生物强化处理省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

生物强化技术

及其在水污染治理中应用

1/48主要内容生物强化技术产生背景生物强化技术作用机理及特点生物强化菌剂起源生物强化技术在水污染治理中应用意义生物强化技术工艺发展现实状况及应用效果评价当代生物技术在生物强化研究中应用2/48一、生物强化技术产生背景两个基本概念Bioaugmentation：生物强化，生物增强，投菌法Bioremediation：生物修复，生物整改产生背景

二十世纪七十年代中期

Superbugsrescuewasteplant.(Anon,1977,ChemicalWeek)

对采取生物强化技术存在争议普遍存在适者生存3/48BioremediationandBioaugmentationBioremediation

willbedefinedastheuseofselectedmicroorganismstoaccomplishabiologicalcleanupofaspecifiedcontaminatedarea,suchassoilorwater.

Bioaugmentation

willbedefinedastheapplicationofselectedmicroorganismstoenhancethemicrobialpopulationsofanoperatingwastetreatmentfacilitytoimprovewaterqualityorloweroperatingcosts.Inotherwords,bioremediationdealswithafiniteprojectorarea,whilebioaugmentationinvolvesworkingtoimproveacontinuousprocess.

4/48二、生物强化技术作用机理及特点作用机理直接作用共代谢作用基因水平转移作用应用特点优点操作简单，因地制宜，应用灵活针对性强，见效快缺点

系统中高效菌数量和活性不易控制5/48共代谢就是对于一些有毒有害物质，微生物不能以其为碳源和能源生长。但在其它基质存在下能够改变这种有害物化学结构使其降解。如以甲烷、芳香烃、氨、异戊二烯和丙烯为主要基质生长一些菌能够产生一个氧合酶，这种酶能够共代谢三氯乙烯(TCE)。6/48生物强化作用机理7/48怎样实现生物强化技术？.高效菌种培育从自然界筛选构建基因工程菌.高效菌种在投加系统内保持及活力表示 原生动物捕食，水力流失，有毒有害物质抑制，DO，pH微生物检测技术.对目标物有效去除或对某方面性能改进8/48三、生物强化菌剂起源从自然界筛选构建基因工程菌直接购置商业菌剂9/48从自然界筛选

高效菌种步骤

选择环境（水或土壤）分离适应性菌株选择特殊降解性菌株选择高效菌株接收突变剂深入筛选增强酶活性增强胞外酶分泌增强效应因子分子作用降低妨碍分子作用发酵培养单一菌株10/48摇瓶培养发酵罐培养11/48菌剂富集反应器（off-lineenrich-reactor)富集反应器经典活性污泥工艺出水剩下污泥有毒有害废水富集基质和诱导物12/48取得特定目标基因目标基因片断载体（质粒或病毒）质粒DNA片断重组DNA重组DNA进入受体细胞内扩增并表示具目标基因表示功效重组体核酸内切酶切割核酸内切酶切割细胞外重组转化（质粒）、转导或转染（病毒）利用遗传标识筛选基因工程菌构建过程13/48GenecloningandExpressionusingPlasmidpBR32214/48基因工程菌应用实例BurkholderiacepaciaG4，在芳香族化合物存在条件下能够共代谢三氯乙烯(TCE)，但降解中间产物会对该菌起毒害抑制作用。经过Tn5插入产生BurkholderiacepaciaG45223-PR1，能够从结构上表示降解TCE邻甲苯单氧合酶，所以在没有诱导物（如芳香族化合物）情况下也可降解TCE（Winkleretal.,1995）。15/48商业菌剂形态干化和液态组成自养、异养和兼性菌选择注意事项(1)在较低或较高温度下生长能力;(2)抵抗高浓度污染物能力(3)抗重金属能力(4)在较宽泛环境和介质中生存能(5)产生生物表面活性剂，更利于与污染物接触。16/48四、生物强化技术在

水污染治理中应用现实状况高浓度有机废水；有毒、有害难降解污染物治理；脱氮除磷；改进系统污泥特征，降低污泥产量；强化废水中油脂液化和降解江河湖泊等水体修复地下水生物修复17/48生物强化技术在水污染治理中应用实例18/48Groundwaterbioremediation19/48Groundwaterbioremediation20/48PlumberbestfriendBioOne21/48ADaphniaspecies

Actualsize--2mm.

BeforebioaugmentationAfterbioaugmentation22/48生物强化技术在

水污染治理中应用效果评价

提升对目标去除物去除效果改进污泥性能，降低污泥产生加紧系统开启，增强耐负荷冲击能力和系统稳定性23/48对目标去除物去除效果提升Selvaratnam等人筛选到一株苯酚高效降解菌，PseudomonasputidaATCC11172，将这种菌投加到SBR反应器中，这种菌在40天内对苯酚降解率一直维持在95%-100%，而那些没有接种高效菌种反应器，苯酚去除率由初始100%降低到40%。Chin在附着生长生物床加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）混合优势菌，在HRT为1.9小时时，生物增强系统可去除10mg/lBTX，而非强化系统去除仅为3.2mg/l。24/48改进污泥性能，降低污泥产生生物增强作用不但能够有效消除污泥膨胀，增强污泥沉降性能，而且大大降低了污泥产生，普通可使污泥容积降低17%到30%。Chamber硕士物增强技术在延时曝气、曝气塘和氧化沟三种不一样系统中应用。在延时曝气系统中，接种生物增强剂三周后就成功地消除了污泥膨胀，而在氧化沟中四面后污泥膨胀消除。

