全 文 ：现代生物技术在农业立体污染防治中的作用
章力建 张志芳
(中国农业科学院, 北京 100081)
摘 要: 由于农业污染呈现水体、土地、生物、大气的大循环体的立体污染的特点。本文综述了生物技术在
控制农业立体污染循环链的各个主要环节的应用进展, 论述了现代生物技术在农业立体污染防治中的核心地位和
作用。
关键词: 农业立体污染 生物技术 生态环境
Modern Biotechnological Applications on the Prevention and
Curing of Agricultural Tridimension Pollution
Zhang Lijian Zhang Zhifang
( ChineseAcademy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)
Abstract: Agricultural pollution has a tridimension character of the complicated cycling system composed of water, soil,
biosystem and atmosphere. In this article, we reviewed the recent progress of biotechnological applications on the preventing and
curing the Agricultural Tridimension Pollution[ ATriP] , and discussed the key role and function of modern biotechnology in the pre-
vention and curing of the agricultural Tridimensional pollution.
Key words: Agricultural tridimensional pollution Biotechnology Entironment
随着我国人口的增长,人民生活水平日益提高,
物质需求日渐增加,各种生产活动包括农业自身均
对环境造成了很大压力, 而农业作为环境污染的最
大末端承受者, 对环境污染所承受的后果最为严重;
同时, 反过来农业自身对环境所造成的影响亦最为
直接。在新世纪面临的水资源短缺和耕地持续减
少、地力下降等问题更为严重,已经成为我国部分地
区经济发展的/瓶颈0问题。由于农业的自身发展特
点及内在规律、农业的环境污染与人类的其他活动
所造成的环境影响越来越紧密地联系在一起, 并成
为具有/海陆空0交叉穿梭式往复循环、互为因果的
特征。据此,我国科学家提出了/农业立体污染0的
概念, 并将之定义为农业生产过程中不合理的农药
化肥施用、畜禽排泄物的排放、农田废弃物的处置以
及耕种措施等造成的面源污染和温室气体的排放所
构成的从水体 - 土壤 - 生物- 大气的立体污
染[ 1, 2] ,对我国农业生态安全、人体健康、农产品质
量及农业的可持续发展造成了严重的影响。
在水体- 土壤- 生物- 大气这一往复的农业立
体污染循环链中, 只有通过控制整个/立体污染0的
循环链, 打断农业污染的往复循环和互为因果的各
个环节,才能从根本上解决农业污染[ 3]。由于生物
在农业立体污染循环链中的特殊地位, 使生物技术
在治理环境污染中具有以下特点[ 4] :
1、低成本: 微生物的生物催化处理环境污染的
成本是相对最低的, 它的成本一般只是传统的焚烧
炉处理成本的 1/ 10左右; 2、自调节性:生物处理治
理环境污染具有相当的柔软性, 可适应各种不同形
式的环境污染,如科学家发现在不同地方、不同种类
的微生物均具有降解除草剂/阿特拉津0的功能, 从
而避免除草剂在环境中的积累; 3、绿色环保性: 生物
技术治理环境污染不易引起传统治污方式所产生的
收稿日期: 2005-01-12
作者简介:章力建, 1952年生,男,博士,研究员;主要从事农业生物技术及生态农业、农业资源与环境研究
Tel: 010-68975817; E-mail: zhanglj@ mail. caas. net. cn
生物技术通报
#技术与方法# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 1期
/二次污染0。正因为生物技术治理环境污染具有上
述优点,人们对环境生物技术的应用越来越重视[ 5] ,
本文就生物技术在农业立体污染各个链条防治中的
作用作一综述。
1 生物技术在水体污染防治中的作用
