第一章環(huán)境生物技術(shù)引論-課件

2021/10/10星期日12021/10/10星期日2主要參考書目周少奇.環(huán)境生物技術(shù).科學(xué)出版社，2003王建龍等.現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)（第2版）.清華大學(xué)出版社，2008陳堅(jiān).環(huán)境生物技術(shù).中國輕工業(yè)出版社，1999程樹培.環(huán)境生物技術(shù).南京大學(xué)出版社，19942021/10/10星期日3第1章環(huán)境生物技術(shù)引論2021/10/10星期日4“生物技術(shù)（Biotechnology）”一詞首先由匈牙利工程師KarlEreky于1917年提出。1.1.1“生物技術(shù)”的出現(xiàn)1.1生物技術(shù)的學(xué)科體系與發(fā)展簡(jiǎn)史2021/10/10星期日5生物技術(shù)的定義：利用生物有機(jī)體（從微生物直至高等動(dòng)物、植物）或其組成部分（包括器官、組織、細(xì)胞或細(xì)胞器等）發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種體系?；蚨x為“操縱生物（微生物、植物、動(dòng)物）的細(xì)胞、組織或酶，進(jìn)行生物合成、生物轉(zhuǎn)化或生物降解，大規(guī)模地生產(chǎn)預(yù)期產(chǎn)品或達(dá)到特殊目的的一門技術(shù)”。2021/10/10星期日6一般認(rèn)為，生物技術(shù)包括四個(gè)方面：2021/10/10星期日71.1.2生物技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史古老（傳統(tǒng)）生物技術(shù)階段（公元前6000~17世紀(jì)）遠(yuǎn)古人類發(fā)現(xiàn)，吃剩的米粥數(shù)日后變成了醇香可口的飲料—人類最早發(fā)明的酒2021/10/10星期日8鄭州殷代遺跡2021/10/10星期日9我國古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）2021/10/10星期日10公元前2300年左右，埃及人釀制啤酒的場(chǎng)面2021/10/10星期日11特征：原始，并不了解其中的道理。產(chǎn)品：釀酒、釀醋、泡菜、奶酪、面包等發(fā)酵食品。2021/10/10星期日12初期（第一代）生物技術(shù)階段（17世紀(jì)~20世紀(jì)40年代）1664年，英國人胡克（RobertHooke）曾用原始的顯微鏡對(duì)生長(zhǎng)在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進(jìn)行觀察。2021/10/10星期日13微生物學(xué)直到十九世紀(jì)才得到發(fā)展原因：顯微鏡技術(shù)研究微生物的基本技術(shù)沒有建立。十九世紀(jì)兩個(gè)焦點(diǎn)問題的爭(zhēng)論促使了這些微生物研究技術(shù)的誕生。問題之一：微生物能不能自發(fā)產(chǎn)生；問題之二：傳染病的性質(zhì)是什么。微生物學(xué)之父法國人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）微生物學(xué)的奠基者2021/10/10星期日14無菌營養(yǎng)液出現(xiàn)微生物無菌營養(yǎng)液無生命出現(xiàn)加熱無菌營養(yǎng)液無生命出現(xiàn)巴斯德的曲頸瓶實(shí)驗(yàn)2021/10/10星期日15特征：該階段列文虎克首次利用顯微鏡觀察到了有生命力的微生物的存在，并有巴斯德闡明了發(fā)酵是由微生物（酵母菌）作用而產(chǎn)生的原理。了解廢水處理和固體廢棄物的堆肥處理。產(chǎn)品：酒精、丁醇、丙醇、乙二醇、有機(jī)酸。2021/10/10星期日16近代（第二代）生物技術(shù)階段（20世紀(jì)40年代~70年代）特征：產(chǎn)品類型多（氨基酸、酶制劑、有機(jī)酸等）、技術(shù)要求高（無菌操作）、規(guī)模巨大、技術(shù)發(fā)展速度快抗生素工業(yè)大規(guī)模興起，發(fā)酵過程變?yōu)闊o菌操作狀態(tài)。產(chǎn)品：各種抗生素（青霉素、鏈霉素、金霉素等）、氨基酸及多糖等。青霉素青霉素生產(chǎn)車間2021/10/10星期日172021/10/10星期日18現(xiàn)代（第三代）生物技術(shù)階段（20世紀(jì)70年代~現(xiàn)在）Watson、Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)發(fā)展階段2021/10/10星期日19特征：DNA重組技術(shù)的建立帶來基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程的迅猛發(fā)展。產(chǎn)品：通過以上工程手段將現(xiàn)代生物技術(shù)成功應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如釀酒工業(yè)、酶制劑發(fā)酵工業(yè)及生物能源工業(yè)等。2021/10/10星期日20“環(huán)境生物技術(shù)是21世紀(jì)國際生物技術(shù)的一大熱點(diǎn)，兼有基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的特點(diǎn)在環(huán)境污染治理與修復(fù)、自然資源可持續(xù)再生等方面發(fā)揮著日益重要的作用。”

