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1、关于现代生物技术与环境污染治理第1页，此课件共59页哦第一节第一节 现代生物技术的概述现代生物技术的概述第2页，此课件共59页哦1.11.1、现代生物技术概述、现代生物技术概述一、一、生物技术生物技术生物技术生物技术 生物技术（生物技术（BiotechnologyBiotechnology）是指利用生物有机体或组成部分发展新产品）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。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。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
2、胞细胞工程：细胞的离体培养、繁殖、再生、融合，细胞核、质、器的移植改建。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技术生生生生物物物物技技技技术术术术第3页，此课件共59页哦生物技术的依据和出发点：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。转化的能力。生物技术的
3、核心基础是基因工程和细胞工程。生物技术的核心基础是基因工程和细胞工程。优越性：优越性：不可取代不可取代快速、精确快速、精确低耗、高效低耗、高效副产物、副作用小副产物、副作用小安全性好安全性好 第4页，此课件共59页哦二、现代生物技术的发展二、现代生物技术的发展v 目前发达国家目前发达国家中经营石油，化工，医药，酿造中经营石油，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。技术的研究和发展生物技术产业。v 我国生物技术目前发展的重点我国生物技术目前发展的重点：为进一步发展：为进一步发展农业培育高产优质和抗逆的动植
4、物新品种：为防治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。和农业生产开辟新途径开发蛋白质工程技术。第5页，此课件共59页哦1.21.2、现代生物技术在环境科学中的应用前景、现代生物技术在环境科学中的应用前景 环境生物技术环境生物技术 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。污染的生物处理技术等。生物技术
5、最早应用于环境污染治理的是利用农业废物沤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。制堆肥。废水生物处理主要方法废水生物处理主要方法活性污泥法已经过活性污泥法已经过8080余年的余年的历程。历程。第6页，此课件共59页哦第二节第二节 基因工程与环境污染生物治基因工程与环境污染生物治理理第7页，此课件共59页哦2.12.1、基因工程分子生物学基础、基因工程分子生物学基础遗传物质分子遗传物质分子遗传物质分子遗传物质分子脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸DNADNADNADNADNADNA是由大量的脱氧核糖核苷酸组成的生物大分子。可变部分是是由大量的脱氧核糖核苷酸组成的生物
6、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,糖和磷酸基则起结糖和磷酸基则起结构作用。（四种碱基：腺嘌呤构作用。（四种碱基：腺嘌呤A A、鸟嘌呤、鸟嘌呤G G、胸腺嘧啶、胸腺嘧啶T T、胞、胞嘧啶嘧啶C C）基因基因基因基因v基因是基因是DNADNA分子上的一个特定的片段，不同基因的遗传信息有各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。自片段的碱基排列顺序所决定。v基因通过转录出的信息是核糖核酸指导基因通过转录出的信息是核糖核酸指导mRNAmRNA合成特定的蛋白合成特定的蛋白质，使基因的以表达，完成特定的生命活动
7、。质，使基因的以表达，完成特定的生命活动。第8页，此课件共59页哦2.22.2、基因工程的基本过程、基因工程的基本过程 一、基因工程的工具酶一、基因工程的工具酶一、基因工程的工具酶一、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割DNADNA分子的限制性内切酶核能将分子的限制性内切酶核能将DNADNA片段连接在一起的片段连接在一起的DNADNA连接酶。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上切割DNADNA分子，把两种来源不同的分子
