生物技術(shù)與人類生活能源和環(huán)保

2022/11/22《生物技術(shù)與人類生活》（十一）

——（1）生物技術(shù)與新能源開發(fā)2022/11/22主要內(nèi)容（1）人類如何利用微生物發(fā)酵工程技術(shù)，提高石油的開采量；（2）降低乙醇燃油及甲烷燃料的生產(chǎn)成本，并設(shè)法提高產(chǎn)量及減少環(huán)境污染；（3）人工種植能產(chǎn)“石油”的樹木及開發(fā)各種未來(lái)新能源，以滿足人類需能的要求。使我們了解：目前人類如何利用生物技術(shù)提高產(chǎn)能量及開發(fā)新能源等基本知識(shí)。2022/11/22一、地球上現(xiàn)存的能源

目前，地球上的能源可分為兩大類：

主要指現(xiàn)有庫(kù)存的三大不可再生能源

化石原料：煤、天然氣和

石油（包括核能）

太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能可再生能源

生物能、海洋能地?zé)崮?、水能?022/11/22根據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，煤、天然氣和石油的可使用有效年限分別為100—120年、30—50年和18—30年。因此，21世紀(jì)所面臨的最大難題和困境可能不是戰(zhàn)爭(zhēng)及食品，而是能源。雖然以水力、潮汐、風(fēng)力為動(dòng)力的發(fā)電設(shè)備及太陽(yáng)能捕獲器、地?zé)岬纫褳槿祟愄峁┝艘欢〝?shù)量的能源，但離人類對(duì)能源的需求還相差甚遠(yuǎn)。2022/11/22因此，隨著地球上化石能源的不斷耗盡，尋找、改善及提高可再生能源的利用率和發(fā)明創(chuàng)造新技術(shù)以最大限度地開采不可再生能源的做法，很可能是今后幾十年內(nèi)人類從地球上獲取能源的有效舉措。從目前市場(chǎng)能源消耗的品種及速率分析，利用生物技術(shù)提高不可再生能源的開采率及創(chuàng)造更多可再生能源，將是本世紀(jì)產(chǎn)能的有效技術(shù)之一。2022/11/22二、生物技術(shù)在能源中的應(yīng)用1、微生物技術(shù)與石油開采2、未來(lái)石油的替代物----乙醇3、植物“石油”4、甲烷與燃料源5、未來(lái)的新能源2022/11/22

微生物勘探石油

油氣田中的氣態(tài)烴可借助擴(kuò)散方式抵達(dá)地表，用地表底土中是否存在能利用氣態(tài)烴為碳源的微生物，作為勘探地下油氣田的指示菌；且這些微生物含量的多少，與底土中的烴濃度存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系（正相關(guān)），可用于推測(cè)該油氣田是否有開采價(jià)值。準(zhǔn)確率可達(dá)到40%--100%。

目前，已發(fā)展至用免疫學(xué)抗血清方法檢測(cè)烴類氧化菌的種類與含量（更準(zhǔn)確和有針對(duì)性、科學(xué)性）。

1、微生物技術(shù)與石油開采2022/11/22

一次采油

主要指借助油層自身的壓力來(lái)采油（可開采總儲(chǔ)存量的1/3）。二次采油

指用注水加壓法增加采油量（開采量可由原來(lái)的30%增加到40%--50%）。

微生物二次采油

二次采油的更有效方法。即利用一些微生物能在油層中發(fā)酵產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)及H2、CO2及CH4等氣體，增加地層壓力，提高采油率（可再提高25%--34%）。

微生物三次采油

三次采油就是利用高產(chǎn)CO2及CH4的微生物基因工程菌株，進(jìn)一步增加井壓，分泌高聚物和表面活性劑等，開采剩余的30%--40%的油氣。2022/11/222、未來(lái)石油的替代物----乙醇（1）生產(chǎn)乙醇燃料的意義及其生化機(jī)制

乙醇作為燃料的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)能效率高、燃燒期間不生成有毒的一氧化碳和可通過(guò)微生物大量發(fā)酵等等。

從目前人類正在開發(fā)的許多產(chǎn)能的技術(shù)和效益來(lái)看，乙醇很可能是未來(lái)的石油替代物。乙醇的三種生產(chǎn)方式：微生物發(fā)酵、石油衍生物和化學(xué)合成。微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇：主要用淀粉、纖維素、糖類、果蔬類和硫化廢物等作原料。2022/11/22（2）乙醇替代石油的實(shí)例

