第二节 生物技术的应用
一、生物技术与农业
目前人类所面临的粮食安全、环境恶化、资源匮乏等问题都有待于生物技术来解决。现在高质量的水稻、玉米、小麦、土豆等粮食作物就是通过生物技术的手段来提高其产量并获得优良性状的。传统的育种方式，包括生殖杂交，将继续作为提高谷物优良性状的主要方式，还有组织培养、单倍体育种、细胞质融合工程和基因工程等现代生物技术方法将发挥越来越重要的作用。
（一）农业生物技术的发展现状
农业生物技术的主要任务是培育转基因动植物的新品种，使它们具有高产、优质和强的抗逆性。从世界范围来说，现代农业生物技术已逐步形成。2005年，转基因大豆等转基因食品在全球的种植面积已经达到9 000万公顷，1996—2005年的十年时间里全球转基因作物的种植面积增加了50多倍，发展非常迅速。利用原生质体培养技术成功开发了100多种再生植物。生物农药业广泛用于农业生产中。在畜牧业和渔业方面已培育出转基因牛、羊、猪和鱼。利用冷冻胚胎技术已生产两种犊牛10万多头。此外，促进畜牧业增产的动物激素、酶和氨基酸等饲料添加剂及农牧业用的各种诊断试剂和疫苗等农业生物技术成就为社会创造了巨大的财富。
（二）农业生物技术的发展热点
1．基因组研究
21世纪基因组的研究将由“结构基因组”向“功能基因组”转变。基因组的研究内容对生物技术产业产生了巨大的推动作用，以基因组为核心的生物技术产业已形成并正在迅速发展。
2．非生物抗逆性研究
农作物基因工程已经在抗生物逆境方面取得了很大的成就，目前抗逆性研究正在由生物性抗逆研究转向非生物抗逆性研究。农作物的非生物逆境包括干旱、水涝、盐渍、高温、低温、重金属胁迫等。随着人们对非生物逆境的作用机制和植物非生物逆境信号反应的分子机制的了解，克隆与非生物逆境信号传导相关的基因转入植物将可能使转基因植物获得对非生物逆境的抗性。
3．目标性状的改良
农业生物技术的研究重点将从目前的“抗性”向“品质”转移。品质改良包括水果蔬菜的延熟保鲜，增加营养价值，富含抗癌蛋白质，提高农作物的产量等方面。
4．动植物生物反应器的构建
当人们围绕转基因作物食用问题进行激烈争论时，世界正悄悄地发生着一场农业生物技术革命，即分子农业的发展。植入新型特性的转基因动物可以生产出科学、医学、工业等领域都十分需要的生物分子，这种植物的种植方法及动物的养殖方法与常规方法一样，只是收获的目的是获取生物分子，如酶、激素、抗体、生物塑料等。目前全球仅有20家公司从事分子农业生产，但是相关研究与投资正在迅速发展中。动植物反应器研究的进展使农业这一概念的外延大大拓宽，突破了传统农业的范畴，延伸到工业及医药领域，体现了现代科学的发展趋势。
（三）农业生物技术的应用
1．植物细胞工程的应用
（1）在作物遗传育种中的作用 植物细胞工程应用于作物遗传育种的意义在于它能将有利基因转移到需要改良的作物中；能克服有性杂交中不同品种、种属之间的不亲和障碍，实现远缘杂交；能加速育种进程，提高选择效率；能筛选抗性突变体，进行抗性育种等。目前使用比较广泛的有单倍体育种、多倍体育种、原生质体培养、体细胞杂交和立体受精等技术。
（2）在植物快速繁殖中的应用 植物细胞工程还应用于植物快速繁殖。植物离体无性繁殖技术又称植物微繁殖技术，就是利用组织培养方法将植物体某一部分的组织进行培养并诱导分化成大量的小植株，从而达到快速无性繁殖的目的。其特点是繁殖速度快，周期短，占用空间小，不受季节、气候等因素的影响，可脱去病毒以及植物生长整齐一致等，可实现种苗工厂化生产，在作物改良上具有显著的经济效益和应用前景。
（3）在植物脱毒中的应用 植物病毒病严重地影响作物的产量和品质。人们常见的马铃薯、草莓、葡萄等植物，果实越种越小，而且品质越来越差，就是病毒感染导致的种质退化现象。1952年，法国科学家首次建立了生长点培养成植株的脱毒法，从而开创了防治植物病毒病的新途径。在植物的老叶及成熟组织和器官中，病毒含量较高，在植物幼嫩的和未成熟的部位病毒的含量低，因此根据病毒在植物体内的分布不一致的特点，将茎尖分生组织切下进行组织培养则可以获得脱病毒植株。组织培养脱毒复壮可使植物病毒病得以成功解决。
（4）在植物种质保存中的应用 种质是决定生物遗传性状，并将遗传信息从亲代传递给子代的遗传物质，含有种质并能繁殖的生物体即为种质资源。目前，植物种质资源保存的主要手段是原境保存或在异境建立种质基因库及种子库。前者需要大量的土地和人力资源，成本高，且易受自然条件的影响，后者对于保存易脱水敏感的种子和有性繁殖困难的植物无能为力，因此开发了离体保存的方法。常用的离体保存的方法有缓慢生长保存和超低温保存，前者适合中短期保存，后者适合长期保存。
