第十二章 生物修复技术和生物制剂的开发应用
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第十二章 生物修复技术和生物制剂的 开发应用
生物修复技术原理 生物修复工程技术 环境生物制剂的开发与应用
第一节 生物修复技术原理
一、生物修复技术的概念
广义的生物修复：指一切以利用生物为主体的环境污 染治理技术。
包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤、 水体或大气中的污染物，使污染物的浓度降低到可接 受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质， 也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。
解菌等微生物菌剂，并在电镀废水治理、农药废水治理、
印染废水治理、石油化工废水等工程中得到应用，效果
十分显著。
通过菌群构建等方法得到的具有特殊功能的生物制品。
微生物制剂：是一类从环境中分离出来的有益微生物，经
过人工纯化及富集培养之后，再利用专门的技术把它制成
具有特殊用途的添加剂。 菌群来源：自然环境或处理系统筛选、变异菌种或工程菌。
一、 环境生物制剂的开发
开发的关键是寻获高效菌种
（一）直接筛选高效菌种
自然界中本来存在的物质，存在着对应的具有高效降
菌的分布、营养、生长特征和功能。
2）选择分离源：利于目标菌的生长；数量大；目标 菌可能具备需要的生理功能。 3）设定筛选条件：依据目标菌种的生理生长特性确 定培养基的营养组成和培养条件---富集培养。 4）纯化分离菌种：通过连续稀释培养，或依据目的 菌的独特生理特性达到纯化的目的，最终得到单一菌
种。
三、生物修复的影响因素
微生物活性（参考已讲解内容） 污染物特性
污染现场的环境条件
污染物的性质
• 有机或无机
• 酸性或碱性
• 氧化性或还原性 • C:N:P情况 • 主要元素组成 • 自然存在或人工合成的新型物质
污染现场的环境条件
• 土壤或水体--土壤空隙影响污染物的迁移，最终影 响污染物的修复速率和修复程度。 • 其它如温度、pH值、光照、渗透压等因素，凡是能 影响微生物活性的因素都可以影响生物修复的效果。
（三）诱变育种
诱变育种是指用物理、化学因素诱导生物的遗传特性发 进而培育成新的品种或种质的育种方法。 突变体的筛选：基因的改变是随机的、非定向的，存活 的突变体性状不同，必须进行多次筛选。突变体需经过 筛选，包括安全性、稳定性、繁殖能力等。
生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求的个体，
诱变育种存在的主要问题是有益突变频率较低，变异的
解功能的微生物；工业化产生的人为产生的新物质， 微生物没有对应的可识别的酶系统，需经过驯化，周 期一般需几个月。 方法--目的菌的富集培养--针对目的菌的生理生长特性 及需求提供培养条件，让目的菌形成优势菌种，以达 到富集的目的。
分离筛选的原则与方法：
1）确定目标：依据用途确定筛选的菌种，了解目的
（五）固定化微生物技术
目前，固定化微生物技术广泛应用于环境污染治理，
主要的治理对象为难处理的有机废水及重金属污染
的废水，同时还涉及到大气和土壤的污染治理。
二、环境生物制剂在水处理中的应用
生物制剂投放到废、污水中，可使系统内的微生物数 量增加，提高污水处理的效率，适合广谱、高效、低 耗的各类废、污水处理。
生物制剂的优点 (1) 缩短微生物培养驯化的时间，迅速提高生物处理系 统中微生物的浓度，提高处理效率； (2) 微生物种类确定，确保不含致病菌和病源体； (3) 微生物会随着污染物的降低而逐渐减少，直至消亡， 不会造成二次污染；
(3）使用安全，操作简单方便，节省资金投入。
生物制剂处理城镇生活污水
微生物。这是因为:
适应本土环境条件，活性高;
种类多、数量大，降解污染物的潜力巨大；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
外来微生物
当土著微生物生长慢、活性低，或者由于污染 导致本土微生物数量低时，需接种外来微生物 提高降解污染物效率。
