現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理

現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)現(xiàn)代生物技術(shù)的概述第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日1.1、現(xiàn)代生物技術(shù)概述一、生物技術(shù)

生物技術(shù)（Biotechnology）是指利用生物有機(jī)體或組成部分發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種技術(shù)體系?；蚬こ蹋汉怂岬姆蛛x、提取、體外剪切、拼接重組以及擴(kuò)增與表達(dá)等技術(shù)。細(xì)胞工程：細(xì)胞的離體培養(yǎng)、繁殖、再生、融合，細(xì)胞核、質(zhì)、器的移植改建。酶工程：利用酶的特異催化功能，借助固定化，生物反應(yīng)器等新技術(shù)生產(chǎn)特定產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)酵工程：為微生物提供最適宜的發(fā)酵條件，生產(chǎn)特定產(chǎn)品的技術(shù)生物技術(shù)第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日生物技術(shù)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)：生物在生長、發(fā)育與繁殖過程中進(jìn)行物質(zhì)合成、降解和轉(zhuǎn)化的能力。生物技術(shù)的核心基礎(chǔ)是基因工程和細(xì)胞工程。優(yōu)越性：不可取代快速、精確低耗、高效副產(chǎn)物、副作用小安全性好

第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展

目前發(fā)達(dá)國家中經(jīng)營石油，化工，醫(yī)藥，釀造和種子等產(chǎn)業(yè)的公司無一例外地都競相開展生物技術(shù)的研究和發(fā)展生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

我國生物技術(shù)目前發(fā)展的重點(diǎn)：為進(jìn)一步發(fā)展農(nóng)業(yè)培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和抗逆的動(dòng)植物新品種：為防治嚴(yán)重疾病研制新型疫苗和藥物：為醫(yī)藥、食品化工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開辟新途徑開發(fā)蛋白質(zhì)工程技術(shù)。第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日1.2、現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用前景

環(huán)境生物技術(shù)

就是應(yīng)用于認(rèn)識和解決環(huán)境問題過程的生物技術(shù)體系、包括對環(huán)境污染效應(yīng)的認(rèn)識、環(huán)境質(zhì)量評價(jià)和環(huán)境污染的生物處理技術(shù)等。生物技術(shù)最早應(yīng)用于環(huán)境污染治理的是利用農(nóng)業(yè)廢物漚制堆肥。廢水生物處理主要方法——活性污泥法已經(jīng)過80余年的歷程。第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日現(xiàn)代生物技術(shù)治理環(huán)境污染的缺點(diǎn)：

1反應(yīng)慢；

2占地面積大，反應(yīng)器體積大且重；

3對原水水質(zhì)要求高；4剩余污泥處理麻煩；5有一些難于降解的物質(zhì)等等第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)基因工程與環(huán)境污染生物治理第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日2.1、基因工程分子生物學(xué)基礎(chǔ)遺傳物質(zhì)分子——脫氧核糖核酸DNADNA是由大量的脫氧核糖核苷酸組成的生物大分子?？勺儾糠质瞧鋲A基序列，嘌呤和嘧啶堿基攜帶遺傳信息,糖和磷酸基則起結(jié)構(gòu)作用。（四種堿基：腺嘌呤A、鳥嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C）基因基因是DNA分子上的一個(gè)特定的片段，不同基因的遺傳信息有各自片段的堿基排列順序所決定。基因通過轉(zhuǎn)錄出的信息是核糖核酸指導(dǎo)mRNA合成特定的蛋白質(zhì)，使基因的以表達(dá)，完成特定的生命活動(dòng)。第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日2.2、基因工程的基本過程

