现代生物技术与环境污染治理

现代生物技术与环境污染治理第一页，共七十一页，2022年，8月28日第一节现代生物技术的概述第二页，共七十一页，2022年，8月28日1.1、现代生物技术概述一、生物技术

生物技术（Biotechnology）是指利用生物有机体或组成部分发展新产品或新工艺的一种技术体系。基因工程：核酸的分离、提取、体外剪切、拼接重组以及扩增与表达等技术。细胞工程：细胞的离体培养、繁殖、再生、融合，细胞核、质、器的移植改建。酶工程：利用酶的特异催化功能，借助固定化，生物反应器等新技术生产特定产品的技术发酵工程：为微生物提供最适宜的发酵条件，生产特定产品的技术生物技术第三页，共七十一页，2022年，8月28日生物技术的依据和出发点：生物在生长、发育与繁殖过程中进行物质合成、降解和转化的能力。生物技术的核心基础是基因工程和细胞工程。优越性：不可取代快速、精确低耗、高效副产物、副作用小安全性好

第四页，共七十一页，2022年，8月28日二、现代生物技术的发展

目前发达国家中经营石油，化工，医药，酿造和种子等产业的公司无一例外地都竞相开展生物技术的研究和发展生物技术产业。

我国生物技术目前发展的重点：为进一步发展农业培育高产优质和抗逆的动植物新品种：为防治严重疾病研制新型疫苗和药物：为医药、食品化工和农业生产开辟新途径开发蛋白质工程技术。第五页，共七十一页，2022年，8月28日1.2、现代生物技术在环境科学中的应用前景

环境生物技术

就是应用于认识和解决环境问题过程的生物技术体系、包括对环境污染效应的认识、环境质量评价和环境污染的生物处理技术等。生物技术最早应用于环境污染治理的是利用农业废物沤制堆肥。废水生物处理主要方法——活性污泥法已经过80余年的历程。第六页，共七十一页，2022年，8月28日现代生物技术治理环境污染的缺点：

1反应慢；

2占地面积大，反应器体积大且重；

3对原水水质要求高；4剩余污泥处理麻烦；5有一些难于降解的物质等等第七页，共七十一页，2022年，8月28日第二节基因工程与环境污染生物治理第八页，共七十一页，2022年，8月28日2.1、基因工程分子生物学基础遗传物质分子——脱氧核糖核酸DNADNA是由大量的脱氧核糖核苷酸组成的生物大分子。可变部分是其碱基序列，嘌呤和嘧啶碱基携带遗传信息,糖和磷酸基则起结构作用。（四种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C）基因基因是DNA分子上的一个特定的片段，不同基因的遗传信息有各自片段的碱基排列顺序所决定。基因通过转录出的信息是核糖核酸指导mRNA合成特定的蛋白质，使基因的以表达，完成特定的生命活动。第九页，共七十一页，2022年，8月28日2.2、基因工程的基本过程