农业生物技术的发展趋势是以企业技术创新为主体的产学研一体化程度越来越高，商品化速度越来越快，产业发展的关联度越来越强，对各国的政治、经济、军事、文化等方面的影响越来越大。
2．动物基因工程的应用
目前动物基因工程领域研究的热点是转基因动物技术与动物克隆技术，具有巨大的科学意义和广泛的应用价值。将转基因技术与克隆技术融合，创建转基因克隆动物是21世纪培育遗传工程动物的主导性技术途径。
（1）在动物育种中的应用 动物基因工程育种，旨在改造动物的遗传本质，从基因水平上改良动物的农业性状，以适应人类的需要。通过动物基因工程育种创造出的新的品种和生物类型具有抗病能力高，抗寒能力强，动物的品质优良和动物的生长率快等优点。
（2）制备非常规畜牧产品 通过动物基因工程技术可以制备出非常规畜牧产品，如不同特性的牛奶、羊奶，以满足人类更多的需求。我国科学家成功地培育了乳汁中含有活性人凝血因子的转基因绵羊，2004年中国农业大学又先后成功地获得了人乳清蛋白、人乳铁蛋白、人岩藻糖转移酶的基因奶牛，这些成就都为我国“人源化牛奶”的产业化奠定了重要的基础。
（3）保护动物种质资源 种质对生产和选育有现实或潜在利用价值，可以是群体、个体，可以是部分器官、组织，也可以是染色体或基因片段。动物种质资源的保护可以保证遗传多样性不丢失。对于那些很难得到胚胎的珍稀濒危动物，可采用体细胞为核供体，进行细胞核移植的方法来获得后代。日本、澳大利亚、中国等国家已经开始应用体细胞克隆技术进行濒危灭绝的动物如老虎、熊猫、恒河断尾猴及名贵宠物的繁殖研究。
3．水稻基因组计划
水稻基因组计划是1998年由中国大陆以及中国台湾地区与日本、美国、法国、韩国、印度等国发起，多国共同完成的对水稻基因研究的国际科研工程，计划用8年的时间花费2亿美元完成水稻的基因组计划。1998年2月，中、日、美、英、韩五国代表制订了“国际水稻基因组测序计划”，2002年12月12日，中国科学院、科技部、国家发展计划委员会和国家自然基金会联合举行新闻发布会，宣布中国水稻基因组“精细图”已经完成。水稻基因组计划研究包括水稻基因组测序和水稻基因组信息，是继“人类基因组计划”后的又一重大国际合作的基因组研究项目。
4．现代生物农药
生物农药是指利用生物活体、由生物体产生的活性成分或化学合成的具有天然化合物结构的物质，制备出的可防治植物病虫害、杂草或能调节植物生长的制剂。近年来也将具有调节抗逆病虫害的转基因植物列为生物农药。
生物农药具有对人畜安全、无毒、与环境兼容性好、不杀伤天敌昆虫、选择性强、效率高、残留量小、不易使害虫产生抗药性等优点，因此生物农药更符合现代社会对农业生产可持续发展的要求。生物农药可分为微生物农药、转基因生物农药、生物化学农药和天敌生物农药四大类。
5．微生物肥料
微生物肥料是由一种或数种有益微生物活细胞经过发酵或人工培养而生成的含有大量有益活菌体，对作物有特定肥效的特定微生物制品，主要有根瘤菌剂、固氮菌剂、磷细菌剂、抗生菌剂、复合菌剂等。
微生物肥料是活体肥料，它的作用主要靠它含有的大量有益微生物的生命活动来完成。只有当这些有益微生物处于旺盛的繁殖和新陈代谢的情况下，物质转化和有益代谢产物才能不断形成。因此，微生物肥料中有益微生物的种类、生命活动是否旺盛是其有效性的基础，而不像其他肥料是以氮、磷、钾等主要元素的形式和多少为基础。正因为微生物肥料是活制剂，所以其肥效与活菌数量、强度及环境条件密切相关，如温度、水分、酸碱度、营养条件及原生活在土壤中的土著微生物的排斥作用都有一定影响，因此在应用时要加以注意。
微生物肥料具有提高化肥利用率、缓和或减少农产品污染、改善农产品品质、减少环境污染、改良土壤等作用。其功效已得到人们的认可。
二、食品生物技术
食品生物技术是生物技术在食品原料生产、加工和制造中的应用，是指以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。它包括食品发酵和酿造等最古老的生物技术加工过程，也包括应用现代生物技术来改良食品原料的加工品质的基因、生产高质量的农产品、制造食品添加剂、植物和动物细胞的培养以及与食品加工和制造相关的其他生物技术，如酶工程、蛋白质工程和酶分子的进化工程等。
（一）食品生物技术的研究内容
（1）通过基因工程和细胞工程完成动物、植物、微生物等种之间的转移，以达到获取或改善食品原料，提高农产品的品质和提高产量的目的。
