生物技术在环境中的应用.ppt

1、现代生物技术在环境保护中的应用,王伟军目 录,一、概述 二、我国生态环境现状 三、农业生态环境污染 四、现代生物技术在环境保护中的应用 五、结语,现代生物技术以DNA 技术为先导,包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程和生物修复技术在内的一系列生物高新技术的统称。 自20世纪80年代以来,生物技术作为一种高新技术,已普遍受到世界各国和民间研究机构的高度重视,发展十分迅猛。目前,现代生物技术不仅在农作物改良、医药研究、食品工程方面发挥着重要作用,且随着日益突出的环境问题,其在治理污染、环境生物监测、工业清洁生产、工业废弃物、城市生活垃圾的处理、有毒有害物

2、质的无害化处理等方面发挥着重要的作用。其在处理环境污染物等方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入,人们已越来越意识到,现代生物技术的发展,为从根本上解决环境问题提供了无限的希望。,概述,现代生物技术概念图,EM （Effective Micoorganisms） 日本，硫球大学，比嘉照夫教授发明的微生物技术。它是将包括好氧菌及厌氧菌在内的多种有益微生物通过独特的发酵技术有机地整合在一起，其中各微生物在增殖过程中互生共长，形成一个功能强大的整体，发挥“有益分解”、“抗氧化”等多方面的作用。 EM是光合细菌、乳

3、酸菌群、酵母菌群、放线菌群、丝状菌群等5科10属80余种微生物组成的。 将EM投放在环境中，能在局部形成优势菌群，引导环境微生物群向良性方向活动，并抑制腐败菌、病源菌的增殖，从而起到改善环境、改良土壤、净化水质、消除臭味、抑制腐败的作用。,一、 我国生态环境现状 目前我国由于工业“三废”污染、农用化肥和农药的污染以及废弃塑料和农用地膜的污染，严重的影响了我国的生态环境，使得水污染日益加剧，水资源严重短缺，全国600多个城市中已有一半城市缺水，农村则有8000万人和6000万头牲畜饮水困难；土壤污染严重，耕地面积锐减，近10年来每年流失的土壤总量达50亿t，土地荒漠化日益加剧；森林覆盖面积下降，

4、草场退化，每年减少森林面积达2500万亩；人们的身体健康受到严重威胁，疾病发病率急剧上升。因此，加大环境保护和环境治理力度，加快应用高新技术，如现代生物技术来控制环境污染和保持生态平衡，提高环境质量已成为环保工的工作重点。,大气污染,水污染,光污染,白色污染,光污染对人的视觉环境和身体健康产生不良影响的事物，包括生活中常见的书本纸张、墙面涂料的反光甚至是路边彩色广告的“光芒”亦可算在此列。,黄河世界上含沙量最多的河流。黄河，中国的母亲河。源于青海巴颜喀拉山，干流贯穿九个省、自治区，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东。黄河流程约5500千米，流域面积达到79.5万平方千米

5、，平均流量 1775 立方米/秒，上千条支流与溪川犹如无数毛细血管，源源不断地为祖国大地输送着活力与生机。若把祖国比作昂首挺立的雄鸡，黄河便是雄鸡心脏的动脉。 工业污染多年来一直是黄河水污染的“祸首”。从青海，经甘肃、宁夏，至内蒙古，黄河沿岸能源、重化工、有色金属、造纸等高污染的工业企业林立，产生出了大量污染物。生活污水和过量施用化肥、农药造成的“农业污染”目前也呈现加重趋势。同时，沿河一些城市生活垃圾加剧了污染。,二、农业生态环境污染 1、大气污染 （SO2、NOX、氟化物及总悬浮物（TSP）等） 2、水体污染 （1）人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水体，造成水体污染。 （2）

6、城市和工业废水未经处理排入农业环境造成水体污染：石油、酚、氰化物、重金属。 （3）农业生产活动污染：化肥、农药。 3、土壤污染 重金属、化肥、农药、塑料薄膜、农业废弃物等。 4、土壤盐碱化 K、Na、Ca、Mg（Cl-、SO42-、CO3-）等。,三、现代生物技术在环境保护及生态环境修复中的应用 1、现代生物技术在环境保护上的特点 （1）生物技术处理污染物是降解破坏污染物的分子结构,降解的产物以及副产物,大多可以被生物重新利用。这样,既可以把人类活动产生的环境污染减轻到最小程度,又对废弃物进行了资源化利用。 （2）利用生物技术处理污染物,是采用一步到位,并将污染物质最终转化成无毒无害的稳定物质

