第七章-现代生物技术与环境污染治理

第七章现代生物技术与环境污染治理1/31/2024

1一、引言（一）历史（二）意义（三）展望2一、引言（一）历史1917：提出1953：基因的奠基人－詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克，他们发现DNA的双螺旋结构。－－DNA之父。DNA之母：罗莎琳德.富兰克林，她用X射线衍射DNA晶体得到了影像，从而分辨出这种分子的维度、角度和形状；她发现DNA是螺旋结构，至少两股，其化学“信息”面向进里面。1973：第一个成功的克隆转化实验，第一个有目的的基因重组实验，是现代生物技术的标志。1997：英培育出世界上第一例体细胞克隆动物“多莉”羊，2003年2月14日去世。1998：日本培育出体细胞克隆动物8头牛犊。3一、引言2000：果蝇的基因组图谱绘制完成；人类基因组图谱的绘制工作完成。2002：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成；完成水稻、小鼠的基因组图谱。2003：意大利培育出第一匹克隆马，人类基因组序列基本完成。42005年：全球首只克隆狗在韩国公开露面一、引言“斯纳皮”与“父母”5DNA的双螺旋结构世界首只克隆羊“多莉”一、引言6（二）意义

生物技术作为一个现代前沿学科领域，受到当今世界各国的广泛关注，全球生物技术每年创造的产值约5000亿美元，单项产品产值高达40亿美元，仅美国生物技术产值达2240亿美元。

比如“三色”农业－绿色“露天农业”、白色“工厂农业”、蓝色“水生农业”。其中白色农业主要表示这种农业的生产过程没有环境污染并严格要求环境条件的高度洁净，节水、节土、不污染环境、资源可循环利用。一座年产10万吨单细胞蛋白的微生物工厂，相当于180万亩耕地生产的大豆蛋白或3亿亩草原饲养牛羊的动物蛋白质。一、引言7一、引言（三）展望现代生物技术将为粮食、健康、环境、能源等人类面临的重大问题开辟广阔的前景，与信息、新材料和新能源技术将成为四大科学技术支柱，是21世纪高新技术产业的先导。美国于2003年3月5日启动了牛基因组测序工程，将能够改进牛奶和牛肉制品的质量以及提高食品的安全系数。诸如此类，将为人类开创美好的明天。

8二、生物技术（一）定义生物技术：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，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。（二）内容四大块：基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程。（三）发展开始比较缓慢，后迅速发展。（四）应用9三、环境生物技术（一）定义广义：凡是自然界中涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术。严格地说，环境生物技术指的是直接或间接利用生物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的生产工艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。

10（二）研究范围1、从实验室到模拟和现场应用；2、开发废物资源化和能源化技术；3、建立无害化生物技术清洁生产新工艺；4、发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的检测技术三、环境生物技术11能发荧光的热带斑马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的12转鱼抗寒基因的番茄转基因鲑鱼同时具有高产、稳产和抗逆性等优良品质的农作物新品种.抗虫害的玉米13思考：1、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？2、推测这种“嫁接”怎样能实现？3、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？141基因工程与环境污染生物治理基因工程：又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。

