绪论环境生物技术

环境生物技术

刘志华(86402652)

liuzhihua1029@科学园2E-207生物技术和生物工程专业

1课程编码：S4280130课程中文名称：环境生物技术课程英文名称：ENVIRONMENTALBIOLOGICALTECHNOLOGY总学时：30

讲课学时:30习题科学是：0实验学时：0上机学时：0学分：22

课程的主要内容及时间分布第一章

绪论2学时第二章

环境微生物3学时第三章

污染物的生物降解与转化3学时第四章

废水的生物工艺及技术8学时第五章

废气的生物工艺及技术2学时第六章

固体废弃物的生物工艺及技术2学时第七章

污染环境的生物修复5学时第八章环境生物监测技术5学时3参考书目环境生物技术化学工业出版社现代环境生物技术清华大学出版社环境微生物学高等教育出版社环境生物工程化学工业出版社环境微生物工程南京大学出版社4考核方式---闭卷考试出勤情况10%，课堂提问10%，课后作业20%，期末成绩60%。

5第一章绪论

主要内容第一节全球环境污染及其现状第二节我国的环境污染现状第三节环境生物技术研究内容和进展第四节环境生物技术的展望6第一节全球环境污染及其现状

一、环境污染的定义及特征指人类活动所导致的环境质量下降并影响人类正常生存和发展的现象。具体地说，环境污染是指有害的物质，主要是工业的“三废”（废气、废水、废渣）对大气、水体、土壤和生物的污染。

定义7废弃物排放过多人类依赖作用于被索取过多反作用环境自然资源提供恩赐报复环境问题环境破坏环境污染有限被开发利用沉积8空气污染9水资源污染1011

大气污染按环境要素分—水体污染

土壤污染

工业环境污染按人类活动分—城市环境污染农业环境污染污染的广泛性污染的长期性污染的复杂性影响的多样性治理的困难性环境污染的特征环境污染的分类12二、人类在不同的历史时期对环境的影响

自人类出现直至工业革命为止，早期环境问题阶段；从工业革命到1984年发现南极臭氧空洞为止，是近现代环境问题阶段；从1984年发现南极臭氧空洞，引起第二次世界环境问题高潮至今，为当代环境问题阶段

131.环境问题的早期影响170万年前，人类开始利用火能源，结束了自然奴隶的历史，由被动适应环境转向主动改造环境，开始了征服自然、驾驭自然的艰难而漫长的历程，同时，人类对环境的破坏也就出现了。农业革命以后，由于人口的爆发性增长和人们对耕种以及驯养动物能力的掌握，使得人类利用和改造环境的力量与作用越来越大了，与此同时也产生了相应的环境问题：水土流失加剧，大片肥沃的土地逐渐变成了不毛之地。土壤盐渍化和沼泽化14尼罗河流域古埃及文明的衰落巴比伦王国的消逝黄河流域的多灾多难西域三十六国的消亡

楼兰古城曾是塞外水乡、丝路重镇

消失罗布淖尔荒漠

152、近代环境问题18世纪兴起的工业革命，曾经给人类带来希望和欣喜，因为工业化的兴起，城市化的发展，科学技术的进步，使人类的生活水平大为提高。随着工业化的不断深入而急剧蔓延，终于形成了大面积乃至全球性公害。16历史上著名的八大公害事件1930年12月15日比利时马斯河谷烟雾事件1948年10月26-31日美国多诺拉烟雾事件1952年12月洛杉矶光化学烟雾事件1952年12月5-8日伦敦烟雾事件1950年-1972年日本九州水俣病事件1961年-1972年日本四日哮喘病事件1955年-1961年日本神通川河骨痛病1968年3月日本米糠油事件171930年马斯河谷烟雾事件比利时马斯河谷工业区。在这个狭窄的河谷里有炼油厂、金属厂、玻璃厂等许多工厂。12月1日到5日的几天里，河谷上空出现了很强的逆温层，致使13个大烟囱排出的烟尘无法扩散，大量有害气体积累在近地大气层，对人体造成严重伤害。一周内有60多人丧生，其中心脏病、肺病患者死亡率最高，许多牲畜死亡。这是上世纪最早记录的公害事件。

