現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理.ppt

現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理 現(xiàn)代生物技術(shù)概況基因工程與環(huán)境污染治理細(xì)胞工程與環(huán)境污染治理酶學(xué)工程與環(huán)境污染治理發(fā)酵工程與環(huán)境污染治理生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng) 7 1現(xiàn)代生物技術(shù)概況 什么是生物技術(shù) Biotechnology 指利用生物有機(jī)體或組成部分發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種技術(shù)體系 生物技術(shù)的內(nèi)容基因工程 主要涉及遺傳物質(zhì)核酸分離 提取 體外剪切 重組以及擴(kuò)增與表達(dá)等技術(shù) 細(xì)胞工程 細(xì)胞的離體培養(yǎng) 繁殖 再生 融合以及細(xì)胞核 細(xì)胞質(zhì)乃至染色體與細(xì)胞器的移植改建等技術(shù) 酶學(xué)工程 利用酶 借助固定化技術(shù) 生物反應(yīng)器和生物傳感器等新技術(shù) 新裝置 高效優(yōu)質(zhì)地生產(chǎn)特定產(chǎn)品的技術(shù) 發(fā)酵工程 為微生物提供最適宜的發(fā)酵條件生產(chǎn)特定產(chǎn)品的一種技術(shù) 生物技術(shù)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)生物技術(shù)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)是生物有機(jī)體所具有的各種機(jī)能 即生物在生長(zhǎng) 繁殖過(guò)程中進(jìn)行物質(zhì)合成 降解和轉(zhuǎn)化的能力 生物技術(shù)的核心基礎(chǔ)是基因工程和細(xì)胞工程 生物技術(shù)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)技術(shù)相比 具有一系列優(yōu)越性 不可取代 精確 快速 低耗 高效 副產(chǎn)物 副作用小 安全性好 環(huán)境生物技術(shù) EnvironmentalBiotechnology 環(huán)境生物技術(shù)指應(yīng)用于認(rèn)識(shí)和解決環(huán)境問(wèn)題過(guò)程中的生物技術(shù)體系 包括對(duì)環(huán)境污染效應(yīng)的認(rèn)識(shí) 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和環(huán)境污染的生物處理技術(shù) 生物技術(shù)在環(huán)境污染生物處理中的應(yīng)用基礎(chǔ)是運(yùn)用生物生命過(guò)程中的反應(yīng)將污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒 無(wú)害 穩(wěn)定的物質(zhì) 7 2基因工程與環(huán)境污染治理7 2 1基因工程的分子生物學(xué)基礎(chǔ) DNA生物的遺傳物質(zhì)分子 是由大量的脫氧核糖核苷酸組成的線狀或環(huán)狀大分子 DNA中有四種堿基 腺嘌呤 A 鳥(niǎo)嘌呤 G 胸腺嘧啶 T 和胞嘧啶 C DNA的可變部分是其堿基順序 基因DNA分子上的一個(gè)特定片段 不同基因的遺傳信息由各自片段的堿基順序所決定 基因的準(zhǔn)確復(fù)制保證了遺傳信息的代代相傳 7 2 2基因工程的基本過(guò)程 工具酶工具酶是用來(lái)對(duì)基因片段進(jìn)行剪切和拼接的 包括限制性?xún)?nèi)切酶和DNA連接酶 基因工程的載體載體是將外源基因送入受體細(xì)胞的工具 常用的載體有質(zhì)粒 噬菌體以及動(dòng)植物病毒 目的基因的分離可通過(guò)以下兩條途徑獲得特定的目的基因 一是從生物的基因組直接分離 二是人合成 目的基因與載體的重組將目的基因?qū)胧荏w常用的受體細(xì)胞是大腸桿菌 枯草桿菌 酵母菌和動(dòng)植物細(xì)胞 對(duì)目的基因的篩選和檢測(cè)目的基因在受體細(xì)胞中的表達(dá) 基因工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 