微生物學(xué)新技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)

1、第十二章 微生物學(xué)新技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用,微生物學(xué)新技術(shù)包括：遺傳誘變育種、基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、微生物制劑、生物表面活性劑等,12-1 固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用,一、酶制劑劑型,1、干燥粗酶制劑 將用麩曲或深層發(fā)酵的培養(yǎng)液除菌(或不除菌)后，與淀粉等惰性填料混合、干燥制成粗酶,2、稀液體酶制劑 將培養(yǎng)液過濾除去菌體等雜質(zhì)后，直接加穩(wěn)定劑(甘油、乙醇、氯化鈉等的復(fù)合物)和防腐劑作為商品出售,3、濃液體酶制劑 將培養(yǎng)液除去菌體等雜質(zhì)、濃縮后再加穩(wěn)定劑和防腐劑制成商品,4、干燥粉狀酶制劑 我國(guó)多數(shù)生產(chǎn)此種酶制劑，其制備工藝為： 過濾培養(yǎng)液去菌體濃縮噴霧干燥研磨加穩(wěn)定劑、惰性

2、填料成商品 過濾培養(yǎng)液去菌體硫酸銨鹽析或乙醇沉淀干燥研磨加穩(wěn)定劑、惰性填料成商品 5、結(jié)晶酶 6、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，可較長(zhǎng)時(shí)間使用,二、酶的提取,1、預(yù)處理 不同的酶有不同的預(yù)處理方法： 胞外酶存在培養(yǎng)液中，只需將菌體過濾或離心除去，所得的清液即為粗酶液。如果是固態(tài)發(fā)酵麩曲，用水或緩沖液浸泡，再離心或過濾去菌體及雜物后所得清液即為粗酶液。粗酶液再經(jīng)提純即為酶精制品。 對(duì)胞內(nèi)酶則要破碎細(xì)胞壁和質(zhì)膜，制成無細(xì)胞提取液再提純。 細(xì)胞破碎方法有：干燥法(空氣干燥、真空冷凍干燥、溶劑脫水干燥)、機(jī)械法(研磨法、機(jī)械搗碎)、超聲波破碎、反復(fù)冷凍法、自溶法、溶菌酶法,

3、2、酶的提取 (1)水溶液提取法：用稀的鹽溶液、緩沖液或水提取。 (2)表面活性劑提取法 表面活性劑有：天然的膽酸鹽、磷脂，合成的十二烷基硫(磺)酸鈉(SDS,陰離子型)、二乙氨基十六烷基溴(陽離子型)、非離子型的有吐溫(Tween)及三通X(triton-X,3) 丁醇提取法,三、酶的純化,1、濃縮 葡萄糖凝膠分子篩濃縮法、聚乙二醇(PEG)濃縮法、超濾膜濃縮法、冰凍法、鹽析或乙醇沉淀后分離,2、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,3、純化 鹽析法；有機(jī)溶劑沉淀法；層析法：吸附層析法、離子交換層析法、分子篩過濾層析(凝膠過濾層析)法、等電點(diǎn)沉淀法,4、結(jié)晶 當(dāng)酶達(dá)到

4、一定純度后，在適當(dāng)?shù)臏囟取H條件下，逐漸加入硫酸銨溶液中，酶可慢慢析出結(jié)晶，也可加入某些有機(jī)溶劑析出結(jié)晶,四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法,一) 固定化酶與固定化微生物,1、固定化酶 從篩選、培育獲得的優(yōu)良菌種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(yīng)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。 2、固定化微生物 利用與固定化酶相同的方法將酶活力強(qiáng)的微生物體固定在載體上，即成。分死細(xì)胞固定化和生長(zhǎng)細(xì)胞固定化2種。 微生物本身是多酶體系的固定化載體，將整個(gè)細(xì)胞固定化更有利于保持其原有活性，甚至可提高活性。 3、固定化酶與固定化微生物的特性 固定化酶與

5、固定化微生物普遍比未固定化的微生物性能好，穩(wěn)定、降解有機(jī)物能力強(qiáng)、耐毒、抗雜菌，耐沖擊負(fù)荷,二) 固定化酶與固定化微生物的固定方法,固定化方法有載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法和逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng),1、載體結(jié)合法 以共價(jià)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。 2、交聯(lián)法 將酶與有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑反應(yīng)形成共價(jià)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,3、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)(微型膠囊型)的固定方法。格子型的包埋材料：聚丙

6、烯酰胺(PACAM)凝膠、聚乙烯醇(PVA)、瓊脂、硅膠等。微膠囊型的包埋材料：尼龍、乙基纖維素和硝酸纖維素。 4、逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng) 表面活性劑的兩性分子在有機(jī)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(jìn)入主體有機(jī)溶劑中，酶分子溶于逆膠束中，組成,五、固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用,1、污染物處理 應(yīng)用固定化酶或固定化細(xì)胞可以組成快速、高效、連續(xù)運(yùn)行的污水處理系統(tǒng)。日本將淀粉酶固定后用于處理淀粉廢水和造紙廢水，效果較好。美國(guó)有人將多酚氧化酶固定后用于含酚廢水處理，效果顯著。德國(guó)將9種降解對(duì)硫磷農(nóng)藥的酶固定到多孔玻璃珠及硅膠珠上，再制成酶柱處