--中國科學(xué)院1.2環(huán)境生物技術(shù)的學(xué)科體系2021/10/10星期日2119世紀(jì)末，生物濾池的出現(xiàn)和1914年安登（ArdernE.）和洛凱脫（LockettW.）發(fā)明的“活性污泥法”被視為環(huán)境生物技術(shù)的開端。20世紀(jì)五六十年代，由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，隨之而來的環(huán)境污染尤其是水污染的加劇，直接促進(jìn)了環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展。1.2.1環(huán)境生物技術(shù)的形成形成原因，有何優(yōu)點(diǎn)2021/10/10星期日22南京大學(xué)的程樹培教授在其1994年出版的國內(nèi)第一本《環(huán)境生物技術(shù)》一書中提出：環(huán)境生物技術(shù)的定義可以由生物技術(shù)的定義延伸擴(kuò)展而獲得，即直接或間接利用完整的生物體或生物體的某些組成部分或某些機(jī)能，建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染以及同時(shí)生產(chǎn)有用物質(zhì)的人工技術(shù)系統(tǒng)，稱之為環(huán)境生物技術(shù)。1.2.2環(huán)境生物技術(shù)的定義2021/10/10星期日23德國K.N.Timmis博士對(duì)環(huán)境生物技術(shù)下的定義是：

環(huán)境生物技術(shù)是應(yīng)用生物圈的某些部分使環(huán)境得以控制，或治理預(yù)定要進(jìn)入生物圈的污染物的生物技術(shù)，包括環(huán)境中污染物的生物減少（Bioelimination)、污染場(chǎng)地的生物修復(fù)（Bioremediation）和生物可降解材料的開發(fā)和應(yīng)用等。還有一些學(xué)者給出了更簡(jiǎn)單和通俗的定義，他們認(rèn)為環(huán)境生物技術(shù)就是應(yīng)用于環(huán)境污染治理方面的生物技術(shù)。近10年來，環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展極其迅速，目前已成為一種經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益俱佳的、解決復(fù)雜環(huán)境污染問題的最有效手段。2021/10/10星期日241.2.3環(huán)境生物技術(shù)的技術(shù)體系與學(xué)科結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)生物學(xué)：分子生物學(xué)、生物化學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、遺傳學(xué)等；工程學(xué)：基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、環(huán)境工程等；應(yīng)用學(xué)：環(huán)境化學(xué)、環(huán)境生物學(xué)、環(huán)境地學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)和環(huán)境檢測(cè)與評(píng)價(jià)等。環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)的一個(gè)重要的分支學(xué)科，是現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境科學(xué)與技術(shù)交叉、滲透、綜合的產(chǎn)物。1、環(huán)境生物技術(shù)涉及的學(xué)科2021/10/10星期日25同時(shí)，環(huán)境生物技術(shù)還涉及信息科學(xué)、電子工程技術(shù)、儀器分析科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)、化工機(jī)械學(xué)、水力學(xué)、氣象學(xué)等眾多學(xué)科內(nèi)容；對(duì)環(huán)境生物技術(shù)進(jìn)行預(yù)算和評(píng)價(jià)還要涉及經(jīng)濟(jì)學(xué)、法律學(xué)、環(huán)境規(guī)劃管理和系統(tǒng)工程等。2021/10/10星期日262.環(huán)境生物技術(shù)學(xué)科的層次性與學(xué)科內(nèi)容第一層次為現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)，是指以基因工程為主導(dǎo)的現(xiàn)代污染防治生物技術(shù)。如構(gòu)建降解殺蟲劑、除草劑、多環(huán)芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌，創(chuàng)造抗污染型轉(zhuǎn)基因植物等。這一層次知識(shí)密集，為快速、有效地防治污染開辟了新途徑，使解決日益出現(xiàn)的大量環(huán)境難題成為可能。