18日本水俣病事件日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中含汞，排入海湾后经过某些生物的转化，形成甲基汞。这些汞在海水、底泥和鱼类中富集，又经过食物链使人中毒。当时，最先发病的是爱吃鱼的猫。中毒后的猫发疯痉挛，纷纷跳海自杀。没有几年，水俣地区连猫的踪影都不见了。1956年，出现了与猫的症状相似的病人。因为开始病因不清，所以用当地地名命名。1968年，污染的工厂停止生产1991年，日本环境厅公布的中毒病人仍有2248人，其中1004人死亡。至今为止，因水俣病而提起的旷日持久的法庭诉讼仍然没有完结。

19先天性水俣病患儿

存在运动和语言障碍病状酷似小儿麻痹症

203、当代环境问题20世纪七、八十年代开始，环境问题迅速从地区性问题发展成为波及世界各国的全球性问题，出现了一系列国际社会关注的热点问题地球哀鸣威胁人类全球十大环境问题

1全球气候变暖

2臭氧层的耗损与破坏3生物多样性减少4酸雨蔓延

5森林锐减6土地荒漠化

7大气污染8水污染9海洋污染10危险性废物越境转移

21（1）大气污染全球气候变暖臭氧层破坏陆地和海洋生物受到污染产生酸雨22全球气候变暖温室气体特性：让阳光通过，但强烈吸收地面发出的长波辐射，从而使气温上升，起到了温室的作用。美国气象学家指出，最近150年来全球平均气温升高了1.8℃，如果温室气体按目前的速度增加，到2030年，全球平均气温将再提高2~3℃，

灾害性天气和异常天气将更加频繁温室气体

全球气候变暖温室效应23极地冰川融化阿根廷莫雷诺冰川冰片脱落24由于气候变暖，今年的浮冰支离破碎加拿大东部海域浮冰融化海豹幼崽可能死亡一只小海豹正扒着一块浮冰，拼命往上爬。面对破碎的家园，它的命运没有悬念。2526臭氧层破坏距地面20-30公里的平流层中存在一个臭氧层，它能强烈吸收阳光中的紫外线，从而保护地球生物免遭伤害。但是，工业生产中释放的氯氟烃气体强烈地破坏臭氧层，使之减少变薄，甚至出现南极臭氧空洞。危害人类健康，破坏生态系统，带来光化学大气污染27产生酸雨28腐蚀雕塑和文物29（2）水资源危机和海洋资源破坏

日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，在发展中国家，各类疾病有8%是因为饮用了不卫生的水而传播的，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡，因此，水污染被称作“世界头号杀手”。淡水资源短缺水资源污染严重水资源的大量浪费石油危机之后，下一个危机是水

30很多地方，很多人对水最基本的需求也得不到满足缺水和得不到足够清洁的水已经成为很多地区人类生存和发展的重要制约因素。

31水资源被严重污染水资源浪费32海洋污染的主要来源（1990）

33赤潮——海洋杀手赤潮是在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。目前，赤潮已成为一种世界性的公害34赤潮

35海上石油泄漏1998年12月3日，渤海埕岛油田CB6A－5井发生倒塌，油井底部套管破裂，造成历时半年的重大原油泄漏事故。溢油面积达250平方公里，造成渤海主要经济鱼虾类重要产卵场和幼体索饵场，以及山东浅海滩涂增养殖区严重污染，经济损失1000多万元。石油每泄漏一滴，环境就恶化一步

2002年底西班牙海域“威望号”油轮断裂，导致7.7万桶燃油泄漏。这是迄今为止世界上最严重的漏油事件，为此，仅西班牙一国为清理“威望号”漏油污染就已耗资10亿美元

