第七章現代生物技術與環境污染治理1/31/2024

1一、引言（一）歷史（二）意義（三）展望2一、引言（一）歷史1917：提出1953：基因的奠基人－詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克，他們發現DNA的雙螺旋結構。－－DNA之父。DNA之母：羅莎琳德.富蘭克林，她用X射線衍射DNA晶體得到了影像，從而分辨出這種分子的維度、角度和形狀；她發現DNA是螺旋結構，至少兩股，其化學“信息”面向進里面。1973：第一個成功的克隆轉化實驗，第一個有目的的基因重組實驗，是現代生物技術的標志。1997：英培育出世界上第一例體細胞克隆動物“多莉”羊，2003年2月14日去世。1998：日本培育出體細胞克隆動物8頭牛犢。3一、引言2000：果蠅的基因組圖譜繪制完成；人類基因組圖譜的繪制工作完成。2002：瘧原蟲、按蚊的基因組圖譜完成；完成水稻、小鼠的基因組圖譜。2003：意大利培育出第一匹克隆馬，人類基因組序列基本完成。42005年：全球首只克隆狗在韓國公開露面一、引言“斯納皮”與“父母”5DNA的雙螺旋結構世界首只克隆羊“多莉”一、引言6（二）意義

生物技術作為一個現代前沿學科領域，受到當今世界各國的廣泛關注，全球生物技術每年創造的產值約5000億美元，單項產品產值高達40億美元，僅美國生物技術產值達2240億美元。

比如“三色”農業－綠色“露天農業”、白色“工廠農業”、藍色“水生農業”。其中白色農業主要表示這種農業的生產過程沒有環境污染并嚴格要求環境條件的高度潔凈，節水、節土、不污染環境、資源可循環利用。一座年產10萬噸單細胞蛋白的微生物工廠，相當于180萬畝耕地生產的大豆蛋白或3億畝草原飼養牛羊的動物蛋白質。一、引言7一、引言（三）展望現代生物技術將為糧食、健康、環境、能源等人類面臨的重大問題開辟廣闊的前景，與信息、新材料和新能源技術將成為四大科學技術支柱，是21世紀高新技術產業的先導。美國于2003年3月5日啟動了牛基因組測序工程，將能夠改進牛奶和牛肉制品的質量以及提高食品的安全系數。諸如此類，將為人類開創美好的明天。

8二、生物技術（一）定義生物技術：以現代生命科學為基礎，結合先進的工程技術手段和其他基礎學科的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。（二）內容四大塊：基因工程、酶工程、細胞工程和發酵工程。（三）發展開始比較緩慢，后迅速發展。（四）應用9三、環境生物技術（一）定義廣義：凡是自然界中涉及環境污染控制的一切與生物技術有關的技術。嚴格地說，環境生物技術指的是直接或間接利用生物或生物體的某些組成部分或某些機能，建立降低或消除污染物的生產工藝，或者能夠高效凈化環境污染，同時又生產有用物質的工程技術。

10（二）研究范圍1、從實驗室到模擬和現場應用；2、開發廢物資源化和能源化技術；3、建立無害化生物技術清潔生產新工藝；4、發展對環境污染物的生理毒性及其對生態影響的檢測技術三、環境生物技術11能發熒光的熱帶斑馬魚普通熱帶斑馬魚是不發熒光的12轉魚抗寒基因的番茄轉基因鮭魚同時具有高產、穩產和抗逆性等優良品質的農作物新品種.抗蟲害的玉米13思考：1、為什么能把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上？2、推測這種“嫁接”怎樣能實現？3、這種“嫁接”對品種的改良有什么意義？141基因工程與環境污染生物治理基因工程：又叫做基因拼接技術或DNA重組技術。通俗的說，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。

