环境生物学s 第7章 现代生物技术与环境污染治理
生物技术与环境污染控制
基因表达调控
通过调控基因表达，提高 微生物对污染物的耐受性 和降解效率。
细胞工程在环境污染控制中的应用
细胞培养与优化
01
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
通过细胞培养技术，筛选和优化具有高效降解污染物能力的细
胞株。
细胞融合
02
利用细胞融合技术，将不同来源的细胞融合，产生具有多种降
解功能的杂交细胞。
细胞固定化
03
采用细胞固定化技术，将具有降解功能的细胞固定在载体上，
生物滴滤法
在生物过滤法的基础上，通过向固体载体上喷淋含有营养物质的液体 ，提高微生物的活性，增强废气处理效果。
生物技术在固体废弃物处理中的应用
堆肥法
利用微生物对固体废弃物中的有 机物进行降解和转化，生成稳定 的腐殖质，可用于土壤改良和肥
料。
厌氧发酵法
在无氧条件下，利用厌氧微生物对 固体废弃物进行降解和转化，生成 沼气等可再生能源。
生物技术的发展历程
自20世纪70年代以来，生物技术经历 了飞速的发展，包括基因工程、细胞 工程、发酵工程、酶工程等领域的不 断突破和创新。
生物技术在环境保护中的应用
废水处理
通过生物技术中的微生物处理法，将 废水中的有机物质转化为无害物质， 达到废水净化的目的。
大气污染治理
土壤修复
通过生物技术中的微生物降解和植物 修复等方法，降低土壤中的重金属和 有机污染物含量，恢复土壤生态功能 。
厌氧生物处理法
在无氧条件下，利用厌氧微生物降解废水中的有机污染物 ，适用于处理高浓度有机废水和污泥。
生物技术在废气处理中的应用
生物过滤法
利用附着在固体载体上的微生物代谢过程来去除废气中的有害成分 ，适用于处理气量大、浓度低的废气。
《环境生物学》课程教学大纲
《环境生物学》课程教学大纲课程中文名称（英文名称）：环境生物学（Environmental Biology）课程代码：PRN241课程类别：学科基础课程课程性质：必修课课程学时：48学时（理论32学时，实验16学时）学分：3学分适用专业：环境科学先修课程：环境学、无机化学一、课程介绍1.环境生物学是环境科学专业一门重要的必修学科基础课。
环境生物学是20世纪50年代环境问题成为全球重大问题时，生物学家在运用生命科学的理论和方法，认识环境问题实质并寻找解决环境问题途径的过程中逐渐形成的一门新兴边缘学科。
本课程系统介绍环境生物学的基本知识、主要技术和发展动态，使学生对环境生物学能有一个较完整的认识，为学习后续课程打下坚实的基础2.环境生物学属于环境科学专业学生必修的专业基础课，在专业人才培养方案和课程体系中的地位十分重要，属重点基础课，许多后续课程如环境毒理学、环境生物化学、环境生物工程、环境污染修复工程等与环境生物学密切相关。
环境生物学也是环境生态类考研科目之一，对学生的考研具有重要作用。
了解与掌握环境生物学的基本理论和方法，是环境类专业人才认识和解决环境问题所必须。
二、课程教学目的和任务通过本课程的学习，使学生对本大纲范围内的环境生物学内容有比较系统和比较全面的了解，认识环境污染物的生物效应以及环境污染的生物净化，使学生掌握环境生物学的基本知识和基础理论；培养学生具有初步的分析问题和解决问题的能力，为学好后续课程打下坚实基础。
课程应达到的基本要求为理解和掌握以下理论、方法和技术：1）环境污染物在生态系统中的行为；2）污染物对生物的影响；3）污染物的生物效应检测；4）环境质量的生物监测与生物评价；5）环境污染生物净化的原理；6）环境污染物的生物净化方法；7）现代生物技术与环境污染治理8）污染环境的生物修复三、课程学时分配、教学内容与教学基本要求四、教学方法与教学手段说明环境生物学为重点基础课，牵涉面广，学科交叉较多，内容丰富，而学时有限，因此，贯彻“少而精”的原则，精选有代表性的、有广泛应用的、最基本的、较现代化的内容作为基本要求。
现代生物技术与环境污染治理
问题与展望
Tankertanker Design
问题
• 尽管环境生物技术相对安全，但在其应用当还存在一 定的问题与困难，主要表现在以下几方面：
•
(1) 反应速度较慢，需要较大的反应器和占较大面积
ห้องสมุดไป่ตู้的土地；
•
(2) 对原水水质有严格的要求，否则会影响微生物的
正常生长；
•
(3) 运行中可能会出现污泥膨胀和流失，剩余污泥也
8/18/2019
生物芯片的基本原理
• 基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法
