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生物技术是指利用生物及其代谢产物,运用科学与工程的原理,对材料进行处理,以提供产品和服务。生物技术包括那些利用活生物体来改进产品,改良植物或动物,或为特殊用途培养微生物的技术。生物技术作为21世纪前沿科学的一项高新技术,对于解决人类所面临的食品短缺、健康问题、环境破坏、能源紧张以及知识经济的挑战是至关重要的,世界上有远见的国家都把生物技术确定为增强国力和经济实力的关键性技术之一。生物技术的应用与发展越来越深刻地影响着世界经济,并推动着社会发展的进程。石油作为优质能源和宝贵的化工原料,其本身就是一种特殊的生物产品。随着生物技术的突飞猛进和地球上石油资源的逐渐短缺,生物技术和石油的关系也越来越密切。

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2018年度国家自然科学基金委员会与欧盟委员会环境生物技术合作研究项目初审结果通知

1应用生物技术勘探石油很早以前,人们就发现在油气矿藏的附近,一些生物会产生某种特异变化。于是,利用这种生物形态的特性来寻找油气资源,并且很快发展成为一门完善的专业技术。20世纪40-60年代,随着生物技术的发展,微生物培养及菌数测定方法得到极大提高,利用微生物勘探石油的技术得到迅速发展。根据直接探测油气的有关理论,地下烃类的向上渗透使地表和地球化学环境发生了变化,无论是根植于地下的较高等植物,还是散布其间的低等生物都会由此发生变异。用现代手段分析检测这种变异,再经过适当的数据处理,就可能达到预测油气藏的目的。美国一些油田曾对地表生长的草本植物———灌丛滨藜进行系统的微量元素测量,结果发现在产油区边界上长大的这种植物,由于微渗透烃类在土壤上部的氧化,使植物对过渡元素(铁、锰、钒)的吸收加强,而对碱土元素(钙、锶、钡)的吸收减弱。在油气田地表底土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物,这些菌在土壤中的含量与土中的烃浓度存在着对应关系,因而可作为勘探地下油气藏的指示菌。

环境保护与污染治理是21世纪人类最为关注的焦点问题之一。生物技术则是当前科技发展的优秀产物,生物技术在环境污染与保护中的应用,是生物技术研究的重点问题之一。

根据国家自然科学基金委员会与欧盟委员会签署的合作文件以及双方共同组织的研讨会所确定的合作内容,
2018年,双方共同资助中欧科学家在“环境生物修复新技术”领域(New
biotechnologies for environmental
remediation)开展的实质性合作研究项目。经过公开征集,我委共收到12项整体项目申请,经初步审查并与欧方核对清单,确定8项申请通过初审,现将通过初审的项目申请公布如下:

测量微生物群落的耐毒性,也是一种颇为新颖的生物找油尝试。由于向地表渗透的烃类常常吸附金属离子,因此近地表成了微生物群落所必须适应的环境,通过微生物质粒的遗传突变,形成了能耐受环境中毒素的种群,耐毒性大小与环境的毒素浓度成正比,其大小具有检测和统计的意义。这种方法既能探测石油矿藏,也能探测天然气矿藏。现代石油工业根据石油的生物标志特征可以研判石油的生成相和油源[1]。我国石油工作者就是根据生物标志特征,判断出柴达木盆地西部剖面油砂和沥青的前身原油是成熟原油,与柴达木盆地东部北缘冷湖地区等侏罗系原油较相似,与西部第三系盐湖相原油明显不同,与西部侏罗系剖面烃源岩具有较相似的特征,它们具有水体相对较深的湖相有机质形态,其源岩应该是侏罗系的[2]。随着生物技术的拓宽和深化,研究生物形态变异与石油相关规律,将会取得进一步成果,有可能在目前尚未开发的区域,比如深山密林、深海谷底、冰川、南北极、深层构造等环境地域,探测到更多的油气矿藏,大大提高石油的储采比,增加石油储备。

