第十二章微生物學(xué)新技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用

1、第十二章 微生物學(xué)新技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用 微生物學(xué)新技術(shù)微生物學(xué)新技術(shù) 包括包括：遺傳誘變育種、基因工程、：遺傳誘變育種、基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、微生物制劑、發(fā)酵工程、酶工程、微生物制劑、生物表面活性劑等。生物表面活性劑等。12-1 固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用 一、酶制劑劑型一、酶制劑劑型 1 1、干燥粗酶制劑、干燥粗酶制劑 將用麩曲或深層發(fā)酵的培養(yǎng)液將用麩曲或深層發(fā)酵的培養(yǎng)液除菌除菌( (或不除菌或不除菌) )后，與后，與淀粉等惰性填料淀粉等惰性填料混合、干燥混合、干燥制成制成粗酶粗酶。2 2、稀液體酶制劑、稀液體酶制劑 將培養(yǎng)液過(guò)濾除將培養(yǎng)液過(guò)濾除去去菌體等菌體等雜質(zhì)雜

2、質(zhì)后，直接后，直接加穩(wěn)定劑加穩(wěn)定劑( (甘油、甘油、乙醇、氯化鈉等的復(fù)合物乙醇、氯化鈉等的復(fù)合物) )和防腐劑和防腐劑作為作為商品商品出售。出售。 3 3、濃液體酶制劑、濃液體酶制劑 將培養(yǎng)液除將培養(yǎng)液除去去菌體等菌體等雜質(zhì)雜質(zhì)、濃縮濃縮后再后再加穩(wěn)定劑和防腐加穩(wěn)定劑和防腐劑劑制成制成商品商品。4 4、干燥粉狀酶制劑、干燥粉狀酶制劑我國(guó)多數(shù)生產(chǎn)此種酶制劑，其制備工藝為：我國(guó)多數(shù)生產(chǎn)此種酶制劑，其制備工藝為：過(guò)濾培養(yǎng)液去菌體過(guò)濾培養(yǎng)液去菌體濃縮濃縮噴霧干燥噴霧干燥研磨研磨加穩(wěn)定加穩(wěn)定劑、惰性填料劑、惰性填料成商品成商品過(guò)濾培養(yǎng)液去菌體過(guò)濾培養(yǎng)液去菌體硫酸銨鹽析或乙醇沉淀硫酸銨鹽析或乙醇沉淀干燥干

3、燥研磨研磨加穩(wěn)定劑、惰性填料加穩(wěn)定劑、惰性填料成商品成商品5 5、結(jié)晶酶、結(jié)晶酶6 6、固定化酶固定化酶 將酶和酶菌體固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，將酶和酶菌體固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，可較長(zhǎng)時(shí)間使用。可較長(zhǎng)時(shí)間使用。 二、酶的提取二、酶的提取 1 1、預(yù)處理、預(yù)處理不同的酶有不同的預(yù)處理方法：不同的酶有不同的預(yù)處理方法：胞外酶存在培養(yǎng)液中，只需將菌體過(guò)濾或離心除去，所胞外酶存在培養(yǎng)液中，只需將菌體過(guò)濾或離心除去，所得的清液即為粗酶液。如果是固態(tài)發(fā)酵麩曲，用水或緩沖得的清液即為粗酶液。如果是固態(tài)發(fā)酵麩曲，用水或緩沖液浸泡，再離心或過(guò)濾去菌體及雜物后所得清液即為粗酶液浸泡，再離心

4、或過(guò)濾去菌體及雜物后所得清液即為粗酶液。粗酶液再經(jīng)提純即為酶精制品。液。粗酶液再經(jīng)提純即為酶精制品。對(duì)胞內(nèi)酶則要破碎細(xì)胞壁和質(zhì)膜，制成無(wú)細(xì)胞提取液再對(duì)胞內(nèi)酶則要破碎細(xì)胞壁和質(zhì)膜，制成無(wú)細(xì)胞提取液再提純。提純。 細(xì)胞破碎方法有：干燥法細(xì)胞破碎方法有：干燥法( (空氣干燥、真空冷凍干燥、溶空氣干燥、真空冷凍干燥、溶劑脫水干燥劑脫水干燥) )、機(jī)械法、機(jī)械法( (研磨法、機(jī)械搗碎研磨法、機(jī)械搗碎) )、超聲波破碎、超聲波破碎、反復(fù)冷凍法、自溶法、溶菌酶法。反復(fù)冷凍法、自溶法、溶菌酶法。 2 2、酶的提取、酶的提取 (1)(1)水溶液提取法：用稀的鹽溶液、緩沖液或水提水溶液提取法：用稀的鹽溶液、緩沖液

