一、我國環(huán)境保護的現(xiàn)狀
環(huán)境保護已成為當前國際關(guān)系、經(jīng)貿(mào)合作中的一個極為重要的問題，也日益嚴重地影響著我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在我國過去幾十年的經(jīng)濟發(fā)展中，由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護，目前環(huán)境狀況十分嚴峻。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)境污染最為嚴重的國家之一，從城市到鄉(xiāng)村，我國的大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。貴陽、重慶、北京、蘭州等五個城市位于世界十大空氣污染最嚴重的城市中之列，全國600多個城市中、大氣質(zhì)量符合國家一級標準的不足1%。全國范圍的酸雨危害的程度和區(qū)域日益擴大。全國每年污水排放達360億噸，僅10%的生活污水和70%的工業(yè)廢水得到處理，其中約有一半工業(yè)污水處理設(shè)施的出水達不到國家排放標準。其他未經(jīng)處理的污水直接排入江河湖海，致使我國的水環(huán)境遭受嚴重污染和破壞。據(jù)統(tǒng)計，全國七大水系和內(nèi)陸河流的110個重點河段中，屬4類和5類水體的占39%；城市地面水污染普遍嚴重，并呈進一步惡化的趨勢，136條流經(jīng)城市的河流中，屬4類、5類和超過5類標準的高達76.8%；約50%的城市地下水受到不同程度的污染；全國大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富營養(yǎng)化程度逐年加??；一些地區(qū)的飲用水源受到嚴重污染，對人民健康造成嚴重危害。城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物與日俱增，工業(yè)廢棄物累計堆積量已超過66億噸，占地超過5萬公頃，使200多個城市陷入垃圾包圍之中。嚴重的生態(tài)破壞，加重了1998年的長江洪水災(zāi)難，給人民的生命財產(chǎn)及國民經(jīng)濟造成了嚴重損失。
當前我國社會經(jīng)濟仍然保持著高度發(fā)展的態(tài)勢，環(huán)境保護的壓力將進一步加重，由人類活動所造成的環(huán)境污染和環(huán)境質(zhì)量的惡化已成為制約我國社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的障礙。據(jù)中國社會科學院1998年度調(diào)查和估計，我國環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成的經(jīng)濟損失每年超過2000億元人民幣。如何在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時控制環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，以實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展之目標是我國目前亟待解決的重要問題。
當今世界各國已普遍接受“可持續(xù)發(fā)展”這一全新的概念，并圍繞它制定和實施本國的環(huán)境保護及其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策?？沙掷m(xù)發(fā)展要求在保持經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，必須保護好人類賴以生存的環(huán)境。環(huán)境和經(jīng)濟及貿(mào)易掛鉤是當前國際政治及經(jīng)濟關(guān)系發(fā)展中的新形勢。例如，在日元貸款中，環(huán)保貸款已成為非常重要的組成部分。ISO14000系列國際環(huán)境管理標準，將要求企業(yè)承擔相應(yīng)的環(huán)境保護責任，并對達到該標準的企業(yè)給予認證。沒有得到認證的企業(yè)的產(chǎn)品，在出口時將有可能面臨被國外政府以未承擔環(huán)境保護的責任而拒絕進口；同時，國外大型企業(yè)也可能因害怕和這些未達到該標準的企業(yè)合作而影響其形象，從而中止和這些企業(yè)的合作。至2003年，ISO9000系列質(zhì)量標準將和ISO14000系列環(huán)境管理標準統(tǒng)一成一個標準，從而將進一步強化環(huán)境保護對企業(yè)發(fā)展的重要意義。因此，良好的環(huán)境保護將加強我國企業(yè)的國際競爭力。否則，在當前國際貿(mào)易中保護主義盛行的情況下，我國將可能面臨因環(huán)境問題而被排斥在國際貿(mào)易之外的危險。然而，我國現(xiàn)有的環(huán)?？萍妓饺暂^低，缺乏可被應(yīng)用的高科技成果及高技術(shù)人才。而可持續(xù)發(fā)展這一方針的最終實現(xiàn)必須依靠科技進步，特別是高新技術(shù)的應(yīng)用。僅靠傳統(tǒng)的污染防治技術(shù)和手段，已遠遠不能滿足伴隨人類科技進步帶來的污染物產(chǎn)生速度和人類對生存環(huán)境質(zhì)量的要求，必須另辟新的途徑。20世紀科技進步和社會發(fā)展已充分證明了高科技的作用，當前的科索沃戰(zhàn)爭顯示，如要摧毀一座橋梁，過去幾百架次飛機也不一定能夠成功的事情，而今只需最多兩枚導彈即可達到，因此只有發(fā)展和掌握高科技技術(shù)才能在當今的國際競爭中立于不敗。