生物技术、航天、信息、激光、自动化、新能源、新材料等高新技术是21世纪科学研究的重点。生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理,利用生物体(包括微生物,动物细胞和植物细胞)
或其组成部分(细胞器和酶)以及工程技术原理,来生产有用物质和发展新产品或新工艺的一种综合性科学技术体系。随着科学技术的不断发展与进步,生物技术渐渐开始应用与各个领域。环境问题是21世纪人类关注的焦点问题之一。生物技术在环境污染与保护中的应用,是生物技术研究的重点问题之一。利用生物体及其机能,消除或降低污染物产生,净化环境污染同时产生有用物质的生产工艺,即为环境生物工程。它是现代生物技术与环境工程技术结合形成的交叉学科,研究内容包括监控、治理、修复生态环境、开发生物材料、能源及资源化污染物等。

序号

2生物技术应用于开采石油微生物采油技术起源于美国[3],Davidson和Russell在俄克拉荷马州Stephens县的RoyalLoco单元最早进行了矿场试验,取得了满意成果。由于其经济性和环保性,微生物采油技术成为目前国内外发展较迅速的一项提高原油采收率的技术,也是21世纪的一项高新生物技术。与其他三次采油技术相比,微生物采油技术具有适用范围广,工艺简单,投资少,见效快,无污染等特点,因而越来越受到人们的重视。

一、生物技术在环境保护中的应用

科学部编号

近年来各油田都相继开展了微生物采油技术的研究,取得了很大的进展。常规开采石油的一次采油,仅能开采出地下石油储量的30%左右,二次采油需加压、注水、注气等,能获得储量的10%~20%,油藏中的剩余石油由于吸附在岩石空隙间,难以开采。生物采油技术将经过专门培养的具有特殊功能的细菌,注入油井油层内使其发挥作用。特殊微生物的作用机理有:①某些特殊微生物对石油中长链石蜡和网状胶质沥青的乳化分解作用,使石油中的石蜡、胶质、沥青部分转变为轻质油,增加石油的流动性,从而获得更多的石油。②某些微生物在其生长过程中分泌和排出体外的代谢产物具有表面活性剂的性能,通过其代谢产物如高聚物、糖酯等物质,降低油层表面张力,使岩石中的束缚油粘度降低,流动性增加,从岩石、砂土中析出,从而提高采油量。③某些用分子生物学技术来构建的微生物,能在地层中产生大量二氧化碳和甲烷等气体,增加地层压力,提高采收率。④某些生物还具有消除地层堵塞的作用。

1.生物技术在废水处理中的应用

项目名称

微生物采油技术目前主要集中于对稀油中蜡质的降解作用,辽河油田锦州采油厂于1995年在412区块上开展了用于稠油开采的针对胶质、沥青质的微生物采油技术研究工作,1996年进入矿场试验阶段,现已取得成功,把微生物采油技术扩展到了稠油开采领域[4~5],国外的研究也表明,利用生物技术可以提高重油采收率,并且更符合环保要求[3]。20世纪中期,随着介于地质学和微生物学之间的边缘科学———地质微生物学的逐渐兴起,微生物在有机矿(石油、煤等)的形成和破坏过程中的作用得到了研究,为利用微生物提高原油采收率的技术提供了更多的理论指导。随着研究的深入,石油采收率必将大大提高,目前进入开发后期的各个油田,可以重新焕发活力,继续产出大量的石油,极大地缓解目前能源紧张的局面。

污水处理的重要方法是利用微生物的生命活动转移或转化污水中的污染物,以达到净化污水的作用。污水的生物处理技术融合生物自身的特点,经济有效且符合可持续发展的观点。生物处理技术在世界各个国家广泛应用,并取得了良好的效果。随着人民生活水平的提高,人们对于环境的要求会越高,但经济的不断增长及人口的持续增加,会逐渐加剧环境污染程度,因此世界各国对废水处理技术的研究也在不断深入。

依托单位

3生物技术应用于石油炼制和化工石油中含有的硫、氮等元素在石油加工利用过程中会污染环境、产生酸雨,必须脱除。目前国内外开发了多种从石油产品中脱除硫、氮的工艺,运用生物技术对油品进行脱硫脱氮的研究也时有报道。传统脱硫方法是加氢脱硫(HDS)。HDS是在金属催化剂的作用下,对石油进行高温高压的脱硫处理,将含硫有机化合物中的硫转变为H2S,再从系统中分离出去。但H2S的存在会毒害脱硫系统的催化剂,这使得高含硫石油的HDS变得复杂化。而生物手段脱除石油中硫的方法为人们提供了经济可行的路线。生物技术脱硫是在温和的条件下,利用适宜的细菌代谢过程使石油脱硫,在生化反应过程中,脱硫剂可以再生或自身补充。能源生物系统公司(EBC)开发了一种细菌选择脱除柴油中硫的新工艺[6]。

