第八章现代环境生物技术2006

第八章第八章 现代环境生物技术现代环境生物技术l生物技术（生物技术（BiotechnologyBiotechnology）：利用）：利用生物有机体或组成部分发展新产品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。或新工艺的一种技术体系。l包括包括基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工、酶工程和发酵工程等。程等。环境生物技术环境生物技术（Environmental Biotechnology）：应：应用于认识和解决环境问题过程的生物技术用于认识和解决环境问题过程的生物技术体系。体系。包括对环境污染效应的认识、环境质量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。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现代生物技术发展为生物处理法开辟了道路开辟了道路主要内容主要内容一、一、基因工程与环境污染生物治理基因工程与环境污染生物治理 二、二、细胞工程与细胞工程与环境污染生物治理环境污染生物治理 三、三、酶学工程与酶学工程与环境污染生物治理环境污染生物治理 四、四、发酵工程与发酵工程与环境污染生物治理环境污染生物治理 五、五、生态工程与生态工程与环境污染生物治理环境污染生物治理一、一、基因工程与环境污染生物治理基因工程与环境污染生物治理定向改造生物的新科学定向改造生物的新科学基因工程基因工程1973，美国科恩，美国科恩基因工程基因工程（Gene EngineeringGene Engineering）将一种生物将一种生物DNADNA某某个遗传密码片断连接到另外一种生物个遗传密码片断连接到另外一种生物DNADNA链上，链上，将将DNADNA重组，导入受体细胞进行无性繁殖，基重组，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。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基因工程的基本过程载载体体控制降解人工合成物的控制降解人工合成物的酶的遗传特性的质粒酶的遗传特性的质粒降解性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油类泄露的基因工程修复1989年年3月月24日日,xxonValdez号油轮在号油轮在阿拉斯加阿拉斯加的威廉姆的威廉姆海湾触礁海湾触礁,泄露原油达泄露原油达4200万万,污染了海水和附近海岸。污染了海水和附近海岸。处理：处理：自然界存在的烃类降解微生物。自然界存在的烃类降解微生物。将、的亲油性肥料播撒到海岸上将、的亲油性肥料播撒到海岸上,利用潮利用潮汐活动和偶发的风暴汐活动和偶发的风暴,保证肥料和油类的结合。保证肥料和油类的结合。1616个月后个月后,60%-70%,60%-70%油类被降解。油类被降解。19901990年对其年对其他区域投加了肥料他区域投加了肥料,1991,1991年对依旧含有油类区年对依旧含有油类区域进行了处理。域进行了处理。基因工程方法处理：基因工程方法处理：将降解芳烃、萜烃、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多环芳烃和脂肪烃的质粒转移到降解脂烃的假单胞菌假单胞菌体内体内,得到同时降解得到同时降解4 4种烃类的种烃类的“多质粒超级基因工程菌多质粒超级基因工程菌”。能把原油中约。能把原油中约2/32/3烃消耗掉。只要几个小时就分解完全。烃消耗掉。只要几个小时就分解完全。例，抗金属基因工程菌例，抗金属基因工程菌假假单单胞胞杆杆菌菌R4R4染染色色体体抗抗镉镉基基因因，转转移移到到大大肠肠杆杆菌菌HB101HB101中中，使使其其能能在在 100 100 mg/Lmg/L含含镉镉液液体体中中生生长长，富富有有抗抗镉遗传特征（中山大学生物系）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，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。阻止它到达茎、叶、果实部位。二、二、细胞工程与环境污染生物处理细胞工程与环境污染生物处理细细胞胞工工程程（cell cell EngineeringEngineering ）是是运运用用精精巧巧的的细细胞胞学学技技术术，有有计计划划地地改改造造细细胞胞遗遗传传结结构构，培培育育出出人人们们所所需需要要生生物物品品种种或或具具有有某些新性状细胞群体。某些新性状细胞群体。