低碳经济下生物产业的发展

1、低碳经济下生物产业的发展刘雯雯201522162060 摘 要：生物产业作为低碳经济典型的代表，是平衡气候环境与经济发展的重要战略选择，低碳经济时代的来临，生物产业被全球越来越多的国家关注和重视。本文讨论了低碳经济下生物能源，生物材料，生物农业和生物环保的发展。 关键词：低碳经济；生物能源；生物材料；生物农业；生物环保The Development of Biotechnology Industry under Low Carbon EconomyAbstract: As a typical representative of low carbon economy, biological in

2、dustry is the important strategic choice for the balance of climate and economic development. This review discusses the development of bio-energy, bio-materials, bio-agriculture and bio-environmental protection under low carbon economy.Key words: Low carbon economy; Bio-energy; Bio-materials; B

3、io-agriculture; Bio-environmental protection 引言政府承诺，到2020年，中国单位GDP二氧化碳排放量要在2005年基础上降低40 %45 %。为了实现上述目标，就需要进行体制创新、机制创新、技术创新，实现低碳经济和低碳生活。低碳经济是指温室气体排放量尽可能低的经济发展方式，尤其是二氧化碳（CO）这一主要温室气体的排放量要得到有效的控制。低碳经济以低能耗、低排放、低污染为基础，其实质是提高能源利用效率、创建清洁能源机构。它的核心是技术创新、制度创新以及发展观的改变。发展低碳经济是一场涉及生产模式、生活方式、价值观念和国家权益的全球性革命。进入21世纪

4、，世界各国的发展面临着化石资源短缺与环境污染这两个严重的问题。一方面，化石资源不可再生，其储量有限，日趋耗尽，全世界可开采的石油储量仅可供人类使用约50年，天然气储量仅供使用75年，煤储量也只可供使用200300年。化石资源短缺已经成为制约我国经济发展的重要因素之一。另一方面，化石资源的滥用，导致了严重的环境污染，并引起了全球变暖、气候变迁、灾害性气候频发等问题。中国政府已经把应对气候变化纳入经济和社会规划，并在可持续发展的框架下把低碳经济的发展作为重要国家战略。发展低碳经济对于中国能源安全、应对气候变化和环境保护，都具有重要的战略意义。1. 低碳经济的基本内涵“碳”是一种化学元素，是生命的元

5、素，地球上的生命都是以碳为骨架组成的。在地球生物圈，动物呼吸排放的CO是绿色植物光合作用的原料，而光合作用产生的氧气（O）除了满足植物自身呼吸需要外供给了动物，从而在动植物之间形成“碳循环”。在正常情况下，碳循环是平衡的。“碳”原本是人类的“朋友”，但由于工业化、城市化的迅速发展，人们无节制地消耗煤炭、石油等碳资源，不断地把地下的碳“搬”到了地上，使地层中经过千百万年积存的已经脱离碳循环的碳元素在很短的时间内被释放出来，打破了生物圈中碳循环的平衡，使大气中的CO含量迅速增加，加之未能妥善地捕捉、储存、利用，使得大气中的CO浓度不断增加。由于CO气体只允许太阳光进入大气层、却阻止其反射，从而产生

6、温室效应，致使自然环境严重污染，全球气温不断上升，给人类带来了严重危机。 因此，为维持生物圈的碳平衡、抑制全球气候变暖，需要降低生态系统碳循环中的人为“碳通量”，通过减排CO、减少碳源 、增加碳汇，改善生态系统的自我调节能力。这是推行低碳经济的现实要求。1992年的联合国气候变化框架公约和1997年的京都议定书系统地对低碳经济进行了论述。 低碳经济概念起源于2003年英国发表的我们能源的未来：创建低碳经济能源白皮书。2007年联合国气候变化大会制定了“巴厘岛路线图”，将低碳经济概念由国家范畴扩充到全球范围内，积极促进了低碳经济的发展。2008年，G8峰会8国表示将寻求与联合国气候变化框架公约的

7、其他签约方共同达成到2050年实现全球温室气体排放减50%的长期目标。低碳经济是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济模式具有低能耗、低排放、低污染的特点。具体经济形态表现为低碳技术、低碳产业、低碳能源、低碳生活、低碳城市等。它是生态环境代价和社会经济成本最低，能够实现全球生态系统自我调节能力的可持续发展经济模式。其实质是高能源效率和清洁能源结构问题，核心是能源技术创新和制度创新。低碳经济是一种由高碳能源（基于化石能源）向低碳能源过渡的

8、经济发展模式，是一种旨在修复地球生态圈碳失衡的人类自救行为。因此，发展低碳经济的关键在于促进经济增长与由能源消费引发的碳排放“脱钩”，实现经济与碳排放错位增长（低增长、零增长或负增长），通过能源替代、发展低碳能源和无碳能源控制经济体的碳排放弹性，并最终实现经济增长的碳脱钩。发展低碳经济的关键在于降低单位能源消费量的碳排放量（即碳强度），通过碳捕捉、碳封存、碳蓄积降低能源消费的碳强度，控制CO排放量的增长速度。由于人为“碳通量”只占地球大气碳通量很小的比例，低碳经济旨在降低经济发展对生态系统碳循环的影响，维持生物圈的碳平衡，其根本目标是促进经济发展的碳中性，即经济发展人为排放的CO与通过人为措施

