第七章能源与环境生物技术.pptx
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24
7.5 污水处理
5日生化需氧量
5-day Biochemical OxygenDemand,5-day BOD
生物学意义：5天内微生物完全降解水样 中的有机污染物所需要的溶解氧量。 人口当量（population equivalent,PE） ： 5-day BOD值平均为60g
25
污水处理的方法：物理法、化学法和生物法
活性污泥法（activated sludge）
活性污泥：具有生命活力的多种微生物类 群组成的颗粒状絮绒物。 好氧微生物是活性污泥中的主体生物， 包括细菌、酵母菌、放线菌、霉菌以及 原生动物和后生动物等，它们共同构成 一个平衡的生态系统。
26
去除污染物的基本原理： 活性污泥颗粒有较大的比表面积，与废水 充分接触混合后，其表面的黏液层能迅速 吸附大量的有机或无机污染物，在微生物 酶的作用下，进行分解或合成代谢活动， 实现了物质的转化，从而使废水或污水得 以净化。
印度籍生物技术学家查克拉巴提培育出 了石油分解细菌——能够降解辛烷、樟 脑、二甲苯和萘 。人们称之为查克拉巴 提的“吃油鬼”。
查克拉巴提 现为芝加哥伊利 诺伊州大学教授
38
查克拉巴提的“吃油鬼”
39
植物修复的机理：
通过特殊类型植物的吸收、富集或降解作 用来降低或去除污染环境中的污染物。
27
间歇式活性污泥法 SBR法——Sequencing Batch Reactor 一个SBR过程包括进水、曝气、沉淀、 排水、静置5个步骤。
28
SBR内一个运行周期的操作过程
29
SBR法的优点：
☞占地面积小，建设成本低； ☞反应动力大； ☞不出现污泥膨胀现象； ☞运行方式灵活，脱氮除磷效果好。
细菌把S氧化成H2SO4，把Fe2+氧化成Fe3+， 后者是一种强氧化剂，在硫酸溶液中， Fe3+ 把铜矿中不溶的铜的硫化物氧化为易溶的硫 酸铜。
22
23
环境生物技术：直接或间接利用生物体
或生物体的某些组成部分或某些机能， 对环境进行监控、治理或修复，并将有 机污染物资源化的工程技术。
特点：
效率高、成本低、反应条件温和、无二次 污染、可增强自然环境的自我净化能力
使各种有机酸转化成甲烷 食乙酸产甲烷菌
16
沼气发酵过程 第一个阶段：液化 第二个阶段：产酸 第三个阶段：产甲烷
17
沼气 甲烷
二氧化碳
乙酸
水 氢气
乙醇 氨基酸、糖、甘油、脂肪
细菌 水解
生物质
18
Байду номын сангаас气发酵池示意图
19
发展沼气的意义 ①沼气具有较高的燃料效益 ②沼气肥具有较高的肥料效益 ③发展沼气具有较好的环境效益
7
我国已成为世界第三大燃料乙醇的生 产和消费国，目前我国主要以玉米为 原料生产燃料乙醇 。 甜高粱将成为乙醇生产的主力军 ！
8
我国大力推广使用车用乙醇汽油，汽 油中乙醇加入量的体积分数为10% 。
乙醇汽油 ——“绿色能源”！
9
乙醇代替石油所面临的困难
① 需要政府部门投入可观资金及保持乙醇大 规模产业化生产 ② 以粮食为原料大规模生产乙醇将受到限制 ③ 利用纤维素作为原料生产乙醇的工艺还很 不成熟
30
7.6 环境污染的生物修复 生物修复：利用生物特别是微生物的代
谢活动来减少或清除污染环境中的化学 污染物的过程。
微生物修复 生物修复
植物修复
31
微生物修复的基本原理：
调节污染地的环境条件以促使原有微生物 或后接种微生物的降解作用迅速进行。
32
石油污染的生物修复 通常有2种方法： A. 通过增加营养物质以促使土著微生物的 生长。
第七章 能源与环境生物技术
1
7.1 重获新生的枯油井
利用微生物二次采油 基本方式：利用微生物在油层中发酵产生 的大量酸性物质及H2、CO2、CH4等气体 ，降低原油的黏度，使原油能从岩层缝隙 中流出而聚集，便于开采。
如，磺弧菌属和梭状芽孢杆菌属
2
利用微生物三次采油
基本方式：利用基因工程技术构建工程菌 株。这些工程菌在油层中不仅能产生CO2 等气体增加井压，而且还能分泌高聚物、 糖脂等表面活性剂，降低油层表面张力， 使原油从岩石缝中、沙土中松开，从而提 高采油量。
14
7.3 可再生能源——沼气
沼气（biogas）：由有机物质在适宜的
温度、湿度、酸碱度和厌氧的情况下，经 过微生物发酵分解作用产生的一种可燃烧 气体 。
主要成分 ： CH4—60-70%， CO2—28-40%， 此外还有少量的N2、H2S和CO等气体
15
沼气发酵微生物的种类
发酵性细菌 产氢产乙酸菌 使复杂有机物形成各种有机酸 耗氢产乙酸菌 食氢产甲烷菌
3
4
7.2 生长在田里的燃料作物
通过“种植能源”获得的最普遍的燃 料当属生物乙醇 。 C6H12O6 微生物 2CH3CH2OH+2CO2
5
乙醇作为燃料的益处 ①产能效率高； ②在燃烧期间不生成有毒的污染物质； ③可通过微生物大量发酵生产，成本相对低。
6
乙醇燃料的发展状况 巴西 主要利用甘蔗为原料生产乙醇，是世界上 最大的燃料乙醇生产和消费国 。 美国 主要以玉米为原料生产燃料乙醇 。
