环境生物技术概述

第一章环境生物技术概述,课时：3学时授课方式：讲授讨论授课教师：王爱杰开课时间：2016年春季学期,第一章提纲,第一节：环境生物技术内涵、特点、研究范畴第二节：环境生物技术发展趋势与热点问题第三节：典型环境生物技术简介,第一节环境生物技术内涵、特点及研究范畴,1.1生物技术1.2环境生物技术源起1.3环境生物技术内涵、特点和研究范畴,1.1生物技术,生物技术定义：以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理,按照预期目标，设计改造生物体，合成所需产品等生物技术包括基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程等，已广泛应用于农业、医药、化工、食品、环境保护等领域,植物生物技术,农业生物技术,医学生物技术,食品生物技术,工业生物技术,动物生物技术,环境生物技术,1.1生物技术,生物技术应用领域,第一节环境生物技术内涵、特点及研究范畴,1.1生物技术1.2环境生物技术源起1.3环境生物技术内涵、特点和研究范畴,1.2环境生物技术源起,环境污染问题日益凸显，成为制约人类可持续发展的重大问题,Nature,2009,461:472,化工企业排放污水,1.2环境生物技术源起,环境污染问题日益凸显，成为制约人类可持续发展的重大问题（如：难降解工业废水处理：世界性难题）,我国地表水体污染严重,1.2环境生物技术源起,环境污染问题日益凸显，成为制约人类可持续发展的重大问题（如：我国地表水体水质型缺水问题严峻）,1.2环境生物技术源起,环境污染问题日益凸显，成为制约人类可持续发展的重大问题（如：我国土壤污染问题严重）,EnvironmentInternational77(2015)515,第一节环境生物技术内涵、特点及研究范畴,1.1生物技术1.2环境生物技术源起1.3环境生物技术内涵、特点和研究范畴,1.3环境生物技术内涵、特点、范畴,环境生物技术内涵：诞生于20世纪80年代末期，以高新技术为主体，包括对传统生物技术的强化与创新广义上讲,凡是自然界涉及环境污染控制的、与生物技术有关的技术体系,均可称为环境生物技术狭义上讲,环境生物技术指直接或间接利用生命系统或生物系统某些组成部件的特定功能,建立高效净化环境污染、修复受损生态环境、以及制取有用物质的工程技术系统,环境生物技术特点：三个层次,1.3环境生物技术内涵、特点、范畴,第一层次：以基因工程为主导的现代污染防治生物技术,如基因工程菌构建、抗污染型转基因植物培育等第二层次：生物处理技术,如活性污泥法、生物膜法,及其在新的理论和技术背景下产生的强化生物处理技术和工艺等第三层次：利用天然（生态）处理系统进行污染治理的技术,如氧化塘、人工湿地系统等，其特点是最大限度地发挥自然界的生物净化功能,1.3环境生物技术内涵、特点、范畴,三个层次中各种工艺与技术之间存在着相互渗透或交叉应用的现象。为了解决日益严重的环境污染问题,需要配合使用三个层次的技术,针对不同的问题,采用特定的技术或工艺技术组合环境生物技术涉及生物技术、工程学、环境学、生态学、地球化学等多学科领域，是生物技术与环境污染防治工程以及其他工程技术紧密结合形成的交叉领域。因此，既具有较强的基础理论特征,又具有鲜明的技术应用特点,环境生物技术特点：三个层次,CurrentOpinioninBiotechnology2012,23(3):483-490,环境生物技术特点：宏观微观,1.3环境生物技术内涵、特点、范畴,环境生物技术的主要范畴,1.3环境生物技术内涵、特点、范畴,污染控制生物技术（如水、气、固污染防治）环境污染生物修复技术（如水体生物修复、土壤生物修复）污染预防生物技术（如生物农药、环境友好材料等）环境生物检测/监测技术生物处理资源化技术（如有机废水、有机废弃物等）。,环境生物技术范畴：涉及环境污染控制和生产有用物质（能源、资源）的、与生物技术有关的工程技术（方法、工艺、技术等）,1.4本课程的主要内容,第1章：环境生物技术概论（王爱杰，3学时）第2章：微生物学基础（庄国强，6学时）第3章：微生物代谢（庄国强,6学时）第4章：基因工程原理（战爱斌，9学时）第5章：酶工程原理（战爱斌，6学时）第6章：环境微生物群落分子检测技术（邓晔，6学时）第7章：环境微生物群落分析方法（邓晔，9学时）第8章：典型环境污染物的生物降解与转化（王爱杰，9学时）第9章：生物处理资源化与能源化（王爱杰，6学时）,1.4本课程的主要内容,第二章、第三章授课教师：庄国强研究员授课时间：3月3日3月15日核心内容：围绕着环境污染控制的微生物学原理，第二章重点介绍微生物的基础知识，如微生物的形态、细胞结构及功能。