8、，把两种来源不同的DNADNA用同一种限制酶来用同一种限制酶来切，然后让两者的末端粘起来，在用切，然后让两者的末端粘起来，在用DNADNA连接酶将其连接连接酶将其连接起来，就可以组成重组起来，就可以组成重组DNADNA分子分子第9页，此课件共59页哦二、基因工程载体二、基因工程载体二、基因工程载体二、基因工程载体v要将一个外源的基因送入受体细胞，需要有运输工具，这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。就是载体。v常用载体有：质粒，噬菌体，动植物病毒。常用载体有：质粒，噬菌体，动植物病毒。v质粒是基因工程最常用的载体，首先由于其上有某一限质粒是基因工程最常用的载体，首先由于
9、其上有某一限制酶的单一切点，用同种酶切断的外源制酶的单一切点，用同种酶切断的外源DNADNA片段插入该质粒片段插入该质粒的切口，就组成了重组的切口，就组成了重组DNADNA分子。其次由于质粒上有选择分子。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。广泛应用。第10页，此课件共59页哦三、目的基因的分离三、目的基因的分离三、目的基因的分离三、目的基因的分离1 1、从基因组直接分离目的基因、从基因组直接分离目的基因
10、常用鸟枪法，用限制酶将某种生物的常用鸟枪法，用限制酶将某种生物的DNADNA切成片段并分别加切成片段并分别加入载体，对受体细胞进行转化，让外源入载体，对受体细胞进行转化，让外源DNADNA所有的片段都在宿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。法有一定的盲目性，工作量大。2 2、酶促合成法、酶促合成法将真核细胞基因转录的全部将真核细胞基因转录的全部RNARNA提取出来，在体外经反转录酶的提取出来，在体外经反转录酶的作用，生成与作用，生成与mRNAmRNA互补的互补的DNADNA，即，即cDN
11、AcDNA，再将，再将cDNAcDNA酶切后载入载酶切后载入载体，建立体，建立cDNAcDNA文库，筛选出目的基因。文库，筛选出目的基因。或对已知核苷酸顺序的目的基因，通过聚合酶链反应（或对已知核苷酸顺序的目的基因，通过聚合酶链反应（PCRPCR）技）技术直接合成。术直接合成。第11页，此课件共59页哦四、目的基因与载体的重组工艺四、目的基因与载体的重组工艺四、目的基因与载体的重组工艺四、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用同一种限制酶切割含有目的基因的外源DNADNA和载和载DNA,DNA,产生产生相同的粘性末端，在相同的粘性末端，在DNADNA连接酶的作用下，形成
12、完整的重组连接酶的作用下，形成完整的重组DNADNA分子。分子。五、将目的基因导入受体五、将目的基因导入受体五、将目的基因导入受体五、将目的基因导入受体在体外完成的在体外完成的DNADNA的重组后，一般将重组的的重组后，一般将重组的DNADNA分子导入受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、酵母菌和动植物细的受体细胞是大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞。胞。第12页，此课件共59页哦六、对目的基因的筛选和检测六、对目的基因的筛选和检测六、对目的基因的筛选和检测六、对目的基因的筛选和检测将目的
13、基因在入载体，导入受体细胞后，必须对目的基因进行将目的基因在入载体，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检测，确认细胞中以摄入重组的DNADNA分子。检测方法一般有遗传分子。检测方法一般有遗传学方法、原位杂交法和免疫学方法。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七、目的基因在受体细胞中的表达七、目的基因在受体细胞中的表达七、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目的基因的阅读框架必须与载体DNADNA的启示密码相吻合。的启示密码相吻合
14、。要有适当的启动子保证目的基因的正确转录。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。功能蛋白。第13页，此课件共59页哦2.32.3基因工程在环境生物处理中的应用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：应用基因工程菌处理污染物的主要优势：应用基因工程菌处理污染物的主要优势：应用基因工程菌处理污染物的主要优势：集中与创造与目的基因，提供综合性代谢新污染的通路和集中与创造与目的基因，提供综合性代谢新污染的通路和杂种细胞。杂种细胞。提高代谢通路结构基因的表达，
