环境生物技术

1、1. 1.举例阐述环境生物技术在环境领域的应用生态环境是人类生存和发展的基本条件，是经济和社会持续发展的基础。近年来，环境污染问日益严重，单存的传统的环境治理方式已经无法满足当前环境治理的需要。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展，在净化环境，减少污染和改造传统产业等方面发挥出重要的作用，还可以为保护人类生存环境和社会可持续发展做出积极的贡献。现代生物技术进行环境保护研究取得的新成果，包括运用基因工程减少作物的化肥施用量、改善植物吸收重金属的能力、消除除草剂污染源、生产可降解塑料以及新型基因工程杀虫剂的开发，从而起到保护生态环境的作用。在环境

2、污染治理中，作为一种技术手段，现代生物技术具有高效性，反应条件温和等优点，它对环境污染的治理和修复发挥了巨大作用，为废水以及固体废物处理及再利用提供了一条十分有效的途径。运用现代生物技术预防和治理环境污染，改善生态环境具有巨大的潜力和优势。利用生物传感器对环境的监测： 生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能. 生物传感器使用待测物质经扩散作用进入

3、生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度的原理进行工作利用转基因植物保护环境：一是污染预防，另一个是污染治理。第一种主要是通过减少农作物农药用量来预防环境污染，第二种是利用植物的一系列生理生化过程，部分或完全修复和消除被污染土壤中特定的有毒物质。利用生物技术治理环境污染后的处理：生物技术对废水生物处理是利用微生物的生命活动过程对废水中的污染物进行转移和转化，从而使废水得到净化的处理方法。废水生物处理技术发展迅速，好氧法、厌氧生物法以及生物发酵法已趋于成熟，此外固定化等新兴技术也蓬勃的

4、发展起来。污染土壤的生物修复 重金属污染是造成土壤污染的主要污染物。重金属污染的生物修复是利用生物作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。消除白色污染，废弃塑料和农用地膜经久不化解，估计是形成环境污染的重要成分。据估计我国土壤、沟河中塑料垃圾有百万吨左右。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌，另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物（如：根瘤菌)中，使两者同时发挥各自的作用，将塑料和农膜迅速降解。同时，还需大力推行可降解塑料和地膜的研发、生产和应用。有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物，可以用发酵方法进行生产，由此形

5、成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在医学等许多领域有极好的应用前景。消除化学农药污染的，一般情况下，使用的化学杀虫剂约80%会残留在土壤中，特别是氯代烃类农药是最难分解的，经生态系统造成滞留毒害作用。因此多年来人们一直在寻找更为安全有效的办法，而利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。能降解农药的微生物，有的是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO2和H2O，这种降解途径彻底，一般不会带来副作用；有的是通过共代谢作用，将农药转化为可代谢的中间产物，从而从环境中消除残留农药，另外，还可以利用生物技术提升环境的自净能力、修复污染水源、杀虫和除草等

6、等。2. 检索并自选一篇研究类英文文献，检索期刊：Nature及子刊、Science、PNAS、ES&T、EM、EHP，检索关键词：抗生素抗性基因。总结提炼：研究方案；研究进展；创新点；研究中用到的生物技术及过程；（中英文均可，25分）所选的文章是Prevalence of antibiotic resistance genes and their relationship with antibiotics in the Huangpu River and the drinking water sources， Shanghai， China.这篇文章的研究方案：为了调查研究中国上海地

7、区抗生物基因以及抗性与河流和地区饮用水之间的关系。主要的研究方法是：1.收集样品：地区的主要河流以及人类所饮用的饮用水的：这篇文章中主要选择了七个样品。S1-S5是在黄浦江中取得样，S6是在另一个上海饮用水的水源中取得样品。S1、S2、S3、S6、S7接近动物和农业较多的城市郊区。S4、S5是在城市的工业和居民区取的样品。2.DNA的提取和ARGS的检验：用DNA试剂盒提取在样品中的DNA。在提取的过程中注意样品的保存时间，要对测定提取的DNA的浓度。利用QPCR技术分析检测所提取的废水样品DNA中的ARGS的存在与含量。使用SYBR的方法建立QPCR反应体系并按照反应时所需要的温度设定。进而

