环境生物技术.

环境生物技术讲稿主讲人：宋文军第一章引言环境生物技术是近30年来发展起来的新型的边缘学科。这主要由生物技术、工程学、环境学、生态学等学科组成。其广义定义就是指利用生物体、生物的代谢反应过程和生物合成产物(包括酶)对环境进行监测，评估以及整治、修复的有关单一或综合性的现代化手段。目前可将其定义为：直接或间接利用生物体或生物体的某些组成部分、机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者高效净化环境污染及同时生产有用的物质的人工技术系统。第一节环境科学概述一、环境科学与环境问题环境科学作为一门独立的学科从兴起到形成只有短短的四十年的历史。20世纪60年代进行了一些零星分散的工作。70年代才汇集成一门具有广泛领域和丰富内容的学科。与生物化学、生物学等传统学科不同，环境科学是一门由环境问题导向所形成的学科，因此对环境问题的认识和了解，是阐述环境科学的性质、任务的前提。(一)环境问题的由来1、人与环境2、环境问题的由来：环境问题可分为两大类，一类是环境污染，别一类是生态破坏。(二)重大环境问题1、温室将就与气候变暖2、臭氧层的破坏3、酸雨4、有毒物质污染5、生态环境破坏(三)环境问题的实质两大类问题均是由于人类活动引起了环境质量下降二、环境科学的发展历史其发展史可分为相关学科的探索和环境学科作为一门综合性学科的形成两个发展阶段。1、相关学科的探索2、环境科学的形成与发展第二节生物技术的学科体系与发展简史一、生物技术的定义生物技术的概念最初是由匈牙利工程师KarlEreky于1917年提出的，即利用生物将原料转化为产品。1982年国际合作及发展组织的定义：生物技术是应用自然和科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器，将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。这一过程称为生物反应过程(bioprocess)。1、基因工程2、酶工程3、细胞工程4、发酵工程二、生物技术的发展1、传统生物技术2、现代生物技术3、研究内容：当今世界四大工程：环境工程、信息工程、生物工程、材料科学工程。现代生物技术研究的主要内容：基因工程、酶工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程。基因工程是核心，其它工程是实现生产有用物质的手段。第三节环境生物技术一、环境生物技术的基本特征发酵工程是生物技术中最早涉足环境保护领域的工程技术。如利用农业废物沤制堆肥二、环境生物技术的研究内容与层次1、环境生物技术涉及的学科：分子生物学、生物化学、酶学、环境微生物、植物、动物、生态、环境毒理、土壤学等。涉及的技术科学包括基因、酶、发酵、化学、环境、生态、微电子、计算机科学等工程。2、层次分为3个部分或层次(1)第一层次为现代环境生物技术(2)第二层次是以废物的生物处理为主要内容(3)第三层次包括氧化塘、人工湿地、农业生态工程等技术3、研究内容：包括5个方面第二章环境生物技术的生物学基础第一节环境微生物培养技术环境中存在大量污染物质，其生化降解性除了与污染物质的结构特性有关外，还与环境中存在的微生物类群密切相关。一、环境微生物的种类环境微生物是微生物界的一个重要组成部分，是最重要的环境资源之一，是生物进化过程中最有利于保持环境稳定的结果。1、常见环境微生物：(1)细菌(2)放线菌(3)真菌(4)原生动物(5)微型后生动物(6)藻类2、极端环境微生物二、环境微生物的富集与分离(一)普通纯培养菌株的富集与分离1、制定富集与分离方案2、普通纯种培养菌株富集与分离的操作步骤(二)有机污染物降解菌的富集与分离1、有机污染物降解菌的富集2、有机污染物降解菌的分离(三)共代谢基质降解菌的富集与分离(四)同生菌的富集与分离三、环境微生物的生长与影响因素(一)微生物的生长1、碳的同化2、微生物的生长过程3、微生物生长的数学模型(二)微生物生长的影响因素1、微生物的营养2、温度3、PH值4、氧气5、渗透压6、压力7、光线四、环境微生物的驯化(一)驯化方法(二)影响驯化期的环境因素1、微生物的营养2、温度3、PH值4、溶解氧5、有毒物质第二节微生物的育种一、自然选育不经人工诱变，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程，称为自然选育或分离(一)菌种衰退的原因分析：菌种的降解能力取决于菌种的遗传特性和生理状态。(二)自然选育的方法：单菌落分离法二、诱变育种通过诱变剂处理可以大大提高菌种的突变效率，扩大变异辐度。(一)诱变育种方案设计：包括三个环节：1、突变的诱发2、突变株的筛选3、突变高效降解基因的表现。(二)原理：利用诱变剂使DNA分子的某一位置结构改变称为前突变。然后经过DNA复制而成为真正的突变。