環(huán)境工程微生物學(xué)第七章現(xiàn)代生物技術(shù)

環(huán)境工程微生物學(xué)第七章現(xiàn)代生物技術(shù)第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1現(xiàn)代生物技術(shù)概況什么是生物技術(shù)（Biotechnology）？指利用生物有機體或組成部分發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種技術(shù)體系。生物技術(shù)的內(nèi)容基因工程：主要涉及遺傳物質(zhì)核酸分離、提取、體外剪切、重組以及擴增與表達(dá)等技術(shù)。細(xì)胞工程：細(xì)胞的離體培養(yǎng)、繁殖、再生、融合以及細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)乃至染色體與細(xì)胞器的移植改建等技術(shù)。酶學(xué)工程：利用酶，借助固定化技術(shù)、生物反應(yīng)器和生物傳感器等新技術(shù)、新裝置，高效優(yōu)質(zhì)地生產(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)品的一種技術(shù)。第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月生物技術(shù)的依據(jù)和出發(fā)點生物有機體所具有的各種機能，即生物在生長、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。生物技術(shù)的特點與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有一系列優(yōu)越性：不可取代，精確、快速，低耗、高效，副產(chǎn)物、副作用小，安全性好。環(huán)境生物技術(shù)（EnvironmentalBiotechnology）環(huán)境生物技術(shù)指應(yīng)用于認(rèn)識和解決環(huán)境問題過程中的生物技術(shù)體系，包括對環(huán)境污染效應(yīng)的認(rèn)識、環(huán)境質(zhì)量評價和環(huán)境污染的生物處理技術(shù)。生物技術(shù)在環(huán)境污染生物處理中的應(yīng)用基礎(chǔ)是運用生物生命過程中的反應(yīng)將污染物轉(zhuǎn)化為無毒、無害、穩(wěn)定的物質(zhì)。第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2基因工程與環(huán)境污染治理

7.2.1基因工程的分子生物學(xué)基礎(chǔ)DNA生物的遺傳物質(zhì)分子，是由大量的脫氧核糖核苷酸組成的線狀或環(huán)狀大分子。DNA中有四種堿基：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。DNA的可變部分是其堿基順序?；駾NA分子上的一個特定片段，不同基因的遺傳信息由各自片段的堿基順序所決定?；虻臏?zhǔn)確復(fù)制保證了遺傳信息的代代相傳。第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2基因工程的基本過程工具酶工具酶是用來對基因片段進(jìn)行剪切和拼接的，包括限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶?；蚬こ痰妮d體載體是將外源基因送入受體細(xì)胞的工具。常用的載體有質(zhì)粒、噬菌體以及動植物病毒。目的基因的分離可通過以下兩條途徑獲得特定的目的基因：一是從生物的基因組直接分離，二是人工合成。目的基因與載體的重組將目的基因?qū)胧荏w常用的受體細(xì)胞是大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌和動植物細(xì)胞。對目的基因的篩選和檢測目的基因在受體細(xì)胞中的表達(dá)第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月基因工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用降解鹵代芳烴的基因工程菌分解尼龍寡聚物的基因工程菌分解多糖的基因工程菌抗金屬基因工程菌除草劑降解基因工程菌殺蟲劑降解基因工程菌第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3細(xì)胞工程與環(huán)境污染生物治理細(xì)胞工程細(xì)胞工程是利用細(xì)胞學(xué)技術(shù)，有計劃地改造細(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，將兩個或多個細(xì)胞融合為一個細(xì)胞的過程，又稱細(xì)胞雜交。細(xì)胞重組：在體外條件下，運用試驗技術(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7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞融合構(gòu)建環(huán)境工程菌概念：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。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。第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月原生質(zhì)體融合的方法親本的選擇原生質(zhì)體的制備原生質(zhì)體的再生原生質(zhì)體的融合和融合子的檢出第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月原生質(zhì)體融合來構(gòu)建環(huán)境工程菌原生質(zhì)體融合構(gòu)建苯環(huán)化合物降解菌原生質(zhì)體融合構(gòu)建纖維素降解菌聚已二醇誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合制備細(xì)菌殺蟲劑第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月酶學(xué)工程與環(huán)境污染生物治理酶工程指利用生物有機體內(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)生等方面的應(yīng)用。固定化酶又稱水不溶酶，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：比較穩(wěn)定，可長時間保持酶的活性；可回收、再生、重復(fù)使用，適合于連續(xù)化、自動化和管道化工藝；可制成酶布、酶片、酶柱等多種形式。第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月酶的分離提純利用微生物生產(chǎn)酶制品可分為菌種選育、發(fā)酵培養(yǎng)、分離提取和菌種保存四個步驟。第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月酶的固定化方法載體結(jié)合法包括共價結(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、氧化鋁等交聯(lián)法利用戊二醛等交聯(lián)劑使酶與酶發(fā)生交聯(lián)而進(jìn)行固定。包埋法將酶包裹在凝膠格子或由半透明膜組成的膠囊中。逆膠束酶法逆膠束指表面活性劑等兩性分子在有機溶劑中自發(fā)形成的聚集體。逆膠束酶法指將酶以逆膠束的形式固定。復(fù)合法