9、吸收的CO实现动态均衡。2. 低碳经济下生物产业的发展2.1低碳经济与生物能源 生物质能具有资源量大、相对集中、能量品位较高的特点，在未来低碳经济的运转过程中将发挥根本性的作用。植物将低品位能源太阳能浓缩转变为高品位的化学能，固定CO，产生大量氧气。目前，生物能源的主要形式有燃料酒精、丁醇、生物柴油、沼气、生物制氢等。目前工业生物技术最为卓越的成就在于开发了一定范围内的生物燃料，并建立了较为完善的理论体系。2.1.1生物乙醇 燃料酒精是应用最广泛的生物燃料，是较为理想的汽油替代品，已在一些国家和地区得到广泛使用。例如巴西是世界上用甘蔗生产乙醇燃料最成功的国家，生产能力和出口量均位居世界第一。2

10、006年乙醇总产量1400万吨，乙醇燃料占76 %，2012年乙醇总产量将达到2900万吨，其中约800万吨将用于出口。 2009美国清洁能源与安全法标志着美国低碳金融市场的全面起航。与此相呼应的正是美国之前所提出的用玉米生产乙醇的能源战略计划，其国内玉米的1/4将被用于生产燃料乙醇。中国是一个人口大国，人均资源稀缺，先需要解决13亿人的吃饭问题，发展燃料酒精不宜采用粮食转化的路线。正如美国国内玉米价格因为作为乙醇原料而上涨47 %，进而导致全球粮食价格全面上涨，带动了物价上涨的连锁反应。另一方面，美国将燃料乙醇与石油挂钩，进而使粮食与石油关联，使得谷物贸易不仅涉及粮食安全，更放大为能源问题。

11、所以我国要从本国的国情出发，利用工业生物技术的发展来制定一条符合我国实际情况的低碳经济路线。例如，可以研究木质纤维素生产酒精的综合利用技术，当然这需要大力发展高效产糖的C能源植物，如新品种甜高粱和甘蔗等。2.1.2 生物丁醇 生物丁醇与乙醇相似，可以和汽油混合，但却具有许多优于乙醇之处:丁醇能量密度高，与等量乙醇相比，丁醇燃料可驱动汽车多走30%的路程；丁醇的挥发性是乙醇的1/6，汽油的1/13.5，与汽油混合对水的宽容度大，对潮湿以及较低水蒸气压力有更好的适应能力；与其他生物燃料相比，腐蚀性较小，比乙醇及汽油安全。 美国Buty lFuel公司采用BFL公司专利生产的生物乙醇，每吨玉米可产丁

12、醇300 kg，且无乙醇或丙酮产生，而目前报道的研究中每吨玉米最多能产丁醇115160 kg，且仍沿用丙酮-丁醇-乙醇发酵工艺。据初步成本估算，用石油生产丁醇的成本为1.67美元/千克，用玉米生产丁醇的成本为0.39美元/千克(不包括所产氢气)，而用谷物加工废弃物代替玉米时，丁醇成本可降至0.28美元/千克，具有突出的价格优势。 在中国，一些农林业废弃物，如秸秆、玉米芯、果园残次果等也已作为发酵原料使用。其中，以农林副产物、有机废弃物、秸秆等木质纤维素含量丰富的物质生产生物丁醇的成本较玉米、糖蜜等更低，规模化后其价格更接近石油工业丁醇，因此也更有商业前景。目前我国农村的秸秆达7亿吨/年，而农业

13、加工业的废弃物则多达8200万吨/年。充分开发利用农作物秸秆成为农业发展的重要课题之一，既符合我国国情，也顺应国家的大政方针。2.1.3生物柴油 生物柴油即脂肪酸甲酯，是一种清洁的可再生能源，采用天然油脂为原料，与甲醇(或其他低级脂肪醇) 经过一步酯交换反应生产的一种液体燃料。其优点是:具有持续的可再生性：通过产油植物的光合作用将太阳能转化为生物能，再加工为生物柴油；具有优良的环保特性：生物柴油中不含硫和芳香族烃，使得二氧化硫、硫化物等废气的排放量显著降低；其中氧含量高，燃烧时一氧化碳的排放量显著减少，此外，生物柴油的可降解性明显高于矿物柴油；具有良好的替代性能：生物柴油可被现有的柴油机和柴油

14、配送系统直接利用。因此，生物柴油在石油能源的替代战略中具有核心地位。 生物柴油的生产方法主要有酸催化、碱催化、酶催化和超临界甲酯化(非催化)等工艺，碱催化工艺为最广泛使用的生产方法。一般情况下，原料成本占生物柴油总成本的80 %90 %，而加工成本大约为10 %20 %。目前，生物柴油的重要研究方向为研发适应不同原料特点的低成本生物柴油生产工艺，使得生物柴油生产成本可以与石化柴油相竞争。生物柴油的众多生产方法中一个值得关注的问题是如何利用以低值废弃油脂和植物油脚料为原料，通过生物炼制生产柴油同时联产高附加值植物甾醇、单体酸、二聚酸及异硬脂酸等油脂化工产品。通过植物油脚料炼制生产生物柴油联产高值

