1、第七章 現代(xindi)生物技術與環(huán)境污染治理現代生物技術概況基因工程與環(huán)境污染治理(zhl)細胞工程與環(huán)境污染治理酶學工程與環(huán)境污染治理發(fā)酵工程與環(huán)境污染治理生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)共六十一頁第一節(jié) 現代(xindi)生物技術的概述共六十一頁7.1.1、現代(xindi)生物技術概述一、生物技術(jsh) 生物技術（Biotechnology）是指利用生物有機體或組成部分發(fā)展新產品或新工藝的一種技術體系。基因工程：核酸的分離、提取、體外剪切、拼接重組以及擴增與表達等技術。細胞工程：細胞的離體培養(yǎng)、繁殖、再生、融合，細胞核、質、器的移植改建。酶工程：利用酶的特異催化功能，借助固定化，生物反應器

2、等新技術生產特定產品的技術發(fā)酵工程：為微生物提供最適宜的發(fā)酵條件，生產特定產品的技術生物技術共六十一頁生物技術的依據和出發(fā)點：生物在生長、發(fā)育(fy)與繁殖過程中進行物質合成、降解和轉化的能力。生物技術的核心基礎是基因工程和細胞工程。優(yōu)越性：不可取代快速、精確低耗、高效副產物、副作用小安全性好 共六十一頁二、現代(xindi)生物技術的發(fā)展 目前發(fā)達國家中經營石油，化工，醫(yī)藥，釀造和種子等產業(yè)的公司無一例外地都競相開展生物技術的研究和發(fā)展生物技術產業(yè)。 我國生物技術目前發(fā)展的重點：為進一步發(fā)展農業(yè)培育高產優(yōu)質和抗逆的動植物新品種：為防治嚴重疾病研制新型(xnxng)疫苗和藥物：為醫(yī)藥、食品化工

3、和農業(yè)生產開辟新途徑開發(fā)蛋白質工程技術。共六十一頁7.1.2、現代生物技術在環(huán)境科學(kxu)中的應用前景 環(huán)境生物技術 就是應用于認識和解決環(huán)境問題過程的生物技術體系、包括對環(huán)境污染效應的認識、環(huán)境質量評價和環(huán)境污染的生物處理技術等。生物技術最早應用于環(huán)境污染治理的是利用農業(yè)廢物漚制堆肥(dufi)。廢水生物處理主要方法活性污泥法已經過80余年的歷程。共六十一頁第二節(jié) 基因工程(jyn gngchng)與環(huán)境污染生物治理共六十一頁7.2.1、基因工程(jyn gngchng)分子生物學基礎遺傳物質分子脫氧核糖核酸DNADNA是由大量的脫氧核糖核苷酸組成的生物大分子。可變部分是其堿基序列(xl

4、i)，嘌呤和嘧啶堿基攜帶遺傳信息,糖和磷酸基則起結構作用。（四種堿基：腺嘌呤A、鳥嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C）基因基因是DNA分子上的一個特定的片段，不同基因的遺傳信息有各自片段的堿基排列順序所決定?；蛲ㄟ^轉錄出的信息是核糖核酸指導mRNA合成特定的蛋白質，使基因的以表達，完成特定的生命活動。共六十一頁7.2.2、基因工程(jyn gngchng)的基本過程 一、基因工程的工具酶 要進行基因片段的剪切和拼接，首先需要能在特定位置上切割DNA分子的限制性內切酶核能將DNA片段連接在一起的DNA連接酶。 每種限制酶只能識別特定的核苷酸序列，并在其中特定的切點(qidin)上切割DNA分子，把兩

5、種來源不同的DNA用同一種限制酶來切，然后讓兩者的末端粘起來，在用DNA連接酶將其連接起來，就可以組成重組DNA分子共六十一頁二、基因工程載體要將一個外源的基因送入受體細胞，需要有運輸工具，這就是載體。常用載體有：質粒，噬菌體，動植物病毒。質粒是基因工程最常用的載體，首先由于其上有某一限制(xinzh)酶的單一切點，用同種酶切斷的外源DNA片段插入該質粒的切口，就組成了重組DNA分子。其次由于質粒上有選擇性標記，可以根據受體細胞是否具有該種標記來判斷受體細胞是否獲得了該重組質粒。因此質粒在基因工程中得以廣泛應用。共六十一頁三、目的基因的分離1、從基因組直接分離目的基因常用鳥槍法，用限制酶將某種

