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三、环境生物技术的重要进展
环境污染是人类社会在21世纪必将面临的四大难题之一，空气、水体和土地资源的污染越来越严重，不但影响了国民经济的可持续发展，甚至已威胁到人类的健康、智力乃至生存，因此全球各国近几年都在寻找新的途径和方法，以治理和解决环境污染问题。
我国是一个发展中国家，经济水平和科技总体水平离国际发展水平仍有相当差距，这就要求我国在科技发展特别是环保高科技发展上，需跟踪国际前沿，与国际上同步开发未来可能应 用的高新技术。以下重点介绍几项经多年开发，已接近产业化的环境生物技术。
1.高硫煤微生物脱硫技术
煤炭是世界能源的重要组成部分，我国是世界上最大的产煤国和煤消耗国，煤炭占我国一次能源的3/4，高硫煤储量约占总储量的1/3，并且高硫煤开采比例也逐年上升，而黄铁矿硫约 占总硫的60%。煤中通常含有0.25％～7%的硫，如我国西南地区煤平均含硫量为3.23%，西北地区为3.05%，中南地区为2.02%，华北地区为1.65%。煤炭中的硫分为可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸盐，可燃硫包括无机硫和有机硫。可燃硫经燃烧生成SO2随烟气排入大气，导致了严重的环境污染，造成的经济损失每年达数百亿元。据报道，1997年，我国的SO2年排放量已达2 346万吨，居世界第一位，62%的城市大气SO2日平均浓度超过国家三级标准；全国酸雨区面积已占国土面积的30%，华中酸雨区酸雨频率高达90%以上。预计2000年我国一次能源的消 耗量将超过12亿吨。SO2年排放量将会达到3822万吨。《中国21世纪议程》中指出：“发展少污染的洁净煤技术是中国政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要方面，也是促进 中国以煤为主的能源系统向环境无害的可持续发展的模式转变的战略组成部分。”可见洁净煤是中国能源的未来。
我国是一个发展中国家，经济还比较落后，如何采取可持续发展的战略，开发廉价的、操作简便的煤脱硫技术，将具有深远的经济和环境保护意义。在众多的煤洁净、脱硫技术中，煤的燃前脱硫技术，其脱硫成本仅相当于洗涤烟气脱硫的1/10，同时燃前脱硫便于大规模、全面 地控制燃煤的二氧化硫、粉尘排放，因而受到各国的高度重视。与现有的物理、化学法相比，微生物洁净技术具有投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新的污染，并可和现有的物 理洗煤过程相结合，脱除其中的灰分，而煤基本无损失，且可提高煤的燃值，因而受到许多 国家政府和企业的极大关注，竞相开发这一技术。
煤的微生物洁净技术(主要是脱硫、脱尘)研究是在生物沥滤铜、铀等金属的基础上发展起来的。煤炭中的硫分主要包括有机硫和无机硫、无机黄铁矿硫以及少量的硫酸盐硫。其中，相比 有机硫分、黄铁矿硫(FeS2)较易去除，早期的研究主要利用Thiobacillus ferrooxidans自 养菌在几天时间里将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水中而排出，该方法可去除 约90%的无机硫，使某些煤的含硫量降至1%以下。虽然该方法脱硫效率较高，但缺点是处理的时间较长，并要求较大的反应器容积和较细的煤炭粒径。意大利、荷兰、英国和德国等国 参加的欧共体项目已在意大利的North Sardinia煤矿建立了一个利用煤微生物脱硫净化技术的示范工程，进行应用微生物脱除煤中无机硫及有机硫的工业化实验。实验结果显示，该方法 要溶解黄铁矿需花1～2周的时间，煤粒要求细小。同时国际研究机构的实验显示，该方法的技术可行性虽已无障碍，但该方法能耗较高，所需场地较大，经济可行性较差。