15、针对新的污染物，改变表达的调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。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他生化反应过程效率防止有毒中污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确防止有毒中污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确定的基因实现最初的目的。定的基因实现最初的目的。第14页，此课件共59页哦主要应用：主要应用：主要应用：主要应用：降解卤代芳烃的基因工程菌降解卤代芳烃的基因工程菌分解尼龙寡聚物的基因工程菌分解尼龙寡聚物的基因工程菌分解多糖的基因工程菌分解多糖的基因工程菌抗金属基因
16、工程菌抗金属基因工程菌除草剂降解基因工程菌除草剂降解基因工程菌杀虫剂降解基因工程菌杀虫剂降解基因工程菌第15页，此课件共59页哦第三节第三节 细胞工程与环境污染生物处细胞工程与环境污染生物处理理第16页，此课件共59页哦3.1 3.1 细胞工程概述细胞工程概述细胞工程细胞工程细胞工程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。状的细胞群体。细胞工程的内容细胞工程的内容细胞工程的内容细胞工程的内容细胞培养细胞培养：即使细胞在继续
17、体外生长和繁殖。：即使细胞在继续体外生长和繁殖。细胞融合细胞融合：在一定条件下，将两个或多个细胞融合为一个：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。细胞的过程，又称细胞杂交。第17页，此课件共59页哦细胞重组细胞重组：在体外条件下，运用试验技术从活细胞中分离出各：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。新进行装配，成为具有生物活性的细胞。遗传物质转移遗传物质转移：基因在细胞水平上的转移。：基因在细胞水平上的转移。第18页，
18、此课件共59页哦3.2 3.2 细胞融合构建环境工程菌细胞融合构建环境工程菌一、原生质体的制备与融合方法一、原生质体的制备与融合方法一、原生质体的制备与融合方法一、原生质体的制备与融合方法1.1.概念：原生质体（概念：原生质体（ProtoplastProtoplast）v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。质体。v原生质体具有原有细胞全部的内部结构与生理性能，但无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比较敏感。
19、第19页，此课件共59页哦v在外界理化融合因子的诱导下，不同物种间的原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，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。种。故可利用原生质体融合来构建新物种。2.2.原生质体融合方法原生质体融合方法vv亲本的选择：亲本的选择：亲本的选择：亲本的选择：选择两种合适于充足的亲本菌株，选定适宜的选择两种合适于充
20、足的亲本菌株，选定适宜的遗传标记。遗传标记。第20页，此课件共59页哦vv原生质体的制备：原生质体的制备：原生质体的制备：原生质体的制备：选用合适的酶系，在等渗溶液中溶选用合适的酶系，在等渗溶液中溶解细胞壁。解细胞壁。vv原生质体的再生原生质体的再生原生质体的再生原生质体的再生：酶解后得到的原生质体能够在等渗的：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、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。分裂的过程称为再生。vv原生质体的融合与融合子的检出：原生质体的融合与融合子的检出：原生质体的融合与融合子的检出：原生质体的融合与融合子的
21、检出：化学诱导法：化学诱导法：在得到两亲本原生质体后，等量混在得到两亲本原生质体后，等量混合两亲本的原生质体，加入适量的合两亲本的原生质体，加入适量的PEGPEG（聚乙二醇）（聚乙二醇）和钙离子溶液，保温后，洗去多余的和钙离子溶液，保温后，洗去多余的PEGPEG，在选择，在选择培养基上筛选出融合子。培养基上筛选出融合子。电融合法：电融合法：借助电场的作用，引发细胞融合。借助电场的作用，引发细胞融合。第21页，此课件共59页哦二、原生质体融合来构建环境工程菌二、原生质体融合来构建环境工程菌二、原生质体融合来构建环境工程菌二、原生质体融合来构建环境工程菌原生质体融合构建苯环化合物降解菌原生质体融合
22、构建苯环化合物降解菌原生质体融合构建纤维素降解菌原生质体融合构建纤维素降解菌聚已二醇诱导原生质体融合制备细菌杀虫剂聚已二醇诱导原生质体融合制备细菌杀虫剂电融合诱导选育利用木糖和纤维二糖产乙醇的菌株。电融合诱导选育利用木糖和纤维二糖产乙醇的菌株。第22页，此课件共59页哦第四节第四节 酶学工程与环境污染生物治酶学工程与环境污染生物治理理第23页，此课件共59页哦4.1 4.1 酶学工程基本概念与研究现状酶学工程基本概念与研究现状酶工程（酶工程（酶工程（酶工程（Enzymatic EngineeringEnzymatic EngineeringEnzymatic EngineeringEnzyma
