环境生物技术概论讲解课件

1、1第1讲 环境生物技术概论贾晓强 讲师xqjia 2/461 环境生物技术课程简介课程安排 课堂讲授：14课时 学术报告：2课时 考察方式 平时出勤：20% 期末论文：80% 公共邮箱 参考教材 现代环境生物技术，第2版，王建龙、文湘华编著，清华大学出版社，2008年9月 环境生物技术原理与应用，第1版，杨传平、姜颖、郑国香等编著，哈尔滨工业大学出版社，2010年5月 3/46课程具体内容1 环境生物技术概论 2 酶工程在环境污染治理中的应用 3 基因工程在环境污染治理中的应用 4 细胞工程在环境污染治理中的应用 5 发酵工程在环境污染治理中的应用 6 废水生物处理技术 7 大气污染的生物处理

2、技术 8 固体废弃物生物处理技术 9 生物修复技术 10 有害有机污染物的生物 处理技术 11 重金属的生物处理技术 12 污染预防生物技术 13 有机废弃物的资源化能源、材料、蛋白 14 环境生物监测与安全性评价 4/462 人与环境人类社会的发展创造了前所未有的文明，同时也带来了许多生态环境问题 水资源短缺 土壤荒漠化 有毒化学品污染 臭氧层破坏 酸雨肆虐 物种灭绝 森林减少 生态环境的破坏使人类的生存和发展面临严峻挑战 5/46美国密歇根州铜矿及工厂产生的尾料将湖水染红 6/46酸雨的危害一般将pH小于5.6的降雨称为酸雨 降水酸度pH4.9时，将 会对森林、农作物和材料产生明显损害 7

3、/461980年，美国纽约州阿第伦达克山，早春时节的酸雨酸雪污染了河川，造成一场致命的“酸流”，令溪鳟纷纷死于鳃部伤害 8/46有毒物质污染有毒物质污染是指对生态系统和人类健康有毒害作用的物质排放到环境中而引起的危害 这些物质都是生产和生活过程中的产物，如废水、废气和固体废弃物、农药、化肥和放射性物质等 9/461973年以后在莫斯科工业区附近，已经出生了90名四肢不全的畸形儿 10/4620世纪著名的八大环境公害事件名称地点时间危害情况马斯河谷烟雾事件比利时1930.12几千人发病，60人死亡多诺拉烟雾事件美国1948.106000人患病，17人死亡伦敦烟雾事件英国1952.125天内400

4、0人死亡洛杉矶光化学烟雾美国1940年代引起眼病，喉头炎,头痛水俣事件日本1953始痴呆，神经失常，死亡富山事件日本1931始关节痛,骨骼软化萎缩,痛死四日事件日本1970年哮喘，肺气肿，10多人死亡米糠油事件日本1968年患者5千多人，死亡16人11/4621世纪环境热点问题：温室效应与全球变暖温室效应 大气对地表热辐射能遮挡保温的属性类似温室中玻璃具有的作用，故被称为温室效应 温室气体 大气中能强烈吸收地面辐射产生温室效应的气体。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮、臭氧等 全球变暖问题 主要指人为活动造成的温室气体增加，温室效应增强带来的气候变化 人类活动对气候变暖的影响主要表现为：由于

5、工业生产需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化发展等引起人为排放的二氧化碳等温室气体不断增加；热带森林和温带植被破坏严重，光合作用吸收二氧化碳的能力减弱 12/46资料表明 1860年以来，全球地表年平均气温升高了0.3-0.6 根据跨政府气候变化委员会预测，从1990到2100年，全球陆面气温将增加2气候变暖的直接结果 世界各地冰川的溶化（后退），引起海平面的上升。将直接威胁世界沿海城市及30多个岛屿的生存和发展。美国环保专家预测，再过50-70年，东京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中国一些沿海城市会被完全和局部淹没 气候变暖的间接结果 灾害性气候：厄尔尼诺现象。厄尔尼诺可

6、以引起全球大范围的干旱，也可使某些地区暴雨成灾。例如，1997年3月开始的第14次厄尔尼诺造成中国长江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接损失几千亿元 13/462008年世界各国CO2排放情况14/46我国环境保护的现状 环境保护已成为当前国际关系、经贸合作中的一个极为重要的问题，也日益严重地影响着我国国民经济的可持续发展 在我国过去几十年的经济发展中，由于忽视了发展中的环境保护，目前环境状况十分严峻；近年来虽采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续 从城市到乡村，我国的大气、河流、湖泊、海 洋和土壤等均受到不同程度的污染 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一 15/46贵阳、重庆、北

7、京、兰州、太原五个城市位居世界十大空气污染最严重的城市之列；全国600多个城市中，大气质量符合国家一级标准的不足1% 全国范围的酸雨危害的程度和区域日益扩大 空气污染2010年美媒评世界9大污染最严重地区山西临汾位列第一 16/46水污染全国每年污水排放达360亿吨，仅10%的生活污水和70%的工业废水得到处理，其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准 其他未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破坏 据统计，全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中，属4类和5类水体的占39%；城市地面水污染普遍严重，并呈进一步恶化的趋势，136条流经城市的河流中，属4类、

