生物技术与环境2

1、11.2 11.2 大气净化大气净化工业化大生产不仅给环境带来了很大的负面影响，工业化大生产不仅给环境带来了很大的负面影响，而且破坏了人类的生存空间，严重危害人类的身心而且破坏了人类的生存空间，严重危害人类的身心健康。工业活动排放出的大量有害废气是地球温室健康。工业活动排放出的大量有害废气是地球温室效应和酸雨形成的重要原因，汽车尾气中的铅能导效应和酸雨形成的重要原因，汽车尾气中的铅能导致动物神经系统和泌尿系统疾病，挥发性的恶臭物致动物神经系统和泌尿系统疾病，挥发性的恶臭物质会损伤人类嗅觉器官，让人不适。因此，有效控质会损伤人类嗅觉器官，让人不适。因此，有效控制这些污染源是当今社会普遍关心的问题

2、。制这些污染源是当今社会普遍关心的问题。我们的生存环境我们的生存环境生活中常见的大气污染物生活中常见的大气污染物 胸闷，呼吸胸闷，呼吸道炎症，呼道炎症，呼吸困难，肺吸困难，肺水肿，迅速水肿，迅速窒息死亡窒息死亡眼睛红痛，视力眼睛红痛，视力减弱，头疼、胸减弱，头疼、胸痛、全身疼痛，痛、全身疼痛，肺水肿，严重的肺水肿，严重的在在1小时内死亡小时内死亡支气管炎、气支气管炎、气管炎，肺水肿、管炎，肺水肿、肺气肿，呼吸肺气肿，呼吸困难困难视程减少，慢性气视程减少，慢性气管炎、幼儿气喘病管炎、幼儿气喘病和尘肺和尘肺皮肤和肝脏损皮肤和肝脏损害，致癌死亡害，致癌死亡头晕、头疼，贫头晕、头疼，贫血、心肌损伤，血

3、、心肌损伤，中枢神经麻痹、中枢神经麻痹、呼吸困难呼吸困难v废气的处理废气的处理 废气处理是环境污染控制的一个重要方面。废气处理方法：废气处理方法： 理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附、燃烧、氧化等。工艺或设备较复杂，运附、燃烧、氧化等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。果不甚理想。生物法生物法：具有处理效率较高、适应性较广、：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。工艺较简单以及费用较省等优点。 废气的微生物处理于废气的微生物处理于1957年在美国获得专年在

4、美国获得专利，但到利，但到1970年代才开始引起重视，直到年代才开始引起重视，直到1980年代才在德国、日本、荷兰等国家有年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。入运行。 废气生物反应器处理对许多一般性的空气废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到污染物的去除率可达到90以上。以上。 一、生物法处理废气的机理、生物法处理废气的机理将污染气体与水体充分混合，使污染气体将污染气体与水体充分混合，使污染气体分子转化为液相成分，然后利用生物，尤分子转化为液相成分，然后利用生物，尤其是微生物的生理代谢机能来净化液相污

5、其是微生物的生理代谢机能来净化液相污染成分。染成分。 二、废气生物技术处理的方法二、废气生物技术处理的方法 常用的方法有：生物过滤法、生物洗常用的方法有：生物过滤法、生物洗涤法和生物吸收法等，所采用的生物反涤法和生物吸收法等，所采用的生物反应器包括：生物净气塔、渗滤器和生物应器包括：生物净气塔、渗滤器和生物滤池等。滤池等。（一）生物净气塔（一）生物净气塔 生物净气塔装置一般由涤气室（吸收塔）生物净气塔装置一般由涤气室（吸收塔）和再生池（生物反应器）两部分组成，涤和再生池（生物反应器）两部分组成，涤气室和再生池分开设置。气室和再生池分开设置。 涤气室主要是物理溶解过程，采用的吸收涤气室主要是物理

6、溶解过程，采用的吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程进行很快。过程进行很快。净化空气过程示意图净化空气过程示意图生物洗涤装置生物洗涤装置 （二）生物渗滤器（生物滴滤池）（二）生物渗滤器（生物滴滤池） 在生物渗滤器内充满了惰性填在生物渗滤器内充满了惰性填料料, 微生物在填料表面附着生微生物在填料表面附着生长并形成生物膜。长并形成生物膜。 生物膜中微生物以有机废气为生物膜中微生物以有机废气为碳源和能源碳源和能源, 以在循环液中的以在循环液中的营养物质为氮源营养物质为氮源, 进行生命活进行生命活动。动。 废气通过填充物时，其污染成废气通过填充物时，其污染成

