环境生物技术课件

废水好氧生物处理工程第一节生物处理技术概述

一、生物处理的基本原理生物处理的主体是微生物。有机物的转化广义上可以定义为两种：矿化和共代谢矿化是将有机物完全无机化的过程，是与微生物生长包括分解代谢与合成代谢过程相关的过程。共代谢通常是由非专一性酶促反应完成的，不导致细胞质量或能量的增加,使有机物得到修饰和转化，但不能使其分子完全分解。1.好氧生物处理的基本原理在好氧条件下，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。微生物将有机物摄入体内后，以其作为营养源加以代谢，代谢按两条途径进行：合成代谢和分解代谢图6-1有机物好氧分解图示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。（1）有机物的降解图6-2有机物好氧生物降解的一般途径（2）微生物的增殖图6-3静态培养微生物生长曲线（3）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。充足的溶解氧供应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。在不同的好氧生物处理过程和工艺中，溶解氧的提供方式也不同。2.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。（1）厌氧生物分解有机物的过程图6-4有机物厌氧分解过程■

水解阶段复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶的作用下分解为溶解性的小分子有机物。该过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的限速阶段。■发酵（酸化）阶段溶解性小分子有机物进入发酵菌（酸化菌）细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸（VFA),同时合成细胞物质。■

产乙酸阶段发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。■产甲烷阶段产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。其一是在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。（2）水解处理水解处理是指将厌氧过程控制在水解或酸化阶段，利用兼性的水解产酸菌将复杂有机物转化为简单有机物。能降低污染物的复杂程度，提高后续好氧生物处理的效率。（3）缺氧处理在没有分子氧存在的条件下，一些特殊的微生物类群可以利用含有化合态氧的物质进行代谢活动。二、微生物催化降解的必要条件1.存在含有某种降解酶的微生物。2.微生物必须在目标化合物出现的环境中出现。3.化合物必须是具有适宜酶的微生物可获得的。4.如果产生降解的启动酶是胞外酶，酶作用的化学键必须暴露以利于催化作用发生，这种条件并不是总能满足，因为许多化合物会发生吸附。5.催化起始降解的酶如果是胞内酶，化合物分子则必须进入细胞内部的酶作用位点，或者胞外反应产物进入细胞内部进行进一步降解。6.由于能作用于多种合成化合物的细菌或真菌种群或生物量起始浓度较低，环境条件必须适合具有活性潜力的微生物增殖。三、影响生物降解的因素1.微生物活性2.目标化合物特征3.环境因素（1）营养（2）温度（3）pH（4）氧第二节废水处理技术概述废水包括生活污水和工业废水工业废水是生产污水和生产废水的总称一、废水水质指标水质指标是水污染控制工程的基础，其

主要作用是：

1）表示水的污染程度

2）表示处理厂的处理效果

3）作为设计处理工程的指标

4）作为污水排入水体的标准制定、检验等。

1.生物化学需氧量（BOD）

生化需氧量表示在有氧的情况下，由于微生物的活动，可降解有机物稳定化所需的氧量。BOD越大，表示水体中的有机物越多，污染越严重。2.化学需氧量（COD）

化学需氧量是指在一定条件下水中有机物与强氧化剂（如K2CrO4,KMnO4)作用所消耗的氧量。水中的COD不仅代表水中有机物的含量，同时也包括水中还原性无机物被氧化的耗氧量。根据BOD/COD的比值可以初步评介废水的可生化性。一般来说：

BOD/COD>=0.4可生化性较好，适合于用生化处理方法。

BOD/COD=0.3～0.4可生化性一般，可以用生化处理方法。

BOD/COD=0.2～0.3可生化性较差，需驯化后用生化处理方法。

BOD/COD<0.2可生化性很差，不适合于用生化处理方法。3、

悬浮固体（SuspendedSolid,SS）

悬浮固体SS；挥发性悬浮固体VSS；总固体TS；4、

无机性水质指标

PH；颜色；温度；氨氮；溶解固体；氯化物。有毒物指标：重金属；硫化物；氰化物；

其它有机物；三致物质及高稳定有机合成化合物。（细菌总数；大肠菌指数。--微生物指标）

二、废水处理的方法按照作用原理和去除对象可分为：物理法化学法生物法1.废水的物理处理法利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物质。使用的处理设备有：格栅、筛网、沉砂池、沉淀池、滤池、气浮装置、离心机等。2.废水的化学处理法利用化学反应作用来分离、转化、破坏或回收废水中的污染物，使其转化为无害物质。通常通过向废水中投加某些化学物质，从而达到净化废水的目的。1）中和处理法酸或碱2）混凝处理法3)化学沉淀法4）氧化还原法5）吸附法6）离子交换法7）膜分离法3.废水生物处理法采取一定的措施，使微生物大量生长和繁殖，从而提高微生物氧化、分解有机污染物的一种技术。活性污泥法是当前应用最广泛的一种生物处理技术。生物膜法生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等自然生物处理法稳定塘和土地处理法厌氧生物处理法利用兼性厌氧菌和专门厌氧菌在无氧条件下降解有机污染物的处理技术。废水的脱磷除氮第二节活性污泥法

一、活性污泥与活性污泥法有机废水经过一段时间的曝气后，水中会产生一种以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。

活性污泥法就是以含于废水中的有机污染物为培养基，在有溶解氧的条件下，连续地培养活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中有机污染物。普通活性污泥法处理系统如图7-3。活性污泥处理系统有效运行的基本条件：（1）废水中有足够的可溶性易降解有机物；（2）曝气池中有足够的氧气；（3）活性污泥在池中呈悬浮状态，可与废水充分接触；（4）活性污泥连续回流，及时排出剩余污泥；（5）没有对微生物有毒害作用的物质进入。二、活性污泥法中的微生物

及其变化规律（一）微生物种类细菌：是生物相中的主要成分,形成菌胶团原生动物：鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫真菌：主要是霉菌，一般呈丝状后生动物：轮虫类、线虫类等。（二）活性污泥的增长曲线

