第七章 现代生物技术与环境污染治理.ppt.ppt

第七章 现代生物技术与环境污染治理,现代生物技术概况 基因工程与环境污染生物治理 细胞工程与环境污染生物处理 酶学工程与环境污染生物治理 发酵工程在环境污染治理中的应用 生态工程与污水处理系统,第一节 现代生物技术概况,什么是生物技术（Biotechnology）？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。综合分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机等多学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务等。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、细胞质乃至染色体与细胞器的移植改建等技术。酶工程：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。发酵工程：为微生物提供最适宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。,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、繁殖过程中进行物质合成、降解和转化的能力。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，副产物、副作用小，安全性好。环境生物技术（Environmental Biotechnology）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。生物技术在环境污染生物处理中的应用基础是运用生物的生命过程的反应将污染物转化为无毒、无害、稳定的物质。,第二节 基因工程与环境污染生物治理,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。,一、基因工程的分子生物学基础,二、基因工程的基本过程,基因工程是利用重组DNA技术，在体外通过人工剪切和拼接等方法，对生物的基因进行改造和重组，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组的基因在受体细胞中表达，产生出人类所需要的基因产物。关键步骤：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DNA连接酶。基因工程的载体载体是将外源基因送入受体细胞的“运输工具”。常用的载体有质粒（最常用）、噬菌体以及动植物病毒。,目的基因的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，二是人工合成。目的基因与载体的重组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。对目的基因的筛选和检测 检测方法一般有遗传学方法、原位杂交法和免疫学方法目的基因在受体细胞中的表达,三、基因工程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尼龙寡聚物的基因工程菌分解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,第三节 细胞工程与环境污染生物治理,一、细胞工程概述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种或具有某些新性状的细胞群体。细胞工程的内容细胞培养：使细胞在体外继续生长和繁殖。关键是营养和生长环境。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。,二、细胞融合构建环境工程菌,（一）原生质体（Protoplast）的概念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，细胞失去刚性而呈球形，比较容易吸收外来的DNA、蛋白质等，同时对渗透压十分敏感，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，构成具有多种遗传性状的新物种。故可利用原生质体融合来构建新物种。,（二）原生质体融合的方法亲本的选择原生质体的制备 选择合适的酶系溶解细胞壁；真菌用纤维素酶，细菌用溶菌酶原生质体的再生 酶解后得到的原生质体能够在等渗的培养基中重建细胞壁，恢复细胞完整形态，并能生长、分裂的过程称为再生。原生质体的融合和融合子的检出 常用的方法有化学促融法和电诱导法。,（三）原生质体融合来构建环境工程菌,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乙二醇诱导原生质体融合制备细菌杀虫剂,第四节 酶学工程与环境污染生物治理,一、酶工程（Enzymatic Engineering）指利用生物有机体内酶所具有的特异催化功能，借助固定化生物反应器和生物传感器等技术、装置，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、工业、医药、卫生和理论探索等方面的应用。二、固定化酶（Immobilized 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：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；可制成酶布、酶片、酶柱等多种形式。,（一）酶的分离提纯酶在生物界普遍存在，工业生产以微生物最为适合。利用微生物生产酶制品可分为菌种选育、发酵培养、分离提取和酶的保存四个步骤。,（二）酶的固定化方法,载体结合法包括共价结合法、离子结合法、物理吸附法、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。包埋法将酶包裹在凝胶格子或由半透明膜组成的胶囊中。逆胶束酶法逆胶束指表面活性剂等两性分子在有机溶剂中自发形成的聚集体。逆胶束酶法指将酶以逆胶束的形式固定。复合法,（三）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。,三、固定化细胞（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，成本低廉；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,固定化技术处理废水,固定化技术处理废水的优点处理效能高，成本低，稳定性高；可通过再培养恢复酶的相对活力。固定化技术处理废水目前存在的问题载体成本较高；固定化材料对传质过程有阻碍，使酶活性大多低于游离细胞。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,四、废水净化生物强化技术,生物强化技术（Bioaugmentation）或生物增强技术就是为了提高废水处理系统的处理能力，而向该系统中投加从自然界中筛选的优势种群并通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质，促进系统内生物处理效率的方法。所使用的菌种可从自然界筛选出来，也可以是经处理的变异菌株或经遗传工程构建的菌株。