降解鹵代芳烴的基因工程菌分解尼龍寡聚物的基因工程菌分解多糖的基因工程菌抗金屬基因工程菌除草劑降解基因工程菌殺蟲(chóng)劑降解基因工程菌 7 3細(xì)胞工程與環(huán)境污染生物治理 細(xì)胞工程細(xì)胞工程是利用細(xì)胞學(xué)技術(shù) 有計(jì)劃地改造細(xì)胞遺傳結(jié)構(gòu) 從而培育出人們所需要的生物品種或具有某些新性狀的細(xì)胞群體 細(xì)胞工程的內(nèi)容細(xì)胞培養(yǎng) 即使細(xì)胞在繼續(xù)體外生長(zhǎng)和繁殖 細(xì)胞融合 在一定條件下 將兩個(gè)或多個(gè)細(xì)胞融合為一個(gè)細(xì)胞的過(guò)程 又稱(chēng)細(xì)胞雜交 細(xì)胞重組 在體外條件下 運(yùn)用試驗(yàn)技術(shù)從活細(xì)胞中分離出各種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或組件 再根據(jù)需要把它們?cè)诓煌募?xì)胞之間重新進(jìn)行裝配 成為具有生物活性的細(xì)胞 遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移 基因在細(xì)胞水平上的轉(zhuǎn)移 細(xì)胞融合構(gòu)建環(huán)境工程菌 概念 原生質(zhì)體 Protoplast 細(xì)胞質(zhì)壁分離后去掉細(xì)胞壁所余下的那部分結(jié)構(gòu)稱(chēng)為原生質(zhì)體 原生質(zhì)體具有原有細(xì)胞全部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生理性能 但無(wú)細(xì)胞壁 細(xì)胞呈球形 對(duì)滲透壓敏感 對(duì)外界理化因子比較敏感 在外界理化融合因子的誘導(dǎo)下 不同物種間的原生質(zhì)體的質(zhì)膜相互融合雜交 并在適當(dāng)?shù)臈l件下 融合的原生質(zhì)體再生出細(xì)胞壁并恢復(fù)原來(lái)完整的細(xì)胞形態(tài)與群落形態(tài) 構(gòu)成具有多種遺傳性狀的新物種 故可利用原生質(zhì)體融合來(lái)構(gòu)建新物種 原生質(zhì)體融合的方法親本的選擇原生質(zhì)體的制備原生質(zhì)體的再生原生質(zhì)體的融合和融合子的檢出 原生質(zhì)體融合來(lái)構(gòu)建環(huán)境工程菌 原生質(zhì)體融合構(gòu)建苯環(huán)化合物降解菌原生質(zhì)體融合構(gòu)建纖維素降解菌聚已二醇誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合制備細(xì)菌殺蟲(chóng)劑 酶學(xué)工程與環(huán)境污染生物治理 酶工程 EnzymaticEngineering 指利用生物有機(jī)體內(nèi)酶所具有的特異催化功能 借助固定化生物反應(yīng)器和生物傳感器等技術(shù) 裝置 高效優(yōu)質(zhì)地生產(chǎn)特定產(chǎn)品的技術(shù) 目前酶工程主要研究酶的生產(chǎn) 純化和固定化技術(shù)以及在環(huán)境污染治理 工業(yè) 醫(yī)藥 衛(wèi)生和理論探索等方面的應(yīng)用 固定化酶 ImmobilizedEnzyme 又稱(chēng)水不溶酶 是通過(guò)物理吸附法或化學(xué)鍵合法將水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體相結(jié)合 使酶變成不溶于水但仍保持催化活性的衍生物 固定化酶的特點(diǎn) 比較穩(wěn)定 可長(zhǎng)時(shí)間保持酶的活性 可回收 再生 重復(fù)使用 適合于連續(xù)化 自動(dòng)化和管道化工藝 可制成酶布 酶片 酶柱等多種形式 酶的分離提純利用微生物生產(chǎn)酶制品可分為菌種選育 發(fā)酵培養(yǎng) 分離提取和菌種保存四個(gè)步驟 酶的固定化方法 載體結(jié)合法包括共價(jià)結(jié)合法 離子結(jié)合法 物理吸附法 生物特異結(jié)合法四種 常用載體有 活性炭 多孔玻珠 高嶺土 氧化鋁等交聯(lián)法利用戊二醛等交聯(lián)劑使酶與酶發(fā)生交聯(lián)而進(jìn)行固定 包埋法將酶包裹在凝膠格子或由半透明膜組成的膠囊中 逆膠束酶法逆膠束指表面活性劑等兩性分子在有機(jī)溶劑中自發(fā)形成的聚集體 逆膠束酶法指將酶以逆膠束的形式固定 復(fù)合法 可逆可溶性固定化酶酶在可溶狀態(tài)下反應(yīng) 