环境生物工程PPT课件

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1、环境基本概念环境基本概念 在环境科学领域，环境的含义是：以人类社会为主体的外部世界的总体。按照这一定义，环境包括了已经为人类所认识的，直接或间接影响人类生存和发展的物理世界的所有事物。它既包括未经人类改造过的众多自然要素，也包括经过人类改造过和创造出的事物。 需要特别指出的是，随着人类社会的发展，环境的概念也在变化。以前人们往往把环境仅仅看作单个物理要素的简单组合，而忽视了它们之间的相互作用关系。进入七十年代以来，人类对环境的认识发生了一次飞跃，人类开始认识到地球的生命支持系统中的各个组分和各种反应过程之间的相互关系。对一个方面有利的行动，可能会给其他方面引起意想不到的损害。 第1页/共115

2、页主主 要要 环环 境境 污污 染染 物物 简简 介介一、空气主要污染物一、空气主要污染物n1. 二氧化硫二氧化硫(SO2) 二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃烧产生。烧产生。 二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈刺激性另二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈刺激性另外，二氧化硫对外，二氧化硫对 金属材料、房屋建筑、棉纺化纤织品、皮革纸张金属材料、房屋建筑、棉纺化纤织品、皮革纸张等制品容易引起腐蚀，等制品容易引起腐蚀， 剥落、褪色而损坏。还可使植物叶片变黄剥落、褪色而损坏。还可使植物叶片变黄甚至枯死。甚至枯死。n 2. 氮氧化物氮氧化物(NOx)

3、 NOx污染主要来源于生产、生活中污染主要来源于生产、生活中 所用的煤、所用的煤、石油等燃料燃烧的产物石油等燃料燃烧的产物 (包括汽车及一切内燃机燃烧排放包括汽车及一切内燃机燃烧排放 的的NOx) ；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。当；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。当NOx与碳与碳 氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生光化学反氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生光化学反应，产生应，产生 一种光化学烟雾，它是一种有毒性的二次污染物。一种光化学烟雾，它是一种有毒性的二次污染物。 n 3. 粒子状污染物粒子状污染物 空气中的粒子状污染物数量大、成分复杂，它空气中

4、的粒子状污染物数量大、成分复杂，它本身可以是有毒物本身可以是有毒物 质或是其它污染物的运载体。煤烟、工业生产质或是其它污染物的运载体。煤烟、工业生产过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风 的扬尘等，以及气态污的扬尘等，以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物。染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物。第2页/共115页n4. 酸雨酸雨 指降水的指降水的pH值低于值低于5.6时，时， 降水即为酸雨。降水酸度降水即为酸雨。降水酸度pH4.9时，将时，将 会对森林、农作物和材料产生明显损害。会对森林、农作物和材料产生明显损害。n 5. 一氧化碳（一氧化碳（CO）

5、n6. 氟化物（氟化物（F） 指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化物。氟化指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化物。氟化物对眼睛及物对眼睛及 呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化物气体时，呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化物气体时，可引起肺水肿和可引起肺水肿和 支气管炎。支气管炎。n7. 铅及其化合物（铅及其化合物（Pb） 指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物。主要来源于汽车排出物。主要来源于汽车排出 的废气。铅进入人体，可大部分蓄积于的废气。铅进入人体，可大部分蓄积于人的骨骼中，损害骨骼造血系人的骨骼中，损害骨骼造血系 统和神经系统，对男性的生殖腺也统和神经系统

6、，对男性的生殖腺也有一定的损害。引起临床症状为贫有一定的损害。引起临床症状为贫 血、血、 末梢神经炎，出现运动末梢神经炎，出现运动和感觉异常。我国尿铅和感觉异常。我国尿铅80微克微克/升为正常升为正常 值，血铅正常值小于值，血铅正常值小于50微克微克/毫升。毫升。第3页/共115页二、地面水主要污染物二、地面水主要污染物 1. 氨氮氨氮 指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和动物的动物的 排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达2.54.5公斤。公斤。 氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现

7、象产生，是氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中水体中 的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。 2. 石油类石油类 主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和加工过程。主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和加工过程。石油类石油类 污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂浮在水面上的污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂浮在水面上的油类可迅速油类可迅速 扩散，形成油膜，阻碍水面与空气接触，使水中溶解扩散，形成油膜，阻碍水面与空气接触，使水中溶解氧减少。油类含氧减少。油类含 有多环芳烃致癌物质，可经水生生物富集后危害有多环芳烃致

8、癌物质，可经水生生物富集后危害人体健康。人体健康。 3. 化学耗氧量（化学耗氧量（COD） 是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需氧量。水中有机污染物主要来源于生活污水需氧量。水中有机污染物主要来源于生活污水 或工业废水的排放、或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。水体中有机动植物腐烂分解后流入水体产生的。水体中有机 物含量过高可降物含量过高可降低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽时，水低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽时，水 质则腐败变质则腐败变臭，导致水生生物缺氧，以至死亡。臭，导致水生生物缺氧，以至死亡。第4页/共115页二、地面

9、水主要污染物二、地面水主要污染物4. 生化需氧量生化需氧量(BOD5) 生化需氧量也是水质有机污染综合指标之一，生化需氧量也是水质有机污染综合指标之一， 是指在一定温度是指在一定温度 (20)时，微生物作用下氧化分解所需的氧量。时，微生物作用下氧化分解所需的氧量。其来源、危害同化学其来源、危害同化学 需氧量。需氧量。 5. 挥发酚挥发酚 水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水酚类属有毒污水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水酚类属有毒污染物，但其毒性较低。酚类化合物对鱼类有毒害作染物，但其毒性较低。酚类化合物对鱼类有毒害作 用，鱼肉中带用，鱼肉中带有煤油味就是受酚污染的结果。有煤油味就是受酚污染的

10、结果。 6. 汞汞 汞（汞（Hg）及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积。水体中）及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积。水体中汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛 等。等。 总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中只有总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中只有15%被被脑脑 吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或遗患终遗患终 生。生。 7. 氰化物氰化物 氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为50微克；微克；氰化