6、生物的DNA切成片段并分別加入載體，對受體細胞進行轉化，讓外源DNA所有的片段都在宿主細胞中大量擴增，在篩選出有目的基因的轉化細胞。該法有一定的盲目性，工作量大。2、酶促合成法將真核細胞基因轉錄的全部(qunb)RNA提取出來，在體外經反轉錄酶的作用，生成與mRNA互補的DNA，即cDNA，再將cDNA酶切后載入載體，建立cDNA文庫，篩選出目的基因。或對已知核苷酸順序的目的基因，通過聚合酶鏈反應（PCR）技術直接合成。共六十一頁四、目的基因與載體的重組工藝用同一種限制酶切割含有目的基因的外源DNA和載DNA,產生相同的粘性末端，在DNA連接酶的作用下，形成完整(wnzhng)的重組DNA分子

7、。五、將目的基因導入受體在體外完成的DNA的重組后，一般將重組的DNA分子導入受體細胞讓目的基因在受體細胞中表達?；蚬こ讨谐Ｓ玫氖荏w細胞是大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌和動植物細胞。共六十一頁六、對目的基因的篩選和檢測將目的基因在入載體，導入受體細胞后，必須對目的基因進行檢測，確認細胞中以攝入重組的DNA分子。檢測方法一般有遺傳學方法、原位雜交法和免疫學方法。七、目的基因在受體細胞中的表達目的基因在受體細胞中的表達，受到許多因素的表達。目的基因的閱讀框架必須與載體DNA的啟示密碼相吻合。要有適當的啟動子保證目的基因的正確轉錄?；虻牡鞍桩a物有時還需要經過修飾和加工才能(cinng)成為有活性的功

8、能蛋白。共六十一頁7.2.3基因工程在環(huán)境生物(shngw)處理中的應用應用基因工程菌處理污染物的主要優(yōu)勢：集中與創(chuàng)造(chungzo)與目的基因，提供綜合性代謝新污染的通路和雜種細胞。提高代謝通路結構基因的表達，針對新的污染物，改變表達的調節(jié)方式?？刂平到馔緩降南拗菩圆襟E，提高分解代謝酶的合成或其他生化反應過程效率防止有毒中污染物的產生，防止非需要產品的出現，用確定的基因實現最初的目的。共六十一頁主要(zhyo)應用：降解鹵代芳烴的基因工程菌分解尼龍寡聚物的基因工程菌分解多糖的基因工程菌抗金屬基因工程菌除草劑降解基因工程菌殺蟲劑降解基因工程菌共六十一頁第三節(jié) 細胞工程與環(huán)境污染生物(shng

9、w)處理共六十一頁7.3.1 細胞工程概述(i sh)細胞工程細胞工程是利用細胞學技術，有計劃地改造細胞遺傳結構，從而培育出人們所需要的生物品種或具有(jyu)某些新性狀的細胞群體。細胞工程的內容細胞培養(yǎng)：即使細胞在繼續(xù)體外生長和繁殖。細胞融合：在一定條件下，將兩個或多個細胞融合為一個細胞的過程，又稱細胞雜交。共六十一頁細胞重組：在體外條件下，運用試驗技術從活細胞中分離出各種細胞的結構或組件，再根據需要把它們在不同的細胞之間重新進行裝配，成為具有生物活性的細胞。遺傳物質轉移(zhuny)：基因在細胞水平上的轉移。共六十一頁7.3.2 細胞融合構建(u jin)環(huán)境工程菌一、原生質體的制備與融合

10、方法1.概念：原生質體（Protoplast）細胞質壁分離后去掉細胞壁所余下的那部分結構稱為原生質體。原生質體具有原有細胞全部的內部結構與生理性能，但無細胞壁，細胞呈球形，對滲透壓敏感，對外界理化因子(ynz)比較敏感。共六十一頁在外界理化融合因子的誘導下，不同物種間的原生質體的質膜相互融合雜交，并在適當的條件下，融合的原生質體再生出細胞壁并恢復原來(yunli)完整的細胞形態(tài)與群落形態(tài)，構成具有多種遺傳性狀的新物種。故可利用原生質體融合來構建新物種。2.原生質體融合方法親本的選擇：選擇兩種合適于充足的親本菌株，選定適宜的遺傳標記。共六十一頁原生質體的制備：選用合適的酶系，在等滲溶液中溶解細胞