7、分会与湿润的生物膜接触混合，分会与湿润的生物膜接触混合，完成物理吸收和微生物的作用完成物理吸收和微生物的作用过程。过程。 废气经过预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。废气经过预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。 滤料使用惰性材料，如陶瓷、塑料或碎石。滤料使用惰性材料，如陶瓷、塑料或碎石。（三）生物滤池（微生物过滤工艺）（三）生物滤池（微生物过滤工艺） 生物滤池内的固态介质是一些有生物生物滤池内的固态介质是一些有生物活性的天然材料，常用的固体颗粒有活性的天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆肥，这些材料为微生物的附土壤和堆肥，这些材料为微生物的附着和生长提供表面，微生物可以吸收着和生长提供表

8、面，微生物可以吸收废气中的污染物将其转化为无害物质。废气中的污染物将其转化为无害物质。 具有一定温度的有机废气进人生物滤池，具有一定温度的有机废气进人生物滤池，通过约通过约0.51m厚的生物活性填料层，填料厚的生物活性填料层，填料层是具有吸附件的滤料层是具有吸附件的滤料(如土壤、堆肥、活如土壤、堆肥、活性炭等性炭等)有机物从气相转移到生物层，进而有机物从气相转移到生物层，进而被氧化分解。被氧化分解。 生物滤池因其较好的通气性和适度的通水生物滤池因其较好的通气性和适度的通水和持水性，以及丰富的微生物群落，能有和持水性，以及丰富的微生物群落，能有效地去除烷烃类化合物，如丙烷、异丁效地去除烷烃类化合

9、物，如丙烷、异丁烷酯类及乙醇等生物易降解物质的效烷酯类及乙醇等生物易降解物质的效果更佳。果更佳。影响生物滤池性能的因素 在生物滤池中系统中，起降解作用的主要在生物滤池中系统中，起降解作用的主要是腐生性细菌和真菌，它们依靠填充物提是腐生性细菌和真菌，它们依靠填充物提供的理化条件生存，这些条件包括水分、供的理化条件生存，这些条件包括水分、氧气、矿质营养、有机物、氧气、矿质营养、有机物、 PH 和温度等。和温度等。针对有机堆肥臭气去除的生物滤池针对有机堆肥臭气去除的生物滤池 五、处理废气的微生物 多为混合微生物，因为：多为混合微生物，因为：含有多种成分的含有多种成分的混合废气混合废气，需要多种微生物

10、分别降解；需要多种微生物分别降解；有的成分需要几种微生物有的成分需要几种微生物的相继作用才能分解转化的相继作用才能分解转化为无害物质，为无害物质，u氨先经硝化细菌再经反硝氨先经硝化细菌再经反硝化作用细菌才能成为分子化作用细菌才能成为分子态氮；态氮；一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才能一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才能被完全降解；被完全降解； 卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被好氧微生物彻底分解；好氧微生物彻底分解；工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，但还需利用其它微生物，但还需利

11、用其它微生物， 在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反应器凝絮持留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生物内，需与活性污泥中的异养型微生物起共培养。起共培养。 紫红红球菌紫红红球菌(Rhodococcus rhodochrous)Rhodococcus rhodochrous CF 222 11.3 固体废弃物的生物处理固体废弃物的生物处理11.3 11.3 固体废弃物的生物处理固体废弃物的生物处理固体废弃物的分类固体废弃物的分类 :主要内容主要内容: : 生活垃圾生活垃圾 生产废弃物生产

12、废弃物 固体生活垃圾的固体生活垃圾的生物处理生物处理生产废弃物矿渣的生产废弃物矿渣的生物淋溶处生物淋溶处理理 11.3.111.3.1固体垃圾的生物处理固体垃圾的生物处理 世界各国处理城市垃圾的方法主要有三种，即世界各国处理城市垃圾的方法主要有三种，即填埋，堆肥和焚烧等。其中填埋和堆肥主要是通过填埋，堆肥和焚烧等。其中填埋和堆肥主要是通过微生物的作用来完成垃圾处理的。微生物的作用来完成垃圾处理的。 填埋法（填埋技术）：就是将固体废物存积填埋法（填埋技术）：就是将固体废物存积在大坑或低洼地，并通过科学的管理来恢复在大坑或低洼地，并通过科学的管理来恢复地貌和维护生态平衡的工艺。地貌和维护生态平衡的