一、基因工程的工具酶

要進(jìn)行基因片段的剪切和拼接，首先需要能在特定位置上切割DNA分子的限制性內(nèi)切酶和能將DNA片段連接在一起的DNA連接酶。每種限制酶只能識別特定的核苷酸序列，并在其中特定的切點(diǎn)上切割DNA分子，把兩種來源不同的DNA用同一種限制酶來切，然后讓兩者的末端粘起來，在用DNA連接酶將其連接起來，就可以組成重組DNA分子——粘性末端問題第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、基因工程載體要將一個(gè)外源的基因送入受體細(xì)胞，需要有運(yùn)輸工具，這就是載體。常用載體有：質(zhì)粒，噬菌體，動(dòng)植物病毒。質(zhì)粒是基因工程最常用的載體，首先由于其上有某一限制酶的單一切點(diǎn)，用同種酶切斷的外源DNA片段插入該質(zhì)粒的切口，就組成了重組DNA分子。其次由于質(zhì)粒上有選擇性標(biāo)記，可以根據(jù)受體細(xì)胞是否具有該種標(biāo)記來判斷受體細(xì)胞是否獲得了該重組質(zhì)粒。因此質(zhì)粒在基因工程中得以廣泛應(yīng)用。第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日大腸桿菌質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)示意圖大腸桿菌的質(zhì)粒是最常用的質(zhì)粒。第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日三、目的基因的分離1、從基因組直接分離目的基因常用鳥槍法，用限制酶將某種生物的DNA切成片段并分別加入載體，對受體細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)化，讓外源DNA所有的片段都在宿主細(xì)胞中大量擴(kuò)增，在篩選出有目的基因的轉(zhuǎn)化細(xì)胞。該法有一定的盲目性，工作量大。2、酶促合成法將真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的全部RNA提取出來，在體外經(jīng)反轉(zhuǎn)錄酶的作用，生成與mRNA互補(bǔ)的DNA，即cDNA，再將cDNA酶切后載入載體，建立cDNA文庫，篩選出目的基因。已知核苷酸順序的目的基因，通過聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)直接合成。第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日四、目的基因與載體的重組工藝用同一種限制酶切割含有目的基因的外源DNA和載DNA,產(chǎn)生相同的粘性末端，在DNA連接酶的作用下，形成完整的重組DNA分子。五、將目的基因?qū)胧荏w在體外完成的DNA的重組后，一般將重組的DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞讓目的基因在受體細(xì)胞中表達(dá)?；蚬こ讨谐Ｓ玫氖荏w細(xì)胞是大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌和動(dòng)植物細(xì)胞。第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日六、對目的基因的篩選和檢測將目的基因在載入載體，導(dǎo)入受體細(xì)胞后，必須對目的基因進(jìn)行檢測，確認(rèn)細(xì)胞中以攝入重組的DNA分子。檢測方法一般有遺傳學(xué)方法、原位雜交法和免疫學(xué)方法。七、目的基因在受體細(xì)胞中的表達(dá)目的基因在受體細(xì)胞中的表達(dá)，受到許多因素的表達(dá)。目的基因的閱讀框架必須與載體DNA的啟示密碼相吻合。要有適當(dāng)?shù)膯?dòng)子保證目的基因的正確轉(zhuǎn)錄?；虻牡鞍桩a(chǎn)物有時(shí)還需要經(jīng)過修飾和加工才能成為有活性的功能蛋白。第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日基因工程示意圖第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日2.3基因工程在環(huán)境生物處理中的應(yīng)用應(yīng)用基因工程菌處理污染物的主要優(yōu)勢：集中與創(chuàng)造目的基因，提供綜合性代謝新污染的通路和雜種細(xì)胞。提高代謝通路結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，針對新的污染物，改變表達(dá)的調(diào)節(jié)方式。控制降解途徑的限制性步驟，提高分解代謝酶的合成或其他生化反應(yīng)過程效率防止有毒終污染物的產(chǎn)生，防止非需要產(chǎn)品的出現(xiàn)，用確定的基因?qū)崿F(xiàn)最初的目的。第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日主要工程菌及應(yīng)用：1降解鹵代芳烴的基因工程菌：鹵代芳烴屬于非生理物質(zhì)，廣泛存在于工業(yè)、農(nóng)業(yè)2分解尼龍寡聚物的基因工程菌3分解多糖的基因工程菌：為新能源開辟了途徑4抗金屬基因工程菌：降鎘、汞、鉛等金屬5除草劑降解基因工程菌：2、4-D除草劑一種誘發(fā)惡性淋巴瘤的物質(zhì)。中科院的抗三氮苯類除草劑大豆。6殺蟲劑降解基因工程菌：蘇云金桿菌能分泌毒性蛋白，殺滅鱗翅目昆蟲第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日轉(zhuǎn)基因植物存在的問題：1植物基因工程與昆蟲抗藥性問題：12代昆蟲繁殖對蘇云金桿菌毒蛋白抗性；生物的共同進(jìn)化問題2植物基因工程與生態(tài)穩(wěn)定問題：基因的遷移和轉(zhuǎn)化等等問題。