我国水资源短缺,被列为全球 18个极度缺水的
国家之一, 有 3. 81亿人口直接面临缺水问题[ 6] , 而
且水资源质量较差。七大水系的 400多个重点监测
断面中,有三分之一的断面水域属于 IV、V 类的水
质,近 30%的断面属于最差的V类水质。近年来,由
于乡镇工业的发达, 原本水量丰沛、素有/鱼米之乡0
之称的江南地区,水质性缺水现象不断发生, 已严重
地制约了当地的经济发展。
引起水质污染的主要原因为水体富含有机质和
氮、磷等营养元素所引起的/富营养化0、重金属污染
及有机化学物质污染。形成水体富营养化的主要原
因是畜禽排泄物的污染、不当化学肥料施用和人们
日常生物中广泛使用的含磷洗涤剂等。通过基因工
程方法生产的饲料酶制剂和其它营养促进剂不仅可
以提高畜禽的饲料利用率、增加肉蛋的产量, 还可以
大幅度减少污染物的排放。如单胃动物饲料中添加
适量的基因工程植酸酶, 不仅可以减少饲料中无机
磷使用量的 75%左右、粪便中的磷的排放量可减少
50% ,而且还可改善动物对二价金属离子微量元素
等的吸收和利用,提高动物的健康水平[ 7, 8]。直接通
过转植酸酶基因动物[ 9]和转植酸酶基因植物[ 10]减
少磷污染的实验亦取得初步成功。通过无磷洗涤剂
的使用和在洗涤剂中添加生物工程方法生产的蛋白
酶、脂肪酶、纤维素酶等制剂均可有效降低污染排放
总量。
重金属污染是水体污染防治中的另一个难点,
它的主要污染源为废弃的家用电器制品和电池及电
镀等加工业的废水和生物体循环中的生物富集作
用, 对工农业生产尤其是人们的健康带来了严重的
危害, 许多金属离子不仅具有致癌性, 还有生殖毒
性。消除环境中重金属污染物的传统物理和化学方
法存在着成本高、效率低、易造成二次污染等缺点。
而生物治理的方法可有效克服上述缺点, 但是直接
利用自然界天然存在的抗重金属生物(如细菌、真
菌、藻类和植物)进行治理存在着效率低和周期长等
缺点, 通过现代基因表面展示技术结合转基因方法
将重金属结合蛋白(肽)展示在微生物表面或转基因
植物中,获得对重金属离子具有高效结合能力的基
因工程菌或转基因植物已成为高效、低成本、环境较
为友善的治理方法[ 11]。目前微生物治理水体重金
属的污染重点在于筛选对环境耐受性较好且生物安
全性优的宿主。藻类以在环境中分布广、培养简单、
细胞较细菌和酵母为大、生物量较高等优点而著称。
转基因叶绿体的生物安全性在所有的转基因生物中
是最为安全的一类, 因此已引起人们的重视。目前,
北京大学生命科学院与中国农业科学院生物技术研
究所合作, 已经成功地获得了叶绿体转金属硫蛋白
基因的衣藻, 为进行水体重金属离子的生物防治提
供了新的可行途径。人们始终对转基因生物存在着
生物安全的担忧, 且鳌合了大量重金属后的生物体
仍需按一定的途径处理。而用基因工程表达的酶直
接处理重金属废水, 将金属离子进行无毒化处理是
对环境最为友善的方法, 如新发现的铬还原酶可将
六价易溶、高毒的铬( Cr( VI) )催化成难溶于水、低毒
的Cr( III) [ 12]。
由于氰化物污染会发生人畜的急性中毒和用水
困难。Pseudomanas 属细菌中克隆的氰化物水解酶
( Cyanidase)具有较为优良的酶学特性,能直接将氰化
物水解为无毒的甲酸盐和氨[ 13] , 中国农科院生物技
术所亦已成功的克隆了上述基因, 正在用细菌和真
核生物表达系统进行表达,以期应用于水体氰化物
污染的防治。
2 生物技术在土壤改良修复中的作用
土壤是人类的主要活动家园, 耕地尤其是优质
耕地的短缺一直是困扰农业发展的主要问题。我国
在耕地总量短缺的同时, 中低产田占耕地面积的 2/
3。由于人类活动,尤其是过量的化学肥料和药品的
施用、大量的畜禽排泄物未能有效处理等, 破坏了土
壤内在的理化结构, 导致耕地地力的持续下降。估
计由于不当的管理措施, 包括自然的和人为因子,全
球每年总的土壤表层损失为 1. 4%左右[ 14]。
合理使用生物措施、结合农化产品(合成化肥、
除草剂、农药等)的合理使用和畜禽排泄物的生物有
机肥料化是土壤改良和修复的关键。一个成功的例
子是在肯尼亚生产的生物肥料 BIOFIX(一种根瘤菌
252005年第 1期 章力建等:现代生物技术在农业立体污染防治中的作用
的接种物) ,每公顷豆地施用价值 1. 25美元的 100克
BIOFIX, 其效果相当于使用 90kg 的化学氮肥,而成本
仅为施用化肥量的十余分之一[ 15]。在水稻田施用
Mycorrhizal类真菌和 Alcaligenes faecalis 表明固氮率
可提高 15% ~ 20%, 而水稻产量可增加 5% ~