1.定義：將外源基因體外重組后導入受體細胞內，使這個基因能在受體細胞內復制、轉錄、翻譯表達的操作。152.理論和技術支撐（1）理論：40年代發現了生物的遺傳物質是DNA、50年代弄清了DNA的雙螺旋結構、60年代確定了遺傳信息的傳遞方式。（2）技術：工具酶、載體、逆轉錄酶3.基因工程實施至少四個必要條件：工具酶、基因、載體、受體細胞161、DNA：遺傳物質脫氧核糖核酸的簡稱。每個DNA分子都包含螺旋結構的雙股鏈。2、基因：DNA上有遺傳意義的片段叫基因，基因包含一定數量的堿基。基因是基礎的遺傳單位，它們決定一個人眼睛的顏色、耳朵的大小、腦容量等所有人的生理特征和一些行為特征。更重要的是，基因與許多疾病有關。3、測序：確定DNA雙股鏈上每個獨立結構單元或堿基的確切順序的過程。測序經常被稱為“破譯”，因為其結果就像解碼一樣。解碼結果包含數百頁和成千上萬行4種字母的序列，這些字母表示4種不同的堿基，它們是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分別用它們的首字母A、G、C、T表示，其排列順序中蘊藏著各種各樣的遺傳信息和生命指令。一、基因組的相關名詞174、基因診斷:也叫DNA診斷、分子診斷，是通過從患者體內提取樣本用基因檢測方法來判斷患者是否有基因異常或攜帶病原微生物。目前，基因診斷檢測的疾病主要有三大類：感染性疾病的病原診斷、各種腫瘤的生物學特性的判斷、遺傳病的基因異常分析。5、所謂轉基因技術就是把外源基因整合到動植物基因組中去。6、基因突變是指由于DNA堿基對的置換、增添或缺失而引起的基因結構的變化，亦稱點突變。一、基因組的相關名詞187、人類基因組（ＨｕｍａｎＧｅｎｏｍｅ）：是建立人體所需的化學密碼或藍圖，而這幅藍圖的基本組成是ＤＮＡ。ＤＮＡ是一條由磷酸鹽和糖組成的分子鏈，呈雙螺旋形，即兩條互相纏繞的螺旋形分子帶，中間以稱為堿基的橫條緊扣。除了孿生子女外，每個人的ＤＮＡ都是獨一無二的。8、染色體（Ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ）：人體每個細胞內皆有２３對染色體，它們位于細胞的核心，當中染色體ＸＹ是決定性別的。一個人體內所有細胞的染色體的長度加起來，足足有１６００億公里長。

9、克隆是英文clone的音譯，簡單講就是一種人工誘導的無性繁殖方式。

一、基因組的相關名詞19轉基因抗蟲棉抗蟲棉普通棉20基因工程培育抗蟲棉的簡要過程：普通棉花(無抗蟲特性)蘇云金芽孢桿菌提取抗蟲基因與運載體DNA拼接導入棉花細胞(含抗蟲基因)棉花植株(有抗蟲特性)上述培育抗蟲棉的關鍵步驟是什么？21一種限制酶只能識別一種特定核苷酸序列；并在特定切點切割．一.限制性核酸內切酶——“分子手術刀”(一）DNA重組技術的基本工具

1、來源：2、種類：3、作用：主要是微生物4000種。二、基因工程的基本過程224、結果：形成兩種末端粘性末端平末端2324要想獲得某個特定性狀的基因必須要用限制酶切幾個切口？可產生幾個黏性末端？要切兩個切口，產生四個黏性末端。

被同一種限制酶切斷的幾個來源不同的DNA是否具有相同的黏性末端？25二個不同的ＤＮＡ的黏性末端黏合起來，就似乎可以合成重組的DNA分子了。被同一種限制切斷的幾個DNA具有相同的黏性末端。26二.DNA連接酶——“分子縫合針”１、作用：把兩條ＤＮＡ末端之間的縫隙“縫合”起來27二、基因的針線──DNA連接酶

連接酶的作用是：將互補配對的兩個黏性末端連接起來，使之成為一個完整的DNA分子。28基因的針線：DNA連接酶

G

AA

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G用同種限制酶切割29三、基因進入受體細胞的運載——”分子運輸車”

１、作用：將外源基因導入受體細胞２、特點（條件）1、能夠在宿主細胞中復制并穩定地保存2、具有多個限制酶切割位點，以便與外源基因連接3、具有標記基因，便于進行篩選30３、常用的運載體：質粒（最常用）、噬菌體和動植物病毒等標記基因，便于進行檢測。都有侵染或進入宿主細胞的能力它們的共同特點是：

其中質粒存在于許多細菌和酵母菌等生物中,是細胞染色體外能夠自主復制的很小的環狀DNA分子.

31第一步：（二）基因工程基本步驟：第二步：獲取目的基因目的基因與運載體結合方法：1、直接分離：鳥槍法2、人工合成：注意：要保持基因的完整性注意：要用同一種限制酶切取目的基因和運載體，并用DNA連接酶連接。32第三步：第四步:將目的基因導入受體細胞目的基因的檢測和表達1、常用的受體細胞：大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌、動植物細胞等2、常用微生物作受體細胞的原因：微生物增殖快、代謝快、目的產物多3、若受體細胞為細菌應作何處理：應用CaCl2處理一般檢測：標記基因是否表達目的是：增大細胞壁的通透性3334三、基因工程在環境污染的生物治理中的應用優勢：集中與創造目的基因．提供綜合性代謝新污染物的通路和雜種細胞；提高代謝通路結構基因的表達，針對新的污染物，改變表達的調節方式；控制降解途徑的限制性步驟，提高分解代謝酶的合成或其他生化反應過程效率；防止有毒終污染物的產生，防止非需要產品的出現，用確定的基因實現最初的目的。35降解鹵代芳烴基因工程菌分解尼龍寡聚物基因工程菌分解多糖基因工程菌抗金屬基因工程菌除草劑降解基因工程菌36？思維拓展:

