第七章-現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理

第七章現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理10/24/2023

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(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。－－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(fā)現(xiàn)DNA是螺旋結(jié)構(gòu)，至少兩股，其化學(xué)“信息”面向進(jìn)里面。1973：第一個(gè)成功的克隆轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)有目的的基因重組實(shí)驗(yàn)，是現(xiàn)代生物技術(shù)的標(biāo)志。1997：英培育出世界上第一例體細(xì)胞克隆動(dòng)物“多莉”羊，2003年2月14日去世。1998：日本培育出體細(xì)胞克隆動(dòng)物8頭牛犢。3一、引言2000：果蠅的基因組圖譜繪制完成；人類(lèi)基因組圖譜的繪制工作完成。2002：瘧原蟲(chóng)、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(lèi)基因組序列基本完成。42005年：全球首只克隆狗在韓國(guó)公開(kāi)露面一、引言“斯納皮”與“父母”5DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)世界首只克隆羊“多莉”一、引言6（二）意義

生物技術(shù)作為一個(gè)現(xiàn)代前沿學(xué)科領(lǐng)域，受到當(dāng)今世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，全球生物技術(shù)每年創(chuàng)造的產(chǎn)值約5000億美元，單項(xiàng)產(chǎn)品產(chǎn)值高達(dá)40億美元，僅美國(guó)生物技術(shù)產(chǎn)值達(dá)2240億美元。

比如“三色”農(nóng)業(yè)－綠色“露天農(nóng)業(yè)”、白色“工廠農(nóng)業(yè)”、藍(lán)色“水生農(nóng)業(yè)”。其中白色農(nóng)業(yè)主要表示這種農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有環(huán)境污染并嚴(yán)格要求環(huán)境條件的高度潔凈，節(jié)水、節(jié)土、不污染環(huán)境、資源可循環(huán)利用。一座年產(chǎn)10萬(wàn)噸單細(xì)胞蛋白的微生物工廠，相當(dāng)于180萬(wàn)畝耕地生產(chǎn)的大豆蛋白或3億畝草原飼養(yǎng)牛羊的動(dòng)物蛋白質(zhì)。一、引言7一、引言（三）展望現(xiàn)代生物技術(shù)將為糧食、健康、環(huán)境、能源等人類(lèi)面臨的重大問(wèn)題開(kāi)辟?gòu)V闊的前景，與信息、新材料和新能源技術(shù)將成為四大科學(xué)技術(shù)支柱，是21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)。美國(guó)于2003年3月5日啟動(dòng)了?；蚪M測(cè)序工程，將能夠改進(jìn)牛奶和牛肉制品的質(zhì)量以及提高食品的安全系數(shù)。諸如此類(lèi)，將為人類(lèi)開(kāi)創(chuàng)美好的明天。

8二、生物技術(shù)（一）定義生物技術(shù)：以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段和其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體或加工生物原料，為人類(lèi)生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的。（二）內(nèi)容四大塊：基因工程、酶工程、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程。（三）發(fā)展開(kāi)始比較緩慢，后迅速發(fā)展。（四）應(yīng)用9三、環(huán)境生物技術(shù)（一）定義廣義：凡是自然界中涉及環(huán)境污染控制的一切與生物技術(shù)有關(guān)的技術(shù)。嚴(yán)格地說(shuō)，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(jī)能，建立降低或消除污染物的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染，同時(shí)又生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術(shù)。