36由于石油泄漏所造成大批鱼类死亡的可怕景象37由于石油污染所造成海鸟死亡的可怕景象38（3）固体废弃物污染垃圾是一个世界性的难题，有资料显示每年全世界有450亿吨；也就是说每天有1亿多吨。其大体上可分为三类：一是危险废物，如放射性废料和其他化学废物，包括对人体和环境有最严重危害的化学物品；二是工业废物，工厂生产产品后排放到环境中的废料，它是造成环境污染的主要来源；三是城市生活垃圾，垃圾问题已成为了城市所面临的严重问题。39影响景观传播疾病造成大气、水体和土壤污染40电池污染一节1号有汞电池烂在地里，能使1平方米的土地完全失去农业利用价值；一粒纽扣电池可以使600吨水无法饮用。废旧手机电池找不到“家”渐成新的污染源一块镍镉电池能够污染6万升的水41（4）危险性废物越境转移

危险性废物是指除放射性废物以外，具有化学活性或毒性、爆炸性、腐蚀性和其他对人类生存环境存在有害特性的废物。美国在资源保护与回收法中规定，所谓危险废物是指一种固体废物和几种固体的混合物，因其数量和浓度较高，可能造成或导致人类死亡率上升，或引起严重的难以治愈疾病或致残的废物。42越境转移的例子美国每年可产生5000-6000万吨的危险废物，越境向外转移的有几百万吨之多，如费城有1.5万吨工业焚烧废灰被倾倒在几内亚的卡萨岛上；西欧各国每年产生大量危险废物，有25万吨通过越境转移。1987-1988年意大利某公司曾租用了尼日利亚柯柯港的私人住宅堆放8000桶有渗漏的危险废物；1988年挪威的一家运输公司曾将1.5万吨危险废弃物倾倒到几内亚43第二节我国的环境污染现状大气污染水污染土壤污染固体废弃物污染噪声污染44一、大气污染

1995年大气污染物浓度远远超过国际标准

451、我国大气污染物的成分悬浮颗粒物二氧化硫碳氧化合物挥发性有机物温室气体隆海铁路沿线化工厂462、污染程度

中国几乎所有城市的悬浮颗粒污染都超过世界卫生组织的标准（90μg/m3)，全国城市平均值为309，冬季采暖期则更加严重。自1993年以来，我国SO2排放量以100万吨的速度递增，目前年均排放量为1800万吨，高居世界第二。北京、上海等大城市机动车排放的污染物已占大气污染负荷的60％以上，这表明我国特大城市的大气污染正由第一代煤烟型污染向第二代汽车型污染转变。473、大气污染的危害呼吸道疾病发病率很高。慢性障碍性呼吸道疾病，包括肺气肿和慢性气管炎，是最主要的致死原因，其疾病负担是发展中国家平均水平的两倍多。SO2等致酸污染物引发的酸雨.正呈急剧蔓延之势，是继欧洲、北美后世界第三大重酸雨区。儿童免疫功能下降，慢性咽炎、支气管哮喘发病率增加，老人眼部、呼吸道患病率增加。使农作物大幅度减产。酸雨每年造成直接经济损失140亿元。机动车排放的污染物危害甚大。由于机动车尾气低空排放，恰好处于人的呼吸带范围，对人体健康影响十分明显。48二、水体污染

1、水体污染现状我国的废、污水排放量占世界的10%以上，污水处理率低，只有36%。我国有82%的人饮用浅井和江河水，其中水质污染严重细菌超过卫生标准的占75%，受到有机物污染的饮用水人口约1.6亿。全国七大水系和47000多公里的河段均有不同程度污染，其中淮河污染最严重。我国海洋近岸和近海海域水质劣于一类海水水质标准的面积已占总面积的1/3。49滇池污染（例）昆明最大的饮用水源，供水量占全市的54%，由于昆明市及滇池周围地区大量工业污水和生活污水的排入，致使滇池重金属污染和富营养化十分严重，作为饮用水源多项指标不合格，藻类丛生，夏秋季84%的水面被藻类覆盖。昆明市第三水厂1993年被迫停产43天，直接经济损失4000多万元；沿湖不少农村的井水不能饮用，造成30多万农民饮水困难。由于饮用污染的水，中毒事件时有发生；滇池特产银鱼大幅度减产，鱼群种类减少，名贵鱼种基本绝迹。502、水体污染源工业污染源