15、油脂化工产品，可以大大降低生物柴油的生产成本，提高生物柴油的竞争力，可加速实现生物柴油的产业化进程。近几年，制备生物柴油的重要进展是养殖工程微藻等水生植物，再通过酯交换反应制取生物柴油1。我国2010年生物柴油产能约300万t/a，产量约20万t，主要原料为餐饮废油、榨油废渣等，产品主要用于农用动力机械及公路、水路和铁路运输动力机械方面。与发达国家相比，我国生物柴油产业起步较晚，发展进程也比较缓慢。2008年7月，国家发改委正式批准了中国石油、中国石化、中国海油三大公司以麻风树为原料的示范装置建设。其中，中国海油在海南的6万t/a装置于2010年底建成投产，是目前已建成的我国最大的生物柴油示范

16、项目。2.1.4 生物燃气 微藻可以用来热解制备生物燃料、氢气。热解对微藻的组成较不敏感，微藻的绝大部分组分均可通过热解转化为燃料。因此热解对微藻的品质要求较低，并有可能实现大规模处理由野生微藻爆发造成的水华，从而实现变废为宝。目前生物油主要通过快速热解制得。快速热解油的一个显著特点就是相对于汽油和柴油其含氧量较高，热值较低。微藻的种类较多，性质差别较大，但以此为原料经快速热裂解制取的生物油差别较小，目前以小球藻为原料制取生物油的研究较多，故将此制取的生物油作为其代表。 利用纯净碳源作为培养液培养微藻生产生物氢气成本较高，有人提出以工业废水作为培养液来培养微藻，例如Kapdan等2。利用废物质

17、进行生物产氢,但目前此方法还处于摸索阶段。总而言之，生物产氢虽然条件温和，但产量有限且生产成本较高，近期难以实现工业化生产。 沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。由葡萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达87 % ,是其他加工技术所难以达到的。许多国家已把沼气开发列入国家能源战略。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。主要有农村家用沼气池、大中型沼气工程和生活污水净化沼气池等。沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水资源和土壤等再生和资源化有促进作用。欧洲和美国是生物燃气产能排名最靠前的地区和国家，201

18、1年生物燃气产量分别为201.7亿m³和126亿m³。欧洲是生物燃气技术最成熟,产业发展最迅速,推广程度最高的地区,代表了世界先进发展水平和商业模式。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。主要有农村家用沼气池、大中型沼气工程和生活污水净化沼气池等。 工业生物技术探索生物能源的最终目的就是引导循环经济理念、发展低碳经济。走低碳道路，逐步减少对高碳能源的依赖，是科学发展观的客观要求。中国的新型工业化发展道路，就是要走出一条以低碳为基础的发展道路。2.2生物材料 高碳经济是不可持续发展的，它极度依赖煤和石油(含天然气) 的使用，注定会排

19、放巨量的CO，还有SO和氮氧化合物等其他温室气体。我国化石能源“富煤、贫油、少气”，煤炭是能源消费的主体，煤炭在能源消费总量中的比重接近70 %。 而低碳经济则改用含碳量很少甚至不含碳的、并且是可再生的原料。其中可再生的生物材料由于具有环保性和功能性，其应用受到高度重视，已被列为“十一五”期间我国生物产业五大重点发展领域之一。 一般而言，生物材料也叫生物基材料，是指用可再生原料如农作物、树木、其他植物及其残体和内含物等通过生物转化获得生物高分子材料或单体，然后进一步聚合形成的高分子材料。生物高分子应用很广泛，可以用来制作医药用材料、包装材料、食品添加剂、纤维、工业塑料、生物传感器以及微电子领域

20、的电子元件。目前已开发的生物材料包括:聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、生物尼龙、聚氨酯和聚氨基酸等。它们在生产、使用到再循环的整个生命周期里，二氧化碳排放量相对传统工艺将大幅减小。 在综合性的全球气候计划中，大力发展生物材料有利于减少在生产过程的CO排放，加强气候保护。三类重点得到扶持的生物材料产业化项目包括：生物基合成高分子材料；天然生物高分子材料；生物基平台化合物，也即碳二到碳六系列生物基平台化合物的产业化。 20 世纪70年代，由于塑料制品已被广泛地应用于各个领域，“白色污染” 对生态环境造成了严重的威胁，人们对废旧塑料的处理办法主要是土埋和焚烧，浪