細菌和人是差異非常大的兩種生物,通過基因重組后,細菌能夠合成人體的胰島素，這說明了什么？這可不是普通的細菌，它是嫁接了人胰島素基因的工程菌，能大量合成人胰島素。人和細菌共用一套遺傳密碼所有生物共用一套遺傳密碼37一、基因工程與作物育種38生長快、肉質好的轉基因魚(中國)乳汁中含有人生長激素的轉基因牛(阿根廷)39轉黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉魚抗寒基因的番茄獲得高產、穩產和具有優良品質的農作物和具有抗逆性的作物新品種。402、基因工程與藥物研制我國生產的部分基因

工程疫苗和藥物

許多藥品的生產是從生物組織中提取的。受材料來源限制產量有限，其價格往往十分昂貴。

微生物生長迅速，容易控制，適于大規模工業化生產。若將生物合成相應藥物成分的基因導入微生物細胞內，讓它們產生相應的藥物，不但能解決產量問題，還能大大降低生產成本。41

胰島素從豬、牛等動物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產量之低和價格之高可想而知。

將合成的胰島素基因導入大腸桿菌，每2000L培養液就能產生100g胰島素！使其價格降低了30%-50%!423、環境保護

基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環境的物質。431）用于環境監測。2）用于被污染環境的凈化。例如：用DNA探針可以檢測飲用水中病毒的含量。此方法的特點是快速、靈敏，1噸水中有10個病毒也能檢測出來。通過基因工程方法怎樣進行環境監測？44

1）用基因工程產物——“超級細菌”分解石油，可以大大提高細菌分解石油的效率。具體方法：將能分解三種烴類的假單孢桿菌的基因都轉移到能分解另一種烴類的假單孢桿菌內，創造出了能同時分解四種烴類的“超級細菌”。

2）用基因工程培養出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的細菌，以及能夠凈化鎘污染的植物。

3）通過基因重組構建新的殺蟲劑，取代生產過程中耗能多、易造成環境污染的農藥，并試圖通過基因工程回收和利用工業廢物。通過基因工程方法怎樣凈化被污染的環境？（二）基因操作的工具45

利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環境污染的情況，卻不易因環境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉化污染物。46基因工程，就是將一種生物的某個有用的遺傳基因，以人工的方法注射進另一種生物的細胞里,卻打破了同種繁殖的自然規律。不少消費者在不知情之下進食了該類食物而出現過敏反應,使這一些消費者要求沒有經過基因工程的食物,這可能導致糧食危機。有用基因所產生的蛋白質可能是一種毒素,但對人體也可能引起過敏或其他的問題。隨意地把基因注入植物細胞內可能會干預細胞的化學活動和功能、引發不穩定、改變農作物的營養價值。47

1996年7月5日,世界上第一只體細胞克隆動物-----克隆羊多利誕生于英國.這樣的生物技術屬于何種生物工程？細胞工程482細胞工程與環境污染生物治理細胞工程(cellengineering)是以細胞生物學和分子生物學為基礎理論，采用原生質體、細胞或組織培養等試驗方法或技術，在細胞水平上研究改造生物遺傳特性，以獲得具有新的性狀的細胞系或生物體以及生物的次生代謝產物，并發展有關理論和技術方法的學科。

