環(huán)境生物技術(shù)概論講解課件

1、1第1講 環(huán)境生物技術(shù)概論賈曉強 講師xqjia 2/461 環(huán)境生物技術(shù)課程簡介課程安排 課堂講授：14課時 學(xué)術(shù)報告：2課時 考察方式 平時出勤：20% 期末論文：80% 公共郵箱 參考教材 現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)，第2版，王建龍、文湘華編著，清華大學(xué)出版社，2008年9月 環(huán)境生物技術(shù)原理與應(yīng)用，第1版，楊傳平、姜穎、鄭國香等編著，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010年5月 3/46課程具體內(nèi)容1 環(huán)境生物技術(shù)概論 2 酶工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 3 基因工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 4 細(xì)胞工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 5 發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 6 廢水生物處理技術(shù) 7 大氣污染的生物處理

2、技術(shù) 8 固體廢棄物生物處理技術(shù) 9 生物修復(fù)技術(shù) 10 有害有機污染物的生物 處理技術(shù) 11 重金屬的生物處理技術(shù) 12 污染預(yù)防生物技術(shù) 13 有機廢棄物的資源化能源、材料、蛋白 14 環(huán)境生物監(jiān)測與安全性評價 4/462 人與環(huán)境人類社會的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的文明，同時也帶來了許多生態(tài)環(huán)境問題 水資源短缺 土壤荒漠化 有毒化學(xué)品污染 臭氧層破壞 酸雨肆虐 物種滅絕 森林減少 生態(tài)環(huán)境的破壞使人類的生存和發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 5/46美國密歇根州銅礦及工廠產(chǎn)生的尾料將湖水染紅 6/46酸雨的危害一般將pH小于5.6的降雨稱為酸雨 降水酸度pH4.9時，將 會對森林、農(nóng)作物和材料產(chǎn)生明顯損害 7

3、/461980年，美國紐約州阿第倫達(dá)克山，早春時節(jié)的酸雨酸雪污染了河川，造成一場致命的“酸流”，令溪鱒紛紛死于鰓部傷害 8/46有毒物質(zhì)污染有毒物質(zhì)污染是指對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康有毒害作用的物質(zhì)排放到環(huán)境中而引起的危害 這些物質(zhì)都是生產(chǎn)和生活過程中的產(chǎn)物，如廢水、廢氣和固體廢棄物、農(nóng)藥、化肥和放射性物質(zhì)等 9/461973年以后在莫斯科工業(yè)區(qū)附近，已經(jīng)出生了90名四肢不全的畸形兒 10/4620世紀(jì)著名的八大環(huán)境公害事件名稱地點時間危害情況馬斯河谷煙霧事件比利時1930.12幾千人發(fā)病，60人死亡多諾拉煙霧事件美國1948.106000人患病，17人死亡倫敦?zé)熿F事件英國1952.125天內(nèi)400

4、0人死亡洛杉磯光化學(xué)煙霧美國1940年代引起眼病，喉頭炎,頭痛水俁事件日本1953始癡呆，神經(jīng)失常，死亡富山事件日本1931始關(guān)節(jié)痛,骨骼軟化萎縮,痛死四日事件日本1970年哮喘，肺氣腫，10多人死亡米糠油事件日本1968年患者5千多人，死亡16人11/4621世紀(jì)環(huán)境熱點問題：溫室效應(yīng)與全球變暖溫室效應(yīng) 大氣對地表熱輻射能遮擋保溫的屬性類似溫室中玻璃具有的作用，故被稱為溫室效應(yīng) 溫室氣體 大氣中能強烈吸收地面輻射產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亞氮、臭氧等 全球變暖問題 主要指人為活動造成的溫室氣體增加，溫室效應(yīng)增強帶來的氣候變化 人類活動對氣候變暖的影響主要表現(xiàn)為：由于