23、tic Engineering）指利用生物有机体内酶所具有的特异催化功能，借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，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。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在环境污染治理、工业、医药、卫生和理论探索等方面的应用。的应用。第24页，此课件共59页哦4.2 4.2 固定化酶固定化酶一、固定化酶及其特点一、固定化酶及其特点一、固定化酶及其特点一、固
24、定化酶及其特点 固定化酶（固定化酶（固定化酶（固定化酶（Immobilized EnzymeImmobilized EnzymeImmobilized EnzymeImmobilized Enzyme）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。催化活性的衍生物。vv固定化酶的特点：固定化酶的特点：固定化酶的特点：固定化酶的特点：比较稳定，可长时间保持酶的活性；比较稳定，可长时间保持酶的活性；可回收、再生、重复使用，适
25、合于连续化、自动化可回收、再生、重复使用，适合于连续化、自动化和管道化工艺；和管道化工艺；第25页，此课件共59页哦可制成酶布、酶片、酶柱等多种形式。可制成酶布、酶片、酶柱等多种形式。二、酶的分离提纯二、酶的分离提纯二、酶的分离提纯二、酶的分离提纯根据需要筛选产酶量高并已于培养和分离提取的优良菌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。株。按照微生物生长和生产的最适条件进行培养，即发酵过程。按照微生物生长和生产的最适条件进行培养，即发酵过程。用盐析、等电电沉淀等方法对发酵液提纯。用盐析、等电电沉淀等方法对发酵液提纯。将酶制品浓缩、结晶，并在低温下保存。将酶制品浓缩、结晶，并在低温下保
26、存。第26页，此课件共59页哦三、酶固定化方法三、酶固定化方法三、酶固定化方法三、酶固定化方法vv载体结合法载体结合法载体结合法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。结合法四种。常用载体有：活性炭、多孔玻珠、高岭土、氧化常用载体有：活性炭、多孔玻珠、高岭土、氧化铝等铝等vv交联法交联法交联法交联法利用戊二醛等交联剂使酶与酶发生交联而进行固定。利用戊二醛等交联剂使酶与酶发生交联而进行固定。第27页，此课件共59页哦vv包埋法包埋法包埋法包埋法将酶包裹在凝胶格子或由半透明膜组成的胶囊中。将酶包裹在凝胶格子或由半透明膜组
27、成的胶囊中。vv逆胶束酶法逆胶束酶法逆胶束酶法逆胶束酶法逆胶束指表面活性剂等两性分子在有机溶剂中自发逆胶束指表面活性剂等两性分子在有机溶剂中自发形成的聚集体。形成的聚集体。逆胶束酶法指将酶以逆胶束的形式固定。逆胶束酶法指将酶以逆胶束的形式固定。vv复合法复合法复合法复合法第28页，此课件共59页哦五、固定化酶反应器五、固定化酶反应器vv批量反应器批量反应器批量反应器批量反应器装备简单、不能进行连续反应。装备简单、不能进行连续反应。vv连续反应器连续反应器连续反应器连续反应器能进行连续进、出废水，效率高。能进行连续进、出废水，效率高。第29页，此课件共59页哦4.3 4.3 固定化细胞固定化细胞
28、一、固定化细胞的特点一、固定化细胞的特点一、固定化细胞的特点一、固定化细胞的特点固定化细胞比游离细胞稳定性高，催化效率高于离体酶；固定化细胞比游离细胞稳定性高，催化效率高于离体酶；比固定化酶操作简便，成本低廉；比固定化酶操作简便，成本低廉；能完成多步酶反应，反应时无需补加辅助因子；能完成多步酶反应，反应时无需补加辅助因子；但固定化细胞内含有庞大而复杂的酶系，其中有些但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，这是其不足酶是不需要的，甚至对反应是有害的，这是其不足之处。之处。第30页，此课件共59页哦四、可逆可溶性固定化酶四、可逆可溶性固定化酶四、可逆可溶性固定
29、化酶四、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，回收酶在可溶状态下反应，反应后经简单操作可沉淀，回收利用。利用。通过改变通过改变pHpH、温度等理化参数，或由金属离子的添加、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。逆可溶性固定化酶。第31页，此课件共59页哦二、细胞的固定化方法二、细胞的固定化方法 自溶酶灭菌法：自溶酶灭菌法：自溶酶灭菌法：自溶酶灭菌法：使细胞自溶酶失活，细胞及
