第8章现代环境生物技术2006

第八章现代环境生物技术生物技术（Biotechnology）：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。包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等。环境生物技术（EnvironmentalBiotechnology）：应用于认识和解决环境问题过程的生物技术体系。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等。现代生物技术发展为生物处理法开辟了道路主要内容一、基因工程与环境污染生物治理二、细胞工程与环境污染生物治理三、酶学工程与环境污染生物治理四、发酵工程与环境污染生物治理五、生态工程与环境污染生物治理一、基因工程与环境污染生物治理•定向改造生物的新科学—基因工程1973，美国科恩•基因工程（GeneEngineering）将一种生物DNA某个遗传密码片断连接到另外一种生物DNA链上，将DNA重组，导入受体细胞进行无性繁殖，基因得以表达，就可按照人类愿望，设计出新遗传物质并创造出新生物类型的生物科学技术。基因工程的基本过程载体控制降解人工合成物的酶的遗传特性的质粒—降解性质粒基因工程菌•降解卤代芳烃基因工程菌•分解尼龙基因工程菌•分解多糖基因工程菌•抗金属基因工程菌•降解除草剂基因工程菌•降解杀虫剂基因工程菌•………例：油类泄露的基因工程修复•1989年3月24日,ＥxxonValdez号油轮在阿拉斯加的威廉姆海湾触礁,泄露原油达4200万Ｌ,污染了海水和附近海岸。•处理：自然界存在的烃类降解微生物。•将Ｎ、Ｐ的亲油性肥料播撒到海岸上,利用潮汐活动和偶发的风暴,保证肥料和油类的结合。16个月后,60%-70%油类被降解。1990年对其他区域投加了肥料,1991年对依旧含有油类区域进行了处理。•基因工程方法处理：将降解芳烃、萜烃、多环芳烃和脂肪烃的质粒转移到降解脂烃的假单胞菌体内,得到同时降解4种烃类的“多质粒超级基因工程菌”。能把原油中约2/3烃消耗掉。只要几个小时就分解完全。例，抗金属基因工程菌•假单胞杆菌R4染色体抗镉基因，转移到大肠杆菌HB101中，使其能在100mg/L含镉液体中生长，富有抗镉遗传特征（中山大学生物系）•中国仓鼠细胞含排除重金属离子的屏蔽基因，将其植入芜青植物体内，生长的芜青可将土壤中镉金属滞留在植物根部，阻止它到达茎、叶、果实部位。二、细胞工程与环境污染生物处理•细胞工程（cellEngineering）是运用精巧的细胞学技术，有计划地改造细胞遗传结构，培育出人们所需要生物品种或具有某些新性状细胞群体。细胞工程包括：•细胞培养：取出，特制培养器生长•细胞融合（杂交，质融－核融）•细胞重组（活细胞组件重装配，核移植（显微仪）+细胞器移植（叶绿体、线粒体胞饮摄入））•遗传物质转移（基因在细胞水平上转移：载体法+微注射法）原生质体融合构建工程菌外界理化融合因子的诱导下细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的部分动植物间均可杂交1980s开始原生质体融合构建环境工程菌•生物降解中，微生物细胞间互生现象普遍：可通过原生质体融合技术，可将多个细胞优势集中到一个细胞内。例如，构建苯环化合物降解菌产碱假单胞菌PseudomonasalcaligenesCO：可降解苯甲酸酯和3-氯苯甲酸酯，但不能利用苯、1-4-二氯苯甲酸酯；恶臭假单胞菌PseudomonasputidaR5-3：可降解苯甲酸酯和甲苯，但不能利用3-氯苯甲酸酯、1-4-二氯苯甲酸酯；融合后：融合子CB1-9可以同时降解上述四种污染物。三、酶工程与环境污染生物治理•酶工程（EnzymaticEngineering）：1970S，利用生物有机体内酶所具有的某些特异催化功能，借助固定化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一种新技术。是将酶学原理与化学工程相结合的应用技术。•例，酶法清洁生产工艺应用•如酶法氧化乙烯或丙烯，生产环氧乙烷或环氧丙烷（合成纤维、合成洗涤剂、环氧脂原料），传统化学方法生产，需高温、高压，容易爆炸，且污染发生量较高。•现在：将由葡萄糖转变成葡萄糖醛酮的酶反应，与生产环氧乙烷的酶反应偶联起来，利用酶法生产。--副产品果糖。环氧乙烷生产工艺流程简图银触媒酶固定化技术—固定化酶又称水不溶酶，是通过物理吸附法或化学键合法将水溶性酶和固态不溶性载体相结合，使酶变成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物。