8、5类和超过5类标准的高达76.8%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富营养化程度逐年加剧；一些地区的饮用水源受到严重污染，对人民健康造成严重危害 17/46城市垃圾污染城市垃圾和工业固体废弃物与日俱增，工业废弃物累计堆积量已超过66亿吨，占地超过5万公顷，使200多个城市陷入垃圾包围之中 18/46生态环境遭到严重破坏生态环境破坏是由于对自然资源的不合理开发和利用而引起的 中国科学院发布国情报告：中国在90年代的沙漠化速度是每年2100km2，相当于两个半香港，或30个北京城。而2000年已达2460km2，2003年已超过3000km2 遥感普查数字表

9、明：中国水土流失面积已达367万km2，约占国土面积的38，总量达每年50亿吨，相当于全国的耕地每年被剥去1cm的肥土层，损失N.P.K肥4000多万吨，相当于全国1年生产化肥的总和 地球土层的平均厚度18cm，在温带地区的自然条件下,每形成1cm的表土需100400年，即使管理极好，也需20年 此外，黄河断流，塔里木河断流，罗布泊消失，长江危机，长江每年表土流失24亿吨，5亿吨流入东海 滥用化肥和农药，造成土壤退化，我国中低产田已由原来的60上升到80 19/46人与环境的和谐之道解决环境问题的根本途径是调节人类社会活动与环境的关系 要真正实现这种调节必须具备下列条件 掌握自然生态规律 通晓

10、环境变化过程，能预测人类活动引起的环境影响，运用规律去利用自然资源、改造自然 20/46空气主要污染物二氧化硫（SO2）：二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃烧产生。二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈刺激性。另外，二氧化硫对 金属材料、房屋建筑、棉纺化纤织品、皮革纸张等制品容易引起腐蚀，剥落、褪色而损坏。还可使植物叶片变黄甚至枯死 氮氧化物（NOx）：NOx污染主要来源于生产、生活中 所用的煤、石油等燃料燃烧的产物 (包括汽车及一切内燃机燃烧排放的NOx) ；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。当NOx与碳氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生光化学反应，产生一种光化学烟雾

11、，它是一种有毒性的二次污染物 21/46空气主要污染物一氧化碳（CO）：毒性气体 氟化物（F）：指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化物。氟化物对眼睛及 呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化物气体时，可引起肺水肿和支气管炎 颗粒污染物：空气中的粒子状污染物数量大、成分复杂，它本身可以是有毒物质或是其它污染物的运载体。煤烟、工业生产过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风的扬尘等，以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物 22/46空气主要污染物铅及其化合物（Pb）：指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物。主要来源于汽车排出的废气。铅进入人体，可大部分蓄积于人的骨骼中，损害骨骼造血系 统和神经系统，

12、对男性的生殖腺也有一定的损害。引起临床症状为贫血、末梢神经炎，出现运动和感觉异常。我国尿铅80微克/升为正常值，血铅正常值小于50微克/毫升 23/46地面水主要污染物氨氮：指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和动物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达2.54.5公斤。氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害 化学耗氧量（COD）：是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需氧量。水中有机污染物主要来源于生活污水或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体。水体中有机物含量过高可降低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽时，

13、水质腐败变臭，导致水生生物缺氧，以至死亡 24/46地面水主要污染物石油类：主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和加工过程。石油类污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂浮在水面上的油类可迅速扩散，形成油膜，阻碍水面与空气接触，使水中溶解氧减少。油类含有多环芳烃致癌物质，可经水生生物富集后危害人体健康 25/46地面水主要污染物生化需氧量(BOD5)：生化需氧量也是水质有机污染综合指标之一， 是指在一定温度 (20)时，微生物作用下氧化分解所需的氧量。其来源、危害同化学 需氧量 挥发酚：水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水。酚类属有毒污染物，但其毒性较低。酚类化合物对鱼类有毒害作用，鱼肉中带有

14、煤油味就是受酚污染的结果 26/46地面水主要污染物汞：汞（Hg）及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积。水体中汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛等。总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中只有15%被脑吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或遗患终生 氰化物：氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为50微克；氰化钠约100微克；氰化钾约120微克。氰化物经口、呼吸道或皮肤进入人体，极易被人体吸收。急性中毒症状表现为呼吸困难、痉挛、呼吸衰竭，导致死亡 27/463 生物技术应用于环境污染治理生物技术的概念 应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体对物

15、料进行加工，以提供产品为社会服务的技术1982年，国际合作与发展组织 以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的1986年，原国家科委 28/46现代生物技术传统生物技术：以酿造为代表，以微生物发酵为主题，一般可分为上游/中游/下游过程 20世纪40年代抗生素大规模发酵：化学工程+微生物工程现代生物技术（生物工程）：以DNA重组为主要手段的基因工程为核心，也包括酶工程/细胞工程/发酵工程等；多学科交叉；广泛使用计算机及各种高科技仪器设备；应用领域广泛 1953年DNA双螺旋结构的发现 1973

