環(huán)境生物技術課件

廢水好氧生物處理工程第一節(jié)生物處理技術概述

一、生物處理的基本原理生物處理的主體是微生物。有機物的轉化廣義上可以定義為兩種：礦化和共代謝礦化是將有機物完全無機化的過程，是與微生物生長包括分解代謝與合成代謝過程相關的過程。共代謝通常是由非專一性酶促反應完成的，不導致細胞質量或能量的增加,使有機物得到修飾和轉化，但不能使其分子完全分解。1.好氧生物處理的基本原理在好氧條件下，有機物在好氧微生物的作用下氧化分解，有機物濃度下降，微生物量增加。微生物將有機物攝入體內后，以其作為營養(yǎng)源加以代謝，代謝按兩條途徑進行：合成代謝和分解代謝圖6-1有機物好氧分解圖示在有機物的好氧分解過程中，有機物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗這三個過程是同步進行的，也是控制好氧生物處理成功與否的關鍵過程。（1）有機物的降解圖6-2有機物好氧生物降解的一般途徑（2）微生物的增殖圖6-3靜態(tài)培養(yǎng)微生物生長曲線（3）溶解氧的提供溶解氧是影響好氧生物處理過程的重要因素。充足的溶解氧供應有利于好氧生物降解過程的順利進行。溶解氧的需求量與微生物的代謝過程密切相關。在不同的好氧生物處理過程和工藝中，溶解氧的提供方式也不同。2.厭氧生物處理的基本原理厭氧生物處理是在無氧條件下，利用多種厭氧微生物的代謝活動，將有機物轉化為無機物和少量細胞物質的過程。（1）厭氧生物分解有機物的過程圖6-4有機物厭氧分解過程■

水解階段復雜有機物首先在發(fā)酵性細菌產生的胞外酶的作用下分解為溶解性的小分子有機物。該過程通常比較緩慢，是復雜有機物厭氧降解的限速階段?！霭l(fā)酵（酸化）階段溶解性小分子有機物進入發(fā)酵菌（酸化菌）細胞內，在胞內酶作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸（VFA),同時合成細胞物質?！?/p>

產乙酸階段發(fā)酵酸化階段的產物丙酸、丁酸、乙醇等，在此階段經產氫產乙酸菌作用轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳?！霎a甲烷階段產甲烷菌通過以下兩個途徑之一，將乙酸、氫氣和二氧化碳等轉化為甲烷。其一是在二氧化碳存在時，利用氫氣生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。（2）水解處理水解處理是指將厭氧過程控制在水解或酸化階段，利用兼性的水解產酸菌將復雜有機物轉化為簡單有機物。能降低污染物的復雜程度，提高后續(xù)好氧生物處理的效率。（3）缺氧處理在沒有分子氧存在的條件下，一些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質進行代謝活動。二、微生物催化降解的必要條件1.存在含有某種降解酶的微生物。2.微生物必須在目標化合物出現的環(huán)境中出現。3.化合物必須是具有適宜酶的微生物可獲得的。4.如果產生降解的啟動酶是胞外酶，酶作用的化學鍵必須暴露以利于催化作用發(fā)生，這種條件并不是總能滿足，因為許多化合物會發(fā)生吸附。5.催化起始降解的酶如果是胞內酶，化合物分子則必須進入細胞內部的酶作用位點，或者胞外反應產物進入細胞內部進行進一步降解。6.由于能作用于多種合成化合物的細菌或真菌種群或生物量起始濃度較低，環(huán)境條件必須適合具有活性潛力的微生物增殖。三、影響生物降解的因素1.微生物活性2.目標化合物特征3.環(huán)境因素（1）營養(yǎng)（2）溫度（3）pH（4）氧第二節(jié)廢水處理技術概述廢水包括生活污水和工業(yè)廢水工業(yè)廢水是生產污水和生產廢水的總稱一、廢水水質指標水質指標是水污染控制工程的基礎，其

主要作用是：

1）表示水的污染程度

2）表示處理廠的處理效果

3）作為設計處理工程的指標

4）作為污水排入水體的標準制定、檢驗等。

1.生物化學需氧量（BOD）

生化需氧量表示在有氧的情況下，由于微生物的活動，可降解有機物穩(wěn)定化所需的氧量。BOD越大，表示水體中的有機物越多，污染越嚴重。2.化學需氧量（COD）

化學需氧量是指在一定條件下水中有機物與強氧化劑（如K2CrO4,KMnO4)作用所消耗的氧量。水中的COD不僅代表水中有機物的含量，同時也包括水中還原性無機物被氧化的耗氧量。根據BOD/COD的比值可以初步評介廢水的可生化性。一般來說：