一、基因工程的工具酶

要进行基因片段的剪切和拼接，首先需要能在特定位置上切割DNA分子的限制性内切酶和能将DNA片段连接在一起的DNA连接酶。每种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在其中特定的切点上切割DNA分子，把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切，然后让两者的末端粘起来，在用DNA连接酶将其连接起来，就可以组成重组DNA分子——粘性末端问题第十页，共七十一页，2022年，8月28日二、基因工程载体要将一个外源的基因送入受体细胞，需要有运输工具，这就是载体。常用载体有：质粒，噬菌体，动植物病毒。质粒是基因工程最常用的载体，首先由于其上有某一限制酶的单一切点，用同种酶切断的外源DNA片段插入该质粒的切口，就组成了重组DNA分子。其次由于质粒上有选择性标记，可以根据受体细胞是否具有该种标记来判断受体细胞是否获得了该重组质粒。因此质粒在基因工程中得以广泛应用。第十一页，共七十一页，2022年，8月28日大肠杆菌质粒的分子结构示意图大肠杆菌的质粒是最常用的质粒。第十二页，共七十一页，2022年，8月28日三、目的基因的分离1、从基因组直接分离目的基因常用鸟枪法，用限制酶将某种生物的DNA切成片段并分别加入载体，对受体细胞进行转化，让外源DNA所有的片段都在宿主细胞中大量扩增，在筛选出有目的基因的转化细胞。该法有一定的盲目性，工作量大。2、酶促合成法将真核细胞基因转录的全部RNA提取出来，在体外经反转录酶的作用，生成与mRNA互补的DNA，即cDNA，再将cDNA酶切后载入载体，建立cDNA文库，筛选出目的基因。已知核苷酸顺序的目的基因，通过聚合酶链反应（PCR）技术直接合成。第十三页，共七十一页，2022年，8月28日四、目的基因与载体的重组工艺用同一种限制酶切割含有目的基因的外源DNA和载DNA,产生相同的粘性末端，在DNA连接酶的作用下，形成完整的重组DNA分子。五、将目的基因导入受体在体外完成的DNA的重组后，一般将重组的DNA分子导入受体细胞让目的基因在受体细胞中表达。基因工程中常用的受体细胞是大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞。第十四页，共七十一页，2022年，8月28日六、对目的基因的筛选和检测将目的基因在载入载体，导入受体细胞后，必须对目的基因进行检测，确认细胞中以摄入重组的DNA分子。检测方法一般有遗传学方法、原位杂交法和免疫学方法。七、目的基因在受体细胞中的表达目的基因在受体细胞中的表达，受到许多因素的表达。目的基因的阅读框架必须与载体DNA的启示密码相吻合。要有适当的启动子保证目的基因的正确转录。基因的蛋白产物有时还需要经过修饰和加工才能成为有活性的功能蛋白。第十五页，共七十一页，2022年，8月28日基因工程示意图第十六页，共七十一页，2022年，8月28日2.3基因工程在环境生物处理中的应用应用基因工程菌处理污染物的主要优势：集中与创造目的基因，提供综合性代谢新污染的通路和杂种细胞。提高代谢通路结构基因的表达，针对新的污染物，改变表达的调节方式。控制降解途径的限制性步骤，提高分解代谢酶的合成或其他生化反应过程效率防止有毒终污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确定的基因实现最初的目的。第十七页，共七十一页，2022年，8月28日主要工程菌及应用：1降解卤代芳烃的基因工程菌：卤代芳烃属于非生理物质，广泛存在于工业、农业2分解尼龙寡聚物的基因工程菌3分解多糖的基因工程菌：为新能源开辟了途径4抗金属基因工程菌：降镉、汞、铅等金属5除草剂降解基因工程菌：2、4-D除草剂一种诱发恶性淋巴瘤的物质。中科院的抗三氮苯类除草剂大豆。6杀虫剂降解基因工程菌：苏云金杆菌能分泌毒性蛋白，杀灭鳞翅目昆虫第十八页，共七十一页，2022年，8月28日转基因植物存在的问题：1植物基因工程与昆虫抗药性问题：12代昆虫繁殖对苏云金杆菌毒蛋白抗性；生物的共同进化问题2植物基因工程与生态稳定问题：基因的迁移和转化等等问题。我国基因工程的成就第十九页，共七十一页，2022年，8月28日第三节细胞工程与环境污染生物处理第二十页，共七十一页，2022年，8月28日3.1细胞工程概述细胞工程细胞工程是利用细胞学技术，有计划地改造细胞遗传结构，从而培育出人们所需要的生物品种或具有某些新性状的细胞群体。细胞工程的内容细胞培养：即使细胞在继续体外生长和繁殖。细胞融合：在一定条件下，将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程，又称细胞杂交。第二十一页，共七十一页，2022年，8月28日细胞重组：在体外条件下，运用试验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组件，再根据需要把它们在不同的细胞之间重新进行装配，成为具有生物活性的细胞。遗传物质转移：基因在细胞水平上的转移。第二十二页，共七十一页，2022年，8月28日3.2细胞融合构建环境工程菌一、原生质体的制备与融合方法1.概念：原生质体（Protoplast）细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的那部分结构称为原生质体。原生质体具有原有细胞全部的内部结构与生理性能，但无细胞壁，细胞呈球形，对渗透压敏感，对外界理化因子比较敏感。第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日在外界理化融合因子的诱导下，不同物种间的原生质体的质膜相互融合杂交，并在适当的条件下，融合的原生质体再生出细胞壁并恢复原来完整的细胞形态与群落形态，构成具有多种遗传性状的新物种。故可利用原生质体融合来构建新物种。2.原生质体融合方法亲本的选择：选择两种合适于充足的亲本菌株，选定适宜的遗传标记。第二十四页，共七十一页，2022年，8月28日原生质体的制备：选用合适的酶系，在等渗溶液中溶解细胞壁。原生质体的再生：酶解后得到的原生质体能够在等渗的培养基中重建细胞壁，恢复细胞完整形态，并能生长、分裂的过程称为再生。原生质体的融合与融合子的检出：化学诱导法：在得到两亲本原生质体后，等量混合两亲本的原生质体，加入适量的PEG（聚乙二醇）和钙离子溶液，保温后，洗去多余的PEG，在选择培养基上筛选出融合子。电融合法：借助电场的作用，引发细胞融合。第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日细胞工程示意图第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日二、原生质体融合来构建环境工程菌融合子概念：细菌的互生现象1原生质体融合构建苯环化合物降解菌2原生质体融合构建纤维素降解菌3聚已二醇诱导原生质体融合制备细菌杀虫剂球型芽孢杆菌（杀灭双翅目昆虫）——苏云金芽孢杆菌（鳞翅目昆虫）4电融合诱导选育利用木糖和纤维二糖产乙醇的菌株。酿酒酵母（无法形成细胞壁）+季也蒙假丝酵母（精氨酸缺陷型）只有融合子相伴生长第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日第四节酶学工程与环境污染生物治理第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日4.1酶学工程基本概念与研究现状酶工程（EnzymaticEngineering）指利用生物有机体内酶所具有的特异催化功能，借助固定化生物反应器和生物传感器等技术、装置，高效优质地生产特定产品的技术。目前酶工程主要研究酶的生产、纯化和固定化技术以及在环境污染治理、工业、医药、卫生和理论探索等方面的应用。酶知识链接：3000种；2500种有应用前景；特种酶耐高温、低温酸碱等等，如加酶洗衣粉。嗜热（250°C—350°C）、冷、盐、压菌清洁工艺的利用：酶法氧化乙烯或者丙烯，生产环氧乙烷或者环氧丙烷（合成纤维、洗涤剂、环氧脂的原料）