（三）吸附基质，代谢，自身繁殖以及消耗水中溶解氧的关系

三、活性污泥的性能指标

活性污泥的性能决定着净化结果的好坏。（一）混合液悬浮固体

（MLSS）（二）污泥沉降比（SV）

（三）污泥体积指数（SVI）

（四）污泥密度指数（SDI）

四、影响活性污泥性能的

环境因素

（一）溶解氧（DO)不低于2mg/L（二）水温15～25℃（三）营养料碳源、氮源以及微量的钾，镁，铁，维生素等

（四）有毒物质重金属离子锌，铜，镍，铅，铬等

非金属化合物酚，醛，氰化物，硫化物等（五）pH6.5～8.5

五、运行中常见的问题（一）污泥膨胀

广义地把活性污泥的凝聚性和沉降性恶化，以及处理水浑浊的现象总称为活性污泥的膨胀。1.丝状体膨胀2.非丝状体膨胀（二）污泥上浮（3）污泥的致密和减少

有机物减少，曝气时间过长，回流比小而剩余污泥排放量大，污泥上浮而流失等。（4）泡沫问题合成洗涤剂或其他起泡物质。六、活性污泥法的发展1.深水曝气活性污泥法2.纯氧曝气活性污泥法以纯氧代替空气3.活性炭载体活性污泥法4.活性污泥法除氮除磷5.凝聚剂活性污泥法第三节生物膜法一、生物膜法的基本原理微生物附着在固体滤料的表面上，在固体介质表面形成生物膜，废水同生物膜相接触而得到处理，所需氧气一般来自大气。所以又称为生物过滤法。（一）生物膜法分类生物滤池是生物膜法中最重要的处理设备，根据生物膜与废水的接触方法及介质的种类，分为：1.润壁型生物膜法如生物滤池生物转盘2.浸没型生物膜法接触氧化法3.流动床型生物膜法（二）生物膜的形成及特点在生物膜净化构筑物中，填充着相当多的挂膜介质。当有机废水均匀地淋洒在介质表层上后，便沿介质表面向下渗流。在充分供氧的条件下，接种的或原存在废水中微生物就在介质表面增殖。这些微生物吸附水中的有机物，迅速进行降解有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成了粘液状的生长有极多微生物的膜，称为生物膜。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的数量才能达到净化目的。一般，生物膜厚度介于2～3mm较为理想，膜太厚，会影响通风，造成堵塞。二、生物滤池（一）生物滤池的基本原理1.生物膜构造2.生物滤池的基本流程生物膜构造剖面示意图生物滤池的基本流程

（二）生物滤池的基本特征1.微生物群上层细菌中下层原生动物和微型后生动物2.生物链长，污泥量少，当负荷低时，出水水质高度硝化，依靠自然通风供氧，运行费用低。三、生物滤池的构造1.池体2.滤料质轻、比表面积大和孔隙率高3.布水装置4.排水系统渗水顶板、集水沟、排水渠高负荷生物滤池构造示意图旋转布水器示意图

常用渗水装置示意图

（二）影响生物滤池功能的

主要因素1.滤床的比表面积和孔隙率2.滤床的高度3.负荷有机负荷水力负荷4.回流5.供氧

废水生物脱氮除磷技术第一节水体中的氮及其危害性第二节废水生物脱氮技术第三节废水生物除磷与同步脱氮除磷技术第一节水体中的氮及其危害性一、存在形式及其来源氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。1.有机氮蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等。来源：生活污水、农业废弃物（植物秸秆、牲畜粪便等）、工业废水（食品加工、印染、制革、食品加工等）

2.无机氮氨氮、亚硝态氮和硝态氮。来源：有机氮的微生物分解农田排水工业废水（炼焦、化肥）二、氮污染的危害城市污水中的氮主要以氨氮存在。氨氮消耗水体中的溶解氧。氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮。氮化合物对人和生物有毒害作用。加速水体的“富营养化”过程。第二节废水生物脱氮技术一、生物脱氮的基本原理生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成：硝化作用：氨氮硝酸盐氮反硝化作用：硝酸盐氮气态氮图4－2－1生物脱氮过程示意图1、硝化反应硝化反应由两组自养好氧微生物完成：亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）硝酸盐细菌（Nitrobacter）硝化作用是指由硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐氮的过程。硝化过程分为两个阶段：第一步：亚硝化菌氨氮亚硝酸盐亚硝化菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属。第二步：硝化菌亚硝酸盐硝酸盐硝化菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属。反应式：NH4++1.382O2+1.982HCO3-

0.982NO2-+1.036H2O+1.891H2CO3

+0.018C5H7O2N(1)NO2-+0.488O2+0.01H2CO3+0.003HCO3-

+0.003NH4+NO3-+0.008H2O+0.003C5H7O2N(2)总反应式：

NH4++1.86O2+1.982HCO3-

0.982NO3-+1.044H2O+1.881H2CO3

+0.021C5H7O2N（3）由（3）可知：硝化反应消耗碱度和氧气每氧化1mgNH4+-N为NO3--N需消耗7.14mgCaCO3,需氧4.57mg硝化反应的环境条件：1）好氧条件，并保持一定的碱度。2）混合液中有机物含量不应过高，BOD5应在15～20mg/L以下。3)适宜温度是20～30℃，15℃时速度下降，5℃时完全停止。4）污泥龄必须大于其最小的世代时间。5）重金属、高浓度的NH4+-N和NOx-－N对硝化反应有抑制作用。2、反硝化过程是指由一群异养微生物，将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，在无氧或低氧条件下还原转化为气态氮或氮氧化物的过程。反硝化细菌包括：假单胞菌属、反硝化杆菌属、小球菌属、嗜气杆菌属、碱杆菌属等。反硝化过程中NO2-和NO3-的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。其中异化作用去除的氮占70～75％。NO2-+3H(电子供体－有机物）½N2+H2O+OH-NO3-+5H(电子供体－有机物）½N2+2H2O+OH-

可见，反硝化过程产生部分碱度，但同时需要有机物，如果污水中没有足够的有机物，一般投加甲醇。反硝化反应的影响因素：1）碳源2）pH6.5～7.53）溶解氧0.5mg/L以下4）温度20～40℃二、生物脱氮工艺（一）活性污泥法脱氮传统工艺是由Barth开创的所谓3级活性污泥法流程，包括氨化、硝化、反硝化三项反应过程。图4-2-2活性污泥传统脱氮工艺（3级活性污泥法流程）图4-2-32级活性污泥脱氮系统

图4-2-4单级活性污泥脱氮系统三、生物脱氮原理的新认识及

相应工艺最近的一些研究表明：硝化过程不仅有自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用。理论解释：1.微环境的存在，是同时硝化反硝化现象的最主要原因；2.从微生物发展的角度也提出可能存在的、目前尚未被认识的微生物菌种（如好氧条件下的反硝化细菌）能使同时硝化反硝化现象发生。缺氧一好氧活性污泥法脱氮系统

（A/O法）是于80年代初期开创的工艺流程，其主要特点是将反硝化反应器置放在系统之首，故又称为“前置式反硝化生物脱氮系统”。

图4-2-5

缺氧一好氧活性污泥法脱氮系统系统的特征：（1）反硝化反应器在前，BOD去除、硝化两项反应的综合反应器在后；（2）反硝化反应以原废水中的有机物为碳源；（3）硝化液回流；（4）反硝化反应过程产生的碱度可补偿硝化反应消耗碱度的一半左右；

（5）流程简单，不需外加碳源。系统的不足之处：（1）沉淀池如运行不当，池内会产生反硝化反应，污泥上浮，处理水水质恶化。（2）系统的脱氮率较低，一般在85％以下。第三节废水生物除磷与同步脱