BOD/COD>=0.4可生化性較好，適合于用生化處理方法。

BOD/COD=0.3～0.4可生化性一般，可以用生化處理方法。

BOD/COD=0.2～0.3可生化性較差，需馴化后用生化處理方法。

BOD/COD<0.2可生化性很差，不適合于用生化處理方法。3、

懸浮固體（SuspendedSolid,SS）

懸浮固體SS；揮發(fā)性懸浮固體VSS；總固體TS；4、

無機性水質指標

PH；顏色；溫度；氨氮；溶解固體；氯化物。有毒物指標：重金屬；硫化物；氰化物；

其它有機物；三致物質及高穩(wěn)定有機合成化合物。（細菌總數；大腸菌指數。--微生物指標）

二、廢水處理的方法按照作用原理和去除對象可分為：物理法化學法生物法1.廢水的物理處理法利用物理作用分離廢水中呈懸浮狀態(tài)的污染物質。使用的處理設備有：格柵、篩網、沉砂池、沉淀池、濾池、氣浮裝置、離心機等。2.廢水的化學處理法利用化學反應作用來分離、轉化、破壞或回收廢水中的污染物，使其轉化為無害物質。通常通過向廢水中投加某些化學物質，從而達到凈化廢水的目的。1）中和處理法酸或堿2）混凝處理法3)化學沉淀法4）氧化還原法5）吸附法6）離子交換法7）膜分離法3.廢水生物處理法采取一定的措施，使微生物大量生長和繁殖，從而提高微生物氧化、分解有機污染物的一種技術?；钚晕勰喾ㄊ钱斍皯米顝V泛的一種生物處理技術。生物膜法生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等自然生物處理法穩(wěn)定塘和土地處理法厭氧生物處理法利用兼性厭氧菌和專門厭氧菌在無氧條件下降解有機污染物的處理技術。廢水的脫磷除氮第二節(jié)活性污泥法

一、活性污泥與活性污泥法有機廢水經過一段時間的曝氣后，水中會產生一種以好氧菌為主體的茶褐色絮凝體，其中含有大量的活性微生物，這種污泥絮體就是活性污泥。

活性污泥法就是以含于廢水中的有機污染物為培養(yǎng)基，在有溶解氧的條件下，連續(xù)地培養(yǎng)活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用凈化廢水中有機污染物。普通活性污泥法處理系統(tǒng)如圖7-3?；钚晕勰嗵幚硐到y(tǒng)有效運行的基本條件：（1）廢水中有足夠的可溶性易降解有機物；（2）曝氣池中有足夠的氧氣；（3）活性污泥在池中呈懸浮狀態(tài)，可與廢水充分接觸；（4）活性污泥連續(xù)回流，及時排出剩余污泥；（5）沒有對微生物有毒害作用的物質進入。二、活性污泥法中的微生物

及其變化規(guī)律（一）微生物種類細菌：是生物相中的主要成分,形成菌膠團原生動物：鞭毛蟲、肉足蟲、纖毛蟲真菌：主要是霉菌，一般呈絲狀后生動物：輪蟲類、線蟲類等。（二）活性污泥的增長曲線