21、费了大量的土地，而且产生了大量的CO及其他对人有害的氮、硫、磷、卤素等化合物，助长了温室效应及酸雨的形成。为了缓解日用品塑料造成的环境污染，研究可降解高分子材料成为了重要课题。为了扶植新兴工业的发展，多数国家已经大力鼓励使用可再生资源为原料的材料，增加开发自主知识产权的科研投入，开发降低生物基材料生产成本的关键技术，发展“生物塑料” 产业，形成产业链，以“绿色塑料” 、“环境友好塑料” 替代传统不可降解塑料，从而减少各国对石油的过度依赖。 进入21 世纪，合成可生物降解的高分子材料的项目在一定程度已经实现了产业化并在诸多领域得到应用。通过政府政策的优惠以及环保法规的完善，生物基材料作为完全适合

22、低碳经济的新材料,必将逐渐得到消费者的认可和重视。下面简单介绍几种近10年来受到重视的生物聚酯3。2.2.1聚乳酸(PLA) 生产PLA的乳酸以农副产品为来源，资源丰富且可再生。生产乳酸的原料主要包括玉米、大豆、甜菜、马铃薯和其他生物材料制成的淀粉和糖类。 体现低碳经济思想的乳酸生产工艺路线主要为发酵法。一般以富含淀粉的玉米、木薯等为原料,用生物催化剂将淀粉转化为葡萄糖等单糖，再进行发酵。碱性条件下处理发酵液，用热水重结晶。再加入一定浓度的硫酸分解出乳酸和处理过程中的硫酸钙沉淀。滤液在减压下蒸发浓缩，即得70 %左右的工业用乳酸。 我国目前产业化的有浙江海生生物降解塑料股份有限公司(规模5kt

23、/a生产线)，正在中试的单位有上海同杰良生物材料有限公司、江苏九鼎集团等。世界上聚乳酸主要生产国家有美国、日本、德国等国家,美国是最大的聚乳酸生产国。2002年，美国Natureworks公司建成14万t/a的PLA生产线，2009年该公司将扩产至45万t/a。在PLA作为塑料产品方面，美国的Chronopol公司将PLA的生产成本降低到原先的30%50%,而通用塑料，例如聚丙烯价格仅为PLA成本的1/7左右。因此，要使聚乳酸大量用作包装材料和一次性用品，降低生产成本和销售价格,才有可能被市场所接受。2.2.2聚丁二酸丁二酯(PBS) PBS是聚丁二酸丁二酯及其共聚物的简称，是一类由丁二酸、丁

24、二醇缩聚及和其他二元酸或二元醇共缩聚制备的一类脂肪族聚酯。PBS树脂呈乳白色，无嗅无味，具有优异的生物降解性，易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，在自然条件下可100 %分解成水和CO，是典型的可完全生物降解聚合物材料，具有良好的生物相容性和生物可吸收性。PBS于20世纪90年代进入材料研究领域,并迅速成为可广泛推广应用的通用型生物降解塑料研究热点材料之一。20世纪90年代中期,日本昭和高分子公司采用异氰酸酯作为扩链剂,与传统缩聚合成的低相对分子质量PBS反应,制备出高相对分子质量PBS。目前,国际上已有日本昭和高分子和美国伊士曼等公司进行了PBS的工业化生产,其年产规模分别为5

25、kt和1.5万t。2005年，中科院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心和扬州市邗江佳美高分子材料有限公司，合资组建扬州市邗江格雷丝高分子材料有限公司，投资5000万元建设世界最大规模的2万t/a PBS生产线。上海申花集团、福建恒安集团等企业对PBS在一次性包装用品、卫生用品、餐具等领域的应用和推广进行了开拓,并形成商品。部分改性材料、挤出片材已经小批量出口韩国。从而形成了聚酯、改性、制品上下游完整的产业链。值得一提的是，PBS树脂的发展是建立在高效经济的微生物发酵工艺的基础上，而如何通过更为经济的途径得到丁二酸原料，是PBS产业化发展的本质问题4。2.2.3聚羟基脂肪酸酯(PHA) 作为

26、一类天然生物高分子聚合物，聚羟基脂肪酸酯发展较晚，但在近20多年来得到迅速发展。作为一种线性聚酯，PHA不仅具有与化学合成高分子材料相似的性质，而且还有一般化学合成高分子材料没有的性质，如生物可降解性、生物相容性、压电性、光学活性等特殊性质，并可在生物合成过程中充分利用可再生资源。 PHA具有生物可降解性，可在人体内自然降解，它的最终降解产物是3-羟基脂肪酸，为人体血液中普通代谢物，不会给人体带来任何毒副作用。而且PHA 如果在胞内大量积累不会影响细胞内的渗透压，所以还是一种理想的储存材料。当环境中缺乏碳源而其他营养元素充足时，PHA又可作为碳源被降解和重新利用。因此，PHA的应用范围非常广泛

27、，可用作各种绿色包装材料与容器、生物可降解薄膜、污水处理用细菌床、电信器件外壳等。另外，PHA具有一定的力学性能，可用作骨移植的支架。 随着石油价格的上涨，与以石油为原料制造的塑料相比，PHA制造成本上将更有竞争性。就目前而言，尽管PHA的产业化取得了一些进展，但从生产成本来看，并未取得比石油原料产品更大的优势，但伴随着其核心技术分子生物学的发展，相关领域必然会在今后的数十年间得到长足的发展，如诱变PHA合成酶以增加胞内PHA含量、达到分子量可控、成分可控等5。 上述3种生物基材料基本概括了当前生物降解材料的主流市场。通过对可再生资源的充分利用和技术创新，生物基材料的产业化将实现对石油资源的节