10（二）研究范圍1、從實(shí)驗(yàn)室到模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；2、開(kāi)發(fā)廢物資源化和能源化技術(shù)；3、建立無(wú)害化生物技術(shù)清潔生產(chǎn)新工藝；4、發(fā)展對(duì)環(huán)境污染物的生理毒性及其對(duì)生態(tài)影響的檢測(cè)技術(shù)三、環(huán)境生物技術(shù)11能發(fā)熒光的熱帶斑馬魚(yú)普通熱帶斑馬魚(yú)是不發(fā)熒光的12轉(zhuǎn)魚(yú)抗寒基因的番茄轉(zhuǎn)基因鮭魚(yú)同時(shí)具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和抗逆性等優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物新品種.抗蟲(chóng)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(cè)這種“嫁接”怎樣能實(shí)現(xiàn)？3、這種“嫁接”對(duì)品種的改良有什么意義？141基因工程與環(huán)境污染生物治理基因工程：又叫做基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。通俗的說(shuō)，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來(lái)，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細(xì)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(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使這個(gè)基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)的操作。152.理論和技術(shù)支撐（1）理論：40年代發(fā)現(xiàn)了生物的遺傳物質(zhì)是DNA、50年代弄清了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)、60年代確定了遺傳信息的傳遞方式。（2）技術(shù)：工具酶、載體、逆轉(zhuǎn)錄酶3.基因工程實(shí)施至少四個(gè)必要條件：工具酶、基因、載體、受體細(xì)胞161、DNA：遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸的簡(jiǎn)稱(chēng)。每個(gè)DNA分子都包含螺旋結(jié)構(gòu)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(shù)量的堿基?；蚴腔A(chǔ)的遺傳單位，它們決定一個(gè)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(guān)。3、測(cè)序：確定DNA雙股鏈上每個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元或堿基的確切順序的過(guò)程。測(cè)序經(jīng)常被稱(chēng)為“破譯”，因?yàn)槠浣Y(jié)果就像解碼一樣。解碼結(jié)果包含數(shù)百頁(yè)和成千上萬(wàn)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(niǎo)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(yùn)藏著各種各樣的遺傳信息和生命指令。一、基因組的相關(guān)名詞174、基因診斷:也叫DNA診斷、分子診斷，是通過(guò)從患者體內(nèi)提取樣本用基因檢測(cè)方法來(lái)判斷患者是否有基因異?；驍y帶病原微生物。目前，基因診斷檢測(cè)的疾病主要有三大類(lèi)：感染性疾病的病原診斷、各種腫瘤的生物學(xué)特性的判斷、遺傳病的基因異常分析。5、所謂轉(zhuǎn)基因技術(shù)就是把外源基因整合到動(dòng)植物基因組中去。6、基因突變是指由于DNA堿基對(duì)的置換、增添或缺失而引起的基因結(jié)構(gòu)的變化，亦稱(chēng)點(diǎn)突變。一、基因組的相關(guān)名詞187、人類(lèi)基因組（ＨｕｍａｎＧｅｎｏｍｅ）：是建立人體所需的化學(xué)密碼或藍(lán)圖，而這幅藍(lán)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(chēng)為堿基的橫條緊扣。除了孿生子女外，每個(gè)人的ＤＮＡ都是獨(dú)一無(wú)二的。8、染色體（Ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ）：人體每個(gè)細(xì)胞內(nèi)皆有２３對(duì)染色體，它們位于細(xì)胞的核心，當(dāng)中染色體ＸＹ是決定性別的。一個(gè)人體內(nèi)所有細(xì)胞的染色體的長(zhǎng)度加起來(lái)，足足有１６００億公里長(zhǎng)。

9、克隆是英文clone的音譯，簡(jiǎn)單講就是一種人工誘導(dǎo)的無(wú)性繁殖方式。

一、基因組的相關(guān)名詞19轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉抗蟲(chóng)棉普通棉20基因工程培育抗蟲(chóng)棉的簡(jiǎn)要過(guò)程：普通棉花(無(wú)抗蟲(chóng)特性)蘇云金芽孢桿菌提取抗蟲(chóng)基因與運(yùn)載體DNA拼接導(dǎo)入棉花細(xì)胞(含抗蟲(chóng)基因)棉花植株(有抗蟲(chóng)特性)上述培育抗蟲(chóng)棉的關(guān)鍵步驟是什么？21一種限制酶只能識(shí)別一種特定核苷酸序列；并在特定切點(diǎn)切割．一.限制性核酸內(nèi)切酶——“分子手術(shù)刀”(一）DNA重組技術(shù)的基本工具

1、來(lái)源：2、種類(lèi)：3、作用：主要是微生物4000種。二、基因工程的基本過(guò)程224、結(jié)果：形成兩種末端粘性末端平末端2324要想獲得某個(gè)特定性狀的基因必須要用限制酶切幾個(gè)切口？可產(chǎn)生幾個(gè)黏性末端？要切兩個(gè)切口，產(chǎn)生四個(gè)黏性末端。

被同一種限制酶切斷的幾個(gè)來(lái)源不同的DNA是否具有相同的黏性末端？25二個(gè)不同的ＤＮＡ的黏性末端黏合起來(lái)，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(gè)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(lái)27二、基因的針線──DNA連接酶

連接酶的作用是：將互補(bǔ)配對(duì)的兩個(gè)黏性末端連接起來(lái)，使之成為一個(gè)完整的DNA分子。28基因的針線：DNA連接酶

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G用同種限制酶切割29三、基因進(jìn)入受體細(xì)胞的運(yùn)載——”分子運(yùn)輸車(chē)”１、作用：將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞２、特點(diǎn)（條件）1、能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定地保存2、具有多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)，以便與外源基因連接3、具有標(biāo)記基因，便于進(jìn)行篩選30３、常用的運(yùn)載體：質(zhì)粒（最常用）、噬菌體和動(dòng)植物病毒等標(biāo)記基因，便于進(jìn)行檢測(cè)。都有侵染或進(jìn)入宿主細(xì)胞的能力它們的共同特點(diǎn)是：