1.定义：将外源基因体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。152.理论和技术支撑（1）理论：40年代发现了生物的遗传物质是DNA、50年代弄清了DNA的双螺旋结构、60年代确定了遗传信息的传递方式。（2）技术：工具酶、载体、逆转录酶3.基因工程实施至少四个必要条件：工具酶、基因、载体、受体细胞161、DNA：遗传物质脱氧核糖核酸的简称。每个DNA分子都包含螺旋结构的双股链。2、基因：DNA上有遗传意义的片段叫基因，基因包含一定数量的碱基。基因是基础的遗传单位，它们决定一个人眼睛的颜色、耳朵的大小、脑容量等所有人的生理特征和一些行为特征。更重要的是，基因与许多疾病有关。3、测序：确定DNA双股链上每个独立结构单元或碱基的确切顺序的过程。测序经常被称为“破译”，因为其结果就像解码一样。解码结果包含数百页和成千上万行4种字母的序列，这些字母表示4种不同的碱基，它们是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分别用它们的首字母A、G、C、T表示，其排列顺序中蕴藏着各种各样的遗传信息和生命指令。一、基因组的相关名词174、基因诊断:也叫DNA诊断、分子诊断，是通过从患者体内提取样本用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物。目前，基因诊断检测的疾病主要有三大类：感染性疾病的病原诊断、各种肿瘤的生物学特性的判断、遗传病的基因异常分析。5、所谓转基因技术就是把外源基因整合到动植物基因组中去。6、基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化，亦称点突变。一、基因组的相关名词187、人类基因组（ＨｕｍａｎＧｅｎｏｍｅ）：是建立人体所需的化学密码或蓝图，而这幅蓝图的基本组成是ＤＮＡ。ＤＮＡ是一条由磷酸盐和糖组成的分子链，呈双螺旋形，即两条互相缠绕的螺旋形分子带，中间以称为碱基的横条紧扣。除了孪生子女外，每个人的ＤＮＡ都是独一无二的。8、染色体（Ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ）：人体每个细胞内皆有２３对染色体，它们位于细胞的核心，当中染色体ＸＹ是决定性别的。一个人体内所有细胞的染色体的长度加起来，足足有１６００亿公里长。

9、克隆是英文clone的音译，简单讲就是一种人工诱导的无性繁殖方式。

一、基因组的相关名词19转基因抗虫棉抗虫棉普通棉20基因工程培育抗虫棉的简要过程：普通棉花(无抗虫特性)苏云金芽孢杆菌提取抗虫基因与运载体DNA拼接导入棉花细胞(含抗虫基因)棉花植株(有抗虫特性)上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？21一种限制酶只能识别一种特定核苷酸序列；并在特定切点切割．一.限制性核酸内切酶——“分子手术刀”(一）DNA重组技术的基本工具

1、来源：2、种类：3、作用：主要是微生物4000种。二、基因工程的基本过程224、结果：形成两种末端粘性末端平末端2324要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？要切两个切口，产生四个黏性末端。

被同一种限制酶切断的几个来源不同的DNA是否具有相同的黏性末端？25二个不同的ＤＮＡ的黏性末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。被同一种限制切断的几个DNA具有相同的黏性末端。26二.DNA连接酶——“分子缝合针”１、作用：把两条ＤＮＡ末端之间的缝隙“缝合”起来27二、基因的针线──DNA连接酶

连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。28基因的针线：DNA连接酶

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G用同种限制酶切割29三、基因进入受体细胞的运载——”分子运输车”

１、作用：将外源基因导入受体细胞２、特点（条件）1、能够在宿主细胞中复制并稳定地保存2、具有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接3、具有标记基因，便于进行筛选30３、常用的运载体：质粒（最常用）、噬菌体和动植物病毒等标记基因，便于进行检测。都有侵染或进入宿主细胞的能力它们的共同特点是：

其中质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中,是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子.

31第一步：（二）基因工程基本步骤：第二步：获取目的基因目的基因与运载体结合方法：1、直接分离：鸟枪法2、人工合成：注意：要保持基因的完整性注意：要用同一种限制酶切取目的基因和运载体，并用DNA连接酶连接。32第三步：第四步:将目的基因导入受体细胞目的基因的检测和表达1、常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌、动植物细胞等2、常用微生物作受体细胞的原因：微生物增殖快、代谢快、目的产物多3、若受体细胞为细菌应作何处理：应用CaCl2处理一般检测：标记基因是否表达目的是：增大细胞壁的通透性3334三、基因工程在环境污染的生物治理中的应用优势：集中与创造目的基因．提供综合性代谢新污染物的通路和杂种细胞；提高代谢通路结构基因的表达，针对新的污染物，改变表达的调节方式；控制降解途径的限制性步骤，提高分解代谢酶的合成或其他生化反应过程效率；防止有毒终污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确定的基因实现最初的目的。35降解卤代芳烃基因工程菌分解尼龙寡聚物基因工程菌分解多糖基因工程菌抗金属基因工程菌除草剂降解基因工程菌36？思维拓展:

细菌和人是差异非常大的两种生物,通过基因重组后,细菌能够合成人体的胰岛素，这说明了什么？这可不是普通的细菌，它是嫁接了人胰岛素基因的工程菌，能大量合成人胰岛素。人和细菌共用一套遗传密码所有生物共用一套遗传密码37一、基因工程与作物育种38生长快、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)39转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄获得高产、稳产和具有优良品质的农作物和具有抗逆性的作物新品种。402、基因工程与药物研制我国生产的部分基因

工程疫苗和药物

许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。

微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。41

胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。

将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!423、环境保护

基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。431）用于环境监测。2）用于被污染环境的净化。例如：用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量。此方法的特点是快速、灵敏，1吨水中有10个病毒也能检测出来。通过基因工程方法怎样进行环境监测？44

1）用基因工程产物——“超级细菌”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。具体方法：将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。

2）用基因工程培养出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。

3）通过基因重组构建新的杀虫剂，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程回收和利用工业废物。通过基因工程方法怎样净化被污染的环境？（二）基因操作的工具45

利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。46基因工程，就是将一种生物的某个有用的遗传基因，以人工的方法注射进另一种生物的細胞里,卻打破了同种繁殖的自然规律。不少消费者在不知情之下进食了该类食物而出現过敏反应,使这一些消费者要求沒有经过基因工程的食物,这可能导致粮食危机。有用基因所产生的蛋白质可能是一种毒素,但对人体也可能引起过敏或其他的问题。隨意地把基因注入植物细胞內可能会干预细胞的化学活动和功能、引发不稳定、改变农作物的营养价值。47

1996年7月5日,世界上第一只体细胞克隆动物-----克隆羊多利诞生于英国.这样的生物技术属于何种生物工程？细胞工程482细胞工程与环境污染生物治理细胞工程(cellengineering)是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组织培养等试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系或生物体以及生物的次生代谢产物，并发展有关理论和技术方法的学科。

细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖

目的：获得新性状、新个体、新物质49细胞工程应用的原理和方法研究的水平研究的目的细胞生物学分子生物学细胞整体水平或细胞器水平按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品概念分类植物细胞工程动物细胞工程5051一、植物细胞工程理论基础：常用技术手段：二、动物细胞工程理论基础：常用技术手段：植物细胞全能性植物组织培养植物体细胞杂交细胞增殖动物细胞培养动物细胞融合单克隆抗体胚胎移植、核移植52植物组织培养条件：离体一定的营养物质植物激素适宜的外界条件无菌环境离体的植物器官组织或细胞愈伤组织脱分化再分化根、芽植物体过程：蔗糖、维生素、氨基酸、矿质元素等生长素、细胞分裂素温度、pH、光照移栽5354试管苗大规模培养55外植体愈伤组织新植株56切取形成层无菌接种诱导愈伤组织的形成试管苗的形成培养室移栽脱分化再分化57去掉细胞壁原生质体原生质体融合再生出细胞壁正在融合的原生质体杂种细胞脱分化再分化植物体细胞杂交58白菜甘蓝白菜－甘蓝59动物细胞培养条件：一定的营养物质动物血清无菌环境等葡萄糖、维生素、氨基酸、无机盐等过程：动物胚胎或幼龄动物的组织、器官细胞悬浮液剪碎胰蛋白酶10代细胞原代培养40或50代细胞传代培养细胞株无限传代细胞系遗传物质未改变遗传物质改变单个细胞培养液6061动物细胞培养技术应用这只老鼠身上的“人耳”是由我国科学家曹谊林教授利用细胞工程技术复制出来的。器官克隆一例62植物组织培养动物细胞培养理论基础结果应用植物细胞全能性细胞增殖获得新个体或细胞产品大量产生同一种细胞（细胞株或细胞系）或细胞产物1、快速繁育名贵花卉和果树；2、培养无病毒植物、转基因植物；3、大规模生产药物、食品添加剂、香料、色素等1、生产蛋白质制品如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等；2、检测有毒物质；3、研究药理病理4、移植治疗63卵细胞C母绵羊子宫Ａ母绵羊Ｂ母绵羊乳腺细胞细胞质细胞核细胞核移植胚胎移植早期胚胎多莉羊分娩卵裂融合后的卵细胞细胞拆合技术妊娠细胞重组——多莉羊的培育过程细胞核移植64原生质体融合构建环境工程菌概念：原生质体（Protoplast）细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的那部分结构称为原生质体。原生质体具有原有细胞全部的内部结构与生理性能，但无细胞壁，细胞呈球形，对渗透压敏感，对外界理化因子比较敏感。在外界理化融合因子的诱导下，不同物种间的原生质体的质膜相互融合杂交，并在适当的条件下，融合的原生质体再生出细胞壁并恢复原来完整的细胞形态与群落形态，构成具有多种遗传性状的新物种。故可利用原生质体融合来构建新物种。65细胞工程的基本过程亲本选择原生质体制备原生质体融合融合体再生与检出化学诱导法电融合法66原生质体融合构建环境工程菌苯环化合物降解菌说明通过原生质体融合可以集中双亲的优良性状、并可产生新的性能纤维素降解菌制备细菌杀虫剂选育利用木糖和纤维二糖产乙醇的菌株673酶学工程与环境污染治理（一）酶的定义：生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质和RNA。（二）酶的分类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接酶或合成酶一、概述68（三）酶工程的研究内容酶工程：是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。其主要任务是：通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥出最大的催化功能；目的是为我们提供产品或以特定的功能为我们服务。1、生产2、分离纯化3、酶分子修饰4、酶的固定化5、酶反应动力学6、酶反应器7、酶的应用一、概述69（四）酶的催化特性