8、进行PCR扩增反应。抗性的分析利用H2SO4 加入Na2EDTA螯合剂进行固相萃取。通过高效液相色谱串联质谱分离出11个抗性。文章的研究进展：1.已经从至少一个样品中证明了39个ARGs基因中的11个抗生素抗性基因的存在和确定了这些基因的浓度利用QPCR技术，结果显示出了黄浦江和大部分饮用水的水源中ARGs基因的含量非常多。这些抗生物基因包括sul I， sul II， tet（A)， tet（B)， tet（C)，tet（G)， tet（M)， tet（O)， tet（W)， tet（X) and TEM。磺胺类药耐药基因中的sul I and sul II在所有的样品中被检测到，但是通过Q

9、PCR技术未发现sul III and sul A。被检测到的sul1和sul2基因的浓度很高，表明了磺胺类药物在此地区的大量应用以对环境造成了大量的风险，这种情况与我国其他地区的磺胺类抗生素基因情况相似。在23个tet抗性基因中有八个被检测到，tet（A)， tet（C)， tet（G)， tet（W) and tet（X)抗性基因被检测到在所有的样品中，这与其他地区观察到的tet抗性基因的类型不是很相同，可能由于不同地区使用的抗生素类型和宿主菌的不同。这项调查研究是第一个直接检测报道了tet（G) and tet（X)基因在自然水样中。结果得到了各个tet基因的浓度，与自然水域中的文献数据

10、库相比，tet基因的浓度在上海的黄浦江和饮用水域同那些生活在三个欧洲人工地下水补给系统是低的比中国的太湖。高的tet基因频率和浓度编码着流动性的蛋白质，低频率和浓度的tet基因属于核糖体保护蛋白质组。TEM类基因仅有-lactam抗性基因被检测并在所有的水样中均存在，CARB， SHV， SHV-5 and ampC这些类基因未被检测。2.ARGs基因主要分布在污染严重 的城市郊区，河道水流条件可能是另一个因素影响抗生素抗性基因在水生环境中传播。3.在饮用水中抗性素抗性基因的含量也很高。文章的创新点：本实验的研究结果是第一个在自然水中直接检测到了tet（G)and tet（X)基因。实验研究了

11、大量的抗生素抗性基因，并对所选取的样品的地区有特定的要求，包含污水处理厂中的样本又包括饮用水水源的样本以及水域的分布。文章研究中用到的生物技术及过程：在这项研究中，提取样品中的DNA时、分析样品中各个ARGs基因的含量、抗性分析时都是生物技术。在提取样品DNA时，利用DNA试剂盒按照试剂盒上的各个操作步骤，提取不同样品中的总的基因组。并利用QPCR的操作方法和步骤对样品中所含的各个抗性基因做了定性和定量的分析，所用的引物是依据文献数据库中的序列设计的。水中的抗性分析利用H2SO4 加入Na2EDTA螯合剂进行固相萃取技术并通过高效液相色谱串联质谱分离抗性。3.综述国内外现有重污染河道水体污染降

12、解及水质改善技术及其相关应用案例。（15分）降解重污染河道水体中的污染物主要是利用生物修复技术，生物修复是一种利用特定的生物，始于20世纪70年代，由于能有效治理大面积的污染，现在已发展成为一种新的可靠的环保技术。生物修复通常分为原位修复和异位修复。原位修复是指通过在污染地点投加刺激物或人工培养的微生物加速污染物质的分解，使污染物在当地降解。异位修复则是指将被污染的土壤或水移至专门的反应器中进行修复、吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。水生植物修复技术一利，是在发生逆向演替的水生生态系统中施加一定的人为影响，有目的地引种优良水草品种或使原有的已被破坏的植物重