（三）吸附基質，代謝，自身繁殖以及消耗水中溶解氧的關系

三、活性污泥的性能指標

活性污泥的性能決定著凈化結果的好壞。（一）混合液懸浮固體

（MLSS）（二）污泥沉降比（SV）

（三）污泥體積指數（SVI）

（四）污泥密度指數（SDI）

四、影響活性污泥性能的

環(huán)境因素

（一）溶解氧（DO)不低于2mg/L（二）水溫15～25℃（三）營養(yǎng)料碳源、氮源以及微量的鉀，鎂，鐵，維生素等

（四）有毒物質重金屬離子鋅，銅，鎳，鉛，鉻等

非金屬化合物酚，醛，氰化物，硫化物等（五）pH6.5～8.5

五、運行中常見的問題（一）污泥膨脹

廣義地把活性污泥的凝聚性和沉降性惡化，以及處理水渾濁的現象總稱為活性污泥的膨脹。1.絲狀體膨脹2.非絲狀體膨脹（二）污泥上?。?）污泥的致密和減少

有機物減少，曝氣時間過長，回流比小而剩余污泥排放量大，污泥上浮而流失等。（4）泡沫問題合成洗滌劑或其他起泡物質。六、活性污泥法的發(fā)展1.深水曝氣活性污泥法2.純氧曝氣活性污泥法以純氧代替空氣3.活性炭載體活性污泥法4.活性污泥法除氮除磷5.凝聚劑活性污泥法第三節(jié)生物膜法一、生物膜法的基本原理微生物附著在固體濾料的表面上，在固體介質表面形成生物膜，廢水同生物膜相接觸而得到處理，所需氧氣一般來自大氣。所以又稱為生物過濾法。（一）生物膜法分類生物濾池是生物膜法中最重要的處理設備，根據生物膜與廢水的接觸方法及介質的種類，分為：1.潤壁型生物膜法如生物濾池生物轉盤2.浸沒型生物膜法接觸氧化法3.流動床型生物膜法（二）生物膜的形成及特點在生物膜凈化構筑物中，填充著相當多的掛膜介質。當有機廢水均勻地淋灑在介質表層上后，便沿介質表面向下滲流。在充分供氧的條件下，接種的或原存在廢水中微生物就在介質表面增殖。這些微生物吸附水中的有機物，迅速進行降解有機物的生命活動，逐漸在介質表面形成了粘液狀的生長有極多微生物的膜，稱為生物膜。生物膜是生物處理的基礎，必須保持足夠的數量才能達到凈化目的。一般，生物膜厚度介于2～3mm較為理想，膜太厚，會影響通風，造成堵塞。二、生物濾池（一）生物濾池的基本原理1.生物膜構造2.生物濾池的基本流程生物膜構造剖面示意圖生物濾池的基本流程

（二）生物濾池的基本特征1.微生物群上層細菌中下層原生動物和微型后生動物2.生物鏈長，污泥量少，當負荷低時，出水水質高度硝化，依靠自然通風供氧，運行費用低。三、生物濾池的構造1.池體2.濾料質輕、比表面積大和孔隙率高3.布水裝置4.排水系統(tǒng)滲水頂板、集水溝、排水渠高負荷生物濾池構造示意圖旋轉布水器示意圖

常用滲水裝置示意圖

（二）影響生物濾池功能的

主要因素1.濾床的比表面積和孔隙率2.濾床的高度3.負荷有機負荷水力負荷4.回流5.供氧

廢水生物脫氮除磷技術第一節(jié)水體中的氮及其危害性第二節(jié)廢水生物脫氮技術第三節(jié)廢水生物除磷與同步脫氮除磷技術第一節(jié)水體中的氮及其危害性一、存在形式及其來源氮以有機氮和無機氮兩種形態(tài)存在于水體中。1.有機氮蛋白質、多肽、氨基酸和尿素等。來源：生活污水、農業(yè)廢棄物（植物秸稈、牲畜糞便等）、工業(yè)廢水（食品加工、印染、制革、食品加工等）

2.無機氮氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。來源：有機氮的微生物分解農田排水工業(yè)廢水（煉焦、化肥）二、氮污染的危害城市污水中的氮主要以氨氮存在。氨氮消耗水體中的溶解氧。氨氮會與氯作用生成氯胺，并被氧化為氮。氮化合物對人和生物有毒害作用。加速水體的“富營養(yǎng)化”過程。第二節(jié)廢水生物脫氮技術一、生物脫氮的基本原理生物脫氮過程主要由兩段工藝共同完成：硝化作用：氨氮硝酸鹽氮反硝化作用：硝酸鹽氮氣態(tài)氮圖4－2－1生物脫氮過程示意圖1、硝化反應硝化反應由兩組自養(yǎng)好氧微生物完成：亞硝酸鹽細菌（Nitrosomonas）硝酸鹽細菌（Nitrobacter）硝化作用是指由硝化菌將氨氮氧化成硝酸鹽氮的過程。硝化過程分為兩個階段：第一步：亞硝化菌氨氮亞硝酸鹽亞硝化菌包括亞硝酸鹽單胞菌屬和亞硝酸鹽球菌屬。第二步：硝化菌亞硝酸鹽硝酸鹽硝化菌包括硝酸鹽桿菌屬、螺旋菌屬和球菌屬。反應式：NH4++1.382O2+1.982HCO3-

