環(huán)境生物技術(shù)概論

1、1,第1講 環(huán)境生物技術(shù)概論,賈曉強 講師xqjia@tju.edu.cn,2/46,1 《環(huán)境生物技術(shù)》課程簡介,課程安排 課堂講授：14課時 學術(shù)報告：2課時 考察方式 平時出勤：20% 期末論文：80% 公共郵箱 huanjingshengwu@126.com/shengwu 參考教材 《現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)》，第2版，王建龍、文湘華編著，清華大學出版社，2008年9月 《環(huán)境生物技術(shù)原理與應用》，第1版，楊傳平

2、、姜穎、鄭國香等編著，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2010年5月,3/46,課程具體內(nèi)容,1 環(huán)境生物技術(shù)概論 2 酶工程在環(huán)境污染治理中的應用 3 基因工程在環(huán)境污染治理中的應用 4 細胞工程在環(huán)境污染治理中的應用 5 發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應用 6 廢水生物處理技術(shù) 7 大氣污染的生物處理技術(shù),8 固體廢棄物生物處理技術(shù) 9 生物修復技術(shù) 10 有害有機污染物的生物 處理技術(shù) 11 重金屬的生物處理技術(shù) 12 污染

3、預防生物技術(shù) 13 有機廢棄物的資源化——能源、材料、蛋白 14 環(huán)境生物監(jiān)測與安全性評價,4/46,2 人與環(huán)境,人類社會的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的文明，同時也帶來了許多生態(tài)環(huán)境問題 水資源短缺 土壤荒漠化 有毒化學品污染 臭氧層破壞 酸雨肆虐 物種滅絕 森林減少 生態(tài)環(huán)境的破壞使人類的生存和發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn),5/46,美國密歇根州銅礦及工廠產(chǎn)生的尾料將湖水染紅,6/46,酸雨的危害,一般將pH小于5.6的降雨稱為酸雨

4、 降水酸度pH＜4.9時，將 會對森林、農(nóng)作物和材料產(chǎn)生明顯損害,7/46,1980年，美國紐約州阿第倫達克山，早春時節(jié)的酸雨酸雪污染了河川，造成一場致命的“酸流”，令溪鱒紛紛死于鰓部傷害,8/46,有毒物質(zhì)污染,有毒物質(zhì)污染是指對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康有毒害作用的物質(zhì)排放到環(huán)境中而引起的危害 這些物質(zhì)都是生產(chǎn)和生活過程中的產(chǎn)物，如廢水、廢氣和固體廢棄物、農(nóng)藥、化肥和放射性物質(zhì)等,9/46,1973年以后在莫斯科工業(yè)區(qū)附近，已經(jīng)出生了9

5、0名四肢不全的畸形兒,10/46,20世紀著名的八大環(huán)境公害事件,11/46,21世紀環(huán)境熱點問題：溫室效應與全球變暖,溫室效應 大氣對地表熱輻射能遮擋保溫的屬性類似溫室中玻璃具有的作用，故被稱為溫室效應 溫室氣體 大氣中能強烈吸收地面輻射產(chǎn)生溫室效應的氣體。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亞氮、臭氧等 全球變暖問題 主要指人為活動造成的溫室氣體增加，溫室效應增強帶來的氣候變化 人類活動對氣候變暖的影響主要表現(xiàn)為：由于工業(yè)生

6、產(chǎn)需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化發(fā)展等引起人為排放的二氧化碳等溫室氣體不斷增加；熱帶森林和溫帶植被破壞嚴重，光合作用吸收二氧化碳的能力減弱,12/46,資料表明 1860年以來，全球地表年平均氣溫升高了0.3-0.6℃ 根據(jù)跨政府氣候變化委員會預測，從1990到2100年，全球陸面氣溫將增加2℃氣候變暖的直接結(jié)果 世界各地冰川的溶化（后退），引起海平面的上升。將直接威脅世界沿海城市及30多個島嶼的生存和發(fā)展。美國環(huán)保專

7、家預測，再過50-70年，東京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中國一些沿海城市會被完全和局部淹沒 氣候變暖的間接結(jié)果 災害性氣候：厄爾尼諾現(xiàn)象。厄爾尼諾可以引起全球大范圍的干旱，也可使某些地區(qū)暴雨成災。例如，1997年3月開始的第14次厄爾尼諾造成中國長江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接損失幾千億元,13/46,2008年世界各國CO2排放情況,14/46,我國環(huán)境保護的現(xiàn)狀,環(huán)境保護已成為當前國際關(guān)系、經(jīng)貿(mào)合作中的一