28、约和替代，可有效消除白色污染、保护环境是低碳经济在材料领域的必由之路。美国生物技术工业组织预测到2012 年美国的生物降解塑料市场将增至7.2亿磅，市场规模将接近9 亿美元。其中聚乳酸将成为代表性产品在各个领域得到广泛应用。 总的来说，生物材料是伴随着当今世界能源、环境危机的凸显而发展起来的，随着原料生产和制品加工技术的进步，生物降解材料备受关注，成为可持续、循环经济发展的焦点。随着国家和企业对生物材料基础研究、应用研究和产业化投入的不断增加，我国在学术上和产业化上将不断取得进步。 然而，现阶段PLA、PHA和PBS等环境友好材料属于新兴的材料产业，依然处于市场推广阶段。当然，成本问题一直是困

29、扰生物材料产业发展的瓶颈。如何控制原料成本，如何通过技术进步降低成本，这些都是未来生物基材料发展必须思考的问题。当此领域实现大规模产业化后，就可以随着产量的增加而进一步降低成本。需要强调的是，生物基聚合物是一种功能材料，与通用塑料比较，生物塑料除了满足材料制品的一般功用，其生物环境可降解性是传统塑料完全不具备的，因此消费者会逐步接受为这种功能支付合理的溢价。2.3 低碳经济与生物农业联合国粮农组织估计，生态农业系统可以抵消掉80%的因农业导致的全球温室气体排放量，无需生产工业化肥每年可为世界节省1%的石油能源，不再把这些化肥用在土地上还能降低30%的农业排放。所以，在发展低碳经济方面，农业潜力

30、巨大。 实际上发展低碳农业已是刻不容缓，并且潜力巨大、大有可为。生物灭虫是发展低碳农业阶段我们需要的最好措施。此外，发展低碳农业，需要大面积采用生态农业的部分技术、需要相应的生产技术与之相匹配、需要政府和一些高校社会组织专业人员的指导和培训，特别是市场的衔接。同时，我国鼓励低碳农业的政策和优惠措施应该更完备、机制可以更灵活6。低碳农业是一种比广义的生态农业概念还更广泛的概念，不仅要像生态农业那样提倡少用化肥农药、进行高效的农业生产，而且在农业能源消耗越来越多，种植、运输、加工等过程中，电力、石油和煤气等能源的使用都在增加的情况下，还要更注重整体农业能耗和排放的降低。2.3.1 节约资源能源的耕

31、作技术 保护性耕作技术。中国传统农作制度中精耕细作长期以来被认为是一种好的耕作习惯，但过分的精耕细作不但消耗大量能源，也是没有必要的，甚至有负面作用。如我国北方春天常年干旱，农田土壤耕作层裸露疏松，过度机械耕作不但直接耗费了大量石油能源，而且也加剧了北方旱作农区的水土流失和生态环境的恶化，也是我国北方地区沙尘暴、土壤沙化等现象的原因之一。在农业固碳和减排措施中，保护性耕作被认为是最具推广潜力的重要技术措施之一，因为它不仅可以提高土壤对CO的固碳能力，并且通过减少燃料使用量及秸杆焚烧现象，减少温室气体的排放。首先，免耕少耕可以减少农业机械的使用，这也就减少了化石燃料的燃烧，相应减少CO的排放。再

32、次，随着土壤肥力的增加，在耕作中化肥的使用也相应减少。节水抗旱技术的推广。近些年由于全球气候变暖，导致全球降水分布失衡，表现在我国北方大部地区就是连续干旱。北方地区作物播种生长季节的旱灾几乎每年都发生，节水抗旱技术对于这些地区农业生产越来越重要。目前，我国抗旱的主要方式仍然是传统的大水漫灌。但这种方式水资源和能源浪费严重，节水抗旱技术有广阔的推广应用潜力。 2.3.2 农用化学品的合理投入趋势 化肥投入趋向于减少。中国是农业生产大国，也是化肥生产和使用大国。改革开放以来化肥工业发展很快，到1995年起每年产量位居世界第一，2002年的产量占世界总产量的25%；同时化肥消费也增长迅速，到1994

33、年我国化肥消费量超过美国，跃居世界第一，2002年的化肥消费量占全世界的30.7%。张福锁等利用20012005年在全国11个省的水稻、小麦、玉米数据研究发现，中国化肥利用效率低的最主要原因是施肥过量，尤其是氮肥，同时区域和农户之间的使用水平有很大差异。鉴于在不到世界10的耕地上使用超过占世界的30的氮肥用量，大量化肥投入成为我国养分资源利用的主要方式。国际合作委员会农业面源污染控制课题组研究发现：我国氮肥施用量的一半在被农作物吸收之前就以气体形态逸失到大气中或从排水沟渠流失到水体环境中，造成巨大危害，也是引起湖泊、河流的富营养化、农业面源污染的主要原因。化肥的过量使用导致种植成本不必要的增加