其中質(zhì)粒存在于許多細(xì)菌和酵母菌等生物中,是細(xì)胞染色體外能夠自主復(fù)制的很小的環(huán)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(yùn)載體結(jié)合方法：1、直接分離：鳥(niǎo)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(yùn)載體，并用DNA連接酶連接。32第三步：第四步:將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測(cè)和表達(dá)1、常用的受體細(xì)胞：大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌、動(dòng)植物細(xì)胞等2、常用微生物作受體細(xì)胞的原因：微生物增殖快、代謝快、目的產(chǎn)物多3、若受體細(xì)胞為細(xì)菌應(yīng)作何處理：應(yīng)用CaCl2處理一般檢測(cè)：標(biāo)記基因是否表達(dá)目的是：增大細(xì)胞壁的通透性3334三、基因工程在環(huán)境污染的生物治理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：集中與創(chuàng)造目的基因．提供綜合性代謝新污染物的通路和雜種細(xì)胞；提高代謝通路結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，針對(duì)新的污染物，改變表達(dá)的調(diào)節(jié)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(yīng)過(guò)程效率；防止有毒終污染物的產(chǎn)生，防止非需要產(chǎn)品的出現(xiàn)，用確定的基因?qū)崿F(xiàn)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(xì)菌和人是差異非常大的兩種生物,通過(guò)基因重組后,細(xì)菌能夠合成人體的胰島素，這說(shuō)明了什么？這可不是普通的細(xì)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(xì)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(zhǎng)快、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(yú)(中國(guó))乳汁中含有人生長(zhǎng)激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)39轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉(zhuǎn)魚(yú)抗寒基因的番茄獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具有優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)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(guó)生產(chǎn)的部分基因

工程疫苗和藥物

許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來(lái)源限制產(chǎn)量有限，其價(jià)格往往十分昂貴。

微生物生長(zhǎng)迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問(wèn)題，還能大大降低生產(chǎn)成本。41

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

將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！使其價(jià)格降低了30%-50%!423、環(huán)境保護(hù)

基因工程做成的“超級(jí)細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。431）用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。2）用于被污染環(huán)境的凈化。例如：用DNA探針可以檢測(cè)飲用水中病毒的含量。此方法的特點(diǎn)是快速、靈敏，1噸水中有10個(gè)病毒也能檢測(cè)出來(lái)。通過(guò)基因工程方法怎樣進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)？44

1）用基因工程產(chǎn)物——“超級(jí)細(xì)菌”分解石油，可以大大提高細(xì)菌分解石油的效率。具體方法：將能分解三種烴類(lèi)的假單孢桿菌的基因都轉(zhuǎn)移到能分解另一種烴類(lèi)的假單孢桿菌內(nèi)，創(chuàng)造出了能同時(shí)分解四種烴類(lèi)的“超級(jí)細(xì)菌”。

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

3）通過(guò)基因重組構(gòu)建新的殺蟲(chóng)劑，取代生產(chǎn)過(guò)程中耗能多、易造成環(huán)境污染的農(nóng)藥，并試圖通過(guò)基因工程回收和利用工業(yè)廢物。通過(guò)基因工程方法怎樣凈化被污染的環(huán)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(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。46基因工程，就是將一種生物的某個(gè)有用的遺傳基因，以人工的方法注射進(jìn)另一種生物的細(xì)胞里,卻打破了同種繁殖的自然規(guī)律。不少消費(fèi)者在不知情之下進(jìn)食了該類(lèi)食物而出現(xiàn)過(guò)敏反應(yīng),使這一些消費(fèi)者要求沒(méi)有經(jīng)過(guò)基因工程的食物,這可能導(dǎo)致糧食危機(jī)。有用基因所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可能是一種毒素,但對(duì)人體也可能引起過(guò)敏或其他的問(wèn)題。隨意地把基因注入植物細(xì)胞內(nèi)可能會(huì)干預(yù)細(xì)胞的化學(xué)活動(dòng)和功能、引發(fā)不穩(wěn)定、改變農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。47

1996年7月5日,世界上第一只體細(xì)胞克隆動(dòng)物-----克隆羊多利誕生于英國(guó).這樣的生物技術(shù)屬于何種生物工程？細(xì)胞工程482細(xì)胞工程與環(huán)境污染生物治理細(xì)胞工程(cellengineering)是以細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)為基礎(chǔ)理論，采用原生質(zhì)體、細(xì)胞或組織培養(yǎng)等試驗(yàn)方法或技術(shù)，在細(xì)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(xì)胞系或生物體以及生物的次生代謝產(chǎn)物，并發(fā)展有關(guān)理論和技術(shù)方法的學(xué)科。

