《环境生物工程》PPT课件.ppt

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1、环境生物工程李福利环境生物工程1.环境中主要污染物2.生物净化与生物废料再生3.微生物与环保4.石油污染的生物治理5.耐热微生物生物脱硫研究环境基本概念环境基本概念 在环境科学领域，环境的含义是：以人类社会为主体的外部世界的总体。按照这一定义，环境包括了已经为人类所认识的，直接或间接影响人类生存和发展的物理世界的所有事物。它既包括未经人类改造过的众多自然要素，也包括经过人类改造过和创造出的事物。需要特别指出的是，随着人类社会的发展，环境的概念也在变化。以前人们往往把环境仅仅看作单个物理要素的简单组合，而忽视了它们之间的相互作用关系。进入七十年代以来，人类对环境的认识发生了一次飞跃，人类开始认识

2、到地球的生命支持系统中的各个组分和各种反应过程之间的相互关系。对一个方面有利的行动，可能会给其他方面引起意想不到的损害。主主 要要 环环 境境 污污 染染 物物 简简 介介一、空气主要污染物一、空气主要污染物n1.二氧化硫二氧化硫(SO2)二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃烧二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃烧产生。产生。二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈刺激性另外，二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈刺激性另外，二氧化硫对二氧化硫对 金属材料、房屋建筑、棉纺化纤织品、皮革纸张等制金属材料、房屋建筑、棉纺化纤织品、皮革纸张等制品容易引起腐蚀，品容易引起腐蚀，剥落、褪色而损坏。

3、还可使植物叶片变黄甚至剥落、褪色而损坏。还可使植物叶片变黄甚至枯死。枯死。n 2.氮氧化物氮氧化物(NOx)NOx污染主要来源于生产、生活中污染主要来源于生产、生活中 所用的煤、所用的煤、石油等燃料燃烧的产物石油等燃料燃烧的产物(包括汽车及一切内燃机燃烧排放包括汽车及一切内燃机燃烧排放 的的NOx)；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。当；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。当NOx与碳与碳 氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生光化学反氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生光化学反应，产生应，产生 一种光化学烟雾，它是一种有毒性的二次污染物。一种光化学烟雾，它是一种有

4、毒性的二次污染物。n 3.粒子状污染物粒子状污染物 空气中的粒子状污染物数量大、成分复杂，它空气中的粒子状污染物数量大、成分复杂，它本身可以是有毒物本身可以是有毒物 质或是其它污染物的运载体。煤烟、工业生产质或是其它污染物的运载体。煤烟、工业生产过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风 的扬尘等，以及气态污的扬尘等，以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物。染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物。n4.酸雨酸雨 指降水的指降水的pH值低于值低于5.6时，时，降水即为酸雨。降水酸度降水即为酸雨。降水酸度pH4.9时，将时，将 会对森林、农作物和材料产生明显损害

5、。会对森林、农作物和材料产生明显损害。n 5.一氧化碳（一氧化碳（CO）n6.氟化物（氟化物（F）指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化物。氟化指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化物。氟化物对眼睛及物对眼睛及 呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化物气体时，呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化物气体时，可引起肺水肿和可引起肺水肿和 支气管炎。支气管炎。n7.铅及其化合物（铅及其化合物（Pb）指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物。主要来源于汽车排出物。主要来源于汽车排出 的废气。铅进入人体，可大部分蓄积于的废气。铅进入人体，可大部分蓄积于人的骨骼中，损害骨骼造血系人的骨

6、骼中，损害骨骼造血系 统和神经系统，对男性的生殖腺也统和神经系统，对男性的生殖腺也有一定的损害。引起临床症状为贫有一定的损害。引起临床症状为贫 血、血、末梢神经炎，出现运动末梢神经炎，出现运动和感觉异常。我国尿铅和感觉异常。我国尿铅80微克微克/升为正常升为正常 值，血铅正常值小于值，血铅正常值小于50微克微克/毫升。毫升。二、地面水主要污染物二、地面水主要污染物 1.氨氮氨氮 指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和动指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和动物的物的 排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达2.54.5公斤。公斤。

7、氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中 的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。2.石油类石油类 主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和加工过程。主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和加工过程。石油类石油类 污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂浮在水面上的污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂浮在水面上的油类可迅速油类可迅速 扩散，形成油膜，阻碍水面与空气接触，使水中溶解扩散，形成油膜，阻碍水面与空气接触，使水中溶解氧减少。油类含氧减少。油类含 有多环芳烃致癌物质

8、，可经水生生物富集后危害有多环芳烃致癌物质，可经水生生物富集后危害人体健康。人体健康。3.化学耗氧量（化学耗氧量（COD）是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需氧量。水中有机污染物主要来源于生活污水需氧量。水中有机污染物主要来源于生活污水 或工业废水的排放、或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。水体中有机动植物腐烂分解后流入水体产生的。水体中有机 物含量过高可降物含量过高可降低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽时，水低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽时，水 质则腐败变质则腐败变臭，导致水生生物缺氧，以至死亡。臭，导致水生生物缺氧，以至死