7、,如CO2、H2O、N2和CH4等。 （3）生物技术是以酶促反应为基础的生物化学过程,其在常温、常压下可进行,过程简单,成本低廉,可连续化操作,并可节约能源,减少环境污染。 （4）可解决常规技术和传统方法不能解决的问题。 （5）可定向地按人们的需要创造新物种、新品种和其他有经济价值的生命类型。,2、现代生物技术在环境保护中的应用 （1）大气污染治理 目前采用的方法主要有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等，所采用的生物反应器为生物净气塔、渗滤器和生物滤池等。生物技术法与传统有机废气处理方法比较,具有成本低、效率高、安全性好和无二次污染等技术优点。 a、生物过滤法 生物滤池内部填充活性填料，废气经加

8、压预湿后从底部进入生物滤池，气体中的无机污染物、有机污染物或恶臭物质与填料上附着生成的生物膜（微生物）接触，被生物膜吸收，最终被降解为H2O和CO2或其它成分，处理过的气体从生物滤池的顶部排出。,b、生物洗涤法 生物洗涤法分为废气吸收和悬浮液再生两个阶段，通常由一个装有填料的洗涤器（吸收设备）和一个装有活性污泥或生物膜的生物反应器（再生反应器）构成。 废气从吸收设备底部进入，向上流动，与顶部喷淋向下的生物悬浮液在填料床中相互接触，经传质过程进入液相，再进入微生物细胞内或经微生物分泌的胞外酶作用分解，净化后的气体从吸收设备顶部排出。吸收了废气的生物悬浮液从再生反应池的底部进入，通入空气充氧，废气

9、被微生物氧化利用的过程也就是悬浮液的再生过程，再生后的悬浮液再进入吸收设备进行顶部喷淋，吸收与再生两个过程反复进行。该方法的特点是反应条件易控制、压降低、填料不易堵塞，但设备较多，需外加营养，成本较高，对溶解度小的化合物难以处理。,c、生物滴滤法 生物滴滤法是在生物吸收法基础上进行的改进，集合了生物过滤法和生物吸收法两种工艺的优点，生物吸收和生物降解同时发生在一个反应装置内。 滴滤池内装有填料，填料表面被生物膜覆盖。循环水不断喷洒在填料上，废气通过滴滤池时，气体中的污染物被微生物降解。该方法的特点是只有一个反应器、操作简单、压降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高，比生物过滤法能更有效地处理含卤

10、化合物、硫化氢或氨等废气。但需外加营养、运行成本较高。,（2）污水的生物净化 污水的生物净化是利用微生物自身的生命活动过程对污水中的有毒物质进行转移和转化,从而使污水得到净化的处理方法。 固定化微生物技术 固定化微生物技术-指通过物理或化学的手段将游离的微生物固定在限定的空间区域使其保持活性并可反复利用的一项生物技术。 其可以被用来处理一般高浓度有机废水、印染废水、含氮废水、难降解有机废水及其他废水等,一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或创造,将这些高效专性菌如脱色菌、脱氮、脱磷菌假单胞菌等进行固定化后,菌体密度提高,大大提高了处理效率,尤其是对难降解有毒物质有明显优势。, 生物强化处理技术

11、 生物强化处理技术-是为了提高废水处理的效果,而向废水中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种,以去除某一种或某一类有害物质。 主要作用方式有: a、直接投加特效降解微生物，废水中的微生物可以附着在载体上形成高效生物膜或以游离的状态存在; b、引入生物强化制剂，主要用于处理城市污水,有机物的去除率可以得到显著提高,固体物质的产生会减少、硝化作用得以增强,从而提高污水脱氮脱磷效果; c、固定化生物强化技术，将特定的微生物封闭在高分子网络载体内,使菌体脱落少、活性高，从而提高优势微生物浓度,增加了其在生物处理器中的存留时间。,生物反应器技术 生物反应器技术,是现代生物技术发展

12、的一个主要方向。 生物反应器-利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能,在体外进行生化反应的装置系统，其有利于微生物附着生长形成生物膜，供气或供给的其他反应条件优越，污染物具有充分的时间与微生物接触，有利于增强微生物的分解代谢能力。,（3）污染土壤的生物修复 重金属污染是造成土壤污染的主要污染物。 重金属污染的生物修复-利用生物作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。 原理：通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性，通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。 污染土壤的生物修复过程可以增加土壤有机质的含量，激发