（2）利用基因工程、发酵工程生产用于农产品保鲜的“绿色”抗氧化剂、防腐剂，以及获得工业化生产预定的食品或保健食品的功能成分。
（3）通过基因工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程和分子进化工程使食品加工工艺高效化，提高食品的附加值，提高农产品的利用率，以及提高食品的保健功能。
（4）利用基因工程、酶工程和发酵工程减少食品的损失，提高食品质量管理的效率，保证食品质量和安全性。
（5）通过发酵工程和酶工程处理废弃物，提高资源的利用率并减少环境污染。
（二）食品生物技术在食品工业发展中的作用
食品生物技术对人类的作用具体体现如下：缓解由于人口膨胀带来的粮食短缺的问题；不断丰富食品的品种，改善食品的营养价值与感官价值，满足不同消费群体、不同生理需求的人群的需要；开发新型功能性食品，保障人类健康；开发新资源食品，拓宽人类食物来源；改进生产工艺，提高生产效率，节约能源，保护生态环境；不断完善食品检测技术，保证食品安全等。
（三）食品生物技术的应用
1．基因工程在食品工业中的应用
生物技术在食品工业中的应用首先是在基因工程领域，即以DNA重组技术或克隆技术为手段，实现动物、植物、微生物等的基因转移或DNA重组，以改良食品原料或食品微生物。如利用基因工程改良动物性食品的性状，改良植物食品的品质，改良果蔬采摘后的品质，改良食品加工的原料，改良微生物的菌种性能，生产酶制剂，生产保健食品的有效成分。
2．细胞工程在食品工业的应用
细胞工程在食品工业的应用，即以细胞生物学的方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞培养技术，包括细胞融合技术及动、植物大量控制性培养技术，以生产各种保健食品的有效成分、新型食品和食品添加剂。
3．酶工程在食品工业的应用
酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂，可应用于食品生产过程中物质的转化。酶工程在食品工业的应用可以说是生物技术在食品工业中应用的典型代表。目前有几十种酶被广泛地应用于食品加工过程中，主要有淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶等，其应用领域包括糖类生产、蛋白质制品加工、果汁生产、果蔬生产、速溶茶生产、酱油酿造、酿酒等。
4．发酵工程在食品工业的应用
发酵工程本身就起源于食品制造，即采用现代发酵设备，将经优选的细胞或经现代技术改造的菌株进行放大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定的食品或食品的功能成分。发酵工程在食品领域的应用主要包括在单细胞蛋白质生产中的应用、在食品添加剂生产中的应用、在调味品生产中的应用、在功能性食品中的应用和在饮料生产中的应用等。
三、生物技术与人类健康
医药卫生领域是现代生物技术应用最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。据统计，目前生物技术的实际应用约60%是在医药卫生方面。生物技术在医药卫生领域的应用主要表现在以下几个方面：疫苗、生物制药、医学诊断、疾病治疗和人类基因组计划等。
（一）生物技术与疫苗
疫苗是目前医学上最有潜力的防御物质，是将病原微生物（如细菌、立克次氏体、病毒等）及其代谢产物，经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。疫苗保留了病原菌刺激动物体免疫系统的特性。当动物体接触到这种不具伤害力的病原菌后，免疫系统便会产生一定的保护物质，如免疫激素、活性生理物质、特殊抗体等；当动物再次接触到这种病原菌时，动物体的免疫系统便会依循其原有的记忆，制造更多的保护物质来阻止病原菌的伤害。
疫苗按其功能可分为预防性疫苗和治疗性疫苗两类。对疾病起预防作用的疫苗称为预防性疫苗，包括牛痘苗、麻疹减毒活疫苗、卡介苗、人用狂犬病纯化疫苗、脊髓灰质炎灭活疫苗及白、百、破联合疫苗等。预防性疫苗对健康人群起到了很好的免疫保护作用，但对于已经感染的机体，特别是长期带菌或携带病毒的慢性感染往往不能诱发有效的免疫应答。治疗性疫苗是对疾病起治疗作用的疫苗，包括感染性疾病的治疗性疫苗（包括由病毒、细菌、寄生虫等病原体感染疾病）、肿瘤治疗性疫苗（如前列腺癌、肾癌、黑色素癌、乳腺癌等）、自身免疫性疾病治疗疫苗（如红斑狼疮、自身免疫脑脊髓炎等）、移植用治疗性疫苗（通过封闭协同刺激分子，诱导对移植物的免疫耐受来延长移植物的存活期）、变态反应治疗疫苗（如各类过敏和哮喘等）。