活性污泥法是目前采用最广泛的废水生物处理工艺。在人工条件下将空气鼓入溶解大量有机物的污水中,促进污水中微生物的生长繁殖,进而形成活性污泥,活性污泥中的好氧生物以水中溶解的有机物为食物,分解去除污水中的有机污染物,然后采用一定的技术将污泥与水分离,以达到净化污水的作用。但随着污水排放量的增加,这种较为传统的生物技术渐渐难以满足日益增长的废水处理需求,因此新型的废水生物处理工艺亟待出现。近年来,越来越多的废水处理技术开始出现,如吸附一降解生物处理技术、氧化沟生物处理技术、废水生物脱氮除磷技术、人工湿地处理系统等。

申请人

该工艺的生物催化剂经过基因工程设计,具有很高的酶活性,能选择性氧化柴油中的硫。EBC公司经过努力,改善了工艺,降低了成本,产生了可观的潜在效益,并在建造应用装置。采用生物技术对石油产品脱氮,微生物菌种的选择和培养是关键[7]。由于石油成分复杂,含有多种对微生物有毒害作用的物质,如醛、酚、卤代烃、烯烃、多环芳烃、重金属离子等。因此,如何有效地降低石油中毒物对微生物的影响和培养抗毒能力强的微生物,成为石油生物脱氮技术开发应用的关键。20世纪50年代微生物技术开始在石油化学工业中得到应用,如生产丙酮、乙醇、乙酸、草酸等的发酵工艺。60年代石油微生物学兴起,以石油为原料生产单细胞蛋白的工业化成为可能。

2. 生物技术在废气净化处理中的应用

1

70年代生物分子学的突破,出现了生物催化剂固定化技术。80年代DNA重组技术和细胞融合技术的崛起,生化反应工程应运而生,为人们在石油化工领域开发精细化学品提供了重要手段和工具。随着生物技术(基因重组、细胞融合、固定化酶)的发展,一种新型的化学
生物化学
生化工程的联合生产过程正在石油化学工业中形成。生物技术为石油化工传统工艺的改造、革新提供了手段,注入了新活力,化学工程又为生物工程的发展特别是其工业化提供了工具。因此,充分利用化学合成和生物合成的各自优点,并将它们有机地结合起来,那么生物石油化工的发展必将给人们带来巨大的经济效益和社会效益。

永利国际唯一指定官网,生物净化运用于废气处理的时间比较短暂,20世纪80年代初,科学家才开始将生物净化技术用于废气处理领域,并取得了良好的效果。运用生物技术处理废气成本低、效率高、安全且不会产生二次污染。目前广泛应用于废气处理的生物净化技术有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等。生物过滤法多用于有臭味的废气的降解,吸附法则用于含乙醛、胺等污染物气体的吸收。

面向有机污染物消除的“微生物、植物、电”多效耦合作用机制及低能耗型修复技术

4生物技术在环保方面的应用随着石油工业的发展,在采油、炼油、运输与利用过程中,不可避免地会造成对环境的污染。因此,对环境进行保护,防止和治理污染就特别重要。

3.生物技术在固体废弃物处理中的应用

中国科学院微生物研究所

4.1生物技术应用于石油污染土壤的治理石油废弃物对土壤的污染特别严重,大量的油泥不仅造成严重的环境问题,同时也给石油行业造成重大的经济损失,因此石油污染土壤的治理是世界各国极为重视的热点问题。其处理方法主要有3种:物理处理、化学处理和生物处理(生物修复)。其中生物修复技术被认为最具生命力[8]。

