第二篇微生物學新技術(shù)在環(huán)境工程中應用

第二篇微生物學新技術(shù)在環(huán)境工程中應用演示文稿當前第1頁\共有23頁\編于星期五\22點優(yōu)選第二篇微生物學新技術(shù)在環(huán)境工程中應用當前第2頁\共有23頁\編于星期五\22點第一節(jié)固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應用酶是由細胞產(chǎn)生的能夠催化生物化學反應的活性物質(zhì)。酶在微生物細胞內(nèi)能夠發(fā)揮作用，將它提取出在體外也能發(fā)揮作用。酶制劑廣泛應用于食品加工、發(fā)酵工業(yè)、印染退漿、生絲脫膠、制革、化妝品、污廢水生物處理、廢氣生物凈化等。當前第3頁\共有23頁\編于星期五\22點一酶制劑劑型（一）干燥粗酶制劑

將培養(yǎng)液除菌（或不除菌）后與淀粉等惰性填料混合、煩躁制成粗酶。（二）稀液體酶制劑將培養(yǎng)液過濾除去菌體雜質(zhì)后直接加入穩(wěn)定劑和防腐劑。（三）濃液體酶制劑

將培養(yǎng)液過濾除去菌體雜質(zhì)后濃縮，加入穩(wěn)定劑和防腐劑。（四）結(jié)晶酶

將酶濃縮、去雜質(zhì)、純化后在適當?shù)臏囟取H下加入銨鹽或有機溶劑使其析出結(jié)晶。（五）固定化酶

將酶和酶菌體固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，可以較長時間使用。當前第4頁\共有23頁\編于星期五\22點二酶的提?。ㄒ唬╊A處理①胞外酶：將液體培養(yǎng)液過濾或離心除去菌體，所得的清夜即粗酶液。如果是固態(tài)發(fā)酵，用水或緩沖液浸泡，在離心或過濾除去菌體和雜質(zhì)后得到粗酶液。②胞內(nèi)酶：破碎細胞壁和質(zhì)膜，制成無細胞提取液。（二）酶的提取

由于不同的酶的等電點、pH、溫度穩(wěn)定性等性質(zhì)不同，提取方法也不同。

1水溶液提取法

2表面活性劑提取法

3丁醇提取法當前第5頁\共有23頁\編于星期五\22點（一）濃縮

葡聚糖凝膠—分子篩濃縮法、聚乙二糖濃縮法、超濾膜濃縮法、鹽析或乙醇沉淀后分離。（二）去雜質(zhì)

pH沉淀法、利用蛋白質(zhì)熱變性的溫度差異、蛋白沉淀劑法。（三）純化

鹽析法、有機溶劑沉淀法、層析法。（四）結(jié)晶

當酶達到一定純度后，在適當?shù)臏囟认?、pH下，逐漸加入(NH4)2SO4溶液，酶可以慢慢析出結(jié)晶，也可以加入某些有機溶劑析出結(jié)晶。三酶的純化當前第6頁\共有23頁\編于星期五\22點１.固定化酶：從篩選、培育獲得的優(yōu)良菌體中提取活性極高的酶，再用包埋法（或交聯(lián)法、載體結(jié)合法、逆膠束酶反應系統(tǒng)）等方法將酶固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，即固定化酶。２.固定化微生物：用固定酶的方法將酶活力強的微生物固定在載體上，即成固定化微生物。微生物本身是多酶體系的固定化載體，將整個細胞固定化更有利于保持原有活性。有死細胞固定化和生長細胞固定化兩種。３.固定化酶和固定化微生物特性：性能穩(wěn)定、降解有機物性能強、耐毒、抗雜菌、耐沖擊負荷。四固定化酶和固定化微生物當前第7頁\共有23頁\編于星期五\22點水溶性酶水不溶性載體水不溶性（固定化酶）固定化技術(shù)載體結(jié)合交聯(lián)法包埋法逆膠束酶固定化酶當前第8頁\共有23頁\編于星期五\22點固定化技術(shù)Ⅰ載體結(jié)合法：以共價結(jié)合、離子結(jié)合和物理吸附等將酶固定在非水溶性載體上。載體有葡聚糖、活性炭、膠原、瓊脂糖、多孔玻璃珠、高嶺土、硅膠、氧化鋁、羧甲基纖維素等。不溶性載體酶載體結(jié)合法當前第9頁\共有23頁\編于星期五\22點交聯(lián)法：將酶與兩個以上的官能團的試劑反應形成共價鍵的固定方法。交聯(lián)劑有：戊二醛、雙重氮聯(lián)苯胺和六甲撐二異氰酸酯。交聯(lián)法固定化技術(shù)Ⅱ當前第10頁\共有23頁\編于星期五\22點包埋法：將酶包埋在凝膠微小格子（格子型）中，或?qū)⒚赴诎胪感缘木酆衔锬?nèi)（微膠囊型）的固定方法。格子型的包埋材料有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、瓊脂、硅膠等。微膠囊型的包埋材料有尼龍、乙基纖維素和硝酸纖維素。包埋法（微膠囊型）包埋法（格子型）固定化技術(shù)Ⅲ當前第11頁\共有23頁\編于星期五\22點表面活性劑酶

