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工業生物技術已經成為繼生物制藥、生物農業后的第三次生物技術浪潮，具有巨大發展前景的領域，將對物質制造和加工，生物能源及生態與環境保護產生極其深遠的影響。工業生物技術的核心是生物催化，作為生物催化劑的酶在工業生物催化中起著關鍵性的作用。

工業生物技術是人類實現可持續發展的重要途徑。眾所周知，以化石原料為基礎的物質制造業在現代工業社會中占據著重要的位置，但它正面臨著嚴峻的挑戰：化石原料可用量日益減少，環境污染日益嚴重。以再生資源為基礎的循環產業的形成是解決現代工業社會危機的重要途徑。生態環境脆弱和資源短缺是我國的基本國情，也是限制我國產業經濟可持續發展的瓶頸。工業生物技術被OECD（OrganizationofEconomicCooperationandDevelopment）定位為構建和環境協調產業體系的關鍵技術，是實現人類可持續發展目標的重要領域。世界各國對工業生物技術都給予了極大的重視。目前，據統計至少有129個利用生物技術進行工業化生產的例子。但是，工業生物技術的工業化成功的例子仍然很有限。這主要是因為自然界的生物催化劑大都只能在溫和的條件下起作用，往往難以直接用于工業過程，比如通常酶或細胞很難在高溫、高壓、有機溶劑等條件下起作用，其穩定性低，容易失活。但是，隨著對生物酶來源的多樣性、酶催化機理、結構及功能之間關系認識的逐步提高和現代工業社會發展對生物技術需求的高漲，建立發現、改造和使用生物催化劑技術平臺成為工業生物技術研究的熱點領域之一。

化學物質是人類社會賴以發展的基礎。但人工化合物的大規模制造和使用造成了嚴重的環境污染，成為被全球普遍關注的嚴峻問題。眾多的人工化合物釋放到生態環境中后，微生物還沒有足夠的時間和充分的環境條件來“進化”其代謝途徑，因此表現出有機化合物的難生物降解性。化合物對環境產生的風險（Risk）可由以下的公式來表示，取決于化合物本身的危害度（Hazard）和在環境中的暴露程度（Exposure）。

Risk＝Hazard×Exposure

因此，為降低化學物質對環境帶來的危害或負擔，開發清潔生物生產工藝生產環境友好的化合物具有重要的意義，與此同時必須開發減少化學物質在環境中的暴露程度（濃度和時間），即化合物的生物降解或生物處理技術。隨著難降解化合物的污染問題的表面化和人們對環境污染問題認識加深，于上世紀90年代形成了環境生物技術這一學科方向。環境生物技術是生物技術與環境科學和化學工程等領域交叉的學科，是工業生物技術領域的新方向。2002年10月的美國科學雜志（Science）刊登了環境微生物技術的研究特輯，英國的自然生物技術雜志（NatureBiotechnology）于2003年2月刊登了具有芳香化合物降解能力的假單胞桿菌（Pseudomonassp.）作為多樣生物催化劑的可能性,近幾年，國外還涌現出了大量的有關環境生物技術的書籍，足見環境生物技術研究在國際上已成為重要的前沿研究領域。

本文以利用融合蛋白技術高效生產工業用肝素酶及剩余污泥減量化好氧－厭氧反復耦合廢水生物處理技術研發過程為主，介紹工業生物技術在醫藥化學品、生物能源及環境中的應用研究進展。

1）肝素酶的重組大腸桿菌高效生產、分離耦合及其應用技術研究

肝素酶I（heparinaseI,EC4.2.2.7，商品名Neutralase,Hepzyme，IBEX,加拿大蒙特利爾公司生產）是一種特異作用于肝素（heparin）和類肝素分子的多糖列解酶。肝素酶具有重要的應用價值，肝素酶及其底物多糖肝素之間的相互作用有助于闡明多糖裂解酶的作用機制；肝素酶可以用于解析肝素等復雜粘多糖的結構及其生物學功能；肝素酶可以用于解析人體內的凝血和抗凝血機制；肝素酶可以用于制備具有高效抗凝血作用的低分子肝素；肝素酶還可以用作臨床血液肝素化的去除，防止手術后出血。我國是肝素原料的生產大國，開發酶法低分子肝素生產技術具有重要的意義。

