第八章現(xiàn)代環(huán)境生物技術

1、l生物技術（生物技術（biotechnologybiotechnology）：利）：利用生物有機體或組成部分發(fā)展新產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。品或新工藝的一種技術體系。l包括包括基因工程、細胞工程基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工、酶工程和發(fā)酵工程等。程等。環(huán)境生物技術環(huán)境生物技術（environmental biotechnology）：應：應用于認識和解決環(huán)境問題過程的生物技術用于認識和解決環(huán)境問題過程的生物技術體系。體系。包括對環(huán)境污染效應的認識、環(huán)境質量包括對環(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等。評價和環(huán)境污染的生物處理技術等?，F(xiàn)代生

2、物技術發(fā)展為生物處理法現(xiàn)代生物技術發(fā)展為生物處理法開辟了道路開辟了道路主要內容主要內容一、一、 基因工程與環(huán)境污染生物治理基因工程與環(huán)境污染生物治理 二、二、 細胞工程與細胞工程與環(huán)境污染生物治理環(huán)境污染生物治理 三、三、 酶學工程與酶學工程與環(huán)境污染生物治理環(huán)境污染生物治理 四、四、 發(fā)酵工程與發(fā)酵工程與環(huán)境污染生物治理環(huán)境污染生物治理 五、五、 生態(tài)工程與生態(tài)工程與環(huán)境污染生物治理環(huán)境污染生物治理一、一、 基因工程與環(huán)境污染生物治理基因工程與環(huán)境污染生物治理 定向改造生物的新科學定向改造生物的新科學基因工程基因工程1973，美國科恩，美國科恩 基因工程基因工程（gene engineeri

3、nggene engineering）將一種生物將一種生物dnadna某某個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物dnadna鏈上，鏈上，將將dnadna重組，導入受體細胞進行無性繁殖，基重組，導入受體細胞進行無性繁殖，基因得以表達，就可按照人類愿望，設計出新遺因得以表達，就可按照人類愿望，設計出新遺傳物質并創(chuàng)造出新生物類型的生物科學技術。傳物質并創(chuàng)造出新生物類型的生物科學技術。 基因工程的基本過程基因工程的基本過程載載體體控制降解人工合成物的控制降解人工合成物的酶的遺傳特性的質粒酶的遺傳特性的質粒降解性質粒降解性質?；蚬こ叹?降解鹵代芳烴基因工程菌 分解尼龍基因工程

4、菌 分解多糖基因工程菌 抗金屬基因工程菌 降解除草劑基因工程菌 降解殺蟲劑基因工程菌例：油類泄露的基因工程修復油類泄露的基因工程修復 1989年年3月月24日日,xxonvaldez號油輪在號油輪在阿拉斯加阿拉斯加的威廉姆的威廉姆海灣觸礁海灣觸礁,泄露原油達泄露原油達4200萬萬,污染了海水和附近海岸。污染了海水和附近海岸。 處理：處理：自然界存在的烴類降解微生物。自然界存在的烴類降解微生物。 將、的親油性肥料播撒到海岸上將、的親油性肥料播撒到海岸上, ,利用潮利用潮汐活動和偶發(fā)的風暴汐活動和偶發(fā)的風暴, ,保證肥料和油類的結合。保證肥料和油類的結合。1616個月后個月后,60%-70%,60

5、%-70%油類被降解。油類被降解。19901990年對其年對其他區(qū)域投加了肥料他區(qū)域投加了肥料,1991,1991年對依舊含有油類區(qū)年對依舊含有油類區(qū)域進行了處理。域進行了處理?；蚬こ谭椒ㄌ幚恚夯蚬こ谭椒ㄌ幚恚簩⒔到夥紵N、萜烴、將降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴和脂肪烴的質粒轉移到降解脂烴的多環(huán)芳烴和脂肪烴的質粒轉移到降解脂烴的假單胞菌假單胞菌體內體內, , 得到同時降解得到同時降解4 4種烴類的種烴類的“多質粒超級基因工程菌多質粒超級基因工程菌”。能把原油中約。能把原油中約2/32/3烴消耗掉。只要幾個小時就分解完全。烴消耗掉。只要幾個小時就分解完全。例，抗金屬基因工程菌例，抗金屬基因工程菌 假