疫苗按其生产工艺可分为传统疫苗和新型疫苗两种。传统疫苗指用病原体灭活或减毒以保留免疫原性，去除其传染性或毒性的方法制作的疫苗。传统疫苗有效地控制了多种传染病。20世纪80年代中期产生了一系列新型疫苗，新型疫苗指应用基因工程技术和生物化学合成技术生产的疫苗，包括基因工程亚单位疫苗、重组疫苗、合成肽疫苗、基因工程载体疫苗、核酸疫苗等。新型疫苗的应用克服了传统疫苗的一些缺陷，为疫苗的应用提供了更广阔的发展前景。
（二）生物技术与生物制药
生物制药是指利用现代化生物技术发现、筛选或生产得到的药物。目前，生物制药主要指基因重组的蛋白质分子类药物。生物制药涉及生物药物制备、生产的各种技术，主要包括现代生物技术及其下游技术。
生物药物是指运用微生物学、生物学、医学、生物化学等的研究成果，从生物体、生物组织、细胞、体液等，综合利用微生物学、化学、生物化学、生物技术、药学等科学的原理和方法制造的一类用于预防、治疗和诊断的制品。生物药物包括天然生化药物、生物制品和生物技术药物。
（三）生物技术与医学诊断
现代生物技术的发展开辟了一些诊断的新天地，新的诊断技术在疾病防治上发挥了越来越重要的作用，主要有现代分子诊断技术、酶联免疫吸附测定、DNA诊断系统、基因芯片诊断、疟疾的分子诊断和肿瘤的分子诊断等技术。
（四）生物技术与疾病治疗
干细胞是一种未分化、未成熟的细胞，是具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞，是机体的起源细胞，是形成人体各种组织器官的原始细胞。在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞或组织器官，医学界称其为“万用细胞”。干细胞治疗是把健康的干细胞移植到病人或自己体内，以达到修复病变细胞或重建功能正常的细胞和组织的目的。干细胞疗法就像给机体注入新的活力，是从根本上治疗许多疾病的有效方法。例如，造血干细胞的移植是目前治疗白血病和某些遗传性血液病的新出路，另外，在肿瘤和免疫系统疾病治疗中也有很好的疗效。
基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病，以达到治疗的目的。也就是将外源基因通过基因转移技术插入病人适当的受体细胞中，使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。从广义说，基因治疗还可包括从DNA水平采取的治疗某些疾病的措施和新技术。按照分子生物学的研究方法和原理，基因治疗可分为基因置换、基因修复、基因修饰、基因失活、免疫调节等。
（五）人类基因组计划
人类基因组计划、曼哈顿原子弹计划和“阿波罗”计划并称为人类科学史上的重大工程。人类基因组计划于20世纪80年代被提出，由美国政府于1990年10月正式启动，后有英、日、中、德、法等国参加，进行了人体基因作图，测定人体23对染色体由3×109个核苷酸组成的全部DNA序列，2000年完成了人类基因组“工作框架图”，2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。其主要研究任务是人类DNA的测序，此外还有测序技术，人类基因组序列变异，功能基因组技术，比较基因组学，社会、法律、伦理研究，生物信息学和计算生物学及教育培训等目的。换句话说，就是要揭开组成人体4万个基因的30亿个碱基对的秘密。人类基因组计划主要应用了以下四个方面的研究方法和技术。
（1）基因连锁图分析 利用人类家族遗传史和染色体上基因交换频率的试验数据，推测任何两个已知性状的基因之间的距离，根据点测交试验确定各基因的相互位置和排列顺序，作出人类染色体上30 000多个基因的连锁图。
（2）基因组物理图的测定 先将染色体切割成若干个可辨认的限制性酶切片段，找出其上独特性的序列作为界标，分析各界标之间的距离，确定各片段在染色体上的实际排列顺序。
（3）基因组测序 具体分析测定人类23对染色体的全部基因组的碱基序列，这是人类基因组计划最繁重、耗时最多的工作，是人类基因组计划的核心部分。主要方法有核苷酸自动测定仪测定、荧光探针、标记技术等。
（4）生物（DNA）信息学分析 将人类基因组的全部4万个基因包括30亿个碱基的序列及其信息输入计算机，利用比较统计学方法和计算机软件技术，解读人类基因组信息。
四、生物技术与能源
