YYH-第十二章-微生物学新技术在环境工程中的应用

第十二章微生物学新技术在环境工程中的应用杨毅红微生物学新技术遗传诱变育种基因工程酶工程微生物制剂生物表面活性剂等的技术生物絮凝剂和沉淀剂此处简单介绍适宜在环境工程领域应用的几种。内容提要第一节固定化酶和固定化细胞在环境工程中的应用第二节微生物细胞外多聚物的开发与应用第三节优势菌种与微生物制剂的开发与应用第四节微生物能源的开发与应用第一节固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用一、固定化酶和固定化微生物的概念和应用实例固定化酶(ImmobilizedEnzyme）是20世纪60年代发展起来的—项新技术。什么是固定化酶？水溶性酶水不溶性载体固定化技术水不溶性酶（固定化酶）优点：1.可反复使用，在多数情况下，酶的稳定性明显改善；不溶于水，易于与产物分离；2.催化反应后，酶与底物、产物容易分开，易于分化，产物中没有残留酶，提高了产品的质量；3.反应条件易于控制，可实现生物催化反应的连续化和自动控制；4.酶的利用效率高，成本降低；5.能够进行多酶催化反应；6.可增加产物得率。固定化酶的优缺点缺点：1.酶固定化时酶的活力有所损失；2.消耗固定化材料，成本增加；3.酶被固定到载体后将增加底物与产物的传质阻力；4.比较适应水溶性底物和小分子底物。固定化酶可以制成酶膜、酶布、酶管（柱）、酶粒、酶片。处理动态废水用酶管为好。废水中若含有多种毒物，可按分解毒物成分的次序，沿着废水流动方向，依次按顺序将与各种毒物相对应的酶固定在塑料管内壁不同位置上，制成塑料酶管。见图12-3中所示。应用实例德国将9种降解对硫磷农药的酶共价结合固定在多孔玻璃珠、硅胶珠上，制成酶柱处理对硫磷废水，获得95%以上的去除效果。连续工作70d，酶的活性没有变化。日本用固定化-淀粉酶处理淀粉废水和造纸白水。美国将固定化酚氧化酶处理含酚废水，固定化酶活性只达到游离细胞的90％。从这个意义讲，用游离细胞处理废水的效果比用单一固定化酶的好。固定化细胞将酶活力强的微生物体固定在载体上，即成固定化微生物。微生物体本身是多酶体系的固定化载体，将整个细胞固定化更有利于保持其原有活性，甚至可提高活性。有死细胞固定化和生长细胞固定化两种。二、固定化酶和固定化微生物在环境工程上的应用前景（一）固定化酶和固定化微生物在废水生物处理中的研究现状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废气的组分没有废水的复杂，而且将废气由气相转化为液相所产生的废水量不大，其处理难度相对较小。恶臭含硫污染物和挥发性有机污染物均有固定化酶和固定化微生物处理的可行性试验，可望在生产中应用。第二节微生物细胞外多聚物的开发和应用微生物的胞外多聚物，即ECP，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。这些多聚物经分析得知其成分为脂、脂肽、多糖脂、中性类脂衍生物。荚膜粘液层ECP和活性污泥絮凝的机制尚无定论ECP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，增加微生物之间及微生物絮团之间的亲和性。微生物絮凝剂和沉淀剂的作用原理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、发泡和抗静电。在废水生物处理方面的应用已有报道。第三节优势菌种与生物制剂的开发和应用①降解有毒、有害有机污染物的微生物，如食酚菌，分解苯系化合物；②是用极端环境的微生物，如嗜热菌、嗜酸菌等；③降解农药，如乐果等；④分解难降解污染物的微生物，如废塑料，尼龙；⑤除臭菌。优势菌种①生物膜挂膜；②废水活性污泥法处理过程的添加剂；③有机固体废弃物堆肥的菌种和添加剂；④家庭便池、公厕的除臭剂；⑤禽畜粪便处理的菌种；⑥污染严重的河道进行生物修复，疏浚河道底泥；⑦降解和清除海面浮油和炼油厂的废弃物；⑧土地生物修复和河床底泥的生物修复微生物制剂应用第四节微生物能源的开发与应用16.6%2.1%5.1%76.2%1990年我国化石燃料和水电能源消耗构成示意图能源危机无论是煤炭、石油还是天然气，作为不可再生的天然的化石能源，其资源总量是有限的。