城市固体废弃物污染是当今环境污染的主要部分。固体废弃物处理是环境保护部门的重要问题之一。目前,处理固体废弃物的主要方法有4种:固积、掩埋、焚烧、生物处理。固积法需要占用大量的土地,处理时间长,产生的臭味还会污染空气;掩埋法是将固体垃圾堆积在特定地区,覆土掩埋,废弃物中的物质经过长时间物理、化学、生物反应后降解、消失,时间长,塑料类物质极难降解,掩埋在地下还容易污染土壤、地下水;焚烧能够迅速处理固体废弃物,但建设和运行成本较高,且容易造成空气污染。由此可以看出,无论是固积、掩埋还是焚烧,都会造成一定程度的二次污染,都不是最好的污染物处理方法。城市生活垃圾中有机物含量高达40%,利用生物处理技术可以将垃圾转化为作物生长的有机肥料,减少污染的同时变废为宝,不会产生二次污染。利用生物技术处理城市生活垃圾是城市生活垃圾无害化、减量化、资源化的有效途径。

有机污染物降解微生物组的功能解析和微生物菌群3D打印技术

生物修复技术是传统的生物处理方法的发展,与物理、化学修复污染土壤技术相比,具有多种优点[9]:①成本低于热处理及物理、化学方法;②不破坏植物生长所需的土壤环境;③污染物氧化完全,没有二次污染;④处理效果好,对低分子量的污染物去除率非常高;⑤可原位处理,操作简单。国内土壤污染生物修复方法主要有植物法、动物法、微生物法等,国外主要有原位处理、现场处理、生物反应器等方法[10]。对微生物法,有人研究了对石油污染土壤的降解恢复机理,并对不同真菌类在不同环境条件下的效果进行了研究。生物修复技术虽然已经取得了长足的进展,但由于受生物特性的限制,生物修复技术还存在着许多的局限性[11]:①微生物不能降解污染环境中的所有污染物,污染物的难生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖质或泥土结合在一起常使生物修复难以进行。并且特定的微生物只降解特定的化合物类型,化合物形态一旦变化就难以被原有的微生物酶系降解,微生物活性受温度和其他环境条件的影响也比较大。当污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时,残余的污染物就会留在土壤中难以消除。②生物修复要求对地点状况的工程前考察往往费时、费钱。③一些低渗透性土壤往往不宜采用生物修复技术。④如何开展对寒冷地区的污染土壤和海洋中的石油污染治理是生物修复尚待研究的一个重要课题。随着对生物科学认识的深入以及微生物学的发展,生物修复技术必将得到极大的发展,并可推广应用到其他多种行业。

4.生物技术在环境监测中的应用

中国科学院微生物研究所

4.2生物技术应用于含油污水的治理从地下采出的石油中,常伴随许多采出水。通常采用重力分离和气浮工艺处理这些含油污水,但很难达到无害排放标准。目前多采用这些经过简单净化的污水作为注水驱油的水源,减小了对环境的污染。在无法回用的条件下,一般采用生物氧化法进一步深度处理,既可节省费用,又能保护环境。生物氧化法,是通过生物氧化作用将水中可溶性有机物以及氨化合物等分别转化为水和二氧化碳、硝酸盐和亚硝酸盐,再经过澄清,去除悬浮物。

生物技术在环境监测中的应用十分广泛。如用细菌总数及粪便污染指示菌监测水质,通过测定水中藻类如硅藻、栅藻、小球藻等的数量及生长速度监测水质或监测霉性等。近年来,国内外许多部门开始研究应用聚合酶式反应技术、核酸探针、生物传感器等生物技术检测环境。聚合酶式反应技术可用于土壤、沉积物、水样等多种环境的监测,随着技术的不断完善,它可能会成为微生物检验水质主要的方法之一。

弱电能介入型生物强化处理系统中毒害性有机污染物的定向转化及调控机制

对炼油厂含石油污染的废水主要采用物理隔油、絮凝浮选除乳化态石油和二级生物处理溶解性及胶体物质的工艺[12]。以前普遍认为石油浓度大于100mg/L时废水不宜直接进行生物处理[13],并且认为生物处理技术不适于连续排放的工业废水及其处理技术要求,而且周期太长,因此这方面的研究开展较少。最近有人对炼油厂含油废水的生物处理进行研究,取得了较好的效果[14]。对膜技术处理炼油厂污水的研究也取得了进展。随着生物技术的发展以及对生物多样性的认识愈加深入,我们必将开发出更多的生物净水工艺,目前广泛应用于其他行业废水治理的生态净水方法也会在石油石化行业吸收改造后得到推广利用。污水治理的水平会越来越高,水会越来越清净。