商業化的肝素酶I從肝素黃桿菌（Flavobacteriumheparinum）中純化得到，但表達需要價格昂貴的肝素誘導，同時由于肝素酶II和III的共表達增加了純化的困難和成本[1]。肝素酶I的基因已被克隆并在大腸桿菌中表達，但產生的都是無活性的包涵體，需要蛋白質復性才能獲得有活性的酶[2-4]。

我們利用融合蛋白技術構建了一套大腸桿菌的表達系統，能夠高效的表達可溶性的肝素酶I，并同過親和分離簡化了肝素酶的純化操作。實驗研究結果表明在我們的肝素酶表達生產體系中，90％以上的肝素酶I以有活性的可溶性蛋白形式存在，從而省去了復性的操作，降低了操作成本；目前酶活可達16000IUl-1，遠遠高于肝素黃桿菌的表達水平；通過一步親和分離，回收的肝素酶純度達95％以上。同時利用綠色熒光蛋白（GFP）基因，構建了利用熒光快速定量酶活的新方法，而且肝素酶與GFP的融合蛋白有助于肝素酶失活機理的研究。

利用融合蛋白的親和吸附能力容易實現肝素酶I的定向固定化，使開發高效肝素酶反應器成為可能。通過實驗證明融合肝素酶I能夠和商品酶一樣有效的降解肝素，制備出理想的低分子量肝素（LMWH）。通過控制酶解反應條件，得到了一系列分子量分布范圍窄的低分子量肝素（平均分子量在5000－6000）。本研究為肝素酶的工業化生產及其應用奠定了技術基礎。

2）好氧-厭氧反復耦合生物反應器處理廢水新工藝研究進展

活性污泥法作為有機廢水的生物處理技術被廣泛的應用。但是活性污泥法的最大缺點是產生大量的剩余污泥，因其含水率高，體積大，易腐爛，易產生惡臭味,造成污泥處理和處置困難。目前由于經濟效益問題難以徹底解決污水處理普遍存在的污泥問題，因此從源頭上減少污泥產率或實現剩余污泥原位降解的污水生物處理技術的開發是值得重視的方向。

剩余污泥的產生速度取決于微生物的產率和內源呼吸速度，降低剩余污泥量的主要思路是減少微生物的得率和增大微生物的內源呼吸。由于微生物的內源呼吸常數比其比增殖速度一般要小1到2個數量級，因此減少活性污泥的產率是實現剩余污泥減量化的積極方法。目前針對剩余污泥問題，污水的生物處理方法研究主要集中在三個方面（如圖2）：一是對已經產生的剩余污泥進行處理后再返回到曝氣池作進一步的處理，二是在污水處理過程中減少污泥產量，三是通過剩余污泥的原位降解開發不產生剩余污泥的污水處理技術。為了研發剩余污泥原位分解型廢水生物處理技術，我們利用多孔微生物載體，構建了在廢水的流動方向上具有好氧/微好氧/厭氧區域交替出現的生物反應器，對該反應器的廢水處理過程特性及其機理進行了實驗室規模的研究，并進一步進行了中試研究和工業應用。

長期的實驗室實驗表明，該反應器對有機物的去除效率很高，未經沉淀的處理水中的SS濃度很低，長期維持在很低的水平以下。在實驗室研究的基礎上，開展了不同廢水的中試試驗。其中對某生化制藥廠的發酵廢水進行的中試試驗結果表明，廢水的COD濃度變化范圍是500~5600mg/L，氨氮為50mg/L左右，容積停留時間為17.67～22.08h，廢水流量為120～150L/h時，經過好氧－厭氧耦合反生物應器處理后，出口的COD為150~300mg/L，處理水SS濃度在50mg/L以下，而且出水色度好，硝化反應徹底（氨氮濃度在5mg/L以下）。裝置運行正常，沒有出現任何污泥堵塞的現象，沒有排過污泥。在此基礎上，天津某制藥公司采用我們的技術用于其高濃度制藥工業廢水的處理，目前投入運行，效果良好。大量的基礎和應用實驗結果說明利用多孔載體和好氧－厭氧反復耦合原理能夠開發出剩余污泥原位降解型廢水生物處理技術，該技術將對廢水生物處理行業產生深遠影響。