0.982NO2-+1.036H2O+1.891H2CO3

+0.018C5H7O2N(1)NO2-+0.488O2+0.01H2CO3+0.003HCO3-

+0.003NH4+NO3-+0.008H2O+0.003C5H7O2N(2)總反應式：

NH4++1.86O2+1.982HCO3-

0.982NO3-+1.044H2O+1.881H2CO3

+0.021C5H7O2N（3）由（3）可知：硝化反應消耗堿度和氧氣每氧化1mgNH4+-N為NO3--N需消耗7.14mgCaCO3,需氧4.57mg硝化反應的環(huán)境條件：1）好氧條件，并保持一定的堿度。2）混合液中有機物含量不應過高，BOD5應在15～20mg/L以下。3)適宜溫度是20～30℃，15℃時速度下降，5℃時完全停止。4）污泥齡必須大于其最小的世代時間。5）重金屬、高濃度的NH4+-N和NOx-－N對硝化反應有抑制作用。2、反硝化過程是指由一群異養(yǎng)微生物，將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，在無氧或低氧條件下還原轉化為氣態(tài)氮或氮氧化物的過程。反硝化細菌包括：假單胞菌屬、反硝化桿菌屬、小球菌屬、嗜氣桿菌屬、堿桿菌屬等。反硝化過程中NO2-和NO3-的轉化是通過反硝化細菌的同化作用和異化作用來完成的。其中異化作用去除的氮占70～75％。NO2-+3H(電子供體－有機物）?N2+H2O+OH-NO3-+5H(電子供體－有機物）?N2+2H2O+OH-

可見，反硝化過程產生部分堿度，但同時需要有機物，如果污水中沒有足夠的有機物，一般投加甲醇。反硝化反應的影響因素：1）碳源2）pH6.5～7.53）溶解氧0.5mg/L以下4）溫度20～40℃二、生物脫氮工藝（一）活性污泥法脫氮傳統(tǒng)工藝是由Barth開創(chuàng)的所謂3級活性污泥法流程，包括氨化、硝化、反硝化三項反應過程。圖4-2-2活性污泥傳統(tǒng)脫氮工藝（3級活性污泥法流程）圖4-2-32級活性污泥脫氮系統(tǒng)

圖4-2-4單級活性污泥脫氮系統(tǒng)三、生物脫氮原理的新認識及

相應工藝最近的一些研究表明：硝化過程不僅有自養(yǎng)菌完成，異養(yǎng)菌也可以參與硝化作用；某些微生物在好氧條件下也可以進行反硝化作用。理論解釋：1.微環(huán)境的存在，是同時硝化反硝化現象的最主要原因；2.從微生物發(fā)展的角度也提出可能存在的、目前尚未被認識的微生物菌種（如好氧條件下的反硝化細菌）能使同時硝化反硝化現象發(fā)生。缺氧一好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)

（A/O法）是于80年代初期開創(chuàng)的工藝流程，其主要特點是將反硝化反應器置放在系統(tǒng)之首，故又稱為“前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)”。

圖4-2-5

缺氧一好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)系統(tǒng)的特征：（1）反硝化反應器在前，BOD去除、硝化兩項反應的綜合反應器在后；（2）反硝化反應以原廢水中的有機物為碳源；（3）硝化液回流；（4）反硝化反應過程產生的堿度可補償硝化反應消耗堿度的一半左右；

（5）流程簡單，不需外加碳源。系統(tǒng)的不足之處：（1）沉淀池如運行不當，池內會產生反硝化反應，污泥上浮，處理水水質惡化。（2）系統(tǒng)的脫氮率較低，一般在85％以下。第三節(jié)廢水生物除磷與同步脫

氮除磷技術一、除磷技術的發(fā)展污水除磷技術的發(fā)展起源于生物超量吸磷現象的發(fā)現。20世紀50年代到60年代初，Srinath等人在污水處理廠的生產性運行中，觀察到生物超量吸磷的現象。70年代的研究工作弄清了生物除磷所需的運行條件，并有意識的將其工程化。

80年代到90年代，通過全面的基礎研究及生產性研究和工程運轉經驗的總結，污水生物除磷的理論及技術均獲得了重大進展及突破。二、生物除磷的基本原理廢水中磷的存在形式：磷酸鹽（H2PO4-、HPO42-

和PO43-）、聚磷酸鹽和有機磷。生物除磷就是利用聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms,PAOs)一類的細菌，過量地、超出其生理需要地從外部攝取磷，并將其以聚合形態(tài)儲藏在體內，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，達到從廢水中除磷的效果。1.聚磷菌的磷過量攝取在好氧條件下，聚磷菌ADP+H3PO4+能量ATP+H2OH3PO4的大部分是通過主動輸送的方式從外部環(huán)境攝入的，一部分用于合成ATP,另一部分則用于合成磷酸鹽。這一現象就是“磷的過量攝取”。2.聚磷菌的放磷在厭氧條件下，聚磷菌體內的ATP水解，放出H3PO4和能量，形成ADP,即：