8、個極為重要的問題，也日益嚴重地影響著我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展 在我國過去幾十年的經(jīng)濟發(fā)展中，由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護，目前環(huán)境狀況十分嚴峻；近年來雖采取了大量控制措施，但環(huán)境質(zhì)量下降的趨勢仍在繼續(xù) 從城市到鄉(xiāng)村，我國的大氣、河流、湖泊、海 洋和土壤等均受到不同程度的污染 我國是世界上環(huán)境污染最為嚴重的國家之一,15/46,貴陽、重慶、北京、蘭州、太原五個城市位居世界十大空氣污染最嚴重的城市之列；全國600多個城市中，大氣質(zhì)量符合

9、國家一級標準的不足1% 全國范圍的酸雨危害的程度和區(qū)域日益擴大,,,空氣污染,2010年美媒評世界9大污染最嚴重地區(qū)山西臨汾位列第一,16/46,水污染,全國每年污水排放達360億噸，僅10%的生活污水和70%的工業(yè)廢水得到處理，其中約有一半工業(yè)污水處理設施的出水達不到國家排放標準 其他未經(jīng)處理的污水直接排入江河湖海，致使我國的水環(huán)境遭受嚴重污染和破壞 據(jù)統(tǒng)計，全國七大水系和內(nèi)陸河流的110個重點河段中，屬4類和5類水體的占3

10、9%；城市地面水污染普遍嚴重，并呈進一步惡化的趨勢，136條流經(jīng)城市的河流中，屬4類、5類和超過5類標準的高達76.8%；約50%的城市地下水受到不同程度的污染；全國大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富營養(yǎng)化程度逐年加??；一些地區(qū)的飲用水源受到嚴重污染，對人民健康造成嚴重危害,17/46,城市垃圾污染,城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物與日俱增，工業(yè)廢棄物累計堆積量已超過66億噸，占地超過5萬公頃，使200多個城市陷入垃圾包圍之中,18/46,生態(tài)環(huán)境

11、遭到嚴重破壞,生態(tài)環(huán)境破壞是由于對自然資源的不合理開發(fā)和利用而引起的 中國科學院發(fā)布國情報告：中國在90年代的沙漠化速度是每年2100km2，相當于兩個半香港，或30個北京城。而2000年已達2460km2，2003年已超過3000km2 遙感普查數(shù)字表明：中國水土流失面積已達367萬km2，約占國土面積的38％，總量達每年50億噸，相當于全國的耕地每年被剝?nèi)?cm的肥土層，損失N.P.K肥4000多萬噸，相當于全國1年生產(chǎn)化肥的總

12、和 地球土層的平均厚度18cm，在溫帶地區(qū)的自然條件下,每形成1cm的表土需100－400年，即使管理極好，也需20年 此外，黃河斷流，塔里木河斷流，羅布泊消失，長江危機，長江每年表土流失24億噸，5億噸流入東海 濫用化肥和農(nóng)藥，造成土壤退化，我國中低產(chǎn)田已由原來的60％上升到80％,19/46,人與環(huán)境的和諧之道,解決環(huán)境問題的根本途徑是調(diào)節(jié)人類社會活動與環(huán)境的關(guān)系 要真正實現(xiàn)這種調(diào)節(jié)必須具備下列條件 掌握自然生態(tài)規(guī)律 通

13、曉環(huán)境變化過程，能預測人類活動引起的環(huán)境影響，運用規(guī)律去利用自然資源、改造自然,20/46,空氣主要污染物,二氧化硫（SO2）：二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物質(zhì)燃燒產(chǎn)生。二氧化硫?qū)θ梭w的結(jié)膜和上呼吸道粘膜有強烈刺激性。另外，二氧化硫?qū)?金屬材料、房屋建筑、棉紡化纖織品、皮革紙張等制品容易引起腐蝕，剝落、褪色而損壞。還可使植物葉片變黃甚至枯死 氮氧化物（NOx）：NOx污染主要來源于生產(chǎn)、生活中 所用的煤、石油等燃料燃燒的產(chǎn)物 (包