为提高脱硫效率，近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合， 即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表 面变成 亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。另外，该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，所以也具有脱去灰分的优点。
A.S.Atins 等采用Thiobacillus ferrooxidans 菌在煤炭粒度0.15±0.075mm、煤浆浓度2 %、细菌浓度3.26×1010个/g、pH2的条件下，对美国一种高硫煤(总硫＞10.4%，黄 铁 矿硫＞5.9%)处理2分钟后，用常规浮选分离，结果精煤总硫降至6～6.45%，黄铁矿硫脱除率 达75%以上，而若无细菌处理，精煤总硫仍高达10.2%，基本没有脱除。Attia等对皮兹堡两 种含硫分别为3.8%(黄铁矿硫1.9%)和1.59%的煤样利用微生物进行了约10分钟的处理 ，前一种煤样黄铁矿和灰分的脱除率达到80%和60%以上，另一煤样也显示了相似的结果。日本Ohmu ra等也开展了一系列类似的研究，取得了良好的脱硫效果。目前，浮选法微生物脱硫已成为国际上洁净煤技术开发的热点。
我国在煤的微生物脱硫方面的研究起步较晚，80年代中期后，我国一些研究人员在利用微 生物进行煤脱硫(包括有机硫)方面开展了一些基础研究工作。从松藻煤矿分离到氧化亚铁硫 杆菌，在pH1.55～1.70的条件下，利用浸出法可使黄铁矿硫的去除率达到86.11％～95.16%。
国家环境保护总局资助，中国环境科学研究院生物工程重点实验室进行了浮选法微生物脱硫 工 艺的可行性研究。结果显示该工艺是相当可行的。在中性条件下，经约30分钟的微生物处理 ， 可脱除无机硫达60%，比纯物理浮选提高约1倍。目前该技术正进行扩大规模试验，预计将 在未来1～2年内完成，从而为该项目的产业化奠定基础。
2.造纸工业中的生物制浆和生物漂白技术
造纸工业是世界上六大污染工业之一。我国造纸行业年排放废水量达40亿吨，占全国工业废 水排放量的1/6，其中有机污染物(以BOD计)达170万吨，约占全国工业废水中有机污染物总 量的1/4。在用植物材料进行化学制浆与化学漂白过程中，含有大量木质素、半纤维素和有 害 物质的废液被倾倒入江河湖泊中，造成严重的环境污染和生态破坏。多年来，人们不懈地努 力，试图开发出无污染和高效率的制浆造纸新工艺，以减少污染，保护环境。
造纸工业中的制浆和漂白工序是污染物产生的主要工序。与化学法相比，虽然机械法制浆可 以大大提高纸浆得率，从而节省大量林木资源。但是，磨木浆的能量消耗很大，而且成品纸 的强度等质量性能不如硫酸盐浆，因而限制了这项技术的发展。生物技术可以帮助解决这些 问题，其中最具吸引力和挑战性的是生物制浆与生物漂白。因为造纸工业废水主要由蒸煮黑 液和漂白废液组成，采用生物制浆与生物漂白可以有效减少这些废液的产生。利用微生物与 微生物酶类进行生物制浆与生物漂白具有很大的优势和潜力，因为微生物极易生长繁殖，酶 催化反应具有高度专一性，反应条件温和，并且高效无污染。1987年，在美国政府和Weaver 工业公司等造纸企业的支持下，组建了生物制浆财团，由美国农业部林产研究所联合威斯康 星大学、明尼苏达大学等研究机构，开展了长期深入的研究工作。他们选出了一株能快速生 长 并选择性从木材中除去木素的白腐菌(Ceriporiopsis subvermispora)。把它接种到用蒸汽 简单灭过菌的木片上，用强制通风的办法来控制温湿度，培养2周后，用于热机法制浆，已完成了50吨规模的实验。结果显示，不仅可以节省能耗38%，提高设备生产能力，而且可以 减少树脂问题，明显改善成纸的强度性能。目前他们正在努力加快新技术的产业化，并力图 将新技术的应用范围扩大到亚硫酸盐浆、硫酸盐浆，乃至非木材浆中去。
