年攻關(guān)，該領(lǐng)域研究已取得很大進(jìn)展。物理、化學(xué)、水利等措施易受條件限制，成本高，難度大。相比之下，生物措施成本低、見效快、易推廣，能從根本上解決草地鹽堿化問題，是鹽堿化草地恢復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向［10］。在理論和方法創(chuàng)新的支持下，將會不斷出現(xiàn)鹽堿地恢復(fù)的新材料、新方法和新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
【摘要】本文對含油廢水處理工藝中的生物處理技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)流程和方法的探究，并最終提出了生物深度處理技術(shù)這一發(fā)展趨勢。
【關(guān)鍵詞】含油廢水；生物技術(shù)；過程；深度處理
一、生物處理技術(shù)的概況介紹與應(yīng)用實(shí)例
（一）概述
生物處理技術(shù)處理含油廢水指的是利用在微生物代謝作用下，將分散到水中的原油、有機(jī)污染物進(jìn)行降解處理，使有機(jī)污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無害物質(zhì)，最終完全無機(jī)化。近來較普遍應(yīng)用且相對成熟的生物處理工藝包括好氧生物處理技術(shù)和厭氧生物處理技術(shù)兩大類。顧名思義，所謂好氧生物處理技術(shù)，是指利用好氧微生物代謝作用處理含油廢水的技術(shù)，按所選材料，分為活性污泥法、SBR法、生物膜法、氧化塘法、AB處理法等形式；而厭氧生物處理技術(shù)，則是利用厭氧微生物作用進(jìn)行含油廢水處理的技術(shù)，按處理設(shè)備，分為厭氧接觸法、厭氧生物濾池、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等處理方法。這兩類生物處理技術(shù)在有機(jī)物負(fù)荷、污泥產(chǎn)率，能耗、營養(yǎng)物需要量、應(yīng)用范圍，對水溫適應(yīng)性、啟動時(shí)間以及處理效果各方面作用不同，相對來說，好氧生物技術(shù)在處理效果上較厭氧處理技術(shù)好，但兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，單純采用一種技術(shù)難以達(dá)到理想效果。因此，結(jié)合使用兩種處理技術(shù)進(jìn)行含有廢水處理變得較為普遍，遵照分級處理程序，先采用厭氧技術(shù)進(jìn)行初步處理，利用好氧工藝進(jìn)行處理檢驗(yàn)和再處理，以確定合理的技術(shù)過程。
（二）實(shí)例
學(xué)者對含油廢水處理技術(shù)的綜合研究表明，油田污水的處理方法很多，如物理法、化學(xué)法等，這兩種方法都能夠獲得一定的處理效果，但存在較多劣勢，前者成本高，后者由于投入了化學(xué)藥劑極易產(chǎn)生二次污染。相比之下，生物處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、適用性最強(qiáng)，對于大規(guī)模污水處理收到較好效果。在國內(nèi)許多油田得到應(yīng)用，以下對應(yīng)用該技術(shù)的油田及其廢水處理工藝作基本介紹：1.勝利油田王家崗廢水處理站，該站點(diǎn)建成投產(chǎn)于2002年，利用美國公司菌種，由油田自行設(shè)計(jì)完成占廢水總量約為70%的含油廢水處理工程。其技術(shù)處理過程為：含油廢水—接收罐—兩級大罐沉降—溶氣浮選—混合池—接觸氧化池—沉淀池—計(jì)量排放。該站經(jīng)過生物處理技術(shù)的廢水指標(biāo)滿足國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。2.大港油田東二廢水處理站，該站用美國公司RBC菌種，借助容積為2700m3的接觸氧化池每天處理上萬立方的廢水。其廢水處理技術(shù)過程為：兩級沉降—過濾—隔油—接觸氧化池—緩沖池—氧化塘—排放。經(jīng)處理后的廢水符合國家要求排放標(biāo)準(zhǔn)。3.冀東油田高一聯(lián)廢水處理站；該站同樣建成并投產(chǎn)于2002年，該工程采用石油大學(xué)技術(shù)每天實(shí)際處理的廢水量約3600m3，僅小于設(shè)計(jì)處理能力400m3，其廢水處理技術(shù)過程為：兩級大罐沉降—過濾—緩沖罐—泵提升—冷卻塔—均質(zhì)池—厭氧池—中沉池—接觸氧化池—二沉池—緩沖池—提升—排放。對外排水質(zhì)的驗(yàn)收報(bào)告平均數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，表明廢水排放符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
二、含油廢水生物處理技術(shù)方法