11、钠约氰化钠约 100微克；氰化钾约微克；氰化钾约120微克。氰化物经口、呼吸道或微克。氰化物经口、呼吸道或皮肤进入人体，皮肤进入人体， 极易被人体吸收。急性中毒症状表现为呼吸困难、极易被人体吸收。急性中毒症状表现为呼吸困难、痉挛、呼吸衰竭，痉挛、呼吸衰竭， 导致死亡。导致死亡。第5页/共115页三、噪声三、噪声 从物理定义而言，振幅和频率上完全无规律的震荡称之为从物理定义而言，振幅和频率上完全无规律的震荡称之为噪声。噪声。 从环境保护角度而论，凡是人们所不需要的声音统称为噪从环境保护角度而论，凡是人们所不需要的声音统称为噪声。噪声的声。噪声的 显著特点是：无污染物存在、不产生能量积累、时间显著

12、特点是：无污染物存在、不产生能量积累、时间有限、传播不远、有限、传播不远、 振动源停止振动噪声消失、不能集中治理。噪振动源停止振动噪声消失、不能集中治理。噪声来源于交通工具、工声来源于交通工具、工 厂机器设备、建筑施工和人们的社会、家厂机器设备、建筑施工和人们的社会、家庭活动。庭活动。 噪声对人类的危害个是多方面的，其主要表现为对听力噪声对人类的危害个是多方面的，其主要表现为对听力的损伤、的损伤、 睡眠干扰、睡眠干扰、 人体的生理和心理影响。当人在人体的生理和心理影响。当人在100分贝分贝左右噪声环境中左右噪声环境中 工作时会感到刺耳、工作时会感到刺耳、 难受，甚至引起暂时性耳难受，甚至引起暂

13、时性耳聋。超过聋。超过140分贝的噪分贝的噪 声会引起眼球的振动、视觉模糊，呼吸、声会引起眼球的振动、视觉模糊，呼吸、脉膊、血压都会发生波动，脉膊、血压都会发生波动， 甚至会使全身血管收缩，供血减少，甚至会使全身血管收缩，供血减少，说话能力受到影响。说话能力受到影响。 第6页/共115页生物净化与生物废料再生生物净化与生物废料再生 几个世纪来，人们相信有大气、土壤和水体等组成几个世纪来，人们相信有大气、土壤和水体等组成的自然系统足以吸收人类的生活以及工农业生产所产的自然系统足以吸收人类的生活以及工农业生产所产生的各种废物；生的各种废物； 这种想法在工业还不发达、人口密度不大的时代和这种想法在工

14、业还不发达、人口密度不大的时代和地区还有些道理，但在工业高度发达、人口密度日益地区还有些道理，但在工业高度发达、人口密度日益增高的今天，这种看法就明显落后了；增高的今天，这种看法就明显落后了； 当代，世界各国也都寻求通过立法来解决环境污染当代，世界各国也都寻求通过立法来解决环境污染的问题，即消除、最循环、再生（的问题，即消除、最循环、再生（Remove，Recycle、Regeneration）。）。第7页/共115页生物净化与生物废料再生生物净化与生物废料再生 生物净化是指利用生物来除去环境中的生物垃圾和生物净化是指利用生物来除去环境中的生物垃圾和有毒物质的过程。生物垃圾包括工农业生产过程中

15、所有毒物质的过程。生物垃圾包括工农业生产过程中所产生的废弃物，现在人们普遍认为，生物垃圾是制造产生的废弃物，现在人们普遍认为，生物垃圾是制造许多有经济价值的产品的原材料许多有经济价值的产品的原材料。 在今天人口膨胀、食品及能源资源不足的情况下，在今天人口膨胀、食品及能源资源不足的情况下，对资源的充分再利用就更显得意义重大，目前这一问对资源的充分再利用就更显得意义重大，目前这一问题已经引起了世界各国的充分重视。题已经引起了世界各国的充分重视。第8页/共115页第9页/共115页环境的污染n莫斯科 1993年 格德.鲁德威1973年以后在莫斯科工业区附近，已经出生了90名四肢不全的畸形儿。 (国家

16、地理杂志) 第10页/共115页美国密歇根州铜矿及工厂产生的尾料将湖水染红第11页/共115页战争的污染可怜的伊拉克(from 国家地理杂志) 第12页/共115页酸雨的危害n美国纽约州，阿第伦达克山 1980年 泰德.史匹格尔早春时节的酸雨酸雪污染了河川，造成一场致命的“酸流”，令溪鳟纷纷死于鳃部伤害。 (国家地理杂志) 第13页/共115页现代生物技术在降解非生物物质中的应用现代生物技术在降解非生物物质中的应用 环视四周，有毒废弃物给人们所造成的环境问题是环视四周，有毒废弃物给人们所造成的环境问题是触目惊心的：触目惊心的： 据统计，仅在据统计，仅在1985一年中，全世界所产生的有毒废一年中

17、，全世界所产生的有毒废弃物五氯苯（弃物五氯苯（PCP）就达到就达到50000吨；吨； 目前，全世界投入生产的化学物质有目前，全世界投入生产的化学物质有500多万种，多万种，而且这个数字还在以每年数千种的速度不断上升。而且这个数字还在以每年数千种的速度不断上升。第14页/共115页现代生物技术在降解非生物物质中的应用现代生物技术在降解非生物物质中的应用 过去，人们通常采用焚烧和化学处理这两种方法来过去，人们通常采用焚烧和化学处理这两种方法来处理这些有毒废弃物，遗憾的是这些方法成本较高，处理这些有毒废弃物，遗憾的是这些方法成本较高，而且会产生新的污染物质。而且会产生新的污染物质。第15页/共115

