環(huán)境生物技術課件

生物農(nóng)藥第一節(jié)生物農(nóng)藥概況一、生物農(nóng)藥的發(fā)展在農(nóng)藥的發(fā)展歷史中，生物農(nóng)藥是最古老的一類。

《周李·秋官》就有“莽草熏之”“焚牡菊，以灰灑之”等防治害蟲的記述；

19世紀以來，應用生物成分防治有害物從經(jīng)驗上升到科學的試驗階段，如除蟲菊、魚藤和煙草等的應用；20世紀早期，蘇蕓金桿菌（B.thuringiensis)的發(fā)現(xiàn)促進了微生物農(nóng)藥的發(fā)展；

20世紀30年代以來，幾類植物內(nèi)源激素先後被發(fā)現(xiàn)和利用，20世紀40年代後，由於有機合成農(nóng)藥的發(fā)展，使生物農(nóng)藥的研究和開發(fā)被忽視而發(fā)展緩慢；

20世紀60年代，化學農(nóng)藥的弊端暴露出來，生物農(nóng)藥的研究又受到重視；最近的幾十年，生物農(nóng)藥得到了長足發(fā)展，中國近三年生物農(nóng)藥增長了80％，2000年銷售額所占比例由9％上升至20％。二、生物農(nóng)藥的內(nèi)涵

過去，生物農(nóng)藥就是指“微生物農(nóng)藥”。後來，其概念發(fā)展為“相對於化學農(nóng)藥而言的天然資源的生理活性物質(zhì)，用於農(nóng)藥的有微生物、植物（除蟲菊、煙鹼等）、昆蟲（性引誘劑、變態(tài)激素等）。迄今為止比較公認的定義是，生物農(nóng)藥是可以用來防治病、蟲、害等有害生物的生物體本身及源於生物，並可作為“農(nóng)藥”的各種生理活性物質(zhì)。

生物農(nóng)藥一般可分為直接利用生物體和利用來源於生物體的生理活性物質(zhì)兩大類。三、生物農(nóng)藥的優(yōu)缺點

由於化學農(nóng)藥大都是抗生物降解的毒害性化合物，能通過食物鏈在生物體內(nèi)積累，已造成嚴重污染，故作物保護從化學防治向生物防治轉化是發(fā)展的趨勢。目前全世界已註冊的生物農(nóng)藥約有60多種，年銷售額為2.5～3億美元。1.生物農(nóng)藥的優(yōu)點（1）對有害物選擇性高，對生態(tài)系統(tǒng)影響較?。唬?）對非靶標昆蟲、益蟲和人很少或沒有影響；（3）昆蟲不易產(chǎn)生抗性；（4）在環(huán)境中無殘留。2.生物農(nóng)藥的局限性（1）已獲批準使用的種類較少，僅有20多種；（2）殺蟲速度緩慢；（3）一些製劑在環(huán)境中不穩(wěn)定；（4）生產(chǎn)成本較高。四、生物農(nóng)藥研究展望

隨著人們對化學農(nóng)藥弊端和環(huán)保重要性的進一步認識，生物農(nóng)藥將是21世紀農(nóng)藥研究重點，以下幾個方面將會受到重視。作用機制獨特的生物農(nóng)藥品種將是研究開發(fā)的熱點之一。如生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、行為調(diào)控化學物質(zhì)等。生物與化學方法相結合，開發(fā)生物化學農(nóng)藥。生物技術向生物農(nóng)藥研究滲透。如轉B.t.抗蟲棉等的成功。第二節(jié)微生物農(nóng)藥■細菌殺蟲劑■病毒殺蟲劑■真菌殺蟲劑■放線菌殺蟲劑■線蟲殺蟲劑■拮抗微生物■微生物除草劑一、細菌殺蟲劑細菌殺蟲劑是目前研究和利用的較多的一類微生物農(nóng)藥。根據(jù)細菌對昆蟲的致病性，將其分為4類：（1）含晶孢子形成桿菌，如蘇蕓金芽孢桿菌（簡稱B.t.);（2）專性病原菌，如日本甲蟲芽孢桿菌（B.popilliae);（3）兼性病原菌，如銅綠假單胞菌和球形芽孢桿菌等；（4）潛在病原菌，如粘質(zhì)沙雷氏菌。細菌殺蟲劑中最典型的、研究歷史有90年之久的例子是芽孢桿菌屬（Bacillus）。其中以蘇蕓金芽孢桿菌、日本甲蟲芽孢桿菌、球形芽孢桿菌、緩病芽孢桿菌（B.lentimorbus）等研究得最多。蘇蕓金芽孢桿菌（B.thuringiensisBerliner)是以德國的蘇蕓金（Thruingen)地方名命名的。1909年德國蘇蕓金的一個麵粉廠，發(fā)現(xiàn)一批染病的地中海粉螟幼蟲，由柏林納首先分離出這種細菌，1915年命名為蘇蕓金芽孢桿菌。蘇蕓金芽孢桿菌（其製劑簡稱B.t.製劑）是目前商業(yè)開發(fā)最為成功的微生物殺蟲劑。主要用於防治棉、菜、果等150多種鱗翅目及其他多種害蟲，藥效比化學農(nóng)藥高55％。據(jù)統(tǒng)計，1997年世界B.t.的銷售額已達9.84億美元。（一）作用機制1.蘇蕓金芽孢桿菌的形態(tài)和生活史蘇蕓金桿菌是營養(yǎng)體較粗壯、直形、能產(chǎn)生芽孢的桿狀細菌。一般具周生鞭毛，微動或不動，單個存在或2-4個相連呈短鏈。革蘭氏染色陽性。營養(yǎng)體一般在30℃經(jīng)24－48h，在菌體偏端處產(chǎn)生卵圓形芽孢，隨著芽孢的產(chǎn)生，在孢子囊的另一端產(chǎn)生一個菱形或正方形的伴孢晶體。芽孢是休眠體，在適宜條件下，吸水萌發(fā)形成新的營養(yǎng)體，並重複上述發(fā)育階段。所以蘇蕓金桿菌的生活過程是：芽孢營養(yǎng)體孢子囊（內(nèi)含芽孢和伴孢晶體）釋放出芽孢和晶體2.蘇蕓金桿菌所產(chǎn)生的殺蟲毒素（1）伴孢晶體毒素（δ－內(nèi)毒素）所有蘇蕓金桿菌的菌株在正常條件下，都能形成伴孢晶體，伴孢晶體是一種大分子蛋白質(zhì)，是一種原毒素。伴孢晶體所以對某些昆蟲有害，就在於這些昆蟲的消化道內(nèi)pH值是鹼性反應（pH8.9以上），並且它的消化液中含有胰蛋白酶類和糜蛋白酶類，十分適合晶體水解，且水解後產(chǎn)生具有毒性末端的多肽。

而伴孢晶體對脊椎動物是無毒的，除了脊椎動物腸道pH值呈酸性反應外，還由於脊椎動物消化液中含的主要是胃蛋白酶類。蘇蕓金桿菌對鱗翅目昆蟲所引起的癥狀一般表現(xiàn)為行動遲緩、嘔吐、腹瀉、停止進食，導致最後死亡。（2）熱穩(wěn)定性外毒素（β－外毒素）熱穩(wěn)定性外毒素於1959年發(fā)現(xiàn)，由於它對家蠅有毒，也叫蠅毒素。它是細胞分泌的一種水溶性耐熱穩(wěn)定性毒素，120℃，15min的熱處理，仍保持活性。這種毒素在菌體生長過程中，在芽孢和晶體形成前即已產(chǎn)生，24h達到最大量。不是所有的蘇蕓金桿菌的各菌株都能產(chǎn)生熱穩(wěn)定性毒素，只有幾種血清型中的一些變種可產(chǎn)生。另外，β－外毒素的產(chǎn)生與培養(yǎng)方法、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)基成分和環(huán)境的pH值等因素有關。

熱穩(wěn)定性毒素不是蛋白質(zhì)類物質(zhì)，而是腺嘌呤核苷酸的衍生物。它的殺蟲譜系比伴孢晶體廣，遍及鱗翅目、雙翅目、膜翅目、鞘翅目和直翅目等多種昆蟲。昆蟲感病後表現(xiàn)為抑制發(fā)育、蛻皮後死亡，阻止化蛹及畸形變態(tài)等。熱穩(wěn)定性毒素對高等動物無大的毒害作用。（3）其他毒素

α－外毒素也叫卵磷脂酶C，這種毒素不是蘇蕓金桿菌所特有的，是許多溫血動物和人體的病原菌，如產(chǎn)氣莢膜梭菌也能產(chǎn)生。蘇蕓金桿菌產(chǎn)生的這種毒素能殺死19種葉蜂幼蟲，對老鼠也有毒。