隨著油田開采力度加大，采油技術(shù)也在不斷發(fā)展，前后經(jīng)歷了天然能量動力、人工注水方式、改變注入水特性這三次采油變化。目前較普遍采用以人工注水方式保持地層壓力，以及通過改變注入水的特性提高采油率的后兩種采油方式。由于經(jīng)電脫水、分離出來的“油田污水”成分復(fù)雜，除含原油以外，還溶有各種有害雜質(zhì)，因此，選取生物處理技術(shù)對廢水進(jìn)行處理，方法有：1.曝氣生物濾池組合工藝法，該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鏈分級捕食作用以及反硝化作用下共同完成的。相比傳統(tǒng)的活性污泥法，具有生物濃度、有機(jī)負(fù)荷高，占地面積小，過程簡單，成本投入低，抗溫性好，菌群組成合理，耐沖擊性等優(yōu)點(diǎn)。包括：1）膜生物反應(yīng)器—曝氣生物濾池法，它能夠高效快速過濾超濾膜，同時(shí)有效降解高濃度活性污泥生物，且不借助二沉池和污泥回流系統(tǒng)，具有成本小、能耗低以及處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。2）超聲氣浮—BAF法，在羥基自由基氧化、氣泡內(nèi)高溫?zé)峤夂统R界水氧化三種因素作用下，利用聲化學(xué)這一邊緣科學(xué)，在大于20Hz的超聲波條件下，提高化學(xué)反應(yīng)速率，超聲波有促進(jìn)有機(jī)污染物降解和提高廢水的可生化性的功能，但單獨(dú)應(yīng)用時(shí)去除廢水中有毒物質(zhì)的能力不高。3）A/O—BAF法，此方法模式是“隔油/氣浮/二級生化”，處理效果不甚理想。2.氧化溝，氧化溝是在20世紀(jì)中期由荷蘭開發(fā)的一種污水處理工藝，它是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造生成的，污水和活性污泥的混合液可在溝渠形的曝氣池中循環(huán)流動。其技術(shù)過程簡單，處理效果良好，排放水達(dá)標(biāo)。3.人工濕地，該方法處理污水最初是借助蘆葦之類的人工濕地凈化污水，去除其中大量有機(jī)和無機(jī)物。經(jīng)過發(fā)展，演變?yōu)槔没|(zhì)、微生物和植物，在生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物協(xié)調(diào)作用下，通過過濾、吸附、吸收和分解等一些列過程來凈化廢水，實(shí)現(xiàn)廢水無害化處理目標(biāo)。同時(shí)通過生物地球化學(xué)循環(huán)，有利于綠色植物生長。它在出水水質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)去除能力、成本費(fèi)用、技術(shù)含量、綜合管理方便等方面具有明顯優(yōu)勢。4.氧化塘，將各類微生物和藻類置于氧化塘中，發(fā)生氧化反應(yīng)后，去除有機(jī)污染物，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)物。研究表明，它對油、酚類有機(jī)物、硫化物等的去除效果都較好。5.特種菌類處理，在污水生物處理中，很多細(xì)菌具有特殊功能，這些菌類經(jīng)過分離、培養(yǎng)后，對有機(jī)物處理有良好效果。
三、生物處理技術(shù)的主要問題及趨勢
目前采用高效降解菌的生物深度處理技術(shù)在含油廢水深度處理領(lǐng)域的研究已取得很大進(jìn)展，但未來發(fā)展中仍存在以下問題，需要重視。體現(xiàn)在：1.由于含油廢水所含有機(jī)物復(fù)雜、繁多的特性，需要結(jié)合各種方法，優(yōu)化各步處理技術(shù)，再找出一套綜合工藝，滿足深度處理技術(shù)高效處理廢水的要求。2.提高含油廢水深度處理器中特殊菌的濃度與活性。在了解含油廢水成分組成的基礎(chǔ)上，分離、培養(yǎng)各篩選優(yōu)勢菌種，監(jiān)測該菌的最佳降解條件。根據(jù)反饋信息，提高凈化效率。3.基于生物工程技術(shù)的處理效果，創(chuàng)新技術(shù)。提高更有效處理含油廢水的可能性。
國外處理采油廢水的技術(shù)已經(jīng)由單一利用一種方法轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N方法結(jié)合使用，出現(xiàn)了物理化學(xué)方法與生物技術(shù)綜合運(yùn)用，提高了廢水處理效率和達(dá)標(biāo)度。而國內(nèi)多利用二次、三次采油工藝處理廢水，相對較落后，不能達(dá)到理想的處理效果，為對油田中這種難降解含油廢水進(jìn)行處理，生物深度處理技術(shù)成為國內(nèi)油田采油廢水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。
摘要 介紹了我國生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，闡述了現(xiàn)代生物技術(shù)在治理環(huán)境污染應(yīng)用方面的優(yōu)點(diǎn)及其在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用情況，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期促進(jìn)現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 現(xiàn)代生物技術(shù)；環(huán)境保護(hù)；應(yīng)用；前景
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國國民經(jīng)濟(jì)社會總體發(fā)展速度較快，城市化進(jìn)程的步伐也日益加快。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中，環(huán)境問題也隨之而來。為了全面建設(shè)小康社會，保證國民健康，維護(hù)社會可持續(xù)、健康發(fā)展，必須采取有力措施進(jìn)行環(huán)境保護(hù)。因此，積極利用現(xiàn)代生物技術(shù)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為人民日益關(guān)注的課題。為了實(shí)現(xiàn)社會健康、持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)各類資源的永續(xù)利用，環(huán)保工作者的首要工作任務(wù)就是努力保護(hù)和提高環(huán)境質(zhì)量。