据测算，以目前的开采速率，这三种天然一次能源的供应，石油还能维持约40年，天然气(常规)约65年，煤炭250～300年。能源供应的出路在哪里？生物能源生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。能源微生物是指：以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物。生物能源的地位与作用生物能源是人类赖以生存的重要能源，居于世界能源消费的第四位。生物能源是一种可再生的清洁能源，将来会成为支柱能源之一。世界生物能源消费：约15％。①甲烷能源-微生物产甲烷；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CH4气体作能源。②乙醇能源-微生物生产乙醇；利用酵母菌对葡萄糖发酵产生乙醇。③氢气能源-微生物产氢；产生H2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化酶将糖类脱氢产生H2。微生物能源的种类（1）微生物产甲烷甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000焦耳，每立方米沼气的发热量约为20800－23600焦耳。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。生物沼气沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。我国已有许多地方的农村和畜牧场使用了沼气。沼气的推广使用节约了资源，保护了环境，也提高了农民的生活质量。目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。球型玻璃钢沼气池村民修建沼气池沼气的制取收集装置沼气灶具沼气肥甲烷为燃料甲壳虫环保效率更胜电动车（2）微生物生产乙醇石油：最主要，不可再生乙醇很可能是未来的石油替代物。乙醇用作燃料，具有许多优点，主要是：①产能效率高。②污染程度轻，在燃烧期间不产生有毒的CO。③可通过微生物发酵大量生产，成本相对较低。④用作发酵的原料较多，而且可以废物利用，如农作物秸秆、玉米芯、稻草、纤维素、蔗渣、树叶和杂草等。淀粉或糖类为原料：理想，但成本高木质纤维素：纤维素、半纤维素、木质素酸解或酶解五碳糖和六碳糖发酵成乙醇燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物能源。以一定的比例掺入汽油可作为汽车的燃料，不但能替代部分汽油，而且排放的尾气更清洁。我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三。汽车喝的燃料乙醇燃料乙醇目前，巴西每年用甘蔗生产的燃料乙醇产量达1400万吨，成为世界上第一个不销售纯汽油的国家。国家鼓励使用非粮食原料生产燃料乙醇传统乙醇发酵工艺：采用游离细胞发酵，酵母随发酵液不断流走，造成发酵罐中酵母细胞浓度不够大，使乙醇发酵速度慢，发酵时间长，而且所需的发酵罐也多，设备利用率不高。固定化细胞发酵：酵母细胞固定在一个发酵罐中，一边进糖浆，一边排出成熟发酵液。取代原来数个发酵罐的作用，设备利用率高，减少了设备投资。氢能的优势：1.地球上的氢元素十分丰富2.氢气是最洁净的燃料3.氢能的高效率4.氢是可储存的二次能源产生的微生物有：不产氧光合细菌、蓝细菌和绿藻、专性厌氧细菌、兼性厌氧细菌和古菌等类群。（3）微生物制氢微生物制氢的三大方法1.光合微生物产氢2.微生物水气转换制氢3.暗发酵制氢光合微生物产氢投入：光能产出：氢气例－绿藻绿藻属于人类已知的最古老植物之一，通过进化形成了能生活在两个截然不同的环境中的本领。当绿藻生活在平常的空气和阳光中时，它像其他植物一样具有光合作用。光合作用利用阳光，水和二氧化碳生成氧气和植物维持生命所需要的化学物质。