10
第二种“种植能源”——生物柴油
油楠 一棵油楠一年可产 50Kg “柴油”
11
麻风树
1公斤麻风果可榨取约0.3公斤柴油
12
利用油菜籽油为原料生产生物柴油 1吨菜籽油 ＋ 0.1吨乙醇
5℃ NaOH
1吨甲脂 ＋ 0.1吨甘油
与柴油相似，被称为生物柴油
13
中国农科院培育的“中油—0361”高蓄能油菜新品系种 籽含油量高达54.72%
20
7.4 沉默的矿藏
铜（copper） ——“红色的金子”
微生物浸铜中最重要的两种硫杆菌：
氧化亚铁硫杆菌
铁氧化酶和硫氧化酶
极端嗜酸菌
氧化硫硫杆菌 只有硫氧化酶，不能氧化铁。
21
黄铜矿中细菌浸铜的过程：
细菌
2CuFeS2+8.5O2+H2SO4
二硫化亚铁铜
2CuSO4+Fe2(SO4)3+H2O
加入N、P等生长必需的营养物质后， 会促使这些微生物加快生长，相应地 促进了污染物的降解。
33
34
35
36
石油污染的生物修复 通常有2种方法： A. 通过增加营养物质以促使土著微生物的 生长。 B. 通过生物反应器培养有益微生物，然后 再将这些微生物混合类群接种到污染地进行 生长繁殖。
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构建基因工程菌以清除石油污染物
7.5 污水处理
5日生化需氧量
5-day Biochemical OxygenDemand,5-day BOD
生物学意义：5天内微生物完全降解水样 中的有机污染物所需要的溶解氧量。 人口当量（population equivalent,PE） ： 5-day BOD值平均为60g
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污水处理的方法：物理法、化学法和生物法
活性污泥法（activated sludge）
活性污泥：具有生命活力的多种微生物类 群组成的颗粒状絮绒物。 好氧微生物是活性污泥中的主体生物， 包括细菌、酵母菌、放线菌、霉菌以及 原生动物和后生动物等，它们共同构成 一个平衡的生态系统。
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去除污染物的基本原理： 活性污泥颗粒有较大的比表面积，与废水 充分接触混合后，其表面的黏液层能迅速 吸附大量的有机或无机污染物，在微生物 酶的作用下，进行分解或合成代谢活动， 实现了物质的转化，从而使废水或污水得 以净化。
印度籍生物技术学家查克拉巴提培育出 了石油分解细菌——能够降解辛烷、樟 脑、二甲苯和萘 。人们称之为查克拉巴 提的“吃油鬼”。
查克拉巴提 现为芝加哥伊利 诺伊州大学教授
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查克拉巴提的“吃油鬼”
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植物修复的机理：
通过特殊类型植物的吸收、富集或降解作 用来降低或去除污染环境中的污染物。
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间歇式活性污泥法 SBR法——Sequencing Batch Reactor 一个SBR过程包括进水、曝气、沉淀、 排水、静置5个步骤。
28
SBR内一个运行周期的操作过程
29
SBR法的优点：
☞占地面积小，建设成本低； ☞反应动力大； ☞不出现污泥膨胀现象； ☞运行方式灵活，脱氮除磷效果好。
细菌把S氧化成H2SO4，把Fe2+氧化成Fe3+， 后者是一种强氧化剂，在硫酸溶液中， Fe3+ 把铜矿中不溶的铜的硫化物氧化为易溶的硫 酸铜。
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环境生物技术：直接或间接利用生物体
或生物体的某些组成部分或某些机能， 对环境进行监控、治理或修复，并将有 机污染物资源化的工程技术。
特点：
效率高、成本低、反应条件温和、无二次 污染、可增强自然环境的自我净化能力
使各种有机酸转化成甲烷 食乙酸产甲烷菌
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沼气发酵过程 第一个阶段：液化 第二个阶段：产酸 第三个阶段：产甲烷
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沼气 甲烷
二氧化碳
乙酸
水 氢气
乙醇 氨基酸、糖、甘油、脂肪
细菌 水解
生物质
18
Байду номын сангаас气发酵池示意图
19
发展沼气的意义 ①沼气具有较高的燃料效益 ②沼气肥具有较高的肥料效益 ③发展沼气具有较好的环境效益
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我国已成为世界第三大燃料乙醇的生 产和消费国，目前我国主要以玉米为 原料生产燃料乙醇 。 甜高粱将成为乙醇生产的主力军 ！