9、亡。二、地面水主要污染物二、地面水主要污染物4.生化需氧量生化需氧量(BOD5)生化需氧量也是水质有机污染综合指标之一，生化需氧量也是水质有机污染综合指标之一，是指在一定温度是指在一定温度(20)时，微生物作用下氧化分解所需的氧量。时，微生物作用下氧化分解所需的氧量。其来源、危害同化学其来源、危害同化学 需氧量。需氧量。5.挥发酚挥发酚 水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水酚类属有毒污染水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水酚类属有毒污染物，但其毒性较低。酚类化合物对鱼类有毒害作物，但其毒性较低。酚类化合物对鱼类有毒害作 用，鱼肉中带有用，鱼肉中带有煤油味就是受酚污染的结果。煤油味就是受酚污染的

10、结果。6.汞汞 汞（汞（Hg）及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积。水体中）及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积。水体中汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛 等。等。总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中只有总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中只有15%被脑被脑 吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或遗吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或遗患终患终 生。生。7.氰化物氰化物 氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为50微克；微克；氰化钠约氰化钠

11、约 100微克；氰化钾约微克；氰化钾约120微克。氰化物经口、呼吸道或微克。氰化物经口、呼吸道或皮肤进入人体，皮肤进入人体，极易被人体吸收。急性中毒症状表现为呼吸困难、极易被人体吸收。急性中毒症状表现为呼吸困难、痉挛、呼吸衰竭，痉挛、呼吸衰竭，导致死亡。导致死亡。三、噪声三、噪声 从物理定义而言，振幅和频率上完全无规律的震荡称之为噪从物理定义而言，振幅和频率上完全无规律的震荡称之为噪声。声。从环境保护角度而论，凡是人们所不需要的声音统称为噪声。从环境保护角度而论，凡是人们所不需要的声音统称为噪声。噪声的噪声的 显著特点是：无污染物存在、不产生能量积累、时间有限、显著特点是：无污染物存在、不产生

12、能量积累、时间有限、传播不远、传播不远、振动源停止振动噪声消失、不能集中治理。噪声来源振动源停止振动噪声消失、不能集中治理。噪声来源于交通工具、工于交通工具、工 厂机器设备、建筑施工和人们的社会、家庭活动。厂机器设备、建筑施工和人们的社会、家庭活动。噪声对人类的危害个是多方面的，其主要表现为对听力的损伤、噪声对人类的危害个是多方面的，其主要表现为对听力的损伤、睡眠干扰、睡眠干扰、人体的生理和心理影响。当人在人体的生理和心理影响。当人在100分贝左右噪声环分贝左右噪声环境中境中 工作时会感到刺耳、工作时会感到刺耳、难受，甚至引起暂时性耳聋。超过难受，甚至引起暂时性耳聋。超过140分贝的噪分贝的噪

13、 声会引起眼球的振动、视觉模糊，呼吸、脉膊、血压都声会引起眼球的振动、视觉模糊，呼吸、脉膊、血压都会发生波动，会发生波动，甚至会使全身血管收缩，供血减少，说话能力受到甚至会使全身血管收缩，供血减少，说话能力受到影响。影响。生物净化与生物废料再生生物净化与生物废料再生 几个世纪来，人们相信有大气、土壤和水体等组成几个世纪来，人们相信有大气、土壤和水体等组成的自然系统足以吸收人类的生活以及工农业生产所产的自然系统足以吸收人类的生活以及工农业生产所产生的各种废物；生的各种废物；这种想法在工业还不发达、人口密度不大的时代和这种想法在工业还不发达、人口密度不大的时代和地区还有些道理，但在工业高度发达、人

14、口密度日益地区还有些道理，但在工业高度发达、人口密度日益增高的今天，这种看法就明显落后了；增高的今天，这种看法就明显落后了；当代，世界各国也都寻求通过立法来解决环境污染当代，世界各国也都寻求通过立法来解决环境污染的问题，即消除、最循环、再生（的问题，即消除、最循环、再生（Remove，Recycle、Regeneration）。）。生物净化与生物废料再生生物净化与生物废料再生 生物净化是指利用生物来除去环境中的生物垃圾和生物净化是指利用生物来除去环境中的生物垃圾和有毒物质的过程。生物垃圾包括工农业生产过程中所有毒物质的过程。生物垃圾包括工农业生产过程中所产生的废弃物，现在人们普遍认为，生物垃圾

