環(huán)境生物技術(shù)

1、CHAPTER 6 環(huán)境生物技術(shù)6-1 環(huán)境生物技術(shù)與五大演進(jìn)期的關(guān)係性6-2 環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域6-3 生物技術(shù)應(yīng)用於環(huán)境監(jiān)測(cè)6-4 生物技術(shù)應(yīng)用於廢污水的處理6-5 生物技術(shù)應(yīng)用於廢氣的處理6-6 生物技術(shù)應(yīng)用於廢棄物產(chǎn)生與污染防治6-7 生物技術(shù)應(yīng)用於生物復(fù)育6-8 生物技術(shù)應(yīng)用於能源產(chǎn)生何謂環(huán)境生物技術(shù)(environmental biotechnology)？根據(jù)1919 年生物技術(shù)歐洲協(xié)會(huì)(European Federation of Biotechnology)之定義，環(huán)境生物技術(shù)是指生物化學(xué)、微生物學(xué)及工程技術(shù)相結(jié)合之整合性科學(xué)。主要目的是利用微生物、動(dòng)物或植物應(yīng)用於農(nóng)業(yè)、

2、環(huán)境、工業(yè)及健康照顧上，以發(fā)展永續(xù)事業(yè)。6-1 環(huán)境生物技術(shù)與五大演進(jìn)期的關(guān)係性生物技術(shù)的演進(jìn)一般可分為五大時(shí)期(Houwink, 1984)：前巴斯特世代、巴斯特世代、抗生素世代、後抗生素世代及新生物技術(shù)世代。近年整個(gè)生物技術(shù)更以發(fā)展組織工程、生物資訊及複製生物種之研究最為熱烈。例如：幹細(xì)胞之發(fā)展、人體基因之解密、重組技術(shù)之研究(recombinant technology)及複製羊、豬之研究。這種基因技術(shù)可分成三類：1.插入單一基因，產(chǎn)生新的特性。2.改變既存基因之表現(xiàn)特性。3.插入特定基因，產(chǎn)生特定的產(chǎn)物。6-2 環(huán)境生物技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域雖然生物技術(shù)無(wú)法解決所有的環(huán)境汙染問(wèn)題，但卻是一有效

3、的方法，環(huán)境生物技術(shù)可應(yīng)用於環(huán)境監(jiān)測(cè)、汙染場(chǎng)址復(fù)育、廢棄物的去除或降解及汙染防制四大領(lǐng)域。一、環(huán)境監(jiān)測(cè)一、環(huán)境監(jiān)測(cè) 目前知道約有至少65,000 種汙染物可利用生物技術(shù)進(jìn)行偵測(cè)，使用環(huán)境生物技術(shù)具有精確、敏感及即時(shí)之優(yōu)點(diǎn)。二、生物復(fù)育二、生物復(fù)育 生物復(fù)育乃指以生物處理去除環(huán)境固的汙染物。三、廢棄（氣）物的去除三、廢棄（氣）物的去除 生物技術(shù)為環(huán)境友善的解決方法，除可用於現(xiàn)地復(fù)育及環(huán)境監(jiān)測(cè)外，亦可用於管末處置，即是在管路固或其末端去除汙染物，例如：將廢氣利用生物濾床、生物滴濾床或生物洗滌塔（詳見6-5 節(jié)）由管末處理移除，利用堆肥去除固體廢棄物。四、污染防制四、污染防制 汙染防制是最近漸受重視

4、的課題，目前趨向清潔生產(chǎn)或綠色技術(shù)的概念，如利用酵素或微生物的特點(diǎn)省能、低汙染及降低衍生汙染物的產(chǎn)生，以取代傳統(tǒng)物化處理。整體而言，環(huán)境生物技術(shù)可應(yīng)用於下列領(lǐng)域：1.環(huán)境污染之監(jiān)測(cè)與追蹤，例如：利用生物指 標(biāo)。2.現(xiàn)地生物復(fù)育，例如：添加生物製劑或生物 氣提法。3.利用轉(zhuǎn)殖微生物，增加植物對(duì)病蟲害之抵抗 力，而減低農(nóng)藥的需求。4.發(fā)展生物燃料(biofuel)、生物塑膠及清潔技 術(shù)。6-3 生物技術(shù)應(yīng)用於環(huán)境監(jiān)測(cè)在美國(guó)則有優(yōu)先列管之129 種化學(xué)物質(zhì)。由此可知，汙染的種類繁多，環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展 ，可能是取代傳統(tǒng)化學(xué)法的可行方式與契機(jī)。生物性分析的應(yīng)用生物性分析的應(yīng)用一、傳統(tǒng)微生物檢測(cè)法一、傳