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我国大力推广使用车用乙醇汽油，汽 油中乙醇加入量的体积分数为10% 。
乙醇汽油 ——“绿色能源”！
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乙醇代替石油所面临的困难
① 需要政府部门投入可观资金及保持乙醇大 规模产业化生产 ② 以粮食为原料大规模生产乙醇将受到限制 ③ 利用纤维素作为原料生产乙醇的工艺还很 不成熟
30
7.6 环境污染的生物修复 生物修复：利用生物特别是微生物的代
谢活动来减少或清除污染环境中的化学 污染物的过程。
微生物修复 生物修复
植物修复
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微生物修复的基本原理：
调节污染地的环境条件以促使原有微生物 或后接种微生物的降解作用迅速进行。
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石油污染的生物修复 通常有2种方法： A. 通过增加营养物质以促使土著微生物的 生长。
第七章 能源与环境生物技术
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7.1 重获新生的枯油井
利用微生物二次采油 基本方式：利用微生物在油层中发酵产生 的大量酸性物质及H2、CO2、CH4等气体 ，降低原油的黏度，使原油能从岩层缝隙 中流出而聚集，便于开采。
如，磺弧菌属和梭状芽孢杆菌属
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利用微生物三次采油
基本方式：利用基因工程技术构建工程菌 株。这些工程菌在油层中不仅能产生CO2 等气体增加井压，而且还能分泌高聚物、 糖脂等表面活性剂，降低油层表面张力， 使原油从岩石缝中、沙土中松开，从而提 高采油量。
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7.3 可再生能源——沼气
沼气（biogas）：由有机物质在适宜的
温度、湿度、酸碱度和厌氧的情况下，经 过微生物发酵分解作用产生的一种可燃烧 气体 。
主要成分 ： CH4—60-70%， CO2—28-40%， 此外还有少量的N2、H2S和CO等气体
15
沼气发酵微生物的种类
发酵性细菌 产氢产乙酸菌 使复杂有机物形成各种有机酸 耗氢产乙酸菌 食氢产甲烷菌
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7.2 生长在田里的燃料作物
通过“种植能源”获得的最普遍的燃 料当属生物乙醇 。 C6H12O6 微生物 2CH3CH2OH+2CO2
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乙醇作为燃料的益处 ①产能效率高； ②在燃烧期间不生成有毒的污染物质； ③可通过微生物大量发酵生产，成本相对低。
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乙醇燃料的发展状况 巴西 主要利用甘蔗为原料生产乙醇，是世界上 最大的燃料乙醇生产和消费国 。 美国 主要以玉米为原料生产燃料乙醇 。
10
第二种“种植能源”——生物柴油
油楠 一棵油楠一年可产 50Kg “柴油”
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麻风树
1公斤麻风果可榨取约0.3公斤柴油
12
利用油菜籽油为原料生产生物柴油 1吨菜籽油 ＋ 0.1吨乙醇
5℃ NaOH
1吨甲脂 ＋ 0.1吨甘油
与柴油相似，被称为生物柴油
13
中国农科院培育的“中油—0361”高蓄能油菜新品系种 籽含油量高达54.72%
20
7.4 沉默的矿藏
铜（copper） ——“红色的金子”
微生物浸铜中最重要的两种硫杆菌：
氧化亚铁硫杆菌
铁氧化酶和硫氧化酶
极端嗜酸菌
氧化硫硫杆菌 只有硫氧化酶，不能氧化铁。
21
黄铜矿中细菌浸铜的过程：
细菌
2CuFeS2+8.5O2+H2SO4
二硫化亚铁铜
2CuSO4+Fe2(SO4)3+H2O
加入N、P等生长必需的营养物质后， 会促使这些微生物加快生长，相应地 促进了污染物的降解。
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石油污染的生物修复 通常有2种方法： A. 通过增加营养物质以促使土著微生物的 生长。 B. 通过生物反应器培养有益微生物，然后 再将这些微生物混合类群接种到污染地进行 生长繁殖。
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构建基因工程菌以清除石油污染物