15、是制造产生的废弃物，现在人们普遍认为，生物垃圾是制造许多有经济价值的产品的原材料许多有经济价值的产品的原材料。在今天人口膨胀、食品及能源资源不足的情况下，在今天人口膨胀、食品及能源资源不足的情况下，对资源的充分再利用就更显得意义重大，目前这一问对资源的充分再利用就更显得意义重大，目前这一问题已经引起了世界各国的充分重视。题已经引起了世界各国的充分重视。环境的污染n莫斯科 1993年 格德.鲁德威1973年以后在莫斯科工业区附近，已经出生了90名四肢不全的畸形儿。(国家地理杂志)美国密歇根州铜矿及工厂产生的尾料将湖水染红战争的污染可怜的伊拉克(from 国家地理杂志)酸雨的危害n美国纽约州，阿第

16、伦达克山 1980年 泰德.史匹格尔早春时节的酸雨酸雪污染了河川，造成一场致命的“酸流”，令溪鳟纷纷死于鳃部伤害。(国家地理杂志)现代生物技术在降解非生物物质中的应用现代生物技术在降解非生物物质中的应用 环视四周，有毒废弃物给人们所造成的环境问题是环视四周，有毒废弃物给人们所造成的环境问题是触目惊心的：触目惊心的：据统计，仅在据统计，仅在1985一年中，全世界所产生的有毒废一年中，全世界所产生的有毒废弃物五氯苯（弃物五氯苯（PCP）就达到就达到50000吨；吨；目前，全世界投入生产的化学物质有目前，全世界投入生产的化学物质有500多万种，多万种，而且这个数字还在以每年数千种的速度不断上升。而且

17、这个数字还在以每年数千种的速度不断上升。现代生物技术在降解非生物物质中的应用现代生物技术在降解非生物物质中的应用 过去，人们通常采用焚烧和化学处理这两种方法来过去，人们通常采用焚烧和化学处理这两种方法来处理这些有毒废弃物，遗憾的是这些方法成本较高，处理这些有毒废弃物，遗憾的是这些方法成本较高，而且会产生新的污染物质。而且会产生新的污染物质。现代生物技术在降解非生物物质中的应用现代生物技术在降解非生物物质中的应用 到到20世纪世纪60年代中期，人们发现一些土壤微生物可年代中期，人们发现一些土壤微生物可以降解非生物物质，例如除草剂、杀虫剂、制冷剂等。以降解非生物物质，例如除草剂、杀虫剂、制冷剂等。

18、人们可以通过利用微生物的方法来清除有毒废弃物，人们可以通过利用微生物的方法来清除有毒废弃物，这种通过微生物降解废物的方法为人类提供了一种安这种通过微生物降解废物的方法为人类提供了一种安全有效的方法，且成本低廉。全有效的方法，且成本低廉。生物降解途径的基因工程生物降解途径的基因工程 转移质粒：某一菌株常常局限于分解免疫种化合转移质粒：某一菌株常常局限于分解免疫种化合物，但在废弃物中通常含有多种化学物质，因此，物，但在废弃物中通常含有多种化学物质，因此，很有必要扩展某一特定菌株的分解范围。最简单的很有必要扩展某一特定菌株的分解范围。最简单的方法是通过结合作用把编码不同降解途径的酶的基方法是通过结合

19、作用把编码不同降解途径的酶的基因导入同一受体菌中。如果两种质粒具有同源性，因导入同一受体菌中。如果两种质粒具有同源性，那么他们可能会重组成为一个大的、具有多种功能那么他们可能会重组成为一个大的、具有多种功能的融合质粒。的融合质粒。生物降解途径的基因工程生物降解途径的基因工程 Chakrabarty等人在等人在20世纪世纪70年代首先构建成年代首先构建成功了含有多种降解功能的细菌菌株。他们使用不同功了含有多种降解功能的细菌菌株。他们使用不同的质粒来构建能分解石油中的一系列碳氢化合物的的质粒来构建能分解石油中的一系列碳氢化合物的菌株，该菌株被称为菌株，该菌株被称为“Superbug”，因为它的代谢

20、因为它的代谢能力远远高于其它菌株。能力远远高于其它菌株。生物降解途径的基因工程生物降解途径的基因工程 具体实验如下：通过结合作用，具体实验如下：通过结合作用，pCAM质粒质粒(具有降解具有降解莰酮功能莰酮功能)被转入含有被转入含有pOCT质粒（具有辛烷降解能力）的质粒（具有辛烷降解能力）的菌株中，但这两种质粒是不相容的，不能作为两个独立的菌株中，但这两种质粒是不相容的，不能作为两个独立的质粒而共存于同一个细胞中。经过重组，这两种质粒形成质粒而共存于同一个细胞中。经过重组，这两种质粒形成了一个较小的，同时具有了一个较小的，同时具有pCAM 和和pOCT的降解功能的单的降解功能的单一质粒。通过接合