18、页现代生物技术在降解非生物物质中的应用现代生物技术在降解非生物物质中的应用 到到20世纪世纪60年代中期，人们发现一些土壤微生物可年代中期，人们发现一些土壤微生物可以降解非生物物质，例如除草剂、杀虫剂、制冷剂等。以降解非生物物质，例如除草剂、杀虫剂、制冷剂等。 人们可以通过利用微生物的方法来清除有毒废弃物，人们可以通过利用微生物的方法来清除有毒废弃物，这种通过微生物降解废物的方法为人类提供了一种安这种通过微生物降解废物的方法为人类提供了一种安全有效的方法，且成本低廉。全有效的方法，且成本低廉。第16页/共115页生物降解途径的基因工程生物降解途径的基因工程 转移质粒：某一菌株常常局限于分解免疫

19、种化合转移质粒：某一菌株常常局限于分解免疫种化合物，但在废弃物中通常含有多种化学物质，因此，物，但在废弃物中通常含有多种化学物质，因此，很有必要扩展某一特定菌株的分解范围。最简单的很有必要扩展某一特定菌株的分解范围。最简单的方法是通过结合作用把编码不同降解途径的酶的基方法是通过结合作用把编码不同降解途径的酶的基因导入同一受体菌中。如果两种质粒具有同源性，因导入同一受体菌中。如果两种质粒具有同源性，那么他们可能会重组成为一个大的、具有多种功能那么他们可能会重组成为一个大的、具有多种功能的融合质粒。的融合质粒。第17页/共115页生物降解途径的基因工程生物降解途径的基因工程 Chakrabarty

20、等人在等人在20世纪世纪70年代首先构建年代首先构建成功了含有多种降解功能的细菌菌株。他们使用不成功了含有多种降解功能的细菌菌株。他们使用不同的质粒来构建能分解石油中的一系列碳氢化合物同的质粒来构建能分解石油中的一系列碳氢化合物的菌株，该菌株被称为的菌株，该菌株被称为“Superbug”，因为它的代因为它的代谢能力远远高于其它菌株。谢能力远远高于其它菌株。第18页/共115页生物降解途径的基因工程生物降解途径的基因工程 具体实验如下：通过结合作用，具体实验如下：通过结合作用，pCAM质粒质粒(具有降具有降解莰酮功能解莰酮功能)被转入含有被转入含有pOCT质粒（具有辛烷降解能力）质粒（具有辛烷降

21、解能力）的菌株中，但这两种质粒是不相容的，不能作为两个独立的菌株中，但这两种质粒是不相容的，不能作为两个独立的质粒而共存于同一个细胞中。经过重组，这两种质粒形的质粒而共存于同一个细胞中。经过重组，这两种质粒形成了一个较小的，同时具有成了一个较小的，同时具有pCAM 和和pOCT的降解功能的的降解功能的单一质粒。通过接合作用将带有单一质粒。通过接合作用将带有pNAH的质粒（具有萘降的质粒（具有萘降解功能）转入含解功能）转入含pXYL质粒（具有降解二甲苯功能）的菌质粒（具有降解二甲苯功能）的菌株中。株中。pNAH质粒于质粒于pXYL质粒是相容质粒，可在同一宿主质粒是相容质粒，可在同一宿主菌中共存。

22、然后将菌中共存。然后将pCAM/OCT融合质粒转入融合质粒转入pNAH与与pXYL质粒共存的菌株中，这种新的重组菌株在原油中比质粒共存的菌株中，这种新的重组菌株在原油中比含有单一质粒或两种质粒的菌株能够更好的生长。含有单一质粒或两种质粒的菌株能够更好的生长。第19页/共115页微生物与环保微生物与环保我们大家谁也不愿意我们大家谁也不愿意生活在一个充满污染生活在一个充满污染的环境之中，然而，的环境之中，然而，环境污染却有日益加环境污染却有日益加剧的趋势。剧的趋势。 第20页/共115页微生物与环保微生物与环保 这一方面是源于这一方面是源于工业和现代文明的发工业和现代文明的发达；一方面也由于人达；

23、一方面也由于人类尚缺乏环保意识和类尚缺乏环保意识和治理环境污染的有效治理环境污染的有效方法。方法。 全球商业性捕鱼简史全球商业性捕鱼简史1900年与1995年之比较第21页/共115页第22页/共115页第23页/共115页第24页/共115页微生物与环保微生物与环保n 微生物的生存空间十分广阔，到处都有这些小家伙微生物的生存空间十分广阔，到处都有这些小家伙寄生的踪迹。十分有意义的是，微生物通过自身的代谢寄生的踪迹。十分有意义的是，微生物通过自身的代谢活动，可以改变其赖以寄生的各种物质的化学性质，比活动，可以改变其赖以寄生的各种物质的化学性质，比如说把纤维物质转化为汽油、沼气等。在种类繁多的微

24、如说把纤维物质转化为汽油、沼气等。在种类繁多的微生物中也不难找到可以用来清除污水、污物中有害物质生物中也不难找到可以用来清除污水、污物中有害物质的种类，利用它们对这些有机、无机的污染物质的吸收的种类，利用它们对这些有机、无机的污染物质的吸收转化功能，对环境保护将起到积极的作用。转化功能，对环境保护将起到积极的作用。 第25页/共115页第26页/共115页第27页/共115页微生物与环保微生物与环保 选用能够降解污染物的微生物，采用生物技术将它选用能够降解污染物的微生物，采用生物技术将它们富集起来，再将这些微生物固定在生物膜上，做成生们富集起来，再将这些微生物固定在生物膜上，做成生物反应器，安

25、装在废水处理池中，就可能达到净化污水物反应器，安装在废水处理池中，就可能达到净化污水的作用。的作用。日本的科学家则研制成了新型的有机废弃物处理装日本的科学家则研制成了新型的有机废弃物处理装置，它是一种高速发酵处理装置，利用发酵促进剂在置，它是一种高速发酵处理装置，利用发酵促进剂在小时之内就可以使废弃物分解发酵，然后再采用烘干小时之内就可以使废弃物分解发酵，然后再采用烘干法进行处理，以达到清除污染物的目的。法进行处理，以达到清除污染物的目的。第28页/共115页第29页/共115页第30页/共115页微生物与环保微生物与环保 防患于未然也同样需要借助于微生物的帮助。比如，防患于未然也同样需要借助

