生物強(qiáng)化處理省公開課一等獎(jiǎng)全國示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

生物強(qiáng)化技術(shù)

及其在水污染治理中應(yīng)用

1/48主要內(nèi)容生物強(qiáng)化技術(shù)產(chǎn)生背景生物強(qiáng)化技術(shù)作用機(jī)理及特點(diǎn)生物強(qiáng)化菌劑起源生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中應(yīng)用意義生物強(qiáng)化技術(shù)工藝發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)當(dāng)代生物技術(shù)在生物強(qiáng)化研究中應(yīng)用2/48一、生物強(qiáng)化技術(shù)產(chǎn)生背景兩個(gè)基本概念Bioaugmentation：生物強(qiáng)化，生物增強(qiáng)，投菌法Bioremediation：生物修復(fù)，生物整改產(chǎn)生背景

二十世紀(jì)七十年代中期

Superbugsrescuewasteplant.(Anon,1977,ChemicalWeek)

對(duì)采取生物強(qiáng)化技術(shù)存在爭議普遍存在適者生存3/48BioremediationandBioaugmentationBioremediation

willbedefinedastheuseofselectedmicroorganismstoaccomplishabiologicalcleanupofaspecifiedcontaminatedarea,suchassoilorwater.

Bioaugmentation

willbedefinedastheapplicationofselectedmicroorganismstoenhancethemicrobialpopulationsofanoperatingwastetreatmentfacilitytoimprovewaterqualityorloweroperatingcosts.Inotherwords,bioremediationdealswithafiniteprojectorarea,whilebioaugmentationinvolvesworkingtoimproveacontinuousprocess.

4/48二、生物強(qiáng)化技術(shù)作用機(jī)理及特點(diǎn)作用機(jī)理直接作用共代謝作用基因水平轉(zhuǎn)移作用應(yīng)用特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)操作簡單，因地制宜，應(yīng)用靈活針對(duì)性強(qiáng)，見效快缺點(diǎn)

系統(tǒng)中高效菌數(shù)量和活性不易控制5/48共代謝就是對(duì)于一些有毒有害物質(zhì)，微生物不能以其為碳源和能源生長。但在其它基質(zhì)存在下能夠改變這種有害物化學(xué)結(jié)構(gòu)使其降解。如以甲烷、芳香烴、氨、異戊二烯和丙烯為主要基質(zhì)生長一些菌能夠產(chǎn)生一個(gè)氧合酶，這種酶能夠共代謝三氯乙烯(TCE)。6/48生物強(qiáng)化作用機(jī)理7/48怎樣實(shí)現(xiàn)生物強(qiáng)化技術(shù)？.高效菌種培育從自然界篩選構(gòu)建基因工程菌.高效菌種在投加系統(tǒng)內(nèi)保持及活力表示 原生動(dòng)物捕食，水力流失，有毒有害物質(zhì)抑制，DO，pH微生物檢測(cè)技術(shù).對(duì)目標(biāo)物有效去除或?qū)δ撤矫嫘阅芨倪M(jìn)8/48三、生物強(qiáng)化菌劑起源從自然界篩選構(gòu)建基因工程菌直接購置商業(yè)菌劑9/48從自然界篩選

高效菌種步驟

選擇環(huán)境（水或土壤）分離適應(yīng)性菌株選擇特殊降解性菌株選擇高效菌株接收突變劑深入篩選增強(qiáng)酶活性增強(qiáng)胞外酶分泌增強(qiáng)效應(yīng)因子分子作用降低妨礙分子作用發(fā)酵培養(yǎng)單一菌株10/48搖瓶培養(yǎng)發(fā)酵罐培養(yǎng)11/48菌劑富集反應(yīng)器（off-lineenrich-reactor)富集反應(yīng)器經(jīng)典活性污泥工藝出水剩下污泥有毒有害廢水富集基質(zhì)和誘導(dǎo)物12/48取得特定目標(biāo)基因目標(biāo)基因片斷載體（質(zhì)?；虿《荆┵|(zhì)粒DNA片斷重組DNA重組DNA進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)增并表示具目標(biāo)基因表示功效重組體核酸內(nèi)切酶切割核酸內(nèi)切酶切割細(xì)胞外重組轉(zhuǎn)化（質(zhì)粒）、轉(zhuǎn)導(dǎo)或轉(zhuǎn)染（病毒）利用遺傳標(biāo)識(shí)篩選基因工程菌構(gòu)建過程13/48GenecloningandExpressionusingPlasmidpBR32214/48基因工程菌應(yīng)用實(shí)例BurkholderiacepaciaG4，在芳香族化合物存在條件下能夠共代謝三氯乙烯(TCE)，但降解中間產(chǎn)物會(huì)對(duì)該菌起毒害抑制作用。經(jīng)過Tn5插入產(chǎn)生BurkholderiacepaciaG45223-PR1，能夠從結(jié)構(gòu)上表示降解TCE鄰甲苯單氧合酶，所以在沒有誘導(dǎo)物（如芳香族化合物）情況下也可降解TCE（Winkleretal.,1995）。15/48商業(yè)菌劑形態(tài)干化和液態(tài)組成自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼性菌選擇注意事項(xiàng)(1)在較低或較高溫度下生長能力;(2)抵抗高濃度污染物能力(3)抗重金屬能力(4)在較寬泛環(huán)境和介質(zhì)中生存能(5)產(chǎn)生生物表面活性劑，更利于與污染物接觸。16/48四、生物強(qiáng)化技術(shù)在