基因工程菌 采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些 能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地 构建高效降解难降解污染物的工程菌。 但它同样要遇到与土著微生物激烈竞争的矛盾， 同时还要特别考虑到基因工程菌的安全性问题。
污染现场的调查与评价
开展生物修复之前需要对修复现场进行调查评价，确
定生物修复的适应性。主要指标包括：
• 污染物的性质；
• 污染物的浓度和分布；
• 现场的微生物状况；
• 现场的环境条件等。
第二节 生物修复技术原理
自学，作为了解内容
第三节 环境生物制剂的开发与应用
环境生物制剂：指以生物学、环境学等多学科理论为基础， 以检测、改善环境状况和强化处理系统稳定、高效为目标，
一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。 狭义的生物修复：在自然或人工控制的条件下，利用 特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。
二、用于生物修复的微生物
土著微生物
外来微生物 基因工程菌
土著微生物
通过自然筛选、驯化形成的具有产生分解污染物酶系
统的本土微生物。
目前大多数微生物修复工程中应用的微生物都是土著
金敏等根据生活污水组成成分的特点，特意地选择产蛋
白酶、纤维素酶、淀粉酶的菌株和硝酸细菌及亚硝酸细 菌组成强化微生物制剂，以生物膜法处理生活污水，并 与普通生物膜法进行启动时间和出水水质比较。 生物制剂生物膜法反应器启动时间大大缩短，且稳定期
COD和氨氮去除率远高于普通生物膜法。
生物制剂处理工业污水 我国从20世纪70年代至今，各研究院所和高等院校先后 分离出治理电镀废水、印染废水、制药废水等的硫酸盐 还原菌、酚的降解菌、氰和腈的降解菌、硝基苯系物降
方向和性质难控制。
（四）构建基因工程菌
原理：将外源功能基因导入受体细胞，使这个基因能在
受体细胞内复制和表达，使受体菌获得新的功能。
操作步骤
获得目的基因-从供体细胞中直接分离/人工合成
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因的检测和表达--受体细胞必须表现出特定的性
状，才能说明目的基因完成了表达过程。
生物修复技术原理 生物修复工程技术 环境生物制剂的开发与应用
第一节 生物修复技术原理
一、生物修复技术的概念
广义的生物修复：指一切以利用生物为主体的环境污 染治理技术。
包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤、 水体或大气中的污染物，使污染物的浓度降低到可接 受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质， 也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。
解菌等微生物菌剂，并在电镀废水治理、农药废水治理、
印染废水治理、石油化工废水等工程中得到应用，效果
十分显著。
通过菌群构建等方法得到的具有特殊功能的生物制品。
微生物制剂：是一类从环境中分离出来的有益微生物，经
过人工纯化及富集培养之后，再利用专门的技术把它制成
具有特殊用途的添加剂。 菌群来源：自然环境或处理系统筛选、变异菌种或工程菌。
一、 环境生物制剂的开发
开发的关键是寻获高效菌种
（一）直接筛选高效菌种
自然界中本来存在的物质，存在着对应的具有高效降
菌的分布、营养、生长特征和功能。
2）选择分离源：利于目标菌的生长；数量大；目标 菌可能具备需要的生理功能。 3）设定筛选条件：依据目标菌种的生理生长特性确 定培养基的营养组成和培养条件---富集培养。 4）纯化分离菌种：通过连续稀释培养，或依据目的 菌的独特生理特性达到纯化的目的，最终得到单一菌
种。
三、生物修复的影响因素
微生物活性（参考已讲解内容） 污染物特性
污染现场的环境条件
污染物的性质
• 有机或无机
• 酸性或碱性
• 氧化性或还原性 • C:N:P情况 • 主要元素组成 • 自然存在或人工合成的新型物质
污染现场的环境条件
• 土壤或水体--土壤空隙影响污染物的迁移，最终影 响污染物的修复速率和修复程度。 • 其它如温度、pH值、光照、渗透压等因素，凡是能 影响微生物活性的因素都可以影响生物修复的效果。