26、于微生物的帮助。比如，以生物农药代替化学农药，以生物肥料代替化学肥料，以生物农药代替化学农药，以生物肥料代替化学肥料，不仅是农学家和生物学家关注的话题，也同样是环境保不仅是农学家和生物学家关注的话题，也同样是环境保护学家所关注的话题。护学家所关注的话题。第31页/共115页微生物与环保微生物与环保 总之，微生物在治理环境污染方面，将发挥它的神总之，微生物在治理环境污染方面，将发挥它的神奇的、不可替代的作用。庞大的微生物家族无疑将成为奇的、不可替代的作用。庞大的微生物家族无疑将成为我们人类对付环境污染的活的武器库。我们人类对付环境污染的活的武器库。第32页/共115页由于石油中含有的有毒硫杂环、

27、氮杂环所造成的酸雨对森林的破坏和城市光化学污染第33页/共115页由于石油泄漏所造成大批鱼类死亡的可怕景象第34页/共115页由于石油污染所造成海鸟死亡的可怕景象第35页/共115页微生物处理石油污染的效果第36页/共115页原原 油油 中中 的的 烃烃 的的 类类 型型烃 类 型基 本 结 构分 离数 量组 分 来 源 石石 蜡蜡直 链 石 蜡33所 有 溜 分分 支 石 蜡41汽 油 ， 轻 柴 油 环环 石石 蜡蜡单 环 石 蜡39汽 油 ， 煤 油双 环 石 蜡29汽 油 ， 煤 油三 环 石 蜡3汽 油 ， 煤 油 芳芳 香香 类类单 个 芳 环48汽 油 ， 煤 油 ， 轻柴 油双

28、 芳 环60煤 油 ， 轻 柴 油三 芳 环10重 柴 油 -轻 润 滑 油四 芳 环3重 柴 油 -轻 润 滑 油石油废水中常见的有毒烃类有机化合物石油废水中常见的有毒烃类有机化合物第37页/共115页n石油废水中常见的有毒含硫有机化合物石油废水中常见的有毒含硫有机化合物第38页/共115页n 石油废水中常见的有毒的含氮有机化合物石油废水中常见的有毒的含氮有机化合物NNHNNNNNHNHPyridine吖啶IsoquinolineIndolePhenanthridineQuinolinePyrroleCarbazole吡啶菲啶吡咯异喹啉喹啉Acridine吲哚咔唑第39页/共115页必要性：

29、必要性： 生物法处理石油废水比化学法更具有竞争力。生物法处理石油废水比化学法更具有竞争力。由于大部分噻吩类、咔唑类杂环化合物的化学键由于大部分噻吩类、咔唑类杂环化合物的化学键相当牢固，因此在常规的温度和压力下，化学法相当牢固，因此在常规的温度和压力下，化学法几乎不可能降解石油污染废水中的有机硫、有机几乎不可能降解石油污染废水中的有机硫、有机氮及其它难以降解的杂环化合物。氮及其它难以降解的杂环化合物。第40页/共115页在已经筛选到的几株特殊微生物基础上，研究：在已经筛选到的几株特殊微生物基础上，研究：(1)以噻吩类杂环以噻吩类杂环(Thiophene）作为模式反应物，研究嗜作为模式反应物，研究

30、嗜热、耐有机溶剂细菌的脱有机的代谢反应机制及其硫杂热、耐有机溶剂细菌的脱有机的代谢反应机制及其硫杂环降解的关键基因。环降解的关键基因。SSOSOOSOOHOHODszCNADH,FMNH2,O2DszCNADH,FMNH2,O2DszANADH,FMNH2,O2DszBDBTDBT-SulfoxideDBT-SulfoneHBPSHBPSO32-+-SC H2SC H2OSC H2OOC H2OHTC A亲水性集团亲水性集团亲水性集团亲水性集团第41页/共115页(2)以以CA (Carbozole，简称简称CA)作为模式降解物，研究一株具有耐有作为模式降解物，研究一株具有耐有机溶剂且能降解攻

31、击咔唑能力的细菌氮杂环代谢反应机制及其某些机溶剂且能降解攻击咔唑能力的细菌氮杂环代谢反应机制及其某些关键基因。关键基因。NNHNNNNNHNHPyridine吖啶IsoquinolineIndolePhenanthridineQuinolinePyrroleCarbazole吡啶菲啶吡咯异喹啉喹啉Acridine吲哚咔唑NNH2OHOHNH2OHHO2CONH2CO2HOHOHCO2HCO2H-ketoadipatepathwayTCAcycleCO2HOHOCO2HHOCH3CHOCH3COSC0A第42页/共115页(3)以十二烷烃或石蜡为模式化合物，研究一株具有油水分离功能以十二烷烃或石

32、蜡为模式化合物，研究一株具有油水分离功能的特殊细菌油水分离机制，为进一步的应用打下理论基础。的特殊细菌油水分离机制，为进一步的应用打下理论基础。含原油废水的处理效果含原油废水的处理效果石蜡水的处理效果石蜡水的处理效果第43页/共115页(4)研究高温嗜热细菌生长生存研究高温嗜热细菌生长生存(大于大于75,好氧)的生理学和降解杂环和直链的生理学和降解杂环和直链烷烃化合物的反应机制，并分离这些极端微生物的某些特殊功能基因烷烃化合物的反应机制，并分离这些极端微生物的某些特殊功能基因第44页/共115页高效杂环物降解高效杂环物降解的基因工程菌的基因工程菌硫杂环降解微生物硫杂环降解微生物氮杂环降解微生物