13、工艺。11.3.1.1 11.3.1.1 填埋技术填埋技术 优点：优点：处理量大处理量大简便易行简便易行投入少投入少使用广泛使用广泛 11.3.1.1 11.3.1.1 填埋技术填埋技术 在填埋过程中，每天填入的垃圾应被压实，并在填埋过程中，每天填入的垃圾应被压实，并铺盖上一层土壤。这些地点的完全填埋需数月或数铺盖上一层土壤。这些地点的完全填埋需数月或数年，因此，如果处理不当，填埋地不仅不雅观，而年，因此，如果处理不当，填埋地不仅不雅观，而且易导致二次污染。且易导致二次污染。 例如，产生异味，污染空气，蚊蝇滋生，使卫生状况恶化。例如，产生异味，污染空气，蚊蝇滋生，使卫生状况恶化。有害废物还能对

14、填埋地的微生物过程产生严重的影响，并伴随有害废物还能对填埋地的微生物过程产生严重的影响，并伴随着有害径流的发生或渗漏到地下水中，不断污染城市水源。此着有害径流的发生或渗漏到地下水中，不断污染城市水源。此外，被填埋的垃圾发酵后产生的甲烷气体易引发爆炸等事故。外，被填埋的垃圾发酵后产生的甲烷气体易引发爆炸等事故。11.3.1.1 11.3.1.1 填埋技术填埋技术 现代填埋技术的改进：现代填埋技术的改进： 填埋场地的底层应高出地下水位填埋场地的底层应高出地下水位4 4米以米以上，而且填埋地的下层应有不透水的岩石上，而且填埋地的下层应有不透水的岩石或黏土层，如果无自然隔水层基质，则需或黏土层，如果无

15、自然隔水层基质，则需铺垫沥青或塑料膜等不透水的材料来避免铺垫沥青或塑料膜等不透水的材料来避免渗漏物污染周围的土地和水源。渗漏物污染周围的土地和水源。11.3.1.1 11.3.1.1 填埋技术填埋技术 现代填埋技术的改进：现代填埋技术的改进： 填埋场应设置排气口，使填埋过程中填埋场应设置排气口，使填埋过程中产生的甲烷气体及时排出，以防止爆炸起产生的甲烷气体及时排出，以防止爆炸起火，同时也便于气体的收集。此外，填埋火，同时也便于气体的收集。此外，填埋场还要有能监测地下水、表面水和环境中场还要有能监测地下水、表面水和环境中空气的污染情况的监测系统。有时填埋前空气的污染情况的监测系统。有时填埋前需要

16、对填埋物进行一定的预处理。需要对填埋物进行一定的预处理。 经合理构建的封闭填埋地可以较好地处经合理构建的封闭填埋地可以较好地处置填埋物，并能产生甲烷气体用作商业用途。置填埋物，并能产生甲烷气体用作商业用途。11.3.1.1 11.3.1.1 填埋技术填埋技术 堆肥法：同填埋技术相同，堆肥技术也是基堆肥法：同填埋技术相同，堆肥技术也是基于微生物的生命代谢活动，微生物的降解作于微生物的生命代谢活动，微生物的降解作用使得垃圾中的有机废料转换成稳定的腐殖用使得垃圾中的有机废料转换成稳定的腐殖质，这些产物大大减少了原材料的体积，并质，这些产物大大减少了原材料的体积，并能用作土壤改良剂或肥料安全的返回环境

17、中。能用作土壤改良剂或肥料安全的返回环境中。11.3.1.2 11.3.1.2 堆肥法堆肥法堆肥工厂处理过程流程图：堆肥工厂处理过程流程图：11.3.1.2 11.3.1.2 堆肥法堆肥法废弃物废弃物 预处理预处理 堆肥堆肥 后处理后处理 存放存放漏气处理漏气处理通气通气1111. .3.1.2 3.1.2 堆肥法堆肥法 堆肥是在铺有固体有机颗粒的床底堆肥是在铺有固体有机颗粒的床底上进行的，固有的微生物在其中生长和上进行的，固有的微生物在其中生长和繁殖。堆积的方式有静止堆积、通气堆繁殖。堆积的方式有静止堆积、通气堆积、通道堆积或在旋转柱筒系统（生物积、通道堆积或在旋转柱筒系统（生物反应器）中堆