我國基因工程的成就第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)細(xì)胞工程與環(huán)境污染生物處理第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.1細(xì)胞工程概述細(xì)胞工程細(xì)胞工程是利用細(xì)胞學(xué)技術(shù)，有計(jì)劃地改造細(xì)胞遺傳結(jié)構(gòu)，從而培育出人們所需要的生物品種或具有某些新性狀的細(xì)胞群體。細(xì)胞工程的內(nèi)容細(xì)胞培養(yǎng)：即使細(xì)胞在繼續(xù)體外生長和繁殖。細(xì)胞融合：在一定條件下，將兩個(gè)或多個(gè)細(xì)胞融合為一個(gè)細(xì)胞的過程，又稱細(xì)胞雜交。第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日細(xì)胞重組：在體外條件下，運(yùn)用試驗(yàn)技術(shù)從活細(xì)胞中分離出各種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或組件，再根據(jù)需要把它們在不同的細(xì)胞之間重新進(jìn)行裝配，成為具有生物活性的細(xì)胞。遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移：基因在細(xì)胞水平上的轉(zhuǎn)移。第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.2細(xì)胞融合構(gòu)建環(huán)境工程菌一、原生質(zhì)體的制備與融合方法1.概念：原生質(zhì)體（Protoplast）細(xì)胞質(zhì)壁分離后去掉細(xì)胞壁所余下的那部分結(jié)構(gòu)稱為原生質(zhì)體。原生質(zhì)體具有原有細(xì)胞全部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生理性能，但無細(xì)胞壁，細(xì)胞呈球形，對滲透壓敏感，對外界理化因子比較敏感。第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日在外界理化融合因子的誘導(dǎo)下，不同物種間的原生質(zhì)體的質(zhì)膜相互融合雜交，并在適當(dāng)?shù)臈l件下，融合的原生質(zhì)體再生出細(xì)胞壁并恢復(fù)原來完整的細(xì)胞形態(tài)與群落形態(tài)，構(gòu)成具有多種遺傳性狀的新物種。故可利用原生質(zhì)體融合來構(gòu)建新物種。2.原生質(zhì)體融合方法親本的選擇：選擇兩種合適于充足的親本菌株，選定適宜的遺傳標(biāo)記。第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日原生質(zhì)體的制備：選用合適的酶系，在等滲溶液中溶解細(xì)胞壁。原生質(zhì)體的再生：酶解后得到的原生質(zhì)體能夠在等滲的培養(yǎng)基中重建細(xì)胞壁，恢復(fù)細(xì)胞完整形態(tài)，并能生長、分裂的過程稱為再生。原生質(zhì)體的融合與融合子的檢出：化學(xué)誘導(dǎo)法：在得到兩親本原生質(zhì)體后，等量混合兩親本的原生質(zhì)體，加入適量的PEG（聚乙二醇）和鈣離子溶液，保溫后，洗去多余的PEG，在選擇培養(yǎng)基上篩選出融合子。電融合法：借助電場的作用，引發(fā)細(xì)胞融合。第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日細(xì)胞工程示意圖第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、原生質(zhì)體融合來構(gòu)建環(huán)境工程菌融合子概念：細(xì)菌的互生現(xiàn)象1原生質(zhì)體融合構(gòu)建苯環(huán)化合物降解菌2原生質(zhì)體融合構(gòu)建纖維素降解菌3聚已二醇誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合制備細(xì)菌殺蟲劑球型芽孢桿菌（殺滅雙翅目昆蟲）——蘇云金芽孢桿菌（鱗翅目昆蟲）4電融合誘導(dǎo)選育利用木糖和纖維二糖產(chǎn)乙醇的菌株。釀酒酵母（無法形成細(xì)胞壁）+季也蒙假絲酵母（精氨酸缺陷型）只有融合子相伴生長第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)酶學(xué)工程與環(huán)境污染生物治理第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日4.1酶學(xué)工程基本概念與研究現(xiàn)狀酶工程（EnzymaticEngineering）指利用生物有機(jī)體內(nèi)酶所具有的特異催化功能，借助固定化生物反應(yīng)器和生物傳感器等技術(shù)、裝置，高效優(yōu)質(zhì)地生產(chǎn)特定產(chǎn)品的技術(shù)。目前酶工程主要研究酶的生產(chǎn)、純化和固定化技術(shù)以及在環(huán)境污染治理、工業(yè)、醫(yī)藥、衛(wèi)生和理論探索等方面的應(yīng)用。酶知識鏈接：3000種；2500種有應(yīng)用前景；特種酶耐高溫、低溫酸堿等等，如加酶洗衣粉。嗜熱（250°C—350°C）、冷、鹽、壓菌清潔工藝的利用：酶法氧化乙烯或者丙烯，生產(chǎn)環(huán)氧乙烷或者環(huán)氧丙烷（合成纖維、洗滌劑、環(huán)氧脂的原料）