13、新恢复起来，促进退化水体生态系统中水生植被的恢复，实现水体生态系统的良胜循环。另一种是生物膜技术。生物膜法净化河流的实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化，把天然过程变成了天然过程和人工过程的结合体。它根据天然河床上附着的生物膜的净化作用及过滤作用，人工填充滤料或载体，供细菌栖息繁殖生长，形成生物膜。用于河流净化的生物膜技术是目前国外研究的重点技术，尤其是日本，已经在工程实践中运用了多种生物膜技术对污染严重的中小河流进行净化，并获得了良好的净化效果和大量工艺参数。我国在利用生物膜技术净化河流重污染水体方面还只是处于试验阶段。国内外应用生物填料接触氧化技术改善河道水质主要有以下几个实例：（

14、1)日本于1993年利用细绳状生物填料净化广岛县福山市排水渠，该排水渠宽3.5m，水深约65cm；进水的BOD值为2.88.lmg/L，COD值为7.510.8mg/L，SS为7.019.0mg/L；流量为2325lo368m/d。采用6段式设置，共长32m。该技术经4年的运行，其BOD的去除率为11 46%；COD的去除率为232%；SS的去除率为1653%，进一步提高了排水渠的水质。（2)南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，同济大学环境科学与工程学院王学江、夏四清、张全兴等人采用悬浮填料移动床工艺处理苏州河支流河水。试验结果表明：在悬浮填料移动床生物膜反应器中，由于生物膜固

15、着生长在填料上，其污泥龄与污水的停留时间无关。因此，像硝化菌这样世代时间长的细菌也得以在其上增长繁殖。另外，丝状菌也能在其上大量生长，既利用其强氧化能力，又无污泥膨胀之忧。悬浮填料在流化过程中得以固、气、水三相充分接触与混合，强化了生物膜表面流体的紊乱程度，加快了传质速度，有效提高了处理效能。在填料投加率为50%、气水比（6-8)：1、HRT为lh工况条件下，对BOD5、COD、SS等指标均有较高的去除率，在适宜温度条件下，对NH4+-H也有较好的去除效果。由于该填料使用时直接投加，只需在曝气池进出口设置孔径小于填料粒径的格栅，即可防止填料的流失，不需要支撑装置，不结团，易于操作管理，运行能耗

16、较低，适宜于直接在河道上进行污水生物曝气处理工艺的改造。（3)南开大学环境科学与工程学院肖羽堂、赵美姿等人采用弹性立体填料、微孔曝气富氧生物接触氧化法修复上海市受污染的川杨河水，生物填料在进水NH4+-N浓度2.63.lmg/L和水温2022下，7d自然挂膜培养成功，NH4+-N去除率达90%以上。生化池运行一段时间后，必须根据生物膜厚度和其除污染效率，适时适度冲洗填料和排除池底积泥，以防止好氧生物膜出现厌氧运行状况和影响除污染效果。在川杨河水源水质浊度90300NTu、NH4+-N 0.510.0mg/L、CODMn 4.010.8mg/L、污染指数为28及生物修复工艺HRT为1.3h、Do

17、为7.50.2mg/L、g/w为0.5/1的正常运行条件下，观察到膜上的生物相丰富，微生物种类繁多，主要是好氧的异养菌和自养菌。生物膜较薄，一般厚度为0.090.13mm，在原水污染物NH4+-N浓度较低，曝气充足，水中溶解氧浓度高，好氧生物膜传质阻力小、速度快，污染物氨氮的生物降解速率很快，只需较短的水力停留时间，就能达到很高的NH4+-N去除率。微孔曝气气液传质充分，水中溶解氧充足，膜内无厌氧层存在。好氧生物膜内处于完全的好氧状态，硝化反应比较完全。污染的去除主要是填料上的好氧生物膜在起作用。以上都是生物膜在治理污水降解污染物中的案例，其次，微生物修复也是生物修复的一类，其基本原理是利用自