7、理對(duì)硫磷廢水，獲得95以上的去除效果，連續(xù)運(yùn)行2個(gè)多月酶活性基本不變。有人將白腐菌固定在海藻酸鈣上對(duì)造紙黑液進(jìn)行處理，脫色率高達(dá)80以上,2、環(huán)境監(jiān)測(cè) 根據(jù)固定化酶用于化學(xué)分析方面的相同原理，固定化酶也可用于測(cè)定有毒物質(zhì)的含量，對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如固定化多酚氧化酶可用來測(cè)定水中的酚類物質(zhì)。固定化酶可用于檢測(cè)有機(jī)磷、有機(jī)氯農(nóng)藥、過氯酸鹽、氰化物和尿素等,12-2微生物細(xì)胞外多聚物的 開發(fā)與應(yīng)用,微生物的胞外多聚物(Extracellular polymers，簡(jiǎn)寫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(xì)胞壁外的多聚化合物。包括莢膜、粘液層及其它表面物質(zhì)。這些多聚物經(jīng)

8、分析得知其成分為脂、脂肽、多糖脂、中性類脂衍生物等,微生物細(xì)胞外物質(zhì)可作表面活性劑、絮凝劑或助凝劑、沉淀劑,一、生物表面活性劑,1、表面活性劑是由親水基和疏水基兩部分組成的，具有影響不相容界面特性的物質(zhì),2、生物表面活性劑(biosurfactant)：是生物在一定生長(zhǎng)條件下，在其代謝過程中分泌產(chǎn)生的一些具有一定表面/界面活性的代謝產(chǎn)物,3、分類,生物表面活性劑按用途可廣義地分為生物表面活性劑和生物乳化劑(bioemulsifier)。前者是一些低分子量的小分子，能顯著改變表面/界面張力。后者是一些生物大分子，并不能顯著降低表面/界面張力，但對(duì)油/水界面表現(xiàn)出很強(qiáng)的親和力。因而可使乳狀液得以穩(wěn)

9、定,1)利用生物表面活性劑對(duì)油類的乳化作用，可將生物表面活性劑用于海上原油泄漏的生物降解與海岸石油污染的生物補(bǔ)救。 (2)生物表面活性劑對(duì)有毒有機(jī)化合物具有增溶作用，可用于土壤環(huán)境污染的生物修復(fù)。 Bacillus菌產(chǎn)生的一種生物表面活性劑能穩(wěn)定地乳化殺蟲劑肟(w)硫磷及其他不能與水混溶的液態(tài)有機(jī)磷殺蟲劑。Pseudomonas cepacia能產(chǎn)生一種降解除草劑2,4,5,-三氯苯氧基乙酸的生物表面活性劑。 (3)另外，Mulligan和cooper認(rèn)為生物表面活性劑能用于泥漿脫水。在采礦業(yè)和造紙業(yè)中，采用某些生物表面活性劑可穩(wěn)定礦物的水懸浮液，以避免礦物的絮凝。國(guó)內(nèi)有報(bào)道采用表面活性劑回收

10、煉油廠廢白土中的蠟和油，回收率可達(dá)93和95。 生物表面活性劑還可用于石油及能源工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域、食品工業(yè)、化妝品工業(yè)等,4、生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應(yīng)用,二、微生物絮凝劑,1、微生物絮凝劑：是利用生物技術(shù)，從微生物體內(nèi)或分泌物中分離提取的一種安全、高效且能自然降解的新型水處理劑。它是由一類微生物產(chǎn)生的，可使液體中不易沉降的固體懸浮顆粒、固體細(xì)胞及膠體顆粒等凝聚、沉淀的特殊高分子代謝產(chǎn)物(次生代謝產(chǎn)物,2、微生物絮凝劑的主要成分是高分子有機(jī)物，包括糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等。其分子量多在105以上,3、微生物絮凝劑的獨(dú)特性質(zhì)和特點(diǎn) 易于固液分離，沉淀物生成量少；無毒無害、安全性高，易被微

11、生物降解；具有脫色和除濁性能；無二次污染；適用范圍廣；有的生物絮凝劑具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、用量小、不受pH條件影響等,4、微生物絮凝劑的應(yīng)用,1)廢水懸浮物的處理,2)廢水脫色處理,3)乳濁液的油水分離,4)污泥處理,5)畜產(chǎn)廢水處理,6) 微生物絮凝劑在其它領(lǐng)域的應(yīng)用,三、生物吸附劑,生物吸附是微生物菌體對(duì)重金屬的吸附作用，包括細(xì)胞的不同部位對(duì)重金屬的絡(luò)合、螯合、離子交換、轉(zhuǎn)化、吸收和無機(jī)微沉淀等。能夠吸附重金屬及其它污染物質(zhì)的材料稱生物吸附劑,生物吸附劑主要分3類，即細(xì)菌、真菌和藻類。另外，殼聚糖也是一類重要的生物吸附劑,12-3 優(yōu)勢(shì)菌種與生物制劑的開發(fā)與應(yīng)用,篩選步驟：首先采集樣品，爾后用稀釋平板法分離出單個(gè)菌落，進(jìn)行數(shù)次平板劃線純化，再將純化的菌種接入斜面保存；進(jìn)行菌種性能測(cè)定。取性能良好的菌種接入斜面，于4冰箱保存?；蛘婵绽鋬龈稍锉４?；最后按廢水、廢物和廢氣的化學(xué)組分與需要量，合理搭配多種菌種。經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后用板框壓濾，干燥，制成干活菌制劑,微生物制劑可用于： 生物膜掛膜； 廢水活性污泥法處理過程的添加劑，初沉