工业废水为水域的重要污染源，具有量大、面广、成分复杂、毒性大、不易净化、难处理等特点。农业污染源

包括牲畜粪便、农药、化肥等。农药污水中，一是有机质、植物营养物及病原微生物含量高，二是农药、化肥含量高。

生活污染源

主要是城市生活中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾、粪便等，多为无毒的无机盐类，生活污水中含氮、磷、硫多，致病细菌多。

513、水污染的危害引起急性和慢性中毒致癌作用发生以水为媒介的传染病破坏生态环境造成巨大的经济损失长江52“九五”期间云南滇池污染治理已经花费40多亿元，尚未见到明显成效。据说当地主管部门已提出下一步的治污费用为82亿元。53三、固体废弃物的污染

1、固体废弃物污染现状1997年，全国工业固体废弃物产生量为10.6亿吨，其中乡镇企业固体废弃物产生量4.O亿吨，占总产生量的37.7％，危险废物产生量1077万吨，约占1.0％。2003年城市生活垃圾产生量约1.4亿吨，全国有2/3的城市陷入垃圾包围之中。“白色污染”问题突出。“电脑垃圾”日益增多。54固体废弃物污染的危害侵占大量土地，对农田破坏严重

大量垃圾露天堆放，严重污染空气

垃圾渗滤液严重污染水体和土壤垃圾产生沼气使垃圾爆炸事故不断发生

55小结全球环境危机56第三节环境生物技术

研究内容和进展生物工程基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程环境工程水质净化与污染控制工程；大气环境污染控制工程；固体废弃物处理处置与管理工程；噪声、振动与其它公害防治技术；环境规划、管理和环境系统工程；环境监测与环境质量评价；清洁生产技术的推进与应用

生物工程与环境工程的基本内容57一、概述1、环境生物技术定义

也称环境生物工程

广义的定义：凡是自然环境中涉及环境控制的一切与生物技术有关的技术与工程，都可归结为环境生物技术。

“直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者根据能够高效净化环境污染以及同时生产有用物质的人工技术系统。”

国际环境生物工程学会定义：开发利用和调节生物系统进行污染环境（土地、水、空气）的补救和环境友好产品的生产过程（包括绿色加工技术和可持续发展技术）582、分类生物净化——直接或间接利用生物体的某些组织或某些功能，去除环境中已经存在的一些污染物质和有毒物质，使得环境得以净化的生物技术生物生产——利用生物体作为反应器或利用活体生物的某些功能进行物质生产，以提供人类生产和生活所需产品和服务的生物技术。

593、环境生物技术的研究内容

高层次：以基因工程为主导的近现代防治污染的生物技术——基因工程菌的构建、抗污染转基因植物的培育中层次：指传统的生物处理技术为主要内容（eg：活性污泥法、生物膜法），包括在新的理论和技术支撑下开发出的一系列废物强化处理工艺（eg：生物流化床、生物强化工艺）低层次：自然界的天然生物修复功能，包括氧化塘、人工湿地、农业生态工程等。

60《生物工程现代观点》杂志中环境生物工程内容分类（1992-1997）内容所属范围各类文章占总数的比例%降解污染物的工程菌和抗污染型转基因植物的相关研究26无害化或无污染生物产品生产工艺的相关研究24危险性化合物的降解和污染场地的生物修复研究37废水强化处理技术研究13英国现代化学公司《CurrentOpinioninBiotechnology》61二、生物技术解决环境问题的特点

