時(shí)間：2022-03-26 06:13:24
序論：在您撰寫生物技術(shù)進(jìn)展論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
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(huì)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(dòng)、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(jí)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(dòng)物進(jìn)行細(xì)胞雜交,使植物或動(dòng)物個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)、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(duì)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(huì)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(huì)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(dòng)、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(jí)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(dòng)物進(jìn)行細(xì)胞雜交,使植物或動(dòng)物個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)、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(duì)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(huì)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(shí)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(gè)棉區(qū)普遍種植。農(nóng)業(yè)部在上世紀(jì)90年代，分別對(duì)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(gè)階段嚴(yán)格的安全評(píng)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(hào)、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(dòng)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(duì)人類或動(dòng)物食用、對(duì)環(huán)境安全影響的全面評(píng)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(gè)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(duì)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(duì)減少資源耗用、滿足消費(fèi)者對(duì)健康食品需求等問題，這些都對(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)多個(gè)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(gè)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(píng)價(jià)，2011年12月美國農(nóng)業(yè)部解除對(duì)其監(jiān)管，成為全球第1個(gè)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(duì)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(duì)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(dòng)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(chǔ)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?dòng)物源病原物污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為可以作為生物藥物生產(chǎn)的一個(gè)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(duì)該種傳染病的預(yù)防能力。1992年，首個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(chǔ)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(chǔ)存以及生產(chǎn)規(guī)?；泊嬖诋a(chǎn)品開發(fā)耗時(shí)長、田間生產(chǎn)受環(huán)境影響大以及對(duì)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(gè)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(huì)、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矫妫乱淮募夹g(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(gè)把外源DNA定點(diǎn)插入受體植物基因組的重要平臺(tái)，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(duì)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(duì)這一新生事物認(rèn)識(shí)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(duì)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(gè)更高的臺(tái)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(duì)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(huì)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(duì)醫(yī)藥生物技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的意識(shí)，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(duì)來說費(fèi)用較少，而且盈利較快，風(fēng)險(xiǎn)也就相對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(gè)國家、各個(gè)行業(yè)都面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，對(duì)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(shí)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)食品的客觀要求，不斷推動(dòng)食品這個(gè)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(duì)來自各方面的挑戰(zhàn)，不斷發(fā)展壯大，促進(jìn)我國社會(huì)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(dòng)物的基因，為食品工業(yè)提供多樣化的動(dòng)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(dòng)、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。基因工程在一定程度上豐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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(shí)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)?，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(huì)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(dòng)、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(jí)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(dòng)物進(jìn)行細(xì)胞雜交，使植物或動(dòng)物個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)、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(duì)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(huì)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(duì)動(dòng)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?jiǎng)游镲暳咸砑觿┩耆蕾囘M(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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)模擬與統(tǒng)計(jì)耦合分析相結(jié)合鑒別出30個(gè)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(duì)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(duì)谷氨酸棒桿菌進(jìn)行轉(zhuǎn)座子誘變，得到7000個(gè)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(huì)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(duì)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(gè)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(duì)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。總結(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(huì)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(shí)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(huì)減弱。這說明甲硫氨酸輸出體系不止一個(gè)，還存在不易被識(shí)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(duì)微生物的損傷。
2.1.4發(fā)酵條件的相關(guān)研究
對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)別關(guān)鍵殘基成為一個(gè)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(duì)改造前后的代謝流變化進(jìn)行對(duì)比分析，嘗試針對(duì)改造后的缺陷進(jìn)行多基因修飾，繼續(xù)對(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)新的三核苷酸微衛(wèi)星標(biāo)記能夠簡便快捷地對(duì)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(duì)石斛屬內(nèi)4個(gè)品種和1個(gè)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(dòng)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于其他激素對(duì)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(duì)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(duì)原球莖增殖效果較好。唐桂香等［26］的研究表明，0.5mg·L－1NAA對(duì)鐵皮石斛的生根效果最好。李璐等［47］比較了6－BA和TDZ對(duì)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(duì)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(duì)鐵皮石斛生長有明顯的影響。陳青青等［52］研究表明，pH對(duì)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(duì)緩慢，一般2～3年才能采收，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(hào)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(huì)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(duì)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(duì)其表達(dá)分析。曾淑華等［62］對(duì)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(gè)498bp的開放閱讀框，其編碼的165個(gè)氨基酸為凝集素前體。半定量RT-PCR分析表明，DOA基因是一個(gè)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(jí)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(gè)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(duì)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)?；驑尫ㄔ谑D(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(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)方面，對(duì)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(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)在糧食生產(chǎn)、糧食儲(chǔ)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(gè)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(dòng)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(gè)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(duì)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(jí)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(duì)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(gè)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)以抱有正確的態(tài)度，深入的對(duì)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(duì)人們生活的各個(gè)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(duì)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(dòng)作用，并取得了不錯(cuò)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(duì)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(gè)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(huì)展開。為此，要認(rèn)識(shí)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(gè)方面，從單個(gè)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(duì)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(duì)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(huì)再次對(duì)環(huán)境造成污染。隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快，人們對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)土壤嚴(yán)重污染的問題，出臺(tái)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)進(jìn)步與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。