β－外毒素這種毒素是一種或多種未鑒定的酶類，能使卵黃瓊脂變清。由於未證明其毒性，是否為真正的毒素尚待研究。不穩(wěn)定性外毒素這種毒素對空氣、日光、氧氣都很敏感，加熱60℃以上，10～15min即被破壞?；瘜W成分已知有17種氨基酸和一個或多個低分子量（200-2000）的肽類，目前還不知整個混合物有毒還是僅一種特殊的肽類有毒。（二）對害蟲的釋放方式

蘇蕓金桿菌雖然有很高的環(huán)境安全性，但是，在典型的田間條件下（如紫外線降解和雨淋），蘇蕓金芽孢桿菌在植物葉片上的停留時間只有幾小時甚至更短。1980s美國孟山都公司將蘇蕓金芽孢桿菌的內(nèi)毒素蛋白基因克隆到寄生在植物上的假單胞菌中，其中能夠表達蘇蕓金芽孢桿菌內(nèi)毒素蛋白的假單胞菌為死菌，這樣可保護蘇蕓金芽孢桿菌蛋白免遭環(huán)境降解。為提高殘留活性，還有的在生產(chǎn)B.t.製劑時加入抗紫外保護劑及其他添加劑。（三）用遺傳工程手段改進B.t.製劑B.t.製劑由於其本身存在的一些局限性，不能被人們廣泛接受，近年來人們採用遺傳工程技術來改造B.t.製劑。遺傳工程應用在B.t.製劑上的主要研究目的是擴展其用途及生物活性譜。例如，已經(jīng)商品化的產(chǎn)品就是將分別編碼對膜翅目活性和編碼對鱗翅目活性的兩個質(zhì)粒接合在一個菌種上，因而其對膜翅目和鱗翅目昆蟲均有活性。（四）生產(chǎn)方法

採用傳統(tǒng)的分批深層發(fā)酵技術。培養(yǎng)基成分為：大豆粗粉15g/L,葡萄糖5g/L，澱粉5g/L。分批發(fā)酵的最終產(chǎn)物含有細胞、孢子、胞外酶和蛋白質(zhì)、其他低分子量物質(zhì)和殺蟲結晶蛋白質(zhì)。經(jīng)高速連續(xù)流離心分離、丙酮沉澱後，生成的粘稠糊狀物再與各種輔助劑（潤濕劑、粘著劑、穩(wěn)定劑）混合，最後製成粉劑或液體包裝出售。（五）應用狀況B.t.製劑可有效地防治150多種鱗翅目幼蟲（其中有些是重要的經(jīng)濟害蟲），因此21世紀70年代以來，B.t.製劑已成為防治大田作物、果蔬、觀賞植物和倉庫害蟲的主要生物殺蟲劑。蘇蕓金芽孢桿菌是一些作物綜合害物治理的重要手段。蘇蕓金芽孢桿菌可同資訊素、昆蟲天敵（寄生赤眼蜂）配合使用防治夜蛾，防治費用雖然與傳統(tǒng)化學農(nóng)藥大致相同，但對環(huán)境的危害明顯減少。（六）其他B.t.製劑能否引起害蟲產(chǎn)生抗藥性，一直是研究者十分關注的問題。曾經(jīng)報導的小菜蛾抗性是在蘇蕓金芽孢桿菌作為單一農(nóng)藥使用、害蟲在數(shù)年的極端選擇壓力下產(chǎn)生的。儘管生物殺蟲劑可以用作部分化學殺蟲劑的代用品，但只有將它與合成的化學殺蟲劑結合起來作為害物綜合防治措施的一部分，才能發(fā)揮生物殺蟲劑的最大效力。二、病毒殺蟲劑

用於生物防治的病毒主要是桿狀病毒（Baculoviruses),由於它從未在脊椎動物或植物中發(fā)現(xiàn)，因此被認為是對人類、非目標生物和環(huán)境十分安全的微生物。目前已分離到的昆蟲病毒有1200多種，已有60餘種昆蟲病毒被引入大田試驗，我國也有20多種進入田間試驗，應用最多的有核型多角體病毒（NPV）和顆粒體病毒（GV)。

核型多角體病毒專一性較強，發(fā)展很快。目前已開發(fā)出10多種產(chǎn)品，包括棉鈴蟲、菜青蟲、斜紋夜蛾等，已有十幾家產(chǎn)品獲得登記，有代表性的開發(fā)單位是中科院武漢病毒所、武大綠洲生物技術公司，產(chǎn)量超過千噸。（一）作用機制

鱗翅目和膜翅目幼蟲取食葉片而吞人NPV和GV後，包涵體就溶解於昆蟲的鹼性（pH9.0～10.5）腸液中，釋放出病毒顆粒。病毒顆粒侵染敏感昆蟲的腸細胞，然後擴散到其他組織。受侵染幼蟲死亡後，向環(huán)境釋放出大量的包涵體，進而侵染更多的幼蟲或進入土中累積起來。（二）病毒殺蟲劑的特性（三）病毒殺蟲劑的商品化生產(chǎn)方法1.活體生產(chǎn)法在活的寄主昆蟲體內(nèi)生產(chǎn)病毒是目前主要的生產(chǎn)方法取得染病寄主有兩種方法：第一種方法是鑒定目標群體大量存在的地理環(huán)境，並在這一群體內(nèi)引人特種病毒接種體，再收集侵染的個體。第二種活體生產(chǎn)方法是採用寄主昆蟲的實驗室群體和控制引進的病毒。

2.離體生產(chǎn)法

由於用活體寄主昆蟲生產(chǎn)病毒殺蟲劑存在許多不可捉摸的因素，因此，研究人員對在組織培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生病毒和病毒製品的可行性也進行了廣泛的研究。在細胞培養(yǎng)基上病毒生長有許多優(yōu)於活體培養(yǎng)的優(yōu)點：①可大量生產(chǎn)；②過程可實現(xiàn)自動化；③能採用細胞培養(yǎng)技術；④能夠嚴格監(jiān)測和控制營養(yǎng)及環(huán)境條件的變化。不過，儘管離體生產(chǎn)具有這些優(yōu)點，但病毒的離休生產(chǎn)技術至今還未得到廣泛使用，主要原因是在成本上尚無法與已經(jīng)廣泛使用的活性生產(chǎn)技術競爭。

三、真菌殺蟲劑

真菌殺蟲劑是產(chǎn)量僅次於細菌殺蟲劑的另一類生物殺蟲劑。目前已發(fā)現(xiàn)殺蟲真菌約100多屬800多種，其中以白僵菌、綠僵菌、擬青黴、蟲黴等應用較多。球孢白僵菌具有很好開發(fā)前景，並在多個國家商品化。塊狀耳黴菌在我國已商品化。（一）特點

與B.t.製劑和病毒相比，真菌殺蟲劑有兩個優(yōu)點:：（1)許多分離物有較寬的寄主範圍，可以使多種昆蟲染病；（2）真菌通過侵染角質(zhì)層（表皮）來感染寄主，除了毛蟲、甲蟲和其他咀嚼口器昆蟲以外，還能感染蚜蟲和葉蟬。（二）培養(yǎng)

大多數(shù)真菌可在人工培養(yǎng)基上生長，但其主要缺點是用量較大、生產(chǎn)成本較高。真菌在液體培養(yǎng)基中生長時，會產(chǎn)生芽生孢子，但由於其壁較薄，比分生孢子存活率低。此外，分生孢子貯存期比B.t.和病毒製劑短，芽生孢子就更差。最近，開發(fā)了菌絲斷片作殺蟲製劑，但這一製劑能否進人商業(yè)性開發(fā)還有疑問。

四、放線菌殺蟲劑

是防治蟎類的重要生物殺蟲劑五、線蟲殺蟲劑六、拮抗微生物是指在土壤中同時存在兩種以上生物種群時，利用其相互作用（協(xié)調(diào)、敵對、拮抗）以達到生物防治的目的。第三節(jié)農(nóng)用抗生素

抗生素是由微生物產(chǎn)生的、對生命有拮抗作用的化學品，對微生物病原體十分有效。它在植物病理學方面、尤其在防治植物病害方面的應用是人們興趣日增的議題。以往一直認為由微生物產(chǎn)生的抗生素具有高效、低毒、安全、易分解和環(huán)境污染小等特點，是一種理想農(nóng)藥，故對生物源農(nóng)藥的安全性要求並不高。然而，隨著生活水準的提高，人們發(fā)現(xiàn)，抗生素雖然不會損害作物，但卻有可能產(chǎn)生殘留，並且存在潛在的毒性，這是和微生物農(nóng)藥所不同的地方。1.殺真菌劑，如金色制黴素、殺稻瘟菌素、放線菌酮等2.殺細菌劑，例種子傳播的煙草細菌性腫瘤可用氯黴素和四環(huán)素處理。3.殺病毒劑，最常用的抗生素為氯黴素、放線菌酮和放線菌素D.其機理是利用抗生素來抑制寄主細胞中病毒核酸的複製或蛋白質(zhì)的合成。4.殺蟲劑，殺蟲劑的作用機制主要有：抑制乙醯膽鹼酯酶；抑制γ一氨基丁酸的神經(jīng)傳遞系統(tǒng)；作為離子載體，干擾細胞膜內(nèi)外的離子平衡，以阻止幾了質(zhì)的合成等。