二、環(huán)境生物技術(shù)的特點
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，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。隨著生物技術(shù)研究的進展和人們對環(huán)境問題認識的深入，人們已越來越意識到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，為從根本上解決環(huán)境問題提供了無限的希望。
目前生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護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)境保護中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項技術(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)境的修復和污染嚴重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護的各個方面，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，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、水和氮氣。利用生物方法處理污染物通常能一步到位，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。特別是現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是基因工程、細胞工程和酶工程等生物高技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，大大強化了上述環(huán)境生物處理過程，使生物處理具有更高的效率，更低的成本和更好的專一性，為生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。美國環(huán)保局(EPA)在評價環(huán)境生物技術(shù)時也指出“生物治理技術(shù)優(yōu)于其他新技術(shù)的顯著特點在于其是污染物消除技術(shù)而不是污染物分離技術(shù)”(BiotechnologyNewswatch,August16,1993)。
由于大部分有機污染物適于作為生物過程反應(yīng)物(底物)，其中一些有機污染物經(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，作為催化劑的酶是一種活性蛋白，因此，生物反應(yīng)過程通常是在常溫、常壓下進行的。另外，酶對底物有高度的特異性，因此，生物轉(zhuǎn)化技術(shù)(Bioconversion)的效率高，副產(chǎn)物少，這與常常需要高溫、高壓條件的化工過程相比，反應(yīng)條件大大簡化，因而投資省、費用少、消耗低，而且效果好、過程穩(wěn)定、操作簡便，同時，在多數(shù)情況下，它還可和其他技術(shù)結(jié)合使用。用生物過程代替化學過程可以降低生產(chǎn)活動的污染水平，有利于實現(xiàn)工藝過程生態(tài)化或無廢生產(chǎn)，真正實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標。據(jù)美國環(huán)保局估算，美國現(xiàn)有的化學工業(yè)若有5%為生物過程取代，污染防治費用可降低約1億美元。生物處理技術(shù)除易于大規(guī)模處理外，還可利用天然水體或土壤作為污染物處理場所，從而大大節(jié)約生物處理的費用。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，并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)濟發(fā)展進入可持續(xù)發(fā)展的軌道。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。因此，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(Bioremediation)技術(shù)凈化環(huán)境，使受污染的寶貴資源如水資源(包括地面水和地下水)、土壤等得以重新利用，同時還可進一步強化環(huán)境的自凈能力。
環(huán)境生物技術(shù)不僅單純適用于環(huán)境污染治理，如今已相當廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，尤其是以生物傳感器為核心的環(huán)境生物監(jiān)測技術(shù)，可在線在位迅速地提供環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，成為環(huán)境質(zhì)量預(yù)報和報警中的重要組成部分。