緩沖液逆膠束酶反應系統(tǒng)逆膠束酶反應系統(tǒng)：表面活性劑的兩性分子在有機溶劑中自發(fā)形成聚集體，其親水性一端連接成逆膠束的極性核，水分子插入核中，其疏水性的一端進入主體有機溶劑中，酶分子溶于逆膠束中，組成逆膠束酶系統(tǒng)。固定化技術(shù)Ⅳ當前第12頁\共有23頁\編于星期五\22點第二節(jié)微生物細胞外多聚物的開發(fā)與應用微生物的胞外多聚物（Extracellularpolymers,ECP）是微生物在一定的環(huán)境條件下，在其代謝過程中分泌的、包圍在微生物細胞壁外的多聚化合物。包括莢膜、粘液層及其他表面物質(zhì)。這些多聚物其成分為脂、脂肽、多糖脂、中性類脂衍生物等。微生物細胞外多聚物可用作表面活性劑、絮凝劑或助凝劑、沉淀劑。當前第13頁\共有23頁\編于星期五\22點生物表面活性劑和生物乳化劑是具有親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一體的兩親化合物。生物表面活性劑分子中具有脂肪烴鏈構(gòu)成的非極性疏水基和有極性的親水基，如磷酸根或多羥基基團?？梢愿淖儍上嘟缑娴奈锢硇再|(zhì)，降低表面張力。生物乳化劑不能顯著降低兩相表面張力，但對油——水界面有很強的親和力，能夠吸附在分散的油滴表面，防止油滴聚集，從而使乳狀液穩(wěn)定。一生物表面活性劑和生物乳化劑的開發(fā)與應用當前第14頁\共有23頁\編于星期五\22點分類產(chǎn)物類型生產(chǎn)菌1糖脂海藻糖脂節(jié)桿菌屬、分枝菌屬、諾卡氏菌屬、棒桿菌屬、紅球菌屬鼠李糖假單胞菌屬槐糖脂Torulopsis2中性脂/脂肪酸甘油酸、脂肪酸、脂肪醇、蠟不動桿菌屬、梭菌屬3含氨基酸類脂脂蛋白、脂肽、脂氨基酸芽孢桿菌屬、諾卡氏菌屬、棒桿菌屬、鏈霉菌屬、分枝菌屬、假單胞菌屬、葡糖桿菌屬4磷脂磷脂酰乙醇胺紅球菌屬、硫桿菌屬5聚合物脂雜多糖、脂多糖復合物、蛋白質(zhì)—多糖復合物不動桿菌屬、地霉屬6細胞表面本身生物破乳劑諾卡氏菌屬、紅球菌屬肽脂不動桿菌屬生物表面活性劑和生物乳化劑的分類當前第15頁\共有23頁\編于星期五\22點根據(jù)單一菌種微生物(純種)細胞表面的解離層(胞外多聚物)性質(zhì)不同可以劃分為兩類，即疏水性的R型(菌落為粗糙型)和親水性的S型(菌落為光滑型)。凡具有R型解離層的微生物表現(xiàn)疏水性而自身發(fā)生絮凝、聚集而沉降，可將R型細菌應用于廢水處理中。具有S型解離層的微生物表現(xiàn)出親水性，均勻分散于水中，不易絮凝和沉降。二微生物自身絮凝和沉淀作用當前第16頁\共有23頁\編于星期五\22點活性污泥中的微生物可能全由R型細菌組成，也可能有R型細菌和S型細菌共同組成，或者全部由S型細菌組成，這種活性污泥是親水性還是疏水性，取決于兩者的比例和它們的表面電荷。從而導致活性污泥的吸附能力、活性污泥與水之間的表面張力的不同，進而影響活性污泥對廢水中成分的吸附力和廢水的處理效果。當前第17頁\共有23頁\編于星期五\22點無機低分子絮凝劑