氮除磷技术一、除磷技术的发展污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。20世纪50年代到60年代初，Srinath等人在污水处理厂的生产性运行中，观察到生物超量吸磷的现象。70年代的研究工作弄清了生物除磷所需的运行条件，并有意识的将其工程化。

80年代到90年代，通过全面的基础研究及生产性研究和工程运转经验的总结，污水生物除磷的理论及技术均获得了重大进展及突破。二、生物除磷的基本原理废水中磷的存在形式：磷酸盐（H2PO4-、HPO42-

和PO43-）、聚磷酸盐和有机磷。生物除磷就是利用聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms,PAOs)一类的细菌，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储藏在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。1.聚磷菌的磷过量摄取在好氧条件下，聚磷菌ADP+H3PO4+能量ATP+H2OH3PO4的大部分是通过主动输送的方式从外部环境摄入的，一部分用于合成ATP,另一部分则用于合成磷酸盐。这一现象就是“磷的过量摄取”。2.聚磷菌的放磷在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP水解，放出H3PO4和能量，形成ADP,即：

ATP+H2OADP+H3PO4+能量三、生物处理过程中除磷途径小结研究结果表明，超量除磷主要是生物作用的结果，但生物超量除磷并不能完全解释某些条件下出现的除磷性能，生物诱导的化学除磷可能是生物除磷的补充。在生物除磷系统中磷的去除可能包括下列5种途径。生物超量除磷污泥含磷量可达3％－7％正常磷的同化作用微生物合成消耗磷正常液相沉淀pH阳离子浓度加速液相沉淀生物膜沉淀细菌反硝化作用使膜内pH升高，导致磷从液相进入无机相。四、影响生物除磷过程的因素1.溶解氧磷摄取过程要求充足的氧，放磷的过程应保持绝对厌氧的条件。2.污泥龄一般污泥龄短的系统产生的剩余污泥量较多，可以取得较高的除磷效果。3.温度和pH值5～30℃pH6～84.BOD负荷较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果。5.硝酸氮和亚硝酸氮抑制磷的释放五、生物除磷工艺1.福斯特利帕（Phostrip）除磷工艺它是1972年开发的一种将生物除磷和化学除磷相结合的一种工艺。图4-3-1福斯特利帕除磷工艺流程本工艺的特点：1.除磷效果好处理水磷低于1mg/L2.污泥含磷高2.1～7.1％3.石灰用量低。存在问题：流程复杂，建设费用和运行费用高；沉淀池（Ⅱ）底部可能形成缺氧状态，而释放磷。2.厌氧－好氧除磷工艺图4-3-2厌氧－好氧除磷工艺流程本工艺流程简单，建设和运行费用都较低，厌氧反应器能够保持良好的厌氧状态。存在的问题有：由于微生物对磷的吸收有一定限度，故除磷率难以进一步提高；沉淀池易于产生磷的释放现象，应及时排泥和回流。

六、同步脱氮除磷工艺1.巴登福（Bardenpho)同步脱氮除磷工艺Bardnard首先发现了硝化/反硝化过程中除磷的效果，并最先研究和开发了既能脱氮又能除磷的污水处理工艺，如Bardenpho工艺

本工艺的主要优点是各项反应都反复进行两次以上，各反应单元都有其首要功能，并兼行二、三项功能，脱氮、除磷效果良好。存在的问题是工艺复杂，反应器单元多，运行繁琐，成本高。

2.A-A-O法同步脱氮除磷工艺图4-3-7A-A-O法同步脱氮除磷工艺流程

本工艺存在问题：1）脱氮效果难以提高；2）污泥增长受到一定限度，除磷效果也不易提高；3）沉淀池溶解氧含量不宜过高，防止循环液对缺氧反应器的干扰。

3.福列德克斯（Phoredox）脱氮除磷工艺是巴登福工艺的改进，主要是在第1厌氧反应器之前再加一厌氧反应器，以强化磷的释放，从而能够保证在好氧条件下，有更强的吸收磷的能力，以提高除磷效果。

废水厌氧生物处理技术第一节厌氧生物处理的基本原理一、厌氧生物处理过程及其特征厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物的共同作用，使有机物分解并生成CH4和CO2的过程。厌氧分解过程图3-1有机物的厌氧分解过程图3-2厌氧生物处理的四阶段理论（1967年，Bryant)

有机物质

Ⅰ发酵细菌长链脂肪酸、醇类

Ⅱ产氢产乙酸细菌乙酸H2/CO2

Ⅲ产甲烷细菌

CH4图3-3厌氧生物处理的三阶段理论（1979年）第一阶段：水解发酵阶段

水解

糖酵解多糖单糖乙醇和脂肪酸

水解

脱氨基蛋白质氨基酸脂肪酸和氨第二阶段：产氢、产乙酸阶段，由产氢产乙酸细菌将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和CO2。第三阶段：产甲烷阶段，由产甲烷细菌利用乙酸、H2和CO2，产生甲烷。厌氧生物处理的主要特征：1.能量需求大大降低，还可产生能量。不需供氧，相反却能生产出沼气。污泥产量极低。厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。对温度、pH等环境因素更为敏感。高温厌氧菌和中温厌氧菌的适宜温度范围分别为55℃和35℃左右。4.处理后废水有机物浓度高于好氧处理。厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解（或部分降解）。6.处理过程的反应较复杂。

二、厌氧消化微生物（一）发酵细菌（产酸细菌)1.属别包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌属和双歧杆菌属。大多数为专性厌氧菌，也有大量兼性厌氧菌。2.功能通过胞外酶将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。

（二）产氢产乙酸细菌1.属别包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属。为绝对厌氧菌或是兼性厌氧菌。2.功能把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸

H2，反应如下：乙醇：CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2(三）产甲烷细菌最常见的是：产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产甲烷八叠球菌、产甲烷螺菌和产甲烷丝菌等。产甲烷菌都是绝对厌氧菌,在分类学上属于古细菌。可分为两类：（1）利用乙酸产生甲烷

CH3COOHCH4+CO2

(2)利用H2和CO2合成CH4

4H2+CO2CH4+2H2O三、厌氧微生物的培养上世纪60年代末Hungate开创了绝对厌氧微生物的培养技术。

(一）Hungate滚管法（二）充氮厌氧培养袋法原理利用NaBH4或KBH4与水反应生成氢气，在催化剂钯的作用下，H2与袋内的O2生成水。（三）焦性没食子酸去氧法在碱性溶液中。（四）厌氧罐培养法

(五）倒扣平板法四、产甲烷菌－古细菌与

三原界系统在对各大类生物的16SrRNA核苷酸顺序的同源性测定的基础上，R.H.Whittaker和L.Marhulis提出了三原界学说（图3－4）

产甲烷菌在分类学上属于古细菌（Archaebacteria)与真细菌相比，古细菌有特点：（1）细胞膜的类脂结构古细菌所含的类是不可皂化的。（2）细胞壁成分独特而多样不含胞壁酸、