33、氮杂环降解微生物具有油水分离功能的具有油水分离功能的微生物微生物嗜热、抗有机溶剂特殊嗜热、抗有机溶剂特殊微生物微生物(5) 糅合上述极端微生物的几个特殊功能基因，糅合上述极端微生物的几个特殊功能基因，构建高效杂环物降解的工程菌构建高效杂环物降解的工程菌第45页/共115页杂环降解微生物高密度发酵杂环降解微生物高密度发酵目的基因表达的最佳诱导方案目的基因表达的最佳诱导方案(1) 减少昂贵的诱导物使用量减少昂贵的诱导物使用量(2) 增加目的基因的表达增加目的基因的表达 (3) 方案：方案： I. 无机硫源无机硫源(氮源氮源)有机诱导物有机诱导物II. 廉价无机硫源廉价无机硫源(氮源氮源)高密度培养

34、，再诱导高密度培养，再诱导(6)极端微生物和工程菌发酵工艺优化研究极端微生物和工程菌发酵工艺优化研究第46页/共115页齐鲁石化齐鲁石化济南炼油厂济南炼油厂胜利油田孤岛采油厂胜利油田孤岛采油厂硫杂环降解微生物硫杂环降解微生物氮杂环降解微生物氮杂环降解微生物具有油水分离功能的具有油水分离功能的微生物微生物嗜热、抗有机溶剂特殊嗜热、抗有机溶剂特殊微生物微生物(7)提供上述菌株进行小试和现场石油废水处理中试研究提供上述菌株进行小试和现场石油废水处理中试研究小试小试中试中试第47页/共115页(1) 生长细胞代谢途径的研究：生长细胞代谢途径的研究： 分别以DBT、CA、长链烷烃和其代谢中间衍生物反应物

35、，检测胞内外代谢中间物和末端产物，各种反应物的利用及其代谢产物的产生来判断不同生长条件下的代谢途径和流向。 (2) 休止细胞杂环降解途径的研究：休止细胞杂环降解途径的研究： 在非生长体系中，用具有各种活力的休止细胞作为降解杂环的催化剂，分别用DBT、THA、CA、长链烷烃及其代谢中间衍生物作为反应底物，确定生物降解酶催化体系的反应途径。(3) 脱硫基因、脱氮基因及其它特殊降解基脱硫基因、脱氮基因及其它特殊降解基因研究：因研究： 基因的分离，确认，以及该基因在大肠杆菌中的高效表达，该基因产物的特性分析，基因的序列分析，重组体的构建。第48页/共115页n(1) 微生物油水分离机制的研究：微生物油

36、水分离机制的研究：n 由于该研究完全属新发现，很难找到有价值的参考报由于该研究完全属新发现，很难找到有价值的参考报道。拟从微生物产生表面活性剂或长链烷烃聚集固化现道。拟从微生物产生表面活性剂或长链烷烃聚集固化现象来探讨。象来探讨。n(2) 超高温微生物的优化培养：超高温微生物的优化培养：n 由于我们所获得的超高温嗜热耐热微生物来源于油田由于我们所获得的超高温嗜热耐热微生物来源于油田微生物，探讨这些微生物超高温生长的生理和发酵工艺微生物，探讨这些微生物超高温生长的生理和发酵工艺的优化技术是较为关键的研究。的优化技术是较为关键的研究。第49页/共115页n(1)本项研究的成功可以填补多项特殊菌杂环

37、降解途径本项研究的成功可以填补多项特殊菌杂环降解途径研究上的空白。研究上的空白。n(2)可阐明上述极端微生物可阐明上述极端微生物杂环降解途径和反应机制杂环降解途径和反应机制：l生长体系杂环化合物的降解机制；生长体系杂环化合物的降解机制；l休止细胞杂环化合物的降解机制；休止细胞杂环化合物的降解机制；lDBT、THA、CA和长链烷烃分解途径的酶反应机制和长链烷烃分解途径的酶反应机制及其某些关键基因。及其某些关键基因。n第50页/共115页n(3)该项目的相关的研究内容及研究方法分该项目的相关的研究内容及研究方法分别可在国内外重要杂志每年有别可在国内外重要杂志每年有4篇以上高质篇以上高质量的论文发表

38、。申报量的论文发表。申报23项国内外发明专利项国内外发明专利。n(4)分离、克隆分离、克隆34个具有独立知识产权的个具有独立知识产权的具有特殊降解杂环功能基因；提供具有特殊降解杂环功能基因；提供34株有株有明显降解处理石油废水能力的菌株。明显降解处理石油废水能力的菌株。第51页/共115页 根据我们所掌握的信息资料，至少在根据我们所掌握的信息资料，至少在下列内容可申报独立的发明专利权下列内容可申报独立的发明专利权(见查新证明书见查新证明书)：n(1)耐热微生物处理含氮、含硫废水；耐热微生物处理含氮、含硫废水；n(2)超高温微生物处理石油废水超高温微生物处理石油废水;n(3)石油废水油水分离的微

39、生物技术；石油废水油水分离的微生物技术；n 如果经费充足，我们拟申报如果经费充足，我们拟申报12项项国际专利。国际专利。nn第52页/共115页选取选取3-4株耐有机溶剂、耐株耐有机溶剂、耐高温菌株进行模式化合物高温菌株进行模式化合物研究，降解率达到研究，降解率达到80%每年每年4篇以上篇以上高水平的论文高水平的论文分离、克隆分离、克隆3-4个个功能基因片断功能基因片断申报申报2-3项项专利专利生长体系、催化剂生长体系、催化剂降解机制研究降解机制研究在采油厂进行石油废在采油厂进行石油废水处理，日处理量达水处理，日处理量达到到100-200立方，对立方，对杂环及有机烃类降解杂环及有机烃类降解率达

40、到率达到90%DNA改组进行改造改组进行改造，提高降解活力、，提高降解活力、底物作用范围底物作用范围填补特殊菌填补特殊菌杂环及有机烃杂环及有机烃降解的某些研究空白降解的某些研究空白主要研究内容及预期达到的目标总图主要研究内容及预期达到的目标总图第53页/共115页八、研究方法与实施方案八、研究方法与实施方案n1 研究方法研究方法n(1) 定性确定极端微生物可能的杂环降解途径定性确定极端微生物可能的杂环降解途径n 利用GC/MS定性测定杂环降解途径中的各反应物，代谢中间物和最终产物。n(2) 定量确定极端微生物杂环降解活力定量确定极端微生物杂环降解活力n 利用GC定量测定各种反应物和产物，同时寻