(southern、northern)一致，应用已知核酸序列作为靶基 因与互补的探针核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进 行定性与定量分析。 • 蛋白质芯片的工作原理与经典的蛋白分子杂交方法 (western)一致，应用已知蛋白质作为靶标与检测探针杂交， 通过随后的信号检测进行定性与定量分析。
生物芯片
• 定义：
• 是借用电子芯片的概念，是指能够快速并行处理多 个样品并对其所包含的各种生物信息进行解剖的微 型器件，它的加工运用了微电子工业和微机电系统 加工中所采用的一些方法，只是由于其所处理和分 析的对象是生物样品，所以叫生物芯片。
生物芯片的分类和原理
• 2.1 生物芯片的分类
– 基因芯片 – 蛋白质芯片 – 组织芯片 – 芯片实验室
难处理；
•
(4) 对于人工合成物，特别是难生化降解的污，一般
的微生物也是无能为力；
•
(5) 活的有害菌体可能从实验室泄露，大规模工程微
生物的应用可能影响生态系统。
展望
Tankertanker Design
•
随着经济的腾飞、人口的膨胀、资源的短缺、环
生物技术与环境 PPT
生物滤池
生物滤池于1889年在劳伦斯实验厂首先开始研究, 1910年后期在美国开始了大规模的应用，20世纪70年 代逐步被好氧法代替，随着新型滤料的不断诞生，生 物滤池又得到了的改进，应用范围不断扩大。
23
生物滤池的构造 生物滤池由滤床、布水装置和排水系统三部分组成。
24
池壁 滤料 布水系统 排水系统
(2)化学需氧量(COD)：用强氧化剂——重铬酸钾，在酸性条件下能够将
有机物氧化为H2O和CO2，此时所测出的耗氧量称为化学需氧量(COD)。 • COD能够比较精确地表示有机物含量，而且测定需时较短，不受水质限制，
因此多作为工业废水的污染指标。
(3)总需氧量(TOD)：有机物主要是由碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)等元素
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煤炭的微生物脱硫
细菌浸出法
• 利用微生物把煤炭中不同类型的硫分解成可溶性铁 盐和硫酸后滤出煤粉。
表面改性法
• 利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面性 质(疏水性)，提高分离能力，从而将黄铁矿从煤中 脱除。
27
微生物对无机废气的处理
• 微生物对无机废气的处理主要利用一些化能自养 菌如硝化细菌、硫化细菌和氢细菌等。
微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类
等。
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2. 人工湿地处理系统法
湿地：
• 每年在足够长的时间内均具有前的表面水层,能 维持大型水生植物生长的生态系统。
人工湿地：
• 根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理 废水。
8
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9
人工湿地处理系统的优点：
所组成。当有机物完全被氧化时，C、H、N、S分别被氧化为CO2、H2O、 NO和SO2，此时的需氧量称为总需氧量(TOD)。
生物技术在环境污染治理中的应用
生物技术在环境污染治理中的应用第一章：介绍生物技术是一门涉及生物科学、化学工程和环境科学的交叉学科，利用生物体或其组成部分进行工程改造和利用，以实现对生物系统以及环境的改善和治理。
在环境污染治理中，生物技术被广泛应用，成为一种可持续、高效的方法。
本文将详细介绍生物技术在环境污染治理中的应用。
第二章：生物技术在水体污染治理中的应用2.1 水体污染的现状2.2 微生物降解技术的应用2.3 水体修复中的植物技术2.4 生物膜技术在废水处理中的应用第三章：生物技术在土壤污染治理中的应用3.1 土壤污染的类型和危害3.2 植物修复技术在土壤污染治理中的应用3.3 微生物修复技术的应用3.4 生物提取技术在土壤污染治理中的应用第四章：生物技术在大气污染治理中的应用4.1 大气污染的类型和影响4.2 生物技术在大气污染控制中的应用4.3 植物技术在大气污染治理中的应用4.4 微生物技术在大气污染治理中的应用第五章：生物技术在固体废物污染治理中的应用5.1 固体废物污染的现状和危害5.2 微生物技术在固体废物处理中的应用5.3 植物技术在固体废物治理中的应用5.4 