环境生物技术概论.ppt

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1、环境生物技术,曹广丽 讲师,2/53,环境生物技术课程简介,课程安排 课堂讲授：30课时 考察方式 出勤：10%课堂：10%作业：10%期末考试：70%考试方式开卷 参考教材环境生物技术原理与应用，杨传平、姜颖、郑国香等编著，哈尔滨工业大学出版社，2010年5月 现代环境生物技术，马放、任南琪编著，化学工业出版社，2003年5月,3/53,课程具体内容,1 环境生物技术概论 2 污水的生物处理技术 3 固定废物的生物处理技术 4 大气污染物的生物处理技术 5 生物修复技术 6 生物脱硫技术 7 生物冶金技术,8 生物制醇 9 生物制氢10 生物制甲烷 11 生物燃料电池 12 微生物农药、肥料

2、 13 微生物化工产品及制剂 14 环境污染的生物监测与评价 15 生物传感器及环境遥感技术,第1讲 环境生物技术绪论,4/53,环境（Environment）的概念：请思考以下三个问题：“这里环境真优美！”中的“环境”指的是什么？作为环境科学术语的“环境”指的是什么？生态学中“环境”的概念又是什么？,5/53,一般工具书中定义的“环境”概念是指人以外的客观事物，将环境作为一种人以外的客观存在来加以定义，如新华字典中定义为：周围的一切事物。作为环境科学术语的“环境”概念环境科学所研究的中心事物是“人”，则环境是以人类为主体的外部世界，是“人类生存的环境”，在此基础上定义：影响人类生存和发展的各

3、种天然的和经过人工改造的自然因素的总和。生态学中“环境”的概念生态学研究的中心事物是“生物”，则环境是以整个生物界的生命为主体，是“生物生存的环境”，可定义：直接或间接影响生物生存和发展的各种因素的总和。小结：“环境”具有相对性，在不同的学科中含义不同，主体的改变往往导致环境概念含义的不同。人类是环境发展到一定阶段的产物，环境是人类生存的物质基础，环境在影响人类生产、生活的同时，人类也在不断地利用和改造自然环境。故人类和环境密切联系，相互作用。,6/53,7/53,1 人与环境,人类社会的发展创造了前所未有的文明，同时也带来了许多生态环境问题 水资源短缺 土壤荒漠化 有毒化学品污染 臭氧层破坏

4、 酸雨肆虐 物种灭绝 森林减少 生态环境的破坏使人类的生存和发展面临严峻挑战,环境问题,环境问题的概念指由于人类活动作用于人们周围的环境所引起的环境质量变化，以及这种变化反过来对人类生产、生活和健康的影响问题。其实质是由于人类活动超出了环境的承受能力，对其所赖以生存的自然生态系统的结构和功能产生了破坏作用，导致人与其生存环境的不协调。,8/53,20世纪著名的八大环境公害事件,10/53,21世纪重大环境热点问题 温室效应和气候变暖 臭氧层的破坏 酸雨 有毒物质污染,11/53,温室效应与全球变暖,温室效应 大气对地表热辐射能遮挡保温的属性类似温室中玻璃具有的作用，故被称为温室效应 温室气体

5、大气中能强烈吸收地面辐射产生温室效应的气体。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮、臭氧等 全球变暖问题 主要指人为活动造成的温室气体增加，温室效应增强带来的气候变化 人类活动对气候变暖的影响主要表现为：由于工业生产需要的化石燃料使用量大增，人口激增城市化发展等引起人为排放的二氧化碳等温室气体不断增加；热带森林和温带植被破坏严重，光合作用吸收二氧化碳的能力减弱,12/46,资料表明 1860年以来，全球地表年平均气温升高了0.3-0.6 根据跨政府气候变化委员会预测，从1990到2100年，全球陆面气温将增加2气候变暖的直接结果 世界各地冰川的溶化（后退），引起海平面的上升。将直接威胁世界沿海城