反應(yīng)后經(jīng)簡(jiǎn)單操作可沉淀 回收利用 通過(guò)改變pH 溫度等理化參數(shù) 或由金屬離子的添加 去除等方法可獲得可溶 不溶兩種狀態(tài)的天然及合成高分子物質(zhì) 將酶共價(jià)鍵合于這些物質(zhì)中即可產(chǎn)生可逆可溶性固定化酶 固定化酶反應(yīng)器批量反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器 固定化細(xì)胞 ImmobilizedCell 固定化細(xì)胞的特點(diǎn)固定化細(xì)胞比游離細(xì)胞穩(wěn)定性高 催化效率高于離體酶 比固定化酶操作簡(jiǎn)便 成本低廉 能完成多步酶反應(yīng) 反應(yīng)時(shí)無(wú)需補(bǔ)加輔助因子 但固定化細(xì)胞內(nèi)含有龐大而復(fù)雜的酶系 其中有些酶是不需要的 甚至對(duì)反應(yīng)是有害的 這是其不足之處 細(xì)胞的固定化方法自溶酶滅活法絮凝吸附法 固定化技術(shù)處理廢水 固定化技術(shù)處理廢水的優(yōu)點(diǎn)處理效能高 成本低 穩(wěn)定性高 可通過(guò)再培養(yǎng)恢復(fù)酶的相對(duì)活力 固定化技術(shù)處理廢水目前存在的問(wèn)題載體成本較高 固定化材料對(duì)傳質(zhì)過(guò)程有阻礙 使酶活性大多低于游離細(xì)胞 工程實(shí)例用海藻酸鈣包埋固定熱帶假絲酵母菌處理含酚廢水運(yùn)用多孔陶珠固定具脫色功能的混合菌細(xì)胞處理印染廢水固定化藻細(xì)胞 廢水凈化生物強(qiáng)化技術(shù) 7 5發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用7 5 1發(fā)酵和發(fā)酵工程 發(fā)酵 Fermentation 的基本概念在微生物的產(chǎn)能代謝中 發(fā)酵指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物 同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物 在發(fā)酵條件下 有機(jī)物只是部分被氧化 故發(fā)酵的結(jié)果只是積累某些有機(jī)物 產(chǎn)生多種多樣的發(fā)酵產(chǎn)品 可發(fā)酵的底物有糖類(lèi) 有機(jī)酸等 其中以微生物發(fā)酵葡萄糖 即乙醇發(fā)酵 最為重要 在微生物工業(yè)中 發(fā)酵術(shù)語(yǔ)指的是任何大規(guī)模過(guò)程 不管微生物代謝有或沒(méi)有外源最終電子受體的情況下發(fā)生的氧化作用 可在有氧或無(wú)氧的條件下進(jìn)行 微生物的工業(yè)發(fā)酵就是利用各種微生物不同的發(fā)酵特性 發(fā)酵生產(chǎn)眾多有價(jià)值的發(fā)酵產(chǎn)品 發(fā)酵過(guò)程的四個(gè)階段 第一階段 發(fā)酵原料的預(yù)處理發(fā)酵原料可以是薯類(lèi) 谷類(lèi) 有機(jī)廢棄物等 預(yù)處理包括粗選 除雜 粉碎 蒸煮 水解等過(guò)程 第二階段 發(fā)酵過(guò)程的準(zhǔn)備發(fā)酵前必須進(jìn)行微生物菌種種子的制備和發(fā)酵原料的無(wú)菌消毒 第三階段 發(fā)酵過(guò)程包括厭氧發(fā)酵 如乙醇發(fā)酵和乳酸發(fā)酵等 和好氧發(fā)酵 如氨基酸發(fā)酵和抗生素發(fā)酵等 兩種方法 第四階段 產(chǎn)品的分離與純化指從發(fā)酵液中制取符合質(zhì)量指標(biāo)的制品 可采用過(guò)濾 離心除雜 吸附 沉淀 蒸餾等方法對(duì)發(fā)酵液中的產(chǎn)品做進(jìn)一步的提煉 發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵酵母循環(huán)系統(tǒng)廢纖維素的資源化有機(jī)固體廢物的快速堆肥 7 6生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)7 6 1生態(tài)工程 生態(tài)工程 EcologicalEngineering 的概念生態(tài)工程指由人工設(shè)計(jì)的 以生物種群為主要結(jié)構(gòu)組分 具有一定功能的 宏觀的 人為參與調(diào)控的工程系統(tǒng) 它可以是人工設(shè)計(jì)的一個(gè)群落 生態(tài)系統(tǒng)或更宏觀的地域性生態(tài)空間 生態(tài)工程構(gòu)建和運(yùn)行的主要理論依據(jù)是生態(tài)學(xué)原理 