18、积等。也可以对废料进行反应器）中堆积等。也可以对废料进行某种形式的预处理，如通过切碎或磨碎某种形式的预处理，如通过切碎或磨碎的方法减少颗粒的大小。的方法减少颗粒的大小。1111. .3.1.2 3.1.2 堆肥法堆肥法 堆肥处理的基本生物反应是有机堆肥处理的基本生物反应是有机基质与氧混合后发生氧化反应，生成基质与氧混合后发生氧化反应，生成二氧化碳、水和其他有机副产品。堆二氧化碳、水和其他有机副产品。堆肥过程完成后终产品常需放置一段时肥过程完成后终产品常需放置一段时间加以稳定。间加以稳定。11.3.2 11.3.2 矿渣的生物淋溶处理矿渣的生物淋溶处理 生物淋溶技术主要指微生物冶生物淋溶技术主要

19、指微生物冶金或微生物浸矿技术，他是近代湿金或微生物浸矿技术，他是近代湿微生物法冶金工业上的一种新工艺。微生物法冶金工业上的一种新工艺。 应用微生物溶浸某些贫矿、废矿、尾矿或火冶炉应用微生物溶浸某些贫矿、废矿、尾矿或火冶炉渣等时，微生物可以通过其溶解作用（即淋溶作渣等时，微生物可以通过其溶解作用（即淋溶作用），来回收提取有商业价值的贵重金属或稀有用），来回收提取有商业价值的贵重金属或稀有金属。金属。 微生物采矿可以防止矿产资源的流失，达到最大微生物采矿可以防止矿产资源的流失，达到最大限度的利用矿藏的目的，同时还能避免或减少固限度的利用矿藏的目的，同时还能避免或减少固体废物对环境的污染。体废物对环

20、境的污染。11.3.2 11.3.2 矿渣的生物淋溶处理矿渣的生物淋溶处理11.3.2 11.3.2 矿渣的生物淋溶处理矿渣的生物淋溶处理 保护环境，保护环境，保护人类赖以生存的家园！保护人类赖以生存的家园！11.4 内容提要 11.4.1 生物修复概述 11.4.2 生物修复的方法 11.4.3 生物修复技术的应用 11.4.3.1 石油污染的生物修复 11.4.3.2 重金属污染的生物修复 11.4.3.3 地下水污染的生物修复11.4 环境污染的生物修复 11.4.1生物修复概述生物修复概述 什么是生物修复什么是生物修复? 生物修复（生物修复（Bioremediation）指利用生物）指

21、利用生物将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解的工程技术系统。污染物现场去除或降解的工程技术系统。 生物修复的基本原理生物修复的基本原理 调节污染地的环境条件以促进原调节污染地的环境条件以促进原有微生物或接种微生物的降解作用迅有微生物或接种微生物的降解作用迅速完全进行。速完全进行。 根据生物类型不同生物修复分为：根据生物类型不同生物修复分为： 1、微生物修复、微生物修复 2、植物修复、植物修复 根据修复的污染物类型不同，生物修复根据修复的污染物类型不同，生物修复分为分为 1、石油污染的生物修复、石油污染的生物修复 2、重金属污染的生物修复、

22、重金属污染的生物修复 3、农药污染的生物修复、农药污染的生物修复 毛囊皮质单位中微生物的作用微生物与植物的共同作用吃油超微生物修复地球的微生物有机肥料盐碱地上的生物修复政府对重污染区植物修复植物修复太湖水环境重金属污染区域的生物修复 根据修复的污染地不同可分为：根据修复的污染地不同可分为： 1、土壤污染的生物修复 2、地下水污染的生物修复 3、地表水污染的生物修复石油污染的土壤用微生物修复土壤生态环境的生物修复地下水污染生物修复后的地球环境11.4.2 生物修复的方法 生物修复生物修复 原位生物修复原位生物修复异位生物修复异位生物修复 原位生物修复：原位生物修复： 定义： 在污染的原地点进行的

