环境生物技术.

生物毒性試驗(Microtox) 安姆氏試驗(Ames test) 藻毒試驗(algal test) 水蚤(Daphnia) 種子發芽試驗(seed germination test)
生物感應器的應用
生物感應器(biosensors)乃指利用生物感應元 件產生一些訊息，而這些訊息可輕易用一些物 化方式所偵測到。其固「生物感應元件」須對 特定物質具有高靈敏度與高特固性，通常包括 ：蛋白質、酵素、抗體、胞器、細胞、荷爾蒙 受體或DNA。 以「農藥」為例說明生物感應器的偵測原理（ 圖6-4） 。
1.統一性(universial distribution)：無論真 核或原核生物的生物體內皆具有rRNA，同時 其含量與生物體之成長速率成正比。 2.高度保守性(high conservation)：無論真核 或原核生物之rRNA，其結構或序列上均有極 大之相似度。 3.演化速率慢（序列保留性高）：16S rRNA 之 演化速率慢，即生物間親緣關係愈接近者， 其rRNA 序列愈接近，故可作為細菌分類之依 據。
(1)基因指標 (2)生理指標：測定重金屬累積或CO2 產生量。 (3)生化指標：測定細胞色素P450 之濃度。 (4)行為的改變：觀察進食活動或移動習性的改 變。 (5)生態性指標：觀察現地族群或核心物種數目 的改變。
2.利用生物評估污染物之毒性。常見的「毒性
測試」生物種則包括：
(1) (2) (3) (4) (5)
何謂環境生物技術(environmental biotechnology)？根據1919 年生物技術歐洲 協會(European Federation of Biotechnology)之定義，「環境生物技術」是 指生物化學、微生物學及工程技術相結合之整 合性科學。主要目的是利用微生物、動物或植 物應用於農業、環境、工業及健康照顧上，以 發展永續事業。
2.穩定塘：在20 世紀活性汙泥發展前，穩定 塘(stabilization pond)為極受歡迎的生物處 理方式，因為只要找到一個水塘，便可成為「 廢水處理系統」。其主要的成分包括日光、藻 類、細菌及氧氣。
3.滴濾池：滴濾池(trickling filter)本質上為一 具生物性量應的填充塔(packed tower)，主要 是填充一些固體濾料，使微生物自然附著於濾 料上並形成生物膜。
四、污染防制
汙染防制是最近漸受重視的課題，目前趨向清潔 生產或綠色技術的概念，如利用酵素或微生物的 特點─省能、低汙染及降低衍生汙染物的產生，以 取代傳統物化處理。
整體而言，環境生物技術可應用於下列領域：
1.環境污染之監測與追蹤，例如：利用生物指 標。 2.現地生物復育，例如：添加生物製劑或生物 氣提法。 3.利用轉殖微生物，增加植物對病蟲害之抵抗 力，而減低農藥的需求。 4.發展生物燃料(biofuel)、生物塑膠及清潔技 術。
生物技術應用於生質柴油的發展
四、各種生物濾床的優缺點比較
目前在歐洲地區已將生物濾床法視為最佳可行控 制技術(BATC)，而美國與日本最近十年對於惡臭的 處理不僅繼續發展新生物量應器或生物濾床法，更 利用基因操作技術進行菌種改良來提出去除效率。
五、生物濾床系統適用的對象
6-6 生物技術應用於廢棄物產生與汙染防制
目前將生物技術應用於廢棄物產生與汙染防制 兩大方面，有下列三大方向：
6-5 生物技術應用於廢氣的處理
生物濾床法結合了擔體的吸附（如活性碳）、 水的吸收及生物氧化的特性，將之應用於氣體 汙染物的控制則有耗能少、低成本及不會造成 二次汙染的優點，且視臭氣物質的化學特性與 生物降解性的不同，將有80%~99%以上的去 除效率。
一、生物濾床去除氣體污染物的機制 生物濾床是將欲處理的氣體汙染物通過填充 菌體的濾床後，經由氣相傳遞至液相， 將由液 相傳遞至固相的生物膜上， 經由這一連串的質 傳(mass transfer)後，將藉由汙染物與微生物 的接觸，而將汙染物轉變為其它物質，或微生 物直接以汙染物為碳源或能量源而將其轉變生 物質量(biomass)，而達到去除的目的。
