第六节 生物修复技术

null第六节 生物修复技术第六节 生物修复技术一、生物修复的概念、优点和局限性 二、生物修复的发展 三、生物三原则 四、生物修复的分类 五、真菌的降解作用与生物修复一、生物修复的概念、优点和 局限性一、生物修复的概念、优点和 局限性 生物修复是指利用生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物的一个受控或自发进行的过程。 生物修复的目的是去除环境中的污染物，使其浓度降至环境规定的安全浓度一下。null生物修复同传统的物理、化学修复相比，有很多优点： ● 可以现场进行，减少了运输费用和人类 直接接触污染物的机会。 ●使有机物分解为二氧化碳和水，无二次污染，不会使污染转移。 ● 可与其它处理技术结合使用，处理复合污染。 ● 降解过程迅速，费用低。局限性：局限性：不是所有的污染物都可使用，有些污染物 不能使用。 有些化学品的降解产物毒性和迁移性增强。 工程前期投入高 需增加微生物项目。二、生物修复的发展二、生物修复的发展 首次记录使用生物修复是在1972年，于美国宾夕法尼亚州的Ambler清除管线泄漏的汽油。 1989年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后才首次大规模应用生物修复技术。 美国从1991年开始实施“超基金项目”。 欧洲的生物修复技术可与美国并驾齐驱。三、生物修复的三原则三、生物修复的三原则 适合的微生物 适合的地点 适合的环境条件四、生物修复的分类四、生物修复的分类1.根据被修复的污染环境，分为 土壤生物修复 地下水生物修复 沉积物生物修复 海洋生物修复null2.根据生物修复利用微生物的情况，可分为： 使用污染环境土著微生物 使用外源微生物 进行微生物强化作用 3.根据人工干预的情况，可分为： 自然生物修复 原位生物修复 人工生物修复 非反应器型 异位生物修复 反应器型null 原位生物修复是在污染的原地点进行，采用一定的工程措施，但不人为移动污染物，不挖出土壤或抽取地下水，利用生物通气、生物冲淋等一些方式进行。 异位生物修复是移动污染物到临近地点或反应器内进行，采用工程措施，挖掘土壤或抽取地下水进行。五、真菌的降解作用与生物修复五、真菌的降解作用与生物修复1.真菌的降解作用真 真菌代谢方式十分特殊，真菌细胞通过分泌胞外酶将潜在的食物分解，然后再吸收进入细胞。这就意味着它的酶分解能力很强。 木质纤维素的分解是地球碳循环中最重要的降解事件，生物残体的利用和转化对于地球中碳的循环是必不可少的，真菌在生态系统中作为一级和二级分解者的作用是人所共知的。null 真菌可以很好地在菌丝和孢子上积累重金属Cd、 Cu、Pb、Hg、和Zn等。 很多真菌可以在石油烃上生长，有很多报说真菌 区系可以在海洋溢油上生长。 研究中发现，木腐菌对环境污染物有很大的转化能力，因此，人们把研究的目光转向木质素降解菌（特别是白腐菌）的研究。2.木质素及其降解菌2.木质素及其降解菌（1）木质素的结构 与生物降解特点 木质素是一种杂聚物，以类苯丙烷基为结构单元，靠多种共价键方式连接，主要以β-О-4型连接,形成一种不溶于水、异质、高度分支的三维网状分子。 null木质素的化学结构null从木质素的结构上看，生物降解的酶系应当有以下特点： 非特异性 非水解性 胞外性水 （2）木质素降解菌素降解菌（2）木质素降解菌素降解菌 可以降解木质素的微生物种类不少。包 括放线菌、半知菌、子囊菌和担子菌的一些属。 在这些微生物中有许多是腐烂木材的真菌，通常分成三大类，即软腐菌、褐腐菌和白腐菌。null 软腐菌，由子囊菌和半知菌起作用，因能使木材表面软化而得名。 褐腐菌，大部分属于担子菌，主要降解木材中的多糖，且留下褐色残留物，故得名。 白腐菌，属于担子菌，分解木质素能力最强，因分解木材后留下的残留物为白色故称白腐菌。（3）白腐菌（3）白腐菌 白腐菌的种类很多，例如革盖菌、卧孔菌、多孔菌和原毛平革菌等。 在20世纪80年代末期，对白腐菌的研究取得了较大的发展。 当前对白腐菌研究最多的是黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium)。