第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日4.2固定化酶一、固定化酶及其特点固定化酶（ImmobilizedEnzyme）又称水不溶酶，是通过物理吸附法或化学键合法将水溶性酶和固态的不溶性载体相结合，使酶变成不溶于水但仍保持催化活性的衍生物。固定化酶的特点：比较稳定，可长时间保持酶的活性；可回收、再生、重复使用，适合于连续化、自动化和管道化工艺；第三十页，共七十一页，2022年，8月28日可制成酶布、酶片、酶柱等多种形式。二、酶的分离提纯动植物提取vs微生物提取1选育：根据需要筛选产酶量高并已于培养和分离提取的优良菌株。2发酵培养：按照微生物生长和生产的最适条件进行培养，即发酵过程。3分离提取：用盐析、等电电沉淀等方法对发酵液提纯。4菌种保存：将酶制品浓缩、结晶，并在低温下保存。第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日三、酶固定化方法1载体结合法包括共价结合法、离子结合法、物理吸附法、生物特异结合法四种。常用载体有：活性炭、多孔玻珠、高岭土、氧化铝等2交联法利用戊二醛、等交联剂使酶与酶发生交联（多功能基团形成共价键）而进行固定。第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日3包埋法将酶包裹在凝胶格子或由半透明膜组成的胶囊中。A格子型：硅胶、聚丙烯酰胺凝胶网格子中