三、環(huán)境生物技術(shù)的重要進展
環(huán)境污染是人類社會在21世紀必將面臨的四大難題之一，空氣、水體和土地資源的污染越來越嚴重，不但影響了國民經(jīng)濟的可持續(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)濟水平和科技總體水平離國際發(fā)展水平仍有相當差距，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，與國際上同步開發(fā)未來可能應(yīng)用的高新技術(shù)。以下重點介紹幾項經(jīng)多年開發(fā)，已接近產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境生物技術(shù)。
1.高硫煤微生物脫硫技術(shù)
煤炭是世界能源的重要組成部分，我國是世界上最大的產(chǎn)煤國和煤消耗國，煤炭占我國一次能源的3/4，高硫煤儲量約占總儲量的1/3，并且高硫煤開采比例也逐年上升，而黃鐵礦硫約占總硫的60%。煤中通常含有0.25％～7%的硫，如我國西南地區(qū)煤平均含硫量為3.23%，西北地區(qū)為3.05%，中南地區(qū)為2.02%，華北地區(qū)為1.65%。煤炭中的硫分為可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸鹽，可燃硫包括無機硫和有機硫?？扇剂蚪?jīng)燃燒生成SO2隨煙氣排入大氣，導致了嚴重的環(huán)境污染，造成的經(jīng)濟損失每年達數(shù)百億元。據(jù)報道，1997年，我國的SO2年排放量已達2346萬噸，居世界第一位，62%的城市大氣SO2日平均濃度超過國家三級標準；全國酸雨區(qū)面積已占國土面積的30%，華中酸雨區(qū)酸雨頻率高達90%以上。預(yù)計2000年我國一次能源的消耗量將超過12億噸。SO2年排放量將會達到3822萬噸。《中國21世紀議程》中指出：“發(fā)展少污染的潔凈煤技術(shù)是中國政府履行國際公約、承擔相應(yīng)國際義務(wù)的重要方面，也是促進中國以煤為主的能源系統(tǒng)向環(huán)境無害的可持續(xù)發(fā)展的模式轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略組成部分。”可見潔凈煤是中國能源的未來。
我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟還比較落后，如何采取可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，開發(fā)廉價的、操作簡便的煤脫硫技術(shù)，將具有深遠的經(jīng)濟和環(huán)境保護意義。在眾多的煤潔凈、脫硫技術(shù)中，煤的燃前脫硫技術(shù)，其脫硫成本僅相當于洗滌煙氣脫硫的1/10，同時燃前脫硫便于大規(guī)模、全面地控制燃煤的二氧化硫、粉塵排放，因而受到各國的高度重視。與現(xiàn)有的物理、化學法相比，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)生新的污染，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，因而受到許多國家政府和企業(yè)的極大關(guān)注，競相開發(fā)這一技術(shù)。
煤的微生物潔凈技術(shù)(主要是脫硫、脫塵)研究是在生物瀝濾銅、鈾等金屬的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。煤炭中的硫分主要包括有機硫和無機硫、無機黃鐵礦硫以及少量的硫酸鹽硫。其中，相比有機硫分、黃鐵礦硫(FeS2)較易去除，早期的研究主要利用Thiobacillusferrooxidans自養(yǎng)菌在幾天時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，該方法可去除約90%的無機硫，使某些煤的含硫量降至1%以下。雖然該方法脫硫效率較高，但缺點是處理的時間較長，并要求較大的反應(yīng)器容積和較細的煤炭粒徑。意大利、荷蘭、英國和德國等國參加的歐共體項目已在意大利的NorthSardinia煤礦建立了一個利用煤微生物脫硫凈化技術(shù)的示范工程，進行應(yīng)用微生物脫除煤中無機硫及有機硫的工業(yè)化實驗。實驗結(jié)果顯示，該方法要溶解黃鐵礦需花1～2周的時間，煤粒要求細小。同時國際研究機構(gòu)的實驗顯示，該方法的技術(shù)可行性雖已無障礙，但該方法能耗較高，所需場地較大，經(jīng)濟可行性較差。
為提高脫硫效率，近年來研究人員把煤的物理選煤技術(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，因此脫硫時間只需數(shù)分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時間，可脫除無機硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時，灰分也可同時沉底，所以也具有脫去灰分的優(yōu)點。