同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)還必須遵循社會(huì)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律 環(huán)境生態(tài)工程的主要目的是為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境 也有可能在保護(hù)環(huán)境的同時(shí) 通過(guò)良好的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程 獲得經(jīng)濟(jì)效益 生態(tài)工程類(lèi)型 物質(zhì)能量多層利用生態(tài)工程物質(zhì)轉(zhuǎn)化與再生生態(tài)工程無(wú)污染生態(tài)工程污染自?xún)舳喙δ苌鷳B(tài)工程工農(nóng)業(yè)聯(lián)合生態(tài)工程 7 6 2氧化塘法 生物氧化塘 OxidationPond 的概念又稱(chēng)穩(wěn)定塘 是利用藻類(lèi)和細(xì)菌兩類(lèi)生物間功能上的協(xié)同作用處理污水的一種生態(tài)系統(tǒng) 氧化塘內(nèi)的生物組成藻類(lèi) 位于氧化塘的表層 常見(jiàn)的有 小球藻屬 衣藻屬 眼蟲(chóng)藻屬等 細(xì)菌 大量存在于氧化塘下層 在好氣狀態(tài)下 無(wú)色桿菌 假單胞菌 芽孢桿菌等優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng) 在氧化塘底部的厭氧層還有硫酸還原菌和甲烷細(xì)菌 微型動(dòng)物 存在多種原生動(dòng)物 輪蟲(chóng) 以及甲殼類(lèi)等 氧化塘的凈化原理 氧化塘的凈化原理氧化塘的凈化原理是利用了細(xì)菌與藻類(lèi)的互生關(guān)系 藻類(lèi)進(jìn)行光合作用釋放氧氣 細(xì)菌利用藻類(lèi)產(chǎn)生的氧氣分解流入塘內(nèi)的有機(jī)物 分解產(chǎn)物中的CO2 N P等無(wú)機(jī)物以及一部分小分子有機(jī)物成為藻類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)源 增殖的細(xì)菌和藻類(lèi)細(xì)胞為微型動(dòng)物所捕食 氧化塘內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程藻類(lèi)和光合細(xì)菌的光合放氧過(guò)程 好氧反應(yīng) 氧化作用 氮氧化作用 硫氧化作用等 厭氧反應(yīng) 硝酸鹽還原反應(yīng) 硫酸鹽還原反應(yīng) 發(fā)酵反應(yīng)等 氧化塘內(nèi)的生物學(xué)過(guò)程 氧化塘的分類(lèi)與功能 兼性塘 FacultativePond 塘深1 0 2 5m 上層DO充足 好氧微生物占優(yōu)勢(shì) 中層DO不足 兼性微生物占優(yōu)勢(shì) 下層厭氧微生物占優(yōu)勢(shì) 可應(yīng)用于處理工業(yè) 農(nóng)業(yè)廢水和生活污水 厭氧塘塘深2m以上 厭氧微生物占主導(dǎo) 可接納預(yù)處理各種高濃度有機(jī)工業(yè)廢水 它后面通常還置有兼性塘和好氧塘 曝氣塘塘深2 5m 機(jī)械曝氣充氧 精制塘 氧化塘的特點(diǎn)及實(shí)例 氧化塘的特點(diǎn)構(gòu)筑物簡(jiǎn)單 能源消耗少 運(yùn)轉(zhuǎn)管理方便 應(yīng)用實(shí)例 武漢鴨兒湖氧化塘主要處理含有機(jī)磷的多種農(nóng)藥廢水 采用5個(gè)塘串聯(lián)的形式 見(jiàn)下圖經(jīng)多年運(yùn)轉(zhuǎn)表明 魚(yú)種塘出水的主要水質(zhì)指標(biāo)均可接近或達(dá)到地面水標(biāo)準(zhǔn) 綜合生物塘工藝流程 進(jìn)水 流程 處理BOD5150 200mg L的污水 包括全部的生態(tài)單元 水力停留時(shí)間16 3d 流程 處理BOD5100 150mg L的污水 水力停留時(shí)間11 5d 流程 或 處理BOD570 100mg L的污水 水力停留時(shí)間4 5d 7 6 3水生植物塘和人工濕地處理系統(tǒng) 水生植物塘人工濕地處理系統(tǒng) 7 6 4污水土地處理系統(tǒng) 什么是污水土地處理系統(tǒng) LandTreatmentSystem 利用土地及其中的微生物和植物根系對(duì)污染物