12% [ 16, 17] ,但主要农作物的转基因固氮研究工作短
期内很难取得大的突破, 所以对固氮微生物的研究
和利用需要加强。
我国生物农药的种类和生产量均满足不了现代
农业的要求。利用生物技术研制的微生物农药, 较
自然菌株毒力提高, 效力延长,使用范围广,无污染,
能有效的保护环境。应利用基因工程进行筛选分
离、克隆新的杀虫、抗病基因。这一方面可以将具有
不同杀虫机理、不同杀虫谱的基因联合使用以解决
害虫生产抗药性问题。另一方面也可以将上述基因
组合在同一个表达载体中,构建杀虫谱更宽, 毒力更
强,持效期更长,虫、病兼治的优良的遗传工程菌,从
而研制开发出新一代生物农药新品种。此外, 应重
视优良天敌的筛选和繁育。利用遗传工程技术分离
克隆新的微生物杀虫、抗病基因;寻找、分离、筛选具
有杀虫、抗病效果的新型微生物, 研制对靶标生物超
高效,对非靶标生物无影响, 在环境中易被降解且不
污染环境, 防治效果稳定, 防治成本低的微生物农
药[ 5]。
土壤中有效磷的短缺是全球性的制约农业生产
发展的主要问题。虽然在土壤中其总磷量并不缺
少,但植物可利用的磷量不够,往往导致大量的施用
无机磷肥, 导致土壤板结和其它的无机微量元素的
生物性短缺和水体的富营养化, 引起了严重的农业
环境问题。因此种植转植酸酶基因的植物, 可有效
地避免上述问题,种植转植酸酶基因植物后, 可通过
根系分泌植酸酶进入土壤中, 植酸酶可有效地分解
土壤中主要的有机磷沉积物- 植酸及其被鳌合的金
属离子,提高植物对土壤的磷和矿物元素的利用效
率, 以改良土质[ 18]。另外, 转植酸酶基因植物所生
产的种子, 亦是动物饲料中非常好的饲料植酸酶来
源,可有效地促进单胃动物的磷吸收和利用, 提高动
物生产效率[ 19]。中国农科院生物技术研究所,在转
植酸酶基因植物研究上已经进行了大量的研究, 被
国际同行誉为新一代的基因工程植酸酶。
由于化学合成农药的不当施用, 造成人畜急性
中毒,更为严重的是农药大量在土壤中残留, 往往通
过生物吸收作用在农产品中含有过量残留农药, 严
重影响了生态环境安全和人民的身体健康,并成为
农产品出口的最大技术壁垒。开发快速、有效、安
全、广谱的生物制剂以降解农产品中残留农药和对
农药严重污染的土壤进行治理的要求已越来越迫
切。源自于假单孢属细菌的, 对有机磷农药具有广
谱高效特性的有机磷毒剂降解酶 opd 已经克隆, 并
用昆虫生物反应器 ) ) ) 蚕进行了高效的表达, 每头
蚕的表达量高达十万国际单位酶量, 足以处理 100
千克果蔬的高毒有机磷农药残留。并用加工剩余的
酶副产品进行有机磷农药严重污染土地的治理, 取
得了一定的成效[ 20]。
用转基因植物治理土壤的重金属污染亦有许多
成功的例子, 其中能将高毒的 Hg+ + 转化为低毒的
Hg0的结合蛋白 merA 基因转移到黄杨树中, 发现转
基因黄杨树内的高毒二价汞离子只有对照的 10%左
右[ 21]。另一个成功的例子是将多种编码重金属结
合蛋白的基因转入同一种水稻的基因组, 转多基因
水稻具有了同时修复多种重金属污染的能力, 提高
了污染治理的效率[ 22]。
3 生物技术在大气污染防治中的作用
大气污染物一般可分为三类: 即物理性(粉尘、
颗粒等)、化学性污染物、病原生物漂浮物。植物和
微生物是保持全球大气循环中 C、N等元素平衡的关
键。最近,生物在大气污染防治中的作用越来越得
到重视,并提出了超同化植物的概念。即通过植物
转基因技术和天然植物的筛选, 获得具有将大气污
染物如氮氧化合物、硫氧化合物作为营养物质高效
吸收与同化, 促进自身生长能力的植物。如转亚硝
酸还原酶(Nitrite reductase)基因的植物对大气中二氧
化氮的吸收能力有了大幅度提高[ 23]。
生物技术在大气污染防治中的一个巨大贡献是
生物过滤器系统的开发和应用[ 24]。大气中硫是形
成酸雨的主要原因。因为我国主要的能源为煤炭,
因此酸雨对种植业、林业的危害更为严重。而生物
脱硫是大气污染防治中的一个巨大进步, 可通过嗜
硫杆菌处理煤燃烧产生的含硫气体将之还原为固态
硫[ 25]。另一个严重危害气候与环境的有害气体
26 生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2005年第 1期
) ) ) 甲烷的防治,生物技术亦可发挥重要的作用,嗜
甲烷细菌可吸收大气中的甲烷尤其是垃圾掩埋场中
散发的甲烷气体,从而减低温室效应的危害[ 26]。
4 可再生生物能源和生物材料在农业立体
污染防治中的作用
用水吸收太阳能,产生H2和 O2,然而H2和 O2发
生化学反应释放出能量供人们利用, 又还原为水。