第三章重点介绍微生物的碳代谢与氮代谢，为理解污染物生物降解转化奠定知识基础,1.4本课程的主要内容,第四章、第五章授课教师：战爱斌研究员授课时间：3月17日3月31日核心内容：围绕着环境生物技术广泛采用的基因工程及酶工程的主要方法，第四章重点介绍基因工程概念、基本技术及其生物学原理和技术方法，第五章重点介绍介绍酶的提取与分离纯化、酶分子修饰、酶的固定化、酶的非水相催化等，从而对分子水平常用的生物技术及原理建立系统性认识,1.4本课程的主要内容,第六章、第七章授课教师：邓晔研究员授课时间：4月5日4月19日核心内容：在生物群落和生态系统层面上介绍微生物群落结构与功能解析所需要的相关知识。第六章重点介绍微生物群落的分子检测技术；第七章重点介绍微生物分子鉴定和分析技术方法，从而对微生物群落的分析和应用建立系统性认识,1.4本课程的主要内容,核心内容：围绕着环境污染控制的生物学原理与相应的工艺技术，第八章重点介绍典型的有机/无机污染物的生物降解转化途径及去除工艺，第九章重点介绍污染物达标治理过程中实现资源/能源循环利用的生物学原理及工艺技术，从而对课程的全部知识点建立整体性认识,第八章、第九章授课教师：王爱杰研究员授课时间：4月21日5月5日,主要内容之间的相关性,第二章、第三章第四章、第五章,第六章、第七章,第八章、第九章,1.4本课程的主要内容,1.4课程参考教材,环境生物技术原理与应用翻译版，(美)BruceE.Rittmann，清华大学出版社EnvironmentalBiotechnology:TheoryandApplication,JohnWiley2014,27:17;2015,33:142148;2014,27:168175,底泥原位生物修复,农田土壤微生物-植物联合修复,地下水原位生物强化修复,包气带土壤原位生物修复,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,植物(根际)-微生物联合修复关注的科学问题,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,几种常见修复模式,Exsitubioremediation异位生物修复,机械混合,引入氧气,TrendsinBiotechnology,2013,31(6):329-332,Insitubiosparging原位生物曝气,Insitubioreactivebarrier原位生物反应栅栏,Bioventing，生物通气,增加包气带氧化生物降解效率,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,土壤/底泥中有机污染物原位微生物电修复,CurrentOpinioninBiotechnology,2011,22(3),441,单纯厌氧生物修复缺乏持续电子供体/受体基于微生物电极呼吸原理修复底质中有机污染物微生物电修复系统具有环境友好、电子供体和受体可持续等优势实际修复可采用电极模块矩阵化，产生电流指示修复进程,底质微生物电化学系统工作原理,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,土壤/底泥/湿地中有机污染物原位微生物电修复,BiotechnologyAdvances,2015,33:112,引入电极后可以调控并强化微生物氧化还原降解有机污染物过程阳极表面和周边区域功能微生物进行的代谢反应包括：水解酸化、硫酸盐还原、微生物电极呼吸（将电子传递给电极）、产甲烷（电极呼吸抑制产甲烷过程）,3.3土壤/底泥/湿地生物修复技术,湿地环境中污染物原位微生物电修复工艺（植物-微生物-电化学系统）,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,地下水有机污染物原位微生物电修复（以地下水中频繁检出频率较高的氯乙烯为例）,耦合生物电化学过程连续还原和氧化地下水中氯乙烯类污染物Lab-scale试验证实地下水中连续阴极还原和阳极氧化的可行性,ES&T.2011,45(15):6491-6497,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,地下水中有机污染物原位持续微生物电修复（引入可持续太阳光能，以氯乙烯为例）,CurrentOpinioninBiotechnology,2011,22(3),441448,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,CurrentOpinioninBiotechnology2016,38:3338,地下水原位生物修复效能评估与监测：提高修复效率,预测自然衰减,修复策略,水文化学评估氧化还原条件,污染物和产物浓度,多元素化合物特异稳定性同位素,检测生物标记物（如特定降解基因）,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,TrendsinBiotechnology,2013,31(6):329-332,Lab-scale生物降解与实际原位生物修复过程有较大区别实际生物修复涉及更多层面的因素，而不仅仅是单细胞生物降解水平（降解基因、操纵子、调节子、降解酶）如何让生物修复过程可控与可持续化？需考虑菌株生理学和微生物生态学,3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术,第三节典型环境生物技术简介,3.1典型有机污染物生物降解原理与技术3.2典型重金属生物转化/吸附/富集原理与技术3.3土壤/底泥/湿地/地下水生物修复技术3.4废水/废物生物处理资源化与能源化,Comment.Nature.2015.528.29-31,限制因素：低浓度有机物、温度等能源回收：油脂、甲烷，氢气-推荐技术：AnMBR，MXCs营养物回收：Struvite-推荐技术：离子交换、电渗析,经济性和可行性：适宜的废水获得目标性资源政府支持，政企结合,废水处理过程回收碳、氮、磷、硫等资源,3.4生物处理资源化与能源化,废水生物处理过程回收碳、氮、硫、磷等资源,分子水平揭示废水生物处理过程中碳、磷资源积累与释放过程,CurrentOpinioninBiotechnology2015,33:260267,3.4生物处理资源化与能源化,废水生物处理资源化回收磷,通过鸟粪石形式回收磷资源，富含磷剩余污泥可以考虑回用农田通过厌氧消化回收磷比较成熟，最大程度消除金属干扰非常重要,CurrentOpinioninBiotechnology2012,23:878883,3.4生物处理资源化与能源化,高度富集的功能菌利用废水合成聚羟基脂肪酸PHA,CurrentOpinioninBiotechnology2014,30:5965,利用合成生物学/系统生物学手段改造/构建超积累PHA的菌株十分重要连续生物过程技术需要不断优化,3.4生物处理资源化与能源化,废水生物处理过程通过碳链延长合成有价值化合物,利用同型产乙酸菌，通过反向-氧化途径合成有价值化合物引入电极呼吸强化微生物厌氧碳链延长效率亟待开发关键技术提高有价值化合物的品位，并分离纯化,CurrentOpinioninBiotechnology2014,27:115122,3.4生物处理资源化与能源化,厌氧碳链延长合成有价值化合物途径,3.4生物处理资源化与能源化,高度富集的功能菌利用废水合成油脂生物燃料,CurrentOpinioninBiotechnology2014,30:916,废水中通常富含油脂类化合物废水生物处理过程中特定功能微生物能够高度积累油脂已探明几株模式微生物的类脂类化合物代谢分子机制,3.4生物处理资源化与能源化,CurrentOpinioninBiotechnology2014,30:916,PHBpol:PHB聚合酶,3.4生物处理资源化与能源化,高度富集的功能菌利用废水合成油脂生物燃料,高效微生物细胞工厂（纯培养功能菌株）,基于微生物代谢与基因工程高效生产有价值化合物-高效微生物细胞工厂,3.4生物处理资源化与能源化,高效微生物细胞工厂（纯培养功能菌株）,通过基因和代谢工程高效产生单聚体和原位合成多聚体有价值化合物如：二元胺、二元羧酸、-aminoacids、二醇、羟基羧酸、芳香化合物单体原位合成多元酯类具有可行性,3.4生物处理资源化与能源化,CurrentOpinioninBiotechnology2015,36:7384,基于微生物代谢与基因工程手段合成有价值化学品,CurrentOpinioninBiotechnology2015,36:3239,光合自养/异养微生物生物合成有价值脂类途径,3.4生物处理资源化与能源化,高效微生物细胞工厂：工业生物催化面临的挑战,如何提高或改造代谢工程菌株耐受极端pH、有机溶剂和原料杂质如何遗传改造模式菌株利用廉价C1化合物如甲醇、CH4和CO2？发酵过程建模、催化酶系的精确计算机设计,3.4生物处理资源化与能源化,微生物电合成有价值化合物,微生物阳极产电、阴极电合成氢气及有机小分子化合物过程,Science,2012,337(6095)：686-690,3.4生物处理资源化与能源化,微生物电合成有价值化合物,3.4生物处理资源化