环境生物技术课件

第六章 環境生物技術6-1 環境生物技術與五大演進期的關聯性6-2 環境生物技術的應用領域6-3 生物技術應用於環境監測6-4 生物技術應用於廢污水的處理6-5 生物技術應用於廢氣的處理6-6 生物技術應用於廢棄物產生與污染防制6-7 生物技術應用於生物復育6-8 生物技術應用於能源產生第六章 環境生物技術6-1 環境生物技術與五大演進期的關聯性與五大演進期的關聯性一前巴斯特世代(1865年)酒精飲料、乳製品與其它發酵食品巴斯特世代(1865-1940年)利用微生物生產：酒精、丁醇、丙醇、乙二醇、有機酸。活性污泥之處理抗生素世代(1940-1960年)1928發現盤尼西林，1941大量生產鏈黴素、四環黴素、頭孢子素動物細胞培養技術、疫苗與五大演進期的關聯性一前巴斯特世代(1865年)後抗生素時代(1960-1975)胺基酸:離胺酸、麩胺酸酵素:生物清潔劑、胞外酵素生產葡萄糖固定化酵素:葡萄糖異構酵素生產果榶單細胞蛋白質生產:降低成本替代能源:酒精（酵母發酵）、甲烷細菌性多醣:增加粘稠度口感與五大演進期的關聯性二後抗生素時代(1960-1975)與五大演進期的關聯性二新生物技術世代(1975年後)遺傳工程與單株抗體基因工程、單株抗體、動物疫苗、胰島素、基因工程植物、基因工程食品組織工程、生物資訊、複製生物插入單一基因產生新特性改變基因表現特性插入特定基因生產特定產物這些產品稱為基因改造有機物GMOs(GeneticallyModifiedOrganisms)與五大演進期的關聯性三新生物技術世代(1975年後)與五大演進期的關聯性三環境生物技術的應用領域環境監測監測追蹤污染物(精確、敏感、即時)生物複育以生物處理去除環境中的污染物廢棄(氣)物的處理於管路中或末端除去污染物生物濾床、生物滴濾床、生物洗滌塔、堆肥污染防治清潔生產、綠色技術、降低污染轉基因植物增加抗病蟲害，減少農藥使用生物燃料、生物塑膠環境生物技術的應用領域環境監測環境監測一生物性分析的應用傳統微生物檢測法:分離→培養→技術檢測可長於實驗室培養基的菌很少菌相的代表性?測得生長相對快速的菌受石油污染的樣本多次檢驗結果無一致性(以DNA技術改善）生物膜內之菌種(懸浮VS聚集)免疫法：ELISA(enzymelinkedimmunoadsorbentassy)環境監測一生物性分析的應用脂肪酸測定法磷脂脂肪酸分析(phospholipidfattyacid,PLFA)重組DNA技術生物復育過程中的菌相調查好氧或厭氧消化槽菌相調查生物淋洗過程菌相調查生物歧異度重組微生物之追蹤微生物生態之調查環境監測二脂肪酸測定法環境監測二DNA萃取(純化)現場破菌或將微生物分離PCR放大DNA序列鑑定(基因庫比對)探針(放射線、生物素、酵素標定)寡核酸片段的設計：16SrRNA有高度保守區和變異區(適合用)南方墨點法RFLP限制片段長度多型性DGGE變性梯度明膠電泳(denaturinggradientgelelectrophoresis)重組DNA技術DNA萃取(純化)重組DNA技術DGGE變性梯度明膠電泳

DGGE變性梯度明膠電泳

DGGE變性梯度明膠電泳圖/biofilmbook/MODULE_07/IMAGES/Fig6_DGGE.jpgDGGE變性梯度明膠電泳圖http://www.erc.m生物技術的大躍進螢光原位雜交法(fluorescenceinsituhybridization,FISH)PCR(聚合酶鏈鎖反應)DGGE(變性梯度明膠電泳)分子生物學菌種鑑定方法16SrRNA統一性高度保守性演化速率慢生物技術的大躍進螢光原位雜交法螢光原位雜交圖參考資料：/research/bio/a1.html螢光原位雜交圖參考資料：http://www.er.ebar分子生物技術應用於環境生物檢測的步驟DNA萃取PCR進行分離選殖及定序變性梯度明膠電泳DGGE比對分析建立親緣樹螢光原位雜交法菌自然分布情形定量分析分子生物技術應用於環境生物檢測的步驟DNA萃取演化樹圖例演化樹圖例污染監測的應用現地物種變動之監測-生物記號(biomaker)基因指標:污染監測弧菌luxAB基因及假單胞菌alkB啟動子生理指標:金屬累積或二氧化碳產生量生化指標:細胞色素P450濃度行為的改變:觀察進食或移動習性生態性指標:觀察物種數目的改變污染監測的應用現地物種變動之監測-生物記號(biomaker生物毒性試驗測試發光菌Photobacterium的活性，光弱有毒性安姆氏試驗(Amestest)測試化學物對菌種的突變性藻毒測試水蚤:48Hr的活動力種子發芽試驗：測試堆肥品質利用生物評估污染物之毒性