这是一种最为理想的取之不竭的生物能源。60余年
前科学家就发现一类单细胞生物 ) ) ) 绿藻就具有这
种功能。在一些工程化的装置中、绿藻的光合作用
产物的 24%是氢[ 27]。理论上绿藻生产H2的最大产
量可达到每天每平方米培养面积产 20g H2[ 28]。这完
全可以成功解决当前因燃烧石化能源所产生的问
题。然而,依目前的研究水平,其H2的产量不到理论
水平的 10%甚至更低。目前的研究主要集中在生产
H2的关键酶 Fe氢化酶的酶学性质改进及产氢的基
础代谢途径研究[ 29]。
另一种目前已经实现商品化生产生物燃料的方
法是燃料乙醇的生产, 它可有效减少大气的污染。
目前美国国家再生能源实验室将生物燃料的重点放
在直接用秸秆生产乙醇上,其成本要控制在每加仑
0. 60美元左右,在这个生产成本构成中,高温纤维素
酶的成本要控制在每加仑 0. 10~ 0. 15美元之间[ 30]。
目前年产 30万吨燃料乙醇的工厂已在我国吉林市
投入商业运行。而低成本生产高温酶成为生物燃料
价格控制的关键。中国农业科学院生物技术研究所
已经从耐高温海洋菌中克隆了耐高温淀粉酶等相关
基因, 并用真核个体生物表达系统低成本生产了相
关高温酶, 其酶学性质完全可以满足生物发酵生产
乙醇燃料的要求。目前正在将相关基因如高温淀粉
酶、高温纤维素酶基因转入植物中, 利用上述酶在正
常生理温度下, 不具有相应的酶活力,而对植物的正
常生长发育过程不发生影响, 而在生产乙醇燃料的
高温前处理过程中( 100~ 125 e ) , 发挥其转基因表
达产物的最佳酶活, 而降低生物燃料的生产成本。
因此上述研究有望变废为宝, 将秸秆等农业主要废
弃物转化为生物燃料。
图 1 农业立体污染的主要污染源及其可行的生物技术治理措施
目前用微生物和转基因植物生产生物材料已经 达到了工业化生产规模, 然而其生产成本仍有待于
272005年第 1期 章力建等:现代生物技术在农业立体污染防治中的作用
降低以提高商业竞争力。目前用可再生的蔗糖作为
原料生产生物塑料,其成本仅为国际市场销售价的
1/ 4
[ 31]
,具有很高的商业竞争力和发展前途。
5 生物技术在农业立体污染防治中的核心
作用
在农业立体污染的土壤- 水体- 大气- 生物循
环图中(图 1) , 我们认为生物尤其是植物和土壤微
生物在这个立体污染的循环链条中处于核心地位。
在农业立体污染防治中, 将现代生物技术结合我国
传统农业技术重视将农业废弃物和畜禽排泄物变成
农家肥还田的耕作措施, 截断农业污染中的主要污
染链条,以实现农业立体综合治污的目的。
环境微生物学基因组的研究已经成为当代生命
科学研究的最前沿。/ Science0杂志在 2002年第 296
卷、第 5570期和 2004年第304卷、第5677期分别以
/环境微生物学0和/土壤:最后的前沿0为题, 进行了
有关/土壤、空气、水体及极端环境中的微生物0及
/土壤- 植物- 微生物三者间的互作0进行了专门论
述。在土壤中只有不到 1%的微生物在现有条件下
可被人们培养和研究。新兴的高通量分子生物学技
术的兴起, 为研究环境微生物中原来不为人们所认
知的并且不可人工培养的微生物提供了手段, 并且
产生了新的学科 ) ) ) 环境基因组学(Metagenomics)。
我国幅员辽阔, 地形复杂, 具有各种的生境条件, 为
环境基因组学的研究提供了丰富的研究素材, 其中
许多的基因资源有待于发掘, 可为生物技术在农业
立体污染的防治提供许多有用的基因和元件。
通过农业立体污染防治和各种资源的有效配置
及利用,提高单位面积的生产效率,以较少的耕地生
产较多的食物, 尽量避免对生态环境的破坏。将各
种病原微生物隔绝在较为封闭的原生环境中, 以减
少疾病流行和新的疾病出现的可能性。
而且我们应该重视各种遗传资源的收集、保护
和利用。尤应注意生物遗传资源的 ex situ 保存, 以
备将来育种之用。同时我们在现行品种改良上应注
意育种目标的多样性,培养适于各种环境的品种, 为
农业的可持续发展提供必要的优良农作物品种。
参 考 文 献
1 章力建,董红敏,蔡典雄,李玉娥. 农业立体污染及其防治. 中国
农业科学院院报, 2004年 11月 10日.
2 章力建, 董红敏, 蔡典雄, 李玉娥. 农业立体污染不容忽视. 农
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3 章力建,蔡典雄. 治理农业污染抓/ 链条0 . 科技日报, 2004年 11
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