木质素是造纸工业中有效利用纤维素的最大障碍。在化学制浆过程中，大部分木质素可从木材、草类或其他粗原料的纤维中除去，但还残留大约3～12%，这部分残留的木质素会造成纸 浆褐色，并降低纸张的强度。因此，需要对纸浆进行漂白。传统的化学漂白法是采用多段的 氯/二氧化氯漂白及碱提取来去掉木质素，在废水中会有大量含氯的、致癌致畸的物质，如 呋喃、二恶英等，造成严重的环境污染和生态破坏。
80年代初，西方工业国家工业污染控制战略出现了重大变革，以污染预防取代了污染治理。芬兰率先将生物预漂白技术引入制浆造纸工业中。用木聚糖酶对纸浆进行预漂白，可以减少随后 的化学漂白用氯量30％～40%，废液中有机氯化物与毒性物含量显著减少。至今，用于生物预漂白的木聚糖酶已经经历了三代的发展。从第一代酸性酶，第二代中性酶，到第三代碱性酶。 目前，对第三代木聚糖酶的研究与应用正进入高峰期，采用基因工程与蛋白质工程手段获得 性质 优良的耐热耐碱木聚糖酶已成为各相关实验室的研究热点，期望不久的将来重组酶会更有效 地应用于漂白工艺中。目前，酶法助漂新工艺在欧洲和北美的30余家大型纸厂得到应用，成 为生物技术在造纸工业应用最成功的一例。加拿大已有约10%的硫酸盐法纸浆厂采用了该新工艺。丹麦诺和诺德公司和美国山道斯化学公司等多家酶制剂厂商，纷纷推出了专门用于纸浆处理的木聚糖酶和纤维素酶新产品。
由于木聚糖酶处理工艺是通过降解除去纸浆表面再沉积的半纤维素等方式，来帮助化学漂剂漂白的。木聚糖酶只能起到助漂的作用，不能真正替代化学漂剂。因此，生物预漂白并不能完全替代化学漂白，能减少污染却不能最终消除污染，因此要从根本上消除有毒氯漂液的 污染，需最终实现生物漂白，即完全采用生物手段除去纸浆中残留的木质素 。近年来，利用各种木质素酶进行生物漂白的研究正在迅速兴起，人们期望利用木质素酶对 木质素的直接作用来实现生物漂白。许多实验室都在努力研究非木聚糖酶的漂白用酶，涉及 的酶类包括木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和纤维二糖脱氢酶等。其中，一种叫做漆 酶的木质素酶成为近年来的研究热点。
过去，一般都认为漆酶的氧化还原电位太低，不能攻击构成木素结构90%以上的非酚木素结构。但进入90年代后，有人发现，当有可起氧化还原中介物作用的简单有机化合物存在时，漆酶不仅能氧化非酚结构，而且能使硫酸盐浆脱木素和脱甲氧基。目前研究较多的中介物有1-羟基苯并三唑(1-hydroxybensotriazol,1-H等。佐治亚大学的研究者则发现一株漆 酶产生菌朱红密孔菌(pycnoporus Cinnaba-rinus)可以产生自己的氧化还原中介物3-羟基 邻氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilic acid,3-HAA)。漆酶加3-HAA系统不仅能氧化非酚模式化合物，而且能降解合成的木素。日本报道，利用漆酶进行生物漂白，可以去掉50％～60%的残余 木质素，减少氯漂50％～60%，然而，离真正意义的生物漂白还有一段距离。木质素的结构非常复杂，并且在纸浆中木质素与木聚糖形成复合体紧密地附着在纤维上，难以除去。仅依赖于 一种酶的作用远远不够，利用木聚糖酶与木质素酶两种酶的共同作用有望完全降解掉纸浆中 残留的木质素，实现真正意义上的生物漂白。未来生物制浆和生物漂白的技术突破将使造纸工业摆脱污染，实现清洁生产。
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