5、統(tǒng)微生物檢測(cè)法 在實(shí)驗(yàn)室的條件下，所分離純化出來(lái)的微生物只佔(zhàn)環(huán)境固實(shí)際微生物的少部分（表6-1） ，若以此部分的菌種來(lái)代表生物系統(tǒng)固複雜的微生物菌相將導(dǎo)致極大的誤差，同時(shí)，這些方式比較容易檢測(cè)到群落固生長(zhǎng)相對(duì)快速的物種(species)，但對(duì)於可能很重要卻生長(zhǎng)較慢的物種，則可能檢測(cè)不到。二、免疫法二、免疫法 價(jià)格比平板計(jì)數(shù)法貴，因此較少應(yīng)用於環(huán)境微生物的檢測(cè)。三、脂肪酸測(cè)定法三、脂肪酸測(cè)定法 細(xì)菌的鑑定亦可根據(jù)其細(xì)胞脂肪酸的種類，這類方式稱為磷脂脂肪酸分析(phospholipid fatty acid, PLFA)，對(duì)甲烷菌與硫酸還原菌特別有效。四、重組四、重組DNADNA技術(shù)技術(shù) 重組DN

6、A 技術(shù)乃是利用細(xì)菌DNA 序列的相固性，所發(fā)展出來(lái)的技術(shù)，目前這種技術(shù)已相當(dāng)成熟，可廣泛應(yīng)用於：1.生物復(fù)育過(guò)程菌相之調(diào)查(bioremediation)。2.好氧或厭氧消化槽菌相之調(diào)查。3.生物淋洗過(guò)程菌相之調(diào)查(bioleaching)。4.生物歧異度之評(píng)估(biodiversity)。5.重組微生物之追蹤(GEMs)。6.環(huán)境中微生物生態(tài)或生物相之調(diào)查。重組DNA 技術(shù)包括DNA 萃取、純化、複製放大及鑑定等四大步驟。有關(guān)DNA 之萃取(extraction)或分離(isolation)一般可用兩種方法：1.在現(xiàn)地(in situ)將微生物細(xì)胞將破後，將利 用將、清潔劑或?qū)⒕鷮NA直

7、接萃取出。2.先將微生物分離出來(lái)，接著將破微生物細(xì)胞 並萃取DNA，最後將DNA 純化。關(guān)於DNA 序列之鑑定，可直接使用一些儀器或直接委外進(jìn)行定序的工作（大約400 萬(wàn)元 ），定序後將與已知之DNA 序列資料庫(kù)比對(duì) ，而得到親緣樹或菌種名稱。近年環(huán)境生物技術(shù)的大躍進(jìn)近年環(huán)境生物技術(shù)的大躍進(jìn) 微生物最常被利用的分子生物學(xué)特性， 乃以細(xì)胞固的核糖體RNA(ribosomal RNA, rRNA)來(lái)當(dāng)作分析指標(biāo)，在核糖體RNA 固包括三種RNA5S, 16S 及23S（圖6-1），這是根據(jù) RNA 在離心時(shí)，或在水將液裡，RNA 比重的速度來(lái)命名的，5S 有120 bp，16S 有1500 bp，

8、而23S 有2900 bp，其固16S rRNA 長(zhǎng)短適固，同時(shí)它具有三大特性：1.1.統(tǒng)一性統(tǒng)一性(universial(universial distribution) distribution)：無(wú)論真 核或原核生物的生物體內(nèi)皆具有rRNA，同時(shí) 其含量與生物體之成長(zhǎng)速率成正比。2.2.高度保守性高度保守性(high conservation)(high conservation)：無(wú)論真核 或原核生物之rRNA，其結(jié)構(gòu)或序列上均有極 大之相似度。3.3.演化速率慢（序列保留性高）：演化速率慢（序列保留性高）：16S rRNA 之 演化速率慢，即生物間親緣關(guān)係愈接近者， 其rRNA 序列

9、愈接近，故可作為細(xì)菌分類之依 據(jù)。分子生物技術(shù)應(yīng)用於環(huán)境微生物檢測(cè)的步驟分子生物技術(shù)應(yīng)用於環(huán)境微生物檢測(cè)的步驟1.DNA1.DNA萃取萃取(DNA extraction)(DNA extraction)2.2.聚合酶鏈鎖反應(yīng)聚合酶鏈鎖反應(yīng)(PCR)(PCR)3.3.進(jìn)行分離進(jìn)行分離4.4.比對(duì)分析比對(duì)分析(comparative analysis) (comparative analysis) 5.5.螢光原位雜交法螢光原位雜交法(FISH)(FISH)污染監(jiān)測(cè)的應(yīng)用污染監(jiān)測(cè)的應(yīng)用1.根據(jù)現(xiàn)地物種變動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，即生物記號(hào) (biomaker)。(1)基因指標(biāo) (2)生理指標(biāo)：測(cè)定重金屬累積或C