生物修复技术在固体废物污染治理中的应用第六章：生物技术在噪声污染治理中的应用6.1 噪声污染的危害6.2 生物降噪技术的应用6.3 植物降噪技术的应用6.4 微生物修复技术在噪声污染治理中的应用第七章：生物技术在有机污染治理中的应用7.1 有机污染物的类型和影响7.2 微生物降解技术的应用7.3 植物技术在有机污染治理中的应用7.4 生物吸附技术在有机污染治理中的应用第八章：生物技术在重金属污染治理中的应用8.1 重金属污染的危害8.2 微生物修复技术在重金属污染治理中的应用8.3 植物修复技术在重金属污染治理中的应用8.4 生物浸取技术在重金属污染治理中的应用第九章：生物技术在放射性污染治理中的应用9.1 放射性污染的危害9.2 微生物修复技术在放射性污染治理中的应用9.3 植物修复技术在放射性污染治理中的应用9.4 生物吸附技术在放射性污染治理中的应用第十章：生物技术在新兴污染治理中的应用10.1 新兴污染物的特点和危害10.2 生物传感技术的应用10.3 生物降解技术在新兴污染物治理中的应用10.4 生物吸附技术在新兴污染物治理中的应用第十一章：总结与展望本章对生物技术在环境污染治理中的应用进行总结，并展望其未来发展方向和潜力。
《环境生物学》 第七章
结论： （1）生化呼吸线位于内源呼吸线之上，表明该有机物或废水可被微生物 氧化分解。两条呼吸线之间的距离越大，有机物或废水的生物降解性越好； 反之亦然（图7-1A）。 （2）生化呼吸线与内源呼吸线基本重合，表明该有机物不能被活性污泥 微生物氧化分解，但对微生物的生命活动无抑制作用（图7-1B）。 （3）生化呼吸线位于内源呼吸线之下，说明该有机物不能被微生物分解， 且对微生物生长产生了有害抑制作用，生化呼吸线越接近横坐标，抑制作 用越大（图7-1C）。 3、测定相对耗氧速率曲线
第七章 生物净化和治理的传 统方法
[本章要点]
本章介绍了环境生物技术的定义、研究 内容和在环境领域中的应用，阐述了微生物 处理污染物的特点、原理、影响因素和传统 微生物处理法的工作原理和方法。
环境生物技术（environmental biotechnology）诞生的背景：
由于人们的生产，生活活动对环境造成了各种各样的污染，人类 的生存和发展面临着严峻的挑战，迫使人类必须发动一场“环境革命” 来拯救自身，环境生物技术因此而诞生并日益受到重视，人们把生物 技术开发和应用的注意力转向环境保护。
6.废物强化处理技术研究
7.环境的生物监控技术研究
四个热门方向：
基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中，如何解决其遗传 稳定性、功能高效性和生态安全性等方面问题
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、 生物农药、生物肥料以及利用废物生产生物能源，例如甲烷、氢气、乙醇 等
耗氧速率就是单位生物量在单位时间内的耗氧量，生物量可用活性污
【环境生物学】第7章 现代生物技术与环境污染治理
第七章现代生物技术与环境污染治理P305第一节环境生物技术概况一、生物技术的含义二、生物技术的产生和发展三、现代生物技术的应用与前景一、生物技术的含义1.1 对科学和技术的理解1.2 生物学与生物技术1.3 生物技术的主要内容1.1 对科学和技术的理解科学与技术及工程的关系人类在实践中发现的客观规律称之为“科学”。
当人们运用这些规律去创造出成果时需要经过三个转化过程。
第一个转化是应用规律去发明一些称之为“技术”的方法和手段（如工具、设备）；第二个转化是运用技术去设计出要求的工作目标，被称为“工程”；第三个转化是按照设计好的目标去实施之，创造出物质化成果。
•科学最早由哲学家提出科学最早由哲学家提出：：进行研究——得出规律——成为科学成为科学，，科学用于解决实际问题就是技术实际问题就是技术。
我国著名砖建李国豪院士有一个很好的比喻的比喻，，他说“科学是树根科学是树根，，技术是树干和大的树枝和大的树枝，，众多的树叶就是工程。
”1.2 生物学与生物技术生物学：是研究生物各个层次的种类、结构、发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的学科。
人也是生物学研究的对象现代生物技术：以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物或加工生物原料，为人类生产所需产品或达到某种目的，即现代生物工程技术。
标志：1953年，Watson & Crick 发现了DNA的双螺旋结构，及其后来DNA重组技术的的发展。