34、，使土壤的物理、化学及生物属性退化，而且消耗大量宝贵的能源和资源。降低农药投入与IPM技术的推广。中国是农药生产大国，农药生产和运输过程要耗费石油、煤炭等能源。中国农民普遍存在农药过量施用的现象，仅2005年中国农药的消费量约为28.3万t。大宗农作物如水稻、棉花施药强度较大（Bt 抗虫棉的出现使农药用量大大减少），经济作物，如蔬菜、水果高强度使用农药更令人担心。合理使用农膜。农膜能够有效改善和优化栽培条件，具有保湿、保温、保肥、保土作用，可以促进农作物早熟、增产，提高农产品质量。据农业部统计，我国每年农用膜实际消费量超过110万t，使用量居世界第一。自我国推广应用农膜以来，一方面改变了传统的

35、农业耕作方式，达到增产增收的效果，给农民带来明显的经济效益；另一方面，农膜的残留现象也造成农田环境污染，“白色革命”变成了“白色污染”。而且农膜的制造流通也要消耗大量高碳能源。 农膜材料的主要成分是高分子化合物，在自然条件下，这些高聚物难以分解，一般可残存20年以上，残留物若长期滞留耕地，会影响土壤的透气性，阻碍土壤水肥的循环，影响农作物根系的生长发育，导致作物减产。合理使用农膜，一是要加强环保宣传教育和技术推广；二是要鼓励企业开发废旧农膜再利用技术，大力提倡利用天然产品和农副产品的秸秆类纤维生产农用薄膜，以取代塑料制农膜。2.3.3 农业生物技术研发能力的大幅提升 抗病虫作物的培育。现代农业

36、生物技术包括基因工程、酶工程和细胞工程等，其中转基因生物育种是重要的应用领域。抗病虫是转基因作物的一个重要育种方向。1996 年世界第一例转基因作物在美国应用于商业化生产，仅仅10年间全球转基因作物的种植面积增长了60倍，达到了1.02亿hm，种植转基因作物的农户数量超过了1000万户。Bt抗虫棉是中国唯一大规模推广使用的转基因作物，仅2009年，Bt 抗虫棉占棉花总播种面积达到68%。但由于受到国际上“转基因安全性争议”和国内一些环境保护人士的影响，近年来我国转基因作物推广应用的速度放慢了。抗逆境作物的培育。全球气候变暖使极端气候出现频率增加，未来新品种选育的另一个重要趋势是增加其对逆境的抵

37、抗力。抗逆境指植物抗干旱、抗冻害、抗盐碱、抗洪涝等恶劣环境的能力。如2004 年上海育成的杂交节水抗旱稻（非转基因），不仅可以节水50以上，而且产量不低，系列品种对缓解水资源危机和保障粮食安全有重要意义。转基因技术通过跨物种间基因的定向转移，在解决常规育种技术难以克服的抗病虫、抗逆、高产、优质等性状协调改良方面日益显示出不可替代的重要作用。2.3.4 农业废弃物综合利用技术的普遍采用 作物秸秆综合利用。在我国，焚烧秸秆是农村常见的现象，夏季黄淮海地区冬小麦收获后抢种玉米阶段、或南方秋季水稻收获后抢种油菜的时段。经常可以看到农民把大量秸秆用火烧掉，既污染环境，又浪费了宝贵的秸秆资源。分析其原因一

38、是为省事，二是没有很好的利用渠道。 农作物秸秆既是一种廉价、清洁的可再生能源；又可做反刍动物的饲料。我国农作物秸秆年产量约6.37亿t。就作物残留物的管理方式而言，焚烧秸秆不仅损害大气环境，向大气层直接释放碳，还容易引发火灾等事故；而秸秆还田（包括过腹还田方式）则可以增加土壤有机质的含量，保护大气环境，降低碳排放，增加农民收益。此外，还可以探索利用秸秆发电、秸秆培养食用菌、发展秸秆为原料的加工产业等适合我国国情的秸秆高效资源化利用方式。 养殖业废弃物利用。畜禽养殖不仅排放大量废水，还是一个导致全球变暖的温室气体主要来源渠道。由传统的养殖方式向清洁养殖转变，首先要严格按照畜禽养殖场污染物排放标准

39、建设标准化畜禽养殖场，对集约化养殖场畜禽粪便和污水进行无害化处理与肥料化利用等措施。对已有的不达标畜禽养殖场改造的内容主要是改水冲粪为干法清粪工艺，并将产生的粪渣及时运至贮存或处理场所，实施雨污分流管道改造等。建设固体粪便有机肥厂，对规模化畜禽养殖场，进行畜禽粪便无害化处理并制成有机肥，也是发展有机食品、绿色食品的良好肥料。发展农村沼气工程可以节约化石能源，减少温室气体排放，减少污染，保护环境，并且可以通过交易减排的温室气体而增加农民的收入。沼气是可再生新能源，它是利用农业固体废弃物（主要是畜禽粪便等）进行发酵，产生可燃气体用于生活燃料和发电，是一种节约不可再生能源、防治污染、变废为宝的有效废