二、生物技术在环境污染修复中的应用

中国科学院生态环境研究中心

生物修复技术就是利用生物分解有毒有害物质的能力来处理土壤、水源中的污染物,净化环境。随着环境保护问题日益突出,各国对于各种环境污染修复方法的研究进一步深入,大量的实验研究证明,使用微生物处理净化有害物质是可以运用于大面积污染物治理的有效方法。石油烃污染是油田附近土壤的主要污染形式,利用微生物或其他生物将石油污染物讲解转化为无害物质,费用低、应用范围广,生物修复技术石油烃污染治理主要方法之一。生物修复的方法有许多,根据修复环境,生物修复技术可分为土壤生物修复、地下水生物修复、沉积物生物修复和海洋生物修复等。

植物-微生物耦合作用下人工湿地中新兴有机污染物的消除原理与技术

三、结语

2

随着经济的不断增长,人民生活水平也不断提高,人口急剧增加,排放的污水也在不断地增加,周围的环境受到污染的程度也将越来越严重,因此世界各国必须加快环境保护与治理方法的研究。环境生物工程因为其明显的环境效果、经济效益及社会效益更应该受到重视。但是当前形势下生物环境工程在应用的过程中还存在着许多诸如如反应速度慢、微生物生长的水质要求过高等的众多问题。因此,各国应加大环境生物工程投资的力度,积极研究开发高效、低能耗、能够大面积推广的微生物工艺,推动环境治理技术的不断进步与发展,从根本上消除污染、保护环境。

石油烃及其衍生物污染土壤/沉积物高效低耗绿色生物修复新技术研究

生物电化学及其纳米耦合强化修复新技术研究

重组微生物-植物联合生物炭对土壤石油烃及其衍生物的耦合降解机制研究

微生物驱动的石油烃降解耦合碳氮循环过程机制研究

3

储能技术调控下的土壤及地下水有机污染原位生物修复研究

储能技术调控下的土壤有机污染生物原位修复研究

储能技术调控下的地下水有机污染原位生物修复研究

储能技术调控下的土壤和地下水有机污染物降解功能微生物及其降解机理研究

中国科学院广州地球化学研究所

4

高效绿色环境修复集成技术体系研发

高效绿色土壤修复集成技术体系研究

生物电刺激强化水体中重金属及抗生素的去除研究

杂合生物膜高效有机污染物去除及资源化利用研究

5

基于“以废治污”理念的农田土壤污染防控与生物修复技术

基于种养循环模式的农田土壤有机污染防控与修复技术研究

农田土壤重金属污染生物修复与防控技术

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

农田土壤高累积氮磷生物共修复技术

6

可持续水循环系统中有机微污染物生物降解机理与关键净化技术

污水中有机微污染物降解微生物组学机理与生物净化关键技术

基于生物膜的有机微污染物生物降解过程机理及稳定性机制

基于生物强化的饮用水中有机微污染物深度净化关键技术

中国科学院生态环境研究中心

7

中欧合作研究:基于强化自然微生物的环境生物修复技术

微生物治理复合污染的代谢机理及菌群重构(中欧合作研究:基于强化自然微生物的环境生物修复技术-课题2)

复合污染环境的微生物修复潜能预测与诊断(中欧合作研究:基于强化自然微生物的环境生物修复技术-课题1)

中国科学院城市环境研究所

复合污染原位生物修复及其新型强化技术(中欧合作研究:基于强化自然微生物的环境生物修复技术-课题3)

有研工程技术研究院有限公司

8

支撑污染土壤可持续利用的强化原位生物修复机理与技术

中国科学院南京土壤研究所

污染农地土壤的微生物-植物协同强化修复机理与技术

中国科学院南京土壤研究所

污染土壤及地下水的电化学强化原位微生物修复机理与技术

污染土壤及地下水的热/纳米强化原位微生物修复机理与技术

电 话:010 6232 7005

邮 箱:qiuch@nsfc.gov.cn

国家自然科学基金委员会

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