細胞工程的核心技術：細胞培養與繁殖

目的：獲得新性狀、新個體、新物質49細胞工程應用的原理和方法研究的水平研究的目的細胞生物學分子生物學細胞整體水平或細胞器水平按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品概念分類植物細胞工程動物細胞工程5051一、植物細胞工程理論基礎：常用技術手段：二、動物細胞工程理論基礎：常用技術手段：植物細胞全能性植物組織培養植物體細胞雜交細胞增殖動物細胞培養動物細胞融合單克隆抗體胚胎移植、核移植52植物組織培養條件：離體一定的營養物質植物激素適宜的外界條件無菌環境離體的植物器官組織或細胞愈傷組織脫分化再分化根、芽植物體過程：蔗糖、維生素、氨基酸、礦質元素等生長素、細胞分裂素溫度、pH、光照移栽5354試管苗大規模培養55外植體愈傷組織新植株56切取形成層無菌接種誘導愈傷組織的形成試管苗的形成培養室移栽脫分化再分化57去掉細胞壁原生質體原生質體融合再生出細胞壁正在融合的原生質體雜種細胞脫分化再分化植物體細胞雜交58白菜甘藍白菜－甘藍59動物細胞培養條件：一定的營養物質動物血清無菌環境等葡萄糖、維生素、氨基酸、無機鹽等過程：動物胚胎或幼齡動物的組織、器官細胞懸浮液剪碎胰蛋白酶10代細胞原代培養40或50代細胞傳代培養細胞株無限傳代細胞系遺傳物質未改變遺傳物質改變單個細胞培養液6061動物細胞培養技術應用這只老鼠身上的“人耳”是由我國科學家曹誼林教授利用細胞工程技術復制出來的。器官克隆一例62植物組織培養動物細胞培養理論基礎結果應用植物細胞全能性細胞增殖獲得新個體或細胞產品大量產生同一種細胞（細胞株或細胞系）或細胞產物1、快速繁育名貴花卉和果樹；2、培養無病毒植物、轉基因植物；3、大規模生產藥物、食品添加劑、香料、色素等1、生產蛋白質制品如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等；2、檢測有毒物質；3、研究藥理病理4、移植治療63卵細胞C母綿羊子宮Ａ母綿羊Ｂ母綿羊乳腺細胞細胞質細胞核細胞核移植胚胎移植早期胚胎多莉羊分娩卵裂融合后的卵細胞細胞拆合技術妊娠細胞重組——多莉羊的培育過程細胞核移植64原生質體融合構建環境工程菌概念：原生質體（Protoplast）細胞質壁分離后去掉細胞壁所余下的那部分結構稱為原生質體。原生質體具有原有細胞全部的內部結構與生理性能，但無細胞壁，細胞呈球形，對滲透壓敏感，對外界理化因子比較敏感。在外界理化融合因子的誘導下，不同物種間的原生質體的質膜相互融合雜交，并在適當的條件下，融合的原生質體再生出細胞壁并恢復原來完整的細胞形態與群落形態，構成具有多種遺傳性狀的新物種。故可利用原生質體融合來構建新物種。65細胞工程的基本過程親本選擇原生質體制備原生質體融合融合體再生與檢出化學誘導法電融合法66原生質體融合構建環境工程菌苯環化合物降解菌說明通過原生質體融合可以集中雙親的優良性狀、并可產生新的性能纖維素降解菌制備細菌殺蟲劑選育利用木糖和纖維二糖產乙醇的菌株673酶學工程與環境污染治理（一）酶的定義：生物體內產生的具有催化功能的特殊蛋白質和RNA。（二）酶的分類：氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶、連接酶或合成酶一、概述68（三）酶工程的研究內容酶工程：是利用酶的催化作用進行物質轉化的技術，是將酶學理論與化工技術結合而形成的新技術。其主要任務是：通過預先設計，經過人工操作控制而獲得大量所需的酶，并通過各種方法使酶發揮出最大的催化功能；目的是為我們提供產品或以特定的功能為我們服務。1、生產2、分離純化3、酶分子修飾4、酶的固定化5、酶反應動力學6、酶反應器7、酶的應用一、概述69（四）酶的催化特性

1、催化效率高2、專一性強

3、催化條件溫和

4、酶活性可調

5、對環境條件敏感一、概述70（一）酶是生物催化劑活化能（J/mol)：在一定溫度下一摩爾底物全部進入活化狀態所需要的自由能。酶能大大降低活化能，增加活化分子。（二）酶催化反應動力學中間產物學說二、酶作用原理7172在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復合物。當底物分子在酶作用下發生化學變化后，中間復合物再分解成產物和酶。

E+S====E-S

P+E

許多實驗事實證明了E－S復合物的存在。E－S復合物形成的速率與酶和底物的性質有關。二、酶作用原理73（一）概述1.Idea的提出1）酶的穩定性差；2）難回收；3）難分離純化（產物與酶）。2.基本概念

酶的固定化——將酶與水不溶性的載體結合，制備固定化酶的過程。

固定化酶——固定在載體上并在一定的空間范圍內進行催化反應的酶。固定化酶的原料——純酶、結合在死細胞或細胞碎片的酶或酶系（固定化菌體）三、固定化酶743.固定化酶的特點

具有生物催化劑的功能，又有固相催化劑的功能。①可多次使用②反應后，酶底物產物易分開，產物中無殘留酶，易純化，產品質量高。③反應條件易控制。④酶的利用效率高。⑤比水溶性酶更適合于多酶反應。三、固定化酶75三、固定化酶（二）固定化方法1、載體結合法2、交聯法3、包埋法4、逆膠束酶5、復合法76酶和細胞固定化方法