1 我國生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀
在我國過去幾十年的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中，由于片面重視經(jīng)濟(jì)GDP的高速發(fā)展而忽視了經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的環(huán)境保護(hù)，導(dǎo)致目前環(huán)境狀況十分嚴(yán)峻。近年來雖采取了大量控制措施，但環(huán)境質(zhì)量下降的趨勢仍在繼續(xù)。我國是世界上環(huán)境污染最為嚴(yán)重的國家之一，由于工業(yè)“三廢”污染、農(nóng)用化肥和農(nóng)藥的污染，造成水體污染嚴(yán)重，無法利用。全國約300個城市工業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水較為短缺，成為缺水城市，占全國600個城市中的50%；而農(nóng)村這一情況更加嚴(yán)重，約有1億人口和2億頭牲畜飲水困難。在廣大農(nóng)村，由于水體和土壤的嚴(yán)重污染，耕地利用效率大大降低，不僅減少了有效耕地面積，而且直接威脅居民身體健康，引發(fā)各類疾病[1]。目前的當(dāng)務(wù)之急就是要盡快應(yīng)用高新技術(shù)，綜合治理和保護(hù)環(huán)境，從而有效控制環(huán)境污染，保持生物多樣性和生態(tài)平衡。
2 現(xiàn)代生物技術(shù)在治理環(huán)境污染方面的優(yōu)點(diǎn)
由于基因重組技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，一項(xiàng)以基因工程為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)迅速崛起，并成為高新產(chǎn)業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。現(xiàn)代生物技術(shù)是以DNA分子技術(shù)為基礎(chǔ)，包括微生物工程、細(xì)胞工程、酶工程、基因工程、蛋白質(zhì)工程等一系列高新技術(shù)。環(huán)境生物技術(shù)是由現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科，是應(yīng)用生物圈的某部分使環(huán)境得以控制，或治理預(yù)定要進(jìn)入生物圈的污染物的生物技術(shù)。這一技術(shù)在解決環(huán)境問題過程中顯示出了獨(dú)特的功能和顯著的優(yōu)越性，不僅充分體現(xiàn)出這項(xiàng)技術(shù)是一個純生態(tài)的過程，且從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。在環(huán)境的保護(hù)和污染治理中，環(huán)境生物技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比較，具有明顯優(yōu)勢。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)可以真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目的，其充分利用生物過程減少生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染，很大程度上代替了傳統(tǒng)生產(chǎn)中的化學(xué)過程，更有利于實(shí)現(xiàn)無廢生產(chǎn)，促進(jìn)了生產(chǎn)工藝的生態(tài)化。現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是酶工程、細(xì)胞工程、基因工程等，提高了生產(chǎn)效率，強(qiáng)化了環(huán)境生物處理過程，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用這些技術(shù)，可以降低成本，其高專一性等特性為環(huán)境生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。
3 現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用
3.1 環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)
近年來，國內(nèi)外研究較多的是應(yīng)用PCR技術(shù)生物芯片、生物傳感器等生物高新技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。Niedrhauser等利用PCR技術(shù)檢測了食品中的單核細(xì)胞生利斯特氏菌（易導(dǎo)致人類腦膜炎）。傳統(tǒng)方法至少需10 d時(shí)間，應(yīng)用PCR技術(shù)大大縮短了分析周期，對該菌種的分析只需數(shù)小時(shí)。劉永軍等通過設(shè)計(jì)多種腸道病原細(xì)菌的通用引物，運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR方法，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境水體中腸道病原細(xì)菌的定量檢測[2]?？梢灶A(yù)見，PCR技術(shù)在檢測水體、土壤等環(huán)境中的致病菌、指示菌及基因工程菌方面將發(fā)揮越來越重要的作用。