細(xì)胞工程的核心技術(shù)：細(xì)胞培養(yǎng)與繁殖

目的：獲得新性狀、新個(gè)體、新物質(zhì)49細(xì)胞工程應(yīng)用的原理和方法研究的水平研究的目的細(xì)胞生物學(xué)分子生物學(xué)細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平按照人們的意愿來(lái)改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)或獲得細(xì)胞產(chǎn)品概念分類(lèi)植物細(xì)胞工程動(dòng)物細(xì)胞工程5051一、植物細(xì)胞工程理論基礎(chǔ)：常用技術(shù)手段：二、動(dòng)物細(xì)胞工程理論基礎(chǔ)：常用技術(shù)手段：植物細(xì)胞全能性植物組織培養(yǎng)植物體細(xì)胞雜交細(xì)胞增殖動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞融合單克隆抗體胚胎移植、核移植52植物組織培養(yǎng)條件：離體一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)植物激素適宜的外界條件無(wú)菌環(huán)境離體的植物器官組織或細(xì)胞愈傷組織脫分化再分化根、芽植物體過(guò)程：蔗糖、維生素、氨基酸、礦質(zhì)元素等生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素溫度、pH、光照移栽5354試管苗大規(guī)模培養(yǎng)55外植體愈傷組織新植株56切取形成層無(wú)菌接種誘導(dǎo)愈傷組織的形成試管苗的形成培養(yǎng)室移栽脫分化再分化57去掉細(xì)胞壁原生質(zhì)體原生質(zhì)體融合再生出細(xì)胞壁正在融合的原生質(zhì)體雜種細(xì)胞脫分化再分化植物體細(xì)胞雜交58白菜甘藍(lán)白菜－甘藍(lán)59動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)條件：一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)物血清無(wú)菌環(huán)境等葡萄糖、維生素、氨基酸、無(wú)機(jī)鹽等過(guò)程：動(dòng)物胚胎或幼齡動(dòng)物的組織、器官細(xì)胞懸浮液剪碎胰蛋白酶10代細(xì)胞原代培養(yǎng)40或50代細(xì)胞傳代培養(yǎng)細(xì)胞株無(wú)限傳代細(xì)胞系遺傳物質(zhì)未改變遺傳物質(zhì)改變單個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)液6061動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用這只老鼠身上的“人耳”是由我國(guó)科學(xué)家曹誼林教授利用細(xì)胞工程技術(shù)復(fù)制出來(lái)的。器官克隆一例62植物組織培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)理論基礎(chǔ)結(jié)果應(yīng)用植物細(xì)胞全能性細(xì)胞增殖獲得新個(gè)體或細(xì)胞產(chǎn)品大量產(chǎn)生同一種細(xì)胞（細(xì)胞株或細(xì)胞系）或細(xì)胞產(chǎn)物1、快速繁育名貴花卉和果樹(shù)；2、培養(yǎng)無(wú)病毒植物、轉(zhuǎn)基因植物；3、大規(guī)模生產(chǎn)藥物、食品添加劑、香料、色素等1、生產(chǎn)蛋白質(zhì)制品如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等；2、檢測(cè)有毒物質(zhì)；3、研究藥理病理4、移植治療63卵細(xì)胞C母綿羊子宮Ａ母綿羊Ｂ母綿羊乳腺細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核細(xì)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(xì)胞細(xì)胞拆合技術(shù)妊娠細(xì)胞重組——多莉羊的培育過(guò)程細(xì)胞核移植64原生質(zhì)體融合構(gòu)建環(huán)境工程菌概念：原生質(zhì)體（Protoplast）細(xì)胞質(zhì)壁分離后去掉細(xì)胞壁所余下的那部分結(jié)構(gòu)稱(chēng)為原生質(zhì)體。原生質(zhì)體具有原有細(xì)胞全部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生理性能，但無(wú)細(xì)胞壁，細(xì)胞呈球形，對(duì)滲透壓敏感，對(duì)外界理化因子比較敏感。在外界理化融合因子的誘導(dǎo)下，不同物種間的原生質(zhì)體的質(zhì)膜相互融合雜交，并在適當(dāng)?shù)臈l件下，融合的原生質(zhì)體再生出細(xì)胞壁并恢復(fù)原來(lái)完整的細(xì)胞形態(tài)與群落形態(tài)，構(gòu)成具有多種遺傳性狀的新物種。故可利用原生質(zhì)體融合來(lái)構(gòu)建新物種。65細(xì)胞工程的基本過(guò)程親本選擇原生質(zhì)體制備原生質(zhì)體融合融合體再生與檢出化學(xué)誘導(dǎo)法電融合法66原生質(zhì)體融合構(gòu)建環(huán)境工程菌苯環(huán)化合物降解菌說(shuō)明通過(guò)原生質(zhì)體融合可以集中雙親的優(yōu)良性狀、并可產(chǎn)生新的性能纖維素降解菌制備細(xì)菌殺蟲(chóng)劑選育利用木糖和纖維二糖產(chǎn)乙醇的菌株673酶學(xué)工程與環(huán)境污染治理（一）酶的定義：生物體內(nèi)產(chǎn)生的具有催化功能的特殊蛋白質(zhì)和RNA。（二）酶的分類(lèi)：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂解酶、異構(gòu)酶、連接酶或合成酶一、概述68（三）酶工程的研究?jī)?nèi)容酶工程：是利用酶的催化作用進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的技術(shù)，是將酶學(xué)理論與化工技術(shù)結(jié)合而形成的新技術(shù)。其主要任務(wù)是：通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)人工操作控制而獲得大量所需的酶，并通過(guò)各種方法使酶發(fā)揮出最大的催化功能；目的是為我們提供產(chǎn)品或以特定的功能為我們服務(wù)。1、生產(chǎn)2、分離純化3、酶分子修飾4、酶的固定化5、酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)6、酶反應(yīng)器7、酶的應(yīng)用一、概述69（四）酶的催化特性