这些菌种可以通过热风干燥、冷却干燥或添加抑制剂加以保存。,生物添加剂的生产流程,生物添加剂的使用方法若是干燥制剂（菌粉）需置于2728温水中浸渍112h不等，使其活化后，以浆状添加到处理系统中。若是液态成品（菌液），可直接投入处理系统中。,筛选高效菌株,发酵培养单一菌株,热风干燥或冷冻干燥,添加助剂等,包装形成产品,生物活液（Living Liquor Microorganism）：是含有经过筛选的天然菌种或人工培植的变异菌种的生物制剂。生物活液由7种细菌按一定比例混合制成。彼此可以它方的代谢产物为营养。它们分别是芽孢杆菌、假单胞菌、亚硝化单胞菌、硝化杆菌、纤维单胞菌、气杆菌、红色假单胞菌。产品分菌粉和菌液两种。例：美国GES公司 LLMO（Liquid Live Microorganisms）生物活液菌液产品,第五节 发酵工程在环境污染治理中的应用,（一）发酵（Fermentation）的基本概念发酵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，分为有氧发酵和无氧发酵。如乙醇、乳酸、丙酮和丁醇的发酵属于无氧发酵；抗生素、醋酸、氨基酸、维生素的发酵属于有氧发酵。发酵的实质是依靠微生物体内或体外的酶，将基质包括有机污染物在内的大分子分解成微生物细胞能吸收的小分子化合物，并参与细胞的合成代谢。发酵的微生物类型主要有酵母、霉菌和细菌。,一、发酵和发酵工程,（二）发酵工程过程的四个阶段,第一阶段：发酵原料的预处理发酵原料可以是薯类、谷类、有机废弃物等，但微生物不能直接利用，需要将其粉碎、蒸煮并水解成葡萄糖。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。第三阶段：发酵过程包括厌氧发酵（静置发酵）和好氧发酵（需通氧）两种方法。第四阶段：产品的分离与纯化指从发酵液中制取符合质量指标的制品。先要对发酵液过滤、离心以出去固体杂质，然后采用吸附法、溶媒萃取法、蒸馏法等方法对发酵液中的产品做进一步的提炼。,发酵的基本原理是单一的菌种在培养基中的纯培养，因此所采用的菌种极为重要。,二、发酵工程在环境污染治理中的应用,亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵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,第六节 生态工程与污水处理系统,生态工程（Ecological Engineering）的概念生态工程一般指人工设计的、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群落、一个生态系统或一个更宏观的地域性的生态空间。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。环境生态工程的设计中，首先要明确设计目的，即为了保护某种生态环境。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。,一、生态工程简介,生态工程类型,根据生态工程的性质及其主要目标，分为以下几类：物质能量多层利用生态工程物质转化与再生生态工程无污染生态工程污染自净多功能生态工程工农业联合生态工程,环境污染治理的生态工程介绍,氧化塘法水生植物塘人工湿地处理系统污水土地处理系统生态工程与生态农业,二、氧化塘法,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上的协同作用处理污水的一种生态系统。由藻类的光合作用产生的氧以及空气中的氧来维持好气状态，使池塘内的废水中有机物在微生物作用下进行生物降解。,产酸细菌,产甲烷细菌,（一）氧化塘的净化原理,氧化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。藻类进行光合作用释放氧气；细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物；分解产物中的CO2、N、P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。氧化塘内的反应过程藻类和光合细菌的光合放氧过程；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；,（二）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、甲壳类以及昆虫等。,（三）氧化塘的分类与功能,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。精制塘塘深2m以上，一般用来改进生物滤池法、活性污泥法及其他类型生物塘排放的出水。,氧化塘的特点及实例,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地面水标准。,三、水生植物塘,（一）以水生大型植物为基础的处理系统 目前比较完善的水生植物塘（Aquatic Plant Pond）处理废水的工艺流程为：原污水格栅二级水生生物曝气塘砂滤反渗透粒状炭柱臭氧消毒出水，水质达饮用水标准。如采用五级塘串联，前两个为厌氧塘，其余为兼性塘和好氧塘，出水要求能达到深度处理要求，在五级塘上加设温室，即设双层乙烯薄膜（中间充气）的顶盖，吸收阳光，终年保持较高的运行温度，提高水生植物的生产量。水生植物采用凤眼莲和浮萍并在水下设置具有高表面积的微生物载体，并增设曝气装置。终年处理效果相当稳定，不受季节影响。对大肠杆菌和病毒有极高的处理效果。,（二）全年运转途径为渡过严寒季节，选择适宜的高等水生植物种类是一种易实现的办法，可按下列标准选择植物种类：适应当地气候；高光合作用率；高传递氧能力；耐受污染物；污染物的同化容量高；对不利气候条件的耐受性高；对病虫害的抗性强；易于管理。营养膜技术是将无土栽培技术引入污水处理中，用塑料或其他物质做成处理槽，用塑料布折叠在一起形成一个扁口袋状，边缘用扣子连在一起，植物由孔缝固定，用抽水机或手工使营养液在袋中循环流动。,四、人工湿地处理系统,广州人工湿地水质净化工程 处理生活污水,处理后的水可直接用于农业灌溉和养鱼,芦苇湿地处理系统,湿地是指每年在足够长的时间内均具有浅的表面水层，能维持大型水生植物生长的生态系统。人工湿地是根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。,五、污水土地处理系统,什么是污水土地处理系统（Land 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水，同时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。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物的摄取等作用。,六、生态工程与生态农业,生态农业是一种能长期维持农业生产所依赖的环境质量和资源基础，为人类提供必需的食物和纤维等产品的农业生产体系。生态农业是按照生态学原理和经济学原理，运用现代科学技术成果和现代管理手段，以及传统农业的有效经验建立起来的，能获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化农业。,生产者（稻、麦、蔬菜等）,消费者（禽畜鱼等）,分解者（沼气菌、食用菌等）,秸秆、棉籽壳等,粪便、食用菌下脚料等,