14、括汽車及一切內(nèi)燃機燃燒排放的NOx) ；其次是來自生產(chǎn)或使用硝酸的工廠排放的尾氣。當NOx與碳氫化物共存于空氣中時，經(jīng)陽光紫外線照射，發(fā)生光化學反應，產(chǎn)生一種光化學煙霧，它是一種有毒性的二次污染物,21/46,空氣主要污染物,一氧化碳（CO）：毒性氣體 氟化物（F）：指以氣態(tài)與顆粒態(tài)形成存在的無機氟化物。氟化物對眼睛及 呼吸器官有強烈刺激，吸入高濃度的氟化物氣體時，可引起肺水腫和支氣管炎 顆粒污染物：空氣中的粒子狀污染物數(shù)量大、成

15、分復雜，它本身可以是有毒物質(zhì)或是其它污染物的運載體。煤煙、工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、建筑和交通揚塵、風的揚塵等，以及氣態(tài)污染物經(jīng)過物理化學反應形成的鹽類顆粒物,22/46,空氣主要污染物,鉛及其化合物（Pb）：指存在于總懸浮顆粒物中的鉛及其化合物。主要來源于汽車排出的廢氣。鉛進入人體，可大部分蓄積于人的骨骼中，損害骨骼造血系 統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，對男性的生殖腺也有一定的損害。引起臨床癥狀為貧血、末梢神經(jīng)炎，出現(xiàn)運動和感覺異常。我國尿鉛80微克

16、/升為正常值，血鉛正常值小于50微克/毫升,23/46,地面水主要污染物,氨氮：指以氨或銨離子形式存在的化合氨。氨氮主要來源于人和動物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可達2.5～4.5公斤。氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害 化學耗氧量（COD）：是指化學氧化劑氧化水中有機污染物時所需氧量。水中有機污染物主要來源于生活污水或工業(yè)廢水的排放、動植物腐爛分解后流入水體

17、。水體中有機物含量過高可降低水中溶解氧的含量，當水中溶解氧消耗殆盡時，水質(zhì)腐敗變臭，導致水生生物缺氧，以至死亡,24/46,地面水主要污染物,石油類：主要來源于石油的開采、煉制、儲運、使用和加工過程。石油類污染對水質(zhì)和水生生物有相當大的危害。漂浮在水面上的油類可迅速擴散，形成油膜，阻礙水面與空氣接觸，使水中溶解氧減少。油類含有多環(huán)芳烴致癌物質(zhì)，可經(jīng)水生生物富集后危害人體健康,25/46,地面水主要污染物,生化需氧量(BOD5)：生化需氧

18、量也是水質(zhì)有機污染綜合指標之一， 是指在一定溫度 (20℃)時，微生物作用下氧化分解所需的氧量。其來源、危害同化學 需氧量 揮發(fā)酚：水體中的酚類化合物主要來源于含酚廢水。酚類屬有毒污染物，但其毒性較低。酚類化合物對魚類有毒害作用，魚肉中帶有煤油味就是受酚污染的結(jié)果,26/46,地面水主要污染物,汞：汞（Hg）及其化合物屬于劇毒物質(zhì)，可在體內(nèi)蓄積。水體中汞對人體的危害主要表現(xiàn)為頭痛、頭暈、肢體麻木和疼痛等?？偣械募谆谌梭w內(nèi)極易被肝

19、和腎吸收，其中只有15%被腦吸收，但首先受損是腦組織，并且難以治療，往往促使死亡或遺患終生 氰化物：氰化物具有劇毒。氰化氫對人的致死量平均為50微克；氰化鈉約100微克；氰化鉀約120微克。氰化物經(jīng)口、呼吸道或皮膚進入人體，極易被人體吸收。急性中毒癥狀表現(xiàn)為呼吸困難、痙攣、呼吸衰竭，導致死亡,27/46,3 生物技術(shù)應用于環(huán)境污染治理,生物技術(shù)的概念 應用自然科學及工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體對物料進行加工，以提供產(chǎn)品為社

20、會服務的技術(shù)——1982年，國際合作與發(fā)展組織 以現(xiàn)代生命科學為基礎，結(jié)合先進的工程技術(shù)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(chǎn)出所需產(chǎn)品或達到某種目的——1986年，原國家科委,28/46,現(xiàn)代生物技術(shù),傳統(tǒng)生物技術(shù)：以釀造為代表，以微生物發(fā)酵為主題，一般可分為上游/中游/下游過程 20世紀40年代抗生素大規(guī)模發(fā)酵：化學工程+微生物工程現(xiàn)代生物技術(shù)（生物工程）：以DNA重組為主要手段的基因