5、工業(yè)生產(chǎn)需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化發(fā)展等引起人為排放的二氧化碳等溫室氣體不斷增加；熱帶森林和溫帶植被破壞嚴(yán)重，光合作用吸收二氧化碳的能力減弱 12/46資料表明 1860年以來，全球地表年平均氣溫升高了0.3-0.6 根據(jù)跨政府氣候變化委員會預(yù)測，從1990到2100年，全球陸面氣溫將增加2氣候變暖的直接結(jié)果 世界各地冰川的溶化（后退），引起海平面的上升。將直接威脅世界沿海城市及30多個島嶼的生存和發(fā)展。美國環(huán)保專家預(yù)測，再過50-70年，東京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中國一些沿海城市會被完全和局部淹沒 氣候變暖的間接結(jié)果 災(zāi)害性氣候：厄爾尼諾現(xiàn)象。厄爾尼諾可

6、以引起全球大范圍的干旱，也可使某些地區(qū)暴雨成災(zāi)。例如，1997年3月開始的第14次厄爾尼諾造成中國長江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接損失幾千億元 13/462008年世界各國CO2排放情況14/46我國環(huán)境保護的現(xiàn)狀 環(huán)境保護已成為當(dāng)前國際關(guān)系、經(jīng)貿(mào)合作中的一個極為重要的問題，也日益嚴(yán)重地影響著我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展 在我國過去幾十年的經(jīng)濟發(fā)展中，由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護，目前環(huán)境狀況十分嚴(yán)峻；近年來雖采取了大量控制措施，但環(huán)境質(zhì)量下降的趨勢仍在繼續(xù) 從城市到鄉(xiāng)村，我國的大氣、河流、湖泊、海 洋和土壤等均受到不同程度的污染 我國是世界上環(huán)境污染最為嚴(yán)重的國家之一 15/46貴陽、重慶、北

7、京、蘭州、太原五個城市位居世界十大空氣污染最嚴(yán)重的城市之列；全國600多個城市中，大氣質(zhì)量符合國家一級標(biāo)準(zhǔn)的不足1% 全國范圍的酸雨危害的程度和區(qū)域日益擴大 空氣污染2010年美媒評世界9大污染最嚴(yán)重地區(qū)山西臨汾位列第一 16/46水污染全國每年污水排放達(dá)360億噸，僅10%的生活污水和70%的工業(yè)廢水得到處理，其中約有一半工業(yè)污水處理設(shè)施的出水達(dá)不到國家排放標(biāo)準(zhǔn) 其他未經(jīng)處理的污水直接排入江河湖海，致使我國的水環(huán)境遭受嚴(yán)重污染和破壞 據(jù)統(tǒng)計，全國七大水系和內(nèi)陸河流的110個重點河段中，屬4類和5類水體的占39%；城市地面水污染普遍嚴(yán)重，并呈進一步惡化的趨勢，136條流經(jīng)城市的河流中，屬4類、

8、5類和超過5類標(biāo)準(zhǔn)的高達(dá)76.8%；約50%的城市地下水受到不同程度的污染；全國大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富營養(yǎng)化程度逐年加?。灰恍┑貐^(qū)的飲用水源受到嚴(yán)重污染，對人民健康造成嚴(yán)重危害 17/46城市垃圾污染城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物與日俱增，工業(yè)廢棄物累計堆積量已超過66億噸，占地超過5萬公頃，使200多個城市陷入垃圾包圍之中 18/46生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境破壞是由于對自然資源的不合理開發(fā)和利用而引起的 中國科學(xué)院發(fā)布國情報告：中國在90年代的沙漠化速度是每年2100km2，相當(dāng)于兩個半香港，或30個北京城。而2000年已達(dá)2460km2，2003年已超過3000km2 遙感普查數(shù)字表

9、明：中國水土流失面積已達(dá)367萬km2，約占國土面積的38，總量達(dá)每年50億噸，相當(dāng)于全國的耕地每年被剝?nèi)?cm的肥土層，損失N.P.K肥4000多萬噸，相當(dāng)于全國1年生產(chǎn)化肥的總和 地球土層的平均厚度18cm，在溫帶地區(qū)的自然條件下,每形成1cm的表土需100400年，即使管理極好，也需20年 此外，黃河斷流，塔里木河斷流，羅布泊消失，長江危機，長江每年表土流失24億噸，5億噸流入東海 濫用化肥和農(nóng)藥，造成土壤退化，我國中低產(chǎn)田已由原來的60上升到80 19/46人與環(huán)境的和諧之道解決環(huán)境問題的根本途徑是調(diào)節(jié)人類社會活動與環(huán)境的關(guān)系 要真正實現(xiàn)這種調(diào)節(jié)必須具備下列條件 掌握自然生態(tài)規(guī)律 通曉