5、或水提取。取。 (2)(2) 表面活性劑提取法表面活性劑提取法 表面活性劑有：天然的膽酸鹽、磷脂，合成的十表面活性劑有：天然的膽酸鹽、磷脂，合成的十二烷基硫二烷基硫( (磺磺) )酸鈉酸鈉(SDS,(SDS,陰離子型陰離子型) )、二乙氨基十六烷、二乙氨基十六烷基溴基溴( (陽(yáng)離子型陽(yáng)離子型) )、非離子型的有吐溫、非離子型的有吐溫(Tween)(Tween)及三通及三通X(triton-X)X(triton-X)。 (3) (3) 丁醇提取法丁醇提取法 三、酶的純化三、酶的純化 1 1、濃縮、濃縮 2 2、去雜質(zhì)、去雜質(zhì)3 3、純化、純化4 4、結(jié)晶、結(jié)晶pHpH沉淀法、利用蛋白質(zhì)熱變性的溫

6、度差異、蛋白沉淀劑法。沉淀法、利用蛋白質(zhì)熱變性的溫度差異、蛋白沉淀劑法。 鹽析法；有機(jī)溶劑沉淀法；層析法：吸附層析法、離子鹽析法；有機(jī)溶劑沉淀法；層析法：吸附層析法、離子交換層析法、分子篩過(guò)濾層析交換層析法、分子篩過(guò)濾層析( (凝膠過(guò)濾層析凝膠過(guò)濾層析) )法、等電點(diǎn)法、等電點(diǎn)沉淀法。沉淀法。 當(dāng)酶達(dá)到一定純度后，在適當(dāng)?shù)臏囟?、?dāng)酶達(dá)到一定純度后，在適當(dāng)?shù)臏囟?、pHpH條件下，逐漸條件下，逐漸加入硫酸銨溶液中，酶可慢慢析出結(jié)晶，也可加入某些有加入硫酸銨溶液中，酶可慢慢析出結(jié)晶，也可加入某些有機(jī)溶劑析出結(jié)晶。機(jī)溶劑析出結(jié)晶。 葡萄糖凝膠分子篩濃縮法、聚乙二醇葡萄糖凝膠分子篩濃縮法、聚乙二醇(PE

7、G)(PEG)濃縮法、濃縮法、超濾膜濃縮法、冰凍法、鹽析或乙醇沉淀后分離。超濾膜濃縮法、冰凍法、鹽析或乙醇沉淀后分離。四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法 ( (一一) ) 固定化酶與固定化微生物固定化酶與固定化微生物 1 1、固定化酶、固定化酶 從篩選、培育獲得的優(yōu)良菌種體中提取活性極高的酶，再用包埋法從篩選、培育獲得的優(yōu)良菌種體中提取活性極高的酶，再用包埋法( (或或交聯(lián)法、載體結(jié)合法、逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng)交聯(lián)法、載體結(jié)合法、逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng)) )等方法將酶固定在載體上，制等方法將酶固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，即。成不溶于水的固態(tài)酶，即。2 2、

8、固定化微生物、固定化微生物 利用與固定化酶相同的方法將酶活力強(qiáng)的微生物體固定在載體上，即利用與固定化酶相同的方法將酶活力強(qiáng)的微生物體固定在載體上，即成。分死細(xì)胞固定化和生長(zhǎng)細(xì)胞固定化成。分死細(xì)胞固定化和生長(zhǎng)細(xì)胞固定化2 2種。種。 微生物本身是多酶體系的固定化載體，將整個(gè)細(xì)胞固定化更有利于保微生物本身是多酶體系的固定化載體，將整個(gè)細(xì)胞固定化更有利于保持其原有活性，甚至可提高活性。持其原有活性，甚至可提高活性。3 3、固定化酶與固定化微生物的特性、固定化酶與固定化微生物的特性 固定化酶與固定化微生物普遍比未固定化的微生物性能好，穩(wěn)定、降固定化酶與固定化微生物普遍比未固定化的微生物性能好，穩(wěn)定、降