A.S.Atins等采用Thiobacillusferrooxidans菌在煤炭粒度0.15±0.075mm、煤漿濃度2%、細菌濃度3.26×1010個/g、pH2的條件下，對美國一種高硫煤(總硫＞10.4%，黃鐵礦硫＞5.9%)處理2分鐘后，用常規(guī)浮選分離，結(jié)果精煤總硫降至6～6.45%，黃鐵礦硫脫除率達75%以上，而若無細菌處理，精煤總硫仍高達10.2%，基本沒有脫除。Attia等對皮茲堡兩種含硫分別為3.8%(黃鐵礦硫1.9%)和1.59%的煤樣利用微生物進行了約10分鐘的處理，前一種煤樣黃鐵礦和灰分的脫除率達到80%和60%以上，另一煤樣也顯示了相似的結(jié)果。日本Ohmura等也開展了一系列類似的研究，取得了良好的脫硫效果。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。
我國在煤的微生物脫硫方面的研究起步較晚，80年代中期后，我國一些研究人員在利用微生物進行煤脫硫(包括有機硫)方面開展了一些基礎(chǔ)研究工作。從松藻煤礦分離到氧化亞鐵硫桿菌，在pH1.55～1.70的條件下，利用浸出法可使黃鐵礦硫的去除率達到86.11％～95.16%。
國家環(huán)境保護總局資助，中國環(huán)境科學研究院生物工程重點實驗室進行了浮選法微生物脫硫工藝的可行性研究。結(jié)果顯示該工藝是相當可行的。在中性條件下，經(jīng)約30分鐘的微生物處理，可脫除無機硫達60%，比純物理浮選提高約1倍。目前該技術(shù)正進行擴大規(guī)模試驗，預(yù)計將在未來1～2年內(nèi)完成，從而為該項目的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
2.造紙工業(yè)中的生物制漿和生物漂白技術(shù)
造紙工業(yè)是世界上六大污染工業(yè)之一。我國造紙行業(yè)年排放廢水量達40億噸，占全國工業(yè)廢水排放量的1/6，其中有機污染物(以BOD計)達170萬噸，約占全國工業(yè)廢水中有機污染物總量的1/4。在用植物材料進行化學制漿與化學漂白過程中，含有大量木質(zhì)素、半纖維素和有害物質(zhì)的廢液被傾倒入江河湖泊中，造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。多年來，人們不懈地努力，試圖開發(fā)出無污染和高效率的制漿造紙新工藝，以減少污染，保護環(huán)境。
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。與化學法相比，雖然機械法制漿可以大大提高紙漿得率，從而節(jié)省大量林木資源。但是，磨木漿的能量消耗很大，而且成品紙的強度等質(zhì)量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項技術(shù)的發(fā)展。生物技術(shù)可以幫助解決這些問題，其中最具吸引力和挑戰(zhàn)性的是生物制漿與生物漂白。因為造紙工業(yè)廢水主要由蒸煮黑液和漂白廢液組成，采用生物制漿與生物漂白可以有效減少這些廢液的產(chǎn)生。利用微生物與微生物酶類進行生物制漿與生物漂白具有很大的優(yōu)勢和潛力，因為微生物極易生長繁殖，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。1987年，在美國政府和Weaver工業(yè)公司等造紙企業(yè)的支持下，組建了生物制漿財團，由美國農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)研究所聯(lián)合威斯康星大學、明尼蘇達大學等研究機構(gòu)，開展了長期深入的研究工作。他們選出了一株能快速生長并選擇性從木材中除去木素的白腐菌(Ceriporiopsissubvermispora)。把它接種到用蒸汽簡單滅過菌的木片上，用強制通風的辦法來控制溫濕度，培養(yǎng)2周后，用于熱機法制漿，已完成了50噸規(guī)模的實驗。結(jié)果顯示，不僅可以節(jié)省能耗38%，提高設(shè)備生產(chǎn)能力，而且可以減少樹脂問題，明顯改善成紙的強度性能。目前他們正在努力加快新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，并力圖將新技術(shù)的應(yīng)用范圍擴大到亞硫酸鹽漿、硫酸鹽漿，乃至非木材漿中去。
木質(zhì)素是造紙工業(yè)中有效利用纖維素的最大障礙。在化學制漿過程中，大部分木質(zhì)素可從木材、草類或其他粗原料的纖維中除去，但還殘留大約3～12%，這部分殘留的木質(zhì)素會造成紙漿褐色，并降低紙張的強度。因此，需要對紙漿進行漂白。傳統(tǒng)的化學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，造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。
80年代初，西方工業(yè)國家工業(yè)污染控制戰(zhàn)略出現(xiàn)了重大變革，以污染預(yù)防取代了污染治理。芬蘭率先將生物預(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行預(yù)漂白，可以減少隨后的化學漂白用氯量30％～40%，廢液中有機氯化物與毒性物含量顯著減少。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。從第一代酸性酶，第二代中性酶，到第三代堿性酶。
