第十二章微生物学新技术在环境工程中的应用课件.ppt

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1、第十二章第十二章 微生物学新技术在环境微生物学新技术在环境工程中的应用工程中的应用 微生物新技术包括遗传诱变育种、基因工程、酶微生物新技术包括遗传诱变育种、基因工程、酶工程、微生物制剂、生物表面活性剂等工程、微生物制剂、生物表面活性剂等第一节第一节 固定化酶和固定化微生物固定化酶和固定化微生物 在环境工程中的应用在环境工程中的应用一、酶制剂剂型一、酶制剂剂型l干燥粗酶制剂干燥粗酶制剂 将用麸曲或深层发酵的培养液除菌（或不除菌）后，将用麸曲或深层发酵的培养液除菌（或不除菌）后，与淀粉等惰性填料混合、干燥制成粗酶与淀粉等惰性填料混合、干燥制成粗酶l稀液体酶制剂稀液体酶制剂 将培养液过滤除去菌体等杂

2、质后，直接加稳定剂和防将培养液过滤除去菌体等杂质后，直接加稳定剂和防腐剂作为商品出售。国内许多白酒厂用此种液态糖化酶制腐剂作为商品出售。国内许多白酒厂用此种液态糖化酶制剂糖化淀粉。剂糖化淀粉。l浓液体酶制剂浓液体酶制剂 将培养液过滤除去菌体等杂质、浓缩后再加稳定剂和将培养液过滤除去菌体等杂质、浓缩后再加稳定剂和防腐剂成商品。防腐剂成商品。l干燥粉状酶制剂干燥粉状酶制剂 我国多数生产此种酶制剂。制备工艺如下：我国多数生产此种酶制剂。制备工艺如下：过滤培养液去菌体过滤培养液去菌体 浓缩浓缩 喷雾干燥喷雾干燥 研磨研磨 加稳定加稳定剂、惰性填料剂、惰性填料 成商品成商品过滤培养液去菌体过滤培养液去菌

3、体 硫酸铵盐盐析和乙醇沉淀硫酸铵盐盐析和乙醇沉淀 干燥干燥 研磨研磨 加稳定剂、惰性填料加稳定剂、惰性填料 成商品成商品l结晶酶结晶酶 是经过高度纯化而结晶的固体酶制剂。是经过高度纯化而结晶的固体酶制剂。l固定化酶固定化酶 将酶和酶菌体固定在载体上，制成不容与水的固态酶，将酶和酶菌体固定在载体上，制成不容与水的固态酶，可较长时间使用。可较长时间使用。二、酶的提取二、酶的提取（一）预处理（一）预处理l胞外酶胞外酶 培养液过滤或离心培养液过滤或离心后的清液后的清液l胞内酶胞内酶 破碎细胞壁和质破碎细胞壁和质膜后，再进行提取。膜后，再进行提取。（二）酶的提取（二）酶的提取l水溶液提取法水溶液提取法l

4、表面活性剂提取法表面活性剂提取法l丁醇提取法丁醇提取法三、酶的纯化提取三、酶的纯化提取（一）浓缩（一）浓缩（二）去杂质（二）去杂质（三）纯化（三）纯化l盐析法盐析法l有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法l层析法层析法（四）结晶（四）结晶四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法（一）固定化酶和固定化微生物（一）固定化酶和固定化微生物l固定化酶固定化酶 从筛选、培育获得的优良菌种中提取活性极高的酶，再从筛选、培育获得的优良菌种中提取活性极高的酶，再用包埋等方法将酶固定在载体上，制成不溶于水的固态酶，用包埋等方法将酶固定在载体上，制成不溶于水的固态酶，即固定化酶。即固定化

5、酶。l固定化微生物固定化微生物 以与固定化酶相同的固定化方法将酶活力强的微生物固以与固定化酶相同的固定化方法将酶活力强的微生物固定在载体上，即成固定化微生物。定在载体上，即成固定化微生物。l特性特性 稳定、降解有机物性能力强、耐、抗毒抗杂菌、耐冲击稳定、降解有机物性能力强、耐、抗毒抗杂菌、耐冲击负荷。负荷。（二）固定化酶和固定化微生物的固定方法（二）固定化酶和固定化微生物的固定方法l载体结合法载体结合法l交联法交联法l包埋法包埋法l逆胶束酶反应系统逆胶束酶反应系统以共价结合、离子结合和物理吸附等方法以共价结合、离子结合和物理吸附等方法将酶固定在非水溶性载体上的方法将酶固定在非水溶性载体上的方法