酶和細胞固定化方法

載體結合法交聯法包埋法

網格型微囊型物理吸附法離子結合法共價結合法熱處理（細胞）77酶和細胞固定化模式78（一）基本方法自溶酶滅活法：使細胞中的自溶酶失活絮凝吸附法：絮凝后細胞的機械性能得到加強吸附法：依靠微生物細胞和載體表面的靜電作用發生吸附載體為硅藻土、木材、玻璃、陶瓷、塑料等，吸附過程中甚至會發生化學反應，形成鍵。此法的結合比較簡單，也很牢固。包埋法：將微生物包埋在瓊脂等載體內載體還有海藻酸鈉、明膠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等凝膠載體。此法可用于活細胞的固定，但操作復雜、機械性能差、易磨損，不適于大批量生產。三、固定化細胞技術79（二）在污水處理中的實際應用降解直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）固定化酵母細胞降解酚固定化藻細胞在氧化塘中的應用固定化產甲烷菌、固定化檸檬酸菌除重金屬、固定化混合細菌對印染廢水脫色等三、固定化細胞技術80普遍存在理論：只要時間足夠，就會自發產生最適合當地環境的菌群并成為優勢種。投菌法理論：自發產生的適應菌群未必能成為優勢種，因此需要人工添加菌種（生物添加劑）。生物添加劑的添加就是一種強化技術，其菌種是從環境中分離得到的，經過選育后使其降解效力得到加強，最后通過發酵法大量生產并加工成所需的形式。三、廢水凈化生物強化技術811、發酵：借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或直接產生代謝產物或次級代謝產物的過程。現已擴展到培養生物細胞來制得產物的所有過程。2、發酵工程：也叫微生物工程，現代的發酵工程，就是采用現代工程技術手段，利用生物，主要是微生物的某些生理功能，為人類生產有用的生物產品，或者直接利用微生物參與控制某些工業生產過程的一種新技術。一、概述4發酵工程與環境污染生物治理82菌種選育：一般有誘變育種，基因工程和細胞工程等培養基配制滅菌：包括設備滅菌和培養基滅菌擴大培養和接種發酵過程：隨時了解發酵進程，及時添加必需的培養基組分，嚴格控制溫度、pH、溶氧、通氣量與轉速等發酵條件。分離提純菌體：用過濾、沉淀方法代謝產物：用蒸餾、萃取、離子交換等方法擴大培養與發酵生產過程中的培養有何不同呢？

擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖，而發酵過程中的培養是為了獲得代謝產物，目的不同采用的培養條件就有可能不同。

例如：在酒精發酵過程中，擴大培養是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。而在發酵產生酒精的過程中則必須在無氧條件下進行以獲得大量的酒精。

發酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發酵過程中不能混入雜菌。這是為什么呢？

在發酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競爭關系，對發酵過程造成不良影響。

例如：如果在谷氨酸發酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就會使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。如果在青霉素生產過程中污染了雜菌，這些雜菌則會分泌青霉素酶，將合成的青霉素分解掉。

83菌種篩選搖瓶試驗發酵罐試驗84影響發酵過程的因素（1）溫度

溫度能影響酶的活性，也能影響生物合成的途徑。溫度還會影響發酵液的物理性質，以及菌種對營養物質的分解吸收等。（2）pH

pH能夠影響酶的活性，以及細胞膜的帶電荷狀況。還會影響培養基中營養物質的分解等（3）溶解氧

在發酵過程中菌種只能利用溶解氧。因此，必須向發酵液中連續補充大量的氧，并要不斷地進行攪拌，以提高氧在發酵液中的溶解度。（4）泡沫

發酵過程中，通氣、攪拌、微生物的代謝過程及培養基中某些成分的分解等，都有可能產生泡沫。過多的持久性泡沫對發酵是不利的。（5）營養物質的濃度

發酵液中各種營養物質的濃度，特別是碳氮比、無機鹽和維生素的濃度，會直接影響菌體的生長和代謝產物的積累。85發酵工程的優點生產條件溫和原料來源豐富且價格低廉產物專一廢棄物對環境的污染小或容易處理86二、發酵工程的應用（1）醫藥工業：