D型氨基酸和二氨基庚二酸（3）核糖体的16SrRNA其核苷酸顺序独特，不同于真细菌和真核生物。（4)tRNA成分顺序独特，不存在T(5)蛋白质合成的起始密码始于甲硫氨酸与真核生物相同。（6）对抗生素等的敏感性对青霉素、头孢霉素、D-环丝氨酸和氯霉素不敏感，而对白喉毒素十分敏感。（7）生态条件独特严格厌氧菌：产甲烷菌极端嗜盐菌嗜热嗜酸菌五、厌氧生物处理微生物群体

间的关系（一）不产甲烷细菌（包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌）为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质。（二）不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件。（三）不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质。（四）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制。（五）不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。总之，在厌氧生物处理反应器中，不产甲烷菌和产甲烷菌相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和条件，但又互相制约。六、厌氧生物处理的影响因素（一）温度

（二）pH值产甲烷菌的最适pH值范围为6.8～7.2

高温消化（55℃左右）的反应速率为中温消化（35℃左右）的1.5～1.9倍，产气率较高，但甲烷含量较低。新型反应器处理废水的厌氧消化反应在常温（20～25℃）下进行。

厌氧发酵体系中的pH值除受进水pH的影响外，还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡。（三）氧化还原电位严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，用氧化还原电位来表示反应器的含氧浓度。不产甲烷菌:+100~--100mV

产甲烷菌:--150~--400mV(四）营养对C、N等营养物质的要求略低于好氧微生物。但由于不能合成某些必要的维生素或氨基酸，故需补充钾、钠、钙等金属盐类，以及镍、铝、钴和钼等微量金属。（五）有机物负荷以向每立方米消化池中，在1日内可投加的有机物量或BOD量来表示（kg／（m3.d)（六）有毒物质有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至遭到破坏。抑制性物质：硫化物、氨氮、重金属、氰化物以及某些人工合成的有机物。厌氧微生物可降解蒽醌类燃料、偶氮燃料、含氯的有机杀虫剂等在好氧条件下难以降解的合成有机物。

2－氯丙醇、1－氯丙烷、2－氯丙烷、丙烯醛和甲醛等对厌氧微生物有毒害作用。七、厌氧生物处理与好氧生物处理的区别（一）起分解作用的微生物类群不同。（二）好氧处理有机物所需时间比用厌氧法处理短的多，没有臭气产生。（三）厌氧生物处理对环境要求与好氧生物处理不同。（四）厌氧法的降解较不彻底，放热少，反应速度低，处理的有机物负荷低。（五）处理对象不同厌氧生物处理多用于处理沉降的有机污泥和高浓度的有机废水；而好氧生物处理则多用于处理有机污染浓度较低或适中的废水。近年来，开发了好氧技术和厌氧技术联合运用的方法，大大推进了生物处理技术的研究和应用。八、厌氧生物处理工艺的发展化粪池、双层沉淀池厌氧接触法第二代废水厌氧处理反应器（厌氧滤池、上流式厌氧污泥床反应器、厌氧附着膜膨胀床、下行式固定膜反应器和厌氧流化床等。第二节厌氧消化池一、消化池类型与构造厌氧消化池主要用于处理城市废水厂的污泥，也用于处理固体含量很高的有机废水。（一）消化池的分类根据消化池顶结构不同分为：固定盖消化池浮动盖消化池根据消化池运行方式的不同分为：传统消化池高速消化池1.传统消化池

又称低速消化池，池内不设加热和搅拌装置。消化速率很低，消化时间长，只有在规模小的废水处理厂才采用。2.高速消化池

设有加热和搅拌装置，厌氧微生物与有机物得到充分的接触，消化速率高，消化期一般为15天，被废水处理厂广泛采用。（二）消化池的构造由池顶、池底和池体三部分组成。搅拌设备：机械搅拌：泵搅拌螺旋桨式搅拌喷射泵搅拌沼气搅拌：气提式搅拌竖管式搅拌气体扩散式搅拌加热设备：1.池内蒸汽直接加热设备简单，局部污泥易过热，影响微生物的正常活动，增加污泥的含水率，从而增加消化池容积。2.池外加热污泥预热后投配到消化池中，易于控制，有利于杀死寄生虫卵，不会对厌氧微生物产生不利影响。但加热设备较复杂。

废物资源化生物技术第一节废物生产单细胞蛋白第二节纤维质原料生产酒精第一节废物生产单细胞蛋白一、前言1.单细胞蛋白的概念单细胞蛋白（Single-Cell-Protein,简称SCP)一词是由美国麻省理工学院（MIT)的CarrollWilson教授于1966年首先提出的。通常SCP是指通过培养单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物蛋白，包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等。2.开发SCP的意义◆人们的需要◆微生物蛋白的营养价值微生物菌体的70％～85％为水分，干物质中的主要成分是糖类、蛋白质、核酸、脂类及灰分。粗蛋白的含量：细菌：40％～80％酵母菌：35％～60％丝状真菌：15％～50％

◆单细胞蛋白的主要用途：作为人类食品作为饲料作为工业原料（微生物培养基成分、合成纤维的亲水剂、各种填料、增稠剂、乳化剂及稳定剂等）3.SCP生产的现状及其发展趋势

二、生产SCP的微生物生产SCP的微生物种类较多，根据原料不同，可以分为如下几类：（1）以碳水化合物为原料，如酿酒酵母，假丝酵母，木霉和青霉等。（2）以碳氢化合物（石油）为原料，假丝酵母菌（3）以甲醇为原料，细菌为主（4）以乙醇为原料，酵母菌为主，其次是细菌和霉菌。（5）以甲烷为原料，细菌为主（6）利用CO2为碳源，氢为能源，如氢单胞菌（7）利用光能，如小球藻、螺旋藻及光合细菌等。细菌：生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和烃类，但个体小，分离困难，且蛋白质不如酵母菌易于消化吸收。丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量较低。藻类：纤维质的细胞壁不易为人体消化，且具有富集重金属的问题。酵母菌：个体大，易于分离、回收，且蛋白质易于吸收，目前生产上采用较多。三、生产SCP的基质1.适于生产SCP的有机物需满足的条件：价廉易于被微生物降解原料能常年可靠地供应并能够安全、经济地储存能经济地将原料运往工厂质量稳定且可预测2.用于生产SCP的常见废弃物：农业废弃物，需经粉碎、碱处理以提高可消化性。烃类及其衍生物高浓度有机废水固体废弃物工业废气四、SCP生产的工艺技术图5-1单细胞蛋白生产的一般工艺过程五、单细胞蛋白生产中应该