6、市及30多个岛屿的生存和发展。美国环保专家预测，再过50-70年，东京、大阪、曼谷、威尼斯、圣彼得堡、阿姆斯特丹以及中国一些沿海城市会被完全和局部淹没 气候变暖的间接结果 灾害性气候：厄尔尼诺现象。厄尔尼诺可以引起全球大范围的干旱，也可使某些地区暴雨成灾。例如，1997年3月开始的第14次厄尔尼诺造成中国长江、松花江、嫩江全流域大洪水，直接损失几千亿元,13/53,2008年世界各国CO2排放情况,臭氧层破坏,臭氧O3南极臭氧层空洞Ozone Hole2000年，科学家探测到南极上空臭氧层空洞达2830万平方公里。,14/53,15/46,酸雨的危害,一般将pH小于5.6的降雨称为酸雨 降水酸

7、度pH4.9时，将会对森林、农作物和材料产生明显损害,16/53,1980年，美国纽约州阿第伦达克山，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,有毒物质污染,有毒物质污染是指对生态系统和人类健康有毒害作用的物质排放到环境中而引起的危害 这些物质都是生产和生活过程中的产物，如废水、废气和固体废弃物、农药、化肥和放射性物质等,17/53,美国密歇根州铜矿及工厂产生的尾料将湖水染红,18/53,19/53,莫斯科工业区附近，已经出生了90名四肢不全的畸形儿,2005年松花江水污染,触目惊心的污染,20/53,我国环境保护的现状,环境保护已成为当前国际关系、经贸合作

8、中的一个极为重要的问题，也日益严重地影响着我国国民经济的可持续发展 在我国过去几十年的经济发展中，由于忽视了发展中的环境保护，目前环境状况十分严峻；近年来虽采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续 从城市到乡村，我国的大气、河流、湖泊、海 洋和土壤等均受到不同程度的污染 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一,21/53,贵阳、重庆、北京、兰州、太原五个城市位居世界十大空气污染最严重的城市之列；全国600多个城市中，大气质量符合国家一级标准的不足1%全国范围的酸雨危害的程度和区域日益扩大,空气污染,2010年美媒评世界9大污染最严重地区山西临汾位列第一,22/53,水污染,全国每年污水

9、排放达360亿吨，仅10%的生活污水和70%的工业废水得到处理，其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准 其他未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破坏 据统计，全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中，属4类和5类水体的占39%；城市地面水污染普遍严重，并呈进一步恶化的趋势，136条流经城市的河流中，属4类、5类和超过5类标准的高达76.8%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富营养化程度逐年加剧；一些地区的饮用水源受到严重污染，对人民健康造成严重危害,23/53,城市垃圾污染,城市垃圾和工业固体废弃物与日俱增，工业

10、废弃物累计堆积量已超过66亿吨，占地超过5万公顷，使200多个城市陷入垃圾包围之中,24/53,生态环境遭到严重破坏,生态环境破坏是由于对自然资源的不合理开发和利用而引起的 中国科学院发布国情报告：中国在90年代的沙漠化速度是每年2100km2，相当于两个半香港，或30个北京城。而2000年已达2460km2，2003年已超过3000km2 遥感普查数字表明：中国水土流失面积已达367万km2，约占国土面积的38，总量达每年50亿吨，相当于全国的耕地每年被剥去1cm的肥土层，损失肥4000多万吨，相当于全国1年生产化肥的总和 地球土层的平均厚度18cm，在温带地区的自然条件下,每形成1cm的表

11、土需100400年，即使管理极好，也需20年 此外，黄河断流，塔里木河断流，罗布泊消失，长江危机，长江每年表土流失24亿吨，5亿吨流入东海 滥用化肥和农药，造成土壤退化，我国中低产田已由原来的60上升到80,25/53,人与环境的和谐之道,解决环境问题的根本途径是调节人类社会活动与环境的关系 要真正实现这种调节必须具备下列条件 掌握自然生态规律 通晓环境变化过程，能预测人类活动引起的环境影响，运用规律去利用自然资源、改造自然,26/53,空气主要污染物,二氧化硫（SO2）：二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃烧产生。二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈刺激性。另外，二氧化硫对 金属材料、