11、壁。原生質體的再生：酶解后得到的原生質體能夠在等滲的培養(yǎng)基中重建細胞壁，恢復細胞完整(wnzhng)形態(tài)，并能生長、分裂的過程稱為再生。原生質體的融合與融合子的檢出：化學誘導法：在得到兩親本原生質體后，等量混合兩親本的原生質體，加入適量的PEG（聚乙二醇）和鈣離子溶液，保溫后，洗去多余的PEG，在選擇培養(yǎng)基上篩選出融合子。電融合法：借助電場的作用，引發(fā)細胞融合。共六十一頁二、原生質體融合來構建(u jin)環(huán)境工程菌原生質體融合構建苯環(huán)化合物降解菌原生質體融合構建纖維素降解菌聚已二醇誘導原生質體融合制備(zhbi)細菌殺蟲劑電融合誘導選育利用木糖和纖維二糖產乙醇的菌株。共六十一頁第四節(jié) 酶學工

12、程(gngchng)與環(huán)境污染生物治理共六十一頁7.4.1 酶學工程基本概念與研究(ynji)現狀酶工程（Enzymatic Engineering）指利用生物有機體內酶所具有的特異催化功能，借助固定化生物反應器和生物傳感器等技術、裝置，高效優(yōu)質地生產特定產品的技術。目前酶工程主要研究酶的生產、純化(chn hu)和固定化技術以及在環(huán)境污染治理、工業(yè)、醫(yī)藥、衛(wèi)生和理論探索等方面的應用。共六十一頁7.4.2 固定化酶一、固定化酶及其特點固定化酶（Immobilized Enzyme）又稱水不溶酶，是通過物理吸附(xf)法或化學鍵合法將水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體相結合，使酶變成不溶于水但仍保持催化

13、活性的衍生物。固定化酶的特點：比較穩(wěn)定，可長時間保持酶的活性；可回收、再生、重復使用，適合于連續(xù)化、自動化和管道化工藝；共六十一頁可制成酶布、酶片、酶柱等多種形式。二、酶的分離提純根據需要篩選產酶量高并已于培養(yǎng)和分離提取的優(yōu)良菌株。按照微生物生長和生產的最適條件進行培養(yǎng)，即發(fā)酵過程。用鹽析、等電電沉淀等方法對發(fā)酵液提純。將酶制品濃縮、結晶(jijng)，并在低溫下保存。共六十一頁三、酶固定化方法載體結合法包括共價結合法、離子結合法、物理吸附法、生物特異(ty)結合法四種。常用載體有：活性炭、多孔玻珠、高嶺土、氧化鋁等交聯法利用戊二醛等交聯劑使酶與酶發(fā)生交聯而進行固定。共六十一頁包埋法將酶包裹在

14、凝膠格子或由半透明膜組成的膠囊中。逆膠束酶法逆膠束指表面活性劑等兩性分子(fnz)在有機溶劑中自發(fā)形成的聚集體。逆膠束酶法指將酶以逆膠束的形式固定。復合法共六十一頁四、可逆可溶性固定化酶酶在可溶狀態(tài)下反應，反應后經簡單操作可沉淀，回收利用。通過改變pH、溫度等理化參數(cnsh)，或由金屬離子的添加、去除等方法可獲得可溶、不溶兩種狀態(tài)的天然及合成高分子物質，將酶共價鍵合于這些物質中即可產生可逆可溶性固定化酶。共六十一頁五、固定化酶反應器批量反應器裝備簡單、不能進行連續(xù)(linx)反應。連續(xù)反應器能進行連續(xù)進、出廢水，效率高。共六十一頁7.4.3 固定化細胞(xbo)一、固定化細胞的特點固定化細

15、胞比游離細胞穩(wěn)定性高，催化效率高于離體酶；比固定化酶操作簡便，成本(chngbn)低廉；能完成多步酶反應，反應時無需補加輔助因子；但固定化細胞內含有龐大而復雜的酶系，其中有些酶是不需要的，甚至對反應是有害的，這是其不足之處。共六十一頁二、細胞的固定化方法自溶酶滅菌法：使細胞自溶酶失活，細胞及可重復使用。往往使細胞中其它酶系和自溶酶一起失活而不能廣泛應用。絮凝吸附法：加入絮凝劑，被絮凝后的細胞再經冷凍或干燥處理后，可提高酶活性的穩(wěn)定性和改善(gishn)細胞壁的機械性能，是固定化細胞可以反復使用。共六十一頁固定化技術處理廢水的優(yōu)點處理效能高，成本低，穩(wěn)定性高；可通過再培養(yǎng)恢復酶的相對活力。固定化