23、生物修复。采用工程措施但不挖掘土壤或抽取地下水等方法。有生物通气法、生物注气法和生物冲淋法等。 异位生物修复异位生物修复： 定义：采用挖掘土壤或抽取地下水等工程措施移动污染物到邻近地点或反应器内进行的生物处理方法。有土地耕作、土壤堆腐或泥浆反应器等。 原位生物生物修复的具体操作：原位生物生物修复的具体操作：1、环境条件的改善或修饰、环境条件的改善或修饰2、接种合适的微生物以降解污染物、接种合适的微生物以降解污染物3、种植合适的植物类型以吸收或降解污染物、种植合适的植物类型以吸收或降解污染物 异位生物修复对于一些难处理的污染物，异位生物修复对于一些难处理的污染物，如某些有毒化合物、挥发性污染物或

24、浓度如某些有毒化合物、挥发性污染物或浓度较高的污染物的处理。较高的污染物的处理。 因此，异位生物修复是不可替代的选因此，异位生物修复是不可替代的选择。择。11.4.3 生物修复技术的应用 1、石油污染的生物修复、石油污染的生物修复 2、重金属污染的生物修复、重金属污染的生物修复 3、地下水污染的生物修复、地下水污染的生物修复 1989年3月24日，埃克森公司”瓦尔德斯”号油轮在阿拉斯加州威廉王子湾搁浅，并向附近海域泄漏了将近4165万升原油。 埃克森公司“瓦尔德斯”号油轮的原油泄漏事故被公认为1989年重大国际性事件之一。阿拉斯加州沿岸几百公里长的海岸线遭到严重污染，数以千计的海鸟和水生动物丧

25、生，大约1万渔民和当地居民赖以生存的渔场和相关设施被迫关闭，鲑鱼和鲱鱼资源近于灭绝，几十家企业破产或濒于倒闭。因此，污染受害者根据埃克森公司自己报告的每年平均盈利50亿美元的财务状况，集体向联邦法庭提出了诉讼，要求肇事者支付总值150亿美元的经济损失赔款和带有惩戒性质的罚款。 对石油污染地的生物修复通常有两种方法对石油污染地的生物修复通常有两种方法: 1、通过增加营养盐以促使土著微生物的生长 2、通过生物反应器培养，增加有益微生物的数量，然后再将这些微生物混合类群接种到污染地进行生长繁殖。 重金属污染的生物修复 1、生物吸附法生物吸附法 又称接触稳定法或吸附再生法，是活性污泥法之一种。又称接触

26、稳定法或吸附再生法，是活性污泥法之一种。其运行特点是将活性污泥对有机物的降解的两个过程（吸其运行特点是将活性污泥对有机物的降解的两个过程（吸附和代谢降解）分别在各自的反应器（吸附池和再生池）附和代谢降解）分别在各自的反应器（吸附池和再生池）内进行。这种方法可以充分提高活性污泥的浓度，降低有内进行。这种方法可以充分提高活性污泥的浓度，降低有机营养物和微生物之比，是利用活性污泥的物理作用（吸机营养物和微生物之比，是利用活性污泥的物理作用（吸附作用）进行污水处理的方法。附作用）进行污水处理的方法。生物吸附法主要是针对水中溶解的污染物生物吸附法是一种新型的去污方法 2、生物累积法 生物累积法主要是利用

27、生物细胞的新陈代谢作用，吸收金属离子并输送到细胞内部累积起来，从而达到去除环境中的金属污染物的效果。水中积累过量硝酸盐水中积累过来重金属 3、地下水污染的生物修复 地下水污染（地下水污染（ground water pollution）主要指人类活）主要指人类活动引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变动引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而使质量下降的现象。地表以下地层复杂，地下水流动极而使质量下降的现象。地表以下地层复杂，地下水流动极其缓慢，因此，地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难其缓慢，因此，地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理的特点。地下水一旦受到污染，即使彻

28、底消除其污以治理的特点。地下水一旦受到污染，即使彻底消除其污染源，也得十几年，甚至几十年才能使水质复原。至于要染源，也得十几年，甚至几十年才能使水质复原。至于要进行人工的地下含水层的更新，问题就更复杂了。进行人工的地下含水层的更新，问题就更复杂了。 对地下水原位生物修复方法是对地下水原位生物修复方法是:在修复区分别钻掘注水在修复区分别钻掘注水井和抽水井，接种微生物和营养物，并通过向地面上抽取井和抽水井，接种微生物和营养物，并通过向地面上抽取地下水，造成地下水在地层中流动，促进微生物的分布和地下水，造成地下水在地层中流动，促进微生物的分布和营养等物质的运输，保持氧气供应，以利微生物的降解过营养等