第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月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)，將酶共價鍵合于這些物質(zhì)中即可產(chǎn)生可逆可溶性固定化酶。固定化酶反應(yīng)器批量反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月固定化細(xì)胞（ImmobilizedCell）固定化細(xì)胞的特點固定化細(xì)胞比游離細(xì)胞穩(wěn)定性高，催化效率高于離體酶；比固定化酶操作簡便，成本低廉；能完成多步酶反應(yīng)，反應(yīng)時無需補加輔助因子；但固定化細(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。細(xì)胞的固定化方法自溶酶滅活法絮凝吸附法第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月固定化技術(shù)處理廢水固定化技術(shù)處理廢水的優(yōu)點處理效能高，成本低，穩(wěn)定性高；可通過再培養(yǎng)恢復(fù)酶的相對活力。固定化技術(shù)處理廢水目前存在的問題載體成本較高；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。工程實例用海藻酸鈣包埋固定熱帶假絲酵母菌處理含酚廢水運用多孔陶珠固定具脫色功能的混合菌細(xì)胞處理印染廢水固定化藻細(xì)胞第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

7.5.1發(fā)酵和發(fā)酵工程發(fā)酵（Fermentation）的基本概念發(fā)酵指微生物細(xì)胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵條件下，有機物只是部分被氧化，故發(fā)酵的結(jié)果只是積累某些有機物，產(chǎn)生多種多樣的發(fā)酵產(chǎn)品?？砂l(fā)酵的底物有糖類、有機酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖（即乙醇發(fā)酵）最為重要。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)眾多有價值的發(fā)酵產(chǎn)品。第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過程的四個階段第一階段：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)酵過程包括厭氧發(fā)酵（如乙醇發(fā)酵和乳酸發(fā)酵等）和好氧發(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18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月發(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)酵酵母循環(huán)系統(tǒng)廢纖維素的資源化有機固體廢物的快速堆肥第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.6生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)

7.6.1生態(tài)工程生態(tài)工程（EcologicalEngineering）的概念生態(tài)工程指由人工設(shè)計的、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)計的一個群落、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)建和運行的主要理論依據(jù)是生態(tài)學(xué)原理，同時在設(shè)計時還必須遵循社會規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律。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，通過良好的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程，獲得經(jīng)濟(jì)效益。第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月生態(tài)工程類型物質(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21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月7.6.2氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）的概念又稱穩(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)。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。微型動物：存在多種原生動物、輪蟲、以及甲殼類等。第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化塘的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)的有機物；分解產(chǎn)物中的CO2、N、P等無機物以及一部分小分子有機物成為藻類的營養(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23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化塘內(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）有機物微生物有機酸、醇等微生物CH4＋CO2＋NH3等第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月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)廢水和生活污水。厭氧塘塘深2m以上，厭氧微生物占主導(dǎo)，可接納預(yù)處理各種高濃度有機工業(yè)廢水。它后面通常還置有兼性塘和好氧塘。曝氣塘塘深2～5m。機械曝氣充氧。精制塘第25頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化塘的特點及實例氧化塘的特點構(gòu)筑物簡單，能源消耗少，運轉(zhuǎn)管理方便。應(yīng)用實例：武漢鴨兒湖氧化塘主要處理含有機磷的多種農(nóng)藥廢水；采用5個塘串聯(lián)的形式：見下圖經(jīng)多年運轉(zhuǎn)表明，魚種塘出水的主要水質(zhì)指標(biāo)均可接近或達(dá)到地面水標(biāo)準(zhǔn)。厭氧塘兼性塘好氧塘魚種塘兼性塘