1．發酵工程能生產人們所需的藥品。

例如：通過青霉發酵能生產青霉素。2．通過發酵工程能生產基因藥品。

例如：將合成的人的胰島素基因轉移到大腸桿菌細胞內構建成“工程菌”，再通過培養“工程菌”即可獲得人的胰島素。

87發酵工程的應用（二）在食品工業上的應用主要包括以下三方面。第一，生產傳統的發酵產品，如啤酒、果酒、食醋等，使產品的產量和質量得到明顯的提高。第二，生產各種食品的添加劑如酸味劑、鮮味劑、甜味劑，色素。第三，幫助解決糧食問題。（如單細胞蛋白的生產）通過發酵可獲得大量的微生物菌體——單細胞蛋白。20世紀80年代中期全世界的單細胞蛋白年產量已達2.0x107t，廣泛用于食品加工和飼料中。單細胞蛋白食品優點:高蛋白,低脂肪88（2）食品工業：①傳統發酵產品如啤酒、果酒、食醋等，使產品的產量和質量得到明顯的提高。②生產各種食品添加劑，如酸味劑、鮮味劑、甜味劑，色素③解決糧食短缺問題（如單細胞蛋白的生產）通過發酵可獲得大量的微生物菌體——單細胞蛋白。20世紀80年代中期全世界的單細胞蛋白年產量已達2.0x107t，廣泛用于食品加工和飼料中。單細胞蛋白食品優點:高蛋白,低脂肪89發酵工程在環境污染治理中的應用亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發酵酵母循環系統食品廢水處理系統廢纖維素的資源化生產SCP、生產酒精有機固體廢棄物的快速堆肥一、應用905生態工程與污水處理系統生態工程——定義

——應用生態系統中物種共生與物質資源循環再生的原理，結合系統工程的最優化方法設計的分層多級利用物質的生產工藝系統91生態工程類型1、物質能量多層利用生態工程2、物質轉化與再生生態工程3、無污染生態工程4、污染自凈多功能生態工程5、工農業聯合生態工程92二、氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）的概念又稱穩定塘，是利用藻類和細菌兩類生物間功能上的協同作用處理污水的一種生態系統。氧化塘內的生物組成藻類：位于氧化塘的表層，常見的有：小球藻屬、衣藻屬、眼蟲藻屬等；細菌：大量存在于氧化塘下層，在好氣狀態下，無色桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌等優勢生長；在氧化塘底部的厭氧層還有硫酸還原菌和甲烷細菌。微型動物：存在多種原生動物、輪蟲、以及甲殼類等。93氧化塘法——原理氧化塘是一種大面積、敞開式的污水處理系統；氧化塘中主要由細菌對有機物進行降解；藻類利用細菌的分解產物生長，同時通過光合作用向細菌供氧（空氣溶氧是輔助性的）；藻類O2小分子

營養物細菌污染有機物N、P等

污染無機物9495因此氧化塘不但能去除80-95%的BOD，還能去除90%以上的氮，和80%以上的磷。此外，在池塘的底部還有厭氧微生物的活動，產二氧化碳、甲烷、簡單有機酸、醇類等。96氧化塘法——原理——氧化塘中的食物鏈如何收集藻類和菌類（特別是藻類）中富積的營養物質是解決污水處理的最后一環，選擇生物富積法是有共識的，但迄今為止還沒有較完美的解決方案（考慮到10%定律），用何種生物采用什么方式富積還有待進一步研究。有機和無機污染物藻類和菌類浮游動物魚類營養物質高等水生植物97氧化塘的分類與功能兼性塘（FacultativePond）塘深1.0～2.5m，上層DO充足，好氧微生物占優勢；中層DO不足，兼性微生物占優勢；下層厭氧微生物占優勢。可應用于處理工業、農業廢水和生活污水。厭氧塘塘深2m以上，厭氧微生物占主導，可接納預處理各種高濃度有機工業廢水。它后面通常還置有兼性塘和好氧塘。曝氣塘塘深2～5m。機械曝氣充氧。精制塘——深處理好氧塘98兼性塘的基本工作原理

-99

(1)厭氧塘的基本工作原理厭氧塘對有機污染物的降解，是由兩類厭氧菌通過產酸發酵和甲烷發酵兩階段完成的。厭氧塘的設計運行，必須以甲烷發酵階段的要求作為控制條件，控制有機污染物的投配率，以保持產酸菌與甲烷菌之間的動態平衡。控制有機酸濃度3000mg/L以下，pH值為6.5-7.5，進水的BOD5:N:P=100:2.5:1，硫酸鹽濃度應小于500mg/L。