1、催化效率高2、专一性强

3、催化条件温和

4、酶活性可调

5、对环境条件敏感一、概述70（一）酶是生物催化剂活化能（J/mol)：在一定温度下一摩尔底物全部进入活化状态所需要的自由能。酶能大大降低活化能，增加活化分子。（二）酶催化反应动力学中间产物学说二、酶作用原理7172在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。

E+S====E-S

P+E

许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。二、酶作用原理73（一）概述1.Idea的提出1）酶的稳定性差；2）难回收；3）难分离纯化（产物与酶）。2.基本概念

酶的固定化——将酶与水不溶性的载体结合，制备固定化酶的过程。

固定化酶——固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶。固定化酶的原料——纯酶、结合在死细胞或细胞碎片的酶或酶系（固定化菌体）三、固定化酶743.固定化酶的特点

具有生物催化剂的功能，又有固相催化剂的功能。①可多次使用②反应后，酶底物产物易分开，产物中无残留酶，易纯化，产品质量高。③反应条件易控制。④酶的利用效率高。⑤比水溶性酶更适合于多酶反应。三、固定化酶75三、固定化酶（二）固定化方法1、载体结合法2、交联法3、包埋法4、逆胶束酶5、复合法76酶和细胞固定化方法

酶和细胞固定化方法

载体结合法交联法包埋法

网格型微囊型物理吸附法离子结合法共价结合法热处理（细胞）77酶和细胞固定化模式78（一）基本方法自溶酶灭活法：使细胞中的自溶酶失活絮凝吸附法：絮凝后细胞的机械性能得到加强吸附法：依靠微生物细胞和载体表面的静电作用发生吸附载体为硅藻土、木材、玻璃、陶瓷、塑料等，吸附过程中甚至会发生化学反应，形成键。此法的结合比较简单，也很牢固。包埋法：将微生物包埋在琼脂等载体内载体还有海藻酸钠、明胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等凝胶载体。此法可用于活细胞的固定，但操作复杂、机械性能差、易磨损，不适于大批量生产。三、固定化细胞技术79（二）在污水处理中的实际应用降解直链烷基苯磺酸钠（LAS）固定化酵母细胞降解酚固定化藻细胞在氧化塘中的应用固定化产甲烷菌、固定化柠檬酸菌除重金属、固定化混合细菌对印染废水脱色等三、固定化细胞技术80普遍存在理论：只要时间足够，就会自发产生最适合当地环境的菌群并成为优势种。投菌法理论：自发产生的适应菌群未必能成为优势种，因此需要人工添加菌种（生物添加剂）。生物添加剂的添加就是一种强化技术，其菌种是从环境中分离得到的，经过选育后使其降解效力得到加强，最后通过发酵法大量生产并加工成所需的形式。三、废水净化生物强化技术811、发酵：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或直接产生代谢产物或次级代谢产物的过程。现已扩展到培养生物细胞来制得产物的所有过程。2、发酵工程：也叫微生物工程，现代的发酵工程，就是采用现代工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些生理功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接利用微生物参与控制某些工业生产过程的一种新技术。一、概述4发酵工程与环境污染生物治理82菌种选育：一般有诱变育种，基因工程和细胞工程等培养基配制灭菌：包括设备灭菌和培养基灭菌扩大培养和接种发酵过程：随时了解发酵进程，及时添加必需的培养基组分，严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。分离提纯菌体：用过滤、沉淀方法代谢产物：用蒸馏、萃取、离子交换等方法扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？

扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。

例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。

发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？

在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。

例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。

83菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验84影响发酵过程的因素（1）温度

温度能影响酶的活性，也能影响生物合成的途径。温度还会影响发酵液的物理性质，以及菌种对营养物质的分解吸收等。（2）pH

pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。还会影响培养基中营养物质的分解等（3）溶解氧

在发酵过程中菌种只能利用溶解氧。因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，以提高氧在发酵液中的溶解度。（4）泡沫

发酵过程中，通气、搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。过多的持久性泡沫对发酵是不利的。（5）营养物质的浓度

发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。85发酵工程的优点生产条件温和原料来源丰富且价格低廉产物专一废弃物对环境的污染小或容易处理86二、发酵工程的应用（1）医药工业：

1．发酵工程能生产人们所需的药品。

例如：通过青霉发酵能生产青霉素。2．通过发酵工程能生产基因药品。

例如：将合成的人的胰岛素基因转移到大肠杆菌细胞内构建成“工程菌”，再通过培养“工程菌”即可获得人的胰岛素。

87发酵工程的应用（二）在食品工业上的应用主要包括以下三方面。第一，生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，使产品的产量和质量得到明显的提高。第二，生产各种食品的添加剂如酸味剂、鲜味剂、甜味剂，色素。第三，帮助解决粮食问题。（如单细胞蛋白的生产）通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。单细胞蛋白食品优点:高蛋白,低脂肪88（2）食品工业：①传统发酵产品如啤酒、果酒、食醋等，使产品的产量和质量得到明显的提高。②生产各种食品添加剂，如酸味剂、鲜味剂、甜味剂，色素③解决粮食短缺问题（如单细胞蛋白的生产）通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。单细胞蛋白食品优点:高蛋白,低脂肪89发酵工程在环境污染治理中的应用亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵酵母循环系统食品废水处理系统废纤维素的资源化生产SCP、生产酒精有机固体废弃物的快速堆肥一、应用905生态工程与污水处理系统生态工程——定义

——应用生态系统中物种共生与物质资源循环再生的原理，结合系统工程的最优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统91生态工程类型1、物质能量多层利用生态工程2、物质转化与再生生态工程3、无污染生态工程4、污染自净多功能生态工程5、工农业联合生态工程92二、氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）的概念又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。氧化塘内的生物组成藻类：位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等；细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在氧化塘底部的厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。93氧化塘法——原理氧化塘是一种大面积、敞开式的污水处理系统；氧化塘中主要由细菌对有机物进行降解；藻类利用细菌的分解产物生长，同时通过光合作用向细菌供氧（空气溶氧是辅助性的）；藻类O2小分子

营养物细菌污染有机物N、P等

污染无机物9495因此氧化塘不但能去除80-95%的BOD，还能去除90%以上的氮，和80%以上的磷。此外，在池塘的底部还有厌氧微生物的活动，产二氧化碳、甲烷、简单有机酸、醇类等。96氧化塘法——原理——氧化塘中的食物链如何收集藻类和菌类（特别是藻类）中富积的营养物质是解决污水处理的最后一环，选择生物富积法是有共识的，但迄今为止还没有较完美的解决方案（考虑到10%定律），用何种生物采用什么方式富积还有待进一步研究。有机和无机污染物藻类和菌类浮游动物鱼类营养物质高等水生植物97氧化塘的分类与功能兼性塘（FacultativePond）塘深1.0～2.5m，上层DO充足，好氧微生物占优势；中层DO不足，兼性微生物占优势；下层厌氧微生物占优势。可应用于处理工业、农业废水和生活污水。厌氧塘塘深2m以上，厌氧微生物占主导，可接纳预处理各种高浓度有机工业废水。它后面通常还置有兼性塘和好氧塘。曝气塘塘深2～5m。机械曝气充氧。精制塘——深处理好氧塘98兼性塘的基本工作原理