近年來，利用生物傳感器監(jiān)測環(huán)境中的污染物，日益為人們所青睞。目前，生物傳感器具有使用方便、成本低、省時(shí)、易制作等優(yōu)點(diǎn)，如甲烷生物傳感器、氨生物傳感器、乙醇生物傳感器、亞硝酸鹽生物傳感器、BOD生物傳感器等已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平，在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景廣闊[3]。
3.2 工業(yè)污水和生活廢水的處理與凈化
工業(yè)污水和生活廢水中含有多種有毒物質(zhì)，例如氰化物、酚類、有機(jī)汞、重金屬、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、醇、醛、有機(jī)磷等，這些污水和廢水成分構(gòu)成復(fù)雜，凈化難度也較大。生物凈化污水的常用方法為固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)，也就是酶工程技術(shù)。國外已經(jīng)有許多成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，利用固定化酶和固定化細(xì)胞實(shí)現(xiàn)對工業(yè)污水和生活廢水中無機(jī)金屬、有機(jī)污染毒物的高效處理。例如德國，以共介結(jié)合法制成農(nóng)藥降解酶柱，將酶固定于硅珠及多孔玻璃上，從而實(shí)現(xiàn)對多種農(nóng)藥的降解，包括對硫磷等，去除率超過95％。而在我國，固定化細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用也有了較大發(fā)展，主要用于降解合成洗滌劑中的表面活性劑，對于含100 mg/L廢水，酶活性保存率和降解率均超過90%。
（1）廢水好氧生物處理?；钚晕勰喾ㄊ且环N應(yīng)用最廣的廢水好氧生物處理技術(shù)，它是利用某些微生物在生長繁殖過程中形成表面積較大的菌膠團(tuán)來大量絮凝吸附廢水中污染物，并在氧的作用下將這些物質(zhì)同化為菌體本身組分?；钚晕勰嘤兄艽蟮谋砻娣e，能夠與混合液進(jìn)行廣泛接觸，在較短的時(shí)間內(nèi)，通過吸附作用，除去廢水中大量的呈懸浮狀態(tài)和肢體狀態(tài)的有機(jī)污染物，使廢水的BOD值大幅度下降。該方法不僅操作簡單、方便，而且能使運(yùn)行管理人員隨時(shí)了解曝氣池中活性污泥的濃度和泥質(zhì)情況，從而掌握和控制整個工藝的運(yùn)行參數(shù)，通過確定穩(wěn)定的污泥沉降比值，從而達(dá)到高效污水處理的效果[4]。
（2）廢水厭氧生物處理。厭氧生物處理又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由許多種微生物的共同作用，使有機(jī)物分解并形成甲烷和二氧化碳的過程。其過程包括水解發(fā)酵階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。由于厭氧處理能量需求低，污泥產(chǎn)量低，能分解好氧生物所不能分解的微生物，因此這項(xiàng)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今廢水處理方面，并達(dá)到了預(yù)期的效果。
3.3 污染土壤的生物修復(fù)
土壤污染也是較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題之一，其最主要表現(xiàn)形式是土壤板結(jié)沙化、重金屬污染，導(dǎo)致土壤無法利用，威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。利用生物修復(fù)技術(shù)治理土壤重金屬污染，主要是通過酶促反應(yīng)等生物作用，對土壤中的重金屬進(jìn)行固定，由于重金屬元素的化學(xué)形態(tài)發(fā)生了改變，其移動性也相應(yīng)降低，通過有針對性的生物對其吸收、代謝，可以削減土壤中重金屬的含量，達(dá)到凈化土壤和降低毒性的目的。其中應(yīng)用最廣的屬低溫微生物修復(fù)技術(shù)，重金屬的低溫微生物修復(fù)是利用低溫微生物的生物活性，對重金屬親和吸附或轉(zhuǎn)化為低重金屬的污染程度。此外，污染土壤經(jīng)過生物修復(fù)過程后還可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，激發(fā)微生物的活性，由此可以改善土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)，這將有助于土壤的固定，遏制風(fēng)蝕、水蝕等作用，防止水土流失等[5]。
3.4 白色污染的處理和消除
我國每年產(chǎn)生的塑料垃圾數(shù)量十分巨大，對環(huán)境的破壞程度也十分嚴(yán)重，城鄉(xiāng)廢棄塑料袋和農(nóng)用地膜在土壤中幾十年都不分解，是形成環(huán)境污染的主要污染物之一，利用現(xiàn)代生物技術(shù)廣泛分離可以降解塑料的微生物群。對塑料制品中的主要成分聚酯分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，從而消除污染物質(zhì)。日本及德國已經(jīng)開展了相關(guān)研究，利用細(xì)菌生產(chǎn)塑料，通過基因工程方法，對細(xì)菌生產(chǎn)聚合物的功能基因進(jìn)行分離和重組，實(shí)現(xiàn)多功能塑料的高效生產(chǎn)。英國在這方面的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，利用微生物生產(chǎn)的塑料深受消費(fèi)者歡迎，尤其是受到生態(tài)環(huán)境保護(hù)者的青睞。在應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)治理白色污染的同時(shí)還應(yīng)大力推廣可降解的塑料制品和地膜的應(yīng)用和研發(fā)，從根本上解決白色污染。