13、微生物的活性，由此可以改善土壤的生态结构，这将有助于土壤的固定，遏制风蚀、水蚀等作用，防止水土流失。,狗 牙 根,白榆,泡桐,构树,“消化”重金属的高手,植物修复是一种利用植物去除和消减污染物的环境治理技术,是一种新兴的绿色生物修复技术,能在不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物的状况下,通过植物的根系直接将大量的重金属吸收,从土壤中移去从而修复被污染的土壤,它是环境污染治理的重要手段;,（4）白色污染的消除 利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和 农膜的优势微生物、构建高效降解菌，另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物中，使两者同时发挥各自的作用，将塑料和

14、农膜迅速降解。,鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）,假单胞杆菌（Pseudomonas）,（5）化学农药污染的消除 a、利用微生物降解农药 土壤中的微生物,包括细菌、真菌、放线菌和藻类等,其中细菌类对农药分解起主要作用,其可以利用自身生化上的多种适应能力,诱发突变菌株,例如假单胞菌对敌敌畏；曲霉菌、镰孢霉菌对敌百虫；芽孢杆菌、曲霉、青霉、假单胞杆菌、瓶型酵母等对甲胺磷。通过微生物的作用,把环境中的有机污染物转化为CO2和H2O等无毒无害或毒性较小的其他物质。,曲霉菌,假单胞菌,芽孢杆菌,瓶型酵母,b、共代谢作用 共代谢作用指微生物在有它可利用的唯一碳源存在时,对它原来不能利用的物质也能分

15、解代谢的现象。 c、推广使用生物农药 生物农药指可以用来防治病、虫、草等有害生物的生物活体，利用细菌、病毒、真菌、线虫及拮抗微生物等来控制病虫草害的制剂。,赤眼蜂,动物源生物农药,瓢虫,小花蝽,草岭,（6）土壤盐碱地修复,a、盐碱化概念 盐碱化（盐渍化）是指土壤中的盐分离子增加或可容性盐分离子不断向土壤表层聚积，改变了土壤的理化性状，并对生长的植物有一定的危害作用的一种土壤变化过程。 土壤盐碱化是在一定的气候、地形、土壤、植被、水文地质等自然条 件下形成的。洪、涝、旱灾害，河流,改造，人类活动，土地利用制度改变，以及农业、水里措施，都会对土壤盐碱化的发生、发展产生重大影响。 土壤盐碱化主要发生

16、在干旱与半干旱地区。在自然条件下发生的土壤盐碱化称作原生盐碱化，原生盐碱化一般是比较缓慢的。在认为干扰下发生的土壤盐碱化称作次生盐碱化。,b、按形态划分：, 蓬松盐土（俗称白碱、扑腾碱等）。以NaSO4为主，地表有一层薄薄的白色盐霜，构成一层陷鞋底或鞋帮的蓬松层，危害较小。 结皮盐土（俗称黑碱、锅巴碱等）。以NaCl为主，地表有灰白色盐结皮，对作物危害大。 潮湿盐土（俗称湿碱、黑油碱等）。以CaCl2、MgCl2为主，吸湿性强，地表常呈潮湿状态，涂色灰暗至棕黑，如泼止酱油般，对作物危害较大。 苏打盐土（俗称马尿碱、瓦碱等）。Na2CO3、NaHCO3含量较高，地表呈棕黄色碱霜，如马尿，故称马尿

17、碱；由于质地黏重、干后呈瓦片卷起，又叫瓦碱。这种盐土碱性强，对作物危害最大，多为光板地。,兰州新区盐碱土,结皮盐碱土,潮湿盐碱土,苏打盐碱土,c、生物技术在盐碱地改造中的应用 我国采用生物技术改良盐碱地取得进展 嗜盐微生物 耐盐植物,胡杨林,耐盐植物：枸杞,耐盐植物：茴香,（6）生物技术在环境监测中的应用 生物监测（Biological Monitoring或 Biomonitoring）是利用生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。 应用于环境监测的生物技术主要有： 用细菌总数及粪便污染指示菌(大肠埃希氏菌、克霉伯氏菌等) 监测水质； 用鼠伤寒少门氏菌检验物质致突变性与致癌性； 用发光细菌快速检测环境毒物； 通过测定水中藻类(常用硅藻、栅藻、小球藻等) 的生长量进行水质监测或物质的霉性检测。 近年来,国内外研究较多的是应用聚合酶式反应技术( PCR 技术) 、核酸探针、生物传感器等生物高技术进行环境监测。PCR 技术可用于土壤、沉积物、水样等环境标本的细胞检测,随着技术的完美及