-99

(1)厌氧塘的基本工作原理厌氧塘对有机污染物的降解，是由两类厌氧菌通过产酸发酵和甲烷发酵两阶段完成的。厌氧塘的设计运行，必须以甲烷发酵阶段的要求作为控制条件，控制有机污染物的投配率，以保持产酸菌与甲烷菌之间的动态平衡。控制有机酸浓度3000mg/L以下，pH值为6.5-7.5，进水的BOD5:N:P=100:2.5:1，硫酸盐浓度应小于500mg/L。

厌氧塘

100处理城市污水的建议负荷值为200～600kg/ha·d。

几何尺寸厌氧塘一般为矩形，长宽比为2:1～2.5:1。单塘面积不大于4ha。塘的有效水深一般为2.0～4.5m，储泥深度大于0.5m，超高为0.6～1.0m。

进出水进水口离塘底0.6～1.0m，出水口离水面的深度应大于0.6m(图4-3)。进、出口的个数均应大于两个。厌氧前应设置格栅、普通沉砂池，有时也设置初次沉淀池用于前处理单元。101102厌氧塘的主要问题是产生臭气，目前是利用厌氧塘表面的浮渣层或采取人工覆盖措施防止臭氧逸出。也有用回流好氧塘出水使其布满厌氧塘表层来减少臭气逸出。厌氧塘宜用于处理高浓度有机废水，如制浆造纸、酿酒、农牧产品加工、农药等工业废水和家禽和家畜粪尿废水等。也可用于处理城镇污水。103稳定塘的主要性能1041、优点基建投资低旧河道、沼泽地、谷地可利用作为稳定塘，稳定塘系统基建投资低。运行管理简单经济稳定塘运行管理简单，动力消耗低，运行费用较低，约为传统二级处理厂的1/3～1/5。可进行综合利用实现污水资源化，如将稳定塘出水用于农业灌溉，充分利用污水的水肥资源；养殖水生动物和植物，组成多级食物链的复合生物系统。氧化塘的特点及实例1052、缺点占地面积大没有空闲余地时不宜采用。处理效果受气候影响如季节、气温、光照、降雨等自然因素都影响稳定塘的处理效果。设计运行不当时，可能形成二次污染如污染地下水、产生臭气和滋生蚊蝇等。106应用实例：武汉鸭儿湖氧化塘主要处理含有机磷的多种农药废水；采用5个塘串联的形式：见下图经多年运转表明，鱼种塘出水的主要水质指标均可接近或达到地面水标准。厌氧塘兼性塘好氧塘鱼种塘兼性塘107108109110综合生物塘工艺流程进水沉砂厌氧植物藻－菌生态修饰养殖灌溉出水ⅠⅡⅢⅣ植物藻菌流程Ⅰ：处理BOD5150～200mg/L的污水，包括全部的生态单元，水力停留时间16.3d；流程Ⅱ：处理BOD5100～150mg/L的污水，水力停留时间11.5d；流程Ⅲ或Ⅳ：处理BOD570～100mg/L的污水，水力停留时间4～5d；111水生植物塘格栅生物曝气塘砂滤反渗透活性碳臭氧人工湿地处理系统112

1、概述污水土地处理是在人工调控下利用土壤-微生物-植物组成的生态系统使污水中的污染物净化的处理方法。在污染物得以净化的同时，水中营养物质和水分也得以循环利用。因此，土地处理是使污水资源化，无害化和稳定化的处理利用系统。污水土地处理系统113人工调控土壤－微生物——植物目的：污水资源化、无害化、稳定化类型：慢速渗滤、

快速渗滤、

地表漫流

、湿地

（wetland）

、地下渗滤

发展方向：不受季节限制、二次污染可能性小、效率高（有机负荷或水力负荷）114土壤的特性和重要性土壤，即陆地表面的矿物质、有机质、水分和空气四种物质组成，具有一定肥力，能够生长植物的疏松表层。