21、作用将带有一质粒。通过接合作用将带有pNAH的质粒（具有萘降解的质粒（具有萘降解功能）转入含功能）转入含pXYL质粒（具有降解二甲苯功能）的菌株质粒（具有降解二甲苯功能）的菌株中。中。pNAH质粒于质粒于pXYL质粒是相容质粒，可在同一宿主菌质粒是相容质粒，可在同一宿主菌中共存。然后将中共存。然后将pCAM/OCT融合质粒转入融合质粒转入pNAH与与pXYL质粒共存的菌株中，这种新的重组菌株在原油中比含有单质粒共存的菌株中，这种新的重组菌株在原油中比含有单一质粒或两种质粒的菌株能够更好的生长。一质粒或两种质粒的菌株能够更好的生长。微生物与环保微生物与环保我们大家谁也不愿意生我们大家谁也不愿意生

22、活在一个充满污染的环活在一个充满污染的环境之中，然而，环境污境之中，然而，环境污染却有日益加剧的趋势。染却有日益加剧的趋势。微生物与环保微生物与环保 这一方面是源于这一方面是源于工业和现代文明的发工业和现代文明的发达；一方面也由于人达；一方面也由于人类尚缺乏环保意识和类尚缺乏环保意识和治理环境污染的有效治理环境污染的有效方法。方法。全球商业性捕鱼简史全球商业性捕鱼简史1900年与1995年之比较微生物与环保微生物与环保 海上石油泄漏事件时有发生；包含着众多有害物质海上石油泄漏事件时有发生；包含着众多有害物质的污水大量倾入江河湖海；工厂的黑烟的遮住了美丽的的污水大量倾入江河湖海；工厂的黑烟的遮住

23、了美丽的天空；由难以分解的一次性塑料袋造成的白色污染总是天空；由难以分解的一次性塑料袋造成的白色污染总是令人不安令人不安 微生物与环保微生物与环保 所有这一切，依靠工业及其相关技术是难所有这一切，依靠工业及其相关技术是难以解决的，而现代生物技术在环境保护方面却以解决的，而现代生物技术在环境保护方面却可以发挥它的可以发挥它的“奇效奇效”。微生物与环保微生物与环保 前面我们已经谈到过，微生物本领很大。形前面我们已经谈到过，微生物本领很大。形形色色的微生物构成的微生物大军已经形成了在形色色的微生物构成的微生物大军已经形成了在人类生产生活的各个领域皆能大出风头的人类生产生活的各个领域皆能大出风头的“全

24、能全能选手选手”。在环境保护领域也不例外。在环境保护领域也不例外。微生物与环保微生物与环保n 微生物的生存空间十分广阔，到处都有这些小家伙微生物的生存空间十分广阔，到处都有这些小家伙寄生的踪迹。十分有意义的是，微生物通过自身的代谢寄生的踪迹。十分有意义的是，微生物通过自身的代谢活动，可以改变其赖以寄生的各种物质的化学性质，比活动，可以改变其赖以寄生的各种物质的化学性质，比如说把纤维物质转化为汽油、沼气等。在种类繁多的微如说把纤维物质转化为汽油、沼气等。在种类繁多的微生物中也不难找到可以用来清除污水、污物中有害物质生物中也不难找到可以用来清除污水、污物中有害物质的种类，利用它们对这些有机、无机的

25、污染物质的吸收的种类，利用它们对这些有机、无机的污染物质的吸收转化功能，对环境保护将起到积极的作用。转化功能，对环境保护将起到积极的作用。微生物与环保微生物与环保n 然而，要有效地清除环境污染，单纯依靠天然微生然而，要有效地清除环境污染，单纯依靠天然微生物资源是远远不够的。科学家们依靠基因工程、细胞融物资源是远远不够的。科学家们依靠基因工程、细胞融合等高超技术，不仅对现有微生物种类进行反复的筛选合等高超技术，不仅对现有微生物种类进行反复的筛选和改造，而且重新组建了一批清除污染的和改造，而且重新组建了一批清除污染的“尖兵尖兵”。具。具有特殊功能有特殊功能“工程菌工程菌”、“超级菌超级菌”，能够高

26、效率地分，能够高效率地分解有机污染物，从而将应用生物技术消除环境污染提高解有机污染物，从而将应用生物技术消除环境污染提高到了一个崭新的水平。到了一个崭新的水平。微生物与环保微生物与环保 近些年来，能够消除海面上石油污染的近些年来，能够消除海面上石油污染的“石油菌石油菌”，能够分解毒性很强的金属汞化物的新型耐汞细菌，甚，能够分解毒性很强的金属汞化物的新型耐汞细菌，甚至能够把毒性很强的有机物，如酚类、氰类等分解利用至能够把毒性很强的有机物，如酚类、氰类等分解利用的生物工程菌纷纷应运而生，显示出了微生物在治环境的生物工程菌纷纷应运而生，显示出了微生物在治环境污染方面的潜在应用价值。污染方面的潜在应用