（三）诱变育种
诱变育种是指用物理、化学因素诱导生物的遗传特性发 进而培育成新的品种或种质的育种方法。 突变体的筛选：基因的改变是随机的、非定向的，存活 的突变体性状不同，必须进行多次筛选。突变体需经过 筛选，包括安全性、稳定性、繁殖能力等。
生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求的个体，
诱变育种存在的主要问题是有益突变频率较低，变异的
解功能的微生物；工业化产生的人为产生的新物质， 微生物没有对应的可识别的酶系统，需经过驯化，周 期一般需几个月。 方法--目的菌的富集培养--针对目的菌的生理生长特性 及需求提供培养条件，让目的菌形成优势菌种，以达 到富集的目的。
分离筛选的原则与方法：
1）确定目标：依据用途确定筛选的菌种，了解目的
（五）固定化微生物技术
目前，固定化微生物技术广泛应用于环境污染治理，
主要的治理对象为难处理的有机废水及重金属污染
的废水，同时还涉及到大气和土壤的污染治理。
二、环境生物制剂在水处理中的应用
生物制剂投放到废、污水中，可使系统内的微生物数 量增加，提高污水处理的效率，适合广谱、高效、低 耗的各类废、污水处理。
生物制剂的优点 (1) 缩短微生物培养驯化的时间，迅速提高生物处理系 统中微生物的浓度，提高处理效率； (2) 微生物种类确定，确保不含致病菌和病源体； (3) 微生物会随着污染物的降低而逐渐减少，直至消亡， 不会造成二次污染；
(3）使用安全，操作简单方便，节省资金投入。
生物制剂处理城镇生活污水
微生物。这是因为:
适应本土环境条件，活性高;
种类多、数量大，降解污染物的潜力巨大；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
外来微生物
当土著微生物生长慢、活性低，或者由于污染 导致本土微生物数量低时，需接种外来微生物 提高降解污染物效率。
基因工程菌 采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些 能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地 构建高效降解难降解污染物的工程菌。 但它同样要遇到与土著微生物激烈竞争的矛盾， 同时还要特别考虑到基因工程菌的安全性问题。
污染现场的调查与评价
开展生物修复之前需要对修复现场进行调查评价，确
定生物修复的适应性。主要指标包括：
• 污染物的性质；
• 污染物的浓度和分布；
• 现场的微生物状况；
• 现场的环境条件等。
第二节 生物修复技术原理
自学，作为了解内容
第三节 环境生物制剂的开发与应用
环境生物制剂：指以生物学、环境学等多学科理论为基础， 以检测、改善环境状况和强化处理系统稳定、高效为目标，
一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。 狭义的生物修复：在自然或人工控制的条件下，利用 特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。
二、用于生物修复的微生物
土著微生物
外来微生物 基因工程菌
土著微生物
通过自然筛选、驯化形成的具有产生分解污染物酶系
统的本土微生物。
目前大多数微生物修复工程中应用的微生物都是土著
金敏等根据生活污水组成成分的特点，特意地选择产蛋
白酶、纤维素酶、淀粉酶的菌株和硝酸细菌及亚硝酸细 菌组成强化微生物制剂，以生物膜法处理生活污水，并 与普通生物膜法进行启动时间和出水水质比较。 生物制剂生物膜法反应器启动时间大大缩短，且稳定期
COD和氨氮去除率远高于普通生物膜法。
生物制剂处理工业污水 我国从20世纪70年代至今，各研究院所和高等院校先后 分离出治理电镀废水、印染废水、制药废水等的硫酸盐 还原菌、酚的降解菌、氰和腈的降解菌、硝基苯系物降
方向和性质难控制。
（四）构建基因工程菌
原理：将外源功能基因导入受体细胞，使这个基因能在
受体细胞内复制和表达，使受体菌获得新的功能。
操作步骤
获得目的基因-从供体细胞中直接分离/人工合成
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因的检测和表达--受体细胞必须表现出特定的性
状，才能说明目的基因完成了表达过程。