6、载体有葡萄糖、活性炭、胶原、多孔玻璃、载体有葡萄糖、活性炭、胶原、多孔玻璃、高岭土、硅胶等非水溶性载体。高岭土、硅胶等非水溶性载体。微生物细胞与带微生物细胞与带2个以上功能团的非水溶性交联剂个以上功能团的非水溶性交联剂进行交联，进行交联，稳定性好稳定性好反应激烈，会使细胞活性降低。反应激烈，会使细胞活性降低。载体结合法载体结合法载体结合法载体结合法交联法交联法交联法交联法包埋法包埋法包埋法包埋法将微生物细胞包埋在半透性多聚物膜或凝胶小格中将微生物细胞包埋在半透性多聚物膜或凝胶小格中操作简单、能保持微生物细胞的多酶体系、对活性操作简单、能保持微生物细胞的多酶体系、对活性影响较小影响较小在废水处理

7、中得到广泛的研究，是固定化微生物在废水处理中得到广泛的研究，是固定化微生物最最常用的方法常用的方法。l逆胶束酶反应系统逆胶束酶反应系统 表面活性剂的两性分子在有机溶剂中自发形表面活性剂的两性分子在有机溶剂中自发形成聚集体，其亲水性一端连接成逆胶束的极性核，成聚集体，其亲水性一端连接成逆胶束的极性核，水分析插入核中，其疏水性的一端进入主体有机水分析插入核中，其疏水性的一端进入主体有机溶剂中，酶分子溶剂溶于逆胶束中，组成逆胶束溶剂中，酶分子溶剂溶于逆胶束中，组成逆胶束酶系统。酶系统。对微生物无毒（包括固定化过程中和固定化后）；对微生物无毒（包括固定化过程中和固定化后）；对微生物无毒（包括固定化过程

8、中和固定化后）；对微生物无毒（包括固定化过程中和固定化后）；载体表面应具有化学活性集团，这些基团可以直接或经载体表面应具有化学活性集团，这些基团可以直接或经载体表面应具有化学活性集团，这些基团可以直接或经载体表面应具有化学活性集团，这些基团可以直接或经过较为温和的化学方法活化后与生物分子偶联；过较为温和的化学方法活化后与生物分子偶联；过较为温和的化学方法活化后与生物分子偶联；过较为温和的化学方法活化后与生物分子偶联；载体对生物分子而言是惰性的，或者是相对惰性的；载体对生物分子而言是惰性的，或者是相对惰性的；载体对生物分子而言是惰性的，或者是相对惰性的；载体对生物分子而言是惰性的，或者是相对惰性

9、的；对细胞的通透性，允许基质底物和代谢产物渗透和扩散，对细胞的通透性，允许基质底物和代谢产物渗透和扩散，对细胞的通透性，允许基质底物和代谢产物渗透和扩散，对细胞的通透性，允许基质底物和代谢产物渗透和扩散，维持细胞的生命活力；维持细胞的生命活力；维持细胞的生命活力；维持细胞的生命活力；成本低，来源广泛。成本低，来源广泛。成本低，来源广泛。成本低，来源广泛。优良载体应具备的特性优良载体应具备的特性优良载体应具备的特性优良载体应具备的特性五、固定化酶和固定化微生物在环境工程中五、固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用的应用（一）固定化酶和固定化微生物在废水生物处理中（一）固定化酶和固定化微生物在废

10、水生物处理中的研究现状的研究现状 固定化酶技术只限于水解酶类和少数胞内酶固定化酶技术只限于水解酶类和少数胞内酶研制成功和应用，处理废水成本高。而固定化微研制成功和应用，处理废水成本高。而固定化微生物技术应用研究的比较多。生物技术应用研究的比较多。（二）固定化微生物在废气生物处理中的应用前景（二）固定化微生物在废气生物处理中的应用前景第二节第二节 微生物细胞外多聚物的开发和应用微生物细胞外多聚物的开发和应用 微生物的胞外多聚物微生物的胞外多聚物，即，即ECP，是微生物在一，是微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在微生物细胞壁外的多聚化合