2021/10/10星期日27第二層次是指?jìng)鹘y(tǒng)的生物處理技術(shù)，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理論和技術(shù)背景下產(chǎn)生出的強(qiáng)化處理技術(shù)和工藝，如生物流化床、生物強(qiáng)化工藝等。這是目前廣泛使用的治理污染的生物技術(shù)，仍在不斷強(qiáng)化和改進(jìn)，已為控制現(xiàn)時(shí)的環(huán)境質(zhì)量起到了極其重要的作用。2021/10/10星期日28活性污泥法廢水最初沉淀池最終沉淀池放流水排泥淤泥處理回流污泥曝氣槽2021/10/10星期日29活性污泥法實(shí)例貴陽小河污水處理廠2021/10/10星期日30生物膜法廢水處理工藝2021/10/10星期日31生物流化床2021/10/10星期日32生物流化床2021/10/10星期日33生物流化床應(yīng)用實(shí)例2021/10/10星期日34第三層次是指利用天然處理系統(tǒng)進(jìn)行廢物處理的技術(shù)，如氧化塘、人工濕地和農(nóng)業(yè)生態(tài)工程等，其特點(diǎn)是最大限度地發(fā)揮自然界的生物自凈功能，投資運(yùn)行費(fèi)用少，易于操作管理。應(yīng)該指出的是,環(huán)境生物技術(shù)中的三個(gè)層次均是污染治理不可缺少的生物技術(shù)手段，需對(duì)他們進(jìn)行組合應(yīng)用?，F(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)主要集中在高層次技術(shù)，即以分子生物學(xué)技術(shù)為主體，以基因工程為主導(dǎo)的污染診斷、污染監(jiān)測(cè)、污染控制及污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)上。2021/10/10星期日352021/10/10星期日36有機(jī)物+氧+好氧菌=CO2+水藻類+CO2=氧+生物質(zhì)量兼氣區(qū)厭氧區(qū)氧化塘應(yīng)用舉例2021/10/10星期日37濱洲污水處理廠8萬方/日氧化塘法2021/10/10星期日38人工濕地污水處理系統(tǒng)流程示意圖2021/10/10星期日392021/10/10星期日40農(nóng)業(yè)生態(tài)工程應(yīng)用舉例固沙護(hù)樹生態(tài)墊2021/10/10星期日41生物傳感器是指以生物個(gè)體、種群或群落對(duì)環(huán)境污染物脅迫的反應(yīng)為指標(biāo)監(jiān)測(cè)環(huán)境的污染狀況、模擬生物系統(tǒng)的真實(shí)反應(yīng)。特點(diǎn)：快速、簡(jiǎn)單、成本低、專一性強(qiáng)、循環(huán)使用；檢測(cè)范圍廣。1.2.4環(huán)境生物技術(shù)學(xué)科應(yīng)用熱點(diǎn)2021/10/10星期日42生物傳感器工作原理2021/10/10星期日43生物農(nóng)藥主要內(nèi)包括生物殺蟲劑、生物除草劑和生物抗生素。特點(diǎn)：安全無毒、無公害、不污染環(huán)境、不會(huì)傷害害蟲的天敵；有利于發(fā)展綠色食品。2021/10/10星期日44生物可降解塑料（納米抗菌劑）利用環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)可降解塑料（包括微生物合成塑料、植物纖維清膜等）或開發(fā)具有塑料特性的非塑料產(chǎn)品是塑料工業(yè)的新方向，是從源頭解決“白色污染”的重要手段。2021/10/10星期日45PHA2021/10/10星期日46生物表面活性劑利用生物方法合成集親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于同一分子內(nèi)部的兩親化合物。特點(diǎn)：具有親水、親油性；生物降解性；生產(chǎn)過程綠色無污染。目前，酶促反應(yīng)和整細(xì)胞生物轉(zhuǎn)換已成為生產(chǎn)生物表面活性劑的兩條并列途徑。2021/10/10星期日47水中油滴在表面活性劑作用下的圖示2021/10/10星期日48生物表面活性劑-糖酯的合成2021/10/10星期日49生物絮凝劑是一類有微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，有糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等。特點(diǎn)：有細(xì)菌、真菌等微生物產(chǎn)生的水處理劑；高效、廉價(jià)、無毒、無二次污染；在廢水脫色、高濃度有機(jī)物去除方面有特效。2021/10/10星期日50生物絮凝劑應(yīng)用舉例2021/10/10星期日51生物修復(fù)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展所帶來的化學(xué)污染物造成土壤和飲用水的嚴(yán)重污染，并可通過水或土壤-植物系統(tǒng)經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，直接危害人類健康。