第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日4.2固定化酶一、固定化酶及其特點(diǎn)固定化酶（ImmobilizedEnzyme）又稱水不溶酶，是通過物理吸附法或化學(xué)鍵合法將水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體相結(jié)合，使酶變成不溶于水但仍保持催化活性的衍生物。固定化酶的特點(diǎn)：比較穩(wěn)定，可長時(shí)間保持酶的活性；可回收、再生、重復(fù)使用，適合于連續(xù)化、自動(dòng)化和管道化工藝；第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日可制成酶布、酶片、酶柱等多種形式。二、酶的分離提純動(dòng)植物提取vs微生物提取1選育：根據(jù)需要篩選產(chǎn)酶量高并已于培養(yǎng)和分離提取的優(yōu)良菌株。2發(fā)酵培養(yǎng)：按照微生物生長和生產(chǎn)的最適條件進(jìn)行培養(yǎng)，即發(fā)酵過程。3分離提?。河名}析、等電電沉淀等方法對發(fā)酵液提純。4菌種保存：將酶制品濃縮、結(jié)晶，并在低溫下保存。第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日三、酶固定化方法1載體結(jié)合法包括共價(jià)結(jié)合法、離子結(jié)合法、物理吸附法、生物特異結(jié)合法四種。常用載體有：活性炭、多孔玻珠、高嶺土、氧化鋁等2交聯(lián)法利用戊二醛、等交聯(lián)劑使酶與酶發(fā)生交聯(lián)（多功能基團(tuán)形成共價(jià)鍵）而進(jìn)行固定。第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3包埋法將酶包裹在凝膠格子或由半透明膜組成的膠囊中。A格子型：硅膠、聚丙烯酰胺凝膠網(wǎng)格子中