考虑的问题微生物的培养不受季节、气候和地区的限制，所以微生物蛋白生产易于实现工业化。但SCP的广泛使用还存在如下一些问题：（1）核酸含量高（2）毒性物质存在的可能性（3）在人类消化管道中消化得很慢，会使使用者产生消化不良或过敏等症状。（4）比其他来源的蛋白质，如大豆蛋白质更昂贵。单细胞蛋白生产中应该考虑的问题：（1）菌种应增殖速度快，营养要求低，易于培养，可连续发酵，菌体收量大；（2）原料低廉，能大量供给，或直接利用工农业废料；（3）菌体分离回收容易；（4）不易被杂菌污染；（5）生产过程排放废水少；（6）菌体蛋白质含量高，氨基酸组成好；（7）无毒性、病原菌及致癌物质；（8）适口性好；（9）易于储藏、包装。第二节纤维质原料生产酒精一前言二用于酒精生产的纤维素原料

▲农作物纤维废物

▲森林和木材加工工业废物

▲工厂纤维和半纤维素废物

▲城市废纤维垃圾三纤维的预处理天然纤维素水解程度非常低，通常只有10％～20％物理法化学法微生物法1.氢氧化钠处理法

0.1～0.15g

处理费用：66~69美元/吨物料缺点：被处理物料的体积密度很低2.溶剂处理法

Cadoxen:由乙烯二胺和镉氧化物组成的碱性溶液。5h可水解80％左右，而未经处理的最高水解率为20％Cadoxen溶剂可以回收利用。3.稀酸预处理法半纤维素在100℃以下就能较好地溶解在稀酸中。4.分解木质素的微生物处理法四、纤维素酸水解植物纤维酸水解的机理主要是指纤维素和半纤维素的水解纤维素实质上是一种己聚糖半纤维素则主要是戊聚糖无机酸（硫酸和盐酸）可作为水解反应的催化剂。无机酸催化纤维素分解的机理：实践证明，在一定的范围内，纤维素水解反应的速度与酸的浓度呈正比。而且，温度升高，酸水解反应的速度也加快。纤维素水解过程中要减少已生成单糖的进一步分解。2.浓酸水解浓酸水解纤维素的过程如下：缺点：Ⅰ酸必须回收利用，盐酸可以采用真空蒸馏的方法来回收，而硫酸则不能。

Ⅱ要采用防腐蚀的容器，且容器的体积还必须大。3.稀酸水解酸浓度为0.3％～3％，温度为100～200℃

此时主要是大部分半纤维素溶解于酸溶液中，纤维素和剩下的半纤维素则呈不溶解状态。根据这个特点，工业生产上纤维的水解可以分阶段进行。4.序列阶段酸水解1979年，美国的Ladisch提出采用浓酸和稀酸水解的纤维素序列三阶段酸水解法。第一阶段预水解水解和萃取半纤维素第二阶段主水解纤维素水解成寡糖和葡萄糖第三阶段后水解阶段寡糖的水解5.影响酸水解的因素（1）原料的种类和粉碎度（2）酸的种类和用量（3）液比系数水解时液体和纤维素原料的比例叫做液比系数。液比系数增加，产糖量增加，但水解液中糖的浓度下降，酸的用量增加。一般液比系数是5～10（4）水解时间和温度温度高，酸水解的速度加快，但生成的单糖的分解速度也加快，故一般采用高温稀酸短时水解6.稀酸水解的几种常用方法固定水解法是最原始的方法。水解液在整个水解过程完成后一次性排出，水解生成的糖的分解现象严重。分段水解法是将半纤维素和纤维素的水解分阶段进行，可以保证两者的水解都在各自最适宜的条件下进行。渗滤水解法是将稀酸溶液从水解器上部不断淋人，水解液从下部连续排出。稀酸常压水解法主要用于木质纤维素的预处理和玉米芯等半纤维素含量高的原料的酸水解。该法可使大部分半纤维素分解。五、纤维素酶水解纤维素酶水解的理论（1）纤维素酶的来源凡是不仅能利用可溶性纤维素衍生物，而且可以利用天然木质纤维素的菌都能分泌纤维素酶系统。（2）纤维素酶系统由三个基本成分组成内切β-1,4葡聚糖酶类（CX酶)，作用于纤维素大分子的内部，随机切割β-1,4葡萄糖苷键

外切β葡聚糖酶类(C1酶)，也叫微晶纤维素分解酶，作用于纤维素分子链的非还原性末端，产物是葡萄糖和纤维二糖。β-1,4葡萄糖苷酶(Cb酶)，水解纤维二糖和短链寡糖为葡萄糖。(3)纤维素酶水解机制六、纤维质原料酒精生产

工艺流程1.酸水解酒精生产工艺流程下图是前苏联木材酸水解制造酒精的主要工艺流程。2.酶水解酒精生产工艺流程（1）分别水解、发酵工艺图5-2-10Berkeley纤维素酶水解生产酒精流程（2）同步水解、发酵工艺图5-2-11Gulf-Arkansas纤维素同步水解、发酵流程

生物表面活性剂

第一节生物表面活性剂概述

一、前言表面活性剂是当今生物技术中常用的和重要的化合物。它可以减少液体、固体和气体界面间的表面或界面张力，使其在水或其他液体中容易混合或扩散因而广泛应用于现代工业的几乎每一个领域。现今世界表面活性剂的年产量已超过300万吨，产值高达约40亿美元。目前大多数市售的表面活性剂主要来自石油的化学产品。生物表面活性剂：具有特别高表面活性的生物分子称为生物表面活性剂。它可以来源于微生物、植物以及动物，其中微生物生产的生物表面活性剂是一类具有特别高的表面活性的生物分子，具有较好的两亲性和界面优先分配的能力，而且比较适合于工业化生产。生物表面活性剂与合成表面活性剂相比具有以下优势：●具有特别高的表面活性和乳化活性；●生物可降解性；●没有毒性或者毒性低于化学表面活性剂；●可在极端的温度和酸碱条件下使用。二、生物表面活性剂的基本特性

生物表面活性剂由亲水和疏水部分组成，亲水部分由单糖、二糖或多糖、羧酸、氨基酸或肽组成，而疏水部分往往是饱和、不饱和或羟基取代的脂肪酸。对于一些高分子量的表面活性剂分子，如蛋白质－多糖络合物，其亲水和疏水部分由不同的分子提供。（一）特性和功能生物表面活性剂可将发酵液表面张力降低到0.03N/m以下，将正构烷烃的界面张力降低到0.13N/m以下。一些生物表面活性剂也表现出较好的热与化学稳定性。（二）生理学功能生物表面活性剂的生理学功能都与生物表面活性剂的两亲性有关。1.可以增强非极性底物的乳化作用和溶解作用，从而促进微生物在非极性底物中的生长。2.抗生性生物表面活性剂（主要为脂肽和甘油酯）具有杀虫活性。这是由于它具有两亲性，能溶解大多数细胞膜成分而具有抗生素功能。三、生物表面活性剂的类型微生物生产的生物表面活性剂的类型主要取决于所采用的微生物。从化学类型可分为：（一）糖脂和分枝菌酸脂分枝菌酸脂海藻糖脂鼠李糖脂槐糖脂（二）肽和聚合物益沐神（Emulsan)