能源是人类赖以生存的物质基础之一，是地球演化及万物进化的动力，它与社会经济发展和人类的进步及生存息息相关。如何合理地利用现有的能源资源，始终贯穿于社会文明发展的整个过程。能源分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源是指太阳能、风能、生物能、海洋能和水能，因为它是取之不尽、用之不竭的，因而它是生物工程的主要研究对象之一。
（一）微生物技术与石油开采
微生物采油是20世纪50年代以来发展起来的一项新的提高油田采收率的技术。当前许多国家正在加强这方面的研究。
大量的试验表明，有很多种细菌能把石油当成营养吃下去，并合成各种各样的代谢产物。这种产物可以是甲烷、氢、二氧化碳、硫化氢等气体，也可以是甲酸、乙酸等，还可以是醇、酸、酮等有机溶剂，以及蛋白质等高分子化合物和类脂体等表面活性物质。这些气体物质有助于提高油层压力，使石油体积膨胀，黏度降低；有机溶剂可以与石油互溶，降低石油的黏度，提高流动性，还可以提高水的黏度，堵塞高渗透孔道；表面活性物质在油层中可以让油、水这两种本来不互溶的液体互相溶解乳化，同洗涤剂一样把黏附在岩石表面的油洗下来。细菌这种微生物有利于提高油田采收率，这是油田进行三次采油的有效方法。
用微生物提高石油采收率的研究包括：①对已经存在于石油回收中的微生物进行更好的生物化学、生理学方面的了解；②开发只降解很少一部分有用的石油成分的微生物；③筛选产生表面活性剂以及增黏剂的微生物。
（二）乙醇的生产
乙醇俗称酒精，是以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏而制成的产品。
以发酵法生产的乙醇具有和矿物燃料相似的燃烧性能，但其生产原料为生物源，是一种可再生的能源。此外，乙醇燃烧过程所排放的一氧化碳和含硫气体均低于汽油，燃烧所产生的二氧化碳和作为原料的生物源所消耗的二氧化碳在数量上基本持平，这对减少大气的污染及抑制“温室效应”意义重大，燃料乙醇也因此被称为“清洁燃料”。
乙醇的工业生产方式有微生物发酵法和化学合成法两种。微生物发酵法按生产原料的不同，具体地又可分为淀粉质原料、糖蜜原料及亚硫酸盐纸浆废液生产乙醇的三种方法。我国主要以微生物发酵法生产乙醇。
化学合成法与微生物发酵法相比，具有成本低、劳动生产率高和易实现生产连续化与自动化等优点，但是化学合成法生产的乙醇中往往夹杂着异构化高级醇类，对于人的高级中枢神经有麻醉作用，不适用于饮料、食品、医药和香料等方面，而且化学合成法的投资较大。
（三）生物沼气
沼气是一种可燃性气体，主要成分为甲烷，还有二氧化碳、少量氢气、氮气、硫化氢等气体。甲烷是一种最简单的有机化合物，是良好的气体燃料。它的化学性质极为稳定，不溶于水，无色、无毒、无臭。
利用微生物发酵技术来处理污水和废物生产沼气，具有高效、节能、投资省、活性污泥少等特点，是生物物质有效转换的技术之一。推广和应用沼气可以充分利用生物物质能，有效解决农村能源的短缺问题，可以增加土壤有机质，提高土壤肥力，保持良好的生态环境，改善卫生条件。我国推广利用沼气，能将解决能源、肥料和环境保护密切结合在一起。20世纪90年代，沼气利用在我国得到较快的发展，并取得丰硕的成果。
（四）清洁能源（氢气）
能源短缺和环境污染是21世纪世界面临的挑战性课题，而氢气以其燃烧热值高、清洁无污染、适用范围广等诸多优点，成为21世纪最理想的能源。氢是公认的最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。已经通过热化学分解、电解水、水煤气转化和甲烷裂解等方法来获得氢气。
氢气作为能源使用具有以下的优点：氢及其同位素的资源丰富；氢含有极大的潜能，氢的用途广泛；制氢的方法很多、可获性大；氢可贮、可输，能量集中、使用方便；氢是清洁能源，对其他能源起调节、补偿作用等。
五、生物技术与环境
（一）环境生物技术的概念
环境生物技术是一门由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科。它是直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染并同时生产有用物质的人工技术系统。
（二）环境生物技术的特点
与化学、物理等其他治理技术相比，生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和、可增强自然环境的自我净化能力和无二次污染等显著优点。随着生物技术研究的进展和对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展为从根本上解决环境问题提供了希望。