目前，對第三代木聚糖酶的研究與應(yīng)用正進入高峰期，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)實驗室的研究熱點，期望不久的將來重組酶會更有效地應(yīng)用于漂白工藝中。目前，酶法助漂新工藝在歐洲和北美的30余家大型紙廠得到應(yīng)用，成為生物技術(shù)在造紙工業(yè)應(yīng)用最成功的一例。加拿大已有約10%的硫酸鹽法紙漿廠采用了該新工藝。丹麥諾和諾德公司和美國山道斯化學公司等多家酶制劑廠商，紛紛推出了專門用于紙漿處理的木聚糖酶和纖維素酶新產(chǎn)品。
由于木聚糖酶處理工藝是通過降解除去紙漿表面再沉積的半纖維素等方式，來幫助化學漂劑漂白的。木聚糖酶只能起到助漂的作用，不能真正替代化學漂劑。因此，生物預(yù)漂白并不能完全替代化學漂白，能減少污染卻不能最終消除污染，因此要從根本上消除有毒氯漂液的污染，需最終實現(xiàn)生物漂白，即完全采用生物手段除去紙漿中殘留的木質(zhì)素。近年來，利用各種木質(zhì)素酶進行生物漂白的研究正在迅速興起，人們期望利用木質(zhì)素酶對木質(zhì)素的直接作用來實現(xiàn)生物漂白。許多實驗室都在努力研究非木聚糖酶的漂白用酶，涉及的酶類包括木素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶和纖維二糖脫氫酶等。其中，一種叫做漆酶的木質(zhì)素酶成為近年來的研究熱點。
過去，一般都認為漆酶的氧化還原電位太低，不能攻擊構(gòu)成木素結(jié)構(gòu)90%以上的非酚木素結(jié)構(gòu)。但進入90年代后，有人發(fā)現(xiàn)，當有可起氧化還原中介物作用的簡單有機化合物存在時，漆酶不僅能氧化非酚結(jié)構(gòu)，而且能使硫酸鹽漿脫木素和脫甲氧基。目前研究較多的中介物有1-羥基苯并三唑(1-hydroxybensotriazol,1-H等。佐治亞大學的研究者則發(fā)現(xiàn)一株漆酶產(chǎn)生菌朱紅密孔菌(pycnoporusCinnaba-rinus)可以產(chǎn)生自己的氧化還原中介物3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilicacid,3-HAA)。漆酶加3-HAA系統(tǒng)不僅能氧化非酚模式化合物，而且能降解合成的木素。日本報道，利用漆酶進行生物漂白，可以去掉50％～60%的殘余木質(zhì)素，減少氯漂50％～60%，然而，離真正意義的生物漂白還有一段距離。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)非常復雜，并且在紙漿中木質(zhì)素與木聚糖形成復合體緊密地附著在纖維上，難以除去。僅依賴于一種酶的作用遠遠不夠，利用木聚糖酶與木質(zhì)素酶兩種酶的共同作用有望完全降解掉紙漿中殘留的木質(zhì)素，實現(xiàn)真正意義上的生物漂白。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，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。
3.石油污染土壤的生物修復
人類的生產(chǎn)活動，當代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的人造化學物質(zhì)排放入環(huán)境中，對資源和環(huán)境構(gòu)成越來越嚴重的破壞。化石燃料的開采和使用，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，比如在國外僅石油的開采、運輸、儲存以及事故性泄漏等原因造成每年約有1000萬噸石油烴進入環(huán)境(不包括石油加工行業(yè)的損失)，另外全世界各國每年大約使用1500萬噸的各種農(nóng)藥廣泛噴灑于面積巨大的農(nóng)田，引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴重污染，破壞生態(tài)平衡，不僅制約了經(jīng)濟的發(fā)展，而且影響到人類的健康和生存。我國如華北油田周圍的很多農(nóng)田由于原油污染而無法耕種，每年都要支付大量資金作為對農(nóng)民的賠償。黃河水系年平均含油最高可達4.82mg/L，遼河水系年平均含油最高可達7.68mg/L，明顯地超過了國家三級地面水的標準(＜0.1mg/L)。有的甚至污染到地下水資源，如山東淄博地區(qū)地下水最高含油達到了100mg/L以上，超過國家標準(＜0.1mg/L)1000倍以上。全國各地的儲油場所也已開始滲漏污染到地下水，嚴重威脅了地下水資源的水質(zhì)，石油污染是1998年發(fā)生在渤海的1萬平方公里赤潮的主要原因之一。有鑒于此，世界各發(fā)達國家紛紛制定了環(huán)境修復計劃，如荷蘭在80年代已投資15億美元進行土壤污染的修復，德國在1995年一年就投資60億美元凈化土壤污染，英國、法國、日本、俄羅斯等也相應(yīng)投巨資進行環(huán)境污染的修復。據(jù)《21世紀生物技術(shù)：新的方向》一書介紹，美國在90年代中，每年都投資幾百億美元進行污染環(huán)境的修復，該書分析：如果采用傳統(tǒng)的修復方法(物理和化學方法)來治理美國本土陸地上的環(huán)境污染，就需要投資1.7萬億美元，而如果采用生物修復技術(shù)，而只需3400～6000億美元的投資，也就是傳統(tǒng)方法所需投資的1/5～1/3。該書還分析：在今后若干年內(nèi)，美國市場對生物修復技術(shù)服務(wù)及其生物產(chǎn)品的需求將以每年15%或更高的速度增長，到2000年生物修復技術(shù)的純利潤將超過5億美元。