由乙酸钙不动杆菌产生莎梵婷（Surfactin)

由枯草芽孢杆菌生产（三）脂肪酸（四）磷脂第二节生物表面活性剂的生产一、生物表面活性剂的合成及其遗传学（一）生物合成1.概论生物表面活性剂的生物合成途径多种多样，有从头合成疏水部分、亲水部分或者两者都合成，对于那些非从头合成的组分通过改良碳源如糖类、烷烃等来生产，各种不同碳源基质常常能被结合进生物表面活性剂，形成一属有关的分子。

在脂肽中，脂和肽部分都由烷烃直接合成。糖脂如海藻糖脂是一个典型的化合物，其亲水部分（海藻二糖）不受碳基质的影响，而脂肪酸部分则取决于进料烷烃的链长。以烃类为基质生产的生物表面活性剂是生物表面活性剂中的一大类，许多微生物都可以以烃类为单一碳源生长。酵母菌和真菌主要利用直链饱和烃，细菌则除了降解异构烃或环烷烃以外，还利用不饱和烃和芳香族化合物。

微生物降解烃类存在的主要问题是烃的憎水性。各种微生物以不同方式解决这一问题。细菌和酵母菌通过分泌离子型表面活性剂，使培养基中的烃基质乳化。另一些微生物则产生非离子表面活性剂。总之在烃基质培养时，各种微生物都产生有利于烃基质被动扩散而进人细胞内的效应，这是通过由微生物产生的一大类物质起作用。这类物质也就是所谓的“生物表面活性剂”。

微生物以烃类为基质产生出生物表面活性剂可能由两方面的原因：（1)当生物表面活性剂为胞外产物时，它有利于烃类乳化；（2）当生物表面活性剂为胞壁结合型时，有利于烃类穿透浆膜外周间隙2.脂肪酸的合成在生物表面活性剂生产中，脂肪酸的碳链范围通常很窄，主要是C16酸、C18酸及C20酸。（1）乙酰－CoA的来源

细菌中

酵解

丙酮酸脱氢酶葡萄糖丙酮酸乙酰－CoA

酵母菌和霉菌中乙酰－CoA通过与肉毒碱或草酰乙酸反应透过线粒体。当以乙醇或乙酸等C2基质作为生长培养基时，乙酰－CoA就会直接合成。（2）乙酰－CoA的羧基化乙酰－CoA被乙酰－CoA羧化酶羧化成丙二酰－CoA，然后作为C2供体，以乙酰为单位在合成脂肪酸中逐步使碳链延长。（3）碳链的延伸过程乙酰基与丙二酰基缩合，产生C4单元，然后还原，脱水，C4单元进一步还原，形成丁酰基，丁酰基与另一个丙二酰基缩合，按上述过程循环，产生C6单元，如此反复循环直至形成长链酰基。（4）从烷烃生物合成脂肪酸虽然非极性的烃类基质不溶于水，也不易被氧化，但在微生物产生的表面活性剂的作用下，微生物可以利用烷烃供其生长。烷烃和有关化合物异化作用的结果，合成得到的脂肪酸再被用于构成表面活性剂中的类脂部分。脂肪酸的去向：直接结合成更为复杂的类脂；通过其他代谢途径进一步代谢；作为许多微生物的培养基质，，用来合成生物表面活性剂。3.类脂的合成生物表面活性剂的非极性憎水部分通常是由一个或多个长链酰基构成的类脂基。尽管由全程合成或由烃氧化生成脂肪酸在胞外可以以游离形式存在，但当胞内脂肪酸浓度大于某一极限时，细胞就不能耐受其毒性，因此，脂肪酸在细胞外必须以某种酯化形式存在，以减少对细胞的毒性。真核细胞中最常见的类脂储藏形式时脂肪酸与甘油形成的甘油单、双、三酯，细菌中则可形成多种脂肪酸酯。（二）遗传学

生物表面活性剂合成的遗传学分析还处于早期阶段，利用DNA技术控制生物表面活性剂生产进展很慢，目前用遗传工程生产生物表面活性剂的例子只有将乳糖利用基因在铜绿假单胞菌中的表达，使得其在乳糖或乳酪清中得以生长并生产鼠李糖脂。

最近，用B.Subtilis生产表面活性剂所需的srfA基因，已被置于一个可诱导促进因子的控制之下，从而表面活性剂的生产仅仅依赖于在生长培养基中加入诱导物isopropyl-β-galactoside(IPTG)，其他具有增强生物表面活性剂生产的重组微生物也已经得到。二、生物表面活性剂的生产生产生物表面活性剂的微生物可分为三类：完全以烷烃为碳源生产表面活性剂，如Arthrobactersp;

仅以水溶性底物为碳源，如Bacillussp;

以烷烃和水溶性底物为碳源，如Pseudomonassp

与其他微生物发酵一样，生物表面活性剂生产的目的是获得最大的产率、转化率和最终浓度。另外，减少其他代谢产物的积累十分重要，因为它们会影响产品的物理性质和提取过程。（一）培养基1.碳源是影响生物表面活性剂结构和产量的关键。加入烷烃对生物表面活性剂的生产既可能起诱导作用，也可能起阻碍作用。生物表面活性剂前体物质（蔗糖）的加入可以形成甘油脂亲水支链的组成部分，同样脂肪酸部分的结构也受烷烃链长的左右。2.氮、磷、金属离子和其他添加剂等营养成分也可能会影响生物表面活性剂的生产。例如，BacilluslichenifomisJF-2的脂肽生物表面活性剂的生产中，将磷浓度从100mmol/dm3降低至50mmol/dm3，可将产量从35mg/dm3提高到110mg/dm3。多价离子对生物表面活性剂生产的影响可能与氮代谢有关。青霉素或氯霉素等抗生素的加入增强或抑制生物表面活性剂的生产。3.此外，像许多其他发酵一样，培养温度、培养基pH和溶解氧水平或搅拌速率对生物表面活性剂生产也具有重要影响。（二）发酵

大多生物表面活性剂在微生物生长的稳定期和对数期都释放到培养基中。生物表面活性剂的生产可以在低稀释率下通过分批或连续发酵进行。对于可以通过休止细胞产生的生物表面活性剂，可以通过固定化酶进行生产，并可以结合具有吸附柱的生物反应器。除传统的液态发酵技术外，其他发酵操作也已被应用于生物表面活性剂的生产。例如，利用重组Bacillussubtillus在豆腐残渣上固态发酵生产Surfactin,其产量是液体发酵的4倍以上。第三节生物表面活性剂的合成代谢调节一、生物表面活性剂生产中的代谢调节生物表面活性剂合成前体的代谢途径有多种，在某种程度上取决于主要碳源的性质。从碳水化合物合成糖脂表面活性剂时，有关的微生物代谢主要是糖解和脂肪形成；当以烃类为基质时，主要是脂解和糖原异生。（一）碳水化合物分解代谢的机理