（三）现代生物技术在环境保护中的应用
1．污水的生物净化
污水中的有毒物质包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等。目前普遍使用生物法或生物法与其他方法结合来净化污水。我国的污水处理厂主要采用的生物处理法具体包括微生物法、生物膜法、稳定塘法、土地处理法等。
微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用，从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质，使污水得到净化。当今固定化酶和固定化细胞技术处理污水就是生物净化污水的方法之一，固定化酶和固定化细胞技术是酶工程技术。固定化酶又称水不溶性酶，是通过物理吸附法或化学键合法使水溶性酶和固态的不溶性载体相结合，将酶变成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物，微生物细胞是一个天然的固定化酶反应器，用制备固定化酶的方法直接将微生物细胞固定，即可形成催化一系列生化反应的固定化细胞。运用固定化酶和固定化细胞可以高效处理废水中的有机污染物、无机金属毒物等。近几年我国在应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠方面取得较大进展，对于100mg/L废水，降解率和酶活性保存率均在90%以上；利用固定化酵母细胞降解含酚废水的技术也已应用于废水处理。
2．污染土壤的生物修复
重金属污染以及来自有毒有机废物的污染是造成土壤污染的主要污染物。土壤污染的生物修复是利用生物（主要是微生物、植物）作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性、降低有机废物的含量。其原理是：通过生物作用（如酶促反应）改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性，通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。污染土壤的生物修复过程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。
3．白色污染的消除
废弃塑料和农用地膜很难分解，也不会被腐蚀，燃烧处理又会产生有害气体，因此是形成环境污染的重要成分。利用生物工程技术，不仅可以广泛地分离、筛选能够降解废弃塑料和农用地膜的优势微生物，构建高效降解菌，而且可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物（如根瘤菌）中，使两者同时发挥各自的作用，将废弃塑料和农用地膜迅速降解。
4．化学农药污染的消除
生物农药是由生物体产生的具有防止病虫害和除杂草等功能的一大类物质的总称。它们多是生物体的代谢产物，主要包括微生物杀虫剂、农用抗生素制剂和微生物除草剂等。微生物杀虫剂主要包括病毒杀虫剂、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、放线菌杀虫剂等，长期以来并没有得到广泛的使用。现在正在利用重组DNA技术克服其缺点来提高杀虫效果，例如目前病毒杀虫剂的一个研究热点是杆状病毒基因工程的改造，正在研究将外源毒蛋白基因如编码神经毒素的基因克隆到杆状病毒中以增强杆状病毒的毒性；将能干扰害虫正常生活周期的基因如编码保幼激素酯酶的基因插入杆状病毒基因组中，形成重组杆状病毒并使其表达出相关激素，以破坏害虫的激素平衡，干扰其正常的代谢和发育，从而达到杀死害虫的目的。
5．固体垃圾的生物处理
固体垃圾即废渣，是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的，以固态和泥状存在的物质。固体废弃物对人类环境污染很大，主要体现在占用大量土地、污染土壤和水源、污染大气等方面。
固体废弃物的生物治理技术是指依靠自然界广泛分布的微生物的作用，通过生物转化，将固体废物中易于生物降解的有机组分转化为腐殖质肥料、沼气或其他转化产品，如饲料蛋白、乙醇或糖类，从而达到固体废弃物无害化的一种处理方法。该方法主要包括堆肥法和卫生填埋法等。
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