27、价值。比如，科学家们将能降解石油的几种基因，结合转比如，科学家们将能降解石油的几种基因，结合转移到一株假单孢菌中，构建成了能够降解多种原油成分移到一株假单孢菌中，构建成了能够降解多种原油成分的的“超级微生物超级微生物”。在油田、炼油厂、油轮以及被石油。在油田、炼油厂、油轮以及被石油污染了海洋、陆地，它都可以发挥去除石油污染的效力。污染了海洋、陆地，它都可以发挥去除石油污染的效力。微生物与环保微生物与环保 选用能够降解污染物的微生物，采用生物技术将它选用能够降解污染物的微生物，采用生物技术将它们富集起来，再将这些微生物固定在生物膜上，做成生们富集起来，再将这些微生物固定在生物膜上，做成生物反应器

28、，安装在废水处理池中，就可能达到净化污水物反应器，安装在废水处理池中，就可能达到净化污水的作用。的作用。日本的科学家则研制成了新型的有机废弃物处理装日本的科学家则研制成了新型的有机废弃物处理装置，它是一种高速发酵处理装置，利用发酵促进剂在置，它是一种高速发酵处理装置，利用发酵促进剂在小时之内就可以使废弃物分解发酵，然后再采用烘干小时之内就可以使废弃物分解发酵，然后再采用烘干法进行处理，以达到清除污染物的目的。法进行处理，以达到清除污染物的目的。微生物与环保微生物与环保 n 上面我们讲了微生物可以用来清除地上的污染。那上面我们讲了微生物可以用来清除地上的污染。那么，能不能利用微生物来净化空气呢？

29、么，能不能利用微生物来净化空气呢？能！早在年，美国人就获得了能！早在年，美国人就获得了“利用微生利用微生物处理废气物处理废气”的专利。国外在这方面给予了高度重视，的专利。国外在这方面给予了高度重视，做了大量的工作。比如，德国的一家肉类加工厂，把微做了大量的工作。比如，德国的一家肉类加工厂，把微生物悬浮液当作吸收剂，制成一个两级工作的填料塔生生物悬浮液当作吸收剂，制成一个两级工作的填料塔生物吸收装置，来净化含有氨、胺、硫、醇、脂肪酸、乙物吸收装置，来净化含有氨、胺、硫、醇、脂肪酸、乙醇和酮等臭味物质的废气。收到了不错的效果。醇和酮等臭味物质的废气。收到了不错的效果。微生物与环保微生物与环保 利用

30、微生物消除环境污染还可以与工农业废弃物的利用微生物消除环境污染还可以与工农业废弃物的综合利用结合起来，即综合利用结合起来，即“变废为宝变废为宝”。这的确是一个容。这的确是一个容易被人接受并可获得一定的经济效益的环境治理途径。易被人接受并可获得一定的经济效益的环境治理途径。比如说，我们的城市垃圾中含有许多有机废物，运比如说，我们的城市垃圾中含有许多有机废物，运到农村，经堆肥处理后，可以成为优良的土壤改良剂和到农村，经堆肥处理后，可以成为优良的土壤改良剂和优质肥料，因此，高效、快速的堆肥技术，一直是国内优质肥料，因此，高效、快速的堆肥技术，一直是国内外竞相研究的重点之一。此外，前面提到的从纤维性的

31、外竞相研究的重点之一。此外，前面提到的从纤维性的废弃物中生产酒精、沼气作为替代燃料，从木材、纸浆废弃物中生产酒精、沼气作为替代燃料，从木材、纸浆厂排放的亚硫酸盐废液中提取有用的木糖，利用糖厂废厂排放的亚硫酸盐废液中提取有用的木糖，利用糖厂废料生产单细胞蛋白等都是变废为宝的典型事例。料生产单细胞蛋白等都是变废为宝的典型事例。微生物与环保微生物与环保 防患于未然也同样需要借助于微生物的帮助。比如，防患于未然也同样需要借助于微生物的帮助。比如，以生物农药代替化学农药，以生物肥料代替化学肥料，以生物农药代替化学农药，以生物肥料代替化学肥料，不仅是农学家和生物学家关注的话题，也同样是环境保不仅是农学家和

32、生物学家关注的话题，也同样是环境保护学家所关注的话题。护学家所关注的话题。微生物与环保微生物与环保 总之，微生物在治理环境污染方面，将发挥它的神总之，微生物在治理环境污染方面，将发挥它的神奇的、不可替代的作用。庞大的微生物家族无疑将成为奇的、不可替代的作用。庞大的微生物家族无疑将成为我们人类对付环境污染的活的武器库。我们人类对付环境污染的活的武器库。由于石油中含有的有毒硫杂环、氮杂环所造成的酸雨对森林的破坏和城市光化学污染由于石油泄漏所造成大批鱼类死亡的可怕景象由于石油污染所造成海鸟死亡的可怕景象微生物处理石油污染的效果石油废水中常见的有毒烃类有机化合物石油废水中常见的有毒烃类有机化合物n石油