厭氧塘

100處理城市污水的建議負荷值為200～600kg/ha·d。

幾何尺寸厭氧塘一般為矩形，長寬比為2:1～2.5:1。單塘面積不大于4ha。塘的有效水深一般為2.0～4.5m，儲泥深度大于0.5m，超高為0.6～1.0m。

進出水進水口離塘底0.6～1.0m，出水口離水面的深度應大于0.6m(圖4-3)。進、出口的個數均應大于兩個。厭氧前應設置格柵、普通沉砂池，有時也設置初次沉淀池用于前處理單元。101102厭氧塘的主要問題是產生臭氣，目前是利用厭氧塘表面的浮渣層或采取人工覆蓋措施防止臭氧逸出。也有用回流好氧塘出水使其布滿厭氧塘表層來減少臭氣逸出。厭氧塘宜用于處理高濃度有機廢水，如制漿造紙、釀酒、農牧產品加工、農藥等工業廢水和家禽和家畜糞尿廢水等。也可用于處理城鎮污水。103穩定塘的主要性能1041、優點基建投資低舊河道、沼澤地、谷地可利用作為穩定塘，穩定塘系統基建投資低。運行管理簡單經濟穩定塘運行管理簡單，動力消耗低，運行費用較低，約為傳統二級處理廠的1/3～1/5。可進行綜合利用實現污水資源化，如將穩定塘出水用于農業灌溉，充分利用污水的水肥資源；養殖水生動物和植物，組成多級食物鏈的復合生物系統。氧化塘的特點及實例1052、缺點占地面積大沒有空閑余地時不宜采用。處理效果受氣候影響如季節、氣溫、光照、降雨等自然因素都影響穩定塘的處理效果。設計運行不當時，可能形成二次污染如污染地下水、產生臭氣和滋生蚊蠅等。106應用實例：武漢鴨兒湖氧化塘主要處理含有機磷的多種農藥廢水；采用5個塘串聯的形式：見下圖經多年運轉表明，魚種塘出水的主要水質指標均可接近或達到地面水標準。厭氧塘兼性塘好氧塘魚種塘兼性塘107108109110綜合生物塘工藝流程進水沉砂厭氧植物藻－菌生態修飾養殖灌溉出水ⅠⅡⅢⅣ植物藻菌流程Ⅰ：處理BOD5150～200mg/L的污水，包括全部的生態單元，水力停留時間16.3d；流程Ⅱ：處理BOD5100～150mg/L的污水，水力停留時間11.5d；流程Ⅲ或Ⅳ：處理BOD570～100mg/L的污水，水力停留時間4～5d；111水生植物塘格柵生物曝氣塘砂濾反滲透活性碳臭氧人工濕地處理系統112

1、概述污水土地處理是在人工調控下利用土壤-微生物-植物組成的生態系統使污水中的污染物凈化的處理方法。在污染物得以凈化的同時，水中營養物質和水分也得以循環利用。因此，土地處理是使污水資源化，無害化和穩定化的處理利用系統。污水土地處理系統113人工調控土壤－微生物——植物目的：污水資源化、無害化、穩定化類型：慢速滲濾、

快速滲濾、

地表漫流

、濕地

（wetland）

、地下滲濾

發展方向：不受季節限制、二次污染可能性小、效率高（有機負荷或水力負荷）114土壤的特性和重要性土壤，即陸地表面的礦物質、有機質、水分和空氣四種物質組成，具有一定肥力，能夠生長植物的疏松表層。

土壤是一個獨立的生態系統，與人類的關系十分密切。115土壤的組成

土壤是由礦物質、有機質、水分和空氣四種物質組成的。

土壤有機質多集中在表層，它是土壤的重要成分，直接影響土壤肥力的形成和發展。通常把有機質的含量作為土壤肥力高低的一個重要標志。土壤中的水分空氣有很大的流動性，它們的運動和比例的變化對土壤肥力也起很大的作用。1162、土地處理系統對污水的凈化機理凈化過程廢水流過土壤時，土壤將廢水中處于懸浮及膠體狀態的物質截留下來，在土壤顆粒表面形成薄膜，這層薄膜（生物膜）里充滿著異養型微生物。它能吸附廢水中的有機物（包括溶解狀態），并在微生物的作用下將廢水中的有機物降解為無機物質。117

BOD大部分是在土壤表層土中去除的。土壤中含有大量的種類繁多的異氧型微生物，它們能對被過濾、截留在土壤顆粒空隙間的懸浮有機物和溶解有機物進行生物降解，并合成微生物新細胞。當污水處理的BOD負荷超過讓土壤微生物分解BOD的生物氧化能力時，會引起厭氧狀態或土壤堵塞。

污水土地處理系統的凈化機理十分復雜，它包含了物理過濾、物理吸附、物理沉積、物理化學吸附、化學反應和化學沉淀、微生物對有機物的降解等過程。因此，污水在土地處理系統中的凈化是一個綜合凈化過程。土地處理系統的凈化機理BOD的去除磷和氮的去除懸浮物質的去除病原體的去除重金屬的去除118