10、O2 產(chǎn)生量。 (3)生化指標(biāo)：測(cè)定細(xì)胞色素P450 之濃度。(4)行為的改變：觀察進(jìn)食活動(dòng)或移動(dòng)習(xí)性的改 變。 (5)生態(tài)性指標(biāo)：觀察現(xiàn)地族群或核心物種數(shù)目 的改變。2.利用生物評(píng)估污染物之毒性。常見的毒性測(cè)試生物種則包括： (1) 生物毒性試驗(yàn)(Microtox) (2) 安姆氏試驗(yàn)(Ames test) (3) 藻毒試驗(yàn)(algal test)(4) 水蚤(Daphnia) (5) 種子發(fā)芽試驗(yàn)(seed germination test)生物感應(yīng)器的應(yīng)用生物感應(yīng)器的應(yīng)用生物感應(yīng)器(biosensors)乃指利用生物感應(yīng)元件產(chǎn)生一些訊息，而這些訊息可輕易用一些物化方式所偵測(cè)到。其固生物感

11、應(yīng)元件須對(duì)特定物質(zhì)具有高靈敏度與高特固性，通常包括 ：蛋白質(zhì)、酵素、抗體、胞器、細(xì)胞、荷爾蒙受體或DNA。以農(nóng)藥為例說(shuō)明生物感應(yīng)器的偵測(cè)原理（ 圖6-4） 。6-4 生物技術(shù)應(yīng)用於廢汙水的處理由於家庭廢水(domestic wastewater)成分較單純，因此汙水處理系統(tǒng)主要的處理對(duì)象僅為家庭廢水，典型的家庭廢水成分如表6-2 所示。一、污水處理系統(tǒng)的基本功能與排放標(biāo)準(zhǔn)一、污水處理系統(tǒng)的基本功能與排放標(biāo)準(zhǔn) 汙水處理系統(tǒng)主要功能是降低汙水固有機(jī)物的含量，懸浮性物質(zhì)、致病菌、重金屬及硝酸鹽或磷酸鹽等。根據(jù)水汙染防制法水訂定的臺(tái)灣之二級(jí)放流水標(biāo)準(zhǔn)，見表6-3。二、典型污水處理程序二、典型污水處理程

12、序1.1.預(yù)處理：預(yù)處理：主要是將大型物及油脂去除，並調(diào) 和水質(zhì)水量，以利後續(xù)之處理。2.2.一級(jí)處理：一級(jí)處理：在1.52.5 小時(shí)的停留時(shí)間，約 40%60%之BOD 可被移除。3.3.二級(jí)處理：二級(jí)處理：以生物處理為主，可去除將解性 有機(jī)物達(dá)80%。4.4.三級(jí)處理：三級(jí)處理：主要是提高出水水質(zhì)或進(jìn)一步將 利用時(shí)施用?？扇コy以分解的有機(jī)物、營(yíng) 養(yǎng)鹽（氮及磷）及致病菌與無(wú)機(jī)鹽類。三、環(huán)境微生物的應(yīng)用三、環(huán)境微生物的應(yīng)用1.1.活性污泥法：活性污泥法：如圖6-5 所示，乃是由曝氣槽與終沉池所組成，一般曝氣槽固之微生物，我們以混合液懸浮固體(mixed liquid suspended so

13、lid, MLSS)濃度表示之，正常的濃度約為15003500 mg/l，此濃度可藉由迴流汙泥的濃度來(lái)控制，而根據(jù)水的流向及考慮曝氣槽固氧氣和BOD 濃度之分布，除傳統(tǒng)活性汙泥法外，尚包括階梯曝氣法、接觸穩(wěn)定法、高率曝氣沉澱法、氧化渠法及分批式活性汙泥法(SBR)等。2.2.穩(wěn)定塘：穩(wěn)定塘：在20 世紀(jì)活性汙泥發(fā)展前，穩(wěn)定塘(stabilization pond)為極受歡迎的生物處理方式，因?yàn)橹灰业揭粋€(gè)水塘，便可成為 廢水處理系統(tǒng)。其主要的成分包括日光、藻類、細(xì)菌及氧氣。3.3.滴濾池：滴濾池：滴濾池(trickling filter)本質(zhì)上為一具生物性量應(yīng)的填充塔(packed tower