33、废水中常见的有毒含硫有机化合物石油废水中常见的有毒含硫有机化合物n 石油废水中常见的有毒的含氮有机化合物石油废水中常见的有毒的含氮有机化合物必要性：必要性：生物法处理石油废水比化学法更具有竞争力。生物法处理石油废水比化学法更具有竞争力。由于大部分噻吩类、咔唑类杂环化合物的化学键由于大部分噻吩类、咔唑类杂环化合物的化学键相当牢固，因此在常规的温度和压力下，化学法相当牢固，因此在常规的温度和压力下，化学法几乎不可能降解石油污染废水中的有机硫、有机几乎不可能降解石油污染废水中的有机硫、有机氮及其它难以降解的杂环化合物。氮及其它难以降解的杂环化合物。在已经筛选到的几株特殊微生物基础上，研究：在已经筛选

34、到的几株特殊微生物基础上，研究：(1)以以噻噻吩吩类类杂杂环环(Thiophene）作作为为模模式式反反应应物物，研研究究嗜嗜热热、耐耐有有机机溶溶剂剂细细菌菌的的脱脱有有机机的的代代谢谢反反应应机机制制及及其其硫硫杂杂环环降降解的关键基因。解的关键基因。一、一、研究内容研究内容(2)以以CA(Carbozole，简简称称CA)作作为为模模式式降降解解物物，研研究究一一株株具具有有耐耐有有机机溶溶剂剂且且能能降降解解攻攻击击咔咔唑唑能能力力的的细细菌菌氮氮杂杂环环代代谢谢反反应应机机制制及及其其某某些些关键基因。关键基因。(3)以以十十二二烷烷烃烃或或石石蜡蜡为为模模式式化化合合物物，研研究究

35、一一株株具具有有油油水水分分离离功功能能的特殊细菌油水分离机制，为进一步的应用打下理论基础。的特殊细菌油水分离机制，为进一步的应用打下理论基础。含原油废水的处理效果含原油废水的处理效果石蜡水的处理效果石蜡水的处理效果(4)研究高温嗜热细菌生长生存研究高温嗜热细菌生长生存(大于大于75,好氧)的生理学和降解杂环和直链的生理学和降解杂环和直链烷烃化合物的反应机制，并分离这些极端微生物的某些特殊功能基因烷烃化合物的反应机制，并分离这些极端微生物的某些特殊功能基因硫杂环降解微生物硫杂环降解微生物氮杂环降解微生物氮杂环降解微生物具有油水分离功能的具有油水分离功能的微生物微生物嗜热、抗有机溶剂特殊嗜热、抗

36、有机溶剂特殊微生物微生物(5)糅合上述极端微生物的几个特殊功能基因，糅合上述极端微生物的几个特殊功能基因，构建高效杂环物降解的工程菌构建高效杂环物降解的工程菌杂环降解微生物高密度发酵杂环降解微生物高密度发酵目的基因表达的最佳诱导方案目的基因表达的最佳诱导方案(1)减少昂贵的诱导物使用量减少昂贵的诱导物使用量(2)增加目的基因的表达增加目的基因的表达 (3)方案：方案：I.无机硫源无机硫源(氮源氮源)有机诱导物有机诱导物II.廉价无机硫源廉价无机硫源(氮源氮源)高密度培养，再诱导高密度培养，再诱导(6)极端微生物和工程菌发酵工艺优化研究极端微生物和工程菌发酵工艺优化研究硫杂环降解微生物硫杂环降解

37、微生物氮杂环降解微生物氮杂环降解微生物具有油水分离功能的具有油水分离功能的微生物微生物嗜热、抗有机溶剂特殊嗜热、抗有机溶剂特殊微生物微生物(7)提供上述菌株进行小试和现场石油废水处理中试研究提供上述菌株进行小试和现场石油废水处理中试研究小试小试中试中试(1)生长细胞代谢途径的研究：生长细胞代谢途径的研究：分别以DBT、CA、长链烷烃和其代谢中间衍生物反应物，检测胞内外代谢中间物和末端产物，各种反应物的利用及其代谢产物的产生来判断不同生长条件下的代谢途径和流向。(2)休止细胞杂环降解途径的研究：休止细胞杂环降解途径的研究：在非生长体系中，用具有各种活力的休止细胞作为降解杂环的催化剂，分别用DBT

38、、THA、CA、长链烷烃及其代谢中间衍生物作为反应底物，确定生物降解酶催化体系的反应途径。(3)脱脱硫硫基基因因、脱脱氮氮基基因因及及其其它它特特殊殊降降解解基因研究：基因研究：基因的分离，确认，以及该基因在大肠杆菌中的高效表达，该基因产物的特性分析，基因的序列分析，重组体的构建。二、二、研究关键研究关键(对上述特殊微生物，由浅入深，三个层次展开对上述特殊微生物，由浅入深，三个层次展开对上述特殊微生物，由浅入深，三个层次展开对上述特殊微生物，由浅入深，三个层次展开)：n(1)微生物油水分离机制的研究：微生物油水分离机制的研究：n 由由于于该该研研究究完完全全属属新新发发现现，很很难难找找到到有