二次世界大戰(zhàn)期間，歐洲曾用乙醇作為摩托車的燃料；之后福特公司設(shè)計(jì)出可用乙醇、汽油或兩者混合作燃料的汽車。20世紀(jì)80年代，巴西88%的新轎車都使用乙醇（原料為甘蔗）。烏拉圭用甜高粱發(fā)酵生產(chǎn)的酒精作燃料，替代了45%的石油。發(fā)達(dá)國(guó)家用大量農(nóng)作物剩余物及森林的廢氣物發(fā)酵乙醇作為燃料等。2022/11/22（3）乙醇代替石油所用的原材料和面臨的困難

目前主要用農(nóng)產(chǎn)品的精料（糧食和飼料）發(fā)酵，但糧食短缺帶來(lái)成本較高；也可用纖維素（木屑、廢紙、農(nóng)林殘留物等）做原料，但生產(chǎn)工藝還不是很成熟，效率不高。最有希望的解決辦法即是應(yīng)用生物技術(shù)。（4）纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇

如實(shí)現(xiàn)，完全可用乙醇代替石油。而生物技術(shù)是最有希望在較短的時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)這種可能性的技術(shù)。2022/11/223、植物“石油”（1）產(chǎn)“石油”的灌木

主要是指橡膠樹的近緣植物，所含的汁液豐富且含有高比例的碳?xì)浠衔铮?jīng)過(guò)適當(dāng)加工，可與汽油混合作為動(dòng)力機(jī)的燃料。如美洲、歐洲、前蘇聯(lián)和非洲均有發(fā)現(xiàn)的牛奶樹、三角大戟；美國(guó)和日本的蘭桉樹；巴西的可比巴喬木；菲律賓和馬來(lái)西亞的銀合歡樹等。根據(jù)專家推論，假如全球的1/3沙漠和旱地都種上“石油樹”，則所產(chǎn)“石油”就完全可滿足人類對(duì)能源的需求。2022/11/22（2）油料植物

種子中能提取出植物油的植物。如向日葵、棕櫚、椰子、花生、油菜籽和巴巴蘇堅(jiān)果等。在農(nóng)業(yè)（法國(guó)）、環(huán)保（意大利）或兩者（德國(guó)）中均有應(yīng)用。（3）藻類產(chǎn)油

藻類及其基因工程改良的高產(chǎn)脂種類能產(chǎn)生大量油脂類物質(zhì)，可用來(lái)制造柴油和汽油。美國(guó)做得較好，速度較快。產(chǎn)油的藻類，利用光能把CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，每年每公頃土地培植的單胞藻?5%--50%干物質(zhì)為碳?xì)浠衔镉?jì)算，至少可得到60噸的石油燃料。2022/11/224、甲烷與燃料源（1）生產(chǎn)甲烷的生化機(jī)制

甲烷氣體可產(chǎn)生機(jī)械能、電能及熱能。來(lái)源主要有三個(gè)：天然氣、稻根濕地和厭氧微生物發(fā)酵。大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的過(guò)程需要較高深的生物技術(shù)（如對(duì)溫度、酸堿度、濕度、振蕩和粗材料的輸出輸入平衡等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制），與小型化的甲烷發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程（沼氣產(chǎn)生）有所不同。2022/11/22（2）沼氣等的應(yīng)用實(shí)例

中國(guó)是沼氣生產(chǎn)量最大的國(guó)家，目前農(nóng)村正在使用的厭氧發(fā)酵生物反應(yīng)器（沼氣池）超過(guò)500萬(wàn)個(gè)；印度規(guī)劃在21世紀(jì)前期就以沼氣為主要燃料源；美國(guó)加州利用牧場(chǎng)糞便和有機(jī)廢物；菲律賓農(nóng)工業(yè)聯(lián)合企業(yè)利用工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)廢物等，巧妙建立沼氣生產(chǎn)體系。2022/11/225、未來(lái)的新能源（1）氫能（產(chǎn)氫氣微生物的利用）

氫能是未來(lái)可燃?xì)饽茉粗凶罾硐氲臍怏w燃料之一（綠色能源：熱量相當(dāng)于汽油的3倍，燃余物為水，不污染環(huán)境）。

早期氫的制取均采用物理或化學(xué)方法；2022/11/22生物技術(shù)的氫制取

稱為生物光化學(xué)方法，利用太陽(yáng)光和生物體產(chǎn)氫。有三類產(chǎn)氫生物：

A.光合微生物（藻類、基因工程藻類、紅綠硫菌、紅螺菌等）

B.非光合微生物（厭氧菌、兼性厭氧菌等）

C.化能異養(yǎng)菌或光合細(xì)菌（已發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)氫的這類微生物有40—60種）。2022/11/22