10、環(huán)境變化過程，能預(yù)測人類活動引起的環(huán)境影響，運用規(guī)律去利用自然資源、改造自然 20/46空氣主要污染物二氧化硫（SO2）：二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物質(zhì)燃燒產(chǎn)生。二氧化硫?qū)θ梭w的結(jié)膜和上呼吸道粘膜有強烈刺激性。另外，二氧化硫?qū)?金屬材料、房屋建筑、棉紡化纖織品、皮革紙張等制品容易引起腐蝕，剝落、褪色而損壞。還可使植物葉片變黃甚至枯死 氮氧化物（NOx）：NOx污染主要來源于生產(chǎn)、生活中 所用的煤、石油等燃料燃燒的產(chǎn)物 (包括汽車及一切內(nèi)燃機燃燒排放的NOx) ；其次是來自生產(chǎn)或使用硝酸的工廠排放的尾氣。當(dāng)NOx與碳?xì)浠锕泊嬗诳諝庵袝r，經(jīng)陽光紫外線照射，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一種光化學(xué)煙霧

11、，它是一種有毒性的二次污染物 21/46空氣主要污染物一氧化碳（CO）：毒性氣體 氟化物（F）：指以氣態(tài)與顆粒態(tài)形成存在的無機氟化物。氟化物對眼睛及 呼吸器官有強烈刺激，吸入高濃度的氟化物氣體時，可引起肺水腫和支氣管炎 顆粒污染物：空氣中的粒子狀污染物數(shù)量大、成分復(fù)雜，它本身可以是有毒物質(zhì)或是其它污染物的運載體。煤煙、工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、建筑和交通揚塵、風(fēng)的揚塵等，以及氣態(tài)污染物經(jīng)過物理化學(xué)反應(yīng)形成的鹽類顆粒物 22/46空氣主要污染物鉛及其化合物（Pb）：指存在于總懸浮顆粒物中的鉛及其化合物。主要來源于汽車排出的廢氣。鉛進入人體，可大部分蓄積于人的骨骼中，損害骨骼造血系 統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，

12、對男性的生殖腺也有一定的損害。引起臨床癥狀為貧血、末梢神經(jīng)炎，出現(xiàn)運動和感覺異常。我國尿鉛80微克/升為正常值，血鉛正常值小于50微克/毫升 23/46地面水主要污染物氨氮：指以氨或銨離子形式存在的化合氨。氨氮主要來源于人和動物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可達(dá)2.54.5公斤。氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導(dǎo)致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害 化學(xué)耗氧量（COD）：是指化學(xué)氧化劑氧化水中有機污染物時所需氧量。水中有機污染物主要來源于生活污水或工業(yè)廢水的排放、動植物腐爛分解后流入水體。水體中有機物含量過高可降低水中溶解氧的含量，當(dāng)水中溶解氧消耗殆盡時，

13、水質(zhì)腐敗變臭，導(dǎo)致水生生物缺氧，以至死亡 24/46地面水主要污染物石油類：主要來源于石油的開采、煉制、儲運、使用和加工過程。石油類污染對水質(zhì)和水生生物有相當(dāng)大的危害。漂浮在水面上的油類可迅速擴散，形成油膜，阻礙水面與空氣接觸，使水中溶解氧減少。油類含有多環(huán)芳烴致癌物質(zhì)，可經(jīng)水生生物富集后危害人體健康 25/46地面水主要污染物生化需氧量(BOD5)：生化需氧量也是水質(zhì)有機污染綜合指標(biāo)之一， 是指在一定溫度 (20)時，微生物作用下氧化分解所需的氧量。其來源、危害同化學(xué) 需氧量 揮發(fā)酚：水體中的酚類化合物主要來源于含酚廢水。酚類屬有毒污染物，但其毒性較低。酚類化合物對魚類有毒害作用，魚肉中帶有

