生物技術在環(huán)境中的應用.ppt

1、現代生物技術在環(huán)境保護中的應用,王偉軍目 錄,一、概述 二、我國生態(tài)環(huán)境現狀 三、農業(yè)生態(tài)環(huán)境污染 四、現代生物技術在環(huán)境保護中的應用 五、結語,現代生物技術以DNA 技術為先導,包括微生物工程、細胞工程、酶工程、基因工程、蛋白質工程和生物修復技術在內的一系列生物高新技術的統稱。 自20世紀80年代以來,生物技術作為一種高新技術,已普遍受到世界各國和民間研究機構的高度重視,發(fā)展十分迅猛。目前,現代生物技術不僅在農作物改良、醫(yī)藥研究、食品工程方面發(fā)揮著重要作用,且隨著日益突出的環(huán)境問題,其在治理污染、環(huán)境生物監(jiān)測、工業(yè)清潔生產、工業(yè)廢棄物、城市生活垃圾的處理、有毒有害物

2、質的無害化處理等方面發(fā)揮著重要的作用。其在處理環(huán)境污染物等方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點。隨著生物技術研究的進展和人們對環(huán)境問題認識的深入,人們已越來越意識到,現代生物技術的發(fā)展,為從根本上解決環(huán)境問題提供了無限的希望。,概述,現代生物技術概念圖,EM （Effective Micoorganisms） 日本，硫球大學，比嘉照夫教授發(fā)明的微生物技術。它是將包括好氧菌及厭氧菌在內的多種有益微生物通過獨特的發(fā)酵技術有機地整合在一起，其中各微生物在增殖過程中互生共長，形成一個功能強大的整體，發(fā)揮“有益分解”、“抗氧化”等多方面的作用。 EM是光合細菌、乳

3、酸菌群、酵母菌群、放線菌群、絲狀菌群等5科10屬80余種微生物組成的。 將EM投放在環(huán)境中，能在局部形成優(yōu)勢菌群，引導環(huán)境微生物群向良性方向活動，并抑制腐敗菌、病源菌的增殖，從而起到改善環(huán)境、改良土壤、凈化水質、消除臭味、抑制腐敗的作用。,一、 我國生態(tài)環(huán)境現狀 目前我國由于工業(yè)“三廢”污染、農用化肥和農藥的污染以及廢棄塑料和農用地膜的污染，嚴重的影響了我國的生態(tài)環(huán)境，使得水污染日益加劇，水資源嚴重短缺，全國600多個城市中已有一半城市缺水，農村則有8000萬人和6000萬頭牲畜飲水困難；土壤污染嚴重，耕地面積銳減，近10年來每年流失的土壤總量達50億t，土地荒漠化日益加?。簧指采w面積下降，

4、草場退化，每年減少森林面積達2500萬畝；人們的身體健康受到嚴重威脅，疾病發(fā)病率急劇上升。因此，加大環(huán)境保護和環(huán)境治理力度，加快應用高新技術，如現代生物技術來控制環(huán)境污染和保持生態(tài)平衡，提高環(huán)境質量已成為環(huán)保工的工作重點。,大氣污染,水污染,光污染,白色污染,光污染對人的視覺環(huán)境和身體健康產生不良影響的事物，包括生活中常見的書本紙張、墻面涂料的反光甚至是路邊彩色廣告的“光芒”亦可算在此列。,黃河世界上含沙量最多的河流。黃河，中國的母親河。源于青海巴顏喀拉山，干流貫穿九個省、自治區(qū)，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東。黃河流程約5500千米，流域面積達到79.5萬平方千米