6、單胞桿菌假單胞桿菌r4r4染色體抗鎘基因，轉染色體抗鎘基因，轉移到大腸桿菌移到大腸桿菌hb101hb101中，使其能在中，使其能在 100 mg/l100 mg/l含鎘液體中生長，富有抗含鎘液體中生長，富有抗鎘遺傳特征（中山大學生物系）鎘遺傳特征（中山大學生物系）中國倉鼠細胞含排除重金屬離子的屏蔽中國倉鼠細胞含排除重金屬離子的屏蔽基因，將其植入蕪青植物體內，生長的基因，將其植入蕪青植物體內，生長的蕪青可將土壤中鎘金屬滯留在植物根部，蕪青可將土壤中鎘金屬滯留在植物根部，阻止它到達莖、葉、果實部位。阻止它到達莖、葉、果實部位。二、二、 細胞工程與環(huán)境污染生物處理細胞工程與環(huán)境污染生物處理 細胞工程

7、（細胞工程（cell cell engineeringengineering ）是運用精是運用精巧的細胞學技術，有計劃地改造細胞遺傳巧的細胞學技術，有計劃地改造細胞遺傳結構，培育出人們所需要生物品種或具有結構，培育出人們所需要生物品種或具有某些新性狀細胞群體。某些新性狀細胞群體。細胞工程包括：細胞工程包括：細胞培養(yǎng)：細胞培養(yǎng)：取出，特制培養(yǎng)器生長取出，特制培養(yǎng)器生長細胞融合細胞融合（雜交，（雜交，質融核融質融核融）細胞重組（細胞重組（活細胞組件重裝配，核移植活細胞組件重裝配，核移植（顯（顯微儀）微儀）+ +細胞器移植細胞器移植（葉綠體、線粒體胞飲攝入）（葉綠體、線粒體胞飲攝入）遺傳物質轉移（遺

8、傳物質轉移（基因在細胞水平上轉移：載基因在細胞水平上轉移：載體法體法+ +微注射法微注射法）原生質體原生質體融合構建工程菌融合構建工程菌外界理化融合因子的誘導下外界理化融合因子的誘導下細胞質壁分離后去掉細胞壁所余下的部分細胞質壁分離后去掉細胞壁所余下的部分動植物間均可雜交動植物間均可雜交1980s開始開始原生質體融合構建環(huán)境工程菌原生質體融合構建環(huán)境工程菌 生物降解中，微生物細胞間互生現(xiàn)象生物降解中，微生物細胞間互生現(xiàn)象普遍：普遍：可通過原生質體融合技術，可可通過原生質體融合技術，可將多個細胞優(yōu)勢集中到一個細胞內。將多個細胞優(yōu)勢集中到一個細胞內。例如，構建苯環(huán)化合物降解菌例如，構建苯環(huán)化合物降

9、解菌產堿假單胞菌產堿假單胞菌pseudomonas alcaligenes co：可降解苯甲酸酯可降解苯甲酸酯和和3-氯苯甲酸酯，但不能利用苯、氯苯甲酸酯，但不能利用苯、1-4-二氯苯甲酸酯；二氯苯甲酸酯；惡臭假單胞菌惡臭假單胞菌pseudomonas putida r5-3：可降解苯甲酸酯和可降解苯甲酸酯和甲苯，甲苯，但不能利用但不能利用3-氯苯甲酸酯、氯苯甲酸酯、1-4-二氯苯甲酸酯；二氯苯甲酸酯； 融合后：融合子融合后：融合子cb1-9cb1-9可以同時降解上述四可以同時降解上述四種污染物。種污染物。三、三、 酶工程與環(huán)境污染生物治理酶工程與環(huán)境污染生物治理酶工程酶工程（enzymati

10、c engineeringenzymatic engineering）：）：1970s1970s，利用生物有機體內酶所具有的某利用生物有機體內酶所具有的某些特異催化功能，借助固定化生物反應些特異催化功能，借助固定化生物反應器和生物傳感器等新技術、新裝置，高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一種新技術。效優(yōu)質地生產特定產品的一種新技術。是將酶學原理與化學工程相結合的應用是將酶學原理與化學工程相結合的應用技術。技術。 例，酶法清潔生產工藝應用例，酶法清潔生產工藝應用 如如酶法氧化乙烯或丙烯，生產環(huán)氧乙烷或環(huán)氧酶法氧化乙烯或丙烯，生產環(huán)氧乙烷或環(huán)氧丙烷丙烷（合成纖維、合成洗滌劑