12、房屋建筑、棉纺化纤织品、皮革纸张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甚至枯死 氮氧化物（NOx）：NOx污染主要来源于生产、生活中所用的煤、石油等燃料燃烧的产物(包括汽车及一切内燃机燃烧排放的NOx)；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。当NOx与碳氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生光化学反应，产生一种光化学烟雾，它是一种有毒性的二次污染物,27/53,空气主要污染物,一氧化碳（CO）：毒性气体，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井中产生，氟化物（F）：指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化物。氟化物对眼睛及呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化物

13、气体时，可引起肺水肿和支气管炎 颗粒污染物：空气中的粒子状污染物数量大、成分复杂，它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，以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物,28/53,空气主要污染物,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，对男性的生殖腺也有一定的损害。引起临床症状为贫血、末梢神经炎，出现运动和感觉异常。我国尿铅80微克/升为正常值，血铅正常值小于50微克/毫升,29/53,地面水主要污染物,氨氮：指以氨

14、或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和动物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达2.54.5公斤。氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害 化学耗氧量（COD）：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或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体。水体中有机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，水质腐败变臭，导致水生生物缺氧，以至死亡,30/53,地面水主要污染物,石油类：主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和加工过程。石油类污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂浮在水

15、面上的油类可迅速扩散，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人体健康,31/53,地面水主要污染物,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，是指在一定温度(20)时，微生物作用下氧化分解所需的氧量。其来源、危害同化学需氧量。挥发酚：水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水。酚类属有毒污染物。酚类化合物对鱼类有毒害作用，鱼肉中带有煤油味就是受酚污染的结果。,32/53,地面水主要污染物,汞：汞（Hg）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、肢体麻木和疼痛等。总汞中的甲基汞在人体内

16、极易被肝和肾吸收，其中只有15%被脑吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或遗患终生 氰化物：氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为50微克；氰化钠约100微克；氰化钾约120微克。氰化物经口、呼吸道或皮肤进入人体，极易被人体吸收。急性中毒症状表现为呼吸困难、痉挛、呼吸衰竭，导致死亡,33/53,2 生物技术应用于环境污染治理,生物技术的概念,概念的最初提出(1917年匈牙利工程师 Karl Ereky-利用生物将原材料转变为产品原材料 甜菜生物 猪产品 猪肉,Karl Ereky,生物技术的定义 生物技术（Biotechnology）是指利用生物有机体或组成部分发展新产品或新

17、工艺的一种技术体系。,35/53,生物技术的发展简史,公元前 1800 古老生物技术阶段如酿酒、酿醋、酱油、泡菜、奶酪1800 1940 初期生物技术阶段 了解微生物的发酵过程，废水处理和固体废弃物的堆 肥处理1940 1976 近代生物技术阶段 抗生素的生产1977 现在 现代生物技术DNA重组技术,36/53,现代生物技术的发展历史 重要事件,140年前，孟德尔（Mendel)在捷克莫勒温镇一个修道院里沉醉于豌豆杂交实验，他提出的遗传因子在半个世纪后被Morgan定义为基因,遗传学之父 孟德尔（1822 1884),37/53,1944年,Avery证明了基因的物质基础是DNA,Oswal

18、d Avery,夹膜、致病性的肺炎球菌,无夹膜、致病性的球菌,核酸,有夹膜、致病性的肺炎球菌,核酸是遗传信息的载体，也是遗传的物质基础,38/53,1953年,Watson和Crick揭示了DNA的分子结构,Watson、Crick的DNA双螺旋结构,39/53,1973年：美国斯坦福大学医学院遗传学家S.Cohen将体外构建的含有四环素和卡那霉素抗性基因的重组质粒导入大肠杆菌，获得了具有双抗性的大肠杆菌转化子，成功完成了第一个基因克隆实验。第一个有目的的基因重组实验 现代生物技术的标志,40/53,现代生物技术在环境污染中的应用,生物技术最早应用于环境污染治理的是利用农业废物堆肥。,“生物治

