微生物生物净化与环境再生技术PPT教案

1、微生物生物净化与环境再生技术微生物生物净化与环境再生技术第1页/共78页关于废物的处理关于废物的处理传统观点：传统观点：自然环境可以吸收净化-？现现 状：状：工业高度发展，人口密度日益增高, 废物越来越多21世纪面临的挑战：世纪面临的挑战：1.如何处理、分解不断产生的大量垃圾。2.如何除去过去几十年里积存在自然环境中的有毒物质。现现 在：在：越来越多的人开始尝试用各种方法包括现代生物技术来清除环境中的污染物及有毒物质。第2页/共78页垃圾中含有很多有用物质，它们可以循环利用。生物垃圾主要包括工农业生产过程中所产生的废弃物。第3页/共78页有毒废弃物给人们所造成的环境问题是触目惊心的1985 全

2、世界产生有毒废物五氯酚达50000吨。1995 海上有5000吨石油原油泄漏。v传统处理垃圾及有毒废物的方法：填埋，焚烧，化学处理。但是填埋、化学处理容易造成土壤、水体二次污染，焚烧产生有毒有害废气v后果： 不能真正解决污染问题。v20世纪60年代，发现一些土壤微生物可以降解非生物物质微生物降解废物，为人类提供一种安全且成本低廉的清除有毒物质的途径。第4页/共78页第5页/共78页第6页/共78页第7页/共78页这类微生物都可将未卤化的芳香族物质转化为或，再经一系列氧化分解反应，把它们转化为或，被生物体降解。卤化芳香族化合物的降解速度与其所含的卤族原子数目成反比，去卤化反应由非选择性催化，在苯

3、环上用羟基取代卤素。海上浮油的清理是利用微生物降解非生物物质的一个重要方面。第8页/共78页苯甲醛苯甲醛甲酰犬尿氨酸甲酰犬尿氨酸第9页/共78页第10页/共78页第11页/共78页儿茶酚和原儿茶酸被转化成乙儿茶酚和原儿茶酸被转化成乙酰酰CoA和琥珀酸的降解途径和琥珀酸的降解途径第12页/共78页儿茶酚和原儿茶酸被转化成丙儿茶酚和原儿茶酸被转化成丙酮酸和乙醛的降解途径酮酸和乙醛的降解途径第13页/共78页例子：例子：1. 20世纪世纪70年代年代 Chakrabarty等构建的等构建的 superbug菌含有多种降解功能。菌含有多种降解功能。 2. 低温降解甲苯的嗜冷菌的构建。低温降解甲苯的嗜冷

4、菌的构建。第14页/共78页Superbug菌的构建示意图第15页/共78页接合作接合作用用Pseudomonas putida的的pTOL质粒（降解甲苯）质粒（降解甲苯）2040 生长生长嗜冷菌（降解水杨酸）嗜冷菌（降解水杨酸）0 生长生长嗜冷菌（降解水杨酸和甲嗜冷菌（降解水杨酸和甲苯）苯）0 生长生长pTOL质质粒（降粒（降解甲苯）解甲苯）第16页/共78页v研究实例：对pWWO质粒的甲苯/二甲苯代谢途径的研究 该质粒携带的与烷基苯降解相关的活性而受到很大的重视。v通过DNA重组技术、基因突变以及适当的选择过程，可在细菌的有机物降解途径中加入新的功能，用同样的方法也可得到能同时分解多种污染

5、物的菌株。第17页/共78页 pWWO质粒编码与“间位开裂”途径相关的12种不同的基因，同时能使带有该质粒的假单胞菌具有利用不同的烷基苯作为碳源的能力； 在pWWO中，与甲苯/二甲苯代谢途径相关的基因处在同一个操作子中，即在Pm启动子控制下的xyl操作子。Pm启动子受到xylS基因产物的正调控，xyl基因则可以被多数甲苯/二甲苯途径的底物所激活，如苯烷、三甲基苯烷。带有pWWO质粒的菌株可以将4-乙基苯分解为4-乙基儿茶酚乙基儿茶酚，后者可以在培养基中积累。4-乙基儿茶酚通过使xylE基因的产物儿茶酚儿茶酚-2,3-双氧化酶双氧化酶失活，使得4-乙基儿茶酚不能再被进一步降解。与其它苯烷不同的是

6、，4-乙基苯不能激活xylS蛋白，所以当只有4-乙基苯存在时，该操纵子的Pm启动子不能被激活。第18页/共78页 该质粒用于环境中烷基苯类物质的降解情况： （1）如果环境中只存在甲苯/二甲苯类，而不存在 4-乙基苯，则该操纵子可发挥完全活性而使甲苯/二甲苯完全降解； （2）如果仅存在4-乙基苯，由于Pm启动子不能被启动，不能发生降解； （3）但是，如果环境中同时存在甲苯/二甲苯/ 4-乙基苯，Pm启动， 4-乙基苯只能发生部分降解，形成4-乙基儿茶酚，后者可抑制xylE基因产物儿茶酚-2,3-双氧酶的活性，使整条代谢途径不能全部完成。第19页/共78页pWWO上与甲苯上与甲苯/二甲二甲苯代谢途