5、，平均流量 1775 立方米/秒，上千條支流與溪川猶如無數毛細血管，源源不斷地為祖國大地輸送著活力與生機。若把祖國比作昂首挺立的雄雞，黃河便是雄雞心臟的動脈。 工業(yè)污染多年來一直是黃河水污染的“禍首”。從青海，經甘肅、寧夏，至內蒙古，黃河沿岸能源、重化工、有色金屬、造紙等高污染的工業(yè)企業(yè)林立，產生出了大量污染物。生活污水和過量施用化肥、農藥造成的“農業(yè)污染”目前也呈現加重趨勢。同時，沿河一些城市生活垃圾加劇了污染。,二、農業(yè)生態(tài)環(huán)境污染 1、大氣污染 （SO2、NOX、氟化物及總懸浮物（TSP）等） 2、水體污染 （1）人類活動排放的污染物進入河流、湖泊、海洋或地下水體，造成水體污染。 （2）

6、城市和工業(yè)廢水未經處理排入農業(yè)環(huán)境造成水體污染：石油、酚、氰化物、重金屬。 （3）農業(yè)生產活動污染：化肥、農藥。 3、土壤污染 重金屬、化肥、農藥、塑料薄膜、農業(yè)廢棄物等。 4、土壤鹽堿化 K、Na、Ca、Mg（Cl-、SO42-、CO3-）等。,三、現代生物技術在環(huán)境保護及生態(tài)環(huán)境修復中的應用 1、現代生物技術在環(huán)境保護上的特點 （1）生物技術處理污染物是降解破壞污染物的分子結構,降解的產物以及副產物,大多可以被生物重新利用。這樣,既可以把人類活動產生的環(huán)境污染減輕到最小程度,又對廢棄物進行了資源化利用。 （2）利用生物技術處理污染物,是采用一步到位,并將污染物質最終轉化成無毒無害的穩(wěn)定物質

7、,如CO2、H2O、N2和CH4等。 （3）生物技術是以酶促反應為基礎的生物化學過程,其在常溫、常壓下可進行,過程簡單,成本低廉,可連續(xù)化操作,并可節(jié)約能源,減少環(huán)境污染。 （4）可解決常規(guī)技術和傳統方法不能解決的問題。 （5）可定向地按人們的需要創(chuàng)造新物種、新品種和其他有經濟價值的生命類型。,2、現代生物技術在環(huán)境保護中的應用 （1）大氣污染治理 目前采用的方法主要有生物過濾、生物洗滌和生物吸附法等，所采用的生物反應器為生物凈氣塔、滲濾器和生物濾池等。生物技術法與傳統有機廢氣處理方法比較,具有成本低、效率高、安全性好和無二次污染等技術優(yōu)點。 a、生物過濾法 生物濾池內部填充活性填料，廢氣經加

8、壓預濕后從底部進入生物濾池，氣體中的無機污染物、有機污染物或惡臭物質與填料上附著生成的生物膜（微生物）接觸，被生物膜吸收，最終被降解為H2O和CO2或其它成分，處理過的氣體從生物濾池的頂部排出。,b、生物洗滌法 生物洗滌法分為廢氣吸收和懸浮液再生兩個階段，通常由一個裝有填料的洗滌器（吸收設備）和一個裝有活性污泥或生物膜的生物反應器（再生反應器）構成。 廢氣從吸收設備底部進入，向上流動，與頂部噴淋向下的生物懸浮液在填料床中相互接觸，經傳質過程進入液相，再進入微生物細胞內或經微生物分泌的胞外酶作用分解，凈化后的氣體從吸收設備頂部排出。吸收了廢氣的生物懸浮液從再生反應池的底部進入，通入空氣充氧，廢氣

9、被微生物氧化利用的過程也就是懸浮液的再生過程，再生后的懸浮液再進入吸收設備進行頂部噴淋，吸收與再生兩個過程反復進行。該方法的特點是反應條件易控制、壓降低、填料不易堵塞，但設備較多，需外加營養(yǎng)，成本較高，對溶解度小的化合物難以處理。,c、生物滴濾法 生物滴濾法是在生物吸收法基礎上進行的改進，集合了生物過濾法和生物吸收法兩種工藝的優(yōu)點，生物吸收和生物降解同時發(fā)生在一個反應裝置內。 滴濾池內裝有填料，填料表面被生物膜覆蓋。循環(huán)水不斷噴灑在填料上，廢氣通過滴濾池時，氣體中的污染物被微生物降解。該方法的特點是只有一個反應器、操作簡單、壓降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高，比生物過濾法能更有效地處理含鹵