多數(shù)由微生物參與反應(yīng)，引起原物理電極電位偏差，增加電位差，從而獲得電能。有三類：

產(chǎn)物生物燃料電池、去極化生物燃料電池和再生生物燃料電池等。（2）生物燃料電池2022/11/22《生物技術(shù)與人類生活》（十一）

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（2）生物技術(shù)與環(huán)境保護(hù)李云海2022/11/22什么是環(huán)境生物技術(shù)？環(huán)境生物技術(shù)也稱環(huán)境生物工程，指的是直接或間接利用生物體、生物體的某些組成部分或某些機(jī)能，建立降低或消除污染物從而產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染的同時(shí)又生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術(shù)。它是生物高新技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染防治的一門新興邊緣學(xué)科，是生物技術(shù)在環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用而衍生出的一門新學(xué)科和新技術(shù)，是一門由現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程技術(shù)相結(jié)合的前沿交叉學(xué)科。2022/11/22研究及應(yīng)用的范疇：與生物技術(shù)結(jié)合，對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、治理或修復(fù)、清潔生產(chǎn)、污染物資源化、環(huán)保生物材料開發(fā)、無(wú)污染能源開發(fā)等等。環(huán)境生物技術(shù)：誕生于20世紀(jì)80年代末期的歐美經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，主要由生物技術(shù)學(xué)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)等組成，是現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染防治工程及其它工程技術(shù)的結(jié)合。2022/11/22重點(diǎn)研究領(lǐng)域及緣由重點(diǎn)研究領(lǐng)域：包括以生物傳感器為代表的環(huán)境污染監(jiān)控技術(shù)，工業(yè)和生活廢水中污染物的微生物降解技術(shù)，生態(tài)環(huán)境生物防治和生物修復(fù)技術(shù)，環(huán)境友好型的可再生材料和能源的生物合成技術(shù)等。緣由：在過(guò)去的100年時(shí)間里，人類社會(huì)的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的文明，但在環(huán)境問(wèn)題上也付出了慘重的代價(jià)。如全球氣候變暖、臭氧層破壞、生物多樣性減少、酸雨蔓延、森林銳減、大氣污染、水體及海洋污染、固體廢物污染、水資源短缺、土地荒漠化等十大環(huán)境問(wèn)題。2022/11/22本節(jié)的主要內(nèi)容全球環(huán)境的急劇惡化使人類越來(lái)越意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性。也意識(shí)到了環(huán)境生物技術(shù)才是環(huán)境保護(hù)的最有利和最有效的技術(shù)手段，擬依賴其快速發(fā)展，使上述環(huán)境問(wèn)題得以緩解或解決。因此，本節(jié)重點(diǎn)介紹環(huán)境生物技術(shù)在污水、廢氣和固體廢料處理，以及環(huán)境污染監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用及發(fā)展；讓我們了解環(huán)境生物技術(shù)的基本原理和應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r。2022/11/22主要內(nèi)容（一）環(huán)境生物技術(shù)的基本原理（二）環(huán)境生物技術(shù)在污水、廢氣和廢料處理中的應(yīng)用（三）環(huán)境生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及發(fā)展2022/11/22（一）環(huán)境生物技術(shù)的基本原理

根據(jù)技術(shù)的難度和理論基礎(chǔ)的深度，環(huán)境生物技術(shù)可以分為高、中、低三個(gè)層次：

高層次環(huán)境生物技術(shù)以基因工程為主導(dǎo)的近代污染防治技術(shù)；如高效降解殺蟲劑或除草劑的基因工程菌株的應(yīng)用等.

中層次環(huán)境生物技術(shù)主要包括一些經(jīng)過(guò)強(qiáng)化和創(chuàng)新后的傳統(tǒng)的防治污染的處理技術(shù)方法及工藝；

低層次環(huán)境生物技術(shù)

是指氧化塘法、人工濕地法及厭氧發(fā)酵法等傳統(tǒng)的生態(tài)工程技術(shù)手段。三個(gè)層次的環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用，在目前的環(huán)境污染治理中缺一不可。所以，應(yīng)該科學(xué)規(guī)劃，合理配合使用不同層次，使其各自的功能發(fā)揮到極致。2022/11/22（二）環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用1、污水處理（主要是工業(yè)廢水和生活污水）穩(wěn)定塘（氧化塘）法、人工濕地處理系統(tǒng)法、污水處理土地系統(tǒng)法、活性污泥處理法和生物膜處理法等。如果按照技術(shù)層次來(lái)分，則可分為：低層次