18、然界中微生物对污染物生物代谢作用。微生物修复的基本思想是在人为促进条件下，通过提供氧气，添加氮、磷营养盆，接种经过驯化培养的高效微生物等来强化其修复过程，迅速去除污染物质。方法有投加微生物菌、促生剂来治理污水，应用在美国 AM 生产的 Clear-Flo 菌剂已应用于控制美国中央公园水体、法国穆林维尔运河、弗吉利亚的 Sylvan 淡水湖的藻类控制和泰国河虾养殖场、乳品厂工业污水。日本 AMRO 公司生产的复合微生物菌群，由光合菌，乳酸菌!酵母菌和放线菌等 10 属 80 多种微生物组成，已经在很多方面得到了应用"台湾研制的 HSB 菌群，含有的微生物有 15 属 47 种之多，用于

19、处理畜禽场污水可明显降低污水中的 COD，氨氮与臭气含量等方面。反硝化细菌也在污水处理中有很大的作用。反硝化作用是一种微生物过程，在此过程中，氧化氮化合物被用作能源生产的替代电子受体；是固态氮从水体和土壤返回到大气中的主要机制"反硝化作用对于控制水体富营养化，处理污水和净化水域有着极大的利用价值"。另外，植物修复技术现今也被广泛的应用在城市河道修复中。4.出近五年内与抗生素抗性基因（包括土和水）有关的英文文献15篇，并提供其中8篇摘要的中文翻译。（35分）1 Felix Eikmeyer，Atika Hadiati，Rafael Szczepanowski，Daniel W

20、ibberg， et al. The complete genome sequences of four new IncN plasmidsfrom wastewatertreatment plant effluent provide new insights into IncN plasmid diversity and evolutionJ. Plasmid，2012，68：1324.2 L. Rizzo，C. Manaia，C. Merlin，T. Schwartz，et al. Urban wastewater treatment plants as hotspots for anti

21、biotic resistant bacteria and genes spread into the environment：A reviewJ. Science of the Total Environment，2013，447：345-360.3 Biao Chen，Lijun Ha，Xinyan Guo，et al. Prevalence of antibiotic resistance genes of wastewater and surface water in livestock farms of Jiangsu Province， ChinaJ. nviron Sci Pol

22、lut Res，2015，2：1395013959.4 Jing-Jing Huang，Hong-Ying Hu，Fang Tang，et al. Inactivation and reactivation of antibiotic-resistant bacteria by chlorination in secondary effluents of a municipal wastewater treatment plantJ. water research，2011，45： 2775-2781.5 Hong Chen， Mingmei Zhang. Occurrence and rem

23、oval of antibiotic resistance genes in municipal wastewater and rural domestic sewage treatment systems ineastern ChinaJ. Environment International，2013，55：914.6 Joanna Mokracka，Ryszard Koczura，Adam Kaznowski. Multiresistant Enterobacteriaceae with class 1 and class 2 integrons in a municipal wastew

24、ater treatment plantJ. water research，2012，46： 3353-3363.7 Jing-Jing Huang，Hong-Ying Hu，Sun-Qin Lu，et al. Monitoring and evaluation of antibiotic-resistant bacteria at a municipal wastewater treatment plant in ChinaJ. Environment International，2012，42：31-36.8 Qinglin Chen，Xinli An，Hu Li，et al. Long-

25、term field application of sewage sludge increases the abundance of antibiotic resistance genes in soilJ. Environment International，2016，92-93：1-10.9 Lei Jiang，Xialin Hu，Ting Xu，et al. Prevalence of antibiotic resistance genes and their relationship with antibiotics in the Huangpu River and the drink

26、ing water sources，Shanghai，ChinaJ. Science of the Total Environment，2013，458460： 267272.10 Sven Jechalke，Holger Heuer，Jan Siemens，et al. Fate and effects of veterinary antibiotics in soil J.cell press，2014，9（22)：536-545.11 Lin Liu，Chaoxiang Liu，Jiayu Zheng，et al. Elimination of veterinary antibiotic

27、s and antibiotic resistance genes from swine wastewater in the vertical flow constructed wetlandsJ. Chemosphere，2013，91：10881093.12 Hiie Nõlvak，Marika Truu，Kertu Tiirik，et al. Dynamics of antibiotic resistance genes and their relationships with system treatment efficiency in a horizontal subsur