16、技術處理廢水目前存在的問題載體成本較高；固定化材料(cilio)對傳質過程有阻礙，使酶活性大多低于游離細胞。三、固定化技術(jsh)處理廢水共六十一頁工程實例用海藻酸鈣包埋固定熱帶(rdi)假絲酵母菌處理含酚廢水運用多孔陶珠固定具脫色功能的混合菌細胞處理印染廢水固定化藻細胞共六十一頁7.3.4 廢水(fishu)進化生物強化技術一、廢水凈化生物(shngw)強化技術概述生物強化技術（Bioaugmentation）或生物增強技術就是為了提高處理系統(tǒng)的處理能力，而向該系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的優(yōu)勢種群并通過基因組合技術產生的高效菌種，以去除某一種或某一類有害物質，促進系統(tǒng)內生物處理效率的方法。普

17、遍存在理論投菌法理論共六十一頁二、生物活液（Living Liquor Microorganism）生物活液：含有經過篩選的天然菌種或人工培植的變異菌種的生物制劑。生物活液的組成：芽孢桿菌、假單胞菌、亞硝化單胞菌、硝化桿菌、纖維單胞菌、氣桿菌、紅色假單胞菌。（以美國GES公司的LLMO為例）使用方法：將生物活液投在進廠的截流(ji li)干管或進水井內。投加量根據進水水質并經過試驗來確定。共六十一頁三、使用生物添加劑工程實例對生活(shnghu)污水的生物處理對印染廢水的生物處理共六十一頁第五節(jié) 發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理(zhl)中的應用共六十一頁7.5.1 發(fā)酵(f jio)的基本概念一、發(fā)酵

18、（Fermentation）在微生物的產能代謝中，發(fā)酵指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給(jio i)底物本身未完全氧化的某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不同的代謝產物。在發(fā)酵條件下，有機物只是部分被氧化，故發(fā)酵的結果只是積累某些有機物，產生多種多樣的發(fā)酵產品。共六十一頁可發(fā)酵的底物有糖類、有機酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖（即乙醇發(fā)酵）最為重要。在微生物工業(yè)中，發(fā)酵術語指的是任何大規(guī)模過程，不管微生物代謝有或沒有外源最終電子受體的情況下發(fā)生的氧化作用，可在有氧或無氧的條件下進行。微生物的工業(yè)發(fā)酵就是(jish)利用各種微生物不同的發(fā)酵特性，發(fā)酵生產眾多有價值的發(fā)酵產品。共六十一頁二

19、、發(fā)酵過程的四個階段第一階段：發(fā)酵原料的預處理發(fā)酵原料可以是薯類、谷類、有機廢棄物等，預處理包括粗選、除雜、粉碎、蒸煮、水解等過程。第二階段：發(fā)酵過程的準備發(fā)酵前必須進行微生物菌種種子的制備和發(fā)酵原料的無菌消毒。第三階段：發(fā)酵過程包括厭氧發(fā)酵（如乙醇發(fā)酵和乳酸(r sun)發(fā)酵等）和好氧發(fā)酵（如氨基酸發(fā)酵和抗生素發(fā)酵等）兩種方法。共六十一頁第四階段：產品的分離與純化指從發(fā)酵液中制取符合質量指標的制品，可采用過濾、離心除雜、吸附(xf)、沉淀、蒸餾等方法對發(fā)酵液中的產品做進一步的提煉。共六十一頁7.5.2 發(fā)酵(f jio)工程在環(huán)境污染治理中的應用亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵酵母循環(huán)系統(tǒng)廢纖維素的

20、資源化有機(yuj)固體廢物的快速堆肥共六十一頁第六節(jié) 生態(tài)(shngti)工程與污水處理系統(tǒng)共六十一頁7.6.1 生態(tài)工程(gngchng)簡介一、生態(tài)工程的定義及其應用生態(tài)工程（Ecological Engineering）指由人工設計的、以生物種群(zhn qn)為主要結構組分、具有一定功能的、宏觀的、人為參與調控的工程系統(tǒng)。它可以是人工設計的一個群落、生態(tài)系統(tǒng)或更宏觀的地域性生態(tài)空間。生態(tài)工程構建和運行的主要理論依據是生態(tài)學原理，同時在設計時還必須遵循社會規(guī)律和經濟規(guī)律。共六十一頁環(huán)境生態(tài)工程的主要目的是為了保護生態(tài)環(huán)境，也有可能在保護環(huán)境的同時(tngsh)，通過良好的物質循環(huán)和能量