9、解有機(jī)物能力強(qiáng)、耐毒、抗雜菌，耐沖擊負(fù)荷。解有機(jī)物能力強(qiáng)、耐毒、抗雜菌，耐沖擊負(fù)荷。 ( (二二) ) 固定化酶與固定化微生物的固定方法固定化酶與固定化微生物的固定方法 固定化方法有載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法和逆膠束固定化方法有載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法和逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng)。酶反應(yīng)系統(tǒng)。 1 1、載體結(jié)合法、載體結(jié)合法 以共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合和物理吸附等將酶固定在非水以共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合和物理吸附等將酶固定在非水溶性載體上。載體有葡聚糖、活性炭、膠原、瓊脂糖、溶性載體上。載體有葡聚糖、活性炭、膠原、瓊脂糖、多孔玻璃珠、高嶺土、硅膠、氧化鋁、羧甲基纖維素等。多孔玻璃珠、高嶺土、硅膠、氧化鋁、羧甲基纖

10、維素等。2 2、交聯(lián)法、交聯(lián)法 將酶與有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑反應(yīng)形成共價(jià)將酶與有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑反應(yīng)形成共價(jià)鍵的固定方法。交聯(lián)劑有：戊二醛、雙重氮聯(lián)苯胺和六鍵的固定方法。交聯(lián)劑有：戊二醛、雙重氮聯(lián)苯胺和六甲撐二異氰酸酯。甲撐二異氰酸酯。 3 3、包埋法、包埋法 將酶包埋在凝膠微小格子將酶包埋在凝膠微小格子( (格子型格子型) )中，或?qū)⒚赴谥?，或?qū)⒚赴诎胪感缘木酆衔锬?nèi)半透性的聚合物膜內(nèi)( (微型膠囊型微型膠囊型) )的固定方法。格子型的的固定方法。格子型的包埋材料：聚丙烯酰胺包埋材料：聚丙烯酰胺(PACAM)(PACAM)凝膠、聚乙烯醇凝膠、聚乙烯醇(PVA)(PVA

11、)、瓊、瓊脂、硅膠等。微膠囊型的包埋材料：尼龍、乙基纖維素和脂、硅膠等。微膠囊型的包埋材料：尼龍、乙基纖維素和硝酸纖維素。硝酸纖維素。4 4、逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng)、逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng) 表面活性劑的兩性分子在有機(jī)溶劑中自發(fā)形成聚集體，表面活性劑的兩性分子在有機(jī)溶劑中自發(fā)形成聚集體，其親水性一端連接成逆膠束的極性核，水分子插入核中，其親水性一端連接成逆膠束的極性核，水分子插入核中，其疏水性的一端進(jìn)入主體有機(jī)溶劑中，酶分子溶于逆膠束其疏水性的一端進(jìn)入主體有機(jī)溶劑中，酶分子溶于逆膠束中，組成。中，組成。 五、固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用五、固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用 1 1、污染物

12、處理、污染物處理 應(yīng)用固定化酶或固定化細(xì)胞可以組成快速、高效、連續(xù)運(yùn)行的污應(yīng)用固定化酶或固定化細(xì)胞可以組成快速、高效、連續(xù)運(yùn)行的污水處理系統(tǒng)。日本將水處理系統(tǒng)。日本將淀粉酶固定后用于處理淀粉廢水和造紙廢淀粉酶固定后用于處理淀粉廢水和造紙廢水，效果較好。美國(guó)有人將多酚氧化酶固定后用于含酚廢水處理，水，效果較好。美國(guó)有人將多酚氧化酶固定后用于含酚廢水處理，效果顯著。德國(guó)將效果顯著。德國(guó)將9 9種降解對(duì)硫磷農(nóng)藥的酶固定到多孔玻璃珠及硅膠種降解對(duì)硫磷農(nóng)藥的酶固定到多孔玻璃珠及硅膠珠上，再制成酶柱處理對(duì)硫磷廢水，獲得珠上，再制成酶柱處理對(duì)硫磷廢水，獲得9595以上的去除效果，連以上的去除效果，連續(xù)運(yùn)行續(xù)

13、運(yùn)行2 2個(gè)多月酶活性基本不變。有人將白腐菌固定在海藻酸鈣上對(duì)個(gè)多月酶活性基本不變。有人將白腐菌固定在海藻酸鈣上對(duì)造紙黑液進(jìn)行處理，脫色率高達(dá)造紙黑液進(jìn)行處理，脫色率高達(dá)8080以上。以上。2 2、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè) 根據(jù)固定化酶用于化學(xué)分析方面的相同原理，固定化酶也可用于根據(jù)固定化酶用于化學(xué)分析方面的相同原理，固定化酶也可用于測(cè)定有毒物質(zhì)的含量，對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如固定化多酚氧化酶可用測(cè)定有毒物質(zhì)的含量，對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如固定化多酚氧化酶可用來(lái)測(cè)定水中的酚類物質(zhì)。固定化酶可用于檢測(cè)有機(jī)磷、有機(jī)氯農(nóng)藥、來(lái)測(cè)定水中的酚類物質(zhì)。固定化酶可用于檢測(cè)有機(jī)磷、有機(jī)氯農(nóng)藥、過(guò)氯酸鹽、氰化物和尿素等。過(guò)氯酸鹽

