生物強(qiáng)化處理

1、關(guān)于生物強(qiáng)化處理第一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、生物強(qiáng)化技術(shù)產(chǎn)生背景兩個(gè)基本概念Bioaugmentation：生物強(qiáng)化，生物增強(qiáng)，投菌法Bioremediation：生物修復(fù)，生物整治產(chǎn)生背景 二十世紀(jì)七十年代中期 Superbugs rescue waste plant. (Anon, 1977, Chemical Week) 對(duì)采用生物強(qiáng)化技術(shù)存在的爭(zhēng)議普遍存在適者生存第二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Bioremediation and BioaugmentationBioremediation will be defined as the use of

2、selected microorganisms to accomplish a biological cleanup of a specified contaminated area, such as soil or water. Bioaugmentation will be defined as the application of selected microorganisms to enhance the microbial populations of an operating waste treatment facility to improve water quality or

3、lower operating costs. In other words, bioremediation deals with a finite project or area, while bioaugmentation involves working to improve a continuous process.第三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、生物強(qiáng)化技術(shù)的作用機(jī)理及特點(diǎn)作用機(jī)理直接作用共代謝作用基因水平轉(zhuǎn)移作用應(yīng)用特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單，因地制宜，應(yīng)用靈活針對(duì)性強(qiáng)，見效快缺點(diǎn) 系統(tǒng)中高效菌數(shù)量和活性不易控制第四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月共代謝就是對(duì)于一些

4、有毒有害物質(zhì)，微生物不能以其為碳源和能源生長(zhǎng)。但在其它基質(zhì)存在下能夠改變這種有害物的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其降解。如以甲烷、芳香烴、氨、異戊二烯和丙烯為主要基質(zhì)生長(zhǎng)的一些菌可以產(chǎn)生一種氧合酶，這種酶可以共代謝三氯乙烯(TCE)。 第五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物強(qiáng)化作用機(jī)理第六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月如何實(shí)現(xiàn)生物強(qiáng)化技術(shù)？.高效菌種的培育從自然界篩選構(gòu)建基因工程菌.高效菌種在投加系統(tǒng)內(nèi)的保持及活力表達(dá)原生動(dòng)物捕食，水力流失，有毒有害物質(zhì)抑制， DO，pH微生物檢測(cè)技術(shù).對(duì)目標(biāo)物的有效去除或?qū)δ撤矫嫘阅艿母纳频谄邚?，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、生物強(qiáng)化菌劑的

5、來(lái)源從自然界篩選構(gòu)建基因工程菌直接購(gòu)買商業(yè)菌劑第八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月從自然界篩選高效菌種的步驟 選擇環(huán)境（水或土壤）分離適應(yīng)性菌株選擇特殊降解性菌株選擇高效菌株接受突變劑進(jìn)一步篩選增強(qiáng)酶活性增強(qiáng)胞外酶分泌增強(qiáng)效應(yīng)因子分子作用降低阻礙分子作用發(fā)酵培養(yǎng)單一菌株第九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月?lián)u瓶培養(yǎng)發(fā)酵罐培養(yǎng)第十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月菌劑富集反應(yīng)器（ off-line enrich-reactor)富集反應(yīng)器典型活性污泥工藝出水剩余污泥有毒有害廢水富集基質(zhì)和誘導(dǎo)物第十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月獲得特定的目標(biāo)基因目標(biāo)基因片斷

6、載體（質(zhì)?；虿《荆┵|(zhì)粒DNA片斷重組DNA重組DNA進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)增并表達(dá)具目標(biāo)基因表達(dá)功能的重組體核酸內(nèi)切酶切割核酸內(nèi)切酶切割細(xì)胞外重組轉(zhuǎn)化（質(zhì)粒）、轉(zhuǎn)導(dǎo)或轉(zhuǎn)染（病毒）利用遺傳標(biāo)記篩選基因工程菌構(gòu)建過(guò)程第十二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Gene cloning and Expression using Plasmid pBR322第十三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月基因工程菌應(yīng)用實(shí)例Burkholderia cepacia G4，在芳香族化合物存在的條件下能夠共代謝三氯乙烯(TCE)，但降解中間產(chǎn)物會(huì)對(duì)該菌起毒害抑制作用。通過(guò)Tn5插入產(chǎn)生Burkholderia

7、 cepacia G4 5223-PR1，能夠從結(jié)構(gòu)上表達(dá)降解TCE的鄰甲苯單氧合酶，因此在沒有誘導(dǎo)物（如芳香族化合物）的情況下也可降解TCE（Winkler et al., 1995）。 第十四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月商業(yè)菌劑形態(tài)干化和液態(tài)組成自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼性菌選擇注意事項(xiàng) (1)在較低或較高溫度下生長(zhǎng)的能力; (2) 抵抗高濃度污染物的能力 (3)抗重金屬的能力 (4) 在較寬泛的環(huán)境和介質(zhì)中生存的能(5)產(chǎn)生生物表面活性劑，更利于與污染物接觸。第十五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用現(xiàn)狀高濃度有機(jī)廢水；有毒、有害難降解污染物的

