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1、现代生物技术现代生物技术(jsh)与环境污染治理与环境污染治理第一页,共32页。7.1现代生物技术(jsh)概况什么是生物技术(什么是生物技术(BiotechnologyBiotechnology)?)?指利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。指利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。生物技术的内容生物技术的内容基因工程:主要涉及遗传物质核酸分离、提取、体外剪切、重组以及扩增与基因工程:主要涉及遗传物质核酸分离、提取、体外剪切、重组以及扩增与表达等技术。表达等技术。细胞工程:细胞的离体培养、繁殖、再生、融合以及细胞核、细胞质乃至染细胞工程:细胞的离体培养、
2、繁殖、再生、融合以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器的移植改建等技术。色体与细胞器的移植改建等技术。酶学工程:利用酶,借助固定化技术、生物反应器和生物传感器等新技术、酶学工程:利用酶,借助固定化技术、生物反应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技术。新装置,高效优质地生产特定产品的技术。发酵工程:为微生物提供发酵工程:为微生物提供(tgng)(tgng)最适宜的发酵条件生产特定产品的一种技最适宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。术。第1页/共32页第二页,共32页。生物技术的依据和出发点生物技术的依据和出发点生物技术的依据和出发点是生物有机体所具有的各种机能,即生物在生长、
3、生物技术的依据和出发点是生物有机体所具有的各种机能,即生物在生长、繁殖过程中进行物质合成、降解和转化繁殖过程中进行物质合成、降解和转化(zhunhu)(zhunhu)的能力。的能力。生物技术的核心基础是基因工程和细胞工程。生物技术的核心基础是基因工程和细胞工程。生物技术的特点生物技术的特点与传统技术相比,具有一系列优越性:不可取代,精确、快速,低耗、高效,与传统技术相比,具有一系列优越性:不可取代,精确、快速,低耗、高效,副产物、副作用小,安全性好。副产物、副作用小,安全性好。环境生物技术(环境生物技术(Environmental BiotechnologyEnvironmental Biot
4、echnology)环境生物技术指应用于认识和解决环境问题过程中的生物技术体系,包括对环境生物技术指应用于认识和解决环境问题过程中的生物技术体系,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。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。生物技术在环境污染生物处理中的应用基础是运用生物生命过程中的反应将生物技术在环境污染生物处理中的应用基础是运用生物生命过程中的反应将污染物转化污染物转化(zhunhu)(zhunhu)为无毒、无害、稳定的物质。为无毒、无害、稳定的物质。第2页/共32页第三页,共32页。7.2 基因工程(jyn gngchng)与环境污染治理7.2
5、.1 基因工程(jyn gngchng)的分子生物学基础DNA生物的遗传物质分子,是由大量的脱氧核糖核苷酸组成的线状或环状大分子。DNA中有四种碱基:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。DNA的可变部分是其碱基顺序。基因DNA分子上的一个特定片段,不同基因的遗传信息由各自片段的碱基顺序所决定。基因的准确复制(fzh)保证了遗传信息的代代相传。第3页/共32页第四页,共32页。7.2.2 基因工程的基本(jbn)过程工具酶工具酶工具酶是用来对基因片段进行剪切和拼接的,包括限制性内切酶和工具酶是用来对基因片段进行剪切和拼接的,包括限制性内切酶和DNADNA连接酶。连接酶。基因