14、煤油味就是受酚污染的結(jié)果 26/46地面水主要污染物汞：汞（Hg）及其化合物屬于劇毒物質(zhì)，可在體內(nèi)蓄積。水體中汞對人體的危害主要表現(xiàn)為頭痛、頭暈、肢體麻木和疼痛等?？偣械募谆谌梭w內(nèi)極易被肝和腎吸收，其中只有15%被腦吸收，但首先受損是腦組織，并且難以治療，往往促使死亡或遺患終生 氰化物：氰化物具有劇毒。氰化氫對人的致死量平均為50微克；氰化鈉約100微克；氰化鉀約120微克。氰化物經(jīng)口、呼吸道或皮膚進入人體，極易被人體吸收。急性中毒癥狀表現(xiàn)為呼吸困難、痙攣、呼吸衰竭，導(dǎo)致死亡 27/463 生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染治理生物技術(shù)的概念 應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動物、植物體對物

15、料進行加工，以提供產(chǎn)品為社會服務(wù)的技術(shù)1982年，國際合作與發(fā)展組織 以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進的工程技術(shù)手段和其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的1986年，原國家科委 28/46現(xiàn)代生物技術(shù)傳統(tǒng)生物技術(shù)：以釀造為代表，以微生物發(fā)酵為主題，一般可分為上游/中游/下游過程 20世紀(jì)40年代抗生素大規(guī)模發(fā)酵：化學(xué)工程+微生物工程現(xiàn)代生物技術(shù)（生物工程）：以DNA重組為主要手段的基因工程為核心，也包括酶工程/細(xì)胞工程/發(fā)酵工程等；多學(xué)科交叉；廣泛使用計算機及各種高科技儀器設(shè)備；應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn) 1973

16、年第一次基因重組實驗的成功 環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要研究和應(yīng)用領(lǐng)域 29/46環(huán)境生物技術(shù)的概念環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染防治的一門新興邊緣學(xué)科，誕生于1980年代末期 環(huán)境生物技術(shù)涉及生物技術(shù)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，既有較強的基礎(chǔ)理論要求，又具有鮮明的技術(shù)應(yīng)用特點 環(huán)境生物技術(shù)指的是直接或間接利用生物或生物體的某些組成部分或某些機能，建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠認(rèn)識環(huán)境過程、高效凈化環(huán)境污染、同時又生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術(shù) 30/46環(huán)境生物技術(shù)的進展進展 提高了去除傳統(tǒng)污染物，如BOD、懸浮物、氮、磷的能力 去除有毒有害有機化合物組分，如含氯

17、有機溶劑 將一些特殊污染物降低到很低的濃度 毒性的生物測定方法開發(fā) 處理介質(zhì)的拓展，如飲用水、地下水、土壤、空氣等 原因 現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展深化了對微生物特征的認(rèn)識，提高了 改變或強化微生物功能的能量，獲得了高效工程菌 微生物生長環(huán)境和工藝手段的改進 31/46環(huán)境生物技術(shù)的層次劃分環(huán)境生物技術(shù)可分為三個層次 高層次是指以基因工程為主導(dǎo)的現(xiàn)代污染防治生物技術(shù)，如基因工程菌的構(gòu)建、抗污染型轉(zhuǎn)基因植物的培育等 中層次是指傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)，如活性污泥法、生物膜法，以及其在新的理論和背景下產(chǎn)生的強化處理技術(shù)和工藝，如生物流化床、生物強化工藝等 低層次是指利用天然處理系統(tǒng)進行廢物處理的技術(shù)，如氧化塘、

18、人工濕地系統(tǒng)等 三個層次均是污染治理不可缺少的生物技術(shù)手段 新途徑 主力軍 自然性 32/46目前環(huán)境生物技術(shù)面臨的任務(wù)基因工程菌從實驗室進入模擬系統(tǒng)和現(xiàn)場應(yīng)用過程中，其遺傳穩(wěn)定性、功能高效性和生態(tài)安全性等方面的問題 開發(fā)廢物資源化和能源化技術(shù)，利用廢物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白、生物塑料、生物農(nóng)藥、生物肥料以及利用廢物生產(chǎn)生物能源，如甲烷、氫氣、乙醇等 建立無害化生物技術(shù)清潔生產(chǎn)新工藝，如生物制漿、生物絮凝劑、煤的生物脫硫、生物冶金等 開發(fā)對環(huán)境污染物的生理毒性及其對生態(tài)的影響檢測技術(shù) 33/46環(huán)境生物處理技術(shù)的相關(guān)概念生物處理的主體是微生物，生物降解過程以微生物的代謝為核心，化合物的分解過程遵循化學(xué)