針對嚴重污染的環(huán)境，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。我們的國土面積比美國略大，且環(huán)境污染還更為嚴重，對全國范圍的污染環(huán)境進行修復，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，如采用生物修復技術(shù)，不僅其投資規(guī)模大為縮小(僅需傳統(tǒng)方法的1/5～1/3)，而且還沒有二次污染。綜上所述，環(huán)境污染的生物修復技術(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。可充分預(yù)見，在21世紀，生物修復技術(shù)將成為我國生態(tài)環(huán)境保護領(lǐng)域最具有價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，達到清除環(huán)境污染的目的。在該技術(shù)的萌芽階段，主要應(yīng)用于環(huán)境中石油烴污染的治理，并取得成功。實踐結(jié)果表明生，物修復技術(shù)是可行的、有效的和優(yōu)越的，此后該技術(shù)被不斷擴大應(yīng)用于環(huán)境中其他污染類型的治理。歐洲各國如德國、丹麥、荷蘭對生物修復技術(shù)非常重視，全歐洲從事該項技術(shù)的研究機構(gòu)和商業(yè)公司大約有近百個，他們的研究證明，利用微生物分解有毒有害物質(zhì)的生物修復技術(shù)是治理大面積污染區(qū)域的一種有價值的方法。美國國家環(huán)保局、國防部、能源部都積極推進生物修復技術(shù)的研究和應(yīng)用。美國的一些州也對生物修復技術(shù)持積極態(tài)度，如新澤西州、威斯康星州規(guī)定將該技術(shù)列為凈化受儲油罐泄漏污染土壤治理的方法之一。美國能源部制定了90年代土壤和地下水的生物修復計劃，并組織了一個由聯(lián)邦政府、學術(shù)和實業(yè)界人員組成的“生物修復行動委員會”(BioremediationActionCommittee)來負責生物修復技術(shù)的研究和具體應(yīng)用實施。生物修復是采用諸如提高通氣效率、補充營養(yǎng)(對石油污染而言，主要是補充N、P)，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，以促進對污染物的降解速度，從而達到治理污染環(huán)境的目的。生物修復技術(shù)最成功的例子是JonE.Llidstrom等人在1990年夏到1991年應(yīng)用投加營養(yǎng)和高效降解菌對阿拉斯加ExxonValdez王子海灣由于油輪泄漏造成的污染進行的處理，取得非常明顯的效果，使得近百公里海岸的環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。
四、展望
自本世紀70年代以來，發(fā)達國家就十分重視生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，并開展了大規(guī)模的科研活動。目前已開發(fā)了一系列的環(huán)境生物技術(shù)及其產(chǎn)品，并在世界上廣泛應(yīng)用于污水處理、大氣凈化及污染環(huán)境介質(zhì)治理等諸多方面。例如，美國Charabarty構(gòu)建的超級細菌可快速降解土壤和水體中的石油組分，該技術(shù)已獲得專利，并在海灣戰(zhàn)爭中得到了應(yīng)用。至今，英、法、德、荷等國已取得大量實用性的環(huán)境生物技術(shù)研究成果，部分已經(jīng)商品化。如英國ICI公司的生物可降解塑料等環(huán)境友善產(chǎn)品(EnvironmentallyFriendlyProducts)，在世界上具有廣泛影響。荷蘭在環(huán)境生物技術(shù)的研究及應(yīng)用中在歐洲居領(lǐng)先地位，自1982年以來，已利用環(huán)境生物技術(shù)治理并恢復了6000多處污染地，一批公司，如GistBrocedes公司已迅速發(fā)展起來。