11、物。微生物细胞壁外的多聚化合物。包括荚膜、粘液层及其它表面物质。这些多聚包括荚膜、粘液层及其它表面物质。这些多聚物经分析得知其成分为脂、脂肽、多糖脂、中性类物经分析得知其成分为脂、脂肽、多糖脂、中性类脂衍生物。脂衍生物。微生物细胞外多聚物可用作表面活性剂、絮凝微生物细胞外多聚物可用作表面活性剂、絮凝剂或助凝剂、沉淀剂。还可应用于破乳、润湿、发剂或助凝剂、沉淀剂。还可应用于破乳、润湿、发泡和抗静电。在废水生物处理方面的应用已有报道。泡和抗静电。在废水生物处理方面的应用已有报道。一、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用一、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用 表表12-1 生物表面活性剂和生物

12、乳化剂的分类生物表面活性剂和生物乳化剂的分类分类分类产物类型产物类型生产菌生产菌1 糖脂糖脂海藻糖脂海藻糖脂节杆菌属、分枝菌属、诺卡氏节杆菌属、分枝菌属、诺卡氏菌属、棒杆菌属、红球菌属菌属、棒杆菌属、红球菌属鼠李糖鼠李糖假单胞菌属假单胞菌属槐糖脂槐糖脂Torulopsis2 中性脂中性脂/脂肪酸脂肪酸甘油酸、脂肪酸、脂肪醇、蜡甘油酸、脂肪酸、脂肪醇、蜡不动杆菌属、梭菌属不动杆菌属、梭菌属3 含氨基酸类脂含氨基酸类脂脂蛋白、脂肽脂氨基酸脂蛋白、脂肽脂氨基酸芽孢杆菌属、诺卡氏菌属、棒芽孢杆菌属、诺卡氏菌属、棒杆菌属、链霉菌属、分枝杆菌杆菌属、链霉菌属、分枝杆菌属、假单胞菌属、葡糖杆菌属属、假单胞菌

13、属、葡糖杆菌属4 磷脂磷脂磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺红球菌属、硫杆菌属红球菌属、硫杆菌属5 聚合物聚合物 脂杂多糖、脂多糖复合物、蛋脂杂多糖、脂多糖复合物、蛋白质白质-多糖复合物多糖复合物不动杆菌属、地霉属不动杆菌属、地霉属6 细胞表面本身细胞表面本身生物破乳剂生物破乳剂诺卡氏菌属、红球菌属诺卡氏菌属、红球菌属肽脂肽脂不动杆菌属不动杆菌属二、微生物自身絮凝和沉淀作用二、微生物自身絮凝和沉淀作用 根据单一菌种微生物（纯种）细胞表面的解离层（胞外根据单一菌种微生物（纯种）细胞表面的解离层（胞外多聚物）性质不同而划分两种类型，即疏水性的多聚物）性质不同而划分两种类型，即疏水性的R型（菌落型（菌落为粗糙

14、型）和亲水性的为粗糙型）和亲水性的S型（菌落为光滑型）。型（菌落为光滑型）。凡具有凡具有R型解离层的微生物表现疏水性而自身发生絮凝、型解离层的微生物表现疏水性而自身发生絮凝、聚集而沉降，故可将聚集而沉降，故可将R型细菌应用于废水处理。具有型细菌应用于废水处理。具有S型解型解离层的微生物表现亲水性，均匀分散于水中，不易絮凝，不离层的微生物表现亲水性，均匀分散于水中，不易絮凝，不易沉降。易沉降。由于活性污泥中的微生物是混合菌种，活性污泥可能全由于活性污泥中的微生物是混合菌种，活性污泥可能全有有R型细菌组成，还可能全由型细菌组成，还可能全由S型细菌组成。型细菌组成。三、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发和应

15、用三、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发和应用 絮凝剂有三类：絮凝剂有三类：类为有机高分子絮凝剂或是助凝剂；类为有机高分子絮凝剂或是助凝剂；类为无机絮凝剂，用量大；类为无机絮凝剂，用量大；类为微生物絮凝剂，是新开类为微生物絮凝剂，是新开发、有前途的絮凝剂。发、有前途的絮凝剂。提取微生物细胞外多聚物制絮凝剂的提取方法有：物理提取微生物细胞外多聚物制絮凝剂的提取方法有：物理方法的高速离心超声波和均化处理；化学方法的酸水解、热方法的高速离心超声波和均化处理；化学方法的酸水解、热碱法和有机溶剂洗出。碱法和有机溶剂洗出。提取分五步骤：提取分五步骤：微生物（活性污泥）浓缩和洗涤；微生物（活性污泥）浓缩和洗涤；剥取