微生物产生生物表面活性剂常常以烃类为基础，然而也能以碳水化合物为基质。虽然生物表面活性剂分子由糖和类脂两部分构成，但在以碳水化合物为基质时，整个分子的合成速度受类脂的合成速度所控制。因此，影响碳水化合物基质中脂肪酸形成的因素同样也可能影响生物表面活性剂的合成。

图7-1从从碳水化合物基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢

A一磷酸果糖激酶B一丙酮酸激酶C一异柠檬酸脱氢酶

D——ATP／柠檬酸裂合酶和丙酮酸脱氢酶A、B、C和D为关键酶（二）烃代谢的控制机理

脂肪酸可以从烃，如正构烷烃合成得到。然后，脂肪酸基可以很方便地构成表面活性剂分子。但是，由于表面活性剂分子中还含有糖部分，它的合成必须经由糖异生途径，即通过β-氧化将脂肪酸氧化到乙酰一CoA，或将奇数碳脂肪酸氧化到丙酰一CoA

。这样，在异柠檬酸裂合酶的作用下，经过苹果酸、乙醛酸循环，烃类氧化得到的乙酰一CoA最终转化成草酰乙酸。它随后由磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸。

图7-2从烃基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢·A一异柠檬酸裂合酶B一苹果酸合成酶C一磷酸烯酸式丙酮酸羧基激酶

D—1，6－二磷酸果糖酶A、B、C和D为关键酶（三）生物表面活性剂合成的调节

生物表面活性剂的合成可通过油性物质的诱发作用、葡萄糖等物质的代谢抑制、限氮及限多价阳离于以及其他作用方法调节。此外，改变微生物生长速度常常会使生物表面活性剂过量生产。温度对生物表面活性剂合成也有调节作用。目前研究最多的是烃和其他不溶于水的物质诱发微生物生产生物表面活性剂的调节方式。

据认为，烃的存在对生物表面活性剂的生成起诱导作用，且发现在生长培养基中添加烃时生长的细胞在形态学上有显著的差异。烃的类型可能也很重要。例如不动杆菌生产的乳化剂对特定烃类有一定的专一性。

第四节生物表面活性剂的应用与前景一、生物表面活性剂的应用1.生物表面活性剂在石油工业中的应用（1）利用微生物和微生物表面活性剂回收岩层中的石油。（2）利用微生物表面活性剂降低石油粘滞度和净化贮油罐。2.生物表面活性剂在采矿工业中的应用生物表面活性剂可促进无机矿质的分散。乙酸钙不动杆菌产生的阴离子多糖可防止石灰石水混物发生絮凝，使其产生10％的分散，也可促使石灰石裂解为小颗粒。3.生物表面活性剂在食品工业中的应用乳化可在食品原料形成一定的浓度、质地和分散相中发挥重要作用。生物表面活性剂可作为乳化剂用于食品原料的加工，也可用于面包和肉类生产，改善面粉的流变学特征，以及部分裂解的脂肪组织的乳化。4.生物表面活性剂在农业中的应用近年来，鉴于化学农药对环境的污染，全球科学家均十分关注利用生物表面活性剂对作物病虫害进行生物防治。生物表面活性剂可使粘重土壤亲水化，进而增加其可湿性，令肥料和农药均匀地分布于土壤。还可增加有机磷杀虫剂地溶解度。5.生物表面活性剂在医药中的应用已证实微生物产生的表面活性剂可供药用。例如铜绿假单胞菌产生的鼠李糖脂、枯草芽孢杆菌和地衣状芽孢杆菌产生的脂肽，以及南极假丝酵母产生的甘露赤藓糖脂都有抗微生物活性。6.生物表面活性剂在保健化妆品中的应用微生物表面活性剂具有一定的保湿能力，且可与皮肤相容。假丝酵母以棕榈油和葡萄糖作为碳源可产生100～150g/L的槐糖脂。已生产出一种含有1摩尔槐糖脂和12摩尔丙二醇的皮肤保湿剂。7.生物表面活性剂在环境保护中的应用（1）用生物表面活性剂消除海域中的石油污染。已发现例如铜绿假单胞菌SB30等所产生的乳剂可将海滩中的石油迅速分散为微滴。（2）利用微生物表面活性剂消除土壤中的烃污染

Bai等（1997）利用铜绿假单胞菌产生的阴离子鼠李糖脂生物表面活性剂，消除了沙柱中84％或22％的残余烃类（十六碳烷烃）。（3）用微生物表面活性剂消除多环芳族烃和脂族烃只有少数微生物可降解土壤中具有4个以上稠合芳香环的多环芳族烃。微生物表面活性剂可通过增溶作用或乳化作用，使吸附于土壤有机物质的烃脱落。（4）用生物表面活性剂消除土壤中的金属污染将微生物表面活性剂加入土壤，可促进土壤中重金属的脱附。例如Tan等（1994）曾利用铜绿假单胞菌ATCC9027产生的鼠李糖脂消除土壤中的镉污染。8.生物表面活性剂在其他方面的应用微生物表面活性剂还可用于水处理、纸浆合造纸工业、纺织工业、陶瓷工业、铀矿开采、木材防腐、沥青和水泥。

生物农药第一节生物农药概况第二节微生物农药第三节农用抗生素第四节源于植物的生理活性物质第五节动物源农药第一节生物农药概况一、生物农药的发展在农药的发展历史中，生物农药是最古老的一类。

《周李·秋官》就有“莽草熏之”“焚牡菊，以灰洒之”等防治害虫的记述；

19世纪以来，应用生物成分防治有害物从经验上升到科学的试验阶段，如除虫菊、鱼藤和烟草等的应用；20世纪早期，苏芸金杆菌（B.thuringiensis)的发现促进了微生物农药的发展；

20世纪30年代以来，几类植物内源激素先后被发现和利用，20世纪40年代后，由于有机合成农药的发展，使生物农药的研究和开发被忽视而发展缓慢；

20世纪60年代，化学农药的弊端暴露出来，生物农药的研究又受到重视；最近的几十年，生物农药得到了长足发展，中国近三年生物农药增长了80％，2000年销售额所占比例由9％上升至20％。二、生物农药的内涵

过去，生物农药就是指“微生物农药”。后来，其概念发展为“相对于化学农药而言的天然资源的生理活性物质，用于农药的有微生物、植物（除虫菊、烟碱等）、昆虫（性引诱剂、变态激素等）。迄今为止比较公认的定义是，生物农药是可以用来防治病、虫、害等有害生物的生物体本身及源于生物，并可作为“农药”的各种生理活性物质。