28、face flow constructed wetlandJ. Science of the Total Environment， 2013， 461462：636644.13 Qianwen Sui，Junya Zhang，Meixue Chen，et al. Distribution of antibiotic resistance genes （ARGs) in anaerobic digestion and land application of swine wastewaterJ. Environmental Pollution，2016，213：751-759.14 Ryszard

29、 Koczura，Joanna Mokracka，Lucyna Jaboska，et al. Antimicrobial resistance of integron-harboring Escherichia coli isolates from clinical samples， wastewater treatment plant and river waterJ. Science of the Total Environment，2012，414：680-685.15 Ragnhildur Gunnarsdóttir，Petter Deinboll Jenssen，Perni

30、lle Erland Jensen， et al. A review of wastewater handling in the Arctic with special reference to pharmaceuticals and personal care products （PPCPs) and microbial pollutionJ. Ecological Engineering，2013，50：76-85.文献摘要的翻译：1. review of wastewater handling in the Arctic with special reference to pharmac

31、euticals and personal care products （PPCPs) and microbial pollution在北极地区处理废水的技术通常是不足或完全缺乏的。废水共同包含着不同类型的对有害环境和人类健康的物质，包括制药和个人护理产品的残留物。在食物网中，化学-生物富集和生物放大被广泛关注。这影响许多北极沿海地区是一个重要的行业渔业。来自于人类定居点的废水也可能包含抗生素耐药细菌和病原体会对人类健康和环境造成负面影响。特别是在北极， 由于接收环境生物多样性较低，环境温度低，释放未经处理的污水可能会使高脆弱的北极生态系统产生严重的污染。桶厕所很常见用于偏远地区聚居的城镇。在

32、定居点由于卫生设施不足有感染疾病的风险，如肝炎高的令人无法接受。在北极建立传统的集中污水收集系统和处理厂是一项挑战和昂贵的操作。因此替代方法是必要的。可能的解决方案是提高干燥或低的厕所冲水马桶来收集家庭层面的浪费和随后通过干燥堆肥或厌氧消化的集中处理。两种治疗处理的方法促进废水以及其他有机废物的共同被治疗，并提供了一个环保安全，容易搬运的副产品。结合上述与分散性屋内治疗将减少成本昂贵的基础设施。文献摘要的翻译：2.Antimicrobial resistance of integron-harboring Escherichia coli isolates from clinical samp

33、les， wastewater treatment plant and river water抗生素耐药细菌持久性存在的环境被认为是一个威胁对益增长的公众健康。抗多种抗生素的细菌的传播路线是通过污处理的植物释放处理废水从人类社区到水生环境。在本研究中我们使用复合PCR试验来从污水处理厂分离培养的出现整合子大肠杆菌的频率（整合子被发现在11%大肠杆菌分离株)。发现WWTP的排放来自，河水上游（6%)和下游（14%)，和临床标本（56%)。抗菌素耐药性通过使用磁盘扩散法使不同的起源的大肠杆菌隔离。隔离的下游河流，从上游河流培养相比，会有更多的抗抗卡那霉素，复方磺胺甲基异恶唑，氟喹诺酮类等原料的药。

34、此外，他们显示广泛的电阻范围，表示为的抗菌素耐药类的数量。结果可能表明WWTP污水导致河下游真的大肠杆菌整合子分离株的频率增加和阻力水平升高。文献摘要的翻译：3. Dynamics of antibiotic resistance genes and their relationships with system treatment efficiency in a horizontal subsurface flow constructed wetland市政污水处理路径是抗生素耐药性基因来自人为来源被引入自然生态系统的方法之一。这个研究调查了在媒介湿地生物膜中渗入和混合人工湿地处理城市废水所