10、化合物、硫化氫或氨等廢氣。但需外加營養(yǎng)、運行成本較高。,（2）污水的生物凈化 污水的生物凈化是利用微生物自身的生命活動過程對污水中的有毒物質進行轉移和轉化,從而使污水得到凈化的處理方法。 固定化微生物技術 固定化微生物技術-指通過物理或化學的手段將游離的微生物固定在限定的空間區(qū)域使其保持活性并可反復利用的一項生物技術。 其可以被用來處理一般高濃度有機廢水、印染廢水、含氮廢水、難降解有機廢水及其他廢水等,一些具有特異性的優(yōu)勢菌種不斷得到改造或創(chuàng)造,將這些高效專性菌如脫色菌、脫氮、脫磷菌假單胞菌等進行固定化后,菌體密度提高,大大提高了處理效率,尤其是對難降解有毒物質有明顯優(yōu)勢。, 生物強化處理技術

11、 生物強化處理技術-是為了提高廢水處理的效果,而向廢水中投加從自然界中篩選的優(yōu)勢菌種或通過基因組合技術產生的高效菌種,以去除某一種或某一類有害物質。 主要作用方式有: a、直接投加特效降解微生物，廢水中的微生物可以附著在載體上形成高效生物膜或以游離的狀態(tài)存在; b、引入生物強化制劑，主要用于處理城市污水,有機物的去除率可以得到顯著提高,固體物質的產生會減少、硝化作用得以增強,從而提高污水脫氮脫磷效果; c、固定化生物強化技術，將特定的微生物封閉在高分子網絡載體內,使菌體脫落少、活性高，從而提高優(yōu)勢微生物濃度,增加了其在生物處理器中的存留時間。,生物反應器技術 生物反應器技術,是現代生物技術發(fā)展

12、的一個主要方向。 生物反應器-利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功能,在體外進行生化反應的裝置系統，其有利于微生物附著生長形成生物膜，供氣或供給的其他反應條件優(yōu)越，污染物具有充分的時間與微生物接觸，有利于增強微生物的分解代謝能力。,（3）污染土壤的生物修復 重金屬污染是造成土壤污染的主要污染物。 重金屬污染的生物修復-利用生物作用，削減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬的毒性。 原理：通過生物作用改變重金屬在土壤中的化學形態(tài)，使重金屬固定或解毒，降低其在土壤環(huán)境中的移動性和生物可利用性，通過生物吸收、代謝達到對重金屬的削減、凈化與固定作用。 污染土壤的生物修復過程可以增加土壤有機質的含量，激發(fā)

13、微生物的活性，由此可以改善土壤的生態(tài)結構，這將有助于土壤的固定，遏制風蝕、水蝕等作用，防止水土流失。,狗 牙 根,白榆,泡桐,構樹,“消化”重金屬的高手,植物修復是一種利用植物去除和消減污染物的環(huán)境治理技術,是一種新興的綠色生物修復技術,能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境、保持土壤結構和微生物的狀況下,通過植物的根系直接將大量的重金屬吸收,從土壤中移去從而修復被污染的土壤,它是環(huán)境污染治理的重要手段;,（4）白色污染的消除 利用生物工程技術一方面可以廣泛地分離篩選能夠降解塑料和 農膜的優(yōu)勢微生物、構建高效降解菌，另一方面可以分離克隆降解基因并將該基因導入某一土壤微生物中，使兩者同時發(fā)揮各自的作用，將塑料和

14、農膜迅速降解。,鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）,假單胞桿菌（Pseudomonas）,（5）化學農藥污染的消除 a、利用微生物降解農藥 土壤中的微生物,包括細菌、真菌、放線菌和藻類等,其中細菌類對農藥分解起主要作用,其可以利用自身生化上的多種適應能力,誘發(fā)突變菌株,例如假單胞菌對敵敵畏；曲霉菌、鐮孢霉菌對敵百蟲；芽孢桿菌、曲霉、青霉、假單胞桿菌、瓶型酵母等對甲胺磷。通過微生物的作用,把環(huán)境中的有機污染物轉化為CO2和H2O等無毒無害或毒性較小的其他物質。,曲霉菌,假單胞菌,芽孢桿菌,瓶型酵母,b、共代謝作用 共代謝作用指微生物在有它可利用的唯一碳源存在時,對它原來不能利用的物質也能分