3.5 化學(xué)農(nóng)藥污染的消除
據(jù)估計(jì)，我國每年大量使用農(nóng)藥后，僅有0.1％左右的農(nóng)藥可以作用于目標(biāo)病蟲，99.9％的農(nóng)藥則進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，并在食物鏈中不斷傳遞、遷移，對長期生活在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的人類構(gòu)成危害，同時(shí)也對大氣、水源造成污染。為了解決這些問題，人們致力于研制安全有效的方法，也取得了相應(yīng)的進(jìn)展。一方面是利用微生物對農(nóng)藥的毒害殘留成分進(jìn)行降解，消除其不利影響。微生物通過其生化途徑，分解農(nóng)藥成分，形成無害產(chǎn)物，如CO2和H2O，從而實(shí)現(xiàn)無副作用的農(nóng)藥污染治理。另一方面應(yīng)全面推廣生物農(nóng)藥，從源頭上消除農(nóng)藥對環(huán)境的污染。生物農(nóng)藥，主要是利用某些特殊微生物或微生物的代謝產(chǎn)物所具有的殺蟲、防病、促生功能。其有效功能成分完全存在和來源于自然生態(tài)系統(tǒng)，是一種來于自然、歸于自然正常的物質(zhì)循環(huán)方式，它的最大特點(diǎn)是極易被日光、植物或各種土壤微生物分解。因此，可以認(rèn)為它們對自然生態(tài)環(huán)境安全、無污染。英國科學(xué)家利用一種叫綠僵菌的真菌殺滅蝗蟲，已經(jīng)取得良好效果。目前，國際上真菌殺蟲劑的開發(fā)研究方興未艾，發(fā)展迅速[6]。
3.6 微生物脫硫治理空氣污染
煤炭直接燃用時(shí)將排放出大量的SO2等有害氣體，造成大氣污染，并由此引發(fā)酸霧、酸雨，破壞生態(tài)平衡，危害人類健康。據(jù)北京環(huán)保局計(jì)算，2010年北京市僅燃煤每年排入大氣的SO2就高達(dá)26萬t。生物學(xué)家利用微生物脫硫，把Fe2+ 變成Fe3+，把單體硫變成硫酸，取得了良好效果。如日本中央電力研究所從土壤中分離出一種硫桿菌，它是一種鐵氧化細(xì)菌，能有效除去煤中的無機(jī)硫。目前，在美國和德國已建成2個實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的連續(xù)生化脫硫試驗(yàn)裝置。4個歐洲研究組織在意大利撒丁島已建成一套工業(yè)規(guī)模的中試連續(xù)生化脫硫裝置。這些研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，獲得了許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，為朝著工程應(yīng)用方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。微生物脫硫技術(shù)簡單，成本低，更為重要的是符合“源頭防治”的環(huán)保新理念，比“末端治理”（污染產(chǎn)生后再治理）效益高，是很有前途的大氣污染治理方法[7]。
4 發(fā)展前景
我國是一個發(fā)展中大國，改革開發(fā)30余年來，我國經(jīng)濟(jì)總量已居世界第2位，但經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長的同時(shí)也伴隨著嚴(yán)重的物質(zhì)資源過度濫用和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。現(xiàn)代生物技術(shù)作為一種有效的環(huán)境污染治理措施，受到越來越多的關(guān)注，其在環(huán)境生物監(jiān)測、污染治理、生物修復(fù)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。更新環(huán)保理念，積極借鑒發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的現(xiàn)代生物技術(shù)，對適合我國國情的新技術(shù)要加以引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新，大力發(fā)展現(xiàn)代生物技術(shù)，是我國推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會的宏偉目標(biāo)，推動整個社會走上生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展之路的重要技術(shù)保障。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)研究的進(jìn)展和人們對環(huán)境問題認(rèn)識的深入，人們已越來越意識到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展為根本上解決環(huán)境保護(hù)問題