2021/10/10星期日52生物修復(fù)應(yīng)用舉例垃圾填埋場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工程2021/10/10星期日53重慶萬州生物修復(fù)天仙湖2021/10/10星期日541.3環(huán)境生物技術(shù)存在的問題盡管生物技術(shù)相對(duì)安全,但在其應(yīng)用當(dāng)中還存在一定的問題與困難,主要表現(xiàn)在:①反應(yīng)速度不如化學(xué)法快,因而需要較大的反應(yīng)器和占地面積;②對(duì)原水水質(zhì)有一定的要求,否則將會(huì)妨礙微生物的生長(zhǎng);③在運(yùn)行中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹和流失,剩余污泥也難處理;④對(duì)于一些人工合成物,特別是難生化降解物質(zhì),通常的微生物尚顯得無能為力;⑤活的有害菌體從實(shí)驗(yàn)室泄漏到環(huán)境中;⑥大規(guī)模工程微生物的應(yīng)用可能影響生態(tài)系統(tǒng)。2021/10/10星期日551.4環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.4.1完善污染治理工藝盡管廢水生物處理技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室階段已經(jīng)取得了很大的成績(jī),但在實(shí)際工程應(yīng)用方面還尚需努力。好氧與厭氧工藝相結(jié)合、生物膜法與活性污泥法相結(jié)合的廢水處理技術(shù),無害化的生產(chǎn)工藝過程,高效完善的自動(dòng)化體系是今后主要發(fā)展方向。此外,還應(yīng)充分考慮使微生物降解后的產(chǎn)物得到充分利用的途徑,這不但可以為人類提供更多的能源,還可實(shí)現(xiàn)真正意義上的清潔生產(chǎn)。2021/10/10星期日561.4.2構(gòu)建作用強(qiáng)大的工程菌利用環(huán)境生物技術(shù)處理各種復(fù)雜的污染問題,其核心內(nèi)容就是最大化利用相應(yīng)功能微生物。目前,不論是土著的環(huán)境微生物,還是后投入的工程菌都存在著很多問題,使微生物強(qiáng)大的處理能力沒有充分發(fā)揮出來。但生物技術(shù)的不斷發(fā)展,微生物遺傳學(xué),微生物生理生態(tài)學(xué)的進(jìn)一步研究,人們不僅能構(gòu)建針對(duì)難降解環(huán)境污染物的生物基因庫,而且還會(huì)創(chuàng)造出具有新的特殊功能的極端微生物和培育出性狀穩(wěn)定的適用性超級(jí)工程菌。2021/10/10星期日571.4.3進(jìn)一步開發(fā)生物檢測(cè)手段隨著科技的進(jìn)步,生物環(huán)境污染監(jiān)測(cè)會(huì)更便捷、靈敏、全面。分子生物技術(shù)將會(huì)在開發(fā)研制生物傳感器方面發(fā)揮積極作用,可以滿足對(duì)實(shí)際環(huán)境情況實(shí)施自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)的需要,從而可以判斷環(huán)境污染發(fā)展的趨勢(shì),盡早采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。分子生物技術(shù)還可探索環(huán)境污染物質(zhì)在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化以及降解規(guī)律,檢測(cè)污染致突變的成因,分析污染的來源。2021/10/10星期日581.4.4生物技術(shù)與其它技術(shù)相結(jié)合環(huán)境生物技術(shù)與其它現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合,可以提高處理效率,增強(qiáng)處理效果。利用光、聲、電與高效生物處理相結(jié)合,處理高濃度有毒有害難降解有機(jī)廢水,如光催化氧化-生物處理新技術(shù)、電化學(xué)高級(jí)氧化—高效生物處理技術(shù)、輻射分解—生物處理組合工藝等,這些工藝與設(shè)備的結(jié)合正在向模塊化方向發(fā)展。電子計(jì)算機(jī)的廣泛使用不僅使處理工藝控制自動(dòng)化,還可同時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬研究。2021/10/10星期日591.4.4預(yù)防污染現(xiàn)在,世界各國均已認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性。生物技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的作用將由單純治理發(fā)展到防治結(jié)合,以防為主,最終實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。生物降解材料的開發(fā),微生物農(nóng)藥的興起,生物表面活性劑的誕生都是很好的例子。因此,研究人員將進(jìn)一步充分應(yīng)用分子生物工程技術(shù)的新方法、新工藝,來預(yù)防環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,保障生態(tài)安全和多樣性。2021/10/10星期日60目前,我國的環(huán)境生物技術(shù)處于剛剛起步階段。該技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)需要得到社會(huì)、同行及主管部門的廣泛支持,大力開展以污染控制生物技術(shù)為主體的環(huán)境生物技術(shù)的研究,將大力