三、微生物的杂交育种(一)微生物杂交：微生物育种有多种途径，除自然和诱变外，以基因重组为基础的杂交育种和基因工程也是重要方法。杂交育种包括常规杂交、控制杂交和原生质体融合等方法。1、杂交的意义2、微生物杂交育种的基本程序3、杂交过程中亲本和培养基的选择4、杂交育种的遗传标记5、杂交育种方法(二)微生物原生质体育种1、原生质体再生育种2、原生质体诱变育种3、原生质体转化育种4、微生物原生质体融合育种(三)微生物原生质融合育种：因水解酶除去细胞壁，形成原生质膜包被的裸细胞，然后用物理化学或生物学方法诱导遗传性状不同的两亲本原生质体融合，经染色体交换、重组而达到杂交的目的，经筛选获得到集双亲优良性状于一体的稳定融合子。1、直接亲本及遗传标记的选择2、原生质体制备和再生3、原生质体融合4、融合体再生5、重组子检出与遗传特性分析6、原生质体融合的应用第三节基因工程菌的构建与传统育种不同的是基因工程育种不但可以完全突破种间的障碍，实现真正意义上的无缘杂交。一、基因工程菌的构建原理基因工程是用人为的方法将所需的某一供体生物的遗传物质DNA分子提取出来，在离体条件下进行切割，获得代表某一性状的目的基因，把该目的基因作为载体的DNA分子连接起来，然后导入某一受体细胞，让外来的目的基因在受体细胞中进行正常的复制与表达，从而获得目的产物。(一)目的基因的获取(二)载体的选择(三)目的基因导入受体细胞(四)重组体的筛选二、基因工程菌的构建基因工程菌的构建需要把DNA从细胞中提取出来，通过限制性内切酶切取目的DNA，再用连接酶将此DNA和作为载体的质粒连接起来，再把这种杂合分子重新引入适合的寄主细胞内，令其复制和表达。（一）基因工程菌构建方法（二）构建具有特殊功能的菌株（三）构建降解菌拓宽氧化酶的专一性（四）构建基因工程菌增强无机磷的去除三、基因工程菌的应用（一）优化污染物的降解途径（二）利用质粒突变筛选高效降解菌（三）增强细菌的环境适应性第三章有机污染物生物降解与转化原理一、有机物分解代谢与产能（一）生物氧化的方式生物氧化过程根据末端电子受体不同，分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种不同的方式。1、有氧呼吸2、无氧呼吸3、发酵（二）有机物分解的代谢途径与产能进行呼吸作用的微生物，将所利用的有机物沿中央代谢途径逐步分解形成一系列中间物，同时产生能量。包括糖酵解、三羧酸循环和电子传递系统。1、糖酵解2、三羧酸循环（TCA）3、电子传递系统二、有机污染物代谢的生理过程（一）有机污染物代谢的基本过程：向基质接近、吸附在固体基质上、分泌胞外酶、基质的跨膜运输和细胞内代谢。1、向基质接近2、吸附在固体基质上3、胞外酶的分泌4、跨膜运输5、细胞内代谢（二）有机污染物生物降解的动力学1、幂指数定律：在基质降解过程中如果不考虑微生物生长这一因素，可以用幂指数定律来描述基质降解速率与基质浓度的关系2、双曲线定律：基质降解过程中需要考虑微生物的生长时，用此定律三、共代谢的原理在自然界中存在大量的生物难降解的有机污染物，这些污染物在环境中的生物降解速度特别缓慢，此类物质在环境中的降解与转化作用主要是通过共代谢作用机制来完成的。（一）共代谢基质与共代谢微生物（二）共代谢的原理1、缺少进行反应的酶2、中间产物的抑制作用3、供给其它基质（三）共代谢相关的酶四、微生物对污染物的去毒与激活作用（一）去毒作用（二）微生物的激活作用1、激活作用2、激活作用的类型3、生物毒性谱的变化第四章有机污染物的生物降解途径一、烃类污染物的生物降解烃类按其分子结构可以分为脂肪烃类、芳香烃，分子量为16－1000，许多菌类均可降解烃类，许多烃类物质对人体有相当大的毒性。（一）脂肪烃的生物降解1、链烃的生物降解1）降解链烃的微生物种类2）链烃生物氧化方式有四种3）链烃的生物降解途径2、脂环烃的微生物降解3、脂肪烃化合物生物降解的特点（二）芳香烃化合物的生物降解1、单环芳烃的生物降解1）降解菌2）单环芳烃的好氧降解途径3）单环芳烃的厌氧降解途径2、多环芳烃的降解1）降解微生物种类2）多环芳烃的好氧微生物降解途径3）多单环芳烃的厌氧生物代谢途径：与单环烃的代谢途径类似4）PAHS的降解特点二、烃类衍生物的生物降解（一）卤代烃的生物降解。包括卤代脂肪烃和芳香烃两种1、卤代脂肪烃的降解1）微生物2）卤代脂肪烃的脱卤反应途径3）卤代脂肪烃的好氧厌氧降解4）卤代脂芳烃的降解规律2、卤代芳香烃衍生物的生物降解1）菌种：真菌、细胞2）氯代苯类的生物降解3）氯代苯甲酸的降解4）多氯联苯的降解5）卤代芳香烃农药的降解6）卤代芳香烃衍生物的降解规律（二）含氮芳香烃类的生物降解1、含氨基的芳香烃类衍生物的生物降解1）苯胺类降解2）偶氮染料的降解2、硝基芳香烃类的生物降解1）降解菌2）降解机制（三）含磷原子烃类衍生物的生物降解1、含氧化烃类衍生物的生物降解2、表面活性剂的生物降解三、有机金属的生物降解：有机铝砷等化合物。主要是通过一些抗性微生物来降解。如：假单细胞菌K62对汞化物的还原作用等。