30、可重复使使细胞自溶酶失活，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。广泛应用。絮凝吸附法：絮凝吸附法：絮凝吸附法：絮凝吸附法：加入絮凝剂，被絮凝后的细胞再经冷加入絮凝剂，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。壁的机械性能，是固定化细胞可以反复使用。第32页，此课件共59页哦vv固定化技术处理废水的优点固定化技术处理废水的优点固定化技术处理废水的优点固定化技术处理废水的优点处理效能高，成本低，稳定性高；处理效能
31、高，成本低，稳定性高；可通过再培养恢复酶的相对活力。可通过再培养恢复酶的相对活力。vv固定化技术处理废水目前存在的问题固定化技术处理废水目前存在的问题固定化技术处理废水目前存在的问题固定化技术处理废水目前存在的问题载体成本较高；载体成本较高；固定化材料对传质过程有阻碍，使酶活性大多低于游离细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。胞。三、固定化技术处理废水三、固定化技术处理废水三、固定化技术处理废水三、固定化技术处理废水第33页，此课件共59页哦vv工程实例工程实例工程实例工程实例用海藻酸钙包埋固定热带假丝酵母菌处理含酚废用海藻酸钙包埋固定热带假丝酵母菌处理含酚废水水运用多孔陶珠
32、固定具脱色功能的混合菌细胞处理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印染废水固定化藻细胞固定化藻细胞第34页，此课件共59页哦3.4 废水进化生物强化技术废水进化生物强化技术一、废水净化生物强化技术概述一、废水净化生物强化技术概述 生物强化技术生物强化技术生物强化技术生物强化技术（Bioaugmentation）或生物增强技术就是为了）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
33、质，促进系统内生物处理效率的方法。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。普遍存在理论普遍存在理论普遍存在理论普遍存在理论 投菌法理论投菌法理论投菌法理论投菌法理论第35页，此课件共59页哦二、生物活液二、生物活液二、生物活液二、生物活液（Living Liquor Microorganism）生物活液：生物活液：生物活液：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。的生物制剂。生物活液的组成：生物活液的组成：生物活液的组成：生物活液的组成：芽孢杆菌、假单胞菌、亚硝化单胞菌、芽孢杆菌、假单胞菌、亚硝化单胞菌、硝化杆菌、
34、纤维单胞菌、气杆菌、红色假单胞菌。（以硝化杆菌、纤维单胞菌、气杆菌、红色假单胞菌。（以美国美国GES公司的公司的LLMO为例）为例）使用方法：使用方法：使用方法：使用方法：将生物活液投在进厂的截流干管或进水井内。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。投加量根据进水水质并经过试验来确定。第36页，此课件共59页哦三、使用生物添加剂工程实例三、使用生物添加剂工程实例 对生活污水的生物处理对生活污水的生物处理对生活污水的生物处理对生活污水的生物处理对印染废水的生物处理对印染废水的生物处理第37页，此课件共59页哦第五节第五节 发酵工程在环境污染治理发酵工程在环境
35、污染治理中的应用中的应用第38页，此课件共59页哦5.1 5.1 发酵的基本概念发酵的基本概念一、发酵（一、发酵（一、发酵（一、发酵（FermentationFermentationFermentationFermentation）v在微生物的产能代谢中，发酵指微生物细胞将有机物氧化在微生物的产能代谢中，发酵指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。v在发酵条件下，有机物只是部分被氧化，故发酵的结果只是在发酵条件下，有机物只是部分被氧
36、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。积累某些有机物，产生多种多样的发酵产品。第39页，此课件共59页哦v可发酵的底物有糖类、有机酸等，其中以微生物发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。酵葡萄糖（即乙醇发酵）最为重要。v在微生物工业中，发酵术语指的是任何大规模过程，不管微在微生物工业中，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。用，可在有氧或无氧的条件下进行。v微生物的工业发酵就是利用各种微生物不同的发酵
37、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。特性，发酵生产众多有价值的发酵产品。第40页，此课件共59页哦二、发酵过程的四个阶段二、发酵过程的四个阶段第一阶段：发酵原料的预处理第一阶段：发酵原料的预处理第一阶段：发酵原料的预处理第一阶段：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。选、除杂、粉碎、蒸煮、水解等过程。第二阶段：发酵过程的准备第二阶段：发酵过程的准备第二阶段：发酵过程的准备第二阶段：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