现代生物技术特征1）生物技术的多学科性和综合性微生物、、动植物作为生物催化剂动植物作为生物催化剂，，有别于化学催化2）微生物剂3）最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过（Bioprocess）。
即生物反应过程（程，即生物反应过程生物技术的上生物技术的上、、中、下游过程(next)上游过程：反应前的加工反应前的加工，，最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂；即应用常规选育选育、、基因工程基因工程、、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株良菌株、、细胞系或固定化的菌体等中游过程：生物反应器为中心下游过程：反应后的工序反应后的工序，，从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品传统生物工程与现代生物工程的区别 传统生物工程：利用现有的生物类型或生物机能为人类服务现代生物工程：按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能。
第七章现代生物技术与环境污染治理资料PPT课件
2
第一节 现代生物技术的概述
3
7.1.1、现代生物技术概述
一、生物技术
生物技术（Biotechnology）是指利用生物有机体或组成部分 发展新产品或新工艺的一种技术体系。
基因工程：核酸的分离、提取、体外剪切、拼接重组 以及扩增与表达等技术。
生
细胞工程：细胞的离体培养、繁殖、再生、融合，细
物
胞核、质、器的移植改建。
➢要有适当的启动子保证目的基因的正确转录。
➢基因的蛋白产物有时还需要经过修饰和加工才能成为
有活性的功能蛋白。
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7.2.3基因工程在环境生物处理中的应用
应用基因工程菌处理污染物的主要优势：
➢集中与创造与目的基因，提供综合性代谢新污染的通 路和杂种细胞。
➢提高代谢通路结构基因的表达，针对新的污染物，改 变表达的调节方式。
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三、目的基因的分离
1、从基因组直接分离目的基因
➢常用鸟枪法，用限制酶将某种生物的DNA切成片段并 分别加入载体，对受体细胞进行转化，让外源DNA所有 的片段都在宿主细胞中大量扩增，在筛选出有目的基因 的转化细胞。该法有一定的盲目性，工作量大。
2、酶促合成法
➢将真核细胞基因转录的全部RNA提取出来，在体外经 反转录酶的作用，生成与mRNA互补的DNA，即cDNA， 生物技术与环境污染 治理
现代生物技术概况
基因工程与环境污染治理
细胞工程与环境污染治理
酶学工程与环境污染治理
发酵工程与环境污染治理
生态工程与污水处理系统
1
整体概述
概况一
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概况二
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获取目的基因方法：1.从基因中获取目的基因。 2.利用PCR技术合成DNA 3. mRNA差异显示法获得目的基因 （反转录）
第一个基因工程药物：
1977年11月美国人工方法化学合成了人生长激素释放抑制素基因，具有工程
菌的功能。将其置于微生物发酵罐里，繁殖，其代谢产物含有人生长激素释
放抑制素.
（1B干扰素）
第一株转基因植物：1982年美国和比利时的学者，分 别把细菌中抗碘那霉素基因转入向日葵，烟草和胡萝 卜的细胞中，使这些植物的抗药性提高八倍多。
限制酶的识别特点
• 以中轴线双侧的DNA上碱基呈反向对称，重复排 列
• 如：GAA TTC CTT AAG
CCC GGG GGG CCC
黏性未端和平末端
(2)DNA连接酶
• ①连接的部位：磷酸和脱氧核糖之间的键：磷酸二酯键（梯子的 扶手）
• ②结果：两个相同的未端的连接。 • ③举例：E·coli DNA连接酶
（1）基因工程（重组DNA技术) （2）细胞工程 （3）发酵工程 （4）酶工程 （5）蛋白质工程 （6）生态工程技术
（1）基因工程（又叫做基因拼接技术或DNA重组技术)
用人工方法把不同生物的基因分离出来，在体外进行剪切， 拼接，重组在一起，然后把重组体放回宿主细胞内繁殖，最终获 得基因产物。即用人工的手段改造生物的遗传性状，获得基因产 物。
