第一章环境生物技术引论-课件

2021/10/10星期日12021/10/10星期日2主要参考书目周少奇.环境生物技术.科学出版社，2003王建龙等.现代环境生物技术（第2版）.清华大学出版社，2008陈坚.环境生物技术.中国轻工业出版社，1999程树培.环境生物技术.南京大学出版社，19942021/10/10星期日3第1章环境生物技术引论2021/10/10星期日4“生物技术（Biotechnology）”一词首先由匈牙利工程师KarlEreky于1917年提出。1.1.1“生物技术”的出现1.1生物技术的学科体系与发展简史2021/10/10星期日5生物技术的定义：利用生物有机体（从微生物直至高等动物、植物）或其组成部分（包括器官、组织、细胞或细胞器等）发展新产品或新工艺的一种体系。或定义为“操纵生物（微生物、植物、动物）的细胞、组织或酶，进行生物合成、生物转化或生物降解，大规模地生产预期产品或达到特殊目的的一门技术”。2021/10/10星期日6一般认为，生物技术包括四个方面：2021/10/10星期日71.1.2生物技术发展简史古老（传统）生物技术阶段（公元前6000~17世纪）远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒2021/10/10星期日8郑州殷代遗迹2021/10/10星期日9我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）2021/10/10星期日10公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面2021/10/10星期日11特征：原始，并不了解其中的道理。产品：酿酒、酿醋、泡菜、奶酪、面包等发酵食品。2021/10/10星期日12初期（第一代）生物技术阶段（17世纪~20世纪40年代）1664年，英国人胡克（RobertHooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。2021/10/10星期日13微生物学直到十九世纪才得到发展原因：显微镜技术研究微生物的基本技术没有建立。十九世纪两个焦点问题的争论促使了这些微生物研究技术的诞生。问题之一：微生物能不能自发产生；问题之二：传染病的性质是什么。微生物学之父法国人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）微生物学的奠基者2021/10/10星期日14无菌营养液出现微生物无菌营养液无生命出现加热无菌营养液无生命出现巴斯德的曲颈瓶实验2021/10/10星期日15特征：该阶段列文虎克首次利用显微镜观察到了有生命力的微生物的存在，并有巴斯德阐明了发酵是由微生物（酵母菌）作用而产生的原理。了解废水处理和固体废弃物的堆肥处理。产品：酒精、丁醇、丙醇、乙二醇、有机酸。2021/10/10星期日16近代（第二代）生物技术阶段（20世纪40年代~70年代）特征：产品类型多（氨基酸、酶制剂、有机酸等）、技术要求高（无菌操作）、规模巨大、技术发展速度快抗生素工业大规模兴起，发酵过程变为无菌操作状态。产品：各种抗生素（青霉素、链霉素、金霉素等）、氨基酸及多糖等。青霉素青霉素生产车间2021/10/10星期日172021/10/10星期日18现代（第三代）生物技术阶段（20世纪70年代~现在）Watson、Crick的DNA双螺旋结构分子生物学发展阶段2021/10/10星期日19特征：DNA重组技术的建立带来基因工程、发酵工程、酶工程、细胞工程和蛋白质工程的迅猛发展。产品：通过以上工程手段将现代生物技术成功应用于各种工业领域，如酿酒工业、酶制剂发酵工业及生物能源工业等。2021/10/10星期日20“环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点，兼有基础科学和应用科学的特点在环境污染治理与修复、自然资源可持续再生等方面发挥着日益重要的作用。”

--中国科学院1.2环境生物技术的学科体系2021/10/10星期日2119世纪末，生物滤池的出现和1914年安登（ArdernE.）和洛凯脱（LockettW.）发明的“活性污泥法”被视为环境生物技术的开端。20世纪五六十年代，由于工农业的快速发展，随之而来的环境污染尤其是水污染的加剧，直接促进了环境生物技术的发展。1.2.1环境生物技术的形成形成原因，有何优点2021/10/10星期日22南京大学的程树培教授在其1994年出版的国内第一本《环境生物技术》一书中提出：环境生物技术的定义可以由生物技术的定义延伸扩展而获得，即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，称之为环境生物技术。1.2.2环境生物技术的定义2021/10/10星期日23德国K.N.Timmis博士对环境生物技术下的定义是：