21、工程為核心，也包括酶工程/細胞工程/發(fā)酵工程等；多學科交叉；廣泛使用計算機及各種高科技儀器設備；應用領(lǐng)域廣泛 1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn) 1973年第一次基因重組實驗的成功 環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要研究和應用領(lǐng)域,29/46,環(huán)境生物技術(shù)的概念,環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)應用于環(huán)境污染防治的一門新興邊緣學科，誕生于1980年代末期 環(huán)境生物技術(shù)涉及生物技術(shù)、工程學、環(huán)境學、生態(tài)學等學科領(lǐng)域，既有較強的基礎理論要求，

22、又具有鮮明的技術(shù)應用特點 環(huán)境生物技術(shù)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產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠認識環(huán)境過程、高效凈化環(huán)境污染、同時又生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術(shù),30/46,環(huán)境生物技術(shù)的進展,進展 提高了去除傳統(tǒng)污染物，如BOD、懸浮物、氮、磷的能力 去除有毒有害有機化合物組分，如含氯有機溶劑 將一些特殊污染物降低到很低的濃度 毒性的生物測定方法開發(fā) 處理介質(zhì)的拓展，如飲用水、地下水

23、、土壤、空氣等 原因 現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展深化了對微生物特征的認識，提高了 改變或強化微生物功能的能量，獲得了高效工程菌 微生物生長環(huán)境和工藝手段的改進,31/46,環(huán)境生物技術(shù)的層次劃分,環(huán)境生物技術(shù)可分為三個層次 高層次是指以基因工程為主導的現(xiàn)代污染防治生物技術(shù)，如基因工程菌的構(gòu)建、抗污染型轉(zhuǎn)基因植物的培育等 中層次是指傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)，如活性污泥法、生物膜法，以及其在新的理論和背景下產(chǎn)生的強化處理技術(shù)和工藝，如生物流化床

24、、生物強化工藝等 低層次是指利用天然處理系統(tǒng)進行廢物處理的技術(shù)，如氧化塘、人工濕地系統(tǒng)等 三個層次均是污染治理不可缺少的生物技術(shù)手段 新途徑 主力軍 自然性,32/46,目前環(huán)境生物技術(shù)面臨的任務,基因工程菌從實驗室進入模擬系統(tǒng)和現(xiàn)場應用過程中，其遺傳穩(wěn)定性、功能高效性和生態(tài)安全性等方面的問題 開發(fā)廢物資源化和能源化技術(shù)，利用廢物生產(chǎn)單細胞蛋白、生物塑料、生物農(nóng)藥、生物肥料以及利用廢物生產(chǎn)生物能源，如甲烷、氫氣、乙醇等 建

25、立無害化生物技術(shù)清潔生產(chǎn)新工藝，如生物制漿、生物絮凝劑、煤的生物脫硫、生物冶金等 開發(fā)對環(huán)境污染物的生理毒性及其對生態(tài)的影響檢測技術(shù),33/46,環(huán)境生物處理技術(shù)的相關(guān)概念,生物處理的主體是微生物，生物降解過程以微生物的代謝為核心，化合物的分解過程遵循化學原理 生物降解是指由生物催化的復雜化合物的分解過程 生物處理就是在設計的工程設施內(nèi)，利用生物降解與轉(zhuǎn)化作用去除水、廢水、固體廢棄物、廢氣等介質(zhì)中的污染物質(zhì) 有機物的轉(zhuǎn)化 礦化

26、：有機物完全無機化的過程；其為微生物生長的基質(zhì)和能源 共代謝：使有機物得到修飾或轉(zhuǎn)化，但不能完全分解；由非專一性酶促反應完成；不導致細胞質(zhì)量和能量的增加，需要有另外的基質(zhì)存在 生物處理過程基本上分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩種過程,34/46,好氧生物處理的基本原理,有氧條件下，有機物在好氧微生物的作用下氧化分解，有機物濃度下降，微生物量增加 合成代謝：有機物被用于合成新的細胞物質(zhì) 分解代謝：有機物分解成CO2和H2O，產(chǎn)生能