用於植物保護的抗生素分為以下幾類：第四節(jié)源於植物的生理活性物質(zhì)

據(jù)統(tǒng)計，全世界至少有26萬種不同植物，而在化學性質(zhì)上進行過調(diào)查研究的僅占10％，作為農(nóng)藥研究的更少。植物源農(nóng)藥包括植物體內(nèi)的次生代謝物質(zhì)和轉基因植物農(nóng)藥。1977年，就曾有報導，植物中次生代謝物質(zhì)超過40萬種，主要有糖苷類、萘酮類、酚類、萜烯類、生物鹼類、黃酮類、蛋白質(zhì)類、噻吩類等化合物。一、殺蟲劑

植物天然產(chǎn)物中以殺蟲特性著稱的當數(shù)除蟲菊。由於除蟲菊具有高效的殺蟲活性和對哺乳動物的低毒性，故而是一種理想的害蟲防治劑。但是，除蟲菊不穩(wěn)定，在農(nóng)田作物中防治昆蟲不太經(jīng)濟，殺蟲性更佳、光穩(wěn)定性更強的合成擬除蟲菊酯已取而代之。魚藤酮（Rotenone）是眾所周知的植物殺蟲劑，至今仍受園林工作者的歡迎。另一非常熟悉的商用殺蟲劑是煙鹼（Nicotine）。

二、殺菌劑

與植物源殺蟲劑相比，植物源殺菌劑研究較少。

三、除草劑主要是利用植物的異生相克物質(zhì)、植物產(chǎn)生的某些次生代謝物質(zhì)，釋放到環(huán)境中能影響附近同種或異種植物的生長，包括刺激或抑制作用。已在30多個科的植物中發(fā)現(xiàn)了上百種具有除草活性的物質(zhì)，主要有肉桂酸衍生物、香豆素類、鞣酸、脂肪酸和生物鹼等。除草效應最好的實例是從萬壽菊中提取的α－三噻吩，但未見實用化。第五節(jié)動物源農(nóng)藥

動物源農(nóng)藥主要用於害蟲的防治，包括動物毒素、昆蟲激素、昆蟲資訊素和天敵動物等，研究最為活躍的是昆蟲資訊素、動物毒素和昆蟲神經(jīng)肽。昆蟲資訊素又稱昆蟲外激素，大多是長鏈不飽和烴的醇、酯、醛、酮和環(huán)氧化合物，具有引誘、刺激、抑制、控制攝食或產(chǎn)卵、交配、集合、報警、防禦等功能。最早從鱗翅目昆蟲發(fā)現(xiàn)。美國已有幾十種昆蟲資訊素用於農(nóng)業(yè)害蟲防治，我國也在棉鈴蟲等害蟲上應用。

動物毒素是動物產(chǎn)生的對有害生物具有毒殺作用的活性物質(zhì)，研究多集中與蜘蛛毒素和黃蜂毒素，為人們開發(fā)新型殺蟲劑提供新的思路。已鑒定化學結構的動物毒素不少，例如阿根廷蟻產(chǎn)生的防衛(wèi)毒素、大胡蜂產(chǎn)生的曼達拉毒素等。昆蟲激素是昆蟲內(nèi)分泌腺體產(chǎn)生的具有調(diào)節(jié)昆蟲生長發(fā)育功能的微量活性物質(zhì)。主要有腦激素、蛻皮激素和保幼激素三類。保幼激素在國內(nèi)進行了大量應用研究，保幼激素類似物methoprene早在1975年作為化學農(nóng)藥在美國登記。

昆蟲神經(jīng)肽是一個比較活躍的領域，自1975年鑒定第一種神經(jīng)肽結構，到1990年已鑒定昆蟲神經(jīng)肽8類，共40多種；目前主要是基礎性研究，離實用化還有相當?shù)木嚯x。天敵動物是對有害生物具有寄生性或捕食性的昆蟲，通過商品化繁殖、施放起防治作用。國際上已商品化生產(chǎn)的天敵昆蟲有130多種，主要種類為赤眼蜂、瓢蟲、螳螂、捕食蟎等，但在我國還未實行農(nóng)藥登記。廢水好氧生物處理工程內(nèi)容：第一節(jié)廢水處理技術概述第二節(jié)活性污泥法第三節(jié)生物膜法第一節(jié)生物處理技術概述

一、生物處理的基本原理生物處理的主體是微生物。有機物的轉化廣義上可以定義為兩種：礦化和共代謝礦化是將有機物完全無機化的過程，是與微生物生長包括分解代謝與合成代謝過程相關的過程。共代謝通常是由非專一性酶促反應完成的，不導致細胞質(zhì)量或能量的增加,使有機物得到修飾和轉化，但不能使其分子完全分解。1.好氧生物處理的基本原理在好氧條件下，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。微生物將有機物攝入體內(nèi)後，以其作為營養(yǎng)源加以代謝，代謝按兩條途徑進行：合成代謝和分解代謝圖6-1有機物好氧分解圖示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鍵過程。（1）有機物的降解圖6-2有機物好氧生物降解的一般途徑（2）微生物的增殖圖6-3靜態(tài)培養(yǎng)微生物生長曲線（3）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。充足的溶解氧供應有利於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。在不同的好氧生物處理過程和工藝中，溶解氧的提供方式也不同。2.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，將有機物轉化為無機物和少量細胞物質(zhì)的過程。（1）厭氧生物分解有機物的過程圖6-4有機物厭氧分解過程■

水解階段複雜有機物首先在發(fā)酵性細菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解為溶解性的小分子有機物。該過程通常比較緩慢，是複雜有機物厭氧降解的限速階段?！霭l(fā)酵（酸化）階段溶解性小分子有機物進入發(fā)酵菌（酸化菌）細胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸（VFA),同時合成細胞物質(zhì)?！?/p>

產(chǎn)乙酸階段發(fā)酵酸化階段的產(chǎn)物丙酸、丁酸、乙醇等，在此階段經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳。■產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷菌通過以下兩個途徑之一，將乙酸、氫氣和二氧化碳等轉化為甲烷。其一是在二氧化碳存在時，利用氫氣生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。（2）水解處理水解處理是指將厭氧過程控制在水解或酸化階段，利用兼性的水解產(chǎn)酸菌將複雜有機物轉化為簡單有機物。能降低污染物的複雜程度，提高後續(xù)好氧生物處理的效率。（3）缺氧處理在沒有分子氧存在的條件下，一些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質(zhì)進行代謝活動。二、微生物催化降解的必要條件1.存在含有某種降解酶的微生物。2.微生物必須在目標化合物出現(xiàn)的環(huán)境中出現(xiàn)。3.化合物必須是具有適宜酶的微生物可獲得的。4.如果產(chǎn)生降解的啟動酶是胞外酶，酶作用的化學鍵必須暴露以利於催化作用發(fā)生，這種條件並不是總能滿足，因為許多化合物會發(fā)生吸附。5.催化起始降解的酶如果是胞內(nèi)酶，化合物分子則必須進入細胞內(nèi)部的酶作用位點，或者胞外反應產(chǎn)物進入細胞內(nèi)部進行進一步降解。6.由於能作用於多種合成化合物的細菌或真菌種群或生物量起始濃度較低，環(huán)境條件必須適合具有活性潛力的微生物增殖。三、影響生物降解的因素1.微生物活性2.目標化合物特徵3.環(huán)境因素（1）營養(yǎng)（2）溫度（3）pH（4）氧第二節(jié)廢水處理技術概述廢水包括生活污水和工業(yè)廢水工業(yè)廢水是生產(chǎn)污水和生產(chǎn)廢水的總稱一、廢水水質(zhì)指標水質(zhì)指標是水污染控制工程的基礎，其

主要作用是：

1）表示水的污染程度

2）表示處理廠的處理效果

3）作為設計處理工程的指標

4）作為污水排入水體的標準制定、檢驗等。

1.生物化學需氧量（BOD）

生化需氧量表示在有氧的情況下，由於微生物的活動，可降解有機物穩(wěn)定化所需的氧量。BOD越大，表示水體中的有機物越多，污染越嚴重。2.化學需氧量（COD）

化學需氧量是指在一定條件下水中有機物與強氧化劑（如K2CrO4,KMnO4)作用所消耗的氧量。水中的COD不僅代表水中有機物的含量，同時也包括水中還原性無機物被氧化的耗氧量。根據(jù)BOD/COD的比值可以初步評介廢水的可生化性。一般來說：