38、料的无菌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。消毒。第三阶段：发酵过程第三阶段：发酵过程第三阶段：发酵过程第三阶段：发酵过程包括厌氧发酵（如乙醇发酵和乳酸发酵等）和好氧发酵包括厌氧发酵（如乙醇发酵和乳酸发酵等）和好氧发酵（如氨基酸发酵和抗生素发酵等）两种方法。（如氨基酸发酵和抗生素发酵等）两种方法。第41页，此课件共59页哦第四阶段：产品的分离与纯化第四阶段：产品的分离与纯化第四阶段：产品的分离与纯化第四阶段：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滤、离心除杂、吸附、
39、沉淀、蒸馏等方法对发酵液中的产品做进一步的提炼。中的产品做进一步的提炼。第42页，此课件共59页哦5.2 5.2 发酵工程在环境污染治理中的应发酵工程在环境污染治理中的应用用vv亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵vv酵母循环系统酵母循环系统酵母循环系统酵母循环系统vv废纤维素的资源化废纤维素的资源化废纤维素的资源化废纤维素的资源化v有机固体废物的快速堆肥有机固体废物的快速堆肥第43页，此课件共59页哦第六节第六节 生态工程与污水处理系统生态工程与污水处理系统第44页，此课件共59页哦6.1 6.1 生态工程简介生态工程简介一、生态工
40、程的定义及其应用一、生态工程的定义及其应用一、生态工程的定义及其应用一、生态工程的定义及其应用生态工程（生态工程（Ecological Engineering）指由人工设计的、）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。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，同生态工程构建和运行的主要理论依据是生态学原理，同时在设计时还必须遵循社会规律和经济规律
41、。时在设计时还必须遵循社会规律和经济规律。第45页，此课件共59页哦v环境生态工程的主要目的是为了保护生态环境，也有可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。过程，获得经济效益。二、生态工程的类型二、生态工程的类型二、生态工程的类型二、生态工程的类型物质能量多层利用生态工程物质能量多层利用生态工程物质转化与再生生态工程物质转化与再生生态工程无污染生态工程无污染生态工程污染自净多功能生态工程污染自净多功能生态工程工农业联合生态工程工农业联合生态工程第46页，此课件共59页哦
42、6.2 6.2 氧化塘法氧化塘法生物氧化塘生物氧化塘生物氧化塘生物氧化塘（Oxidation PondOxidation Pond）又称稳定塘，是利用藻类和）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。系统。一、净化原理一、净化原理一、净化原理一、净化原理vv氧化塘的净化原理氧化塘的净化原理氧化塘的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。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；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；细菌利
43、用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物；第47页，此课件共59页哦分解产物中的分解产物中的COCO2 2、N N、P P等无机物以及一部分小分子有机等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源；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。增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。vv氧化塘内的反应过程氧化塘内的反应过程氧化塘内的反应过程氧化塘内的反应过程藻类和光合细菌的光合放氧过程；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；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、发酵厌氧反应：硝酸盐还原反应、硫酸盐还原