環(huán)境生物技術(shù)的重要性已為眾多的國家普遍接受，在發(fā)達國家，已成為優(yōu)先發(fā)展及應(yīng)用的環(huán)境保護新技術(shù)。例如，1996年6月在美國召開的，96環(huán)境生物技術(shù)大會上，生物恢復、工業(yè)水處理、空氣處理和污染防治專題討論均有相關(guān)政府和工業(yè)部門代表參加。1994年4月由美國生物工業(yè)組織(BIO)和白宮國家科學技術(shù)委員會組織的可持續(xù)環(huán)境中的生物技術(shù)大會上提出了基因工程微生物、優(yōu)選微生物菌株和生物傳感技術(shù)中可利用菌株等三大最新發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。這些技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展不單純局限于工業(yè)末端處理和被污染系統(tǒng)的恢復，在污染防治或清潔生產(chǎn)方面具有同樣重要的意義。例如，利用新型酶法生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學生產(chǎn)、設(shè)計生物可降解原料、產(chǎn)品全生命周期分析等。1995年12月美國國家科學和技術(shù)委員會發(fā)表了由其基礎(chǔ)科學委員會生物技術(shù)分委員會(BiotechnologySubcommittee)完成的《21世紀的生物技術(shù)：新的方向》(Biotechnologyforthe21stCentury:NewHorizons)的藍皮報告，指出了生物技術(shù)在經(jīng)歷了第一次浪潮(醫(yī)藥和健康)后，迎來了第二次浪潮，這包括：1.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)；2.環(huán)境生物技術(shù)(主要是生物降解)；3.生物制造工藝/生物處理工藝，包括能源研究；4.海洋生物技術(shù)研究。其中的兩大方面(2和3)均直接和環(huán)境保護有關(guān)。
目前國際上許多環(huán)境生物技術(shù)成果已進入商品化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。生物技術(shù)是水污染控制中最成熟也是最富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，在國外的環(huán)保產(chǎn)業(yè)中一直是市場占有量最大的，并隨著經(jīng)濟的發(fā)展，新污染治理的需要新技術(shù)工藝設(shè)備不斷出現(xiàn)并產(chǎn)業(yè)化，美國在此領(lǐng)域內(nèi)的年市場額達數(shù)百億美元。數(shù)十項環(huán)境生物技術(shù)產(chǎn)品已獲得有關(guān)國家政府部門的許可，進行野外應(yīng)用實驗，去除土壤和水體中的重金屬和有毒有機化學物質(zhì)。以美國為例，成立了相當數(shù)量的環(huán)境生物技術(shù)專業(yè)公司，部分產(chǎn)品已占領(lǐng)了國際市場，如AlenMurrayCorp的Clear-Flo系列微生物菌劑和日本的EM菌等可用于污染處理、污染水體恢復及空氣凈化等。Envirogen公司最近宣布已利用基因工程技術(shù)開發(fā)出一系列超級微生物菌劑，可用于污染水體、土壤、基質(zhì)及空氣的恢復及凈化。
當前，環(huán)境生物技術(shù)在國際上已進入蓬勃發(fā)展的軌道。隨著全球范圍內(nèi)對環(huán)境保護的高度重視和越來越嚴厲的環(huán)境法，市場對環(huán)境生物技術(shù)的需求越來越廣泛。例如，美國的清潔空氣法(CleanAirAct)實施后將形成高達幾百億美元的燃煤脫硫市場，其中預(yù)計微生物脫硫?qū)⑦_250億美元，而越來越低的燃油硫分標準也促進了石油微生物脫硫技術(shù)的發(fā)展，美國的BiosystemCo.正開展的產(chǎn)業(yè)化試驗將大大推進該技術(shù)的發(fā)展。利用微生物制氫氣和乙醇等可再生性清潔燃料，為徹底解決困擾人類的大氣化石燃料污染，展示了光明的前景。多年來，由于全球范圍內(nèi)濫用化學品，特別是殺蟲劑造成了大規(guī)模的水體、土壤污染，對其治理和恢復也將成為一個巨大的市場，非常保守的估計，在未來10年內(nèi)全球市場達115億美元?？傊h(huán)境生物技術(shù)，尤其是環(huán)境污染控制生物技術(shù)將具有廣闊的市場前景。
隨著環(huán)境生物技術(shù)的進展和市場開拓，其應(yīng)用已從單個的環(huán)境目標治理，發(fā)展為廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護的各個方面。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，進行生物漂白，減少甚至徹底替代化學漂白，并最終在造紙工業(yè)中實現(xiàn)完全的生物制漿和生物漂白，徹底解決嚴重污染我國水環(huán)境的造紙黑液問題，使許多污染行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)真正進入無污染的清潔生產(chǎn)的軌道。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，將大力推進生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(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峻的環(huán)境保護問題，并為環(huán)保市場提供高品質(zhì)的環(huán)境保護高技術(shù)。應(yīng)該充分認識到環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)對我國環(huán)境保護和社會、經(jīng)濟發(fā)展的重大意義。