BOD/COD>=0.4可生化性較好，適合於用生化處理方法。

BOD/COD=0.3～0.4可生化性一般，可以用生化處理方法。

BOD/COD=0.2～0.3可生化性較差，需馴化後用生化處理方法。

BOD/COD<0.2可生化性很差，不適合於用生化處理方法。3、

懸浮固體（SuspendedSolid,SS）

懸浮固體SS；揮發(fā)性懸浮固體VSS；總固體TS；PH；顏色；溫度；氨氮；溶解固體；氯化物。有毒物指標：重金屬；硫化物；氰化物；

其他有機物；三致物質(zhì)及高穩(wěn)定有機合成化合物。（細菌總數(shù)；大腸菌指數(shù)。--微生物指標）

4、

無機性水質(zhì)指標

二、廢水處理的方法按照作用原理和去除對象可分為：物理法化學法生物法1.廢水的物理處理法利用物理作用分離廢水中呈懸浮狀態(tài)的污染物質(zhì)。使用的處理設備有：格柵、篩網(wǎng)、沉砂池、沉澱池、濾池、氣浮裝置、離心機等。2.廢水的化學處理法利用化學反應作用來分離、轉化、破壞或回收廢水中的污染物，使其轉化為無害物質(zhì)。通常通過向廢水中投加某些化學物質(zhì)，從而達到淨化廢水的目的。1）中和處理法酸或堿2）混凝處理法3)化學沉澱法4）氧化還原法5）吸附法6）離子交換法7）膜分離法3.廢水生物處理法採取一定的措施，使微生物大量生長和繁殖，從而提高微生物氧化、分解有機污染物的一種技術?；钚晕勰喾ㄊ钱斍皯米顝V泛的一種生物處理技術。生物膜法生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等自然生物處理法穩(wěn)定塘和土地處理法厭氧生物處理法利用兼性厭氧菌和專門厭氧菌在無氧條件下降解有機污染物的處理技術。廢水的脫磷除氮第二節(jié)活性污泥法

一、活性污泥與活性污泥法有機廢水經(jīng)過一段時間的曝氣後，水中會產(chǎn)生一種以好氧菌為主體的茶褐色絮凝體，其中含有大量的活性微生物，這種污泥絮體就是活性污泥。

活性污泥法就是以含於廢水中的有機污染物為培養(yǎng)基，在有溶解氧的條件下，連續(xù)地培養(yǎng)活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用淨化廢水中有機污染物。普通活性污泥法處理系統(tǒng)如圖7-3?；钚晕勰嗵幚硐到y(tǒng)有效運行的基本條件：（1）廢水中有足夠的可溶性易降解有機物；（2）曝氣池中有足夠的氧氣；（3）活性污泥在池中呈懸浮狀態(tài)，可與廢水充分接觸；（4）活性污泥連續(xù)回流，及時排出剩餘污泥；（5）沒有對微生物有毒害作用的物質(zhì)進入。二、活性污泥法中的微生物

及其變化規(guī)律（一）微生物種類細菌：是生物相中的主要成分,形成菌膠團原生動物：鞭毛蟲、肉足蟲、纖毛蟲真菌：主要是黴菌，一般呈絲狀後生動物：輪蟲類、線蟲類等。（二）活性污泥的增長曲線

（三）吸附基質(zhì)，代謝，自身繁殖以及消耗水中溶解氧的關係

三、活性污泥的性能指標

活性污泥的性能決定著淨化結果的好壞。（一）混合液懸浮固體

（MLSS）（二）污泥沉降比（SV）

（三）污泥體積指數(shù)（SVI）

（四）污泥密度指數(shù)（SDI）

四、影響活性污泥性能的

環(huán)境因素

（一）溶解氧（DO)不低於2mg/L（二）水溫15～25℃（三）營養(yǎng)料碳源、氮源以及微量的鉀，鎂，鐵，維生素等

（四）有毒物質(zhì)重金屬離子鋅，銅，鎳，鉛，鉻等

非金屬化合物酚，醛，氰化物，硫化物等（五）pH6.5～8.5

五、運行中常見的問題（一）污泥膨脹

廣義地把活性污泥的凝聚性和沉降性惡化，以及處理水渾濁的現(xiàn)象總稱為活性污泥的膨脹。1.絲狀體膨脹2.非絲狀體膨脹（二）污泥上?。?）污泥的緻密和減少

有機物減少，曝氣時間過長，回流比小而剩餘污泥排放量大，污泥上浮而流失等。（4）泡沫問題合成洗滌劑或其他起泡物質(zhì)。六、活性污泥法的發(fā)展1.深水曝氣活性污泥法2.純氧曝氣活性污泥法以純氧代替空氣3.活性炭載體活性污泥法4.活性污泥法除氮除磷5.凝聚劑活性污泥法第三節(jié)生物膜法一、生物膜法的基本原理微生物附著在固體濾料的表面上，在固體介質(zhì)表面形成生物膜，廢水同生物膜相接觸而得到處理，所需氧氣一般來自大氣。所以又稱為生物過濾法。（一）生物膜法分類生物濾池是生物膜法中最重要的處理設備，根據(jù)生物膜與廢水的接觸方法及介質(zhì)的種類，分為：1.潤壁型生物膜法如生物濾池生物轉盤2.浸沒型生物膜法接觸氧化法3.流動床型生物膜法（二）生物膜的形成及特點在生物膜淨化構築物中，填充著相當多的掛膜介質(zhì)。當有機廢水均勻地淋灑在介質(zhì)表層上後，便沿介質(zhì)表面向下滲流。在充分供氧的條件下，接種的或原存在廢水中微生物就在介質(zhì)表面增殖。這些微生物吸附水中的有機物，迅速進行降解有機物的生命活動，逐漸在介質(zhì)表面形成了粘液狀的生長有極多微生物的膜，稱為生物膜。生物膜是生物處理的基礎，必須保持足夠的數(shù)量才能達到淨化目的。一般，生物膜厚度介於2～3mm較為理想，膜太厚，會影響通風，造成堵塞。二、生物濾池（一）生物濾池的基本原理1.生物膜構造2.生物濾池的基本流程生物膜構造剖面示意圖生物濾池的基本流程

（二）生物濾池的基本特徵1.微生物群上層細菌中下層原生動物和微型後生動物2.生物鏈長，污泥量少，當負荷低時，出水水質(zhì)高度硝化，依靠自然通風供氧，運行費用低。三、生物濾池的構造1.池體2.濾料質(zhì)輕、比表面積大和孔隙率高3.布水裝置4.排水系統(tǒng)滲水頂板、集水溝、排水渠高負荷生物濾池構造示意圖旋轉布水器示意圖

常用滲水裝置示意圖

（二）影響生物濾池功能的

主要因素1.濾床的比表面積和孔隙率2.濾床的高度3.負荷有機負荷水力負荷4.回流5.供氧環(huán)境生物監(jiān)測與安全性評價第一節(jié)環(huán)境監(jiān)測第二節(jié)生物感測器第三節(jié)DNA生物感測器及其在環(huán)境監(jiān)測中的應用第四節(jié)現(xiàn)代生物技術的安全性問題第一節(jié)環(huán)境監(jiān)測一、概念環(huán)境監(jiān)測的過程一般為：現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測計畫設計優(yōu)化布點樣品採集運送保存分析測試數(shù)據(jù)處理綜合評價二、環(huán)境監(jiān)測的目的和分類（一）環(huán)境監(jiān)測的目的環(huán)境監(jiān)測的目的是準確、及時、全面地反映環(huán)境品質(zhì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃等提供科學依據(jù)。（二）環(huán)境監(jiān)測的分類1.按監(jiān)測目的分類（1）監(jiān)視性監(jiān)測（又稱為例行監(jiān)測或常規(guī)監(jiān)測）對指定的有關專案進行定期的、長時間的監(jiān)測，以確定環(huán)境品質(zhì)及污染源狀況、評價控制措施的效果，衡量環(huán)境標準實施情況和環(huán)境保護工作的進展。包括對污染源的監(jiān)督監(jiān)測和環(huán)境品質(zhì)監(jiān)測。（2）特定目的監(jiān)測（又稱為特例監(jiān)測和應急監(jiān)測）根據(jù)特定的目的可分為以下四種：

A污染事故監(jiān)測

B仲裁監(jiān)測

C考核驗證監(jiān)測

D諮詢服務監(jiān)測（3）研究性監(jiān)測（又稱科研監(jiān)測）研究性監(jiān)測是針對特定目的科學研究而進行的高層次的監(jiān)測。例如環(huán)境本底底監(jiān)測及研究；有毒有害物質(zhì)對從業(yè)人員底影響研究；為監(jiān)測工作本身服務的科研工作的監(jiān)測，如統(tǒng)一方法、標準分析方法的研究、標準物質(zhì)的研製等。這類研究往往要求多學科合作進行。2.按監(jiān)測介質(zhì)對象分類