细胞工程包括：细胞工程包括：细胞培养：细胞培养：取出，特制培养器生长取出，特制培养器生长细胞融合细胞融合（杂交，（杂交，质融核融质融核融）细胞重组（细胞重组（活细胞组件重装配，核移植活细胞组件重装配，核移植（显（显微仪）微仪）+细胞器移植细胞器移植（叶绿体、线粒体胞饮摄入）（叶绿体、线粒体胞饮摄入）遗传物质转移（遗传物质转移（基因在细胞水平上转移：载基因在细胞水平上转移：载体法体法+微注射法微注射法）原生质体原生质体融合构建工程菌融合构建工程菌外界理化融合因子的诱导下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动植物间均可杂交1980s开始开始原生质体融合构建环境工程菌原生质体融合构建环境工程菌生生物物降降解解中中，微微生生物物细细胞胞间间互互生生现现象象普普遍遍：可可通通过过原原生生质质体体融融合合技技术术，可可将多个细胞优势集中到一个细胞内。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例如，构建苯环化合物降解菌产碱假单胞菌产碱假单胞菌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；恶臭假单胞菌恶臭假单胞菌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可以同时降解上述四可以同时降解上述四种污染物。种污染物。三、三、酶工程与环境污染生物治理酶工程与环境污染生物治理酶工程酶工程（Enzymatic EngineeringEnzymatic Engineering）：）：1970S1970S，利用生物有机体内酶所具有的某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。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是将酶学原理与化学工程相结合的应用技术。技术。例，酶法清洁生产工艺应用例，酶法清洁生产工艺应用如如酶酶法法氧氧化化乙乙烯烯或或丙丙烯烯，生生产产环环氧氧乙乙烷烷或或环环氧氧丙丙烷烷（合合成成纤纤维维、合合成成洗洗涤涤剂剂、环环氧氧脂脂原原料料），传传统统化化学学方方法法生生产产，需需高高温温、高高压压，容容易易爆爆炸炸，且且污污染染发生量较高。发生量较高。现现在在：将将由由葡葡萄萄糖糖转转变变成成葡葡萄萄糖糖醛醛酮酮的的酶酶反反应应，与与生生产产环环氧氧乙乙烷烷的的酶酶反反应应偶偶联联起来，利用酶法生产。起来，利用酶法生产。-副产品果糖。副产品果糖。环氧乙氧乙烷生生产工工艺流程流程简图银触媒银触媒酶固定化技术酶固定化技术固定化酶固定化酶 又称称水水不不溶溶酶酶，是是通通过过物物理理吸吸附附法法或或化化学学键键合合法法将将水水溶溶性性酶酶和和固固态态不不溶溶性性载载体体相相结结合合，使使酶酶变变成成不不溶溶于于水水但但仍仍保保留留催化活性的衍生物。催化活性的衍生物。特点：特点：比水溶酶稳定。比水溶酶稳定。适合于连续化、自动化和管道化工艺，适合于连续化、自动化和管道化工艺，还可回收、再生。还可回收、再生。设计成不同形式：设计成不同形式：如，静态水的酶片和酶布，如，静态水的酶片和酶布，动态废水的酶柱。动态废水的酶柱。德国降解对硫磷等德国降解对硫磷等9 9种酶，共价结合种酶，共价结合于多孔玻璃及硅珠上，处理对硫磷废水，去除率于多孔玻璃及硅珠上，处理对硫磷废水，去除率9595上，上，可连续工作可连续工作 70 d70 d，酶活性无明显损失。，酶活性无明显损失。酶固定化技术酶固定化技术固定化细胞固定化细胞微微生生物物细细胞胞自自身身就就是是一一个个天天然然固固定定化化酶酶反反应应器器。用用制制备备固固定定化化酶酶的的方方法法直直接接将将细细胞胞加加以以固固定定，即即可可催催化一系列生化反应。化一系列生化反应。四、四、发酵工程在环境污染治理中应用发酵工程在环境污染治理中应用 发发酵酵（FermentationFermentation）是是微微生生物物分分解解有有机机物物，产产生生乳乳酸酸或或乙乙醇醇和和二二氧氧化化碳碳的的作作用用过过程程。也也泛泛指指一一般般利利用用微微生生物物制制造造原原料料或或产产品品的的过过程程，可可在在无无氧氧（如如乙乙醇醇发发酵酵、乳乳酸酸发发酵酵、丙丙酮酮发发酵酵和和丁丁醇醇发发酵酵）或或有有氧氧（如如抗抗生生素素发发酵酵、醋醋酸酸发发酵酵、氨氨基基酸酸发发酵酵和和维维生生素素发酵发酵）下进行。下进行。发酵工程发酵工程亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵酵母菌酵母菌-活性污泥系统活性污泥系统废非纤维素资源化废非纤维素资源化有机固体废物的快速堆肥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例如，亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵亚亚硫硫酸酸盐盐纸纸浆浆废废液液含含较较多多木木质质素素盐盐和和糖糖类类，总总固固形形物物9 17（有有机机物物占占总总固固形形物物的的85 90),),可发酵性糖是半纤维素。可发酵性糖是半纤维素。