B微膠囊型：類似細(xì)胞的功能，酶布的生產(chǎn)4逆膠束酶法逆膠束指表面活性劑等兩性分子（親水性、疏水性）在有機(jī)溶劑中自發(fā)形成的聚集體。逆膠束酶法指將酶以逆膠束的形式固定。意義：酶既能在水中反應(yīng)，又能在有機(jī)溶液中反應(yīng)5復(fù)合法：將以上方法綜合使用第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日四、可逆可溶性固定化酶酶在可溶狀態(tài)下反應(yīng)，反應(yīng)后經(jīng)簡單操作可沉淀，回收利用。通過改變pH、溫度等理化參數(shù)，或由金屬離子的添加、去除等方法可獲得可溶、不溶兩種狀態(tài)的天然及合成高分子物質(zhì)，將酶共價(jià)鍵合于這些物質(zhì)中即可產(chǎn)生可逆可溶性固定化酶。與酶共價(jià)反應(yīng)物質(zhì)：丙烯醛——丙烯酸共聚物、海藻酸等等第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日五固定化酶反應(yīng)器批量反應(yīng)器裝備簡單、不能進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)。連續(xù)反應(yīng)器能進(jìn)行連續(xù)進(jìn)、出廢水，效率高。第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日4.3固定化細(xì)胞一、固定化細(xì)胞的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1固定化細(xì)胞比游離細(xì)胞穩(wěn)定性高，催化效率高于離體酶；2比固定化酶操作簡便，成本低廉；3能完成多步酶反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)無需補(bǔ)加輔助因子；缺點(diǎn)：固定化細(xì)胞內(nèi)含有龐大而復(fù)雜的酶系，其中有些酶是不需要的，甚至對反應(yīng)是有害的，這是其不足之處。第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、細(xì)胞的固定化方法自溶酶滅菌法：使細(xì)胞自溶酶失活，細(xì)胞及可重復(fù)使用。往往使細(xì)胞中其它酶系和自溶酶一起失活而不能廣泛應(yīng)用。絮凝吸附法：加入絮凝劑，被絮凝后的細(xì)胞再經(jīng)冷凍或干燥處理后，可提高酶活性的穩(wěn)定性和改善細(xì)胞壁的機(jī)械性能，是固定化細(xì)胞可以反復(fù)使用。常見絮凝劑：聚丙烯酰胺、活性硅膠等等第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日固定化技術(shù)處理廢水的優(yōu)點(diǎn)：1處理效能高，成本低，穩(wěn)定性高2可通過再培養(yǎng)恢復(fù)酶的相對活力，可重復(fù)利用3污染物處理特異性強(qiáng)固定化技術(shù)處理廢水目前存在的問題1載體成本較高；2固定化材料對傳質(zhì)過程有阻礙，使酶活性大多低于游離細(xì)胞。三、固定化技術(shù)處理廢水第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日工程實(shí)例1用海藻酸鈣包埋固定熱帶假絲酵母菌處理含酚廢水2運(yùn)用多孔陶珠固定具脫色功能的混合菌細(xì)胞處理印染廢水3固定化藻細(xì)胞：除去氮磷

(1)掛膜：人工水草，為菌藻混合體（2）固定：藍(lán)藻類為主（3） COD(化學(xué)需氧量)的去除：第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日（4）停留時(shí)間與氨氮去除的關(guān)系：（5）透明度、掛膜深度、補(bǔ)償深度（6）微單元第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.4廢水jing化生物強(qiáng)化技術(shù)一、廢水凈化生物強(qiáng)化技術(shù)概述生物強(qiáng)化技術(shù)（Bioaugmentation）或生物增強(qiáng)技術(shù)就是為了提高處理系統(tǒng)的處理能力，而向該系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的優(yōu)勢種群并通過基因組合技術(shù)產(chǎn)生的高效菌種，以去除某一種或某一類有害物質(zhì)，促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)生物處理效率的方法。普遍存在理論：以改變環(huán)境為主投菌法理論：投放優(yōu)勢菌種第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日1生物添加劑的生產(chǎn)方法：

