第八章现代环境生物技术2006.ppt

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1、l生物技术（生物技术（BiotechnologyBiotechnology）：利）：利用生物有机体或组成部分发展新产用生物有机体或组成部分发展新产品或新工艺的一种技术体系。品或新工艺的一种技术体系。l包括包括基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工、酶工程和发酵工程等。程等。环境生物技术环境生物技术（Environmental Biotechnology）：应：应用于认识和解决环境问题过程的生物技术用于认识和解决环境问题过程的生物技术体系。体系。包括对环境污染效应的认识、环境质量包括对环境污染效应的认识、环境质量评价和环境污染的生物处理技术等。评价和环境污染的生物处理技术等。现代生

2、物技术发展为生物处理法现代生物技术发展为生物处理法开辟了道路开辟了道路主要内容主要内容一、一、 基因工程与环境污染生物治理基因工程与环境污染生物治理 二、二、 细胞工程与细胞工程与环境污染生物治理环境污染生物治理 三、三、 酶学工程与酶学工程与环境污染生物治理环境污染生物治理 四、四、 发酵工程与发酵工程与环境污染生物治理环境污染生物治理 五、五、 生态工程与生态工程与环境污染生物治理环境污染生物治理一、一、 基因工程与环境污染生物治理基因工程与环境污染生物治理 定向改造生物的新科学定向改造生物的新科学基因工程基因工程1973，美国科恩，美国科恩 基因工程基因工程（Gene Engineeri

3、ngGene Engineering）将一种生物将一种生物DNADNA某某个遗传密码片断连接到另外一种生物个遗传密码片断连接到另外一种生物DNADNA链上，链上，将将DNADNA重组，导入受体细胞进行无性繁殖，基重组，导入受体细胞进行无性繁殖，基因得以表达，就可按照人类愿望，设计出新遗因得以表达，就可按照人类愿望，设计出新遗传物质并创造出新生物类型的生物科学技术。传物质并创造出新生物类型的生物科学技术。 基因工程的基本过程基因工程的基本过程载载体体控制降解人工合成物的控制降解人工合成物的酶的遗传特性的质粒酶的遗传特性的质粒降解性质粒降解性质粒基因工程菌 降解卤代芳烃基因工程菌 分解尼龙基因工程

4、菌 分解多糖基因工程菌 抗金属基因工程菌 降解除草剂基因工程菌 降解杀虫剂基因工程菌例：油类泄露的基因工程修复油类泄露的基因工程修复 1989年年3月月24日日,xxonValdez号油轮在号油轮在阿拉斯加阿拉斯加的威廉姆的威廉姆海湾触礁海湾触礁,泄露原油达泄露原油达4200万万,污染了海水和附近海岸。污染了海水和附近海岸。 处理：处理：自然界存在的烃类降解微生物。自然界存在的烃类降解微生物。 将、的亲油性肥料播撒到海岸上将、的亲油性肥料播撒到海岸上, ,利用潮利用潮汐活动和偶发的风暴汐活动和偶发的风暴, ,保证肥料和油类的结合。保证肥料和油类的结合。1616个月后个月后,60%-70%,60

5、%-70%油类被降解。油类被降解。19901990年对其年对其他区域投加了肥料他区域投加了肥料,1991,1991年对依旧含有油类区年对依旧含有油类区域进行了处理。域进行了处理。基因工程方法处理：基因工程方法处理：将降解芳烃、萜烃、将降解芳烃、萜烃、多环芳烃和脂肪烃的质粒转移到降解脂烃的多环芳烃和脂肪烃的质粒转移到降解脂烃的假单胞菌假单胞菌体内体内, , 得到同时降解得到同时降解4 4种烃类的种烃类的“多质粒超级基因工程菌多质粒超级基因工程菌”。能把原油中约。能把原油中约2/32/3烃消耗掉。只要几个小时就分解完全。烃消耗掉。只要几个小时就分解完全。例，抗金属基因工程菌例，抗金属基因工程菌 假