41、找比色方法，如与Gibbs显色法测定代谢反应终端产物(HBP和DHBP)的方法进行比较。 第54页/共115页(3) 杂环降解基因克隆方案杂环降解基因克隆方案(a) 质粒分离： 使用热突变或化学突变，验证菌株降解有机污染物的性状是否丢失。如果性状丢失，那它就是由质粒控制的，则提取质粒，通过酶切转化，筛选阳性克隆，获得该DNA片段。反之，则采取下述方案。(b) 染色体上目的基因的定位克隆： 目的基因在染色体上，采用AFLP分子标记进行基因定位。第55页/共115页发酵设备及检测控制系统 B|Braun公司Biostat B2pO2 (%) time(h)Biostat UD50MFCS Cont

42、rolbfxhgfxchgf(4)杂环降解生物催化剂大杂环降解生物催化剂大量制备：量制备： 用申请者所在课题组从德国贝朗公司引进的计算机全自动控制的2 L发酵罐进行发酵，提供该项研究所需要的大量的具有高降解活力的菌体。第56页/共115页酶的性质及酶的性质及结构分析结构分析以噻吩为模式物进行以噻吩为模式物进行有机硫杂环降解研究有机硫杂环降解研究以咔唑为模式物进行有以咔唑为模式物进行有机氮杂环降解研究机氮杂环降解研究以石蜡为模式物进行以石蜡为模式物进行有机烃降解和油水分有机烃降解和油水分离机理研究离机理研究基因分离、克隆基因分离、克隆酶的分离酶的分离及纯化及纯化质质粒粒的的分分离离以以AFLP为

43、分子标为分子标记，克隆记，克隆染色体上染色体上功能片断功能片断分子改造，并在异源分子改造，并在异源宿主内进行高效表达宿主内进行高效表达应用应用GC-MS研究研究菌株的代谢途径菌株的代谢途径进行小规、中试进行小规、中试模的废水处理试验模的废水处理试验采取的研究方法（技术路线、实施方案）总图采取的研究方法（技术路线、实施方案）总图第57页/共115页微生物技术微生物技术环境工程环境工程化学与化学工程化学与化学工程山东大学山东大学环境生物技术研究小组环境生物技术研究小组脱有机硫微生物脱有机硫微生物脱有机氮微生物脱有机氮微生物具有油水分离功能具有油水分离功能的微生物的微生物嗜热、抗有机溶剂嗜热、抗有机

44、溶剂特殊微生物特殊微生物第58页/共115页耐热细菌生物脱有机硫模耐热细菌生物脱有机硫模式反应体系的研究式反应体系的研究第59页/共115页提纲1. 生物脱硫的意义和背景2. 微生物脱硫的途径3. 我们的研究进展4. 生物脱硫的实际应用第60页/共115页1. 1. 生物脱硫背景生物脱硫背景n环境问题已成为影响人类生存的重大问题，化石燃料煤和石油中所含有的硫是环境的主要污染源之一。n微生物脱硫操作简单，成本低。n脱有机硫是一个世界性难题，已受到广泛关注。第61页/共115页化石燃料煤和石油中所含有的有机硫和无化石燃料煤和石油中所含有的有机硫和无机硫是环境的重要污染源机硫是环境的重要污染源n严重

45、性 1998年我国有一半以上城市降水pH低于5.6。华中地区酸雨出现频率大于70%，降水的年均pH低于5.0，酸雨面积占国土面积的30%，是继欧洲、北美后世界第三大中酸雨区。n迫切性 随着能源危机的逐步加剧，开采高硫化石燃料成为必然。高硫化石燃料必须预先经过脱硫处理才能进一步使用。第62页/共115页煤炭的化学结构模型煤炭的化学结构模型第63页/共115页石油大分子的放大结构图石油大分子的放大结构图第64页/共115页有机硫类型有机硫类型有机硫化物包括硫醇、硫化物及含硫的杂环化合物如噻吩等，共分为13类,包括176种不同结构，其中噻吩含量最多。Merpcaptans (thiols)SHSHS

46、HSulphides (aliphatic or aromatic) alkyl- cyclic-aromatic-dialkyl-alkylcycloalkyl-cyclic-alkylaryl-thiaindansDisulphidesThiophenesalkyl-benzo-thieno-dibenzo-SSSSSSSSSSSS第65页/共115页炼油过程中物理和化学的除硫成本大炼油过程中物理和化学的除硫成本大n原油中大多数的H2S是在油井现场的油气分离过程中除去的。n在炼油厂采用催化裂解和加氢脱硫(HDS)过程，加热到350C后蒸馏除去结合硫，但这些技术需高温、高压，且能耗大。n目前

47、相当多的资金用于石油的物理化学法脱硫上，1993年全世界用于HDS过程的资金达250亿美元。n到下个世纪，随着需求的增加和低硫原油的耗尽，高硫原油将不断增加，因此石油脱硫成为必然。第66页/共115页生物脱有机硫的优势生物脱有机硫的优势nBDS在常温常压下操作，而且能耗比HDS低70%-80。n该过程还可回收有机磺酸盐等高值化学品，可为炼油厂增加经济效益。采用BDS技术的投资额约为加氢脱硫技术(HDS)的一半，操作费用比HDS低10%-25%。n据报道，采用BDS可使FCC汽油的硫含量从1400ppm降至150ppm(以满足整个汽油组分平均硫质量含量为50ppm的要求)。n从整个汽油组分来讲，

48、炼油厂每m3成品汽油的BDS成本1.59-2.65US$，低于HDS成本。第67页/共115页2. 微生物脱硫的途径以二苯并噻吩为模式化合物的脱硫途径以苯并噻吩为模式化合物的脱硫途径以噻吩为模式化合物的脱硫途径第68页/共115页二苯噻吩二苯噻吩(Dibenzothiophene, 简称简称DBT)被作为被作为一个脱有机硫一个脱有机硫模式化合物模式化合物来研究来研究n在高馏分油中，超过60%的硫是以二苯噻吩(Dibenzothiophene，简称DBT）及其衍生物的形式存在的，因此实验室一般使用DBT作为生物脱硫研究的模式化合物。(Thiophene)噻吩SThiophenesSalkyl-b