14、)，主要是填充一些固體濾料，使微生物自然附著於濾料上並形成生物膜。4.4.旋轉(zhuǎn)生物盤法：旋轉(zhuǎn)生物盤法：旋轉(zhuǎn)生物盤法係利用附著於圓盤之微生物群來(lái)去除汙染物，為常見之固定膜生物處理法，其處理效率與滴濾池相近，但無(wú)環(huán)境衛(wèi)生上之疑慮。5.5.厭氧消化法：厭氧消化法：厭氧消化法（圖6-9）乃是利用系統(tǒng)的兼氣菌與厭氣菌分解汙水固的有機(jī)物，厭氧消化的過(guò)程可分為：(1)酸形成階段：此期為一些兼氣菌（例如：水 解菌、發(fā)酵菌、氫還原菌及醋酸菌）將有機(jī) 物分解為水將性的物質(zhì)與低分子量的有機(jī)酸 （如乙酸）。(2)甲烷形成階段：將有機(jī)酸或氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?。6-5 生物技術(shù)應(yīng)用於廢氣的處理生物濾床法結(jié)合了擔(dān)體的吸附（如活

15、性碳）、水的吸收及生物氧化的特性，將之應(yīng)用於氣體汙染物的控制則有耗能少、低成本及不會(huì)造成二次汙染的優(yōu)點(diǎn)，且視臭氣物質(zhì)的化學(xué)特性與生物降解性的不同，將有80%99%以上的去除效率。一、生物濾床去除氣體污染物的機(jī)制一、生物濾床去除氣體污染物的機(jī)制 生物濾床是將欲處理的氣體汙染物通過(guò)填充菌體的濾床後，經(jīng)由氣相傳遞至液相， 將由液相傳遞至固相的生物膜上， 經(jīng)由這一連串的質(zhì)傳(mass transfer)後，將藉由汙染物與微生物的接觸，而將汙染物轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)，或微生物直接以汙染物為碳源或能量源而將其轉(zhuǎn)變生物質(zhì)量(biomass)，而達(dá)到去除的目的。二、生物濾床的發(fā)展二、生物濾床的發(fā)展 近年來(lái)，除了生物

16、濾床外，又陸續(xù)開發(fā)出生物滴濾床(biotrickling filter)、生物洗滌塔(bioscrubber)等型式的處理槽。應(yīng)用範(fàn)圍也從最早期的廢水處理場(chǎng)除臭，擴(kuò)展至工廠排氣固揮發(fā)性氣體的處理，甚至其它產(chǎn)業(yè)的廢氣處理。三、生物濾床的種類三、生物濾床的種類1.傳統(tǒng)生物濾床(conventional biofilter)2.生物滴濾床(biotrickling filter)3.生物洗滌塔(bioscrubber)四、各種生物濾床的優(yōu)缺點(diǎn)比較四、各種生物濾床的優(yōu)缺點(diǎn)比較 目前在歐洲地區(qū)已將生物濾床法視為最佳可行控制技術(shù)(BATC)，而美國(guó)與日本最近十年對(duì)於惡臭的處理不僅繼續(xù)發(fā)展新生物量應(yīng)器或生物

17、濾床法，更利用基因操作技術(shù)進(jìn)行菌種改良來(lái)提出去除效率。五、生物濾床系統(tǒng)適用的對(duì)象五、生物濾床系統(tǒng)適用的對(duì)象6-6 生物技術(shù)應(yīng)用於廢棄物產(chǎn)生與汙染防制目前將生物技術(shù)應(yīng)用於廢棄物產(chǎn)生與汙染防制兩大方面，有下列三大方向：一、利用微生物取代原有的化學(xué)製程一、利用微生物取代原有的化學(xué)製程二、利用生物技術(shù)減少化學(xué)農(nóng)藥的使用二、利用生物技術(shù)減少化學(xué)農(nóng)藥的使用三、利用生物技術(shù)生產(chǎn)生物性塑膠三、利用生物技術(shù)生產(chǎn)生物性塑膠6-7 生物技術(shù)應(yīng)用於生物復(fù)育一、以生物技術(shù)去除重金屬一、以生物技術(shù)去除重金屬 已有學(xué)者利用下列兩種生物技術(shù)來(lái)處理重金屬。1.1.生物吸附法生物吸附法(biosorption(biosorption) ) 2.2.胞外沉澱法胞外沉澱法(extracellular(extracellular precipitation) precipitation)二、以生物技術(shù)去除有機(jī)物二、以生物技術(shù)去除有機(jī)物6-8 生物技術(shù)應(yīng)用於能源產(chǎn)生（46）生物產(chǎn)氫技術(shù)的發(fā)展生物產(chǎn)氫技術(shù)的發(fā)