1、催化效率高2、專(zhuān)一性強(qiáng)

3、催化條件溫和

4、酶活性可調(diào)

5、對(duì)環(huán)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(jìn)入活化狀態(tài)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(yīng)動(dòng)力學(xué)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)二、酶作用原理7172在酶催化的反應(yīng)中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復(fù)合物。當(dāng)?shù)孜锓肿釉诿缸饔孟掳l(fā)生化學(xué)變化后，中間復(fù)合物再分解成產(chǎn)物和酶。

E+S====E-S

P+E許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了E－S復(fù)合物的存在。E－S復(fù)合物形成的速率與酶和底物的性質(zhì)有關(guān)。二、酶作用原理73（一）概述1.Idea的提出1）酶的穩(wěn)定性差；2）難回收；3）難分離純化（產(chǎn)物與酶）。2.基本概念

酶的固定化——將酶與水不溶性的載體結(jié)合，制備固定化酶的過(guò)程。

固定化酶——固定在載體上并在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)的酶。固定化酶的原料——純酶、結(jié)合在死細(xì)胞或細(xì)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(diǎn)

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(yīng)后，酶底物產(chǎn)物易分開(kāi)，產(chǎn)物中無(wú)殘留酶，易純化，產(chǎn)品質(zhì)量高。③反應(yīng)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(yīng)。三、固定化酶75三、固定化酶（二）固定化方法1、載體結(jié)合法2、交聯(lián)法3、包埋法4、逆膠束酶5、復(fù)合法76酶和細(xì)胞固定化方法

酶和細(xì)胞固定化方法

載體結(jié)合法交聯(lián)法包埋法

網(wǎng)格型微囊型物理吸附法離子結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法熱處理（細(xì)胞）77酶和細(xì)胞固定化模式78（一）基本方法自溶酶滅活法：使細(xì)胞中的自溶酶失活絮凝吸附法：絮凝后細(xì)胞的機(jī)械性能得到加強(qiáng)吸附法：依靠微生物細(xì)胞和載體表面的靜電作用發(fā)生吸附載體為硅藻土、木材、玻璃、陶瓷、塑料等，吸附過(guò)程中甚至?xí)l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鍵。此法的結(jié)合比較簡(jiǎn)單，也很牢固。包埋法：將微生物包埋在瓊脂等載體內(nèi)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(xì)胞的固定，但操作復(fù)雜、機(jī)械性能差、易磨損，不適于大批量生產(chǎn)。三、固定化細(xì)胞技術(shù)79（二）在污水處理中的實(shí)際應(yīng)用降解直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）固定化酵母細(xì)胞降解酚固定化藻細(xì)胞在氧化塘中的應(yīng)用固定化產(chǎn)甲烷菌、固定化檸檬酸菌除重金屬、固定化混合細(xì)菌對(duì)印染廢水脫色等三、固定化細(xì)胞技術(shù)80普遍存在理論：只要時(shí)間足夠，就會(huì)自發(fā)產(chǎn)生最適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的菌群并成為優(yōu)勢(shì)種。投菌法理論：自發(fā)產(chǎn)生的適應(yīng)菌群未必能成為優(yōu)勢(shì)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(qiáng)化技術(shù)，其菌種是從環(huán)境中分離得到的，經(jīng)過(guò)選育后使其降解效力得到加強(qiáng)，最后通過(guò)發(fā)酵法大量生產(chǎn)并加工成所需的形式。三、廢水凈化生物強(qiáng)化技術(shù)811、發(fā)酵：借助微生物在有氧或無(wú)氧條件下的生命活動(dòng)來(lái)制備微生物菌體或直接產(chǎn)生代謝產(chǎn)物或次級(jí)代謝產(chǎn)物的過(guò)程?，F(xiàn)已擴(kuò)展到培養(yǎng)生物細(xì)胞來(lái)制得產(chǎn)物的所有過(guò)程。2、發(fā)酵工程：也叫微生物工程，現(xiàn)代的發(fā)酵工程，就是采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用生物，主要是微生物的某些生理功能，為人類(lèi)生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品，或者直接利用微生物參與控制某些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一種新技術(shù)。一、概述4發(fā)酵工程與環(huán)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(xì)胞工程等培養(yǎng)基配制滅菌：包括設(shè)備滅菌和培養(yǎng)基滅菌擴(kuò)大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過(guò)程：隨時(shí)了解發(fā)酵進(jìn)程，及時(shí)添加必需的培養(yǎng)基組分，嚴(yán)格控制溫度、pH、溶氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件。分離提純菌體：用過(guò)濾、沉淀方法代謝產(chǎn)物：用蒸餾、萃取、離子交換等方法擴(kuò)大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的培養(yǎng)有何不同呢？