【摘 要】對(duì)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(huì)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(duì)有機(jī)廢水中的有機(jī)污染物進(jìn)行消化和分解，從這個(gè)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(huì)形成膜，這些膜對(duì)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(huì)不斷的生長，因此生物膜也會(huì)越來越厚，在著過過程中在生物膜的內(nèi)部就會(huì)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(huì)自動(dòng)脫落成為污泥，介質(zhì)的表面會(huì)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(shí)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(huì)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(jí)和二級(jí)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(dòng)植物就組成了整個(gè)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(dòng)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(gè)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(jí)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(dòng)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。可以通過自然篩選馴化、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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度也逐漸提高。黨的十八大對(duì)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(huì)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(gè)方面，從單個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)到環(huán)境必須要好好治理了。國人環(huán)境治理的意識(shí)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(duì)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(huì)再次對(duì)環(huán)境造成污染。隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快，人們對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)土壤嚴(yán)重污染的問題，出臺(tái)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(huì)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(huì)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(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)照區(qū)羊草出苗數(shù)為12株/m2，野大麥出苗數(shù)為16株/m2?？莶輰訉?shí)驗(yàn)區(qū)的羊草和野大麥出苗率分別為光堿斑對(duì)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(duì)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(gè)玉米秸稈周圍可生長319±212株，產(chǎn)量可達(dá)68 164±38 172g/m2 ［3，4］。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(duì)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(cuò)，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(huì)被羊草的活動(dòng)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?jí)A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(hào)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(gè)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)水溫適應(yīng)性、啟動(dòng)時(shí)間以及處理效果各方面作用不同，相對(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(jí)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(jí)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jí)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(jí)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(dòng)。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(duì)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(duì)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(duì)較落后，不能達(dá)到理想的處理效果，為對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)，保證國民健康，維護(hù)社會(huì)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(huì)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(gè)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(gè)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?，F(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(gè)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(píng)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(duì)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]。可以預(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(duì)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(duì)多種農(nóng)藥的降解，包括對(duì)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(duì)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。活性污泥法是一種應(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(gè)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(duì)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(dòng)性也相應(yīng)降低，通過有針對(duì)性的生物對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的連續(xù)生化脫硫試驗(yàn)裝置。4個(gè)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(gè)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(huì)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(duì)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(huì)的宏偉目標(biāo)，推動(dòng)整個(gè)社會(huì)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(duì)環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的深入，人們已越來越意識(shí)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。現(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展無疑將會(huì)推動(dòng)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(duì)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(duì)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(gè)的環(huán)境目標(biāo)治理，發(fā)展為廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面。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(duì)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(gè)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(gè)方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、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(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境污染降至最低程度，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的軌道。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(gè)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(gè)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(huì)有大量含氯的、致癌致畸的物質(zhì)，如呋喃、二惡英等，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。將生物預(yù)漂白技術(shù)引入制漿造紙工業(yè)中，用木聚糖酶對(duì)紙漿進(jìn)行預(yù)漂白，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(duì)第三代木聚糖酶的研究與應(yīng)用正進(jìn)入高峰期，采用基因工程與蛋白質(zhì)工程手段獲得性質(zhì)優(yōu)良的耐熱耐堿木聚糖酶已成為各相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的研究熱點(diǎn)，期望不久的將來重組酶會(huì)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(dòng)，當(dāng)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的人造化學(xué)物質(zhì)排放入環(huán)境中，對(duì)資源和環(huán)境構(gòu)成越來越嚴(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(duì)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(duì)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(dòng)力相對(duì)便宜的因素，其投資規(guī)模將仍然非常龐大，如采用生物修復(fù)技術(shù)，不僅其投資規(guī)模大為縮小，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?？深A(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(duì)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(huì)、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(dòng)整個(gè)環(huán)?？萍嫉陌l(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(shí)到環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)對(duì)我國環(huán)境保護(hù)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大意義。