a熱風(fēng)干燥生產(chǎn)法：以麥麩為培養(yǎng)基，加熱誘導(dǎo)形成孢子

b冷凍干燥技術(shù)法：添加抑制劑，不形成孢子2使用方法：溫水活化，投放

第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、生物活液（LivingLiquorMicroorganism）生物活液：含有經(jīng)過篩選的天然菌種或人工培植的變異菌種的生物制劑。有菌粉、菌液兩種生物活液的組成：1芽孢桿菌：兼性菌，分泌胞外酶，分解不溶性脂肪2假單胞菌：分解有機(jī)物，脫氮3亞硝化單胞菌：參與硝化過程，氨氣轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽4硝化桿菌：亞硝酸鹽---硝酸鹽5纖維單胞菌：分解植物纖維6氣桿菌：厭氧，碳水化合物---糖7紅色假單胞菌：厭氧光照下，產(chǎn)生紅色素（以美國GES公司的LLMO為例）使用方法：將生物活液投在進(jìn)廠的截流干管或進(jìn)水井內(nèi)。投加量根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)并經(jīng)過試驗(yàn)來確定。第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日三、使用生物添加劑工程實(shí)例對生活污水的生物處理對印染廢水的生物處理：一般采用化學(xué)混凝、活性炭吸附、臭氧或氯化；一般好氧處理時(shí)，色度不理想；高效菌及活性污泥接種，效果好。第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日1何為細(xì)胞工程？何為酶工程？二者有何區(qū)別？2原生質(zhì)體融合有何方法？目前已經(jīng)構(gòu)建了哪些有實(shí)踐意義的工程菌？3酶固定有哪些方法？細(xì)胞固定有哪些方法？4生物活液主要有哪些細(xì)菌組成的？第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第五節(jié)發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日5.1發(fā)酵的基本概念一、發(fā)酵（Fermentation）發(fā)酵指微生物分解有機(jī)物，產(chǎn)生乳酸或乙醇和二氧化碳的過程。在發(fā)酵條件下，有機(jī)物只是部分被氧化，故發(fā)酵的結(jié)果只是積累某些有機(jī)物，產(chǎn)生多種多樣的發(fā)酵產(chǎn)品。第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日可發(fā)酵的底物有糖類、有機(jī)酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖（即乙醇發(fā)酵）最為重要。在微生物工業(yè)中，發(fā)酵術(shù)語指的是任何大規(guī)模過程，不管微生物代謝有或沒有外源最終電子受體的情況下發(fā)生的氧化作用，可在有氧或無氧的條件下進(jìn)行。微生物的工業(yè)發(fā)酵就是利用各種微生物不同的發(fā)酵特性，發(fā)酵生產(chǎn)眾多有價(jià)值的發(fā)酵產(chǎn)品。第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、發(fā)酵過程的原理及四個(gè)階段