6、工程的载体基因工程的载体载体是将外源基因送入受体细胞的工具。载体是将外源基因送入受体细胞的工具。常用的载体有质粒、噬菌体以及动植物病毒。常用的载体有质粒、噬菌体以及动植物病毒。目的基因的分离目的基因的分离(fnl)(fnl)可通过以下两条途径获得特定的目的基因:一是从生物的基因组直接分离可通过以下两条途径获得特定的目的基因:一是从生物的基因组直接分离(fnl)(fnl),二是人合成。,二是人合成。目的基因与载体的重组目的基因与载体的重组将目的基因导入受体将目的基因导入受体常用的受体细胞是大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞。常用的受体细胞是大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞。对目的基因的
7、筛选和检测对目的基因的筛选和检测目的基因在受体细胞中的表达目的基因在受体细胞中的表达第4页/共32页第五页,共32页。第5页/共32页第六页,共32页。基因工程(jyn gngchng)在环境污染治理中的应用降解卤代芳烃的基因工程菌分解(fnji)尼龙寡聚物的基因工程菌分解(fnji)多糖的基因工程菌抗金属基因工程菌除草剂降解基因工程菌杀虫剂降解基因工程菌第6页/共32页第七页,共32页。7.3 细胞工程与环境污染(hunjng wrn)生物治理细胞工程细胞工程细胞工程是利用细胞学技术,有计划地改造细胞遗传结构,从而培育出人们所需要的生物品细胞工程是利用细胞学技术,有计划地改造细胞遗传结构,从
8、而培育出人们所需要的生物品种种(pnzhng)(pnzhng)或具有某些新性状的细胞群体。或具有某些新性状的细胞群体。细胞工程的内容细胞工程的内容细胞培养:即使细胞在继续体外生长和繁殖。细胞培养:即使细胞在继续体外生长和繁殖。细胞融合:在一定条件下,将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程,又称细胞杂交。细胞融合:在一定条件下,将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程,又称细胞杂交。细胞重组:在体外条件下,运用试验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组件,再根据细胞重组:在体外条件下,运用试验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组件,再根据需要把它们在不同的细胞之间重新进行装配,成为具有生物活性的细胞
9、。需要把它们在不同的细胞之间重新进行装配,成为具有生物活性的细胞。遗传物质转移:基因在细胞水平上的转移。遗传物质转移:基因在细胞水平上的转移。第7页/共32页第八页,共32页。细胞融合构建(u jin)环境工程菌概念:原生质体(Protoplast)细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的那部分结构称为原生质体。原生质体具有原有细胞全部的内部结构与生理性能,但无细胞壁,细胞呈球形,对渗透压敏感,对外界理化因子比较敏感。在外界理化融合因子的诱导下,不同物种间的原生质体的质膜相互融合杂交,并在适当的条件下,融合的原生质体再生出细胞壁并恢复原来完整的细胞形态与群落形态,构成(guchng)具有多种遗传性状的
10、新物种。故可利用原生质体融合来构建新物种。第8页/共32页第九页,共32页。原生质体融合的方法亲本的选择(xunz)原生质体的制备原生质体的再生原生质体的融合和融合子的检出第9页/共32页第十页,共32页。原生质体融合来构建(u jin)环境工程菌原生质体融合构建苯环化合物降解菌原生质体融合构建纤维素降解菌聚已二醇诱导原生质体融合制备(zhbi)细菌杀虫剂第10页/共32页第十一页,共32页。酶学工程(gngchng)与环境污染生物治理酶工程(酶工程(Enzymatic EngineeringEnzymatic Engineering)指利用生物有机体内酶所具有的特异催化功能,借助固定化生物反
11、应器和生指利用生物有机体内酶所具有的特异催化功能,借助固定化生物反应器和生物传感器等技术、装置物传感器等技术、装置(zhungzh)(zhungzh),高效优质地生产特定产品的技术。,高效优质地生产特定产品的技术。目前酶工程主要研究酶的生产、纯化和固定化技术以及在环境污染治理、工目前酶工程主要研究酶的生产、纯化和固定化技术以及在环境污染治理、工业、医药、卫生和理论探索等方面的应用。业、医药、卫生和理论探索等方面的应用。固定化酶(固定化酶(Immobilized EnzymeImmobilized Enzyme)又称水不溶酶,是通过物理吸附法或化学键合法将水溶性酶和固态的不溶性又称水不溶酶,是通