49、enzo-SSthieno-S(dibenzo-)S噻吩 ()二苯 基_烷基_苯 并_()()噻吩并_()第69页/共115页生物脱有机硫代谢途径类型生物脱有机硫代谢途径类型n(1) 碳架破坏途径(C-C键被切断)n(2)碳架保留途径(专一地切断C-S键而保留完整的碳架)第70页/共115页(1) (1) 碳架破坏途径碳架破坏途径( (C-CC-C键被切断键被切断) )第71页/共115页(1)(1)碳架保留途径碳架保留途径( (专一地切断专一地切断C-SC-S而保留完整的碳架而保留完整的碳架) )第72页/共115页 苯并噻吩（Benzothiophene，BTH）脱硫代谢途径 nFCC汽油

50、中主要的含硫有机化合物包括BTH及其衍生物，其中BTH占30%。n Finnerty et al.（1983）报道了几株可以利用BTH为专一硫源和碳源进行生长的菌株，不过由于其损失燃料热值而没有应用价值。n近几年发现能够了专一性降解BTH菌株，主要包括戈登氏菌株，类芽孢杆菌，中华根瘤菌以及红球菌。第73页/共115页 FCC汽油中硫化合物的分布及炼制油品要求含硫化合物含硫量(ppm)炼制汽油硫含量 (ppm)Mercaptans68Thiophene5266C1-Thiophene66167Tetrahydrothiophene1621C2-Thiophene183233C3-Thiophen

51、e12680C4-Thiophene1390Benzothiophene3090第74页/共115页微生物脱有机硫BTH降解途径SSOSOOOSOOSOOOHOOHOABCDEFGHnA是BTHnB是BTH sulfoxidenC，D是BTH sulfonenF是benzoe1,2oxathiin S-xoidenE是o-hydroxystyrenenG是2-(2-hydroxyphenyl) ethan-1-aln微生物包括：n戈登氏菌株（Gordonia sp.）213En类芽孢杆菌（Paenibacillus sp.）A11-2n红球菌（Rhodococcus sp.）T09 n中华根瘤

52、菌（Sinorhizobium sp.）KT55n红球菌KT462第75页/共115页 噻吩（噻吩（Thiophene）代谢）代谢n噻吩代表了最简单的杂环含硫化合物。n生物处理方法，一般都会导致噻吩的降解，而得到开环的化合物。n至今还没有报道通过硫专一途径脱除噻吩中硫的菌株。第76页/共115页 其它含硫化合物的代谢其它含硫化合物的代谢n硫醇和烷烃化的硫醇。n菌株为排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus），可以通过甲基硫醇氧化酶作用，氧化硫醇定量生成甲醛，S0和过氧化氢。第77页/共115页3. 我们的研究进展筛选获得一株可以脱硫的耐热菌株分析了菌株脱硫的途径克隆了菌株脱硫的

53、基因进行了燃料油脱硫实验室小试第78页/共115页 微生物脱有机硫研究的关键 在众多的文献报道和最新的情报资料中我们注意到以下几点： (1)有价值的菌株的获取。我们不能用世界上已被专利保护的菌株用于将来实际的生物脱有机硫工艺中。 (2) 由于生物脱有机硫技术主要将被用在石油行业上，我们认为所用的菌株最好是耐热性微生物。第79页/共115页嗜热耐热性微生物的优势嗜热耐热性微生物的优势I. 石油炼制过程中的精馏后，即使在HDS后的油品温度也较高。如用耐热性的微生物可省去冷却过程所带来的麻烦，并可提高生物脱有机硫的反应速率；II. 耐热微生物所含有的耐温酶类具有重要的生产潜力和应用前景。脱有机硫的耐

54、热微生物酶催化剂热稳定好，反应速度快，较一般常温微生物优势明显；III. 已发现的具降解DBT能力的微生物(如红平红球菌、诺卡氏菌)耐热能力较差，仅能在30oC附近生长和脱硫;一些耐热能力较强的假单胞菌、嗜酸热硫化叶菌等微生物能在50oC左右降解DBT，但均仅能攻击C-C键，而不能有效脱除DBT中的有机硫；IV. 有必要寻找能耐热、能有效攻击C-S键的微生物，如能从自然界筛选到耐热性具碳架保留途径的脱有机硫菌株最佳，并可填补这一领域的研究空白，具有重要的理论价值和应用前景。第80页/共115页菌株特性研究n根据16S rDNA序列分析，在NCBI上检索相近的序列，然后建立系统进化树，菌株X7B

55、和Mycobacterium goodii有最近的亲缘关系。第81页/共115页Phylogenetic trees based upon 16S rDNA sequences of X7BX7B第82页/共115页 菌株脱硫途径分析a.菌株X7B可以脱除DBT中的硫，生成2-hydroxybiphenyl，该物质进一步被O-Methyltransferase作用，在羟基上甲基化，生成了2-methoxybiphenyl，总结其代谢途径如图。第83页/共115页菌株X7B代谢DBT的途径SSo2o2OOOSOHSOOHOHNADHFMNFMNH2Oo2DszDDszCDszCDszADszBD

56、ibenzothiophene2-Hydroxybiphenyl-2-sulfinate (HBPSi)2-Hydroxybiphenyl (2-HBP)NADDszA: DBT dioxide monooxygenaseDszB: HBPSi desulfinaseDszC: DBT monooxygenaseDszD: Flavin reductase+(DBT)Dibenzothiophene-5-oxide (DBTO)Dibenzothiophene-5,5-dioxide (DBTO2)+ SO32-+ SO4or2-2-Methoxybiphenyl (2-MBP)OMT第84页