穩(wěn)定塘法、人工濕地、土地系統(tǒng)等；中層次活性污泥處理法、生物膜處理法；（什么是生物膜：就是依賴填充物存活的腐生性細(xì)菌和真菌；它能夠吸收或者分解污水中的有毒有害物質(zhì)）2022/11/222、大氣凈化主要是指大氣中的CO2、CO、SO2、鉛和惡臭氣體等的凈化。常用的方法有：生物過(guò)濾法、生物洗滌法和生物吸收法；所采用的生物反應(yīng)器包括：生物凈氣塔、滲濾器和生物濾池。如果按照技術(shù)層次來(lái)分，則可分為：低層次

生物凈氣塔中層次

滲濾器（生物膜法）、生物濾池2022/11/223、固體廢棄物處理主要是指固體生活垃圾和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固體廢棄物。城市垃圾的填埋、堆肥和焚燒，礦渣的生物淋溶處理等。如果按照技術(shù)層次來(lái)分，則可分為：低層次固體垃圾的生物處理填埋技術(shù)及堆肥法；中層次礦渣的生物淋溶處理微生物冶金或浸礦（可從貧礦、廢礦、尾礦或火冶爐渣中提取出貴重金屬或稀有金屬；避免或減少固體廢物對(duì)環(huán)境的污染。）2022/11/224、污染環(huán)境的生物修復(fù)主要是指石油污染、重金屬污染和地下水污染等的清除，包括部分有毒有害的固體生活垃圾和生產(chǎn)廢棄物的處理。2022/11/22（1）生物修復(fù)的方法

向環(huán)境中提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或通氣；

原位生物修復(fù)

接種合適的微生物以降解污染物；種植適宜的植物類型吸降污染物。應(yīng)用各種類型的生物反應(yīng)器：

異位生物修復(fù)處理某些有毒化合物、揮發(fā)性污染物或濃度較高的污染物等。

2022/11/22（2）生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用石油污染的生物修復(fù)

兩種方法

一是通過(guò)增加營(yíng)養(yǎng)鹽以促使土著微生物的生長(zhǎng)；二是用生物反應(yīng)器繁殖微生物或工程菌混合菌群，然后把菌群接種到污染地進(jìn)行大量生長(zhǎng)、繁殖。重金屬污染的生物修復(fù)

生物吸附法（藻類、地衣、真菌、細(xì)菌吸附汞或鎘）

生物累積法（抗汞、鎘、鉛的細(xì)菌或吸收積累鉛的特種植物）地下水污染的生物修復(fù)

原位生物修復(fù)方法（分別鉆掘注水井和抽水井，接種微生物和營(yíng)養(yǎng)物，以利微生物的生長(zhǎng)、繁殖和降解凈化過(guò)程）2022/11/22（三）環(huán)境污染監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的生物技術(shù)

有指示生物（或植物）、核酸探針和PCR技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物傳感器和其他生物技術(shù)方法等。1、指示生物（或植物）常用的指示生物有細(xì)菌、原生動(dòng)物、藻類、高等植物和魚類等，曾經(jīng)還用過(guò)哺乳動(dòng)物。如發(fā)光菌用于檢測(cè)空氣中的毒物，或制備毒物生物檢測(cè)器；用魚類和兩棲類胚胎幼體進(jìn)行存活實(shí)驗(yàn)，可以檢測(cè)出慢性毒物對(duì)整個(gè)生命周期的慢性毒害作用；一些特定藻類不能存活在某些污染環(huán)境中等。2022/11/222、核酸探針和PCR技術(shù)

用病原微生物特有的DNA片段作成探針，通過(guò)監(jiān)測(cè)外界環(huán)境中有無(wú)對(duì)應(yīng)互補(bǔ)的DNA片段存在，即可檢測(cè)出水等環(huán)境中有沒(méi)有致病菌；如大腸桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌和乙肝病毒、愛(ài)滋病病毒等。

PCR技術(shù)是對(duì)致病菌的特異性DNA片段在體外進(jìn)行百萬(wàn)倍擴(kuò)增的一種非常快速和簡(jiǎn)便的新方法，有極高的靈敏度和特異性，在被檢測(cè)的病原微生物極少時(shí)也能起作用，甚至100毫升水樣中只要有一個(gè)細(xì)菌也能被檢測(cè)