25/48加紧系统开启，

增强耐负荷冲击能力和系统稳定性

Belia和Smith发觉，向传统活性污泥中加入10%降解磷纯菌，那么整个系统成为一个高效脱磷系统（脱磷率达90%以上）只需14天，而只用活性污泥驯化到达此脱磷率需要58天时间。

Edgehill等人用降解五氯酚（PCP）纯菌来增强活性污泥系统，当加入10%（相对于固有菌量）纯菌，就会使PCP废水驯化期大大缩短。当PCP负荷由40mgl-1升高到120mgl-1时，出水则到达60mgl-1，单纯活性污泥系统恢复正常需48h，但加入5%或7%纯菌（相对于固有菌量），系统在18h内就使PCP出水到达15mgl-1，表现出良好抗负荷冲击能力。26/48生物强化技术在水污染治理中

应用失败及原因探索（一）

废水成份复杂，用生物增强技术本身难以到达治理目标和要求。废水中微生物可利用其生长底质浓度太低，不足以维持其生长。投入菌不如系统中固有菌竞争能力强，不能强有力地摄取有限营养物质。系统中原生动物等捕食性动物将优势菌捕食。27/48生物强化技术在水污染治理中

应用失败及原因探索（二）优势菌优先利用其它易于利用底质，对目标降解物作用迟缓。废水中存在抑制性基质，抑制菌生长和代谢。投入菌量不足以使其在菌群中占优势，或因为控制不妥菌体流失。不利环境原因如废水pH、温度、DO影响。28/48五、当代生物技术

在生物强化研究中应用PCRFISHPCR-RFLPPCR-DGGEPCR-RISA29/48传统微生物定量化及群落分析方法活皿计数法（CFU)

生境可培养细胞百分比（％）海水0.001-0.1淡水0.25中营养型湖泊0.1-1活性污泥1-15沉积物0.25土壤0.3最大可能数法（MPN)30/48平板培养法缺点：环境中可经过平板培养微生物不超出百分之十几，污水和底泥中有些微生物群落不能够用培养方法分析。培养所需时间较长，不能够提供生物反应器实时、有意义信息。难以取得微生物群落结构和空间分布相关信息。31/48PCR(Polymerasechainreaction)基本步骤：变性:采取高温使DNA变性，形成单链DNA;退火:降低温度，引物在与单链DNA互补邻位结合，形成复合物.延伸:将温度调至DNA聚合酶最适宜温度,该以dNTP为原料，依据碱基互补标准，按照模板DNA序列组成，从引物3’端开始逐一将dNTP聚合上去，合成一条新DNA双链。32/48PCRAmplifyingDNA33/48PCR技术在环境检测中应用主要有:应用PCR技术研究某一特定环境中微生物区系组成，进而了解其菌群动态。应用PCR技术监测环境中特定种群（如致病菌、工程菌等）动态。34/48应用PCR技术检测样品中特定微生物种群，其基本步骤包含：

从环境样品中提取核酸（DNA或RNA）；以提取DNA或RNA样品为模板进行扩增；对PCR反应产物进行检测与分析。35/48荧光原位杂交技术

（fluorescenseinsituhybridization,FISH）

FISH是当前单个细胞水平上分析微生物群落结构惯用分子生态学方法，是用标识过DNA寡聚物去探测未损伤微生物群落。36/48原理微生物细胞在载玻片上脱水后，与带有荧光染料标识寡核糖探针在一定温度下混合。含有与探针碱基对完全互补序列RNA随即与探针发生杂交，从而使该菌体在荧光显微镜下发出荧光。37/48细胞在测定过程中不被破坏，形状不改变，能够真实反应在自然微环境下情况及分布

特异性强

能定量化

操作简单快速。特点38/48将染色体、细胞或组织固定；标识探针；将探针与固定材料上靶序列（DNA或RNA）进行杂交；检测杂交结果。FISH基本步骤：39/48适合用于所用菌种EUB338;Alf968适合用于Proteobacteriaα亚纲;BET42适合用于Proteobacteriaβ亚纲;GAM42适合用于Proteobacteriaγ亚纲;CF319a适合用于Cytophaga-Flavobacterium;

ACA适合用于Acinetobacter;Nso190适合用于Proteobacteriaβ亚纲氨氧化菌;NEU23a适合用于Nitrosomonas属耐盐及嗜盐菌;NIT3可用于Nitrobacter;S-S-Mae-1414-a-A-18适合用于M.erodenitrificans。一些惯用分子探针40/48微生物群落解析应用1用FISH法解析UASB颗粒污泥微生物群落结构。图中同时采取了两个探针进行FISH检测。探针EUB338能与绝大多数细菌杂交，发出绿色荧光；探针ARC915能与古细菌杂交，发出红色荧光。（A）低放大倍数；（B）高放大倍数。41/48污泥膨胀中丝状菌判别，百分比和分布用FISH法检测某污水处理厂活性污泥中丝状菌。(A）相差显微镜下污泥絮体；（B）同一显微镜视野下同时用探针G2M（绿色）和G123（红色）进行FISH法检测。黄色表示同时与两个探针结合，为丝状菌Eikelboomtype021NII，红色则为丝状菌Thiothrix。应用242/48污泥中聚磷菌判别应用3用FISH法和DAPI染色同时检测活性污泥中聚磷菌