12、过物理吸附法或化学键合法将水溶性酶和固态的不溶性载体相结合,使酶变成不溶于水但仍保持催化活性的衍生物。载体相结合,使酶变成不溶于水但仍保持催化活性的衍生物。固定化酶的特点:固定化酶的特点:比较稳定,可长时间保持酶的活性;比较稳定,可长时间保持酶的活性;可回收、再生、重复使用,适合于连续化、自动化和管道化工艺;可回收、再生、重复使用,适合于连续化、自动化和管道化工艺;可制成酶布、酶片、酶柱等多种形式。可制成酶布、酶片、酶柱等多种形式。第11页/共32页第十二页,共32页。酶的分离提纯利用微生物生产酶制品可分为菌种选育、发酵培养、分离提取和菌种保存(bocn)四个步骤。第12页/共32页第十三页,
13、共32页。酶的固定化方法(fngf)载体结合法载体结合法包括共价结合法、离子结合法、物理包括共价结合法、离子结合法、物理(wl)(wl)吸附法、吸附法、生物特异结合法四种。生物特异结合法四种。常用载体有:活性炭、多孔玻珠、高岭土、氧化铝等常用载体有:活性炭、多孔玻珠、高岭土、氧化铝等交联法交联法利用戊二醛等交联剂使酶与酶发生交联而进行固定。利用戊二醛等交联剂使酶与酶发生交联而进行固定。包埋法包埋法将酶包裹在凝胶格子或由半透明膜组成的胶囊中。将酶包裹在凝胶格子或由半透明膜组成的胶囊中。逆胶束酶法逆胶束酶法逆胶束指表面活性剂等两性分子在有机溶剂中自发形逆胶束指表面活性剂等两性分子在有机溶剂中自发形
14、成的聚集体。成的聚集体。逆胶束酶法指将酶以逆胶束的形式固定。逆胶束酶法指将酶以逆胶束的形式固定。复合法复合法第13页/共32页第十四页,共32页。可逆可溶性固定化酶酶在可溶状态下反应,反应后经简单操作可沉淀,回收利用。通过改变pH、温度等理化(lhu)参数,或由金属离子的添加、去除等方法可获得可溶、不溶两种状态的天然及合成高分子物质,将酶共价键合于这些物质中即可产生可逆可溶性固定化酶。固定化酶反应器批量反应器连续反应器第14页/共32页第十五页,共32页。固定化细胞(xbo)(Immobilized Cell)固定化细胞的特点固定化细胞比游离细胞稳定性高,催化效率高于离体酶;比固定化酶操作简便
15、,成本(chngbn)低廉;能完成多步酶反应,反应时无需补加辅助因子;但固定化细胞内含有庞大而复杂的酶系,其中有些酶是不需要的,甚至对反应是有害的,这是其不足之处。细胞的固定化方法自溶酶灭活法絮凝吸附法第15页/共32页第十六页,共32页。固定化技术(jsh)处理废水固定化技术处理废水的优点固定化技术处理废水的优点处理效能高,成本低,稳定性高;处理效能高,成本低,稳定性高;可通过再培养恢复酶的相对活力。可通过再培养恢复酶的相对活力。固定化技术处理废水目前存在的问题固定化技术处理废水目前存在的问题载体成本较高;载体成本较高;固定化材料对传质过程有阻碍,使酶活性大多低于游离固定化材料对传质过程有阻
16、碍,使酶活性大多低于游离(yul)(yul)细胞。细胞。工程实例工程实例用海藻酸钙包埋固定热带假丝酵母菌处理含酚废水用海藻酸钙包埋固定热带假丝酵母菌处理含酚废水运用多孔陶珠固定具脱色功能的混合菌细胞处理印染废水运用多孔陶珠固定具脱色功能的混合菌细胞处理印染废水固定化藻细胞固定化藻细胞第16页/共32页第十七页,共32页。废水(fishu)净化生物强化技术第17页/共32页第十八页,共32页。7.5 发酵(f jio)工程在环境污染治理中的应用7.5.1 发酵(f jio)和发酵(f jio)工程发酵(发酵(FermentationFermentation)的基本概念)的基本概念在微生物的产能代
17、谢中,发酵指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底在微生物的产能代谢中,发酵指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间物本身未完全氧化的某种中间(zhngjin)(zhngjin)产物,同时释放能量并产生各种不同的产物,同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。代谢产物。在发酵条件下,有机物只是部分被氧化,故发酵的结果只是积累某些有机物,产在发酵条件下,有机物只是部分被氧化,故发酵的结果只是积累某些有机物,产生多种多样的发酵产品。生多种多样的发酵产品。可发酵的底物有糖类、有机酸等,其中以微生物发酵葡萄糖(即乙醇发酵)最为可发酵的底物有糖类、有机酸等,其中以微生物发酵