抗体主要由B淋巴细胞合成。每个B淋巴细胞有合成一种抗体的遗传基因。动物脾脏有上百万种不同的B淋巴细 胞系，含遗传基因不同的B淋巴细胞合成不同的抗体。当机体受抗原刺激时，抗原分子上的许多决定簇分别激 活各个具有不同基因的B细胞。被激活的B细胞分裂增殖形成该细胞的子孙，即克隆由许多个被激活B细胞的分 裂增殖形成多克隆，并合成多种抗体。如果能选出一个制造一种专一抗体的细胞进行培养，就可得到由单细胞 经分裂增殖而形成细胞群，即单克隆。单克隆细胞将合成一种决定簇的抗体，称为单克隆抗体。 基本原理 其原理是: B淋巴细胞能够产生抗体， 但在体外不能进行无限分裂; 而瘤细胞虽然可以在体外进行无限传代， 但不能产生抗体。将这两种细胞融合后得到的杂交瘤细胞具有两种亲本细胞的特性。
基本步骤： 目的基因的分离——基因重组——转化——筛
选和检测——目的基因的表达——功能验证
基因操作的工具
➢基因的剪刀（分子手术刀）——限制性核酸内切酶（限 制酶）
➢基因的针线（分子缝合针）——DNA连接酶 ➢基因的运输工具（分子运输车） ——运载体
(1)限制酶
• ①分布：主要在原核生物中 • ②作用特点:专一性，识别特定核苷酸序列，切割特定切点。 • ③结果：产生黏性未端和平末端 • ④举例：EcoR1限制酶、Sma1限制酶
理
动酵些植工无生物程机物的、化体优蛋学—良白品—品质；传种工无统等程酶
现代生物技术以20世纪70年代末发展起来的，以现代生 物学研究成果为基础，以基因工程技术为核心的一系列技术。
以70年代DNA重组技术的建立为标志
•二十世纪五十年代，DNA双螺旋结构学说发现
基因是带有遗传效应的DNA片段
基因工程-重组DNA技术：
利用人工手段去改造生物的遗传性状，按照人们的预想重新设计生命的过程，人工创造新生物并 给予生物以新功能的过程
单克隆抗体技术：
1975年，英国科学家米尔斯坦利用细胞融合技术将一个B型淋巴细胞，和一个骨髓瘤细胞融合在 一起形成一个杂交瘤细胞，获得既能产生抗体， 又能无限增殖的杂种细胞，并以此生产抗体的 抗体叫做单克隆抗体
人类基因组计划：1990年开始启动，计划15年内完成人类全部基因组30亿 个碱基对的排列顺序的测定和图谱分析。即把人体内十万个基因所在的位置 确定下来，把基因分离出来，研究其功能，认识基因和疾病的关系。2005年 完成
一般把找到的基因称为靶基因。基因治疗就是对相关的基因进行抑制或 调整。所有的药物开发，是先在靶基因上实验的。因此有了基因，就可以制 造基因工程诊断试剂，基因工程治疗药物，甚至形成治疗这种疾病的药物产 业。
T4 DNA连接酶
(3)运载体
①作用：将外源基因送入受体细胞。 ②具备的条件：
能在宿主细胞内复制并稳定地保存 具有多个限制酶切点 具有某些标记基因 对受体细胞无害
③举例：质粒、噬菌体 和动植物病毒
工具酶
限制性内切酶、 连接酶、核酸聚合 酶、逆转录酶、核 酸酶
载体
如质粒、噬菌体、 病毒。能自我复制； 有可选择的，便于 筛选、鉴定的遗传 标记；有供外源 DNA插入的位点； 本身体积小
•二十世纪七十年代，重组DNA技术，单克隆抗体 技术，第一个基因工程药物脱颖而出
•二十世纪八十年代，第一株转基因植物，第一例 转基因动物横空出世
•二十世纪九十年代，克隆动物和人类基因组计划
1953年，美国生物学家，沃森，英国物理学家，克里克，发现 了DNA由两条螺旋多核苷酸链组成。为人类揭开生命的秘密奠 定了基础。
第一例转基因动物：1980年美国华盛顿大学和宾西法 尼亚大学的学者，把大鼠的生长激素基因与小鼠的一 段基因拼接在一起组成一个重组体，把这个重组体注 射到小鼠的受精卵里，再把受精卵移植到借腹怀胎的 雌鼠体内，生下的小鼠其生长速度比普通小鼠的平均 生长速度快50%。
克隆动物技术：
1997年2月27日，《自然》杂志报道了一项震惊世界的科学 创举，英国胚胎学家维尔穆特博士领导的研究小组，应用克 隆技术，成功地复制了一头雌性芬兰塞特绵羊多莉。证明一 个已经完全分化成熟的体细胞，还能像胚胎细胞一样，其细 胞所具有的遗传信息也能指导产生新的个体。2003年2月14日 死亡
第七章 现代生物技术与环境污染治理
生物技术（Biotechnology）
也称生物工程（Bioengineering）
以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他 基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物 原料，发展新产品或达到某种目的的一种技术体系。
目的——包产基括生品因疾物—工病原—程的料医、预—药细防—，胞、淀食工诊粉品程断，，、和糖化酶治蜜工疗，，程、纤能、环维源发境素，污等金染有属的机产检物品测；和和一各治种