6、单胞杆菌假单胞杆菌R4R4染色体抗镉基因，转染色体抗镉基因，转移到大肠杆菌移到大肠杆菌HB101HB101中，使其能在中，使其能在 100 mg/L100 mg/L含镉液体中生长，富有抗含镉液体中生长，富有抗镉遗传特征（中山大学生物系）镉遗传特征（中山大学生物系）中国仓鼠细胞含排除重金属离子的屏蔽中国仓鼠细胞含排除重金属离子的屏蔽基因，将其植入芜青植物体内，生长的基因，将其植入芜青植物体内，生长的芜青可将土壤中镉金属滞留在植物根部，芜青可将土壤中镉金属滞留在植物根部，阻止它到达茎、叶、果实部位。阻止它到达茎、叶、果实部位。二、二、 细胞工程与环境污染生物处理细胞工程与环境污染生物处理 细胞工程

7、（细胞工程（cell cell EngineeringEngineering ）是运用精是运用精巧的细胞学技术，有计划地改造细胞遗传巧的细胞学技术，有计划地改造细胞遗传结构，培育出人们所需要生物品种或具有结构，培育出人们所需要生物品种或具有某些新性状细胞群体。某些新性状细胞群体。细胞工程包括：细胞工程包括：细胞培养：细胞培养：取出，特制培养器生长取出，特制培养器生长细胞融合细胞融合（杂交，（杂交，质融核融质融核融）细胞重组（细胞重组（活细胞组件重装配，核移植活细胞组件重装配，核移植（显（显微仪）微仪）+ +细胞器移植细胞器移植（叶绿体、线粒体胞饮摄入）（叶绿体、线粒体胞饮摄入）遗传物质转移（遗

8、传物质转移（基因在细胞水平上转移：载基因在细胞水平上转移：载体法体法+ +微注射法微注射法）原生质体原生质体融合构建工程菌融合构建工程菌外界理化融合因子的诱导下外界理化融合因子的诱导下细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的部分细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的部分动植物间均可杂交动植物间均可杂交1980s开始开始原生质体融合构建环境工程菌原生质体融合构建环境工程菌 生物降解中，微生物细胞间互生现象生物降解中，微生物细胞间互生现象普遍：普遍：可通过原生质体融合技术，可可通过原生质体融合技术，可将多个细胞优势集中到一个细胞内。将多个细胞优势集中到一个细胞内。例如，构建苯环化合物降解菌例如，构建苯环化合物降

9、解菌产碱假单胞菌产碱假单胞菌Pseudomonas alcaligenes CO：可降解苯甲酸酯可降解苯甲酸酯和和3-氯苯甲酸酯，但不能利用苯、氯苯甲酸酯，但不能利用苯、1-4-二氯苯甲酸酯；二氯苯甲酸酯；恶臭假单胞菌恶臭假单胞菌Pseudomonas putida R5-3：可降解苯甲酸酯和可降解苯甲酸酯和甲苯，甲苯，但不能利用但不能利用3-氯苯甲酸酯、氯苯甲酸酯、1-4-二氯苯甲酸酯；二氯苯甲酸酯； 融合后：融合子融合后：融合子CB1-9CB1-9可以同时降解上述四可以同时降解上述四种污染物。种污染物。三、三、 酶工程与环境污染生物治理酶工程与环境污染生物治理酶工程酶工程（Enzymati

10、c EngineeringEnzymatic Engineering）：）：1970S1970S，利用生物有机体内酶所具有的某利用生物有机体内酶所具有的某些特异催化功能，借助固定化生物反应些特异催化功能，借助固定化生物反应器和生物传感器等新技术、新装置，高器和生物传感器等新技术、新装置，高效优质地生产特定产品的一种新技术。效优质地生产特定产品的一种新技术。是将酶学原理与化学工程相结合的应用是将酶学原理与化学工程相结合的应用技术。技术。 例，酶法清洁生产工艺应用例，酶法清洁生产工艺应用 如如酶法氧化乙烯或丙烯，生产环氧乙烷或环氧酶法氧化乙烯或丙烯，生产环氧乙烷或环氧丙烷丙烷（合成纤维、合成洗涤剂

11、、环氧脂原料），合成纤维、合成洗涤剂、环氧脂原料），传统化学传统化学方法生产，需高温、高压，容易爆炸，且污染方法生产，需高温、高压，容易爆炸，且污染发生量较高。发生量较高。 现在现在：将由葡萄糖转变成葡萄糖醛酮的将由葡萄糖转变成葡萄糖醛酮的酶反应，与生产环氧乙烷的酶反应偶联酶反应，与生产环氧乙烷的酶反应偶联起来，利用酶法生产。起来，利用酶法生产。-副产品果糖。副产品果糖。环氧乙烷生产工艺流程简图环氧乙烷生产工艺流程简图银触媒银触媒酶固定化技术酶固定化技术固定化酶固定化酶 又称称水不溶酶水不溶酶，是通过物理吸附法或是通过物理吸附法或化学键合法将水溶性酶和固态不溶性载化学键合法将水溶性酶和固态不溶