生物毒性試驗利用生物評估污染物之毒性

生物感應器的應用利用生物感應元件蛋白質、酵素、抗體、胞器、細胞、荷爾蒙受體、DNA以物化方式（轉換器）光纖、氧化極、pH電極、半導體、導電儀、光電二極管、離子測定儀、電熱調節器對特定物質具高敏感性與特異性環境檢測：BOD分析、農藥、酚、重金屬氣體生物感應器的應用利用生物感應元件生物感應元件乙醯膽鹼↓乙醯膽鹼酯酶膽鹼↓膽鹼氧化酶Betain和過氧化氫電流變化轉換器：安培計生物感應器的偵測原理生物感應元件乙醯膽鹼電流變化轉換器：安培計生物感應器的偵測原生物技術應用於廢污水的處理成分一般家庭廢水排放標準濃度(mg/ml)pH6-9生化需氧量(BOD)100-40030化學需氧量(COD)250-1000100懸浮固體物(SS)100-35030真色色度550生物技術應用於廢污水的處理成分一般家庭廢水排放標準濃度(mg預處理去除大型物及油脂一級處理初沉池浮除槽1.5-2.5hr移除40-60%BOD二級處理生物處理去除溶解性有機物80%好氧處理與厭氧處理懸浮生長與附著生長三級處理提高出水水質進一步再利用去除難分解有機物營養鹽致病菌無機鹽典型污水處理程序

預處理典型污水處理程序

環境微生物的應用活性污泥法廢水最初沉澱池最終沉澱池放流水排泥汙泥處理迴流污泥曝氣槽環境微生物的應用廢水最初沉澱池最終沉澱池放流水排泥汙泥處理迴活性污泥法實例活性污泥法實例有機物+氧+好氧菌CO2+水藻類+CO2氧+生物質量兼氣區厭氧區穩定塘參考資料：.tr/atiksu/toprak/lagoon1.jpg有機物+氧+好氧菌CO2+水穩定塘參考資料：http:滴濾池參考資料：/fig/0830070303003.png滴濾池參考資料：http://www.emeraldinsi參考資料：/旋轉生物盤法

參考資料：/旋厭氧消化法

兼氣菌、厭氧菌過程緩慢：應用於高濃度有機廢水酸形成階段-兼氣菌（水解菌、發酵菌、氫還原菌、醋酸菌）：有機物分解成彽分子量有機酸甲烷形成階段-厭氧甲烷菌：有機酸或氫氣變成甲烷厭氧消化法

兼氣菌、厭氧菌生物技術應用於廢氣處理傳統方法:需較長時間、較大空間、無法處理高溫結合：活性碳的吸附、水的吸收、生物氧化耗能少、低成本、無二次污染(處理中低濃度廢氣)機制：氣體→濾床（填充菌體）→轉換污染物為能量來源生物濾床的種類傳統生物濾床生物滴濾床生物洗滌塔生物技術應用於廢氣處理傳統方法:需較長時間、較大空間、無法生物技術應用於廢棄物產生與污染防治利用微生物取代原有的化學製程染整工業：利用大腸桿菌生產靛藍染料樹膠質素酶xylanase，於造紙工業上取代氯漂白過程利用生物技術減少化學農藥的使用蘇力菌真菌性藥劑:白、黑、綠殭菌及多毛菌利用生物技術生產生物性塑膠（可自然分解）澱粉、脂肪、聚乳酸塑膠（已有量產）聚羥基丁酸酯polyhydroxybutyrate,PHB固氮菌屬、枯草桿菌屬、甲基桿菌屬、光合成菌具抗紫外線成本問題未能量產生物技術應用於廢棄物產生與污染防治利用微生物取代原有的化學製生物技術應用於生物復育以生物技術除去重金屬生物累積性無機污染物影響鎘引起腎臟病、痛痛病鉛傷害神經系統汞傷害中樞神經石綿肺癌砷烏腳病硝酸鹽引起藍嬰症磷酸鹽引起優氧化生物技術應用於生物復育以生物技術除去重金屬無機污染物影響鎘引生物吸附被動攝取:以細胞壁-快速(因pH、離子強度影響)主動攝取:特殊蛋白質-慢(受溫度和代謝抑制劑的影響)胞外沉澱:

酸礦排水的重金屬回收(生物淋洗)

SO42-+CH2O→H2S+HCO3-(CO2)H2S+Cu2+(Fe2+)→CuS(FeS)+H+以生物技術去除有機物芳香族（苯、甲苯、乙基苯）、多環芳香族PAHs、高分子支鏈有機物甲單胞桿菌屬不可溶生物吸附被動攝取:以細胞壁-快速(因pH、離子強度影響)生物技術應用於能源產生生物產氫技術的發展光誘導藻類和藍綠藻氫化酵素分解水產生氧氣和氫氣光合細菌分解有機物球形紅細菌氧化有機物，電子傳給鐵氧化還原蛋白，再用氫化酵素之固氮酶產生氫氣利用厭氧發酵產氫適合的菌株（梭狀芽胞桿菌屬、脾桿菌屬）、環境、營養物、時間抑制甲烷菌生長生質乙醇的發展生質柴油的發展生物技術應用於能源產生生物產氫技術的發展生質乙醇的發展目前生質乙醇的生產玉米中的澱粉與甘蔗的蔗糖大豆粉為基質透過酒精酵母發酵來生產酒精造成糧食的價格飛漲，飼料價格持續攀升先進國家替代能源方案，建築在第三世界國家人民生存的痛苦上歐美研究重點為以纖維素轉換為主（半纖維素和木質素）技術上的瓶頸：材料的前處理利用農業廢棄物不與人畜爭奪糧食生質乙醇的發展目前生質乙醇的生產生質柴油的發展黃豆、葵花籽、油菜籽、向日葵需考慮：生長速率、油脂含量、環境忍受度藻類為新的發展方向利用微生物轉換農業廢棄物生質柴油的發展黃豆、葵花籽、油菜籽、向日葵台灣能源作物的困境【2007-05-18/聯合報/A23版/民意論壇台灣能源作物的困境【2007-05-18/聯