18、葡萄糖(即乙醇发酵)最为重要。重要。在微生物工业中,发酵术语指的是任何大规模过程,不管微生物代谢有或没有外在微生物工业中,发酵术语指的是任何大规模过程,不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用,可在有氧或无氧的条件下进行。源最终电子受体的情况下发生的氧化作用,可在有氧或无氧的条件下进行。微生物的工业发酵就是利用各种微生物不同的发酵特性,发酵生产众多有价值的微生物的工业发酵就是利用各种微生物不同的发酵特性,发酵生产众多有价值的发酵产品。发酵产品。第18页/共32页第十九页,共32页。发酵(f jio)过程的四个阶段第一阶段:发酵原料的预处理第一阶段:发酵原料的预处理发酵原料可
19、以是薯类、谷类、有机废弃物等,预处理包括粗选、除杂、粉碎、发酵原料可以是薯类、谷类、有机废弃物等,预处理包括粗选、除杂、粉碎、蒸煮、水解等过程。蒸煮、水解等过程。第二阶段:发酵过程的准备第二阶段:发酵过程的准备发酵前必须进行微生物菌种种子的制备和发酵原料的无菌消毒。发酵前必须进行微生物菌种种子的制备和发酵原料的无菌消毒。第三阶段:发酵过程第三阶段:发酵过程包括厌氧发酵(如乙醇发酵和乳酸发酵等)和好氧发酵(如氨基酸发酵和抗包括厌氧发酵(如乙醇发酵和乳酸发酵等)和好氧发酵(如氨基酸发酵和抗生素发酵等)两种方法生素发酵等)两种方法(fngf)(fngf)。第四阶段:产品的分离与纯化第四阶段:产品的分
20、离与纯化指从发酵液中制取符合质量指标的制品,可采用过滤、离心除杂、吸附、沉指从发酵液中制取符合质量指标的制品,可采用过滤、离心除杂、吸附、沉淀、蒸馏等方法淀、蒸馏等方法(fngf)(fngf)对发酵液中的产品做进一步的提炼。对发酵液中的产品做进一步的提炼。第19页/共32页第二十页,共32页。发酵工程在环境污染(hunjng wrn)治理中的应用亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵(f jio)酵母循环系统废纤维素的资源化有机固体废物的快速堆肥第20页/共32页第二十一页,共32页。7.6 生态(shngti)工程与污水处理系统7.6.1生态(shngti)工程生态工程(Ecological Engine
21、ering)的概念生态工程指由人工设计的、以生物种群为主要结构组分、具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。它可以是人工设计的一个(y)群落、生态系统或更宏观的地域性生态空间。生态工程构建和运行的主要理论依据是生态学原理,同时在设计时还必须遵循社会规律和经济规律。环境生态工程的主要目的是为了保护生态环境,也有可能在保护环境的同时,通过良好的物质循环和能量流动过程,获得经济效益。第21页/共32页第二十二页,共32页。生态(shngti)工程类型物质能量多层利用生态(shngti)工程物质转化与再生生态(shngti)工程无污染生态(shngti)工程污染自净多功能生态(shngti)工
22、程工农业联合生态(shngti)工程第22页/共32页第二十三页,共32页。7.6.2 氧化(ynghu)塘法生物氧化塘(Oxidation Pond)的概念又称稳定塘,是利用藻类和细菌两类生物间功能(gngnng)上的协同作用处理污水的一种生态系统。氧化塘内的生物组成藻类:位于氧化塘的表层,常见的有:小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等;细菌:大量存在于氧化塘下层,在好气状态下,无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长;在氧化塘底部的厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。微型动物:存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。第23页/共32页第二十四页,共32页。氧化塘的净化(jnghu)原理氧化塘的净化原理氧化