27、量,有機物的好氧分解,35/46,有機物的降解途徑,歷程：大分子→小分子→二氧化碳+水+硝酸鹽+硫酸鹽等 難降解有機物 難降解有機物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或?qū)ξ⑸锘顒佑幸种谱饔?，適生的微生物種類少 不同類型的難降解有機物的降解歷程也不盡相同 許多降解過程與微生物攜帶的質(zhì)粒有關(guān),有機物好氧生物降解的一般途徑,,,36/46,有機物降解動力學,指數(shù)方程（適用于均勻溶液）： c：污染物濃度 t：反應時間 K：降解速率常數(shù) n：反應級數(shù)，≥

28、1 雙曲線方程（適用于非均相）： K1：隨濃度增加的最大反應速率 K2：假平衡常數(shù),37/46,微生物的增殖,微生物菌群的生長表現(xiàn)為適應期、對數(shù)增殖期、衰減期和內(nèi)源呼吸期 對數(shù)期微生物增殖速率和自身濃度成一級反應，細胞數(shù)量按指數(shù)增殖 衰減期微生物生長與殘余有機物濃度成一級反應 內(nèi)源呼吸階段微生物代謝自身細胞，總量減少,靜態(tài)培養(yǎng)微生物生長曲線,38/46,溶解氧的提供,溶解氧是影響好氧生物處理過程的重要因素，充足的溶解氧有利于

29、好氧生物降解過程的順利進行 溶解氧的需求量與微生物的代謝過程密切相關(guān) 不同的好氧生物處理過程和工藝中，溶解氧的提供方式不同，如在廢水好氧生物處理過程中，溶解氧可以通過鼓風曝氣、表面曝氣、自然通風等方式提供,39/46,好氧過程的控制,在有機物的好氧分解過程中，有機物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗這三個過程是同步進行的，也是控制好氧生物處理成功與否的關(guān)鍵過程 即：底物消耗速率、菌體生長速率、溶氧消耗速率及其對應的控制策略,40/

30、46,厭氧生物處理的基本原理,厭氧生物處理是在無氧條件下，利用多種厭氧微生物的代謝活動，將有機物轉(zhuǎn)化為無機物和少量細胞物質(zhì)的過程 無機物質(zhì)主要是生物氣即沼氣和水 沼氣的主要成分是2/3的甲烷和1/3的二氧化碳,有機物厭氧分解過程,41/46,厭氧生物分解有機物的過程,水解階段 復雜有機物在發(fā)酵性細菌的胞外酶作用下分解為溶解性的小分子有機物過程緩慢，是厭氧降解的限速階段 發(fā)酵階段（酸化） 溶解性小分子進入細胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下

31、分解為揮發(fā)性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸、醇類、二氧化碳、氨、硫化氫等 同時合成細胞物質(zhì) 產(chǎn)乙酸階段 發(fā)酵酸化階段產(chǎn)生的丙酸、丁酸、乙醇等經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳 產(chǎn)甲烷階段 產(chǎn)甲烷菌利用乙酸（70%）：CH3COOH→CH4+CO2 產(chǎn)甲烷菌利用H2和CO2（30%）：H2+CO2→CH4+H2O,42/46,水解處理,水解處理是指將厭氧過程控制在水解或酸化階段、利用兼性水解產(chǎn)酸菌將復雜有機物轉(zhuǎn)化為

32、簡單有機物 不僅能降低污染程度，而且降低污染物的復雜程度，提高后續(xù)好氧生物處理的效率,43/46,缺氧處理,沒有分子氧存在的條件下，一些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質(zhì)，如硫酸鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽等作為電子受體，進行代謝活動 硫酸鹽還原：硫酸鹽還原菌將硫酸鹽或亞硫酸鹽還原為硫化氫；此過程與產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌存在底物競爭；需要較高COD含量 反硝化：脫氮微生物還原硝酸鹽或亞硝酸鹽為氣態(tài)氨或者氨氧化物 實際運行的生物處理過程

33、往往是好氧、厭氧、缺氧過程的組合形式,44/46,微環(huán)境,微生物生存環(huán)境的微小性決定了微生物處理過程的復雜性和特殊性 供養(yǎng)充足的好氧生物反應器內(nèi)，好氧生物分解占據(jù)主流反應，但局部也可存在缺氧環(huán)境和缺氧反應 分析污染物的去除機理時，必須考慮微環(huán)境的影響,45/46,影響生物降解的因素,微生物的活性 不同種類、不同生長期的微生物活性不同 可以通過適應和馴化提高微生物的活性 目標化合物的特征 結(jié)構(gòu)簡單、分子量小的化合物易降解 特