39、有价价值值的的参参考考报报道道。拟拟从从微微生生物物产产生生表表面面活活性性剂剂或或长长链链烷烷烃烃聚聚集集固固化化现现象来探讨。象来探讨。n(2)超高温微生物的优化培养：超高温微生物的优化培养：n 由由于于我我们们所所获获得得的的超超高高温温嗜嗜热热耐耐热热微微生生物物来来源源于于油油田田微微生生物物，探探讨讨这这些些微微生生物物超超高高温温生生长长的的生生理理和和发发酵酵工工艺艺的优化技术是较为关键的研究。的优化技术是较为关键的研究。三、三、拟解决的技术难点拟解决的技术难点n n 四、预期达到的研究目标四、预期达到的研究目标n(1)本本项项研研究究的的成成功功可可以以填填补补多多项项特特殊

40、殊菌菌杂杂环环降降解解途途径径研究上的空白。研究上的空白。n(2)可阐明上述极端微生物可阐明上述极端微生物杂环降解途径和反应机制杂环降解途径和反应机制：l生长体系杂环化合物的降解机制；生长体系杂环化合物的降解机制；l休止细胞杂环化合物的降解机制；休止细胞杂环化合物的降解机制；lDBT、THA、CA和和长长链链烷烷烃烃分分解解途途径径的的酶酶反反应应机机制制及其某些关键基因。及其某些关键基因。n n n(3)该项目的相关的研究内容及研究方法分别该项目的相关的研究内容及研究方法分别可在国内外重要杂志每年有可在国内外重要杂志每年有4篇以上高质量篇以上高质量的论文发表。申报的论文发表。申报23项国内外

41、发明专利项国内外发明专利。n(4)分离、克隆分离、克隆34个具有独立知识产权的个具有独立知识产权的具有特殊降解杂环功能基因；提供具有特殊降解杂环功能基因；提供34株有株有明显降解处理石油废水能力的菌株。明显降解处理石油废水能力的菌株。n n n n六、预期可获得的发明专利等六、预期可获得的发明专利等知识产权知识产权 根根据据我我们们所所掌掌握握的的信信息息资资料料，至至少少在在下下列列内内容容可可申申报报独独立立的的发发明明专专利利权权(见查新证明书见查新证明书)：n(1)耐热微生物处理含氮、含硫废水；耐热微生物处理含氮、含硫废水；n(2)超高温微生物处理石油废水超高温微生物处理石油废水;n(

42、3)石油废水油水分离的微生物技术；石油废水油水分离的微生物技术；n 如如果果经经费费充充足足，我我们们拟拟申申报报12项项国际专利。国际专利。填补特殊菌填补特殊菌杂环及有机烃杂环及有机烃降解的某些研究空白降解的某些研究空白主要研究内容及预期达到的目标总图主要研究内容及预期达到的目标总图八、研究方法与实施方案八、研究方法与实施方案n1 研究方法研究方法n(1)定性确定极端微生物可能的杂环降解途径定性确定极端微生物可能的杂环降解途径n 利用GC/MS定性测定杂环降解途径中的各反应物，代谢中间物和最终产物。n(2)定量确定极端微生物杂环降解活力定量确定极端微生物杂环降解活力n 利用GC定量测定各种反

43、应物和产物，同时寻找比色方法，如与Gibbs显色法测定代谢反应终端产物(HBP和DHBP)的方法进行比较。(3)杂环降解基因克隆方案杂环降解基因克隆方案(a)质粒分离：使用热突变或化学突变，验证菌株降解有机污染物的性状是否丢失。如果性状丢失，那它就是由质粒控制的，则提取质粒，通过酶切转化，筛选阳性克隆，获得该DNA片段。反之，则采取下述方案。(b)染色体上目的基因的定位克隆：目的基因在染色体上，采用AFLP分子标记进行基因定位。发酵设备及检测控制系统 B|Braun公司(4)杂环降解生物催化剂杂环降解生物催化剂大量制备：大量制备：用申请者所在课题组从德国贝朗公司引进的计算机全自动控制的2 L发

44、酵罐进行发酵，提供该项研究所需要的大量的具有高降解活力的菌体。应用应用GC-MS研究研究菌株的代谢途径菌株的代谢途径进行小规、中试进行小规、中试模的废水处理试验模的废水处理试验采取的研究方法（技术路线、实施方案）总图采取的研究方法（技术路线、实施方案）总图脱有机硫微生物脱有机硫微生物脱有机氮微生物脱有机氮微生物具有油水分离功能具有油水分离功能的微生物的微生物嗜热、抗有机溶剂嗜热、抗有机溶剂特殊微生物特殊微生物耐热细菌生物脱有机硫模耐热细菌生物脱有机硫模式反应体系的研究式反应体系的研究提纲1.生物脱硫的意义和背景2.微生物脱硫的途径3.我们的研究进展4.生物脱硫的实际应用1.1.生物脱硫背景生物