12、性载体相结合，使酶变成不溶于水但仍保留体相结合，使酶变成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物。催化活性的衍生物。特点：特点：比水溶酶稳定。比水溶酶稳定。适合于连续化、自动化和管道化工艺，适合于连续化、自动化和管道化工艺，还可回收、再生。还可回收、再生。设计成不同形式：设计成不同形式：如，静态水的酶片和酶布，如，静态水的酶片和酶布，动态废水的酶柱。动态废水的酶柱。德国降解对硫磷等德国降解对硫磷等9 9种酶，共价结合种酶，共价结合于多孔玻璃及硅珠上，处理对硫磷废水，去除率于多孔玻璃及硅珠上，处理对硫磷废水，去除率9595上，上，可连续工作可连续工作 70 d70 d，酶活性无明显损失。，酶活性无明显损

13、失。酶固定化技术酶固定化技术固定化细胞固定化细胞 微生物细胞自身就是一个天然固定化酶反应器。微生物细胞自身就是一个天然固定化酶反应器。用用制备固定化酶的方法直接将细胞加以固定，即可催制备固定化酶的方法直接将细胞加以固定，即可催化一系列生化反应。化一系列生化反应。四、四、 发酵工程在环境污染治理中应用发酵工程在环境污染治理中应用 发酵发酵（FermentationFermentation）是微生物分解有机）是微生物分解有机物，产生乳酸或乙醇和二氧化碳的作用过程。物，产生乳酸或乙醇和二氧化碳的作用过程。也泛指一般利用微生物制造原料或产品的过程，也泛指一般利用微生物制造原料或产品的过程，可在可在无氧

14、（无氧（如乙醇发酵、乳酸发酵、丙酮发酵和丁醇发酵如乙醇发酵、乳酸发酵、丙酮发酵和丁醇发酵）或或有氧有氧（如抗生素发酵、醋酸发酵、氨基酸发酵和维生素如抗生素发酵、醋酸发酵、氨基酸发酵和维生素发酵发酵）下进行。下进行。发酵工程发酵工程 亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵 酵母菌酵母菌- -活性污泥系统活性污泥系统 废非纤维素资源化废非纤维素资源化 有机固体废物的快速堆肥有机固体废物的快速堆肥例如，亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵例如，亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵 亚硫酸盐纸浆废液亚硫酸盐纸浆废液含较多木质素盐和糖类，总固含较多木质素盐和糖类，总固形物形物9 17（有机物占总固形物的（有机物占总固

15、形物的85 90),),可发酵性糖是半纤维素。可发酵性糖是半纤维素。预处理，预处理，即通入空气，使有害物质即通入空气，使有害物质SOSO2 2挥发，用挥发，用石灰水等中和废液的酸，石灰水等中和废液的酸，PHPH为为5.4-5.55.4-5.5，产生的，产生的硫酸钙和亚硫酸钙沉降法除去。硫酸钙和亚硫酸钙沉降法除去。 澄清液中添氮和磷澄清液中添氮和磷，在，在发酵罐中加絮状酵母发酵罐中加絮状酵母，并通空气搅拌，进行乙醇发酵。并通空气搅拌，进行乙醇发酵。 发酵液流发酵液流入澄清罐入澄清罐，将沉淀的酵母留在澄清将沉淀的酵母留在澄清器底部中心，并再回流到发酵罐中器底部中心，并再回流到发酵罐中 澄清液澄清液

16、送去蒸馏，生产乙醇。送去蒸馏，生产乙醇。五、五、 生态工程生态工程生态工程生态工程（Ecological Engineering）：人工）：人工设计的、以生物种群为主要结构组分、具设计的、以生物种群为主要结构组分、具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。工程系统。马世骏：应用生态系统中物种共生与物质循环再生马世骏：应用生态系统中物种共生与物质循环再生 原理，结合系统工程的最优化方法设计的分层多原理，结合系统工程的最优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。级利用物质的生产工艺系统。实例实例: :氧化塘法氧化塘法 污泥污泥产酸菌产酸菌藻体回收藻体回