無機陽離子絮凝劑：AlCl3.6H2O；Al2(SO4)3；FeCl3等。無機陰離子絮凝劑：CaO無機高分子絮凝劑：PAS、PAC、PFC、PFS化學合成類高分子絮凝劑陽離子型：PAM

陰離子型：聚丙烯酸鈉非離子型：聚乙烯醇天然類高分子絮凝劑：殼聚糖、藻酸鈉、幾丁質(zhì)、纖維素、淀粉、環(huán)糊精、微生物絮凝劑無機絮凝劑有機絮凝劑三微生物絮凝劑和沉淀劑的開發(fā)與應用當前第18頁\共有23頁\編于星期五\22點微生物絮凝劑是一類由微生物在生長過程中產(chǎn)生的可使水體中不易降解的固體懸浮顆粒、菌體細胞及膠體粒子等凝集、沉淀的特殊高分子聚合物。微生物的絮凝作用最先由法國的LouisPasteur在1876年研究酵母菌時發(fā)現(xiàn)的。微生物絮凝劑的優(yōu)點：(1)適應范圍廣，具有很好的除濁脫色作用，沉降效率高。(2)可降解，其降解產(chǎn)物對環(huán)境無毒無害，不會產(chǎn)生二次污染，是一種高效安全的絮凝劑。(3)能夠產(chǎn)生絮凝劑的微生物種類多，生長快，易于采取生物工程的手段實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

三微生物絮凝劑當前第19頁\共有23頁\編于星期五\22點放線菌、霉菌及酵母菌，乃至原生動物的一些種類細胞表面的胞外多聚物有絮凝作用?？梢詫⒂行跄饔玫奈⑸锝?jīng)擴大制成的微生物制劑直接用作絮凝劑，或者從具有絮凝作用的菌株提取其表面的有效絮凝成分做成制劑用作絮凝劑。提取微生物細胞外多聚物制取絮凝劑的方法有高速離心超聲波和均化處理；酸水解、有機溶劑析出。提取步驟為：微生物濃縮和洗滌、剝?nèi)CP、有機溶劑析出、富集和純化。當前第20頁\共有23頁\編于星期五\22點絮凝劑產(chǎn)生菌絮凝劑物質(zhì)屬性絮凝劑的組成分子量Bacillushaloalkalophilic

sp.I-450酸性多聚糖中性糖(52.4%)、糖醛酸(17.2%)和氨基糖(2.4%)，中性糖包括半乳糖、果糖、葡萄糖、棉子糖2.2×106BacillusmucilaginosusMBFA9多聚糖糖醛酸(19.1%)、中性糖(47.4%)、氨基糖(2.7%)2.6×106CorynebacteriumglutamicumREA-11糖蛋白由半乳糖醛酸作為結(jié)構(gòu)單元，同時含有微量的蛋白質(zhì)。1×105Nannocystissp.NU-2糖蛋白由蛋白質(zhì)(40.3%)和多聚糖(56.5%)組成，其中多聚糖是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸以5:4:1的比例組成。Bacillusfirmus酸性多聚糖由葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖以摩爾比為12.1:5.7:3.1:1的比例組成。2×106SorangiumcellulosumNUST06SC06由葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸組成,其比例約為5∶3∶1Bacilluslicheniformis谷氨酸聚合物聚谷氨酸（PGA）2×106BacillusmegateriumA25BP25多糖類物質(zhì)含葡萄糖和甘露糖兩種單糖，其摩爾比為4∶1，連接鍵型包括α-1,6糖苷鍵和α-1,3糖苷鍵1×106常見微生物絮凝劑的物質(zhì)屬性、組成和相對分子質(zhì)量當前第21頁\共有23頁\編于星期五\22點微生物絮凝劑的吸附架橋絮凝的示意圖

微生物絮凝劑

膠體顆粒單個絮凝劑分子與膠體顆粒的結(jié)合物絮凝體架橋吸附

在活性部位吸附當前第22頁\共有23頁\編于星期五\22點微生物絮凝劑絮凝劑產(chǎn)生菌應用范圍NOC-1R.ErythropolisS-1微生物細胞、活性污泥、泥漿水、河底沉積物、煤灰水、活性炭粉水等Asp.sp.JS-42微生物細胞、纖維素粉、硅膠、活性炭、氧化鋁、河底污泥等Asp.SojaeAJ7002啤酒酵母