29、物质的运输，保持氧气供应，以利微生物的降解过程。程。环境污染监测与评价的生物技术1. 指示生物 1.1 指示生物定义： 对某一环境特征具有某种指示特性的生物则叫做这一环境特征的指示生物 1.2 指示生物分类： 水污染指示生物 大气污染指示生物 在陆生动植物中也有许多指示生物。一些鸟类对大气污染，特别是一氧化碳污染反应敏感。如很早以前就有人用金丝雀监测煤矿坑道中的一氧化碳。许多植物对大气污染的反应也很敏感。例如地衣、苔藓植物、紫花苜蓿等对二氧化硫敏感，唐昌蒲等对氟化氰敏感，烟草对臭氧敏感。很多生长期较长、容易栽培和管理，并对大气污染反应敏感而症状明显的植物，都可作为指示生物。SO2污染指示植物紫

30、花苜蓿向日葵芝麻荞麦氟化氢(HF)污染指示植物唐菖蒲郁金香金荞麦小苍兰臭氧(O3)污染指示植物烟草烟草矮牵牛矮牵牛1.3 指示生物的选择条件 （1）有足够的敏感性 （2）有广泛的地理分布和足够的数量 （3）是生态系统的重要组成 （4）实验室易于繁殖和培养 （5）具有丰富的生物学背景资料 （6）对毒物或因子的反应能够被测定 （7）具有重要的经济价值和旅游价值2. 核酸探针 2.1 核酸探针定义： 放射性同位素、生物素或荧光染料进行标记的已知序列的核酸片段，即为探针（probe）。探针可用于分子杂交，杂交后通过放射自显影、荧光检测或显色技术，使杂交区带显现出来2.2 核酸探针的制备方法 长度一般以

31、50300bp为宜，制备方法： （1）DNA重组技术 （2）PCR扩增 （3）化学合成2.3 核酸探针分类 （1）基因探针根据标记物不同可粗分为放射性探针和非放射性探针两大类 。 （2）根据探针的来源及核酸性质不同又可分为DNA探针，RNA探针，cDNA探针，及寡核苷酸探针等几类。 2.4 核酸探针应用 （1）可以检测水环境中的致病菌，如大肠杆菌，志贺氏菌，沙门氏菌和耶尔森氏菌等；也可用于检测病毒，如乙肝病毒，艾滋病病毒等等。 （2）目前利用DNA探针检测微生物成本较高，因此，无法对饮用水进行常规性的细菌学检测。耶尔森氏菌 大肠杆菌 志贺氏菌 沙门氏菌 3. PCRPCR技术技术 PCR(聚合

32、酶链式反应）技术是由美国科学家3.1 PCR定义 聚合酶链式反应（PCR）是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火（复性）及适温延伸等几步反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA得以迅速扩增。3.2 PCR步骤 （1） DNA变性（90-96）：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA 。 （2） 退火（复性）（40-65）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链。 （3） 延伸（68-75）：在Taq酶（在72左右最佳的活性）的作用下，以dNTP为原料，从引物的5端3 端延伸，合成与模板互补的DNA链。 实时荧光定量实时荧光定量PCR仪仪梯度梯度PCR

33、仪仪 普通普通PCR仪仪3.4 PCR应用 （1）可直接用于土壤，废物和污水等环境标本的生物检测。 （2）可诊断各种疾病 （3）扩增各种蛋白的基因：可用于基因重组、蛋白表达、构建cDNA文库，目前所用的基因工程生物产品，绝大多数为通过PCR方法而获得的目的基因。 11.5.3 生物芯片生物芯片 生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。 生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。生物芯片的类型生物芯片的类型 常见的生物芯片主要有常见的生物芯片主要有:基因芯片基因芯片

34、蛋白质芯片蛋白质芯片组织芯片组织芯片世界著名生物芯片公司：Affymetrix (Santa Clara, California) 其他: Brax Genomics Limited (Cambridge, UK) ， Hyseq (Sunnyvale, California) ， Incyte Pharmaceuticals(Palo Alto, Cali- fornia) 等等。（1）基因芯片基因芯片 基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼龙膜）。可同时进行数百次常规测试。 大量探针分子固定于支持物上后，利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分

35、子进行杂交，然后用精密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。在基因芯片制备过程中，使用了半导体领域的微加工技术（如右图中的光刻技术）。基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。（2）蛋白质芯片 蛋白质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质分子、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。如：（3）组织芯片组织芯片 组织芯片与基因芯片、蛋白质芯片及细胞芯片等一样，属于一种特殊、新型的生物芯片，是一种新型的高通量、多样本的研究工具。 它将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相