15、解代謝的現象。 c、推廣使用生物農藥 生物農藥指可以用來防治病、蟲、草等有害生物的生物活體，利用細菌、病毒、真菌、線蟲及拮抗微生物等來控制病蟲草害的制劑。,赤眼蜂,動物源生物農藥,瓢蟲,小花蝽,草嶺,（6）土壤鹽堿地修復,a、鹽堿化概念 鹽堿化（鹽漬化）是指土壤中的鹽分離子增加或可容性鹽分離子不斷向土壤表層聚積，改變了土壤的理化性狀，并對生長的植物有一定的危害作用的一種土壤變化過程。 土壤鹽堿化是在一定的氣候、地形、土壤、植被、水文地質等自然條 件下形成的。洪、澇、旱災害，河流,改造，人類活動，土地利用制度改變，以及農業(yè)、水里措施，都會對土壤鹽堿化的發(fā)生、發(fā)展產生重大影響。 土壤鹽堿化主要發(fā)生

16、在干旱與半干旱地區(qū)。在自然條件下發(fā)生的土壤鹽堿化稱作原生鹽堿化，原生鹽堿化一般是比較緩慢的。在認為干擾下發(fā)生的土壤鹽堿化稱作次生鹽堿化。,b、按形態(tài)劃分：, 蓬松鹽土（俗稱白堿、撲騰堿等）。以NaSO4為主，地表有一層薄薄的白色鹽霜，構成一層陷鞋底或鞋幫的蓬松層，危害較小。 結皮鹽土（俗稱黑堿、鍋巴堿等）。以NaCl為主，地表有灰白色鹽結皮，對作物危害大。 潮濕鹽土（俗稱濕堿、黑油堿等）。以CaCl2、MgCl2為主，吸濕性強，地表常呈潮濕狀態(tài)，涂色灰暗至棕黑，如潑止醬油般，對作物危害較大。 蘇打鹽土（俗稱馬尿堿、瓦堿等）。Na2CO3、NaHCO3含量較高，地表呈棕黃色堿霜，如馬尿，故稱馬尿

17、堿；由于質地黏重、干后呈瓦片卷起，又叫瓦堿。這種鹽土堿性強，對作物危害最大，多為光板地。,蘭州新區(qū)鹽堿土,結皮鹽堿土,潮濕鹽堿土,蘇打鹽堿土,c、生物技術在鹽堿地改造中的應用 我國采用生物技術改良鹽堿地取得進展 嗜鹽微生物 耐鹽植物,胡楊林,耐鹽植物：枸杞,耐鹽植物：茴香,（6）生物技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用 生物監(jiān)測（Biological Monitoring或 Biomonitoring）是利用生物個體、種群或群落對環(huán)境污染或變化所產生的反應闡明環(huán)境污染狀況，從生物學角度為環(huán)境質量的監(jiān)測和評價提供依據。 應用于環(huán)境監(jiān)測的生物技術主要有： 用細菌總數及糞便污染指示菌(大腸埃希氏菌、克霉伯氏菌等) 監(jiān)測水質； 用鼠傷寒少門氏菌檢驗物質致突變性與致癌性； 用發(fā)光細菌快速檢測環(huán)境毒物； 通過測定水中藻類(常用硅藻、柵藻、小球藻等) 的生長量進行水質監(jiān)測或物質的霉性檢測。 近年來,國內外研究較多的是應用聚合酶式反應技術( PCR 技術) 、核酸探針、生物傳感器等生物高技術進行環(huán)境監(jiān)測。PCR 技術可用于土壤、沉積物、水樣等環(huán)境標本的細胞檢測,隨著技術的完美及