8、治理；脫氮除磷；改善系統(tǒng)污泥特性，降低污泥產(chǎn)量；強(qiáng)化廢水中油脂的液化和降解江河湖泊等的水體修復(fù)地下水生物修復(fù)第十六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用實(shí)例第十七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Groundwater bioremediation第十八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Ground water bioremediation第十九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Plumber best friendBioOne第二十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月A Daphnia speciesActual size -

9、 2mm. Before bioaugmentationAfter bioaugmentation第二十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)提高對(duì)目標(biāo)去除物的去除效果改善污泥性能，減少污泥產(chǎn)生加快系統(tǒng)啟動(dòng)，增強(qiáng)耐負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性第二十二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)目標(biāo)去除物的去除效果提高Selvaratnam 等人篩選到一株苯酚的高效降解菌，Pseudomonas putida ATCC 11172，將這種菌投加到SBR反應(yīng)器中，這種菌在40天內(nèi)對(duì)苯酚的降解率始終維持在95%-100%，而那些沒有接種高效菌種的反應(yīng)器，苯酚

10、的去除率由初始100%降低到40%。Chin在附著生長(zhǎng)生物床加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢(shì)菌，在HRT為1.9小時(shí)時(shí)，生物增強(qiáng)系統(tǒng)可去除10mg/l 的BTX，而非強(qiáng)化系統(tǒng)去除僅為3.2mg/l。第二十三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月改善污泥性能，減少污泥產(chǎn)生生物增強(qiáng)作用不僅可以有效消除污泥膨脹，增強(qiáng)污泥沉降性能，而且大大減少了污泥的產(chǎn)生，一般可使污泥容積降低17%到30%。Chamber研究生物增強(qiáng)技術(shù)在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝三種不同系統(tǒng)中的應(yīng)用。在延時(shí)曝氣系統(tǒng)中，接種生物增強(qiáng)劑三周后就成功地消除了污泥膨脹，而在氧化溝中四周后污泥膨脹消除。 第二十四張，PPT共四

11、十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月加快系統(tǒng)啟動(dòng)，增強(qiáng)耐負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性Belia和Smith發(fā)現(xiàn)，向傳統(tǒng)活性污泥中加入10%的降解磷的純菌，那么整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)高效脫磷系統(tǒng)（脫磷率達(dá)90%以上）只需14天，而只用活性污泥馴化達(dá)到此脫磷率需要58天時(shí)間。 Edgehill等人用降解五氯酚（PCP）的純菌來(lái)增強(qiáng)活性污泥系統(tǒng)，當(dāng)加入10%（相對(duì)于固有菌量）的純菌，就會(huì)使PCP廢水馴化期大大縮短。當(dāng)PCP負(fù)荷由40 mgl-1升高到120mgl-1時(shí)，出水則達(dá)到60mgl-1，單純的活性污泥系統(tǒng)恢復(fù)正常需48h，但加入5%或7%的純菌（相對(duì)于固有菌量），系統(tǒng)在18h內(nèi)就使PCP出水達(dá)到15mgl-1

12、，表現(xiàn)出良好的抗負(fù)荷沖擊的能力。第二十五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中應(yīng)用失敗及原因探索（一）廢水成分復(fù)雜，用生物增強(qiáng)技術(shù)本身難以達(dá)到治理目的和要求。廢水中微生物可利用其生長(zhǎng)的底質(zhì)的濃度太低，不足以維持其生長(zhǎng)。投入的菌不如系統(tǒng)中固有菌的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)，不能強(qiáng)有力地?cái)z取有限的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。系統(tǒng)中原生動(dòng)物等捕食性動(dòng)物將優(yōu)勢(shì)菌捕食。第二十六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中應(yīng)用失敗及原因探索（二）優(yōu)勢(shì)菌優(yōu)先利用其他易于利用的底質(zhì)，對(duì)目標(biāo)降解物作用緩慢。廢水中存在抑制性基質(zhì)，抑制菌的生長(zhǎng)和代謝。投入菌的量不足以使其在菌群中占優(yōu)勢(shì)，或由于控

13、制不當(dāng)菌體流失。不利的環(huán)境因素如廢水的pH、溫度、DO的影響。第二十七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、現(xiàn)代生物技術(shù)在生物強(qiáng)化研究中的應(yīng)用PCRFISHPCR-RFLPPCR-DGGEPCR-RISA第二十八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月傳統(tǒng)的微生物定量化及群落分析方法活皿計(jì)數(shù)法（CFU) 生境 可培養(yǎng)細(xì)胞百分比（） 海水 0.001-0.1 淡水 0.25 中營(yíng)養(yǎng)型湖泊 0.1-1 活性污泥 1-15 沉積物 0.25 土壤 0.3最大可能數(shù)法（MPN)第二十九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月平板培養(yǎng)法缺點(diǎn)：環(huán)境中可通過(guò)平板培養(yǎng)的微生物不超過(guò)百分之十幾，污水