36、载体上，为医学分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。 芯片上的实验室芯片上的实验室 将生命科学研究中的许多不连续的分析过将生命科学研究中的许多不连续的分析过程如样品制备、生物化学反应和目标基因程如样品制备、生物化学反应和目标基因分离检测等烦琐的实验操作，通过分离检测等烦琐的实验操作，通过采用像采用像集成电路制作中的半导体光刻加工那样的集成电路制作中的半导体光刻加工那样的缩微技术，移植到芯片上进行，使其连续缩微技术，移植到芯片上进行，使其连续化、微型化化、微型化。 11.5.4 生物传感器生物传感器及其他及其他一、生物传感器的基本概念 生物传感器通常是指由一种指由一种生

37、物敏感部生物敏感部件件和和转化器转化器紧密结合，对特定种类化学紧密结合，对特定种类化学物质或生物活性物质物质或生物活性物质具有选择性和可逆具有选择性和可逆响应的分析装置响应的分析装置。 它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法，也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。（一）生物传感器工作原理待测物质经扩散作用进入固定生物膜待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放

38、大并输出，以电极测定其电流二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度浓度。转换器转换器敏感元件敏感元件待测物待测物1 生物传感器的模型生物传感器的模型是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学、发酵工应用领域：环境监测、食品分析、生物医学、发酵工业等业等敏感元件：敏感元件：酶、抗体、核酸、细酶、抗体、核酸、细胞等。胞等。转换器：转换器：电化学电极、光学检电化学电极、光学检测元

39、件、场效应晶体测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、管、压电石英晶体、表面等离子共振。表面等离子共振。酶酶 (Enzyme)抗体抗体(Antibody)DNA2 生物传感器的组成生物传感器的组成3 转化器转化为电信号的方式（1）将化学变化转变成电信号化学变化转变成电信号 酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器，常用转换装置有氧电极、过氧化氢。（2）将热变化热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传

40、感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。（3）将光信号光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。鲁米诺 鲁米诺(luminol)，又名发光氨。化学名称为3-氨基邻苯二甲酰肼，化学式为C8H7N3O2，结构式见右图，1853年就被合成出来了。1928年发现它被氧化时能发出蓝光。主要用于现代刑侦的的血液检测，能检测只有百万分之一含量的血，即使滴一小滴血

41、到一大缸水中也能被检测出来。过氧化氢变成水和单氧，单氧再氧化鲁米诺让它发光。上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为间接测量方式。 （4）直接产生电信号直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。（二） 生物传感器发展历程 开端于 20 世纪 60 年代。 1962 年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果，可认为是最早提出了生物传感器(酶传感

42、器)的原理。 1967年Updike等人实现了酶的固定化技术，研制成功酶电极，这被认为是世界上第一个生物传感器。 20世纪70年代中期后,生物传感器技术的成功主要集中在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术、生物电信息的转换以及生物传感器等研究 ,并获得了较快的进展，如Divies首先提出用固定化细胞与氧电极配合，组成对醇类进行检测所谓“微生物电极”。 1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测定的微生物传感器的报告，并在微生物传感器对发酵过程的控制等方面，作了详细报导，正式提出了对生物传感器的命名。1 根据根据输出信号输出信号产生的方式产生的方式 生物亲和型、代谢型

43、、催化型2 根据根据生物分子识别元件上的敏感物质生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等3 根据根据信号转化器信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等4 其他分类其他分类 被测对象、大小、功能（三）生物传感器分类 （1）生物亲合型传感器生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起时引起敏感材料的分子结构敏感材料的分子结构和和/或或固定介质发生固定介质发生

44、变化变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：反应式可表示为： S（底物）（底物）+ R（受体）（受体） = SR （2）代谢型传感器代谢型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的底物的消耗或产物的增加消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为：器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为： S（底物）（底物）R（受体）（受体）= SR P（生成物）（生成物） 上面介绍的各种名

45、称都是类别的名称，每一类又都包含许多种具体的生物传感器。 例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等。 就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等。实际上还可再细分。（四） 生物传感器组成部分 一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。（五） 生物传感器优点1 根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广测定范围广泛。泛。2 一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。3 体积小、响应快、样品用量少体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在可以实现连续在位检测。位检测。4 通常其敏感材料是固定