擴(kuò)大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時(shí)期內(nèi)快速增殖，而發(fā)酵過(guò)程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產(chǎn)物，目的不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不同。

例如：在酒精發(fā)酵過(guò)程中，擴(kuò)大培養(yǎng)是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進(jìn)行。而在發(fā)酵產(chǎn)生酒精的過(guò)程中則必須在無(wú)氧條件下進(jìn)行以獲得大量的酒精。

發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中不能混入雜菌。這是為什么呢？

在發(fā)酵過(guò)程中如混入其他微生物，將與菌種形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)發(fā)酵過(guò)程造成不良影響。

例如：如果在谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就會(huì)使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。如果在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中污染了雜菌，這些雜菌則會(huì)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(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)84影響發(fā)酵過(guò)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(huì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，以及菌種對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解吸收等。（2）pH

pH能夠影響酶的活性，以及細(xì)胞膜的帶電荷狀況。還會(huì)影響培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解等（3）溶解氧

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

發(fā)酵過(guò)程中，通氣、攪拌、微生物的代謝過(guò)程及培養(yǎng)基中某些成分的分解等，都有可能產(chǎn)生泡沫。過(guò)多的持久性泡沫對(duì)發(fā)酵是不利的。（5）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度

發(fā)酵液中各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，特別是碳氮比、無(wú)機(jī)鹽和維生素的濃度，會(huì)直接影響菌體的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物的積累。85發(fā)酵工程的優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)條件溫和原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉產(chǎn)物專(zhuān)一廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小或容易處理86二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）醫(yī)藥工業(yè)：

1．發(fā)酵工程能生產(chǎn)人們所需的藥品。

例如：通過(guò)青霉發(fā)酵能生產(chǎn)青霉素。2．通過(guò)發(fā)酵工程能生產(chǎn)基因藥品。

例如：將合成的人的胰島素基因轉(zhuǎn)移到大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建成“工程菌”，再通過(guò)培養(yǎng)“工程菌”即可獲得人的胰島素。

87發(fā)酵工程的應(yīng)用（二）在食品工業(yè)上的應(yīng)用主要包括以下三方面。第一，生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如啤酒、果酒、食醋等，使產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量得到明顯的提高。第二，生產(chǎn)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(wèn)題。（如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)）通過(guò)發(fā)酵可獲得大量的微生物菌體——單細(xì)胞蛋白。20世紀(jì)80年代中期全世界的單細(xì)胞蛋白年產(chǎn)量已達(dá)2.0x107t，廣泛用于食品加工和飼料中。單細(xì)胞蛋白食品優(yōu)點(diǎn):高蛋白,低脂肪88（2）食品工業(yè)：①傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品如啤酒、果酒、食醋等，使產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量得到明顯的提高。②生產(chǎn)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(wèn)題（如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)）通過(guò)發(fā)酵可獲得大量的微生物菌體——單細(xì)胞蛋白。20世紀(jì)80年代中期全世界的單細(xì)胞蛋白年產(chǎn)量已達(dá)2.0x107t，廣泛用于食品加工和飼料中。單細(xì)胞蛋白食品優(yōu)點(diǎn):高蛋白,低脂肪89發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵酵母循環(huán)系統(tǒng)食品廢水處理系統(tǒng)廢纖維素的資源化生產(chǎn)SCP、生產(chǎn)酒精有機(jī)固體廢棄物的快速堆肥一、應(yīng)用905生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)生態(tài)工程——定義