土壤是一个独立的生态系统，与人类的关系十分密切。115土壤的组成

土壤是由矿物质、有机质、水分和空气四种物质组成的。

土壤有机质多集中在表层，它是土壤的重要成分，直接影响土壤肥力的形成和发展。通常把有机质的含量作为土壤肥力高低的一个重要标志。土壤中的水分空气有很大的流动性，它们的运动和比例的变化对土壤肥力也起很大的作用。1162、土地处理系统对污水的净化机理净化过程废水流过土壤时，土壤将废水中处于悬浮及胶体状态的物质截留下来，在土壤颗粒表面形成薄膜，这层薄膜（生物膜）里充满着异养型微生物。它能吸附废水中的有机物（包括溶解状态），并在微生物的作用下将废水中的有机物降解为无机物质。117

BOD大部分是在土壤表层土中去除的。土壤中含有大量的种类繁多的异氧型微生物，它们能对被过滤、截留在土壤颗粒空隙间的悬浮有机物和溶解有机物进行生物降解，并合成微生物新细胞。当污水处理的BOD负荷超过让土壤微生物分解BOD的生物氧化能力时，会引起厌氧状态或土壤堵塞。

污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除118

污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除在土地处理中，磷主要是通过植物吸收，化学反应和沉淀（与土壤中的钙、铝、铁等离子形成难溶的磷酸盐）、物理吸附和沉淀（土壤中的黏土矿物对磷酸盐的吸附和沉积），物理化学吸附（离子交换、络和吸附）等方式被去除。其去除效果受土壤结构、阳离子交换容量、铁铝氧化物和植物对磷的吸收等因素的影响。氮主要是通过植物吸收，微生物脱氮（氨化、硝化、反硝化），挥发、渗出（氨在碱性条件下逸出、硝酸盐的渗出）等方式被去除。其去除率受作物的类型、生长期、对氮的吸收能力，以及土地处理系统等工艺因素的影响。119

污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除

污水中的悬浮物质是依靠作物和土壤颗粒间的孔隙截留、过滤去除的。土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状、大小、分布和水流通道，以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截留过滤效果。若悬浮物的浓度太高、颗粒太大会引起土壤堵塞。

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污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除

污水经土壤处理后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可达92％～97％。其去除率与选用的土地处理系统工艺有关，其中地表漫流的去除率较低，但若有较长的漫流距离和停留时间，也可以达到较高的去除效率。

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污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。土地处理系统的净化机理BOD的去除磷和氮的去除悬浮物质的去除病原体的去除重金属的去除

重金属的去和主要是通过物理化学吸附，化学反应与沉淀等途径被去除的。重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子交换而被置换、吸附，并生成难溶性化合物被固定于矿物晶格中；重金属于某些有机物生成可吸性鳌合物被固定于矿物质晶格中；重金属离子于土壤的某些组分进行化学反应，生成金属磷酸盐和有机重金属等沉积于土壤中。122土地处理基本工艺地表漫流系统快速渗滤系统湿地处理系统慢速渗滤系统地下渗滤处理系统

慢速渗滤系统适用于渗水性能良好的土壤、砂质土壤及蒸发量小、气候润湿的地区。慢速渗滤系统的污水投配负荷一般较低，渗流速度慢，故污水净化效率高，出水水质优良。慢速渗滤系统有农业型和森林型两种。其主要控制因素为：灌水率、灌水方式、作物选择和预处理等。123124运行数据：BOD5去除率可达95%以上；COD去除率可达85~90%以上；氮去除率可达80~90%以上；我国沈阳、昆明等地采用较多。125

快速渗滤土地处理系统是一种高效、低耗、经济的污水处理与再生方法。适用于渗透性能良好的土壤，如砂土、砾石性砂土、砂质垆坶等。污水灌至快速滤渗田表面后很快下渗进入地下，并最终进入地下水层。灌水与休灌反复循环进行，使滤田表面土壤处于厌氧——好氧交替运行状态，依靠土壤微生物将被土壤截留的溶解性和悬浮有机物进行分解，使污水得以净化。快速渗滤法的主要目的是补给地下水和废水再生回用。进入快速渗滤系统的污水应进行适当预处理，以保证有较大的渗滤速率和硝化速率。

土地处理基本工艺