35、平行的地下流域中新生生物群落细胞中的七种抗生素抗性基因的丰度和比例。目标基因（tetA tetB、tetM ermB，sul1，ampC，andqnrS)主要编码的抗生素类型如四环素类、大环内酯类、磺胺类药、青霉素，分别和氟喹诺酮类原料药。所有的抗生素抗性基因在生物群落中被检测到，其中tetA， sul1，and qnrS基因在生物群落中的含量最丰富的。在微生物群体最开始波动后，在媒介湿地生物膜中目的基因丰度和比例稳定。大量的16SrRNA和抗生素抗性基因，和抗生素抗性基因在微生物群体中的比例，在污水治理期间通过建设湿地被减少了。抗生素的浓度在抗性基因系统中是类似传统废水处理设施；然而，在较少

36、生物群落上磺酰胺类物质阻碍降低sul1编码浓度比传统的污水治理更有效。抗生素抗性基因的浓度在湿地媒介生物膜污水处理中受到系统操作参数的影响，尤其是时间和温度。还显示一个抗生素抗性基因的丰度和NO2-N、NH4-N、和有机物去除效率之间的关系。在个体丰富的抗生素抗性基因生物群落中和湿地媒介生物膜里，显示已经存在微生物携带的不同抗生物抗性基因型间与微生物群落的湿地媒介的相互作用。文献摘要的翻译：4. Elimination of veterinary antibiotics and antibiotic resistance genes from swine wastewater in the v

37、ertical flow constructed wetlands这篇文章调查两个垂直流人工湿地特点的效率分别通过火山和沸石，在猪废水删除三种常见抗生素（环丙沙星盐酸，盐酸和磺胺甲嘧啶)和四环素抗性基因（tetM、tetO tetW)。结果表明，这两个系统可以大大降低废水中抗生素的含量， 和消除效率是按以下顺序：盐酸土霉素>环丙沙星-盐酸 >磺胺甲嘧啶。在删除效率上zeolite-medium系统优于volcanic-medium系统，可能是由于pH值和平均孔隙尺寸的不同。土壤中积累的抗生素的浓度比媒介和蔬菜中高，表明土壤在垂直流人工湿地废水去除抗生素中扮演主要的角色。湿地的特点也

38、会影响系统对抗生素抗性基因的去除能力； 三个tet基因和16 s rRNA的总绝对丰度在CW1降低50%，和CW2近一个数量级。然而，另外一种相对的目标tet基因倾向于增加CW1后治疗.文献摘要的翻译：5.Occurrence and removal of antibiotic resistance genes in municipal wastewater and rural domestic sewage treatment systems in eastern China抗生素抗性基因（ARGs)是新兴的环境污染和对公众构成威胁健康。在这项研究中，对 4个城市污水和8个农村不同的污水处理

39、能力和使用的处理系统中的四个四环素抗性基因和两个磺酰胺抗性基因利用qPCR技术对其含量做了评估。在影响中，不同采样地点之间的显示的相对丰富的参数差异很大。此外，在基因复制数量和污水容纳之间观察的显著相关性（tetQ： R 2 =0.712， Pb0.05； tetO： R 2 =0.394，Pb0.05)。统计分析显示在几个与基因拷贝数正相关的sulI和 intI1之间。显示tetM和sulI基因数量的与16 s rDNA密切相关。在市政污水处理系统中被观察到是显著减小的，但是发现在农村生活污水处理系统更小减少。这些结果提供见解在在中国东部农村和城市废水处理系统ARG罪恶的存在和去除。文献摘要

40、的翻译：6. Prevalence of antibiotic resistance genes and their relationship with antibiotics in the Huangpu River and the drinking water sources， Shanghai， China调查了抗生素抗性基因的流行（ARGs)和抗生素与中国的黄浦江和上海的地表水饮用水源之间的关系。在这项研究，对于39个ARGS目标，包括四个磺酰胺ARGs，23个四环素ARGs，四氯霉素ARGs，五个-lactam ARGs，三个青霉素ARGs。通过PCR技术检测到了样品中存在两个磺酰胺，八个四环素抗性基因和一个-lactam ARGs。这个检测频率的范围在42.86%-100%。通过QPCR定量，11个ARG