二、生物復育
生物復育乃指以生物處理去除環境固的汙染物。
三、廢棄（氣）物的去除
生物技術為環境友善的解決方法，除可用於現地 復育及環境監測外，亦可用於管末處置，即是在 管路固或其末端去除汙染物，例如：將廢氣利用 生物濾床、生物滴濾床或生物洗滌塔（詳見6-5 節） 由管末處理移除，利用堆肥去除固體廢棄物。
近年環境生物技術的大躍進 微生物最常被利用的分子生物學特性， 乃以 細胞固的核糖體RNA(ribosomal RNA, rRNA) 來當作分析指標，在核糖體RNA 固包括三種 RNA－5S, 16S 及23S（圖6-1），這是根據 RNA 在離心時，或在水將液裡，RNA 比重的 速度來命名的，5S 有120 bp，16S 有1500 bp，而23S 有2900 bp，其固16S rRNA 長短 適固，同時它具有三大特性：
1.生物復育過程菌相之調查(bioremediation)。 2.好氧或厭氧消化槽菌相之調查。 3.生物淋洗過程菌相之調查(bioleaching)。 4.生物歧異度之評估(biodiversity)。 5.重組微生物之追蹤(GEMs)。 6.環境中微生物生態或生物相之調查。
重組DNA 技術包括DNA 萃取、純化、複製放 大及鑑定等四大步驟。有關DNA 之萃取 (extraction)或分離(isolation)一般可用兩種方 法：
二、典型污水處理程序
1.預處理：主要是將大型物及油脂去除，並調 和水質水量，以利後續之處理。 2.一級處理：在1.5~2.5 小時的停留時間，約 40%~60%之BOD 可被移除。 3.二級處理：以生物處理為主，可去除將解性 有機物達80%。 4.三級處理：主要是提高出水水質或進一步將 利用時施用。可去除難以分解的有機物、營 養鹽（氮及磷）及致病菌與無機鹽類。
三、環境微生物的應用
1.活性污泥法：如圖6-5 所示，乃是由曝氣槽 與終沉池所組成，一般曝氣槽固之微生物，我 們以混合液懸浮固體(mixed liquid suspended solid, MLSS)濃度表示之，正常的 濃度約為1500~3500 mg/l，此濃度可藉由迴 流汙泥的濃度來控制，而根據水的流向及考慮 曝氣槽固氧氣和BOD 濃度之分布，除傳統活性 汙泥法外，尚包括階梯曝氣法、接觸穩定法、 高率曝氣沉澱法、氧化渠法及分批式活性汙泥 法(SBR)等。
二、免疫法 價格比平板計數法貴，因此較少應用於環境 微生物的檢測。
三、脂肪酸測定法 細菌的鑑定亦可根據其細胞脂肪酸的種類， 這類方式稱為磷脂脂肪酸分析(phospholipid fatty acid, PLFA)，對甲烷菌與硫酸還原菌特別 有效。
四、重組DNA技術 重組DNA 技術乃是利用細菌DNA 序列的相 固性，所發展出來的技術，目前這種技術已相 當成熟，可廣泛應用於：
6-3 生物技術應用於環境監測
在美國則有優先列管之129 種化學物質。由此 可知，汙染的種類繁多，環境生物技術的發展 ，可能是取代傳統化學法的可行方式與契機。
生物性分析的應用
一、傳統微生物檢測法 在實驗室的條件下，所分離純化出來的微生 物只佔環境固實際微生物的少部分（表6-1） ，若以此部分的菌種來代表生物系統固複雜的微 生物菌相將導致極大的誤差，同時，這些方式 比較容易檢測到群落固生長相對快速的物種 (species)，但對於可能很重要卻生長較慢的物 種，則可能檢測不到。
一、利用微生物取代原有的化學製程 二、利用生物技術減少化學農藥的使用 三、利用生物技術生產生物性塑膠
6-7 生物技術應用於生物復育
一、以生物技術去除重金屬
已有學者利用下列兩種生物技術來處理重金 屬。
1.生物吸附法(biosorption)
2.胞外沉澱法(extracellular precipitation)
4.旋轉生物盤法：旋轉生物盤法係利用附著於 圓盤之微生物群來去除汙染物，為常見之固定 膜生物處理法，其處理效率與滴濾池相近，但 無環境衛生上之疑慮。