（4）白腐菌的木质素降解酶（4）白腐菌的木质素降解酶■黄孢原毛平革菌和其他真菌的木质素降解酶 ◆黄孢原毛平革菌木质素降解过氧化物酶 木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物 酶（MnP） ◆其他真菌木质素降解过氧化物酶 ◆漆酶 需要氧气作为电子受体■ 过氧化物酶的反应机制■ 过氧化物酶的反应机制◆木质素过氧化物酶LiP 降解木质素的机理null过程如下： 含铁过氧化物酶 + H2O2 化合物Ⅰ+ H2O 化合物Ⅰ + A- 化合物Ⅱ + A • 化合物Ⅱ + A- 铁过氧化物酶 + A • ◆锰过氧化物酶◆锰过氧化物酶 除MnP以Mn2+作为中介体外，MnP反应机制与LiP很相似。MnP 降解木质素的机理null过程如下： 含铁酶 + H2O2化合物Ⅰ（MnP1） + H2O化合物Ⅰ+ Mn2+化合物Ⅱ(MnP2) + Mn3+Mn3+ +AH2 Mn2++AH• 化合物Ⅱ + Mn2+ 含铁酶 + Mn3+Mn3+ + AH2 Mn2+ + AH• （5）白腐菌在污染处理中的应用（5）白腐菌在污染处理中的应用水处理 炸药废水 染料废水 土壤处理研究 降解土壤中的石油污染物 降解有机氯化物第七章 微生物系统的人工调控第七章 微生物系统的人工调控第一节 微生物的驯化 第二节 菌株接种 第三节 基因工程菌第一节 微生物的驯化第一节 微生物的驯化一、驯化及其在污染物处理中的应用 从污染物进入环境到污染物开始迅速降解这段时间间隔称为驯化期或适应期、停滞期。 在这段时间，环境中的微生物种群进行缓慢的调整，逐步适应环境的变化，自然地筛选出高效降解微生物菌系。null 在处理工业废水时，首先需要对活性污泥进行驯化，否则活性污泥无法适应有毒废物。 在科学研究和菌种筛选中，采用驯化即定向选育地方法，通过人工措施使微生物逐步适应某种特定的条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性地菌株。二、驯化的后效应二、驯化的后效应1.降解速率增加 是由于反复施加化学品造成降解菌数目增加引起的。 2.一旦可以降解一种化学品的自然微生物群落驯化出来，那么这个群落就能保持一定时期的活性。 3.有的化合物有驯化后效应，有的没有。 4-硝基苯酚浓度必须高于10μg/L才能降解。三、农药加速降解三、农药加速降解 单一使用或反复使用某一杀虫剂、杀菌剂或除草剂，有时不再能控制有害生物的发生发展，药效降低的重要原因是产生抗药性。但化学品迅速降解的原因也不容忽视，后者称为农药加速降解或促进生物降解。 农药加速降解的原因，除与反复使用农药后驯化期缩短和降解速率增加有关外，还与降解菌生物量增加有关。四、影响驯化的因素四、影响驯化的因素1.一种基质驯化出的微生物群落经常回同时驯化出降解部分（而不是全部）有关结构分子的群落。 2.一些环境因子影响驯化期的长短。 温度是主要因素，另外还有pH、通气状况以及N和P的浓度 。 3.代谢化合物的浓度。 4.驯化地点的影响。五、产生驯化期的原因五、产生驯化期的原因1.群体数量太小与检测的灵敏度不够。 2.毒物的存在。 3.原生动物的捕食作用。 4.新的基因型的出现。 5.二次生长。 6.酶的诱导和停滞期。第二节 菌株接种第二节 菌株接种一、接种的目的 加速污染物的降解 克服降解微生物的不均匀性 缩短驯化期 恢复微生物区系 二、菌株的富集和分离 1.一般降解菌富集和分离技术null2.异生素降解菌富集和分离的困难 以及解决办法 异生素也称作外来化合物、生物异源物质，指由人工合成、而非生物合成的有机物。 由于它们是自然界原来不存在的物质，往往还没有进化出特殊的微生物来降解它们。null（1）毒性 （2）憎水性 （3）挥发性 （4）热稳定性 第三节 基因工程菌第三节 基因工程菌一、遗传信息的表达 二、染色体与质粒 三、基因重组 1.多质粒菌株构建 2.基因工程菌的构建 （1）基因分离 生物提取法 酶促合成法 化学合成法 null（2）DNA体外重组 （3）载体传递 （4）复制与表达 （5）筛选与繁殖 四、原生质体融合 通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的融合子的过程，称为原生质体融合。null图7-1 原生质体融合操作示意图