17、收藻类光合作用产生的氧及空气的氧维持好气状态藻类光合作用产生的氧及空气的氧维持好气状态 人工湿地处理系统人工湿地处理系统 人工湿地（人工湿地（Artifcial Wetland）是根据自然是根据自然湿地湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。模拟的人工生态系统，用于处理废水。 人工湿地处理能力可超过自然湿地。人工湿地处理能力可超过自然湿地。原理：原理：物理、化学和生物作用物理、化学和生物作用综合效应：综合效应：主要作用：主要作用：细菌分解和转化作用，伴随着物理、化学作细菌分解和转化作用，伴随着物理、化学作用。用。人工湿地中大型水生植物作用不可忽视：人工湿地中大型水生植物作用不可忽视：空气中的空气

18、中的O O2 2经过大经过大型水生植物的叶、茎的传输到达根部，扩散到周围缺氧的底质中，形成了氧型水生植物的叶、茎的传输到达根部，扩散到周围缺氧的底质中，形成了氧化的微环境，刺激了好氧生物对有机物的分解作用，化的微环境，刺激了好氧生物对有机物的分解作用，有助于硝化细菌有助于硝化细菌的生长，的生长，降低了废水中的降低了废水中的BOD，并将，并将 NH3N转化为转化为 NO3、 NO2。效率高，可作为二级处理设施和深度处理设施。效率高，可作为二级处理设施和深度处理设施。生态农业生态农业 生态农业（生态农业（Ecological Agriculture）以生以生态学理论为依据态学理论为依据,在一定区域

19、内在一定区域内,因地制宜因地制宜规划规划,组织和进行农业生产。组织和进行农业生产。即建立和管理一个生态上自我维持的低输入,经济上可行的农业生产系统, 能在长时间不对其环境造成明显改变下具有最大生产力。 获得获得生产发展、生态环境保护、能源再生产发展、生态环境保护、能源再生利用、经济效益生利用、经济效益四者统一。四者统一。大兴区留民营生态农场大兴区留民营生态农场张占林1987年被联合国环境规划署授予全球环保五百佳之一 延庆县生态蔬菜基地-1986标准化、无公害 13.5万亩，出口蔬菜基地面积达6万亩-高压汞灯 、性诱剂杀虫 思考题思考题 1现代生物技术的涵义是什么？它在环现代生物技术的涵义是什么

20、？它在环境污染治理方面具有什么应用前景？境污染治理方面具有什么应用前景？ 2在环境污染治理中，你认为生物工程在环境污染治理中，你认为生物工程将会在哪些方面发挥作用？将会在哪些方面发挥作用？ 3氧化塘处理废水的特点是什么氧化塘处理废水的特点是什么？去除？去除污染物的原理是什么？污染物的原理是什么？ 4什么是生态工程什么是生态工程? ?环境污染治理中如何环境污染治理中如何运用生态工程原理的运用生态工程原理的? ? 5. 土地处理系统与污灌的主要区别。土地处理系统与污灌的主要区别。质粒质粒是一种独立于细菌染色体外、共是一种独立于细菌染色体外、共价闭环的双链环状价闭环的双链环状DNA分子。质粒分子。质

21、粒一般不携带重要基因，是一种辅助一般不携带重要基因，是一种辅助性遗传单位。性遗传单位。 抗药质粒抗药质粒： 污染物外排质粒：污染物外排质粒： 降解性质粒：降解性质粒：假单胞菌属中的假单胞菌属中的石油降解质粒石油降解质粒，如樟脑、辛烷、萘、水杨酸盐、甲如樟脑、辛烷、萘、水杨酸盐、甲苯和二甲苯等。苯和二甲苯等。农药降解质粒农药降解质粒：降解：降解2 2，4 4D D，六，六六六等农药的酶类的质粒。六六等农药的酶类的质粒。化工污染物降解质粒化工污染物降解质粒：如对氯联：如对氯联苯和尼龙低聚体降解质粒等苯和尼龙低聚体降解质粒等抗重金属离子质粒抗重金属离子质粒：（五）质粒与微生物的抗性（五）质粒与微生物的抗性第二章第三节 国际湿地公约国际湿地公约中中湿地湿地(Wetland)：指不问其为天然或人工，长久或暂时的指不问其为天然或人工，长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，静止或流沼泽地、泥炭地或水域地带，静止或流动，淡水、半咸水、咸水体，包括低潮动，淡水、半咸水、咸水体，包括低潮位时水深不超过位时水深不超过6m的水域。的水域。