B微胶囊型：类似细胞的功能，酶布的生产4逆胶束酶法逆胶束指表面活性剂等两性分子（亲水性、疏水性）在有机溶剂中自发形成的聚集体。逆胶束酶法指将酶以逆胶束的形式固定。意义：酶既能在水中反应，又能在有机溶液中反应5复合法：将以上方法综合使用第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日四、可逆可溶性固定化酶酶在可溶状态下反应，反应后经简单操作可沉淀，回收利用。通过改变pH、温度等理化参数，或由金属离子的添加、去除等方法可获得可溶、不溶两种状态的天然及合成高分子物质，将酶共价键合于这些物质中即可产生可逆可溶性固定化酶。与酶共价反应物质：丙烯醛——丙烯酸共聚物、海藻酸等等第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日五固定化酶反应器批量反应器装备简单、不能进行连续反应。连续反应器能进行连续进、出废水，效率高。第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日第三十九页，共七十一页，2022年，8月28日4.3固定化细胞一、固定化细胞的特点优点：1固定化细胞比游离细胞稳定性高，催化效率高于离体酶；2比固定化酶操作简便，成本低廉；3能完成多步酶反应，反应时无需补加辅助因子；缺点：固定化细胞内含有庞大而复杂的酶系，其中有些酶是不需要的，甚至对反应是有害的，这是其不足之处。第四十页，共七十一页，2022年，8月28日二、细胞的固定化方法自溶酶灭菌法：使细胞自溶酶失活，细胞及可重复使用。往往使细胞中其它酶系和自溶酶一起失活而不能广泛应用。絮凝吸附法：加入絮凝剂，被絮凝后的细胞再经冷冻或干燥处理后，可提高酶活性的稳定性和改善细胞壁的机械性能，是固定化细胞可以反复使用。常见絮凝剂：聚丙烯酰胺、活性硅胶等等第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日固定化技术处理废水的优点：1处理效能高，成本低，稳定性高2可通过再培养恢复酶的相对活力，可重复利用3污染物处理特异性强固定化技术处理废水目前存在的问题1载体成本较高；2固定化材料对传质过程有阻碍，使酶活性大多低于游离细胞。三、固定化技术处理废水第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日工程实例1用海藻酸钙包埋固定热带假丝酵母菌处理含酚废水2运用多孔陶珠固定具脱色功能的混合菌细胞处理印染废水3固定化藻细胞：除去氮磷

(1)挂膜：人工水草，为菌藻混合体（2）固定：蓝藻类为主（3） COD(化学需氧量)的去除：第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日（4）停留时间与氨氮去除的关系：（5）透明度、挂膜深度、补偿深度（6）微单元第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日3.4废水jing化生物强化技术一、废水净化生物强化技术概述生物强化技术（Bioaugmentation）或生物增强技术就是为了提高处理系统的处理能力，而向该系统中投加从自然界中筛选的优势种群并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，促进系统内生物处理效率的方法。普遍存在理论：以改变环境为主投菌法理论：投放优势菌种第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日1生物添加剂的生产方法：

a热风干燥生产法：以麦麸为培养基，加热诱导形成孢子

b冷冻干燥技术法：添加抑制剂，不形成孢子2使用方法：温水活化，投放

第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日二、生物活液（LivingLiquorMicroorganism）生物活液：含有经过筛选的天然菌种或人工培植的变异菌种的生物制剂。有菌粉、菌液两种生物活液的组成：1芽孢杆菌：兼性菌，分泌胞外酶，分解不溶性脂肪2假单胞菌：分解有机物，脱氮3亚硝化单胞菌：参与硝化过程，氨气转化为亚硝酸盐4硝化杆菌：亚硝酸盐---硝酸盐5纤维单胞菌：分解植物纤维6气杆菌：厌氧，碳水化合物---糖7红色假单胞菌：厌氧光照下，产生红色素（以美国GES公司的LLMO为例）使用方法：将生物活液投在进厂的截流干管或进水井内。投加量根据进水水质并经过试验来确定。第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日三、使用生物添加剂工程实例对生活污水的生物处理对印染废水的生物处理：一般采用化学混凝、活性炭吸附、臭氧或氯化；一般好氧处理时，色度不理想；高效菌及活性污泥接种，效果好。第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日1何为细胞工程？何为酶工程？二者有何区别？2原生质体融合有何方法？目前已经构建了哪些有实践意义的工程菌？3酶固定有哪些方法？细胞固定有哪些方法？4生物活液主要有哪些细菌组成的？第五十页，共七十一页，2022年，8月28日第五节发酵工程在环境污染治理中的应用第五十一页，共七十一页，2022年，8月28日5.1发酵的基本概念一、发酵（Fermentation）发酵指微生物分解有机物，产生乳酸或乙醇和二氧化碳的过程。在发酵条件下，有机物只是部分被氧化，故发酵的结果只是积累某些有机物，产生多种多样的发酵产品。第五十二页，共七十一页，2022年，8月28日可发酵的底物有糖类、有机酸等，其中以微生物发酵葡萄糖（即乙醇发酵）最为重要。在微生物工业中，发酵术语指的是任何大规模过程，不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用，可在有氧或无氧的条件下进行。微生物的工业发酵就是利用各种微生物不同的发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品。第五十三页，共七十一页，2022年，8月28日二、发酵过程的原理及四个阶段