水污染治理中應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況高濃度有機(jī)廢水；有毒、有害難降解污染物治理；脫氮除磷；改進(jìn)系統(tǒng)污泥特征，降低污泥產(chǎn)量；強(qiáng)化廢水中油脂液化和降解江河湖泊等水體修復(fù)地下水生物修復(fù)17/48生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中應(yīng)用實(shí)例18/48Groundwaterbioremediation19/48Groundwaterbioremediation20/48PlumberbestfriendBioOne21/48ADaphniaspecies

Actualsize--2mm.

BeforebioaugmentationAfterbioaugmentation22/48生物強(qiáng)化技術(shù)在

水污染治理中應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

提升對(duì)目標(biāo)去除物去除效果改進(jìn)污泥性能，降低污泥產(chǎn)生加緊系統(tǒng)開啟，增強(qiáng)耐負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性23/48對(duì)目標(biāo)去除物去除效果提升Selvaratnam等人篩選到一株苯酚高效降解菌，PseudomonasputidaATCC11172，將這種菌投加到SBR反應(yīng)器中，這種菌在40天內(nèi)對(duì)苯酚降解率一直維持在95%-100%，而那些沒有接種高效菌種反應(yīng)器，苯酚去除率由初始100%降低到40%。Chin在附著生長生物床加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）混合優(yōu)勢(shì)菌，在HRT為1.9小時(shí)時(shí)，生物增強(qiáng)系統(tǒng)可去除10mg/lBTX，而非強(qiáng)化系統(tǒng)去除僅為3.2mg/l。24/48改進(jìn)污泥性能，降低污泥產(chǎn)生生物增強(qiáng)作用不但能夠有效消除污泥膨脹，增強(qiáng)污泥沉降性能，而且大大降低了污泥產(chǎn)生，普通可使污泥容積降低17%到30%。Chamber碩士物增強(qiáng)技術(shù)在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝三種不一樣系統(tǒng)中應(yīng)用。在延時(shí)曝氣系統(tǒng)中，接種生物增強(qiáng)劑三周后就成功地消除了污泥膨脹，而在氧化溝中四面后污泥膨脹消除。

25/48加緊系統(tǒng)開啟，

增強(qiáng)耐負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性

Belia和Smith發(fā)覺，向傳統(tǒng)活性污泥中加入10%降解磷純菌，那么整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)高效脫磷系統(tǒng)（脫磷率達(dá)90%以上）只需14天，而只用活性污泥馴化到達(dá)此脫磷率需要58天時(shí)間。

Edgehill等人用降解五氯酚（PCP）純菌來增強(qiáng)活性污泥系統(tǒng)，當(dāng)加入10%（相對(duì)于固有菌量）純菌，就會(huì)使PCP廢水馴化期大大縮短。當(dāng)PCP負(fù)荷由40mgl-1升高到120mgl-1時(shí)，出水則到達(dá)60mgl-1，單純活性污泥系統(tǒng)恢復(fù)正常需48h，但加入5%或7%純菌（相對(duì)于固有菌量），系統(tǒng)在18h內(nèi)就使PCP出水到達(dá)15mgl-1，表現(xiàn)出良好抗負(fù)荷沖擊能力。26/48生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中

應(yīng)用失敗及原因探索（一）

廢水成份復(fù)雜，用生物增強(qiáng)技術(shù)本身難以到達(dá)治理目標(biāo)和要求。廢水中微生物可利用其生長底質(zhì)濃度太低，不足以維持其生長。投入菌不如系統(tǒng)中固有菌競(jìng)爭能力強(qiáng)，不能強(qiáng)有力地?cái)z取有限營養(yǎng)物質(zhì)。系統(tǒng)中原生動(dòng)物等捕食性動(dòng)物將優(yōu)勢(shì)菌捕食。27/48生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中

應(yīng)用失敗及原因探索（二）優(yōu)勢(shì)菌優(yōu)先利用其它易于利用底質(zhì)，對(duì)目標(biāo)降解物作用遲緩。廢水中存在抑制性基質(zhì)，抑制菌生長和代謝。投入菌量不足以使其在菌群中占優(yōu)勢(shì)，或因?yàn)榭刂撇煌拙w流失。不利環(huán)境原因如廢水pH、溫度、DO影響。28/48五、當(dāng)代生物技術(shù)