7、径有关的基因苯代谢途径有关的基因4-乙基乙基苯苯4-乙基儿茶酚乙基儿茶酚儿茶酚儿茶酚2，3-双氧酶双氧酶第20页/共78页第21页/共78页卡那，氨苄双抗筛选卡那，氨苄双抗筛选硫酸乙酰甲烷诱变硫酸乙酰甲烷诱变解决了诱导问题解决了诱导问题第22页/共78页儿茶酚儿茶酚2，3-双氧酶失活问题双氧酶失活问题突变的突变的xylS基因基因卡那霉素卡那霉素抗性质粒抗性质粒pWWO质粒质粒转转化化假单胞菌假单胞菌Pseudomonas不被不被4-4-乙基乙基儿茶酚所抑儿茶酚所抑制、突变的制、突变的儿茶酚儿茶酚-2,3-2,3-双氧化酶双氧化酶4-乙基苯卡那乙基苯卡那霉素霉素诱变剂诱变剂生长生长第23页/共7

8、8页第24页/共78页农药的广泛使用：农作物产量提高农药污染越来越严重80农药残留在土壤中有机氯杀虫剂第25页/共78页第26页/共78页第27页/共78页农药微生物降解的途径：农药微生物降解的途径：1.矿化作用矿化作用 通过微生物的代谢作用，最终完全降解为CO2和H2O。2. 共代谢作用共代谢作用 微生物将农药转化为可代谢的中间产物，从而从环境中清除残留的农药。第28页/共78页1.解毒作用解毒作用 有毒 无毒2.结合作用结合作用 农药的微生物代谢产物与未被代谢的农药相结合，形成更复杂但是无毒的物质，如形成有机酸等。3.改变毒性谱改变毒性谱 4.活化作用活化作用 无毒或低毒 有毒和剧毒5.

9、消效作用消效作用 潜在的有毒农药潜在的有毒农药 无毒物质无毒物质第29页/共78页例：除去土壤中的镉CdSebertia accuminata可以在体内富集镍（Ni）达干重的25野生植物在应用中的局限：2. 具有吸收污染物能力的植物生长缓慢3. 这类植物多属于稀有植物，难以获得，且对这类植物生长发育特点知之甚少1. 每种植物只吸收一种污染物第30页/共78页第31页/共78页第32页/共78页第33页/共78页第34页/共78页胶化水解反应糖化反应淀粉葡萄糖高压熏蒸高压熏蒸-淀粉酶淀粉酶葡萄糖化酶葡萄糖异构酶果糖降温降温酵母发酵乙醇第35页/共78页直链淀粉直链淀粉麦芽糖麦芽糖糊糊精精葡萄葡萄

10、糖糖葡萄葡萄糖糖淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶支链淀粉支链淀粉极限糊极限糊精精麦芽糖麦芽糖极限糊精极限糊精麦芽糖麦芽糖葡萄葡萄糖糖葡萄葡萄糖糖葡萄葡萄糖糖淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶葡萄糖淀粉葡萄糖淀粉酶酶葡萄糖淀粉葡萄糖淀粉酶酶第36页/共78页淀粉酶随机水解淀粉酶随机水解-1-1，4 4糖苷键糖苷键淀粉酶从末端水解淀粉酶从末端水解-1-1，4 4糖苷键糖苷键葡萄糖淀粉酶水解葡萄糖淀粉酶水解-1-1，3 3、-1-1，4 4和和-1-1，6 6糖糖苷键苷键工业用淀粉酶淀粉酶来源于Bacillus amyloliquefaciens葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶来源于Aspergillus nig

11、er第37页/共78页第38页/共78页plasmid酶切酶切酶连酶连酶切酶切转转化化抽提抽提涂涂皿皿碘蒸气碘蒸气透明透明斑斑结果表明： 第39页/共78页解决办法解决办法：Aspergillus awamoriSaccharomyces cervisiae+质质粒粒葡萄糖淀粉酶基葡萄糖淀粉酶基因因该酵母既能产生葡萄糖该酵母既能产生葡萄糖淀粉酶又能发酵生产乙淀粉酶又能发酵生产乙醇醇含有酵母烯醇化含有酵母烯醇化酶基因酶基因ENO1的启的启动子和转录中止动子和转录中止信号信号1. 除去烯醇化酶基因除去烯醇化酶基因ENO1启动子中的一段启动子中的一段175bp负调负调控区域控区域2. 删除质粒中酵母

12、删除质粒中酵母ars,再加再加入一段与酵母染色体具有入一段与酵母染色体具有同源性的同源性的DNA，将完整的将完整的葡萄糖淀粉酶基因整合到葡萄糖淀粉酶基因整合到酵母染色体的特定位置使酵母染色体的特定位置使其稳定遗传其稳定遗传3. 选用耐受高浓度乙醇选用耐受高浓度乙醇的受体菌的受体菌得到两株新的酵母株系，具有更强的淀粉水解能力，同时又能使可溶性淀粉发酵第40页/共78页第41页/共78页第42页/共78页第43页/共78页第44页/共78页5.3 木质纤维的利用木质纤维的利用木质纤维经化学和生物学处理，可转化为各种各样的无污染的工业原料。木质纤维分类：1.初级纤维：棉花、木材、干草等。2.农业废弃