14、、氰化物和尿素等。 12-2微生物細(xì)胞外多聚物的開發(fā)與應(yīng)用 微生物的微生物的胞外多聚物胞外多聚物(ECP)(ECP)是微生物在一定是微生物在一定環(huán)境條件下，在其代謝過(guò)程中分泌的、包圍在環(huán)境條件下，在其代謝過(guò)程中分泌的、包圍在微生物細(xì)胞壁外的多聚化合物。微生物細(xì)胞壁外的多聚化合物。 這些多聚物經(jīng)分析得知其成分為脂、脂肽、這些多聚物經(jīng)分析得知其成分為脂、脂肽、多糖脂、中性類脂衍生物等。多糖脂、中性類脂衍生物等。包括莢膜、粘液層及其它表面物質(zhì)。包括莢膜、粘液層及其它表面物質(zhì)。 微生物細(xì)胞外物質(zhì)可作微生物細(xì)胞外物質(zhì)可作表面活性劑、絮凝劑或助凝表面活性劑、絮凝劑或助凝劑、沉淀劑。劑、沉淀劑。 一、生物表

15、面活性劑一、生物表面活性劑 1 1、表面活性劑是由親水基和疏水基兩部分組、表面活性劑是由親水基和疏水基兩部分組成的，具有成的，具有影響影響不相容界面不相容界面特性特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。2 2、生物表面活性劑、生物表面活性劑(biosurfactant)(biosurfactant) 是生物在一定生長(zhǎng)條件下，在其代謝過(guò)是生物在一定生長(zhǎng)條件下，在其代謝過(guò)程中分泌產(chǎn)生的一些具有一定程中分泌產(chǎn)生的一些具有一定表面表面/ /界面界面活性活性的代謝產(chǎn)物。的代謝產(chǎn)物。 3 3、分類、分類 生物表面活性劑按用途可廣義地分生物表面活性劑按用途可廣義地分為為生物表面活性劑生物表面活性劑和和生物乳化劑生物乳化劑(bi

16、oemulsifier)(bioemulsifier)。 前者是一些前者是一些低分子量低分子量的小分子，能的小分子，能顯顯著改變著改變表面表面/ /界面張力。界面張力。 后者是一些后者是一些生物大分子生物大分子，并不能顯著降并不能顯著降低低表面表面/ /界面張力，但對(duì)油界面張力，但對(duì)油/ /水界面表現(xiàn)出水界面表現(xiàn)出很強(qiáng)的親和力。因而可使乳狀液得以穩(wěn)定。很強(qiáng)的親和力。因而可使乳狀液得以穩(wěn)定。 (1)(1)利用生物表面活性劑對(duì)油類的乳化作用，可將生物利用生物表面活性劑對(duì)油類的乳化作用，可將生物表面活性劑用于表面活性劑用于海上原油泄漏海上原油泄漏的生物降解與海岸石油的生物降解與海岸石油污染的生物補(bǔ)救

17、。污染的生物補(bǔ)救。4 4、生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應(yīng)用、生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應(yīng)用(2)(2)生物表面活性劑對(duì)有毒有機(jī)化合物具有生物表面活性劑對(duì)有毒有機(jī)化合物具有增溶作用增溶作用，可用于土壤，可用于土壤環(huán)境污染的生物修復(fù)。環(huán)境污染的生物修復(fù)。 BacilluBacillus s菌產(chǎn)生的一種生物表面活性劑能穩(wěn)定地乳化殺蟲劑肟菌產(chǎn)生的一種生物表面活性劑能穩(wěn)定地乳化殺蟲劑肟( w )( w ) 硫 磷 及 其 他 不 能 與 水 混 溶 的 液 態(tài) 有 機(jī) 磷 殺 蟲 劑 。硫 磷 及 其 他 不 能 與 水 混 溶 的 液 態(tài) 有 機(jī) 磷 殺 蟲 劑 。Pseudomonas cepac