在生物強(qiáng)化研究中應(yīng)用PCRFISHPCR-RFLPPCR-DGGEPCR-RISA29/48傳統(tǒng)微生物定量化及群落分析方法活皿計(jì)數(shù)法（CFU)

生境可培養(yǎng)細(xì)胞百分比（％）海水0.001-0.1淡水0.25中營養(yǎng)型湖泊0.1-1活性污泥1-15沉積物0.25土壤0.3最大可能數(shù)法（MPN)30/48平板培養(yǎng)法缺點(diǎn)：環(huán)境中可經(jīng)過平板培養(yǎng)微生物不超出百分之十幾，污水和底泥中有些微生物群落不能夠用培養(yǎng)方法分析。培養(yǎng)所需時(shí)間較長，不能夠提供生物反應(yīng)器實(shí)時(shí)、有意義信息。難以取得微生物群落結(jié)構(gòu)和空間分布相關(guān)信息。31/48PCR(Polymerasechainreaction)基本步驟：變性:采取高溫使DNA變性，形成單鏈DNA;退火:降低溫度，引物在與單鏈DNA互補(bǔ)鄰位結(jié)合，形成復(fù)合物.延伸:將溫度調(diào)至DNA聚合酶最適宜溫度,該以dNTP為原料，依據(jù)堿基互補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)，按照模板DNA序列組成，從引物3’端開始逐一將dNTP聚合上去，合成一條新DNA雙鏈。32/48PCRAmplifyingDNA33/48PCR技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)中應(yīng)用主要有:應(yīng)用PCR技術(shù)研究某一特定環(huán)境中微生物區(qū)系組成，進(jìn)而了解其菌群動(dòng)態(tài)。應(yīng)用PCR技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境中特定種群（如致病菌、工程菌等）動(dòng)態(tài)。34/48應(yīng)用PCR技術(shù)檢測(cè)樣品中特定微生物種群，其基本步驟包含：

從環(huán)境樣品中提取核酸（DNA或RNA）；以提取DNA或RNA樣品為模板進(jìn)行擴(kuò)增；對(duì)PCR反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)與分析。35/48熒光原位雜交技術(shù)

（fluorescenseinsituhybridization,FISH）

FISH是當(dāng)前單個(gè)細(xì)胞水平上分析微生物群落結(jié)構(gòu)慣用分子生態(tài)學(xué)方法，是用標(biāo)識(shí)過DNA寡聚物去探測(cè)未損傷微生物群落。36/48原理微生物細(xì)胞在載玻片上脫水后，與帶有熒光染料標(biāo)識(shí)寡核糖探針在一定溫度下混合。含有與探針堿基對(duì)完全互補(bǔ)序列RNA隨即與探針發(fā)生雜交，從而使該菌體在熒光顯微鏡下發(fā)出熒光。37/48細(xì)胞在測(cè)定過程中不被破壞，形狀不改變，能夠真實(shí)反應(yīng)在自然微環(huán)境下情況及分布

特異性強(qiáng)

能定量化

操作簡單快速。特點(diǎn)38/48將染色體、細(xì)胞或組織固定；標(biāo)識(shí)探針；將探針與固定材料上靶序列（DNA或RNA）進(jìn)行雜交；檢測(cè)雜交結(jié)果。FISH基本步驟：39/48適合用于所用菌種EUB338;Alf968適合用于Proteobacteriaα亞綱;BET42適合用于Proteobacteriaβ亞綱;GAM42適合用于Proteobacteriaγ亞綱;CF319a適合用于Cytophaga-Flavobacterium;

ACA適合用于Acinetobacter;Nso190適合用于Proteobacteriaβ亞綱氨氧化菌;NEU23a適合用于Nitrosomonas屬耐鹽及嗜鹽菌;NIT3可用于Nitrobacter;S-S-Mae-1414-a-A-18適合用于M.erodenitrificans。一些慣用分子探針40/48微生物群落解析應(yīng)用1用FISH法解析UASB顆粒污泥微生物群落結(jié)構(gòu)。圖中同時(shí)采取了兩個(gè)探針進(jìn)行FISH檢測(cè)。探針EUB338能與絕大多數(shù)細(xì)菌雜交，發(fā)出綠色熒光；探針ARC915能與古細(xì)菌雜交，發(fā)出紅色熒光。（A）低放大倍數(shù)；（B）高放大倍數(shù)。41/48污泥膨脹中絲狀菌判別，百分比和分布用FISH法檢測(cè)某污水處理廠活性污泥中絲狀菌。(A）相差顯微鏡下污泥絮體；（B）同一顯微鏡視野下同時(shí)用探針G2M（綠色）和G123（紅色）進(jìn)行FISH法檢測(cè)。黃色表示同時(shí)與兩個(gè)探針結(jié)合，為絲狀菌Eikelboomtype021NII，紅色則為絲狀菌Thiothrix。應(yīng)用242/48污泥中聚磷菌判別應(yīng)用3用FISH法和DAPI染色同時(shí)檢測(cè)活性污泥中聚磷菌