特点：①比水溶酶稳定。②适合于连续化、自动化和管道化工艺，还可回收、再生。③设计成不同形式：如，静态水的酶片和酶布，动态废水的酶柱。德国降解对硫磷等9种酶，共价结合于多孔玻璃及硅珠上，处理对硫磷废水，去除率95％上，可连续工作70d，酶活性无明显损失。酶固定化技术—固定化细胞•微生物细胞自身就是一个天然固定化酶反应器。用制备固定化酶的方法直接将细胞加以固定，即可催化一系列生化反应。四、发酵工程在环境污染治理中应用•发酵（Fermentation）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。也泛指一般利用微生物制造原料或产品的过程，可在无氧（如乙醇发酵、乳酸发酵、丙酮发酵和丁醇发酵）或有氧（如抗生素发酵、醋酸发酵、氨基酸发酵和维生素发酵）下进行。发酵工程•亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵•酵母菌-活性污泥系统•废非纤维素资源化•有机固体废物的快速堆肥例如，亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵•亚硫酸盐纸浆废液含较多木质素盐和糖类，总固形物9％～17％（有机物占总固形物的85％～90％),可发酵性糖是半纤维素。预处理，即通入空气，使有害物质SO2挥发，用石灰水等中和废液的酸，PH为5.4-5.5，产生的硫酸钙和亚硫酸钙沉降法除去。澄清液中添氮和磷，在发酵罐中加絮状酵母，并通空气搅拌，进行乙醇发酵。发酵液流入澄清罐，将沉淀的酵母留在澄清器底部中心，并再回流到发酵罐中澄清液送去蒸馏，生产乙醇。五、生态工程生态工程（EcologicalEngineering）：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。马世骏：应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结合系统工程的最优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。实例:氧化塘法污泥产酸菌〈藻体回收藻类光合作用产生的氧及空气的氧维持好气状态人工湿地处理系统•人工湿地（ArtifcialWetland）是根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。人工湿地处理能力可超过自然湿地。原理：物理、化学和生物作用综合效应：主要作用：细菌分解和转化作用，伴随着物理、化学作用。人工湿地中大型水生植物作用不可忽视：空气中的O2经过大型水生植物的叶、茎的传输到达根部，扩散到周围缺氧的底质中，形成了氧化的微环境，刺激了好氧生物对有机物的分解作用，有助于硝化细菌的生长，降低了废水中的BOD，并将NH3－N转化为NO3－、NO2－。效率高，可作为二级处理设施和深度处理设施。生态农业•生态农业（EcologicalAgriculture）以生态学理论为依据,在一定区域内,因地制宜规划,组织和进行农业生产。即建立和管理一个生态上自我维持的低输入,经济上可行的农业生产系统,能在长时间不对其环境造成明显改变下具有最大生产力。•获得生产发展、生态环境保护、能源再生利用、经济效益四者统一。大兴区留民营生态农场－标准化、无公害13.5万亩，出口蔬菜基地面积达6万亩--高压汞灯、性诱剂杀虫思考题•1．现代生物技术的涵义是什么？它在环境污染治理方面具有什么应用前景？•2．在环境污染治理中，你认为生物工程将会在哪些方面发挥作用？•3．氧化塘处理废水的特点是什么？去除污染物的原理是什么？•4．什么是生态工程?环境污染治理中如何运用生态工程原理的?•5.土地处理系统与污灌的主要区别。质粒是一种独立于细菌染色体外、共价闭环的双链环状DNA分子。质粒一般不携带重要基因，是一种辅助性遗传单位。•抗药质粒：•污染物外排质粒：•降解性质粒：–①假单胞菌属中的石油降解质粒，如樟脑、辛烷、萘、水杨酸盐、甲苯和二甲苯等。–②农药降解质粒：降解2，4－D，六六六等农药的酶类的质粒。–③化工污染物降解质粒：如对氯联苯和尼龙低聚体降解质粒等–④抗重金属离子质粒：（五）质粒与微生物的抗性第二章第三节•《国际湿地公约》中湿地(Wetland)：指不问其为天然或人工，长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，静止或流动，淡水、半咸水、咸水体，包括低潮位时水深不超过6m的水域。