环境生物技术是应用生物圈的某些部分使环境得以控制，或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术，包括环境中污染物的生物减少（Bioelimination)、污染场地的生物修复（Bioremediation）和生物可降解材料的开发和应用等。还有一些学者给出了更简单和通俗的定义，他们认为环境生物技术就是应用于环境污染治理方面的生物技术。近10年来，环境生物技术发展极其迅速，目前已成为一种经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂环境污染问题的最有效手段。2021/10/10星期日241.2.3环境生物技术的技术体系与学科结构基础生物学：分子生物学、生物化学、微生物学、细胞学、遗传学等；工程学：基因工程、细胞工程、酶工程、环境工程等；应用学：环境化学、环境生物学、环境地学、环境毒理学和环境检测与评价等。环境生物技术是现代生物技术的一个重要的分支学科，是现代生物技术与环境科学与技术交叉、渗透、综合的产物。1、环境生物技术涉及的学科2021/10/10星期日25同时，环境生物技术还涉及信息科学、电子工程技术、仪器分析科学和计算机科学、化工机械学、水力学、气象学等众多学科内容；对环境生物技术进行预算和评价还要涉及经济学、法律学、环境规划管理和系统工程等。2021/10/10星期日262.环境生物技术学科的层次性与学科内容第一层次为现代环境生物技术，是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术。如构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌，创造抗污染型转基因植物等。这一层次知识密集，为快速、有效地防治污染开辟了新途径，使解决日益出现的大量环境难题成为可能。2021/10/10星期日27第二层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理论和技术背景下产生出的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等。这是目前广泛使用的治理污染的生物技术，仍在不断强化和改进，已为控制现时的环境质量起到了极其重要的作用。2021/10/10星期日28活性污泥法废水最初沉淀池最终沉淀池放流水排泥淤泥处理回流污泥曝气槽2021/10/10星期日29活性污泥法实例贵阳小河污水处理厂2021/10/10星期日30生物膜法废水处理工艺2021/10/10星期日31生物流化床2021/10/10星期日32生物流化床2021/10/10星期日33生物流化床应用实例2021/10/10星期日34第三层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地和农业生态工程等，其特点是最大限度地发挥自然界的生物自净功能，投资运行费用少，易于操作管理。应该指出的是,环境生物技术中的三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段，需对他们进行组合应用。现代环境生物技术的发展热点主要集中在高层次技术，即以分子生物学技术为主体，以基因工程为主导的污染诊断、污染监测、污染控制及污染生态修复技术上。2021/10/10星期日352021/10/10星期日36有机物+氧+好氧菌=CO2+水藻类+CO2=氧+生物质量兼气区厌氧区氧化塘应用举例2021/10/10星期日37滨洲污水处理厂8万方/日氧化塘法2021/10/10星期日38人工湿地污水处理系统流程示意图2021/10/10星期日392021/10/10星期日40农业生态工程应用举例固沙护树生态垫2021/10/10星期日41生物传感器是指以生物个体、种群或群落对环境污染物胁迫的反应为指标监测环境的污染状况、模拟生物系统的真实反应。特点：快速、简单、成本低、专一性强、循环使用；检测范围广。1.2.4环境生物技术学科应用热点2021/10/10星期日42生物传感器工作原理2021/10/10星期日43生物农药主要内包括生物杀虫剂、生物除草剂和生物抗生素。