19、理技术优于其他新技术的显著特点在于其是污染物消除技术而不是污染物分离技术”(美国环保局EPA),42/53,现代生物技术在环境污染中的应用,（1）污染监测,43/53,采用纯培养或混合培养的的微生物菌株来降解污染物。例如科学家利用基因工程技术，将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内，培育一种专门“吃”DDT的细菌，大量培养，放到土壤中，土壤中的DDT就会被“吃”得一干二净。,（2）污染治理,44/53,环境生物技术的概念,环境生物技术是现代生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边缘学科，诞生于1980年代末期 环境生物技术涉及生物技术、工程学、环境学、生态学等学科领域，既有较强的基础理论要求，又

20、具有鲜明的技术应用特点 环境生物技术指的是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者高效净化环境污染、同时又生产有用物质的工程技术,45/53,环境生物技术的进展,进展 提高了去除传统污染物，如BOD、悬浮物、氮、磷的能力 去除有毒有害有机化合物组分，如含氯有机溶剂 将一些特殊污染物降低到很低的浓度 开发了毒性物质的检测方法处理介质的拓展，如饮用水、地下水、土壤、空气等 原因 现代生物技术的发展深化了对微生物特征的认识，提高了 改变或强化微生物功能的能量，获得了高效工程菌 微生物生长环境和工艺手段的改进,46/53,环境生物技术的层次划分,环境

21、生物技术可分为三个层次 高层次是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术，如基因工程菌的构建、抗污染型转基因植物的培育等 中层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，以及其在新的理论和背景下产生的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等 低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地系统等 三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段 新途径 主力军 自然性,47/53,目前环境生物技术面临的研究内容,基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中，其遗传稳定性、功能高效性和生态安全性等方面的问题 开发废物资源化和能源化技术，利用废物生产单细胞蛋白、生物塑料、

22、生物农药、生物肥料以及利用废物生产生物能源，如甲烷、氢气、乙醇等 建立无害化生物技术清洁生产新工艺，如生物制浆、生物絮凝剂、煤的生物脱硫、生物冶金等 开发对环境污染物的生理毒性及其对生态的影响检测技术,48/53,环境生物处理技术的相关概念,生物降解是指由生物催化的复杂化合物的分解过程 生物处理是利用生物亦即细菌、霉菌或原生动物的代谢作用处理污水的方法有机物的转化 矿化：有机物完全无机化的过程；其为微生物生长的基质和能源 共代谢：是需添加一些有机物作为初级能源后才能降解的现象。生物处理过程基本上分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种过程,49/53,当前国内外的环境生物技术研究面临的问题在分子生物

23、学新技术的应用方面，缺乏统一的方法体系及判定基准；进入环境的污染物数量和种类的迅速增加，环境污染诊断与监测技术相对落后；生态修复技术研究大多停留在实验室阶段，野外试验较少，离实际应用更远；在大规模工业化利用方面，缺乏配套设施及管理方法等。,50/53,国内相关的环境生物技术研究机构,1、中国科学院生态环境研究中心 环境生物技术研究室主要研究方向包括：1）环境污染物的生物毒性，特别是复合毒性及机理的研究；2）基于生物毒性测试技术的污染物生态风险评价研究；3）环境微生物技术；4）农药残留的检测技术及毒理研究；5）环境友好产品的研究与开发；6）环境生物医用分离材料和生物质资源化新工艺等。,51/53

24、,2、哈尔滨工业大学 环境生物技术研究中心 http:/研究方向：1）发酵法生物制氢技术2）废水高效生物脱硫技术3）复合型微生物絮凝剂开发与应用4）臭氧固定化生物活性炭饮用水深度净化技术 5）污水生物除磷脱氮技术 6）高效膜生物反应器工艺机理与应用 7）废水（物）处理新技术与新工艺,52/53,相关的期刊,Nature biotechnologyAdvanced TechnologyTrends in biotechnologyEnvironment Science TechnologyApplied Environment Microbiology,53/53,作业：现代生物技术在环境污染治理中的应用，举实例说明？,