45、脱硫背景n环境问题已成为影响人类生存的重大问题，化石燃料煤和石油中所含有的硫是环境的主要污染源之一。n微生物脱硫操作简单，成本低。n脱有机硫是一个世界性难题，已受到广泛关注。化石燃料煤和石油中所含有的有机硫和无化石燃料煤和石油中所含有的有机硫和无机硫是环境的重要污染源机硫是环境的重要污染源n严重性 1998年我国有一半以上城市降水pH低于5.6。华中地区酸雨出现频率大于70%，降水的年均pH低于5.0，酸雨面积占国土面积的30%，是继欧洲、北美后世界第三大中酸雨区。n迫切性 随着能源危机的逐步加剧，开采高硫化石燃料成为必然。高硫化石燃料必须预先经过脱硫处理才能进一步使用。煤炭的化学结构模型煤炭

46、的化学结构模型石油大分子的放大结构图石油大分子的放大结构图有机硫类型有机硫类型有机硫化物包括硫醇、硫化物及含硫的杂环化合物如噻吩等，共分为13类,包括176种不同结构，其中噻吩含量最多。炼油过程中物理和化学的除硫成本大炼油过程中物理和化学的除硫成本大n原油中大多数的H2S是在油井现场的油气分离过程中除去的。n在炼油厂采用催化裂解和加氢脱硫(HDS)过程，加热到350C后蒸馏除去结合硫，但这些技术需高温、高压，且能耗大。n目前相当多的资金用于石油的物理化学法脱硫上，1993年全世界用于HDS过程的资金达250亿美元。n到下个世纪，随着需求的增加和低硫原油的耗尽，高硫原油将不断增加，因此石油脱硫成

47、为必然。生物脱有机硫的优势生物脱有机硫的优势nBDS在常温常压下操作，而且能耗比HDS低70%-80。n该过程还可回收有机磺酸盐等高值化学品，可为炼油厂增加经济效益。采用BDS技术的投资额约为加氢脱硫技术(HDS)的一半，操作费用比HDS低10%-25%。n据报道，采用BDS可使FCC汽油的硫含量从1400ppm降至150ppm(以满足整个汽油组分平均硫质量含量为50ppm的要求)。n从整个汽油组分来讲，炼油厂每m3成品汽油的BDSUS$，低于HDS成本。2.微生物脱硫的途径以二苯并噻吩为模式化合物的脱硫途径以苯并噻吩为模式化合物的脱硫途径以噻吩为模式化合物的脱硫途径二苯噻吩二苯噻吩(Dibe

48、nzothiophene,简称简称DBT)被作为被作为一个脱有机硫一个脱有机硫模式化合物模式化合物来研究来研究n在高馏分油中，超过60%的硫是以二苯噻吩(Dibenzothiophene，简称DBT）及其衍生物的形式存在的，因此实验室一般使用DBT作为生物脱硫研究的模式化合物。生物脱有机硫代谢途径类型生物脱有机硫代谢途径类型n(1)碳架破坏途径(C-C键被切断)n(2)碳架保留途径(专一地切断C-S键而保留完整的碳架)(1)(1)碳架破坏途径碳架破坏途径(C-CC-C键被切断键被切断)(1)(1)碳架保留途径碳架保留途径(专一地切断专一地切断C-SC-S而保留完整的碳架而保留完整的碳架)苯并噻

49、吩（Benzothiophene，BTH）脱硫代谢途径 nFCC汽油中主要的含硫有机化合物包括BTH及其衍生物，其中BTH占30%。n Finnerty et al.（1983）报道了几株可以利用BTH为专一硫源和碳源进行生长的菌株，不过由于其损失燃料热值而没有应用价值。n近几年发现能够了专一性降解BTH菌株，主要包括戈登氏菌株，类芽孢杆菌，中华根瘤菌以及红球菌。FCC汽油中硫化合物的分布及炼制油品要求含硫化合物含硫量(ppm)炼制汽油硫含量(ppm)Mercaptans68Thiophene5266C1-Thiophene66167Tetrahydrothiophene1621C2-Thio

50、phene183233C3-Thiophene12680C4-Thiophene1390Benzothiophene3090微生物脱有机硫BTH降解途径nA是BTHnB是BTH sulfoxidenC，D是BTH sulfonenF是benzoe1,2oxathiin S-xoidenE是o-hydroxystyrenenG是2-(2-hydroxyphenyl)ethan-1-aln微生物包括：n戈登氏菌株（Gordonia sp.）213En类芽孢杆菌（Paenibacillus sp.）A11-2n红球菌（Rhodococcus sp.）T09 n中华根瘤菌（Sinorhizobium