16、年第一次基因重组实验的成功 环境生物技术是现代生物技术的重要研究和应用领域 29/46环境生物技术的概念环境生物技术是现代生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边缘学科，诞生于1980年代末期 环境生物技术涉及生物技术、工程学、环境学、生态学等学科领域，既有较强的基础理论要求，又具有鲜明的技术应用特点 环境生物技术指的是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够认识环境过程、高效净化环境污染、同时又生产有用物质的工程技术 30/46环境生物技术的进展进展 提高了去除传统污染物，如BOD、悬浮物、氮、磷的能力 去除有毒有害有机化合物组分，如含氯

17、有机溶剂 将一些特殊污染物降低到很低的浓度 毒性的生物测定方法开发 处理介质的拓展，如饮用水、地下水、土壤、空气等 原因 现代生物技术的发展深化了对微生物特征的认识，提高了 改变或强化微生物功能的能量，获得了高效工程菌 微生物生长环境和工艺手段的改进 31/46环境生物技术的层次划分环境生物技术可分为三个层次 高层次是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术，如基因工程菌的构建、抗污染型转基因植物的培育等 中层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，以及其在新的理论和背景下产生的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等 低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、

18、人工湿地系统等 三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段 新途径 主力军 自然性 32/46目前环境生物技术面临的任务基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中，其遗传稳定性、功能高效性和生态安全性等方面的问题 开发废物资源化和能源化技术，利用废物生产单细胞蛋白、生物塑料、生物农药、生物肥料以及利用废物生产生物能源，如甲烷、氢气、乙醇等 建立无害化生物技术清洁生产新工艺，如生物制浆、生物絮凝剂、煤的生物脱硫、生物冶金等 开发对环境污染物的生理毒性及其对生态的影响检测技术 33/46环境生物处理技术的相关概念生物处理的主体是微生物，生物降解过程以微生物的代谢为核心，化合物的分解过程遵循化学

19、原理 生物降解是指由生物催化的复杂化合物的分解过程 生物处理就是在设计的工程设施内，利用生物降解与转化作用去除水、废水、固体废弃物、废气等介质中的污染物质 有机物的转化 矿化：有机物完全无机化的过程；其为微生物生长的基质和能源 共代谢：使有机物得到修饰或转化，但不能完全分解；由非专一性酶促反应完成；不导致细胞质量和能量的增加，需要有另外的基质存在 生物处理过程基本上分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种过程 34/46好氧生物处理的基本原理有氧条件下，有机物在好氧微生物的作用下氧化分解，有机物浓度下降，微生物量增加 合成代谢：有机物被用于合成新的细胞物质 分解代谢：有机物分解成CO2和H2O，产生

20、能量 有机物的好氧分解 35/46有机物的降解途径历程：大分子小分子二氧化碳+水+硝酸盐+硫酸盐等 难降解有机物 难降解有机物结构稳定或对微生物活动有抑制作用，适生的微生物种类少 不同类型的难降解有机物的降解历程也不尽相同 许多降解过程与微生物携带的质粒有关 有机物好氧生物降解的一般途径 36/46有机物降解动力学指数方程（适用于均匀溶液）： c：污染物浓度 t：反应时间 K：降解速率常数 n：反应级数，1 双曲线方程（适用于非均相）： K1：随浓度增加的最大反应速率 K2：假平衡常数 37/46微生物的增殖微生物菌群的生长表现为适应期、对数增殖期、衰减期和内源呼吸期 对数期微生物增殖速率和自

21、身浓度成一级反应，细胞数量按指数增殖 衰减期微生物生长与残余有机物浓度成一级反应 内源呼吸阶段微生物代谢自身细胞，总量减少 静态培养微生物生长曲线 38/46溶解氧的提供溶解氧是影响好氧生物处理过程的重要因素，充足的溶解氧有利于好氧生物降解过程的顺利进行 溶解氧的需求量与微生物的代谢过程密切相关 不同的好氧生物处理过程和工艺中，溶解氧的提供方式不同，如在废水好氧生物处理过程中，溶解氧可以通过鼓风曝气、表面曝气、自然通风等方式提供 39/46好氧过程的控制在有机物的好氧分解过程中，有机物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗这三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程 即：底物消耗

22、速率、菌体生长速率、溶氧消耗速率及其对应的控制策略 40/46厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种厌氧微生物的代谢活动，将有机物转化为无机物和少量细胞物质的过程 无机物质主要是生物气即沼气和水 沼气的主要成分是2/3的甲烷和1/3的二氧化碳 有机物厌氧分解过程 41/46厌氧生物分解有机物的过程水解阶段 复杂有机物在发酵性细菌的胞外酶作用下分解为溶解性的小分子有机物过程缓慢，是厌氧降解的限速阶段 发酵阶段（酸化） 溶解性小分子进入细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等 同时合成细胞物质 产乙酸阶段 发酵酸化阶段产生的丙酸、丁酸、乙醇等经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、