特点：安全无毒、无公害、不污染环境、不会伤害害虫的天敌；有利于发展绿色食品。2021/10/10星期日44生物可降解塑料（纳米抗菌剂）利用环境生物技术开发可降解塑料（包括微生物合成塑料、植物纤维清膜等）或开发具有塑料特性的非塑料产品是塑料工业的新方向，是从源头解决“白色污染”的重要手段。2021/10/10星期日45PHA2021/10/10星期日46生物表面活性剂利用生物方法合成集亲水基和疏水基结构于同一分子内部的两亲化合物。特点：具有亲水、亲油性；生物降解性；生产过程绿色无污染。目前，酶促反应和整细胞生物转换已成为生产生物表面活性剂的两条并列途径。2021/10/10星期日47水中油滴在表面活性剂作用下的图示2021/10/10星期日48生物表面活性剂-糖酯的合成2021/10/10星期日49生物絮凝剂是一类有微生物产生的有絮凝活性的代谢产物，有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等。特点：有细菌、真菌等微生物产生的水处理剂；高效、廉价、无毒、无二次污染；在废水脱色、高浓度有机物去除方面有特效。2021/10/10星期日50生物絮凝剂应用举例2021/10/10星期日51生物修复现代工业的发展所带来的化学污染物造成土壤和饮用水的严重污染，并可通过水或土壤-植物系统经食物链进入人体，直接危害人类健康。2021/10/10星期日52生物修复应用举例垃圾填埋场生态恢复工程2021/10/10星期日53重庆万州生物修复天仙湖2021/10/10星期日541.3环境生物技术存在的问题尽管生物技术相对安全,但在其应用当中还存在一定的问题与困难,主要表现在:①反应速度不如化学法快,因而需要较大的反应器和占地面积;②对原水水质有一定的要求,否则将会妨碍微生物的生长;③在运行中有时会产生污泥膨胀和流失,剩余污泥也难处理;④对于一些人工合成物,特别是难生化降解物质,通常的微生物尚显得无能为力;⑤活的有害菌体从实验室泄漏到环境中;⑥大规模工程微生物的应用可能影响生态系统。2021/10/10星期日551.4环境生物技术的发展趋势1.4.1完善污染治理工艺尽管废水生物处理技术在实验室阶段已经取得了很大的成绩,但在实际工程应用方面还尚需努力。好氧与厌氧工艺相结合、生物膜法与活性污泥法相结合的废水处理技术,无害化的生产工艺过程,高效完善的自动化体系是今后主要发展方向。此外,还应充分考虑使微生物降解后的产物得到充分利用的途径,这不但可以为人类提供更多的能源,还可实现真正意义上的清洁生产。2021/10/10星期日561.4.2构建作用强大的工程菌利用环境生物技术处理各种复杂的污染问题,其核心内容就是最大化利用相应功能微生物。目前,不论是土著的环境微生物,还是后投入的工程菌都存在着很多问题,使微生物强大的处理能力没有充分发挥出来。但生物技术的不断发展,微生物遗传学,微生物生理生态学的进一步研究,人们不仅能构建针对难降解环境污染物的生物基因库,而且还会创造出具有新的特殊功能的极端微生物和培育出性状稳定的适用性超级工程菌。2021/10/10星期日571.4.3进一步开发生物检测手段随着科技的进步,生物环境污染监测会更便捷、灵敏、全面。分子生物技术将会在开发研制生物传感器方面发挥积极作用,可以满足对实际环境情况实施自动连续监测的需要,从而可以判断环境污染发展的趋势,尽早采取适当的预防措施。分子生物技术还可探索环境污染物质在环境中的迁移转化以及降解规律,检测污染致突变的成因,分析污染的来源。2021/10/10星期日581.4.4生物技术与其它技术相结合环境生物技术与其它现代科学技术相结合,可以提高处理效率,增强处理效果。利用光、声、电与高效生物处理相结合,处理高浓度有毒有害难降解有机废水,如光催化氧化-生物处理新技术、电化学高级氧化—高效生物处理技术、辐射分解—生物处理组合工艺等,这些工艺与设备的结合正在向模块化方向发展。电子计算机的广泛使用不仅使处理工艺控制自动化,还可同时进行数学模拟研究。2021/10/10星期日591.4.4预防污染现在,世界各国均已认识到环境保护的重要性。生物技术对环境保护的作用将由单纯治理发展到防治结合,以防为主,最终实现清洁生产。生物降解材料的开发,微生物农药的兴起,生物表面活性剂的诞生都是很好的例子。因此,研究人员将进一步充分应用分子生物工程技术的新方法、新工艺,来预防环境污染,实现清洁生产,提高生态环境质量,保障生态安全和多样性。2021/10/10星期日60目前,我国的环境生物技术处于刚刚起步阶段。该技术的进一步开发需要得到社会、同行及主管部门的广泛支持,大力开展以污染控制生物技术为主体的环境生物技术的研究,将大力