19、原理 生物降解是指由生物催化的復(fù)雜化合物的分解過程 生物處理就是在設(shè)計的工程設(shè)施內(nèi)，利用生物降解與轉(zhuǎn)化作用去除水、廢水、固體廢棄物、廢氣等介質(zhì)中的污染物質(zhì) 有機物的轉(zhuǎn)化 礦化：有機物完全無機化的過程；其為微生物生長的基質(zhì)和能源 共代謝：使有機物得到修飾或轉(zhuǎn)化，但不能完全分解；由非專一性酶促反應(yīng)完成；不導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)量和能量的增加，需要有另外的基質(zhì)存在 生物處理過程基本上分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩種過程 34/46好氧生物處理的基本原理有氧條件下，有機物在好氧微生物的作用下氧化分解，有機物濃度下降，微生物量增加 合成代謝：有機物被用于合成新的細(xì)胞物質(zhì) 分解代謝：有機物分解成CO2和H2O，產(chǎn)生

20、能量 有機物的好氧分解 35/46有機物的降解途徑歷程：大分子小分子二氧化碳+水+硝酸鹽+硫酸鹽等 難降解有機物 難降解有機物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或?qū)ξ⑸锘顒佑幸种谱饔?，適生的微生物種類少 不同類型的難降解有機物的降解歷程也不盡相同 許多降解過程與微生物攜帶的質(zhì)粒有關(guān) 有機物好氧生物降解的一般途徑 36/46有機物降解動力學(xué)指數(shù)方程（適用于均勻溶液）： c：污染物濃度 t：反應(yīng)時間 K：降解速率常數(shù) n：反應(yīng)級數(shù)，1 雙曲線方程（適用于非均相）： K1：隨濃度增加的最大反應(yīng)速率 K2：假平衡常數(shù) 37/46微生物的增殖微生物菌群的生長表現(xiàn)為適應(yīng)期、對數(shù)增殖期、衰減期和內(nèi)源呼吸期 對數(shù)期微生物增殖速率和自

21、身濃度成一級反應(yīng)，細(xì)胞數(shù)量按指數(shù)增殖 衰減期微生物生長與殘余有機物濃度成一級反應(yīng) 內(nèi)源呼吸階段微生物代謝自身細(xì)胞，總量減少 靜態(tài)培養(yǎng)微生物生長曲線 38/46溶解氧的提供溶解氧是影響好氧生物處理過程的重要因素，充足的溶解氧有利于好氧生物降解過程的順利進行 溶解氧的需求量與微生物的代謝過程密切相關(guān) 不同的好氧生物處理過程和工藝中，溶解氧的提供方式不同，如在廢水好氧生物處理過程中，溶解氧可以通過鼓風(fēng)曝氣、表面曝氣、自然通風(fēng)等方式提供 39/46好氧過程的控制在有機物的好氧分解過程中，有機物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗這三個過程是同步進行的，也是控制好氧生物處理成功與否的關(guān)鍵過程 即：底物消耗

22、速率、菌體生長速率、溶氧消耗速率及其對應(yīng)的控制策略 40/46厭氧生物處理的基本原理厭氧生物處理是在無氧條件下，利用多種厭氧微生物的代謝活動，將有機物轉(zhuǎn)化為無機物和少量細(xì)胞物質(zhì)的過程 無機物質(zhì)主要是生物氣即沼氣和水 沼氣的主要成分是2/3的甲烷和1/3的二氧化碳 有機物厭氧分解過程 41/46厭氧生物分解有機物的過程水解階段 復(fù)雜有機物在發(fā)酵性細(xì)菌的胞外酶作用下分解為溶解性的小分子有機物過程緩慢，是厭氧降解的限速階段 發(fā)酵階段（酸化） 溶解性小分子進入細(xì)胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸、醇類、二氧化碳、氨、硫化氫等 同時合成細(xì)胞物質(zhì) 產(chǎn)乙酸階段 發(fā)酵酸化階段產(chǎn)生的丙酸、丁酸、乙醇等經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用轉(zhuǎn)化為乙酸、