23、塘的净化原理氧化塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。氧化塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。藻类进行光合作用释放氧气藻类进行光合作用释放氧气(yngq)(yngq);细菌利用藻类产生的氧气细菌利用藻类产生的氧气(yngq)(yngq)分解流入塘内的有机物;分解流入塘内的有机物;分解产物中的分解产物中的CO2CO2、N N、P P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源;等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源;增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。氧化塘内的反应过程氧化塘内的反应过程藻类和光合细菌的光合放氧过程;藻类和光合细菌的光合
24、放氧过程;好氧反应:氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等;好氧反应:氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等;厌氧反应:硝酸盐还原反应、硫酸盐还原反应、发酵反应等;厌氧反应:硝酸盐还原反应、硫酸盐还原反应、发酵反应等;第24页/共32页第二十五页,共32页。氧化(ynghu)塘内的生物学过程藻类细菌衰亡细胞CO2、NH3H2O、PO43O2流入污水能沉淀的固体处理出水O2 风阳光(厌氧性)(兼性)有机物微生物有机酸、醇等微生物CH4CO2NH3等第25页/共32页第二十六页,共32页。氧化(ynghu)塘的分类与功能兼性塘(Facultative Pond)塘深1.02.5m,上层DO充足,好氧微生物
25、占优势;中层DO不足,兼性微生物占优势;下层厌氧微生物占优势。可应用于处理工业、农业废水和生活(shnghu)污水。厌氧塘塘深2m以上,厌氧微生物占主导,可接纳预处理各种高浓度有机工业废水。它后面通常还置有兼性塘和好氧塘。曝气塘塘深25m。机械曝气充氧。精制塘第26页/共32页第二十七页,共32页。氧化(ynghu)塘的特点及实例氧化塘的特点构筑物简单,能源消耗少,运转管理方便。应用实例:武汉鸭儿湖氧化塘主要处理含有机磷的多种农药废水;采用5个塘串联的形式:见下图经多年运转表明,鱼种塘出水的主要水质指标均可接近或达到(d do)地面水标准。厌氧塘厌氧塘兼性塘兼性塘好氧塘好氧塘鱼种塘鱼种塘兼性塘
26、兼性塘第27页/共32页第二十八页,共32页。综合(zngh)生物塘工艺流程进水沉砂厌氧植物藻菌生态修饰养殖灌溉出水植物藻菌流程:处理BOD5150200mg/L的污水,包括全部(qunb)的生态单元,水力停留时间16.3d;流程:处理BOD5100150mg/L的污水,水力停留时间 11.5d;流程或:处理BOD570100mg/L的污水,水力停留时间45d;第28页/共32页第二十九页,共32页。7.6.3 水生植物塘和人工(rngng)湿地处理系统水生植物塘人工湿地处理(chl)系统第29页/共32页第三十页,共32页。7.6.4 污水土地(td)处理系统什么是污水土地处理系统(什么是污
27、水土地处理系统(Land Treatment SystemLand Treatment System)?)?利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经经过预处理的污水或废利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经经过预处理的污水或废水,同时水,同时(tngsh)(tngsh)利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。污水土地处理系统的组成污水土地处理系统的组成污水的预处理设施,污水的调节与储存设施,污水的输送、布水和控制系统,土地处理面积,污水的预处理设施,污水的调节与储存设施,污水的输送、布水和控制系统,土地处理面积,排出水收集系统。排出水收集系统。污水土地处理系统的净化原理污水土地处理系统的净化原理净化机理包括:土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生净化机理包括:土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的摄取等作用。物的摄取等作用。第30页/共32页第三十一页,共32页。土地处理系统主要类型(lixng)地表漫流系统慢速渗滤系统快速渗滤系统自然湿地系统复合污水土地处理系统思考:土地处理系统与污灌有何区别?第31页/共32页第三十二页,共32页。
限制150内