40、弃物利用形式。农村沼气工程不但能解决农村燃料来源问题，节约大量薪柴和煤炭资源，也减少温室气体的排放量。沼渣还可作为有机肥在农田中施用，减少农村面源污染，提高耕地肥力。2.4 低碳经济与生物环保 生物环保产业是指利用以微生物技术为核心的环境生物技术，主要采用现代分子生物学和分子生态学的原理和方法，充分利用环境微生物的生物净化、生物转化和生物催化等特性，从污染治理、清洁生产到可再生资源利用，多层面和全方位地解决工业和生活废水污染、石油和煤炭脱硫、农药残留、能源和材料短缺等问题的新兴产业。 生物环保产业是将生物技术应用于环境污染治理中，最大限度地消除生态风险与隐患，促进自然资源的可持续利用，达到经济

41、、社会与环境的协调发展以及人与自然的和谐相处。生物环保产业主要领域范围包括：生物环保技术和包括产品、装备及服务等的生物环保产业。2.4.1 环境监测与评价 近年来，国内外研究较多的是应用PCR技术生物芯片、生物传感器等生物高新技术进行环境监测。Niedrhauser等利用PCR技术检测了食品中的单核细胞生利斯特氏菌(易导致人类脑膜炎)。传统方法至少需10d时间，应用PCR技术大大缩短了分析周期，对该菌种的分析只需数小时。刘永军等通过设计多种肠道病原细菌的通用引物，运用实时荧光定量PCR方法。实现了环境水体中肠道病原细菌的定量检测闭。可以预见，PCR技术在检测水体、土壤等环境中的致病菌、指示菌及

42、基因工程菌方面将发挥越来越重要的作用。近年来，利用生物传感器监测环境中的污染物，日益为人们所青睐。目前，生物传感器具有使用方便、成本低、省时、易制作等优点，如甲烷生物传感器、氨生物传感器、乙醇生物传感器、亚硝酸盐生物传感器、BOD生物传感器等已达到商业化应用水平，在环境监测中的应用前景广阔8。2.4.2 工业污水和生活废水的处理与净化 工业污水和生活废水中含有多种有毒物质，例如氰化物、酚类、有机汞、重金属、蛋白质、有机酸、醇、醛、有机磷等，这些污水和废水成分构成复杂，净化难度也较大。生物净化污水的常用方法为固定化酶和固定化细胞技术，也就是酶工程技术。国外已经有许多成功的应用经验，利用固定化酶和

43、固定化细胞实现对工业污水和生活废水中无机金属、有机污染毒物的高效处理。例如德国，以共介结合法制成农药降解酶柱，将酶固定于硅珠及多孔玻璃上，从而实现对多种农药的降解，包括对硫磷等，去除率超过95。而在我国，固定化细胞技术的应用也有了较大发展，主要用于降解合成洗涤剂中的表面活性剂，对于含100 mg/L废水，酶活性保存率和降解率均超过90。 废水好氧生物处理。活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术，它是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝吸附废水中污染物，并在氧的作用下将这些物质同化为菌体本身组分。活性污泥有着很大的表面积，能够与混合液进行广泛接触，在较短的时间内

44、，通过吸附作用，除去废水中大量的呈悬浮状态和肢体状态的有机污染物。使废水的BOD值大幅度下降。该方法不仅操作简单、方便，而且能使运行管理人员随时了解曝气池中活性污泥的浓度和泥质情况从而掌握和控制整个工艺的运行数，通过确定稳定的污泥沉降比值，从而达到高效污水处理的效果 。 废水厌氧生物处理。厌氧生物处理又称厌氧消化，是在厌氧条件下由许多种微生物的共同作用，使有机物分解并形成甲烷和二氧化碳的过程。其过程包括水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。由于厌氧处理能量需求低，污泥产量低，能分解好氧生物所不能分解的微生物，因此这项技术也被广泛应用于当今废水处理方面，并达到了预期的效果。2.4.3 污染土

45、壤的生物修复 土壤污染也是较为严重的环境污染问题之一。其最主要表现形式是土壤板结沙化、重金属污染，导致土壤无法利用，威胁农业生产。利用生物修复技术治理土壤重金属污染，主要是通过酶促反应等生物作用，对土壤中的重金属进行固定，由于重金属元素的化学形态发生了改变，其移动性也相应降低，通过有针对性的生物对其吸收、代谢，可以削减土壤中重金属的含量。达到净化土壤和降低毒性的目的。其中应用最广的属低温微生物修复技术。重金属的低温微生物修复是利用低温微生物的生物活性，对重金属亲和吸附或转化为低重金属的污染程度。此外，污染土壤经过生物修复过程后还可以增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，由此可以改善土壤的生态

