現代生物技術與環(huán)境污染治理.ppt

現代生物技術與環(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) 7 1現代生物技術概況 什么是生物技術 Biotechnology 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 生物技術的內容基因工程 主要涉及遺傳物質核酸分離 提取 體外剪切 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 融合以及細胞核 細胞質乃至染色體與細胞器的移植改建等技術 酶學工程 利用酶 借助固定化技術 生物反應器和生物傳感器等新技術 新裝置 高效優(yōu)質地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一種技術 生物技術的依據和出發(fā)點生物技術的依據和出發(fā)點是生物有機體所具有的各種機能 即生物在生長 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 生物技術的特點與傳統(tǒng)技術相比 具有一系列優(yōu)越性 不可取代 精確 快速 低耗 高效 副產物 副作用小 安全性好 環(huán)境生物技術 EnvironmentalBiotechnology 環(huán)境生物技術指應用于認識和解決環(huán)境問題過程中的生物技術體系 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 生物技術在環(huán)境污染生物處理中的應用基礎是運用生物生命過程中的反應將污染物轉化為無毒 無害 穩(wěn)定的物質 7 2基因工程與環(huán)境污染治理7 2 1基因工程的分子生物學基礎 DNA生物的遺傳物質分子 是由大量的脫氧核糖核苷酸組成的線狀或環(huán)狀大分子 DNA中有四種堿基 腺嘌呤 A 鳥嘌呤 G 胸腺嘧啶 T 和胞嘧啶 C DNA的可變部分是其堿基順序 基因DNA分子上的一個特定片段 不同基因的遺傳信息由各自片段的堿基順序所決定 基因的準確復制保證了遺傳信息的代代相傳 7 2 2基因工程的基本過程 工具酶工具酶是用來對基因片段進行剪切和拼接的 包括限制性內切酶和DNA連接酶 基因工程的載體載體是將外源基因送入受體細胞的工具 常用的載體有質粒 噬菌體以及動植物病毒 目的基因的分離可通過以下兩條途徑獲得特定的目的基因 一是從生物的基因組直接分離 二是人合成 目的基因與載體的重組將目的基因導入受體常用的受體細胞是大腸桿菌 枯草桿菌 酵母菌和動植物細胞 對目的基因的篩選和檢測目的基因在受體細胞中的表達 基因工程在環(huán)境污染治理中的應用 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 7 3細胞工程與環(huán)境污染生物治理 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 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 基因在細胞水平上的轉移 細胞融合構建環(huán)境工程菌 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 對外界理化因子比較敏感 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 原生質體融合的方法親本的選擇原生質體的制備原生質體的再生原生質體的融合和融合子的檢出 原生質體融合來構建環(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細菌殺蟲劑 酶學工程與環(huán)境污染生物治理 酶工程 EnzymaticEngineering 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 固定化酶 ImmobilizedEnzyme 又稱水不溶酶 是通過物理吸附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 可制成酶布 酶片 酶柱等多種形式 酶的分離提純利用微生物生產酶制品可分為菌種選育 發(fā)酵培養(yǎng) 分離提取和菌種保存四個步驟 酶的固定化方法 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 包埋法將酶包裹在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 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 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 固定化酶反應器批量反應器連續(xù)反應器 固定化細胞 ImmobilizedCell 固定化細胞的特點固定化細胞比游離細胞穩(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 細胞的固定化方法自溶酶滅活法絮凝吸附法 固定化技術處理廢水 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 固定化技術處理廢水目前存在的問題載體成本較高 固定化材料對傳質過程有阻礙 使酶活性大多低于游離細胞 工程實例用海藻酸鈣包埋固定熱帶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 廢水凈化生物強化技術 7 5發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應用7 5 1發(fā)酵和發(fā)酵工程 發(fā)酵 Fermentation 的基本概念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 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 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 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 沉淀 蒸餾等方法對發(fā)酵液中的產品做進一步的提煉 發(fā)酵工程在環(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)廢纖維素的資源化有機固體廢物的快速堆肥 7 6生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)7 6 1生態(tài)工程 生態(tài)工程 EcologicalEngineering 的概念生態(tài)工程指由人工設計的 以生物種群為主要結構組分 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 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 通過良好的物質循環(huán)和能量流動過程 獲得經濟效益 生態(tài)工程類型 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 7 6 2氧化塘法 生物氧化塘 OxidationPond 的概念又稱穩(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) 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 存在多種原生動物 輪蟲 以及甲殼類等 氧化塘的凈化原理 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 細菌利用藻類產生的氧氣分解流入塘內的有機物 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 氧化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 氧化塘內的生物學過程 氧化塘的分類與功能 兼性塘 FacultativePond 塘深1 0 2 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 可應用于處理工業(yè) 農業(yè)廢水和生活污水 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 曝氣塘塘深2 5m 機械曝氣充氧 精制塘 氧化塘的特點及實例 氧化塘的特點構筑物簡單 能源消耗少 運轉管理方便 應用實例 武漢鴨兒湖氧化塘主要處理含有機磷的多種農藥廢水 采用5個塘串聯的形式 見下圖經多年運轉表明 魚種塘出水的主要水質指標均可接近或達到地面水標準 綜合生物塘工藝流程 進水 流程 處理BOD5150 200mg 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BOD5100 150mg L的污水 水力停留時間11 5d 流程 或 處理BOD570 100mg L的污水 水力停留時間4 5d 7 6 3水生植物塘和人工濕地處理系統(tǒng) 水生植物塘人工濕地處理系統(tǒng) 7 6 4污水土地處理系統(tǒng) 什么是污水土地處理系統(tǒng) LandTreatmentSystem 利用土地及其中的微生物和植物根系對污染物