提供了無限的希望?，F(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展無疑將會推動環(huán)境保護(hù)理論及技術(shù)的日臻完善，為人類治理和保護(hù)環(huán)境提供更多可行、可用、有效的方法。
摘 要：隨著全球范圍內(nèi)對環(huán)境保護(hù)的高度重視和越來越嚴(yán)厲的環(huán)境法，市場對環(huán)境生物技術(shù)的需求越來越廣泛。同樣，隨著環(huán)境生物技術(shù)的進(jìn)展和市場開拓，其應(yīng)用已從單個的環(huán)境目標(biāo)治理，發(fā)展為廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的各個方面。本文主要闡述了環(huán)境保護(hù)工程中環(huán)境生物技術(shù)的特點(diǎn)，并針對環(huán)境生物技術(shù)的重要進(jìn)展進(jìn)行分析論述，僅供參考。
關(guān)鍵詞：環(huán)境保護(hù)；環(huán)境工程；生物技術(shù)
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)部門逐步以生物過程替代傳統(tǒng)的化工過程，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)重污染我國水環(huán)境的造紙黑液問題，使許多污染行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)真正進(jìn)入無污染的清潔生產(chǎn)的軌道。
1 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)主要是依靠生物過程來完成的?？萍嫉陌l(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)境問題過程中所顯示的獨(dú)特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程，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)條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，加之其技術(shù)開發(fā)所預(yù)示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。
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發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、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)物大都是無毒無害的、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?，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。大部分有機(jī)污染物適于作為底物，一些有機(jī)污染物經(jīng)生物過程處理后可轉(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)。生物過程是以酶促反應(yīng)為基礎(chǔ)的，酶是一種活性蛋白，生物反應(yīng)過程通常是在常溫、常壓下進(jìn)行的，因而投資省、費(fèi)用少、消耗低、效果好、過程穩(wěn)定、操作簡便，同時(shí)，它還可和其他技術(shù)結(jié)合使用。生物過程代替化學(xué)過程可以降低生產(chǎn)活動的污染水平，有利于實(shí)現(xiàn)工藝過程生態(tài)化或無廢生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標(biāo)。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，且都可以作為一種營養(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。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)技術(shù)凈化環(huán)境，使受污染的寶貴資源如水資源、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。
2 環(huán)境生物技術(shù)的重要進(jìn)展
環(huán)境污染不但影響了國民經(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)境污染問題。我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)水平和科技總體水平離國際發(fā)展水平仍有相當(dāng)差距，這就要求我國在科技發(fā)展特別是環(huán)保高科技發(fā)展上，需跟蹤國際前沿，與國際同步開發(fā)未來可能應(yīng)用的高新技術(shù)。以下介紹幾項(xiàng)已接近產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境生物技術(shù)。
2.1 高硫煤微生物脫硫技術(shù)
我國是一個發(fā)展中國家，開發(fā)廉價(jià)的、操作簡便的煤脫硫技術(shù)，將具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)意義。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、操作簡便、反應(yīng)條件溫和、不產(chǎn)生新污染，并可和現(xiàn)有的物理洗煤過程相結(jié)合，脫除其中的灰分，而煤基本無損失，且可提高煤的燃值等優(yōu)勢。