44、反应、发酵反应等；反应等；第48页，此课件共59页哦氧化塘内的生物学过程氧化塘内的生物学过程藻类细菌衰亡细胞CO2、NH3H2O、PO43O2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CH4CO2NH3等第49页，此课件共59页哦二、氧化塘内的生物组成二、氧化塘内的生物组成二、氧化塘内的生物组成二、氧化塘内的生物组成 藻类：藻类：藻类：藻类：位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等；藻属、眼虫藻属等；细菌：细菌：细菌：细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，大量存在于氧化塘下层，在好气状态下
45、，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在无色杆菌、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。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：微型动物：微型动物：微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。第50页，此课件共59页哦三、氧化塘的分类与功能三、氧化塘的分类与功能vv兼性塘兼性塘兼性塘兼性塘（Facultative Pond）塘深塘深1.01.02.5m2.5m，上层，上层DODO充足，好氧微生物占优势；中层充足，好氧微生物占优势；中层DODO不足，兼性微生物占优势；下层厌氧微生物占优势。不足，兼性
46、微生物占优势；下层厌氧微生物占优势。可应用于处理工业、农业废水和生活污水。可应用于处理工业、农业废水和生活污水。vv厌氧塘厌氧塘厌氧塘厌氧塘塘深塘深2m2m以上，厌氧微生物占主导，可接纳预处理各种高浓度以上，厌氧微生物占主导，可接纳预处理各种高浓度有机工业废水。它后面通常还置有兼性塘和好氧塘。有机工业废水。它后面通常还置有兼性塘和好氧塘。第51页，此课件共59页哦vv曝气塘曝气塘曝气塘曝气塘塘深塘深2 25m5m。机械曝气充氧。机械曝气充氧。vv精制塘精制塘精制塘精制塘四、综合生物塘四、综合生物塘v综合生物塘是运用生态学原理，将个具体特点的生态单元，按综合生物塘是运用生态学原理，将个具体特点的
47、生态单元，按照一定的比例和方式组合起来的具有污水净化和无水资源化双照一定的比例和方式组合起来的具有污水净化和无水资源化双重功能的新型稳定塘技术重功能的新型稳定塘技术vv综合生物塘净化生物学基础综合生物塘净化生物学基础综合生物塘净化生物学基础综合生物塘净化生物学基础水生维管束植物生态净化功能水生维管束植物生态净化功能藻藻-菌呼声生态系统代谢活性菌呼声生态系统代谢活性提高出水水质的生态学措施提高出水水质的生态学措施第52页，此课件共59页哦vv综合生物塘工艺流程综合生物塘工艺流程综合生物塘工艺流程综合生物塘工艺流程进水流程流程：处理：处理BODBOD5 5150150200mg/L200mg/L的
48、污水，包括全部的生态单元，水力停留的污水，包括全部的生态单元，水力停留时间时间16.3d16.3d；流程流程：处理：处理BODBOD5 5100100150mg/L150mg/L的污水，水力停留时间的污水，水力停留时间 11.5d 11.5d；流程流程或或 ：处理：处理BODBOD5 57070100mg/L100mg/L的污水，水力停留时间的污水，水力停留时间4 45d5d；沉砂厌氧植物藻菌生态修饰养殖灌溉出水植物藻菌第53页，此课件共59页哦6.3 6.3 水生植物水生植物一、以水生大型植物为基础的处理系统一、以水生大型植物为基础的处理系统污水格栅二级水生生物曝气塘砂滤反渗透粒状炭柱臭氧消
49、毒出水二、全年运转途径二、全年运转途径二、全年运转途径二、全年运转途径选择适宜的高等水生植物种类选择适宜的高等水生植物种类营养膜技术营养膜技术第54页，此课件共59页哦6.4 6.4 人工湿地处理系统人工湿地处理系统湿地湿地每年在足够长的时间内均具有前的表面水层，能每年在足够长的时间内均具有前的表面水层，能维持大型水生植物生长的生态系统维持大型水生植物生长的生态系统人工湿地人工湿地根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。废水。第55页，此课件共59页哦人工湿地处理系统优点人工湿地处理系统优点净化效率优于氧化塘；运转费用低；对废水处理厂净化效率优于氧
50、化塘；运转费用低；对废水处理厂难以去除的营养元素净化效果好。难以去除的营养元素净化效果好。应用实例应用实例芦苇湿地处理系统芦苇湿地处理系统第56页，此课件共59页哦6.5 6.5 污水土地处理系统污水土地处理系统污水土地处理系统污水土地处理系统污水土地处理系统污水土地处理系统（Land Treatment System）利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经经过预处理的污水或废水，同时利用其中力来处理已经经过预处理的污水或废水，同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生