生物农药一般可分为直接利用生物体和利用来源于生物体的生理活性物质两大类。三、生物农药的优缺点

由于化学农药大都是抗生物降解的毒害性化合物，能通过食物链在生物体内积累，已造成严重污染，故作物保护从化学防治向生物防治转化是发展的趋势。目前全世界已注册的生物农药约有60多种，年销售额为2.5～3亿美元。1.生物农药的优点（1）对有害物选择性高，对生态系统影响较小；（2）对非靶标昆虫、益虫和人很少或没有影响；（3）昆虫不易产生抗性；（4）在环境中无残留。2.生物农药的局限性（1）已获批准使用的种类较少，仅有20多种；（2）杀虫速度缓慢；（3）一些制剂在环境中不稳定；（4）生产成本较高。四、生物农药研究展望

随着人们对化学农药弊端和环保重要性的进一步认识，生物农药将是21世纪农药研究重点，以下几个方面将会受到重视。作用机制独特的生物农药品种将是研究开发的热点之一。如生长调节物质、行为调控化学物质等。生物与化学方法相结合，开发生物化学农药。生物技术向生物农药研究渗透。如转B.t.抗虫棉等的成功。第二节微生物农药■细菌杀虫剂■病毒杀虫剂■真菌杀虫剂■放线菌杀虫剂■线虫杀虫剂■拮抗微生物■微生物除草剂一、细菌杀虫剂细菌杀虫剂是目前研究和利用的较多的一类微生物农药。根据细菌对昆虫的致病性，将其分为4类：（1）含晶孢子形成杆菌，如苏芸金芽孢杆菌（简称B.t.);（2）专性病原菌，如日本甲虫芽孢杆菌（B.popilliae);（3）兼性病原菌，如铜绿假单胞菌和球形芽孢杆菌等；（4）潜在病原菌，如粘质沙雷氏菌。细菌杀虫剂中最典型的、研究历史有90年之久的例子是芽孢杆菌属（Bacillus）。其中以苏芸金芽孢杆菌、日本甲虫芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、缓病芽孢杆菌（B.lentimorbus）等研究得最多。苏芸金芽孢杆菌（B.thuringiensisBerliner)是以德国的苏芸金（Thruingen)地方名命名的。1909年德国苏芸金的一个面粉厂，发现一批染病的地中海粉螟幼虫，由柏林纳首先分离出这种细菌，1915年命名为苏芸金芽孢杆菌。苏芸金芽孢杆菌（其制剂简称B.t.制剂）是目前商业开发最为成功的微生物杀虫剂。主要用于防治棉、菜、果等150多种鳞翅目及其他多种害虫，药效比化学农药高55％。据统计，1997年世界B.t.的销售额已达9.84亿美元。（一）作用机制1.苏芸金芽孢杆菌的形态和生活史苏芸金杆菌是营养体较粗壮、直形、能产生芽孢的杆状细菌。一般具周生鞭毛，微动或不动，单个存在或2-4个相连呈短链。革兰氏染色阳性。营养体一般在30℃经24－48h，在菌体偏端处产生卵圆形芽孢，随着芽孢的产生，在孢子囊的另一端产生一个菱形或正方形的伴孢晶体。芽孢是休眠体，在适宜条件下，吸水萌发形成新的营养体，并重复上述发育阶段。所以苏芸金杆菌的生活过程是：芽孢营养体孢子囊（内含芽孢和伴孢晶体）释放出芽孢和晶体2.苏芸金杆菌所产生的杀虫毒素（1）伴孢晶体毒素（δ－内毒素）所有苏芸金杆菌的菌株在正常条件下，都能形成伴孢晶体，伴孢晶体是一种大分子蛋白质，是一种原毒素。伴孢晶体所以对某些昆虫有害，就在于这些昆虫的消化道内pH值是碱性反应（pH8.9以上），并且它的消化液中含有胰蛋白酶类和糜蛋白酶类，十分适合晶体水解，且水解后产生具有毒性末端的多肽。

而伴孢晶体对脊椎动物是无毒的，除了脊椎动物肠道pH值呈酸性反应外，还由于脊椎动物消化液中含的主要是胃蛋白酶类。苏芸金杆菌对鳞翅目昆虫所引起的症状一般表现为行动迟缓、呕吐、腹泻、停止进食，导致最后死亡。（2）热稳定性外毒素（β－外毒素）热稳定性外毒素于1959年发现，由于它对家蝇有毒，也叫蝇毒素。它是细胞分泌的一种水溶性耐热稳定性毒素，120℃，15min的热处理，仍保持活性。这种毒素在菌体生长过程中，在芽孢和晶体形成前即已产生，24h达到最大量。不是所有的苏芸金杆菌的各菌株都能产生热稳定性毒素，只有几种血清型中的一些变种可产生。另外，β－外毒素的产生与培养方法、培养时间、培养基成分和环境的pH值等因素有关。

热稳定性毒素不是蛋白质类物质，而是腺嘌呤核苷酸的衍生物。它的杀虫谱系比伴孢晶体广，遍及鳞翅目、双翅目、膜翅目、鞘翅目和直翅目等多种昆虫。昆虫感病后表现为抑制发育、蜕皮后死亡，阻止化蛹及畸形变态等。热稳定性毒素对高等动物无大的毒害作用。（3）其他毒素

α－外毒素也叫卵磷脂酶C，这种毒素不是苏芸金杆菌所特有的，是许多温血动物和人体的病原菌，如产气荚膜梭菌也能产生。苏芸金杆菌产生的这种毒素能杀死19种叶蜂幼虫，对老鼠也有毒。

β－外毒素这种毒素是一种或多种未鉴定的酶类，能使卵黄琼脂变清。由于未证明其毒性，是否为真正的毒素尚待研究。不稳定性外毒素这种毒素对空气、日光、氧气都很敏感，加热60℃以上，10～15min即被破坏。化学成分已知有17种氨基酸和一个或多个低分子量（200-2000）的肽类，目前还不知整个混合物有毒还是仅一种特殊的肽类有毒。（二）对害虫的释放方式

苏芸金杆菌虽然有很高的环境安全性，但是，在典型的田间条件下（如紫外线降解和雨淋），苏芸金芽孢杆菌在植物叶片上的停留时间只有几小时甚至更短。1980s美国孟山都公司将苏芸金芽孢杆菌的内毒素蛋白基因克隆到寄生在植物上的假单胞菌中，其中能够表达苏芸金芽孢杆菌内毒素蛋白的假单胞菌为死菌，这样可保护苏芸金芽孢杆菌蛋白免遭环境降解。为提高残留活性，还有的在生产B.t.制剂时加入抗紫外保护剂及其他添加剂。（三）用遗传工程手段改进B.t.制剂B.t.制剂由于其本身存在的一些局限性，不能被人们广泛接受，近年来人们采用遗传工程技术来改造B.t.制剂。遗传工程应用在B.t.制剂上的主要研究目的是扩展其用途及生物活性谱。例如，已经商品化的产品就是将分别编码对膜翅目活性和编码对鳞翅目活性的两个质粒接合在一个菌种上，因而其对膜翅目和鳞翅目昆虫均有活性。（四）生产方法

采用传统的分批深层发酵技术。培养基成分为：大豆粗粉15g/L,葡萄糖5g/L，淀粉5g/L。