13、物：稻草，秸秆、甘蔗渣等3.日常生活的废纤维产品：废纸等第45页/共78页5.3.1 木质纤维的成分木质纤维的成分人们已经将很多化学和酶学的方法用来处理木质纤维，但迄今为止成功的方法很少。第46页/共78页结构中没有任何规则的重复单元或易被水解的键理化性质由合成过程中的最后一步决定，而且是随机的，造成了其分子的不规则性它的存在使植物具有一定硬度，能够抵抗机械压力和微生物侵染第47页/共78页半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成的短链异源多聚体可分为：木聚糖甘露聚糖阿拉伯半乳聚糖第48页/共78页纤维素v构成植物细胞壁的主要成分v由葡萄糖通过 1，4糖苷键连接而成的直链多聚物，通常一条链中可含1000

14、0多个葡萄糖分子。第49页/共78页纤维素酶含有下列几种酶：纤维素酶含有下列几种酶：葡聚糖内切酶：葡聚糖内切酶：催化-1,4-糖苷键的水解葡聚糖外切酶：葡聚糖外切酶：从纤维素缺刻部分的非还原末端开始降解 纤维素分子，产物为葡萄糖、纤维二糖和纤维三糖纤维素水解酶：纤维素水解酶：从纤维素分子的非还原端切去10个以上的葡萄 糖残基-葡萄糖苷酶：葡萄糖苷酶：将纤维二糖或纤维一糖转化为葡萄糖第50页/共78页葡萄糖苷葡萄糖苷酶酶野生的微生物降解纤维素速度很慢，人们试图通过基因工程方法得到具有更高纤维素酶活性的微生物。第51页/共78页采用下列分离方法，人们从原核生物中克隆了编码葡萄糖内切酶的基因。基因文

15、基因文库库大肠杆菌大肠杆菌抗性平皿抗性平皿含含CMC37培培养养刚果红染刚果红染色色NaCl接接种种第52页/共78页利用上述技术，人们从Streptomyces、Clostridium、Thermoanaerobacter、Cellulomonas、Fibrobacter和Bacillus中成功地分离出了编码葡聚糖内切酶的基因。免疫学方法筛选带有重组的葡聚糖内切酶基因的克隆。第53页/共78页5.3.3 真真核生物纤核生物纤维素酶基维素酶基因的分离因的分离差异杂交法差异杂交法聚丙烯酰胺凝胶兔网织红细兔网织红细胞系统和麦胞系统和麦胚细胞系统胚细胞系统第54页/共78页5.3.4 纤维素酶基因的

16、改造纤维素酶基因的改造第55页/共78页第56页/共78页工业上应用微生物由纤维素生产乙醇的方式工业上应用微生物由纤维素生产乙醇的方式v直接法：直接法： 同一微生物完成纤维素的水解、糖化和乙醇发酵 热纤维梭菌：Clostridium thermocellum 副产物较多v间接法：间接法： 一种微生物水解纤维素并糖化，另用酵母进行乙醇发酵 成本较高v同时糖化发酵法：同时糖化发酵法： 利用一种可产生纤维素酶的微生物和酵母在同一容器中连续进行纤维素的糖化和发酵第57页/共78页工业上的两个难题：工业上的两个难题：酶的成本较高前处理成本较高解决办法：解决办法：1.生物技术对产纤维素酶的微生物进行改造2

17、.固定化技术3.改进工艺，减少中间产物对酶的抑制4.开发能直接作用于天然高聚合纤维素的微生物第58页/共78页5.4 利用微生物生产单细胞蛋白利用微生物生产单细胞蛋白(SCP)第59页/共78页5.4.1 微生物蛋白的营养价值微生物蛋白的营养价值第60页/共78页玉米0.15玉米1酵母0.73玉米5酵母2.11因此，若在微生物蛋白中添加Met、维生素B12和补充Ca质，则可获得与鱼粉相当的营养效果。猪增重量/蛋白质消耗量（蛋白质效价）第61页/共78页单细胞蛋白：单细胞蛋白：single cell protein, SCP第62页/共78页第63页/共78页5.4.2 单细胞蛋白的生产单细胞蛋白的生产第64页/共78页第65页/共78页5.4.3 利用木腐性食用菌生产蛋白利用木腐性食用菌生产蛋白第66页/共78页5.5 污水的微生物净化污水的微生物净化第67页/共78页第68页/共78页5.5.1 用微生物处理污水的机用微生物处理污水的机制制第69页/共78页5.5.2 可用于污水处理的微生物可用于污水处理的微生物 -粘乳产碱杆菌(Alcaligenes viscolactis)S-2和裂腈无色杆菌(Achromobacter nitrilocates) 分解含腈废水，腈去除率可达90以上; -芽孢杆