11、、環(huán)氧脂原料），合成纖維、合成洗滌劑、環(huán)氧脂原料），傳統(tǒng)化學傳統(tǒng)化學方法生產，需高溫、高壓，容易爆炸，且污染方法生產，需高溫、高壓，容易爆炸，且污染發(fā)生量較高。發(fā)生量較高。 現(xiàn)在現(xiàn)在：將由葡萄糖轉變成葡萄糖醛酮的將由葡萄糖轉變成葡萄糖醛酮的酶反應，與生產環(huán)氧乙烷的酶反應偶聯(lián)酶反應，與生產環(huán)氧乙烷的酶反應偶聯(lián)起來，利用酶法生產。起來，利用酶法生產。-副產品果糖。副產品果糖。環(huán)氧乙烷生產工藝流程簡圖環(huán)氧乙烷生產工藝流程簡圖銀觸媒銀觸媒酶固定化技術酶固定化技術固定化酶固定化酶 又稱稱水不溶酶水不溶酶，是通過物理吸附法或是通過物理吸附法或化學鍵合法將水溶性酶和固態(tài)不溶性載化學鍵合法將水溶性酶和固態(tài)不溶

12、性載體相結合，使酶變成不溶于水但仍保留體相結合，使酶變成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物。催化活性的衍生物。特點：特點：比水溶酶穩(wěn)定。比水溶酶穩(wěn)定。適合于連續(xù)化、自動化和管道化工藝，適合于連續(xù)化、自動化和管道化工藝，還可回收、再生。還可回收、再生。設計成不同形式：設計成不同形式：如，靜態(tài)水的酶片和酶布，如，靜態(tài)水的酶片和酶布，動態(tài)廢水的酶柱。動態(tài)廢水的酶柱。德國降解對硫磷等德國降解對硫磷等9 9種酶，共價結合種酶，共價結合于多孔玻璃及硅珠上，處理對硫磷廢水，去除率于多孔玻璃及硅珠上，處理對硫磷廢水，去除率9595上，上，可連續(xù)工作可連續(xù)工作 70 d70 d，酶活性無明顯損失。，酶活性無明顯損

13、失。酶固定化技術酶固定化技術固定化細胞固定化細胞 微生物細胞自身就是一個天然固定化酶反應器。微生物細胞自身就是一個天然固定化酶反應器。用用制備固定化酶的方法直接將細胞加以固定，即可催制備固定化酶的方法直接將細胞加以固定，即可催化一系列生化反應?；幌盗猩磻?。四、四、 發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中應用發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中應用 發(fā)酵發(fā)酵（fermentationfermentation）是微生物分解有機）是微生物分解有機物，產生乳酸或乙醇和二氧化碳的作用過程。物，產生乳酸或乙醇和二氧化碳的作用過程。也泛指一般利用微生物制造原料或產品的過程，也泛指一般利用微生物制造原料或產品的過程，可在可在無氧

14、（無氧（如乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮發(fā)酵和丁醇發(fā)酵如乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮發(fā)酵和丁醇發(fā)酵）或或有氧有氧（如抗生素發(fā)酵、醋酸發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵和維生素如抗生素發(fā)酵、醋酸發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵和維生素發(fā)酵發(fā)酵）下進行。下進行。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵 酵母菌酵母菌- -活性污泥系統(tǒng)活性污泥系統(tǒng) 廢非纖維素資源化廢非纖維素資源化 有機固體廢物的快速堆肥有機固體廢物的快速堆肥例如，亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵例如，亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵 亞硫酸鹽紙漿廢液亞硫酸鹽紙漿廢液含較多木質素鹽和糖類，總固含較多木質素鹽和糖類，總固形物形物9 17（有機物占總固形物的（有機物占總固

15、形物的85 90),),可發(fā)酵性糖是半纖維素?？砂l(fā)酵性糖是半纖維素。預處理，預處理，即通入空氣，使有害物質即通入空氣，使有害物質soso2 2揮發(fā)，用揮發(fā)，用石灰水等中和廢液的酸，石灰水等中和廢液的酸，phph為為5.4-5.55.4-5.5，產生的，產生的硫酸鈣和亞硫酸鈣沉降法除去。硫酸鈣和亞硫酸鈣沉降法除去。 澄清液中添氮和磷澄清液中添氮和磷，在，在發(fā)酵罐中加絮狀酵母發(fā)酵罐中加絮狀酵母，并通空氣攪拌，進行乙醇發(fā)酵。并通空氣攪拌，進行乙醇發(fā)酵。 發(fā)酵液流發(fā)酵液流入澄清罐入澄清罐，將沉淀的酵母留在澄清將沉淀的酵母留在澄清器底部中心，并再回流到發(fā)酵罐中器底部中心，并再回流到發(fā)酵罐中 澄清液澄清液