然而当绿藻缺少硫这种关键性的营养成分，并且被置于无氧和光照环境中时，绿藻就会回到另一种生存方式中以便存活下来，在这种情况下，绿藻就会产生氢气。例－蓝细菌蓝细菌主要分为：蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类当蓝细菌处于厌氧黑暗环境中一段时间后，开始合成产氢酶当这种适应了厌氧条件的蓝细菌被放回光照且厌氧的环境中时，产氢速率可以大幅度提高它的光合作用正常后，则停止产氢优势明显：以太阳能为能源、以水为原料，能量消耗小，生产过程清洁，受到各国生物制氢单位的关注。现况无奈：目前光合微生物制氢离实用化还有相当距离，光能转化率低，要大量制氢，就需要很大的受光面积，还没有满意的产氢藻。仍有希望：但普遍认为，光合生物制氢很有发展前景。据美国太阳能研究中心估算，如果光能转化率能达到10%，就可以同其他能源竞争。光合微生物制氢的总况一般电池：是由正极、负极、电解质燃料电池：燃料在负极的一头发生化学反应，失去电子；氧化剂在正极的一头发生反应，得到从负极经过导线跑过来的电子。燃料电池可以用氢、联氨、甲醇、甲醛、甲烷、乙烷等作燃料，以氧气、空气、双氧水等为氧化剂。现在我们可以利用微生物的生命活动产生的所谓“电极活性物质”作为电池燃料，然后通过类似于燃料电池的办法，把化学能转换成电能，成为微生物电池。微生物燃料电池微生物产氢燃料电池图12-4固定化氢产生菌的燃料电池工作原理这样组成的燃料电池可产生0.7～1.2A电流(端压为2.2V)，可连续工作10d以上。葡萄糖H2OH22H+0.5O22H+发展历史英国植物学家马克·皮特1910年首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液中成功地制造出世界上第一个细菌电池。1984年，美国设计出一种供宇航使用的细菌电池，其电极的物质是宇航员的尿液和活细菌，不过放电率极低。直到上世纪80年代末，英国化学家彼得·彭托在细菌发电研究方面才取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解电子，电流能持续数月之久。此后，各种细菌电池相继问世。美国环境微生物学家德·克·拉乌雷发现了一种新的嗜糖微生物，可将糖转化成为适量而稳定的电流。实验证明，当这种细菌吃糖时，它把葡萄糖液转化为二氧化碳，同时产生电子。在这种细菌新陈代谢的过程中，能转换糖里80%以上的有效电子，这与以前多数嗜糖微生物燃料电池10%的能效形成鲜明对照。拉乌雷博士发现的微生物不仅靠在水果、甜菜和甘蔗里找到的蔗糖、果糖和葡萄糖等单糖来完成工作，也可以依靠木头和稻草里的木糖。美国宾夕法尼亚州立大学环境工程教授BruceLogon领导的研究小组在2004年6月的“MechanicalEngineering”上发表论文指出，一种处于早期开发阶段的新型微生物燃料电池可以将废水中的高浓度有机污染物转变成能源，该燃料电池依靠有机物质的厌氧氧化产生电力。如果10万人产生的废水中所有的能量都能回收，则可以发电2300kw，可供1500户人家用电。迄今，宾夕法尼亚州立大学正在研究的燃料电池发出的电只可启动一台电扇。该研究的目标是开发一种可稳定发电500kw、供300户需要的燃料电池。在密闭的宇宙飞船里，宇航员排出的尿怎么办？美国宇航局设计了一种巧妙的方案：用微生物中的芽孢杆菌来处理尿，生产出氨气，以氨作电极活性物质，就得到了微生物电池，这样既处理了尿，又得到了电能。一般在宇航条件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦电力。同样的道理，也可以让微生物从废水的有机物当中取得营养物质和能源，生产出电池所需要的燃料。英国研发“肉食”机器人依靠微生物电池满足能耗（2006）在英国布里斯托尔机器人试验室里，目前研究人员正在设计一种“肉食”机器人———EcobotIII.据了解，这种智能型机器人体内植入一组微生物燃料电池，可以通过吃昆虫和其他生物来补充能量。据英国媒体3日报道，近十年来，