生物技术处理污染时，最终产物大都是无毒、无害、稳定的物质，还能做到一步到位，避免污染物的多次转移。

大部分有机污染物适合作为生物反应过程的底物，可转化为沼气、甲烷、酒精、单细胞蛋白等有用物质。

62生物过程稳定，生物转化的效率高，副产物少，投资省、费用少，且效果好、过程稳定。实现清洁生产。可用生物材料代替化学材料，把环境污染降至最低。应用于环境监测。63三、环境生物技术研究历史20世纪50年代，《寂静的春天》出版后人们对未来环境的担忧。20世纪50年代末和60年代初,Cornell大学的MartinAlexander与他的学生就针对人们对环境中农药的污染和残毒问题的关注而展开了农药在土壤中可降解性的研究,为后来生物技术在环境保护中的应用打下了基础。

6420世纪70年代是环境技术和微生物学的大发展时期,污染物可降解性和分解程度方面的研究有了相当大的提高开始系统地对一系列芳香类有机物的好氧和厌氧条件下的分解和降解途径及其机理进行了大量和系统的研究65阿拉斯加威廉王子海湾的修复20世纪80年代后,分子生物技术和手段已广泛地应用到了对环境中可降解微生物及降解机理方面的研究如美国西北大学的DavidA.Stahl.Tennessee大学的GarySayler和DavidWhite等人纷纷发现了具有降解能力的微生物.661981年,欧洲的生物技术联盟(EFB)首次将“环境生物技术”用于命名相关的专门机构,并将控制污染的生物技术概称为环境生物技术

67四、近年来环境生物技术的研究成果微生物脱硫治理空气污染

生物技术处理、净化废污水生物修复可降解塑料的生物合成其它681、微生物脱硫治理空气污染

生物脱硫（

Biodesulfurization,BDS）是80年代发展起来的常规脱硫替代新工艺，利用微生物或其酶类使特定的脱硫反应过程加速，释放出硫，并保持烃类不受破坏的一种新型脱硫技术。优点投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新的污染，和物理洗煤过程相结合，脱除灰分，煤基本无损失，可提高煤的燃值。69煤炭中硫的成分硫可燃硫无机硫（FeS2)不燃硫有机硫硫酸盐污染环境SO270浮选微生物脱硫把煤粉碎成微粒与水混合，将微生物加入溶液中，附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，也具有脱去灰分的优点。

71在改进脱硫工艺的同时，菌株的性能在逐渐得到加强，近年来，研究者们已经验证脱硫菌株中含有一定的酶催化剂基因。1999年，美国能源生物系统公司报道了他们的专利，从红色红球菌属ATCC53968，采用直接进化和基因重组，获得了高脱硫效率和硫底物范围较广的新生物催化剂。

722、生物技术处理、净化废污水

造纸工业中的生物制浆和生物漂白技术莱茵河和泰晤士河的污染修复含油废水的固定化微生物处理技术生物制氢73化学方法造纸的污染状况造纸工业是世界上六大污染工业之一。我国造纸行业年排放废水量达40亿吨，占全国工业废

水排放量的1/6，其中有机污染物(以BOD计)达170万吨，约占全国工业废水中有机污染物总

量的1/4。在用植物材料进行化学制浆与化学漂白过程中，含有大量木质素、半纤维素和有

害

物质的废液被倾倒入江河湖泊中，造成严重的环境污染和生态破坏。74白腐菌用于生物制浆工艺1987年，在美国政府和Weaver工业公司等造纸企业的支持下，组建了生物制浆财团，开展了长期深入的研究工作。选出了一株能快速生长并选择性从木材中除去木素的白腐菌(Ceriporiopsis

subvermispora)。把它接种到用蒸汽

简单灭过菌的木片上，用强制通风的办法来控制温湿度，培养2周后，用于热机法制浆，已

完成了50吨规模的实验。结果显示，不仅可以节省能耗38%，提高设备生产能力，而且可以

减少树脂问题，明显改善成纸的强度性能。

75生物漂白代替化学漂白木聚糖酶预漂白过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶应用于漂白工艺中76泰晤士河和莱茵河浊水变清英国的泰晤士河和德国