16、送去蒸餾，生產乙醇。送去蒸餾，生產乙醇。五、五、 生態(tài)工程生態(tài)工程生態(tài)工程生態(tài)工程（ecological engineering）：人工）：人工設計的、以生物種群為主要結構組分、具設計的、以生物種群為主要結構組分、具有一定功能的、宏觀的、人為參與調控的有一定功能的、宏觀的、人為參與調控的工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)。馬世駿：應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質循環(huán)再生馬世駿：應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質循環(huán)再生 原理，結合系統(tǒng)工程的最優(yōu)化方法設計的分層多原理，結合系統(tǒng)工程的最優(yōu)化方法設計的分層多級利用物質的生產工藝系統(tǒng)。級利用物質的生產工藝系統(tǒng)。實例實例: :氧化塘法氧化塘法 污泥污泥產酸菌產酸菌藻體回收藻體回

17、收藻類光合作用產生的氧及空氣的氧維持好氣狀態(tài)藻類光合作用產生的氧及空氣的氧維持好氣狀態(tài) 人工濕地處理系統(tǒng)人工濕地處理系統(tǒng) 人工濕地（人工濕地（artifcial wetland）是根據(jù)自然是根據(jù)自然濕地濕地模擬的人工生態(tài)系統(tǒng)，用于處理廢水。模擬的人工生態(tài)系統(tǒng)，用于處理廢水。 人工濕地處理能力可超過自然濕地。人工濕地處理能力可超過自然濕地。原理：原理：物理、化學和生物作用物理、化學和生物作用綜合效應：綜合效應：主要作用：主要作用：細菌分解和轉化作用，伴隨著物理、化學作細菌分解和轉化作用，伴隨著物理、化學作用。用。人工濕地中大型水生植物作用不可忽視：人工濕地中大型水生植物作用不可忽視：空氣中的空氣

18、中的o o2 2經過大經過大型水生植物的葉、莖的傳輸?shù)竭_根部，擴散到周圍缺氧的底質中，形成了氧型水生植物的葉、莖的傳輸?shù)竭_根部，擴散到周圍缺氧的底質中，形成了氧化的微環(huán)境，刺激了好氧生物對有機物的分解作用，化的微環(huán)境，刺激了好氧生物對有機物的分解作用，有助于硝化細菌有助于硝化細菌的生長，的生長，降低了廢水中的降低了廢水中的bod，并將，并將 nh3n轉化為轉化為 no3、 no2。效率高，可作為二級處理設施和深度處理設施。效率高，可作為二級處理設施和深度處理設施。生態(tài)農業(yè)生態(tài)農業(yè) 生態(tài)農業(yè)（生態(tài)農業(yè)（ecological agriculture）以生以生態(tài)學理論為依據(jù)態(tài)學理論為依據(jù),在一定區(qū)域

19、內在一定區(qū)域內,因地制宜因地制宜規(guī)劃規(guī)劃,組織和進行農業(yè)生產。組織和進行農業(yè)生產。即建立和管理一個生態(tài)上自我維持的低輸入,經濟上可行的農業(yè)生產系統(tǒng), 能在長時間不對其環(huán)境造成明顯改變下具有最大生產力。 獲得獲得生產發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護、能源再生產發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護、能源再生利用、經濟效益生利用、經濟效益四者統(tǒng)一。四者統(tǒng)一。大興區(qū)留民營生態(tài)農場大興區(qū)留民營生態(tài)農場張占林1987年被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署授予全球環(huán)保五百佳之一 延慶縣生態(tài)蔬菜基地-1986標準化、無公害 13.5萬畝，出口蔬菜基地面積達6萬畝-高壓汞燈 、性誘劑殺蟲 思考題思考題 1現(xiàn)代生物技術的涵義是什么？它在環(huán)現(xiàn)代生物技術的涵義是什么？它在環(huán)境污染治理方面具有什么應用前景？境污染治理方面具有什么應用前景？ 2在環(huán)境污染治理中，你認為生物工程在環(huán)境污染治理中，你認為生物工程將會在哪些方面發(fā)揮作用？將會在哪些方面發(fā)揮作用？ 3氧化塘處理廢水的特點是什么氧化塘處理廢水的特