18、iaPseudomonas cepacia能產(chǎn)生一種降解除草劑能產(chǎn)生一種降解除草劑2,4,5,-2,4,5,-三氯苯氧基三氯苯氧基乙酸的生物表面活性劑。乙酸的生物表面活性劑。(3)(3)另外，另外，MulliganMulligan和和coopercooper認(rèn)為生物表面活性劑能用于認(rèn)為生物表面活性劑能用于泥漿脫泥漿脫水水。在采礦業(yè)和造紙業(yè)中，采用某些生物表面活性劑可穩(wěn)定礦物。在采礦業(yè)和造紙業(yè)中，采用某些生物表面活性劑可穩(wěn)定礦物的水懸浮液，以避免礦物的絮凝。國(guó)內(nèi)有報(bào)道采用表面活性劑回的水懸浮液，以避免礦物的絮凝。國(guó)內(nèi)有報(bào)道采用表面活性劑回收煉油廠廢白土中的蠟和油，回收率可達(dá)收煉油廠廢白土中的蠟和

19、油，回收率可達(dá)9393和和9595。 生物表面活性劑還可用于石油及能源工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域、食品工生物表面活性劑還可用于石油及能源工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域、食品工業(yè)、化妝品工業(yè)等。業(yè)、化妝品工業(yè)等。二、微生物絮凝劑二、微生物絮凝劑 1 1、微生物絮凝劑：是利用生物技術(shù)，從微、微生物絮凝劑：是利用生物技術(shù)，從微生物體內(nèi)或分泌物中分離提取的一種安全、生物體內(nèi)或分泌物中分離提取的一種安全、高效且能自然降解的新型水處理劑。高效且能自然降解的新型水處理劑。 它是由一類微生物產(chǎn)生的，可使液體中它是由一類微生物產(chǎn)生的，可使液體中不易沉降的固體懸浮顆粒、固體細(xì)胞及膠體不易沉降的固體懸浮顆粒、固體細(xì)胞及膠體顆粒等凝聚、沉淀的特

20、殊高分子代謝產(chǎn)物顆粒等凝聚、沉淀的特殊高分子代謝產(chǎn)物( (次生代謝產(chǎn)物次生代謝產(chǎn)物) )。 2 2、微生物絮凝劑的主要成分是高分子、微生物絮凝劑的主要成分是高分子有機(jī)物，包括糖蛋白、粘多糖、纖維素有機(jī)物，包括糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等。其分子量多在和核酸等。其分子量多在10105 5以上。以上。 3 3、微生物絮凝劑的獨(dú)特性質(zhì)和特點(diǎn)、微生物絮凝劑的獨(dú)特性質(zhì)和特點(diǎn)易于固液分離，沉淀物生成量少；易于固液分離，沉淀物生成量少；無(wú)毒無(wú)害、安全性高，易被微生物降解；無(wú)毒無(wú)害、安全性高，易被微生物降解；具有脫色和除濁性能；具有脫色和除濁性能；無(wú)二次污染；無(wú)二次污染；適用范圍廣；適用范圍廣；有的生物絮凝

21、劑具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、用量小、有的生物絮凝劑具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、用量小、不受不受pHpH條件影響等。條件影響等。 4 4、微生物絮凝劑的應(yīng)用、微生物絮凝劑的應(yīng)用 (1)(1)廢水懸浮物的處理廢水懸浮物的處理 (2)(2)廢水脫色處理廢水脫色處理 (3)(3)乳濁液的油水分離乳濁液的油水分離 (4)(4)污泥處理污泥處理 (5)(5)畜產(chǎn)廢水處理畜產(chǎn)廢水處理 (6) (6) 微生物絮凝劑在其它領(lǐng)域的應(yīng)用微生物絮凝劑在其它領(lǐng)域的應(yīng)用 三、生物吸附劑三、生物吸附劑 生物吸附是微生物菌體對(duì)重金屬的吸附作用，包生物吸附是微生物菌體對(duì)重金屬的吸附作用，包括細(xì)胞的不同部位對(duì)重金屬的絡(luò)合、螯合、離子交換、括細(xì)胞的不同部位對(duì)重金屬的絡(luò)合、螯合、離子交換、轉(zhuǎn)化、吸收和無(wú)機(jī)微沉淀等。轉(zhuǎn)化、吸收和無(wú)機(jī)微沉淀等。 生物吸附劑主要分生物吸附劑主要分3 3類，即細(xì)菌、真菌和藻類。另類，即細(xì)菌、真菌和藻類。另外，殼聚糖也是一類重要的生物吸附劑。外，殼聚糖也是一類重要的生物吸附劑。 能夠吸附重金屬及其它污染物質(zhì)的生物來(lái)源材料能夠吸附重金屬及其它污染物質(zhì)的生物來(lái)源材料稱生物吸附劑。稱生物吸附劑。12-3 優(yōu)勢(shì)菌種與生物制劑的開發(fā)與