14、和底泥中有些微生物群落不能夠用培養(yǎng)的方法分析。培養(yǎng)所需時(shí)間較長(zhǎng)，不能夠提供生物反應(yīng)器實(shí)時(shí)、有意義信息。難以獲得微生物群落結(jié)構(gòu)和空間分布的有關(guān)信息。第三十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月PCR (Polymerase chain reaction)基本步驟：變性:采用高溫使DNA變性，形成單鏈DNA;退火:降低溫度，引物在與單鏈DNA互補(bǔ)的鄰位結(jié)合， 形成復(fù)合物. 延伸:將溫度調(diào)至DNA聚合酶的最適宜溫度,該 以dNTP為原料，根據(jù)堿基互補(bǔ)的原則，按照模板DNA序列組成，從引物的3端開始逐一將dNTP聚合上去，合成一條新的DNA 雙鏈。第三十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

15、PCR Amplifying DNA第三十二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月PCR技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用主要有:應(yīng)用PCR技術(shù)研究某一特定環(huán)境中微生物區(qū)系的組成，進(jìn)而了解其菌群動(dòng)態(tài)。應(yīng)用PCR技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境中特定種群（如致病菌、工程菌等）的動(dòng)態(tài)。第三十三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)用PCR技術(shù)檢測(cè)樣品中的特定微生物種群，其基本步驟包括：從環(huán)境樣品中提取核酸（DNA或RNA）；以提取的DNA或RNA樣品為模板進(jìn)行擴(kuò)增；對(duì)PCR反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)與分析。第三十四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熒光原位雜交技術(shù)（fluorescense in situ hybridi

16、zation, FISH） FISH是目前單個(gè)細(xì)胞水平上分析微生物群落結(jié)構(gòu)的常用的分子生態(tài)學(xué)方法，是用標(biāo)記過(guò)的DNA寡聚物去探測(cè)未損傷的微生物群落。第三十五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原理微生物細(xì)胞在載玻片上脫水后，與帶有熒光染料標(biāo)記的寡核糖探針在一定溫度下混合。 具有與探針堿基對(duì)完全互補(bǔ)序列的RNA隨即與探針發(fā)生雜交，從而使該菌體在熒光顯微鏡下發(fā)出熒光。第三十六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞在測(cè)定過(guò)程中不被破壞，形狀不改變，能夠真實(shí)反映在自然微環(huán)境下的情況及分布特異性強(qiáng)能定量化操作簡(jiǎn)單迅速。特點(diǎn) 第三十七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月將染色體、細(xì)胞或

17、組織固定；標(biāo)記探針；將探針與固定材料上的靶序列（DNA或RNA）進(jìn)行雜交；檢測(cè)雜交的結(jié)果。FISH基本步驟：第三十八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月適用于所用菌種的EUB338;Alf968適用于Proteobacteria 的亞綱;BET42適用于Proteobacteria的亞綱;GAM42適用于Proteobacteria的亞綱;CF319a適用于Cytophaga-Flavobacterium; ACA適用于Acinetobacter ;Nso 190適用于Proteobacteria 的亞綱的氨氧化菌; NEU23a適用于Nitrosomonas屬的耐鹽及嗜鹽菌;NIT3可

18、用于Nitrobacter; S-S-Mae-1414-a-A-18適用于M. erodenitrificans 。 一些常用的分子探針第三十九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月微生物群落解析應(yīng)用1用FISH法解析UASB顆粒污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)。圖中同時(shí)采用了兩個(gè)探針進(jìn)行FISH檢測(cè)。探針EUB338能與絕大多數(shù)細(xì)菌雜交，發(fā)出綠色熒光；探針ARC915能與古細(xì)菌雜交，發(fā)出紅色熒光。（A）低放大倍數(shù)；（B）高放大倍數(shù)。第四十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月污泥膨脹中絲狀菌的鑒別，比例和分布用FISH法檢測(cè)某污水處理廠活性污泥中的絲狀菌。(A）相差顯微鏡下的污泥絮體；（B）同一顯微鏡視野下同時(shí)用探針G2M（綠色）和G123（紅色）進(jìn)行FISH法檢測(cè)。黃色表示同時(shí)與兩個(gè)探針結(jié)合，為絲狀菌Eikelboom type 021N II，紅色則為絲狀菌Thiothrix。應(yīng)用2第四十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月污泥中聚磷菌的鑒別應(yīng)用3用FISH法和DAPI染色同時(shí)檢測(cè)活性污泥中的聚磷菌。圖中，藍(lán)色作為DAPI染色的結(jié)果，代表在細(xì)胞體內(nèi)聚集了大量聚合磷的細(xì)菌；而紅色是FISH法的結(jié)果，代表與標(biāo)記熒光染料的探針MP2發(fā)生雜交的菌體細(xì)胞，即M. phosphovorus。粉色是紅色和