21、流動過程，獲得經濟效益。二、生態(tài)工程的類型物質能量多層利用生態(tài)工程物質轉化與再生生態(tài)工程無污染生態(tài)工程污染自凈多功能生態(tài)工程工農業(yè)聯合生態(tài)工程共六十一頁7.6.2 氧化(ynghu)塘法生物氧化塘（Oxidation Pond）又稱穩(wěn)定塘，是利用藻類和細菌兩類生物間功能上的協同作用處理污水的一種生態(tài)系統(tǒng)。一、凈化原理氧化塘的凈化原理氧化塘的凈化原理是利用了細菌與藻類的互生關系。藻類進行光合作用釋放氧氣(yngq)；細菌利用藻類產生的氧氣分解流入塘內的有機物；共六十一頁分解產物中的CO2、N、P等無機物以及一部分小分子有機物成為藻類的營養(yǎng)源；增殖的細菌和藻類細胞為微型動物所捕食(b sh)。氧化

22、塘內的反應過程藻類和光合細菌的光合放氧過程；好氧反應：氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等；厭氧反應：硝酸鹽還原反應、硫酸鹽還原反應、發(fā)酵反應等；共六十一頁氧化(ynghu)塘內的生物學過程藻類細菌衰亡細胞CO2、NH3H2O、PO43O2流入污水能沉淀的固體處理出水O2 風陽光（厭氧性）（兼性）有機物微生物有機酸、醇等微生物CH4CO2NH3等共六十一頁二、氧化塘內的生物組成藻類：位于氧化塘的表層，常見的有：小球藻屬、衣藻屬、眼蟲藻屬等；細菌：大量存在于氧化塘下層，在好氣狀態(tài)下，無色桿菌、假單胞菌、芽孢(y bo)桿菌等優(yōu)勢生長；在氧化塘底部的厭氧層還有硫酸還原菌和甲烷細菌。微型動物：存在多種

23、原生動物、輪蟲、以及甲殼類等。共六十一頁三、氧化塘的分類與功能兼性塘（Facultative Pond）塘深1.02.5m，上層DO充足，好氧微生物占優(yōu)勢；中層DO不足，兼性微生物占優(yōu)勢；下層厭氧微生物占優(yōu)勢?？蓱糜谔幚砉I(yè)、農業(yè)廢水和生活(shnghu)污水。厭氧塘塘深2m以上，厭氧微生物占主導，可接納預處理各種高濃度有機工業(yè)廢水。它后面通常還置有兼性塘和好氧塘。共六十一頁曝氣塘塘深25m。機械曝氣充氧。精制塘四、綜合生物塘綜合生物塘是運用生態(tài)學原理，將個具體特點的生態(tài)單元，按照(nzho)一定的比例和方式組合起來的具有污水凈化和無水資源化雙重功能的新型穩(wěn)定塘技術綜合生物塘凈化生物學基礎水

24、生維管束植物生態(tài)凈化功能藻-菌呼聲生態(tài)系統(tǒng)代謝活性提高出水水質的生態(tài)學措施共六十一頁綜合(zngh)生物塘工藝流程進水流程(lichng)：處理BOD5150200mg/L的污水，包括全部的生態(tài)單元，水力停留時間16.3d；流程：處理BOD5100150mg/L的污水，水力停留時間 11.5d ；流程或 ：處理BOD570100mg/L的污水，水力停留時間45d；沉砂厭氧植物藻菌生態(tài)修飾養(yǎng)殖灌溉出水植物藻菌共六十一頁7.6.3 水生植物一、以水生大型(dxng)植物為基礎的處理系統(tǒng)污水(w shu)格柵二級水生生物曝氣塘砂濾反滲透粒狀炭柱臭氧消毒出水二、全年運轉途徑選擇適宜的高等水生植物種類營

25、養(yǎng)膜技術共六十一頁7.6.4 人工濕地處理(chl)系統(tǒng)濕地每年在足夠長的時間內均具有前的表面(biomin)水層，能維持大型水生植物生長的生態(tài)系統(tǒng)人工濕地根據自然濕地模擬的人工生態(tài)系統(tǒng)，用于處理廢水。共六十一頁人工濕地處理系統(tǒng)優(yōu)點凈化效率優(yōu)于氧化塘；運轉費用低；對廢水處理廠難以(nny)去除的營養(yǎng)元素凈化效果好。應用實例蘆葦濕地處理系統(tǒng)共六十一頁7.6.5 污水(w shu)土地處理系統(tǒng)污水土地處理系統(tǒng)（Land Treatment System）利用土地及其中的微生物和植物根系對污染物的凈化能力來處理已經經過(jnggu)預處理的污水或廢水，同時利用其中的水分和肥分促進農作物、牧草或樹木生長的工程設施。一、污水土地處理系統(tǒng)的組成與類型污水土地處理系統(tǒng)