煤的微生物潔凈技術(shù)主要是脫硫、脫塵。煤炭中的硫分主要包括有機(jī)硫和無機(jī)硫、無機(jī)黃鐵礦硫以及少量的硫酸鹽硫。其中，有機(jī)硫分、黃鐵礦硫FeS2較易去除，早期的研究主要利用一些自養(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。雖然該方法脫硫效率較高，可去除90%的無機(jī)硫，使某些煤的含硫量降至1%以下，但處理的時(shí)間較長，并要求較大的反應(yīng)器容積和較細(xì)的煤炭粒徑。
為提高脫硫效率，近年來研究人員把選煤技術(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。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)。目前，浮選法微生物脫硫已成為國際上潔凈煤技術(shù)開發(fā)的熱點(diǎn)。
2.2 造紙工業(yè)生物制漿和生物漂白技術(shù)
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)械法制漿紙漿得率高，可節(jié)省大量林木資源，但能耗很大，成品紙強(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)可以幫助解決這問題，其中以生物制漿與生物漂白為最具優(yōu)勢，采用生物制漿與生物漂白可以有效減少蒸煮黑液和漂白廢液的產(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)勢和潛力，因?yàn)槲⑸飿O易生長繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無污染。
木質(zhì)素是造紙工業(yè)中有效利用纖維素的最大障礙。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去掉木質(zhì)素，在廢水中會有大量含氯的、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。將生物預(yù)漂白技術(shù)引入制漿造紙工業(yè)中，用木聚糖酶對紙漿進(jìn)行預(yù)漂白，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。目前，對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)，期望不久的將來重組酶會更有效地應(yīng)用于漂白工藝中。未來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)。
2.3 污染土壤的生物修復(fù)
人類的生產(chǎn)活動，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，對資源和環(huán)境構(gòu)成越來越嚴(yán)重的破壞?；剂系拈_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，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。
針對嚴(yán)重污染的土壤，我國尚未采取大規(guī)模的治理措施，僅在少數(shù)地區(qū)開展了治理，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。對全國范圍的污染環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，若采用傳統(tǒng)方法，即使考慮勞動力相對便宜的因素，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，而且還沒有二次污染。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)，更具有廣闊的市場和發(fā)展前景。可預(yù)見，在21世紀(jì)，生物修復(fù)技術(shù)將成為我國生態(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。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。生物修復(fù)是采用諸如提高通氣效率、補(bǔ)充營養(yǎng)，投加優(yōu)良菌種、改善環(huán)境條件等辦法來提高微生物的代謝作用和降解活性水平，以促進(jìn)對污染物的降解速度，從而達(dá)到治理污染環(huán)境的目的。
結(jié)束語
目前，我國的環(huán)境生物技術(shù)處于剛剛起步階段，該技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)需要得到社會、同行及主管部門的廣泛支持，大力開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，并將通過生物高技術(shù)的發(fā)展帶動整個環(huán)保科技的發(fā)展，解決我國目前和未來面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問題，并為環(huán)保市場提供高品質(zhì)的環(huán)境保護(hù)高技術(shù)，應(yīng)該充分認(rèn)識到環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)對我國環(huán)境保護(hù)和社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大意義。