可分為水質(zhì)監(jiān)測、空氣監(jiān)測、土壤監(jiān)測、固體廢物監(jiān)測、生物監(jiān)測、雜訊和振動監(jiān)測、電磁輻射監(jiān)測、放射性監(jiān)測、熱監(jiān)測、光監(jiān)測、衛(wèi)生（病源體、病毒、寄生蟲等）監(jiān)測等。三、環(huán)境監(jiān)測特點（一）環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展污染監(jiān)測階段或被動監(jiān)測階段環(huán)境監(jiān)測階段或主動監(jiān)測階段污染防治監(jiān)測階段或自動監(jiān)測階段（二）環(huán)境監(jiān)測的特點1.環(huán)境監(jiān)測的綜合性環(huán)境監(jiān)測的綜合主要表現(xiàn)在監(jiān)測手段、監(jiān)測對象的多樣性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的複雜性。2.環(huán)境監(jiān)測的連續(xù)性3.環(huán)境監(jiān)測的追蹤性四、監(jiān)測技術概述

監(jiān)測技術包括採樣技術、測試技術和數(shù)據(jù)處理技術，這裏以污染物的測試技術為重點作以概述。（一）化學、物理技術重量法常用作殘渣、降塵、硫酸鹽、油類等的測定；容量分析被廣泛用於水中酸度、鹼度、化學需氧量、溶解氧、硫化物、氰化物的測定；

儀器分析方法被廣泛用於對環(huán)境中污染物進行定性和定量的測定。（二）生物技術這是利用生物在污染環(huán)境中所產(chǎn)生的各種反映資訊來判斷環(huán)境品質(zhì)的方法，是一種最直接也是一種綜合的方法。

生物監(jiān)測包括生物體內(nèi)污染物含量的測定；觀察生物在環(huán)境中受傷害癥狀；生物的生理生化反應；生物群落結構和種類變化等手段來判斷環(huán)境品質(zhì)。第二節(jié)生物感測器一、概述傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法通常採用離線分析方法，其缺點是：分析速度慢，操作複雜，且需要昂貴儀器，不適宜進行現(xiàn)場快速監(jiān)測和連續(xù)線上分析。建立和發(fā)展連續(xù)、線上、快速的現(xiàn)場監(jiān)測體系尤其重要。生物感測器實際上是一類特殊的化學感測器。國際純粹和應用化學聯(lián)合會對化學感測器的定義為：一種小型化的、能專一和可逆地對某種化合物或某種離子具有應答反應，並能產(chǎn)生一個與此化合物或此離子濃度成比例地分析信號地感測器。

生物感測器是一種將生物感應元件的專一性與一個能夠產(chǎn)生與待測物濃度成比例的信號傳導器結合起來的一種分析裝置。最先問世的生物感測器是酶電極。20世紀70年代後，人們開始研究微生物電極、細胞器電極、動植物組織電極以及免疫電極等新型生物感測器，使生物感測器的類型大大增多。二、生物感測器的基本組成和工作原理生物感測器由敏感元件，即生物元件和信號傳導器組成。生物元件：生物體、組織、細胞、細胞器、細胞膜、酶、抗體、核酸、有機物分子。傳導器：電勢測量式、電流測量式、電導率測量式、阻抗測量式、光強測量式、熱量測定式、聲強測量式、機械式。生物感測器的基本原理如下圖所示：

生物感測器的工作原理主要決定於敏感元件（分子識別單元）和待測物質(zhì)之間的相互作用，有以下幾種類型：（1）將化學信號轉化為電信號已研究的大部分生物感測器的工作原理均屬於這種類型。（2）將熱變化轉化為電信號（3）將光效應轉化為電信號（4）直接產(chǎn)生電信號方式三、生物感測器的分類一般可從以下三個角度進行分類：1.根據(jù)感測器輸出信號的產(chǎn)生方式（1）生物親和型生物感測器

S+RSR

底物受體（2）代謝型或催化型生物感測器

S+RSRP

底物受體

生成物

2.根據(jù)生物感測器中分子識別元件上的敏感物質(zhì)可分為：酶感測器、微生物感測器、組織感測器、細胞感測器、免疫感測器等。3.根據(jù)生物感測器的信號轉化器可分為：電化學生物感測器、半導體生物感測器、測熱型生物感測器、測光型生物感測器、測聲型生物感測器等

圖9-2生物感測器的分類四、生物感測器的特點1.測定時一般不需要樣品預處理，也不需加入其他試劑。2.由於它的體積小，可以實現(xiàn)連續(xù)線上監(jiān)測。3.回應快，樣品用量少，且由於敏感材料是固定化的，可以反復多次使用。4.感測器連同測定儀的成本遠低於大型的分析儀器，因而便於推廣普及。五、在環(huán)境監(jiān)測中的應用1.BOD生物感測器可在10～15min檢測出BOD的含量，可對水質(zhì)狀況實行線上監(jiān)測。目前已有用絲孢酵母、梭菌、芽孢桿菌及混合微生物種群製成的BOD感測器，還有用生物發(fā)光菌和嗜熱菌的。

關於BOD微生物感測器電極的一個尚未解決的問題就是微生物細胞在測定廢水中有毒物質(zhì)時會出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象。此外，由於一種微生物不可能對各種廢水中所有的有機物都產(chǎn)生回應，因此，目前研製的BOD微生物感測器都只適用於部分類型的廢水。另外，用常溫微生物組成的BOD微生物電極的使用壽命不長。2.酚類微生物感測器

用酶電極安培感測器檢測酚類化合物時，電極表面的酶分子被氧和過氧化氫氧化，接著被酚類化合物重新還原，酚類主要轉化為苯醌或酚自由基，這些產(chǎn)物通常具有電化學活性，能在相對於飽和甘汞電極（SCE)0V以下的電位還原，還原電流與溶液中酚類化合物的濃度成正比。3.陰離子表面活性劑感測器

包括能降解烷基苯磺酸（LAS)的細菌和一個氧電極。當陰離子表面活性劑存在時，細菌的呼吸作用增加，導致溶解氧變化。4.水體富營養(yǎng)化監(jiān)測感測器引起水體富營養(yǎng)化的藍細菌細胞體內(nèi)有藻青素，它顯示的螢光光譜不同於其他的微生物，從而用對螢光敏感的生物感測器就能監(jiān)測藍細菌的濃度。5.生物感測器檢測硝酸鹽、亞硝酸鹽及氨氮6.檢測有毒有害物質(zhì)的生物感測器7.抗體感測器8.空氣和廢氣監(jiān)測感測器（1）CO2感測器（2）亞硫酸鹽感測器（3）甲烷感測器第三節(jié)DNA生物感測器及其在環(huán)境監(jiān)測中的應用

分子生物學與生物技術的進展為研究以核酸探針為敏感元件的DNA生物感測器提供了可能。與酶和抗體不同，核酸識別層十分穩(wěn)定，並且易於合成或再生以供重複使用。DNA感測器除可用於受感染微生物的核酸序列分析、微量污染物的監(jiān)測外，還可用於研究污染物與DNA之間的相互作用，為解釋污染物毒性作用機理提供了可能。一、核酸雜交生物感測器的原理圖9-3電化學DNA生物感測器雜交檢測原理示意圖圖9-4PNA與DNA的堿基配對二、污染物的檢測圖9-5DNA碳電極生物感測器測定受污染地下水中的2-氨基蒽污染治理生物技術第一節(jié)生物處理技術概述第二節(jié)固體廢棄物生物處理及處置技術第三節(jié)大氣污染的生物治理技術第四節(jié)重金屬的生物處理技術第五節(jié)有害有機污染物的現(xiàn)代生物處理技術第六節(jié)生物修復技術第一節(jié)生物處理技術概述

一、生物處理的基本原理生物處理的主體是微生物。有機物的轉化廣義上可以定義為兩種：礦化和共代謝礦化是將有機物完全無機化的過程，是與微生物生長包括分解代謝與合成代謝過程相關的過程。共代謝通常是由非專一性酶促反應完成的，不導致細胞質(zhì)量或能量的增加,使有機物得到修飾和轉化，但不能使其分子完全分解。1.好氧生物處理的基本原理在好氧條件下，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。微生物將有機物攝入體內(nèi)後，以其作為營養(yǎng)源加以代謝，代謝按兩條途徑進行：合成代謝和分解代謝圖6-1有機物好氧分解圖示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鍵過程。（1）有機物的降解圖6-2有機物好氧生物降解的一般途徑（2）微生物的增殖圖6-3靜態(tài)培養(yǎng)微生物生長曲線（3）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。充足的溶解氧供應有利於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。在不同的好氧生物處理過程和工藝中，溶解氧的提供方式也不同。2.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，將有機物轉化為無機物和少量細胞物質(zhì)的過程。（1）厭氧生物分解有機物的過程圖6-4有機物厭氧分解過程■