原理：单一菌种；纯培养第一阶段：发酵原料的预处理发酵原料可以是薯类、谷类、有机废弃物等，预处理包括粗选、除杂、粉碎、蒸煮、水解等过程。第二阶段：发酵过程的准备发酵前必须进行微生物菌种种子的制备和发酵原料的无菌消毒。第三阶段：发酵过程厌氧发酵（如乙醇发酵和乳酸发酵等）啤酒好氧发酵（如氨基酸发酵和抗生素发酵等）两种方法。第五十四页，共七十一页，2022年，8月28日第四阶段：产品的分离与纯化指从发酵液中制取符合质量指标的制品，可采用过滤、离心除杂、吸附、沉淀、蒸馏等方法对发酵液中的产品做进一步的提炼。第五十五页，共七十一页，2022年，8月28日5.2发酵工程在环境污染治理中的应用亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵：富含木质素、糖类，漂白用的二氧化硫需氧通气预处理酵母循环系统：酵母菌—活性污泥系统，效能高；细菌活性污泥系统废纤维素的资源化有机固体废物的快速堆肥：传统露天堆肥及缺陷第五十六页，共七十一页，2022年，8月28日第五十七页，共七十一页，2022年，8月28日第六节生态工程与污水处理系统第五十八页，共七十一页，2022年，8月28日6.1生态工程简介一、生态工程的定义及其应用生态工程（EcologicalEngineering）指由人工设计的、以生物种群为主要结构组分、具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。它可以是人工设计的一个群落、生态系统或更宏观的地域性生态空间。生态工程构建和运行的主要理论依据是生态学原理，为了满足人们的某种需要，同时在设计时还必须遵循社会规律和经济规律。第五十九页，共七十一页，2022年，8月28日环境生态工程的主要目的是为了保护生态环境，也有可能在保护环境的同时，通过良好的物质循环和能量流动过程，获得经济效益。生态工程设计已进入定量、建模阶段。二、生态工程的类型物质能量多层利用生态工程物质转化与再生生态工程无污染生态工程污染自净多功能生态工程工农业联合生态工程第六十页，共七十一页，2022年，8月28日6.2氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。一、净化原理氧化塘的净化原理氧化塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。藻类进行光合作用释放氧气；细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物；第六十一页，共七十一页，2022年，8月28日分解产物中的CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源；增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。氧化塘内的反应过程藻类和光合细菌的光合放氧过程；好氧反应：氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等；厌氧反应：硝酸盐还原反应、硫酸盐还原反应、发酵反应等；第六十二页，共七十一页，2022年，8月28日氧化塘内的生物学过程藻类细菌衰亡细胞CO2、NH3H2O、PO43－O2流入污水能沉淀的固体处理出水O2

风阳光（厌氧性）（兼性）有机物微生物有机酸、醇等微生物CH4＋CO2＋NH3等第六十三页，共七十一页，2022年，8月28日二、氧化塘内的生物组成藻类：位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等；细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在氧化塘底部的厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。第六十四页，共七十一页，2022年，8月28日三、氧化塘的分类与功能兼性塘（FacultativePond）塘深1.0～2.5m，上层DO充足，好氧微生物占优势；中层DO不足，兼性微生物占优势；下层厌氧微生物占优势。可应用于处理工业、农业废水和生活污