预处理，预处理，即通入空气，使有害物质即通入空气，使有害物质SOSO2 2挥发，用挥发，用石灰水等中和废液的酸，石灰水等中和废液的酸，PHPH为为5.4-5.55.4-5.5，产生的，产生的硫酸钙和亚硫酸钙沉降法除去。硫酸钙和亚硫酸钙沉降法除去。澄清液中添氮和磷澄清液中添氮和磷，在，在发酵罐中加絮状酵母发酵罐中加絮状酵母，并通空气搅拌，进行乙醇发酵。并通空气搅拌，进行乙醇发酵。发酵液流发酵液流入澄清罐入澄清罐，将沉淀的酵母留在澄清将沉淀的酵母留在澄清器底部中心，并再回流到发酵罐中器底部中心，并再回流到发酵罐中 澄清液澄清液送去蒸馏，生产乙醇。送去蒸馏，生产乙醇。五、五、生态工程生态工程生生态态工工程程（Ecological Engineering）：人人工工设设计计的的、以以生生物物种种群群为为主主要要结结构构组组分分、具具有有一一定定功功能能的的、宏宏观观的的、人人为为参参与与调调控控的的工程系统。工程系统。马马世世骏骏：应应用用生生态态系系统统中中物物种种共共生生与与物物质质循循环环再再生生 原原理理，结结合合系系统统工工程程的的最最优优化化方方法法设设计计的的分分层层多多级利用物质的生产工艺系统。级利用物质的生产工艺系统。实例实例:氧化塘法氧化塘法 污泥污泥产酸菌产酸菌藻体回收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处理系统人人工工湿湿地地（Artifcial Wetland）是是根根据据自自然然湿湿地地模拟的人工生态系统，用于处理废水。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。人工湿地处理能力可超过自然湿地。原理：原理：物理、化学和生物作用物理、化学和生物作用综合效应：综合效应：主要作用：主要作用：细菌分解和转化作用，伴随着物理、化学作细菌分解和转化作用，伴随着物理、化学作用。用。人工湿地中大型水生植物作用不可忽视：人工湿地中大型水生植物作用不可忽视：空气中的空气中的O O2 2经过大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，的微环境，刺激了好氧生物对有机物的分解作用，有助于硝化细菌有助于硝化细菌的生长，降的生长，降低了废水中的低了废水中的BOD，并将，并将 NH3N转化为转化为 NO3、NO2。效率高，可作为二级处理设施和深度处理设施。效率高，可作为二级处理设施和深度处理设施。生态农业生态农业生生态态农农业业（Ecological Agriculture）以以生生态态学学理理论论为为依依据据,在在一一定定区区域域内内,因因地地制制宜宜规规划划,组组织织和和进进行行农农业业生生产产。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。获获得得生生产产发发展展、生生态态环环境境保保护护、能能源源再再生生利用、经济效益利用、经济效益四者统一。四者统一。大兴区留民营生态农场大兴区留民营生态农场张占林1987年被联合国环境规划署授予全球环保五百佳之一 延庆县生态蔬菜基地-1986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 思考题思考题1现现代代生生物物技技术术的的涵涵义义是是什什么么？它它在在环环境境污染治理方面具有什么应用前景？污染治理方面具有什么应用前景？2在在环环境境污污染染治治理理中中，你你认认为为生生物物工工程程将将会在哪些方面发挥作用？会在哪些方面发挥作用？3氧氧化化塘塘处处理理废废水水的的特特点点是是什什么么？去去除除污污染物的原理是什么？染物的原理是什么？4什什么么是是生生态态工工程程?环环境境污污染染治治理理中中如如何何运用生态工程原理的运用生态工程原理的?5.土地处理系统与污灌的主要区别。土地处理系统与污灌的主要区别。质质粒粒是是一一种种独独立立于于细细菌菌染染色色体体外外、共共价价闭闭环环的的双双链链环环状状DNA分分子子。质质粒粒一一般般不不携携带带重重要要基基因因，是是一一种种辅辅助助性遗传单位。性遗传单位。抗药质粒抗药质粒：污染物外排质粒：污染物外排质粒：降解性质粒：降解性质粒：假假单单胞胞菌菌属属中中的的石石油油降降解解质质粒粒，如如樟樟脑脑、辛辛烷烷、萘萘、水水杨杨酸酸盐盐、甲甲苯和二甲苯等。苯和二甲苯等。农农药药降降解解质质粒粒：降降解解2 2，4 4D D，六六六等农药的酶类的质粒。六六六等农药的酶类的质粒。化化工工污污染染物物降降解解质质粒粒：如如对对氯氯联联苯和尼龙低聚体降解质粒等苯和尼龙低聚体降解质粒等抗重金属离子质粒抗重金属离子质粒：（五）质粒与微生物的抗性（五）质粒与微生物的抗性第二章第三节国际湿地公约国际湿地公约中中湿地湿地(Wetland)：指：指不问其为天然或人工，长久或暂时的沼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，泽地、泥炭地或水域地带，静止或流动，淡水、半咸水、咸水体，包括低潮位时淡水、半咸水、咸水体，包括低潮位时水深不超过水深不超过6m的水域。的水域。