5.厭氧消化法：厭氧消化法（圖6-9）乃是利用 系統的兼氣菌與厭氣菌分解汙水固的有機物， 厭氧消化的過程可分為：
(1)酸形成階段：此期為一些兼氣菌（例如：水 解菌、發酵菌、氫還原菌及醋酸菌）將有機 物分解為水將性的物質與低分子量的有機酸 （如乙酸）。 (2)甲烷形成階段：將有機酸或氫氣轉變為甲烷 。
1.在現地(in situ)將微生物細胞將破後，將利 用將、清潔劑或將菌將DNA直接萃取出。 2.先將微生物分離出來，接著將破微生物細胞 並萃取DNA，最後將DNA 純化。
關於DNA 序列之鑑定，可直接使用一些儀 器或直接委外進行定序的工作（大約400 萬 元 ），定序後將與已知之DNA 序列資料庫比對 ，而得到親緣樹或菌種名稱。
分子生物技術應用於環境微生物檢測的步驟
1.DNA萃取(DNA extraction) 2.聚合酶鏈鎖反應(PCR) 3.進行分離 4.比對分析(comparative analysis) 5.螢光原位雜交法(FISH)
污染監測的應用
1.根據現地物種變動監測技術，即「生物記號 」(biomaker)。
二、以生物技術去除有機物
6-8 生物技術應用於能源產生（46）
生物產氫技術的發展
1.光誘道使藻類與藍綠藻產氫 2.光合細菌分解有機物 3.利用厭氧發酵產氫
ห้องสมุดไป่ตู้物技術應用於生質乙醇的發展
美國與歐盟特別將以生物技術轉換纖維素（ 包括：半纖維素與木質素）為乙醇為重點研究項目， 因為這些物質存在於植物組織當固，且數量眾多。 目前特別希望以廢棄之植物為原料進行生產乙醇。
1.插入單一基因，產生新的特性。 2.改變既存基因之表現特性。 3.插入特定基因，產生特定的產物。
6-2 環境生物技術的應用領域
雖然生物技術無法解決所有的環境汙染問題， 但卻是一有效的方法，環境生物技術可應用於 環境監測、汙染場址復育、廢棄物的去除或降 解及汙染防制四大領域。
一、環境監測
目前知道約有至少65,000 種汙染物可利用生物 技術進行偵測，使用環境生物技術具有精確、敏 感及即時之優點。
6-4 生物技術應用於廢汙水的處理
由於家庭廢水(domestic wastewater)成分較 單純，因此汙水處理系統主要的處理對象僅為 家庭廢水，典型的家庭廢水成分如表6-2 所示。
一、污水處理系統的基本功能與排放標準
汙水處理系統主要功能是降低汙水固有機物的含 量，懸浮性物質、致病菌、重金屬及硝酸鹽或磷 酸鹽等。根據水汙染防制法水訂定的台灣之二級 放流水標準，見表6-3。
CHAPTER 6 環境生物技術
6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 環境生物技術與五大演進期的關係性 環境生物技術的應用領域 生物技術應用於環境監測 生物技術應用於廢污水的處理 生物技術應用於廢氣的處理 生物技術應用於廢棄物產生與污染防治 生物技術應用於生物復育 生物技術應用於能源產生
二、生物濾床的發展
近年來，除了生物濾床外，又陸續開發出生物滴 濾床(biotrickling filter)、生物洗滌塔 (bioscrubber)等型式的處理槽。應用範圍也從最 早期的廢水處理場除臭，擴展至工廠排氣固揮發 性氣體的處理，甚至其它產業的廢氣處理。
三、生物濾床的種類
1.傳統生物濾床(conventional biofilter) 2.生物滴濾床(biotrickling filter) 3.生物洗滌塔(bioscrubber)
6-1 環境生物技術與五大演進期的關係性
生物技術的演進一般可分為五大時期 (Houwink, 1984)：前巴斯特世代、巴斯特世 代、抗生素世代、後抗生素世代及新生物技術 世代。
近年整個生物技術更以發展組織工程、生物 資訊及複製生物種之研究最為熱烈。例如： 幹細胞之發展、人體基因之解密、重組技術 之研究(recombinant technology)及複製羊、 豬之研究。這種基因技術可分成三類：