水解階段複雜有機物首先在發(fā)酵性細菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解為溶解性的小分子有機物。該過程通常比較緩慢，是複雜有機物厭氧降解的限速階段?！霭l(fā)酵（酸化）階段溶解性小分子有機物進入發(fā)酵菌（酸化菌）細胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸（VFA),同時合成細胞物質(zhì)?！?/p>

產(chǎn)乙酸階段發(fā)酵酸化階段的產(chǎn)物丙酸、丁酸、乙醇等，在此階段經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳。■產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷菌通過以下兩個途徑之一，將乙酸、氫氣和二氧化碳等轉化為甲烷。其一是在二氧化碳存在時，利用氫氣生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。（2）水解處理水解處理是指將厭氧過程控制在水解或酸化階段，利用兼性的水解產(chǎn)酸菌將複雜有機物轉化為簡單有機物。能降低污染物的複雜程度，提高後續(xù)好氧生物處理的效率。（3）缺氧處理在沒有分子氧存在的條件下，一些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質(zhì)進行代謝活動。二、微生物催化降解的必要條件1.存在含有某種降解酶的微生物。2.微生物必須在目標化合物出現(xiàn)的環(huán)境中出現(xiàn)。3.化合物必須是具有適宜酶的微生物可獲得的。4.如果產(chǎn)生降解的啟動酶是胞外酶，酶作用的化學鍵必須暴露以利於催化作用發(fā)生，這種條件並不是總能滿足，因為許多化合物會發(fā)生吸附。5.催化起始降解的酶如果是胞內(nèi)酶，化合物分子則必須進入細胞內(nèi)部的酶作用位點，或者胞外反應產(chǎn)物進入細胞內(nèi)部進行進一步降解。6.由於能作用於多種合成化合物的細菌或真菌種群或生物量起始濃度較低，環(huán)境條件必須適合具有活性潛力的微生物增殖。三、影響生物降解的因素1.微生物活性2.目標化合物特徵3.環(huán)境因素（1）營養(yǎng)（2）溫度（3）pH（4）氧第二節(jié)固體廢棄物生物處理

及處置技術一、概述1.概念固體廢棄物是指在社會生產(chǎn)、流通、消費等一系列過程中產(chǎn)生的一般不再具有進一步使用價值而被丟棄的以固態(tài)和泥狀存在的物質(zhì)。2.危害性⑴侵佔土地⑵污染土壤⑶影響環(huán)境衛(wèi)生⑷有害廢物具有毒性、易燃性、腐蝕性、反應性和放射性3.分類按性質(zhì)有機廢物無機廢物按形狀固體的泥狀的按來源礦業(yè)固體廢棄物工業(yè)固體廢棄物城市垃圾農(nóng)業(yè)廢棄物放射性固體廢棄物

4.固體廢棄物處理技術的發(fā)展歷史二、堆肥堆肥（composting)是在控制條件下，使來源於生物的有機廢物發(fā)生生物穩(wěn)定作用的過程。廢物經(jīng)穩(wěn)定化作用形成的堆肥，是一種腐殖質(zhì)含量很高的疏鬆物質(zhì)，故也稱“腐殖土”。廢物經(jīng)過堆肥化，體積一般可減少30％～50%適用於堆肥化處理的廢物主要有：城市垃圾、糞便、城市及某些工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的污泥、農(nóng)林廢物等。好氧堆肥堆肥系統(tǒng)溫度一般為50～65℃，最高可達80~90℃厭氧堆肥空氣與發(fā)酵原料隔絕，堆制溫度低，但堆制週期長（3～6個月),且異味強烈，分解不夠充分。好氧堆肥法原理：以好氧菌為主對廢物進行氧化、吸收與分解。參與微生物：嗜溫菌嗜熱菌廢物降解過程的四個階段：中溫階段高溫階段降溫階段腐熟階段堆肥化的方法：間歇堆積法堆積前對原料進行預處理，每周翻動1～2次，約需30～90天。

連續(xù)堆積法先在發(fā)酵器完成動態(tài)發(fā)酵。然後將物料運往發(fā)酵室進行靜態(tài)發(fā)酵。機械連續(xù)堆制法具有發(fā)酵快，堆肥品質(zhì)高，能防氣味，殺死全部細菌、堆肥粒度整齊等優(yōu)點。三、填埋技術填埋法是將固體廢棄物鋪成一定厚度的薄層，加以壓實，並覆蓋土壤。1.填埋生物反應器生態(tài)系統(tǒng)特徵及原因填埋系統(tǒng)的極度不均勻的特徵表現(xiàn)在系統(tǒng)水準及垂直單元均具有空間及時間上的不均勻性上。

不均勻特徵形成的原因：⑴固體廢棄物組分及性質(zhì)有差異，運輸方式不同，填埋地點或單元環(huán)境條件不同。⑵一些參數(shù)，如溫度、產(chǎn)生氣體、液體氧化還原電位、pH、酶活性等，此外還有其他一些控制因素，如水溶解度、脂-水分配系數(shù)等。⑶穿越好氧-厭氧介面、固-液介面、氣-液介面、固-氣介面的雙向擴散。圖6-5填埋場生態(tài)系統(tǒng)2.代謝機理圖6-6固體廢棄物中聚合物的代謝⑴好氧代謝⑵厭氧代謝第三節(jié)大氣污染的生物治理技術隨著有機合成工業(yè)和石油工業(yè)的迅速發(fā)展，進入大氣的有機化合物越來越多，這類物質(zhì)往往帶有惡臭，不僅對感觀有刺激作用，而且不少有機化合物具有一定毒性，產(chǎn)生“三致”效應，從而多人體和環(huán)境產(chǎn)生很大的危害。一、生物法淨化有機廢氣的原理有機廢氣生物淨化是利用微生物以廢氣中的有機組分作為其生命活動的能源或其他養(yǎng)分，經(jīng)代謝降解，轉化為簡單的無機物（CO2、水等）及細胞組成物質(zhì)。與廢水生物處理過程的最大區(qū)別在於：廢氣中的有機物質(zhì)首先要經(jīng)歷由氣相轉移到液相（或固體表面液膜）中的傳質(zhì)過程，然後在液相（或固體表面生物層）被微生物吸附降解。圖6-7微生物淨化有機廢氣模式圖二、生物處理的工藝研究及應用根據(jù)微生物在有機廢氣處理過程中存在的形式，將處理方法分為：生物吸附法（懸浮態(tài)）生物過濾法（固著態(tài)）1.生物吸附法即將微生物及其營養(yǎng)物配料存在於液體中，氣體中的有機物通過與懸浮物接觸後轉移到液體中而被微生物降解。生物吸附法裝置由一個吸收室和一個再生池構成。圖6-8生物吸收法示意圖2.生物過濾池生物過濾法則是微生物附著生長於固體介質(zhì)(填料）上，廢氣通過由介質(zhì)構成的固定床層（填料層）時被吸附或吸收，最終被微生物降解。

圖6-9生物濾池處理廢氣流程示意圖生物表面活性劑

第一節(jié)生物表面活性劑概述第二節(jié)生物表面活性劑的生產(chǎn)第三節(jié)生物表面活性劑的合成代謝調(diào)節(jié)第四節(jié)生物表面活性劑的應用與前景第一節(jié)生物表面活性劑概述

一、前言表面活性劑是當今生物技術中常用的和重要的化合物。它可以減少液體、固體和氣體介面間的表面或介面張力，使其在水或其他液體中容易混合或擴散因而廣泛應用於現(xiàn)代工業(yè)的幾乎每一個領域?，F(xiàn)今世界表面活性劑的年產(chǎn)量已超過300萬噸，產(chǎn)值高達約40億美元。目前大多數(shù)市售的表面活性劑主要來自石油的化學產(chǎn)品。生物表面活性劑：具有特別高表面活性的生物分子稱為生物表面活性劑。它可以來源於微生物、植物以及動物，其中微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑是一類具有特別高的表面活性的生物分子，具有較好的兩親性和介面優(yōu)先分配的能力，而且比較適合於工業(yè)化生產(chǎn)。生物表面活性劑與合成表面活性劑相比具有以下優(yōu)勢：●具有特別高的表面活性和乳化活性；●生物可降解性；●沒有毒性或者毒性低於化學表面活性劑；●可在極端的溫度和酸堿條件下使用。二、生物表面活性劑的基本特性

生物表面活性劑由親水和疏水部分組成，親水部分由單糖、二糖或多糖、羧酸、氨基酸或肽組成，而疏水部分往往是飽和、不飽和或羥基取代的脂肪酸。對於一些高分子量的表面活性劑分子，如蛋白質(zhì)－多糖絡合物，其親水和疏水部分由不同的分子提供。（一）特性和功能生物表面活性劑可將發(fā)酵液表面張力降低到0.03N/m以下，將正構烷烴的介面張力降低到0.13N/m以下。一些生物表面活性劑也表現(xiàn)出較好的熱與化學穩(wěn)定性。（二）生理學功能生物表面活性劑的生理學功能都與生物表面活性劑的兩親性有關。1.可以增強非極性底物的乳化作用和溶解作用，從而促進微生物在非極性底物中的生長。2.抗生性生物表面活性劑（主要為脂肽和甘油酯）具有殺蟲活性。這是由於它具有兩親性，能溶解大多數(shù)細胞膜成分而具有抗生素功能。三、生物表面活性劑的類型微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑的類型主要取決於所採用的微生物。從化學類型可分為：（一）糖脂和分枝菌酸脂分枝菌酸脂海藻糖脂鼠李糖脂槐糖脂（二）肽和聚合物益沐神（Emulsan)