16、剥取ECPECP；有机溶剂析出；有机溶剂析出；富集；富集；纯化。纯化。四、微生物絮凝剂和沉淀剂的作用原理四、微生物絮凝剂和沉淀剂的作用原理l ECP和活性污泥絮凝的机制尚无定论和活性污泥絮凝的机制尚无定论lECP是生物表面活性剂，可以降低活性污泥和水之是生物表面活性剂，可以降低活性污泥和水之间的表面张力，降低两者的亲和力，增加微生物之间的表面张力，降低两者的亲和力，增加微生物之间及微生物絮团之间的亲和性。间及微生物絮团之间的亲和性。第三节第三节 优势菌种与生物制剂的开优势菌种与生物制剂的开发和应用发和应用一、优势菌种一、优势菌种降解有毒、有害有机污染物的微生物，如食酚菌，分解苯系降解有毒、有害

17、有机污染物的微生物，如食酚菌，分解苯系化合物；化合物；是用极端环境的微生物，如嗜热菌、嗜酸菌等；是用极端环境的微生物，如嗜热菌、嗜酸菌等；降解农药，如乐果等；降解农药，如乐果等；分解难降解污染物的微生物，如废塑料，尼龙；分解难降解污染物的微生物，如废塑料，尼龙；除臭菌。除臭菌。二、优势菌种的筛选步骤与菌剂制备二、优势菌种的筛选步骤与菌剂制备采集样品采集样品 纯化纯化 测性能测性能 保存保存 分类制剂分类制剂三、微生物制剂应用三、微生物制剂应用生物膜挂膜；生物膜挂膜；废水活性污泥法处理过程的添加剂；废水活性污泥法处理过程的添加剂；有机固体废弃物堆肥的菌种和添加剂；有机固体废弃物堆肥的菌种和添加剂

18、；家庭便池、公厕的除臭剂；家庭便池、公厕的除臭剂；禽畜粪便处理的菌种；禽畜粪便处理的菌种；污染严重的河道进行生物修复，疏浚河道底泥；污染严重的河道进行生物修复，疏浚河道底泥；降解和清除海面浮油和炼油厂的废弃物；降解和清除海面浮油和炼油厂的废弃物；土地生物修复和河床底泥的生物修复土地生物修复和河床底泥的生物修复四、微生物制剂的用法四、微生物制剂的用法液体活菌制剂直接使用；液体活菌制剂直接使用；浆状菌剂稀释成一定浓度浆状菌剂稀释成一定浓度（1071010个个/mL）的菌液后使用的菌液后使用干的活菌剂需要用干的活菌剂需要用30左右的温水浸泡若干左右的温水浸泡若干小时使其软化成浆状，加水调成含菌量为小

19、时使其软化成浆状，加水调成含菌量为（1071010个个/mL）的菌液再进行投加。）的菌液再进行投加。第四节第四节 微生物能源的开发与应用微生物能源的开发与应用一、微生物能源的种类一、微生物能源的种类甲烷能源；甲烷能源；利用产酸菌核产甲烷菌的协同作用将高浓度有机利用产酸菌核产甲烷菌的协同作用将高浓度有机废水发酵，产生废水发酵，产生CH4气体作能源。气体作能源。乙醇能源；乙醇能源；利用酵母菌对葡萄糖发酵产生乙醇。利用酵母菌对葡萄糖发酵产生乙醇。氢气能源；氢气能源；产生产生H2能源的方法有多种，利用微生物产生能源的方法有多种，利用微生物产生H2是重要的方法之一，即利用微生物生物脱氢酶和氢是重要的方法

20、之一，即利用微生物生物脱氢酶和氢化酶将糖类脱氢产生化酶将糖类脱氢产生H2。二、产生氢气的微生物二、产生氢气的微生物产生的微生物有：产生的微生物有：不产氧光合细菌、蓝细菌和绿藻、专性厌氧细不产氧光合细菌、蓝细菌和绿藻、专性厌氧细菌、兼性厌氧细菌和古菌等类群。菌、兼性厌氧细菌和古菌等类群。三、微生物产氢燃料电池三、微生物产氢燃料电池 许多糖类均能被微生物分解转化产氢气，将产生许多糖类均能被微生物分解转化产氢气，将产生所谓氢气收集和贮存在电池中就成为生物燃料电池。所谓氢气收集和贮存在电池中就成为生物燃料电池。这样组成的燃料电池看产生这样组成的燃料电池看产生0.71.2A电流（端电流（端压为压为2.2V），可连续工作），可连续工作10天以上。天以上。