57、/共115页b.针对Benzothiophene，作为模式化合物，进行了降解分析，表明菌株可以利用BTH为唯一硫源生长并脱除其中的硫生成了O-羟基苯乙烯(图)。第85页/共115页菌株X7B代谢BTH的GC/MS分析第86页/共115页菌株X7B代谢BTH的GC/MS分析第87页/共115页菌株X7B代谢BTH的GC/MS分析第88页/共115页菌株X7B代谢BTH的途径SSOSOOOSOOSOOOHOOHOABCDEFGHo-hydroxystyrene 第89页/共115页菌株脱硫研究进展c.以Thiophene carboxylic acid为模式化合物，进行了菌株代谢THC的途径分析。

58、第90页/共115页菌株代谢THC分析第91页/共115页推测的THC代谢途径SC H2SC H2OSC H2OOC H2OHTC A亲水性集团亲水性集团亲水性集团亲水性集团第92页/共115页 菌株脱硫基因克隆a.根据已经发表的红平红球菌IGTS8的脱硫基因序列，设计引物，进行PCR扩增获得了脱硫基因。b.将脱硫基因连接到T载体上，在大肠杆菌宿主进行表达，结果表明菌株可以利用DBT为唯一硫源进行生长，并能够脱除其中的硫生成2-HBP。同时表明不和X7B菌株一样，没有生成2-MBP。证明甲基化的性状是和另外的酶相关。第93页/共115页菌株脱硫基因克隆c.根据脱硫基因测序结果，在NCBI检索D

59、szC酶的同原性序列并进行了分析，结果如图。Arensforf等（2002，68(2):691-698, Appl. Environ. Microbiol.）报道，通过定向进化技术，筛选获得一株菌株，可以作用于5MBT，基因测序结果表明，因为一个碱基由G变成T，导致 DszC的261位氨基酸突变（V261F ）。第94页/共115页第95页/共115页第96页/共115页DszC酶的系统进化树第97页/共115页d.下一步，计划分别克隆表达DszA，B，C酶。准备使用pET表达型载体，并使用镍柱进行亲和纯化。第98页/共115页 高密度培养脱硫催化剂进行燃油生物脱硫试验n高密度培养脱硫催化剂n

60、进行柴油脱硫试验n进行汽油脱硫试验第99页/共115页n(I)高密度生长和酶诱导二步式工艺：即解除培养中的硫源限制，先用廉价的无机硫酸盐代替有机硫，采用pH、碳源等最优控制技术，使菌体生长产量达到最大(高密度菌体生长)，再用少量的有机硫诱导菌体以制备酶源。n(II)高密度生长和酶诱导一步式工艺：用少量的有机硫作为酶系产生的诱导物，用无机硫作为非限制性硫源高密度生产菌体和过量生产该脱硫催化剂。Biostat B2pO2 (%) time(h)Biostat UD50MFCS Controlbfxhgfxchgf生物脱有机硫催化剂优化生产生物脱有机硫催化剂优化生产第100页/共115页高浓度脱硫细

61、胞培养优化高浓度脱硫细胞培养优化不同碳源对菌株生长的影响02468101214161820葡萄糖甘油醋酸柠檬酸钠菌体浓度(620nm)第101页/共115页高浓度脱硫细胞培养优化高浓度脱硫细胞培养优化不同的浓度甘油对生长的影响00.020.040.060.080.10.120.1401234甘油浓度( % )比生长速率( h - 1 )第102页/共115页高浓度脱硫细胞培养优化高浓度脱硫细胞培养优化不同的氮源浓度对生长的影响0.00.51.01.52.002468101214菌 体浓度(620nm)氯 化铵(%)第103页/共115页高浓度脱硫细胞培养优化高浓度脱硫细胞培养优化pH值恒定流加

62、碳源菌体生长及在线检测参数曲线102030405060700246810121416菌 体浓度X(mg/ml)时 间 /h10203040506070200300400500600PH搅 拌转速 (rpm)时 间 /h10203040506070020406080100溶 氧 饱和 度温度rpm溶 解 氧 饱和 度 (%) 102030405060700102030405060温度 0246810 PH 第104页/共115页处理柴油（535 ppm）含硫化合物检测X7B休止细胞作用于柴油后，GC-AED检测含硫化合物变化。535 ppm72 ppm第105页/共115页柴油（ 535 ppm

63、 ）中烷烃变化情况GC-FID检测柴油经过生物催化剂处理前后烷烃变化， 图中显示烷烃为C12-C25。第106页/共115页BDS汽油脱硫优点a.投资成本比HDS低50，操作成本低15-25b.使用BDS不会降解汽油中的辛烷c.BDS不需要高温高压，可以减少能源消耗d.不产生H2S等副产品e.HDS促使汽油中的一些烯烃饱和，从而降低汽油的辛烷值第107页/共115页汽油脱硫前后含硫有机化合物的变化第108页/共115页汽油脱硫前后烃类物质变化情况脱前脱后第109页/共115页4. 实际应用情况 nBDS可广泛用于处理汽油、馏分油、催化裂解原料油、渣油。n采用EBC新技术，还可以生产高价值化学品

64、，增加脱硫的经济效益。n休斯顿能源生物公司（EBC）自从1992年买断了IGT的脱硫技术以来，约投资了5,500万美元用于研究，使生物脱硫技术有了长足的发展。第110页/共115页BDS脱硫流程图第111页/共115页转化BDS过程中间物获得有价值的中间物第112页/共115页4. 实际应用情况n目前EBC正在进行着原油和汽油的BDS技术研究。汽油BDS工艺预计在4-6年后实现工业化，目标是将汽油产品的硫含量降低到50 pm以下。nEBC已向Petro Star公司转让了BDS技术，将在阿拉斯加州Valdez炼油厂建成250 kt/d的BDS装置。这将是第一套工业化规模的柴油BDS装置，处理量为795 m3/d柴油，同时可产生新型芳香磺酸盐产品。第113页/共115页 谢谢第114页/共115页感谢您的观看。感谢您的观看。第115页/共115页