由乙酸鈣不動桿菌產(chǎn)生莎梵婷（Surfactin)

由枯草芽孢桿菌生產(chǎn)（三）脂肪酸（四）磷脂第二節(jié)生物表面活性劑的生產(chǎn)一、生物表面活性劑的合成及其遺傳學（一）生物合成1.概論生物表面活性劑的生物合成途徑多種多樣，有從頭合成疏水部分、親水部分或者兩者都合成，對於那些非從頭合成的組分通過改良碳源如糖類、烷烴等來生產(chǎn)，各種不同碳源基質(zhì)常常能被結合進生物表面活性劑，形成一屬有關的分子。

在脂肽中，脂和肽部分都由烷烴直接合成。糖脂如海藻糖脂是一個典型的化合物，其親水部分（海藻二糖）不受碳基質(zhì)的影響，而脂肪酸部分則取決於進料烷烴的鏈長。以烴類為基質(zhì)生產(chǎn)的生物表面活性劑是生物表面活性劑中的一大類，許多微生物都可以以烴類為單一碳源生長。酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴，細菌則除了降解異構烴或環(huán)烷烴以外，還利用不飽和烴和芳香族化合物。

微生物降解烴類存在的主要問題是烴的憎水性。各種微生物以不同方式解決這一問題。細菌和酵母菌通過分泌離子型表面活性劑，使培養(yǎng)基中的烴基質(zhì)乳化。另一些微生物則產(chǎn)生非離子表面活性劑。總之在烴基質(zhì)培養(yǎng)時，各種微生物都產(chǎn)生有利於烴基質(zhì)被動擴散而進人細胞內(nèi)的效應，這是通過由微生物產(chǎn)生的一大類物質(zhì)起作用。這類物質(zhì)也就是所謂的“生物表面活性劑”。

微生物以烴類為基質(zhì)產(chǎn)生出生物表面活性劑可能由兩方面的原因：（1)當生物表面活性劑為胞外產(chǎn)物時，它有利於烴類乳化；（2）當生物表面活性劑為胞壁結合型時，有利於烴類穿透漿膜外周間隙2.脂肪酸的合成在生物表面活性劑生產(chǎn)中，脂肪酸的碳鏈範圍通常很窄，主要是C16酸、C18酸及C20酸。（1）乙醯－CoA的來源

細菌中

酵解

丙酮酸脫氫酶葡萄糖丙酮酸乙醯－CoA

酵母菌和黴菌中乙醯－CoA通過與肉毒堿或草醯乙酸反應透過線粒體。當以乙醇或乙酸等C2基質(zhì)作為生長培養(yǎng)基時，乙醯－CoA就會直接合成。（2）乙醯－CoA的羧基化乙醯－CoA被乙醯－CoA羧化酶羧化成丙二醯－CoA，然後作為C2供體，以乙醯為單位在合成脂肪酸中逐步使碳鏈延長。（3）碳鏈的延伸過程乙醯基與丙二醯基縮合，產(chǎn)生C4單元，然後還原，脫水，C4單元進一步還原，形成丁醯基，丁醯基與另一個丙二醯基縮合，按上述過程迴圈，產(chǎn)生C6單元，如此反復迴圈直至形成長鏈醯基。（4）從烷烴生物合成脂肪酸雖然非極性的烴類基質(zhì)不溶於水，也不易被氧化，但在微生物產(chǎn)生的表面活性劑的作用下，微生物可以利用烷烴供其生長。烷烴和有關化合物異化作用的結果，合成得到的脂肪酸再被用於構成表面活性劑中的類脂部分。脂肪酸的去向：直接結合成更為複雜的類脂；通過其他代謝途徑進一步代謝；作為許多微生物的培養(yǎng)基質(zhì)，，用來合成生物表面活性劑。3.類脂的合成生物表面活性劑的非極性憎水部分通常是由一個或多個長鏈醯基構成的類脂基。儘管由全程合成或由烴氧化生成脂肪酸在胞外可以以游離形式存在，但當胞內(nèi)脂肪酸濃度大於某一極限時，細胞就不能耐受其毒性，因此，脂肪酸在細胞外必須以某種酯化形式存在，以減少對細胞的毒性。真核細胞中最常見的類脂儲藏形式時脂肪酸與甘油形成的甘油單、雙、三酯，細菌中則可形成多種脂肪酸酯。（二）遺傳學

生物表面活性劑合成的遺傳學分析還處於早期階段，利用DNA技術控制生物表面活性劑生產(chǎn)進展很慢，目前用遺傳工程生產(chǎn)生物表面活性劑的例子只有將乳糖利用基因在銅綠假單胞菌中的表達，使得其在乳糖或乳酪清中得以生長並生產(chǎn)鼠李糖脂。

最近，用B.Subtilis生產(chǎn)表面活性劑所需的srfA基因，已被置於一個可誘導促進因數(shù)的控制之下，從而表面活性劑的生產(chǎn)僅僅依賴於在生長培養(yǎng)基中加入誘導物isopropyl-β-galactoside(IPTG)，其他具有增強生物表面活性劑生產(chǎn)的重組微生物也已經(jīng)得到。二、生物表面活性劑的生產(chǎn)生產(chǎn)生物表面活性劑的微生物可分為三類：完全以烷烴為碳源生產(chǎn)表面活性劑，如Arthrobactersp;

僅以水溶性底物為碳源，如Bacillussp;

以烷烴和水溶性底物為碳源，如Pseudomonassp

與其他微生物發(fā)酵一樣，生物表面活性劑生產(chǎn)的目的是獲得最大的產(chǎn)率、轉化率和最終濃度。另外，減少其他代謝產(chǎn)物的積累十分重要，因為它們會影響產(chǎn)品的物理性質(zhì)和提取過程。（一）培養(yǎng)基1.碳源是影響生物表面活性劑結構和產(chǎn)量的關鍵。加入烷烴對生物表面活性劑的生產(chǎn)既可能起誘導作用，也可能起阻礙作用。生物表面活性劑前體物質(zhì)（蔗糖）的加入可以形成甘油脂親水支鏈的組成部分，同樣脂肪酸部分的結構也受烷烴鏈長的左右。2.氮、磷、金屬離子和其他添加劑等營養(yǎng)成分也可能會影響生物表面活性劑的生產(chǎn)。例如，BacilluslichenifomisJF-2的脂肽生物表面活性劑的生產(chǎn)中，將磷濃度從100mmol/dm3降低至50mmol/dm3，可將產(chǎn)量從35mg/dm3提高到110mg/dm3。多價離子對生物表面活性劑生產(chǎn)的影響可能與氮代謝有關。青黴素或氯黴素等抗生素的加入增強或抑制生物表面活性劑的生產(chǎn)。3.此外，像許多其他發(fā)酵一樣，培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基pH和溶解氧水準或攪拌速率對生物表面活性劑生產(chǎn)也具有重要影響。（二）發(fā)酵

大多生物表面活性劑在微生物生長的穩(wěn)定期和對數(shù)期都釋放到培養(yǎng)基中。生物表面活性劑的生產(chǎn)可以在低稀釋率下通過分批或連續(xù)發(fā)酵進行。對於可以通過休止細胞產(chǎn)生的生物表面活性劑，可以通過固定化酶進行生產(chǎn)，並可以結合具有吸附柱的生物反應器。除傳統(tǒng)的液態(tài)發(fā)酵技術外，其他發(fā)酵操作也已被應用於生物表面活性劑的生產(chǎn)。例如，利用重組Bacillussubtillus在豆腐殘渣上固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)Surfactin,其產(chǎn)量是液體發(fā)酵的4倍以上。第三節(jié)生物表面活性劑的合成代謝調(diào)節(jié)一、生物表面活性劑生產(chǎn)中的代謝調(diào)節(jié)生物表面活性劑合成前體的代謝途徑有多種，在某種程度上取決於主要碳源的性質(zhì)。從碳水化合物合成糖脂表面活性劑時，有關的微生物代謝主要是糖解和脂肪形成；當以烴類為基質(zhì)時，主要是脂解和糖原異生。（一）碳水化合物分解代謝的機理