46、结构，这将有助于土壤的固定，遏制风蚀、水蚀等作用，防止水土流失等同。2.4.4 白色污染的处理和消除 我国每年产生的塑料垃圾数量十分巨大，对环境的破坏程度也十分严重，城乡废弃塑料袋和农用地膜在土壤中几十年都不分解，是形成环境污染的主要污染物之一，利用现代生物技术广泛分离可以降解塑料的微生物群。对塑料制品中的主要成分聚酯分子结构进行破坏，从而消除污染物质。日本及德国已经开展了相关研究，利用细菌生产塑料，通过基因工程方法，对细菌生产聚合物的功能基因进行分离和重组，实现多功能塑料的高效生产。英国在这方面的应用已经实现了产业化，利用微生物生产的塑料深受消费者欢迎，尤其是受到生态环境保护者的青睐。在应用

47、现代生物技术治理白色污染的同时还应大力推广可降解的塑料制品和地膜的应用和发，从根本上解决白色污染。2.4.5 化学农药污染的消除 据估计，我国每年大量使用农药后，仅有0.1左右的农药可以作用于目标病虫，99.9的农药则进入农业生态系统，并在食物链中不断传递、迁移，对长期生活在农业生态系统中的人类构成危害，同时也对大气、水源造成污染。为了解决这些问题。人们致力于研制安全有效的方法，也取得了相应的进展。一方面是利用微生物对农药的毒害残留成分进行降解，消除其不利影响。微生物通过其生化途径，分解农药成分，形成无害产物，从而实现无副作用的农药污染治理。另一方面应全面推广生物农药，从源头上消除农药对环境的

48、污染。生物农药，主要是利用某些特殊微生物或微生物的代谢产物所具有的杀虫、防病、促生功能。其有效功能成分完全存在和来源于自然生态系统，是一种来于自然、归于自然正常的物质循环方式，它的最大特点是极易被日光、植物或各种土壤微生物分解。因此，可以认为它们对自然生态环境安全、无污染。英国科学家利用一种叫绿僵菌的真菌杀灭蝗虫。已经取得良好效果。目前，国际上真菌杀虫剂的开发研究方兴未艾，发展迅速同。2.4.6 微生物脱硫治理空气污染煤炭直接燃用时将排放出大量的SO等有害气体，造成大气污染，并由此引发酸雾、酸雨，破坏生态平衡，危害人类健康。据北京环保局计算，2010年北京市仅燃煤每年排人大气的SO就高达26万

49、t。生物学家利用微生物脱硫，把Fe变成Fe，把单体硫变成硫酸，取得了良好效果。如日本中央电力研究所从土壤中分离出一种硫杆菌，它是一种铁氧化细菌，能有效除去煤中的无机硫。目前，在美国和德国已建成2个实验室规模的连续生化脱硫试验装置。4个欧洲研究组织在意大利撒丁岛已建成一套工业规模的中试连续生化脱硫装置。这些研究已经取得了很大的进展，获得了许多有价值的数据，为朝着工程应用方向发展奠定了基础。微生物脱硫技术简单、成本低，更为重要的是符合“源头防治”的环保新理念。比“末端治理”污染产生后再治理效益高，是很有前途的大气污染治理方法9。2.4.7世界生物环保产业特点分析 全球生物环保产业特点之一：直接市场

50、规模不大，发展预期相当乐观。生物技术在环境保护方面的应用体现在两方面，一个是在工业生产过程中的清洁生产，一是生物技术应用于环保产业前者，主要体现在采用生物酶催化生产过程方面中国城市低碳经济网已经在实际生产过程中得到应用的生物酶产品涵盖糖酶、蛋白酶、脂肪酶/酯酶、多肽酶、裂解酶、转移酶等种类，其中糖酶有15种，脂肪酶11种，蛋白酶4种。生物环保产业至2014年规模不大，环保生物技术企业的营业额仅占整体生物技术产业的2.2%。虽然企业数量、规模、资金、人员、产品都远不如制药产业，但是在2015年环保生物技术产业的投入各领域研发的比例相当积极。以2002年为例，产业界投入研发的经费占营业额的21%，

51、研发方向上，45%的为基因探针和DNA-标记技术在环保方面的应用开发，40%的为生物恢复和生物过滤、生物材料、萃取和发酵等传统生化制程和微生物、病毒学/微生物生态。业者应用生物技术工具到传统制造业和合成制程和给料中，以研发出新的或是改良生产方法以制造工业原料、中间体和消费物品为主。2002年在生物恢复和生物过滤的产品和生产过程最多，其次为发酵，生物加工，生物转换等传统生化生产过程。全球2015年前进行受严重污染的土壤进行恢复时都是使用微生物/酵素来清理，应用生物技术生产出可以分解各种污染介质的微生物/酵素的前瞻性研究正在全球兴起。未来几年内具生态效益的酵素是未来市场最迫切需求，谁能最先推出谁就是市场赢家。在可持续发展成为主题的21世纪，环保生物技术产业在各国受到了空前的重视。全球生物环保产业特点之二：美国的全球主导地位已经确立。根据“环境企业期刊”对全球环保市场的分析与预测，从2000年到2005年间全球环保产业市场将成长18.56%,预估到2006年时将达到美金7155亿元的规模。全球环保市场以美国（37.4