——應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質(zhì)資源循環(huán)再生的原理，結(jié)合系統(tǒng)工程的最優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的分層多級(jí)利用物質(zhì)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)91生態(tài)工程類(lèi)型1、物質(zhì)能量多層利用生態(tài)工程2、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與再生生態(tài)工程3、無(wú)污染生態(tài)工程4、污染自?xún)舳喙δ苌鷳B(tài)工程5、工農(nóng)業(yè)聯(lián)合生態(tài)工程92二、氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）的概念又稱(chēng)穩(wěn)定塘，是利用藻類(lèi)和細(xì)菌兩類(lèi)生物間功能上的協(xié)同作用處理污水的一種生態(tài)系統(tǒng)。氧化塘內(nèi)的生物組成藻類(lèi)：位于氧化塘的表層，常見(jiàn)的有：小球藻屬、衣藻屬、眼蟲(chóng)藻屬等；細(xì)菌：大量存在于氧化塘下層，在好氣狀態(tài)下，無(wú)色桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌等優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)；在氧化塘底部的厭氧層還有硫酸還原菌和甲烷細(xì)菌。微型動(dòng)物：存在多種原生動(dòng)物、輪蟲(chóng)、以及甲殼類(lèi)等。93氧化塘法——原理氧化塘是一種大面積、敞開(kāi)式的污水處理系統(tǒng)；氧化塘中主要由細(xì)菌對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解；藻類(lèi)利用細(xì)菌的分解產(chǎn)物生長(zhǎng)，同時(shí)通過(guò)光合作用向細(xì)菌供氧（空氣溶氧是輔助性的）；藻類(lèi)O2小分子

營(yíng)養(yǎng)物細(xì)菌污染有機(jī)物N、P等

污染無(wú)機(jī)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(dòng)，產(chǎn)二氧化碳、甲烷、簡(jiǎn)單有機(jī)酸、醇類(lèi)等。96氧化塘法——原理——氧化塘中的食物鏈如何收集藻類(lèi)和菌類(lèi)（特別是藻類(lèi)）中富積的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是解決污水處理的最后一環(huán)，選擇生物富積法是有共識(shí)的，但迄今為止還沒(méi)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(jìn)一步研究。有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物藻類(lèi)和菌類(lèi)浮游動(dòng)物魚(yú)類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)高等水生植物97氧化塘的分類(lèi)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(yōu)勢(shì)；中層DO不足，兼性微生物占優(yōu)勢(shì)；下層厭氧微生物占優(yōu)勢(shì)?？蓱?yīng)用于處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水。厭氧塘塘深2m以上，厭氧微生物占主導(dǎo)，可接納預(yù)處理各種高濃度有機(jī)工業(yè)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(jī)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

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(1)厭氧塘的基本工作原理厭氧塘對(duì)有機(jī)污染物的降解，是由兩類(lèi)厭氧菌通過(guò)產(chǎn)酸發(fā)酵和甲烷發(fā)酵兩階段完成的。厭氧塘的設(shè)計(jì)運(yùn)行，必須以甲烷發(fā)酵階段的要求作為控制條件，控制有機(jī)污染物的投配率，以保持產(chǎn)酸菌與甲烷菌之間的動(dòng)態(tài)平衡?？刂朴袡C(jī)酸濃度3000mg/L以下，pH值為6.5-7.5，進(jìn)水的BOD5:N:P=100:2.5:1，硫酸鹽濃度應(yīng)小于500mg/L。