污水土地處理系統的凈化機理十分復雜，它包含了物理過濾、物理吸附、物理沉積、物理化學吸附、化學反應和化學沉淀、微生物對有機物的降解等過程。因此，污水在土地處理系統中的凈化是一個綜合凈化過程。土地處理系統的凈化機理BOD的去除磷和氮的去除懸浮物質的去除病原體的去除重金屬的去除在土地處理中，磷主要是通過植物吸收，化學反應和沉淀（與土壤中的鈣、鋁、鐵等離子形成難溶的磷酸鹽）、物理吸附和沉淀（土壤中的黏土礦物對磷酸鹽的吸附和沉積），物理化學吸附（離子交換、絡和吸附）等方式被去除。其去除效果受土壤結構、陽離子交換容量、鐵鋁氧化物和植物對磷的吸收等因素的影響。氮主要是通過植物吸收，微生物脫氮（氨化、硝化、反硝化），揮發、滲出（氨在堿性條件下逸出、硝酸鹽的滲出）等方式被去除。其去除率受作物的類型、生長期、對氮的吸收能力，以及土地處理系統等工藝因素的影響。119

污水土地處理系統的凈化機理十分復雜，它包含了物理過濾、物理吸附、物理沉積、物理化學吸附、化學反應和化學沉淀、微生物對有機物的降解等過程。因此，污水在土地處理系統中的凈化是一個綜合凈化過程。土地處理系統的凈化機理BOD的去除磷和氮的去除懸浮物質的去除病原體的去除重金屬的去除

污水中的懸浮物質是依靠作物和土壤顆粒間的孔隙截留、過濾去除的。土壤顆粒的大小、顆粒間孔隙的形狀、大小、分布和水流通道，以及懸浮物的性質、大小和濃度等都影響對懸浮物的截留過濾效果。若懸浮物的濃度太高、顆粒太大會引起土壤堵塞。

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污水土地處理系統的凈化機理十分復雜，它包含了物理過濾、物理吸附、物理沉積、物理化學吸附、化學反應和化學沉淀、微生物對有機物的降解等過程。因此，污水在土地處理系統中的凈化是一個綜合凈化過程。土地處理系統的凈化機理BOD的去除磷和氮的去除懸浮物質的去除病原體的去除重金屬的去除

污水經土壤處理后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可達92％～97％。其去除率與選用的土地處理系統工藝有關，其中地表漫流的去除率較低，但若有較長的漫流距離和停留時間，也可以達到較高的去除效率。

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污水土地處理系統的凈化機理十分復雜，它包含了物理過濾、物理吸附、物理沉積、物理化學吸附、化學反應和化學沉淀、微生物對有機物的降解等過程。因此，污水在土地處理系統中的凈化是一個綜合凈化過程。土地處理系統的凈化機理BOD的去除磷和氮的去除懸浮物質的去除病原體的去除重金屬的去除

重金屬的去和主要是通過物理化學吸附，化學反應與沉淀等途徑被去除的。重金屬離子在土壤膠體表面進行陽離子交換而被置換、吸附，并生成難溶性化合物被固定于礦物晶格中；重金屬于某些有機物生成可吸性鰲合物被固定于礦物質晶格中；重金屬離子于土壤的某些組分進行化學反應，生成金屬磷酸鹽和有機重金屬等沉積于土壤中。122土地處理基本工藝地表漫流系統快速滲濾系統濕地處理系統慢速滲濾系統地下滲濾處理系統

慢速滲濾系統適用于滲水性能良好的土壤、砂質土壤及蒸發量小、氣候潤濕的地區。慢速滲濾系統的污水投配負荷一般較低，滲流速度慢，故污水凈化效率高，出水水質優良。慢速滲濾系統有農業型和森林型兩種。其主要控制因素為：灌水率、灌水方式、作物選擇和預處理等。123124運行數據：BOD5去除率可達95%以上；COD去除率可達85~90%以上；氮去除率可達80~90%以上；我國沈陽、昆明等地采用較多。125

快速滲濾土地處理系統是一種高效、低耗、經濟的污水處理與再生方法。適用于滲透性能良好的土壤，如砂土、礫石性砂土、砂質壚坶等。污水灌至快速濾滲田表面后很快下滲進入地下，并最終進入地下水層。灌水與休灌反復循環進行，使濾田表面土壤處于厭氧——好氧交替運行狀態，依靠土壤微生物將被土壤截留的溶解性和懸浮有機物進行分解，使污水得以凈化。快速滲濾法的主要目的是補給地下水和廢水再生回用。進入快速滲濾系統的污水應進行適當預處理，以保證有較大的滲濾速率和硝化速率。

土地處理基本工藝