原理：單一菌種；純培養(yǎng)第一階段：發(fā)酵原料的預(yù)處理發(fā)酵原料可以是薯類、谷類、有機(jī)廢棄物等，預(yù)處理包括粗選、除雜、粉碎、蒸煮、水解等過程。第二階段：發(fā)酵過程的準(zhǔn)備發(fā)酵前必須進(jìn)行微生物菌種種子的制備和發(fā)酵原料的無菌消毒。第三階段：發(fā)酵過程厭氧發(fā)酵（如乙醇發(fā)酵和乳酸發(fā)酵等）啤酒好氧發(fā)酵（如氨基酸發(fā)酵和抗生素發(fā)酵等）兩種方法。第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第四階段：產(chǎn)品的分離與純化指從發(fā)酵液中制取符合質(zhì)量指標(biāo)的制品，可采用過濾、離心除雜、吸附、沉淀、蒸餾等方法對發(fā)酵液中的產(chǎn)品做進(jìn)一步的提煉。第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日5.2發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵：富含木質(zhì)素、糖類，漂白用的二氧化硫需氧通氣預(yù)處理酵母循環(huán)系統(tǒng)：酵母菌—活性污泥系統(tǒng)，效能高；細(xì)菌活性污泥系統(tǒng)廢纖維素的資源化有機(jī)固體廢物的快速堆肥：傳統(tǒng)露天堆肥及缺陷第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日第六節(jié)生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日6.1生態(tài)工程簡介一、生態(tài)工程的定義及其應(yīng)用生態(tài)工程（EcologicalEngineering）指由人工設(shè)計(jì)的、以生物種群為主要結(jié)構(gòu)組分、具有一定功能的、宏觀的、人為參與調(diào)控的工程系統(tǒng)。它可以是人工設(shè)計(jì)的一個(gè)群落、生態(tài)系統(tǒng)或更宏觀的地域性生態(tài)空間。生態(tài)工程構(gòu)建和運(yùn)行的主要理論依據(jù)是生態(tài)學(xué)原理，為了滿足人們的某種需要，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)還必須遵循社會規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律。第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日環(huán)境生態(tài)工程的主要目的是為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，也有可能在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，通過良好的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程，獲得經(jīng)濟(jì)效益。生態(tài)工程設(shè)計(jì)已進(jìn)入定量、建模階段。二、生態(tài)工程的類型物質(zhì)能量多層利用生態(tài)工程物質(zhì)轉(zhuǎn)化與再生生態(tài)工程無污染生態(tài)工程污染自凈多功能生態(tài)工程工農(nóng)業(yè)聯(lián)合生態(tài)工程第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日6.2氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）又稱穩(wěn)定塘，是利用藻類和細(xì)菌兩類生物間功能上的協(xié)同作用處理污水的一種生態(tài)系統(tǒng)。一、凈化原理氧化塘的凈化原理氧化塘的凈化原理是利用了細(xì)菌與藻類的互生關(guān)系。藻類進(jìn)行光合作用釋放氧氣；細(xì)菌利用藻類產(chǎn)生的氧氣分解流入塘內(nèi)的有機(jī)物；第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日分解產(chǎn)物中的CO2、N、P等無機(jī)物以及一部分小分子有機(jī)物成為藻類的營養(yǎng)源；增殖的細(xì)菌和藻類細(xì)胞為微型動(dòng)物所捕食。氧化塘內(nèi)的反應(yīng)過程藻類和光合細(xì)菌的光合放氧過程；好氧反應(yīng)：氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等；厭氧反應(yīng)：硝酸鹽還原反應(yīng)、硫酸鹽還原反應(yīng)、發(fā)酵反應(yīng)等；第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日氧化塘內(nèi)的生物學(xué)過程藻類細(xì)菌衰亡細(xì)胞CO2、NH3H2O、PO43－O2流入污水能沉淀的固體處理出水O2

風(fēng)陽光（厭氧性）（兼性）有機(jī)物微生物有機(jī)酸、醇等微生物CH4＋CO2＋NH3等第63頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日二、氧化塘內(nèi)的生物組成藻類：位于氧化塘的表層，常見的有：小球藻屬、衣藻屬、眼蟲藻屬等；細(xì)菌：大量存在于氧化塘下層，在好氣狀態(tài)下，無色桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌等優(yōu)勢生長；在氧化塘底部的厭氧層還有硫酸還原菌和甲烷細(xì)菌。微型動(dòng)物：存在多種原生動(dòng)物、輪蟲、以及甲殼類等。第64頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日三、氧化塘的分類與功能兼性塘（FacultativePond）塘深1.0～2.5m，上層DO充足，好氧微生物占優(yōu)勢；中層DO不足，兼性微生物占優(yōu)勢；下層厭氧微生物占優(yōu)勢?？蓱?yīng)用于處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水和生