厭氧塘

100處理城市污水的建議負(fù)荷值為200～600kg/ha·d。幾何尺寸厭氧塘一般為矩形，長(zhǎng)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(chǔ)泥深度大于0.5m，超高為0.6～1.0m。進(jìn)出水進(jìn)水口離塘底0.6～1.0m，出水口離水面的深度應(yīng)大于0.6m(圖4-3)。進(jìn)、出口的個(gè)數(shù)均應(yīng)大于兩個(gè)。厭氧前應(yīng)設(shè)置格柵、普通沉砂池，有時(shí)也設(shè)置初次沉淀池用于前處理單元。101102厭氧塘的主要問(wèn)題是產(chǎn)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(mǎn)厭氧塘表層來(lái)減少臭氣逸出。厭氧塘宜用于處理高濃度有機(jī)廢水，如制漿造紙、釀酒、農(nóng)牧產(chǎn)品加工、農(nóng)藥等工業(yè)廢水和家禽和家畜糞尿廢水等。也可用于處理城鎮(zhèn)污水。103穩(wěn)定塘的主要性能1041、優(yōu)點(diǎn)基建投資低舊河道、沼澤地、谷地可利用作為穩(wěn)定塘，穩(wěn)定塘系統(tǒng)基建投資低。運(yùn)行管理簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定塘運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，動(dòng)力消耗低，運(yùn)行費(fèi)用較低，約為傳統(tǒng)二級(jí)處理廠的1/3～1/5?？蛇M(jìn)行綜合利用實(shí)現(xiàn)污水資源化，如將穩(wěn)定塘出水用于農(nóng)業(yè)灌溉，充分利用污水的水肥資源；養(yǎng)殖水生動(dòng)物和植物，組成多級(jí)食物鏈的復(fù)合生物系統(tǒng)。氧化塘的特點(diǎn)及實(shí)例1052、缺點(diǎn)占地面積大沒(méi)有空閑余地時(shí)不宜采用。處理效果受氣候影響如季節(jié)、氣溫、光照、降雨等自然因素都影響穩(wěn)定塘的處理效果。設(shè)計(jì)運(yùn)行不當(dāng)時(shí)，可能形成二次污染如污染地下水、產(chǎn)生臭氣和滋生蚊蠅等。106應(yīng)用實(shí)例：武漢鴨兒湖氧化塘主要處理含有機(jī)磷的多種農(nóng)藥廢水；采用5個(gè)塘串聯(lián)的形式：見(jiàn)下圖經(jīng)多年運(yùn)轉(zhuǎn)表明，魚(yú)種塘出水的主要水質(zhì)指標(biāo)均可接近或達(dá)到地面水標(biāo)準(zhǔn)。厭氧塘兼性塘好氧塘魚(yú)種塘兼性塘107108109110綜合生物塘工藝流程進(jìn)水沉砂厭氧植物藻－菌生態(tài)修飾養(yǎng)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(tài)單元，水力停留時(shí)間16.3d；流程Ⅱ：處理BOD5100～150mg/L的污水，水力停留時(shí)間11.5d；流程Ⅲ或Ⅳ：處理BOD570～100mg/L的污水，水力停留時(shí)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(tǒng)112

1、概述污水土地處理是在人工調(diào)控下利用土壤-微生物-植物組成的生態(tài)系統(tǒng)使污水中的污染物凈化的處理方法。在污染物得以?xún)艋耐瑫r(shí)，水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分也得以循環(huán)利用。因此，土地處理是使污水資源化，無(wú)害化和穩(wěn)定化的處理利用系統(tǒng)。污水土地處理系統(tǒng)113人工調(diào)控土壤－微生物——植物目的：污水資源化、無(wú)害化、穩(wěn)定化類(lèi)型：慢速滲濾、

快速滲濾、

地表漫流

、濕地

（wetland）

、地下滲濾

發(fā)展方向：不受季節(jié)限制、二次污染可能性小、效率高（有機(jī)負(fù)荷或水力負(fù)荷）114土壤的特性和重要性土壤，即陸地表面的礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水分和空氣四種物質(zhì)組成，具有一定肥力，能夠生長(zhǎng)植物的疏松表層。

土壤是一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，與人類(lèi)的關(guān)系十分密切。115土壤的組成土壤是由礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水分和空氣四種物質(zhì)組成的。

土壤有機(jī)質(zhì)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(fā)展。通常把有機(jī)質(zhì)的含量作為土壤肥力高低的一個(gè)重要標(biāo)志。土壤中的水分空氣有很大的流動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)和比例的變化對(duì)土壤肥力也起很大的作用。1162、土地處理系統(tǒng)對(duì)污水的凈化機(jī)理凈化過(guò)程廢水流過(guò)土壤時(shí)，土壤將廢水中處于懸浮及膠體狀態(tài)的物質(zhì)截留下來(lái)，在土壤顆粒表面形成薄膜，這層薄膜（生物膜）里充滿(mǎn)著異養(yǎng)型微生物。它能吸附廢水中的有機(jī)物（包括溶解狀態(tài)），并在微生物的作用下將廢水中的有機(jī)物降解為無(wú)機(jī)物質(zhì)。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(lèi)繁多的異氧型微生物，它們能對(duì)被過(guò)濾、截留在土壤顆?？障堕g的懸浮有機(jī)物和溶解有機(jī)物進(jìn)行生物降解，并合成微生物新細(xì)胞。當(dāng)污水處理的BOD負(fù)荷超過(guò)讓土壤微生物分解BOD的生物氧化能力時(shí)，會(huì)引起厭氧狀態(tài)或土壤堵塞。

污水土地處理系統(tǒng)的凈化機(jī)理十分復(fù)雜，它包含了物理過(guò)濾、物理吸附、物理