微生物產(chǎn)生生物表面活性劑常常以烴類為基礎，然而也能以碳水化合物為基質(zhì)。雖然生物表面活性劑分子由糖和類脂兩部分構成，但在以碳水化合物為基質(zhì)時，整個分子的合成速度受類脂的合成速度所控制。因此，影響碳水化合物基質(zhì)中脂肪酸形成的因素同樣也可能影響生物表面活性劑的合成。

圖7-1從從碳水化合物基質(zhì)合成生物表面活性劑前體的中間代謝

A一磷酸果糖激酶B一丙酮酸激酶C一異檸檬酸脫氫酶

D——ATP／檸檬酸裂合酶和丙酮酸脫氫酶A、B、C和D為關鍵酶（二）烴代謝的控制機理

脂肪酸可以從烴，如正構烷烴合成得到。然後，脂肪酸基可以很方便地構成表面活性劑分子。但是，由於表面活性劑分子中還含有糖部分，它的合成必須經(jīng)由糖異生途徑，即通過β-氧化將脂肪酸氧化到乙醯一CoA，或將奇數(shù)碳脂肪酸氧化到丙醯一CoA

。這樣，在異檸檬酸裂合酶的作用下，經(jīng)過蘋果酸、乙醛酸迴圈，烴類氧化得到的乙醯一CoA最終轉化成草醯乙酸。它隨後由磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸。

圖7-2從烴基質(zhì)合成生物表面活性劑前體的中間代謝·A一異檸檬酸裂合酶B一蘋果酸合成酶C一磷酸烯酸式丙酮酸羧基激酶

D—1，6－二磷酸果糖酶A、B、C和D為關鍵酶（三）生物表面活性劑合成的調(diào)節(jié)

生物表面活性劑的合成可通過油性物質(zhì)的誘發(fā)作用、葡萄糖等物質(zhì)的代謝抑制、限氮及限多價陽離於以及其他作用方法調(diào)節(jié)。此外，改變微生物生長速度常常會使生物表面活性劑過量生產(chǎn)。溫度對生物表面活性劑合成也有調(diào)節(jié)作用。目前研究最多的是烴和其他不溶於水的物質(zhì)誘發(fā)微生物生產(chǎn)生物表面活性劑的調(diào)節(jié)方式。

據(jù)認為，烴的存在對生物表面活性劑的生成起誘導作用，且發(fā)現(xiàn)在生長培養(yǎng)基中添加烴時生長的細胞在形態(tài)學上有顯著的差異。烴的類型可能也很重要。例如不動桿菌生產(chǎn)的乳化劑對特定烴類有一定的專一性。

第四節(jié)生物表面活性劑的應用與前景一、生物表面活性劑的應用1.生物表面活性劑在石油工業(yè)中的應用（1）利用微生物和微生物表面活性劑回收巖層中的石油。（2）利用微生物表面活性劑降低石油粘滯度和淨化貯油罐。2.生物表面活性劑在採礦工業(yè)中的應用生物表面活性劑可促進無機礦質(zhì)的分散。乙酸鈣不動桿菌產(chǎn)生的陰離子多糖可防止石灰石水混物發(fā)生絮凝，使其產(chǎn)生10％的分散，也可促使石灰石裂解為小顆粒。3.生物表面活性劑在食品工業(yè)中的應用乳化可在食品原料形成一定的濃度、質(zhì)地和分散相中發(fā)揮重要作用。生物表面活性劑可作為乳化劑用於食品原料的加工，也可用於麵包和肉類生產(chǎn)，改善麵粉的流變學特徵，以及部分裂解的脂肪組織的乳化。4.生物表面活性劑在農(nóng)業(yè)中的應用近年來，鑒於化學農(nóng)藥對環(huán)境的污染，全球科學家均十分關注利用生物表面活性劑對作物病蟲害進行生物防治。生物表面活性劑可使粘重土壤親水化，進而增加其可濕性，令肥料和農(nóng)藥均勻地分佈於土壤。還可增加有機磷殺蟲劑地溶解度。5.生物表面活性劑在醫(yī)藥中的應用已證實微生物產(chǎn)生的表面活性劑可供藥用。例如銅綠假單胞菌產(chǎn)生的鼠李糖脂、枯草芽孢桿菌和地衣狀芽孢桿菌產(chǎn)生的脂肽，以及南極假絲酵母產(chǎn)生的甘露赤蘚糖脂都有抗微生物活性。6.生物表面活性劑在保健化妝品中的應用微生物表面活性劑具有一定的保濕能力，且可與皮膚相容。假絲酵母以棕櫚油和葡萄糖作為碳源可產(chǎn)生100～150g/L的槐糖脂。已生產(chǎn)出一種含有1摩爾槐糖脂和12摩爾丙二醇的皮膚保濕劑。7.生物表面活性劑在環(huán)境保護中的應用（1）用生物表面活性劑消除海域中的石油污染。已發(fā)現(xiàn)例如銅綠假單胞菌SB30等所產(chǎn)生的乳劑可將海灘中的石油迅速分散為微滴。（2）利用微生物表面活性劑消除土壤中的烴污染

Bai等（1997）利用銅綠假單胞菌產(chǎn)生的陰離子鼠李糖脂生物表面活性劑，消除了沙柱中84％或22％的殘餘烴類（十六碳烷烴）。（3）用微生物表面活性劑消除多環(huán)芳族烴和脂族烴只有少數(shù)微生物可降解土壤中具有4個以上稠合芳香環(huán)的多環(huán)芳族烴。微生物表面活性劑可通過增溶作用或乳化作用，使吸附於土壤有機物質(zhì)的烴脫落。（4）用生物表面活性劑消除土壤中的金屬污染將微生物表面活性劑加入土壤，可促進土壤中重金屬的脫附。例如Tan等（1994）曾利用銅綠假單胞菌ATCC9027產(chǎn)生的鼠李糖脂消除土壤中的鎘污染。8.生物表面活性劑在其他方面的應用微生物表面活性劑還可用於水處理、紙漿合造紙工業(yè)、紡織工業(yè)、陶瓷工業(yè)、鈾礦開採、木材防腐、瀝青和水泥。廢水厭氧生物處理技術第一節(jié)厭氧生物處理的基本原理第二節(jié)厭氧消化池第三節(jié)厭氧接觸法第四節(jié)升流式厭氧污泥層反應器第一節(jié)厭氧生物處理的基本原理一、厭氧生物處理過程及其特徵厭氧生物處理過程又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由多種微生物的共同作用，使有機物分解並生成CH4和CO2的過程。厭氧分解過程圖3-1有機物的厭氧分解過程圖3-2厭氧生物處理的四階段理論（1967年，Bryant)

有機物質(zhì)

Ⅰ發(fā)酵細菌長鏈脂肪酸、醇類

Ⅱ產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌乙酸H2/CO2

Ⅲ產(chǎn)甲烷細菌

CH4圖3-3厭氧生物處理的三階段理論（1979年）第一階段：水解發(fā)酵階段

水解

糖酵解多糖單糖乙醇和脂肪酸

水解

脫氨基蛋白質(zhì)氨基酸脂肪酸和氨第二階段：產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段，由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2和CO2。第三階段：產(chǎn)甲烷階段，由產(chǎn)甲烷細菌利用乙酸、H2和CO2，產(chǎn)生甲烷。厭氧生物處理的主要特徵：1.能量需求大大降低，還可產(chǎn)生能量。不需供氧，相反卻能生產(chǎn)出沼氣。污泥產(chǎn)量極低。厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。對溫度、pH等環(huán)境因素更為敏感。高溫厭氧菌和中溫厭氧菌的適宜溫度範圍分別為55℃和35℃左右。4.處理後廢水有機物濃度高於好氧處理。厭氧微生物可對好氧微生物所不能降解的一些有機物進行降解（或部分降解）。6.處理過程的反應較複雜。

二、厭氧消化微生物（一）發(fā)酵細菌（產(chǎn)酸細菌)1.屬別包括梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真細菌屬和雙歧桿菌屬。大多數(shù)為專性厭氧菌，也有大量兼性厭氧菌。2.功能通過胞外酶將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的大分子有機物轉化成脂肪酸、醇類等。

（二）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌1.屬別包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬。為絕對厭氧菌或是兼性厭氧菌。2.功能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸

H2，反應如下：乙醇：CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2(三）產(chǎn)甲烷細菌最常見的是：產(chǎn)甲烷桿菌、產(chǎn)甲烷球菌、產(chǎn)甲烷八疊球菌、產(chǎn)甲烷螺菌和產(chǎn)甲烷絲菌等。產(chǎn)甲烷菌都是絕對厭氧菌,在分類學上屬於古細菌?？煞譃閮深悾海?）利用乙酸產(chǎn)生甲烷

CH3COOHCH4+CO2

(2)利用H2和CO2合成CH4

4H2+CO2CH4+2H2O三、厭氧微生物的培養(yǎng)上世紀60年代末Hungate開創(chuàng)了絕對厭氧微生物的培養(yǎng)技術。

(一）Hungate滾管法