ATP+H2OADP+H3PO4+能量三、生物處理過程中除磷途徑小結研究結果表明，超量除磷主要是生物作用的結果，但生物超量除磷并不能完全解釋某些條件下出現的除磷性能，生物誘導的化學除磷可能是生物除磷的補充。在生物除磷系統(tǒng)中磷的去除可能包括下列5種途徑。生物超量除磷污泥含磷量可達3％－7％正常磷的同化作用微生物合成消耗磷正常液相沉淀pH陽離子濃度加速液相沉淀生物膜沉淀細菌反硝化作用使膜內pH升高，導致磷從液相進入無機相。四、影響生物除磷過程的因素1.溶解氧磷攝取過程要求充足的氧，放磷的過程應保持絕對厭氧的條件。2.污泥齡一般污泥齡短的系統(tǒng)產生的剩余污泥量較多，可以取得較高的除磷效果。3.溫度和pH值5～30℃pH6～84.BOD負荷較高的BOD負荷可取得較好的除磷效果。5.硝酸氮和亞硝酸氮抑制磷的釋放五、生物除磷工藝1.福斯特利帕（Phostrip）除磷工藝它是1972年開發(fā)的一種將生物除磷和化學除磷相結合的一種工藝。圖4-3-1福斯特利帕除磷工藝流程本工藝的特點：1.除磷效果好處理水磷低于1mg/L2.污泥含磷高2.1～7.1％3.石灰用量低。存在問題：流程復雜，建設費用和運行費用高；沉淀池（Ⅱ）底部可能形成缺氧狀態(tài)，而釋放磷。2.厭氧－好氧除磷工藝圖4-3-2厭氧－好氧除磷工藝流程本工藝流程簡單，建設和運行費用都較低，厭氧反應器能夠保持良好的厭氧狀態(tài)。存在的問題有：由于微生物對磷的吸收有一定限度，故除磷率難以進一步提高；沉淀池易于產生磷的釋放現象，應及時排泥和回流。

六、同步脫氮除磷工藝1.巴登福（Bardenpho)同步脫氮除磷工藝Bardnard首先發(fā)現了硝化/反硝化過程中除磷的效果，并最先研究和開發(fā)了既能脫氮又能除磷的污水處理工藝，如Bardenpho工藝

本工藝的主要優(yōu)點是各項反應都反復進行兩次以上，各反應單元都有其首要功能，并兼行二、三項功能，脫氮、除磷效果良好。存在的問題是工藝復雜，反應器單元多，運行繁瑣，成本高。

2.A-A-O法同步脫氮除磷工藝圖4-3-7A-A-O法同步脫氮除磷工藝流程

本工藝存在問題：1）脫氮效果難以提高；2）污泥增長受到一定限度，除磷效果也不易提高；3）沉淀池溶解氧含量不宜過高，防止循環(huán)液對缺氧反應器的干擾。

3.福列德克斯（Phoredox）脫氮除磷工藝是巴登福工藝的改進，主要是在第1厭氧反應器之前再加一厭氧反應器，以強化磷的釋放，從而能夠保證在好氧條件下，有更強的吸收磷的能力，以提高除磷效果。

廢水厭氧生物處理技術第一節(jié)厭氧生物處理的基本原理一、厭氧生物處理過程及其特征厭氧生物處理過程又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由多種微生物的共同作用，使有機物分解并生成CH4和CO2的過程。厭氧分解過程圖3-1有機物的厭氧分解過程圖3-2厭氧生物處理的四階段理論（1967年，Bryant)

有機物質

Ⅰ發(fā)酵細菌長鏈脂肪酸、醇類

Ⅱ產氫產乙酸細菌乙酸H2/CO2

Ⅲ產甲烷細菌

CH4圖3-3厭氧生物處理的三階段理論（1979年）第一階段：水解發(fā)酵階段

水解

糖酵解多糖單糖乙醇和脂肪酸

水解

脫氨基蛋白質氨基酸脂肪酸和氨第二階段：產氫、產乙酸階段，由產氫產乙酸細菌將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2和CO2。第三階段：產甲烷階段，由產甲烷細菌利用乙酸、H2和CO2，產生甲烷。厭氧生物處理的主要特征：1.能量需求大大降低，還可產生能量。不需供氧，相反卻能生產出沼氣。污泥產量極低。厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。對溫度、pH等環(huán)境因素更為敏感。高溫厭氧菌和中溫厭氧菌的適宜溫度范圍分別為55℃和35℃左右。4.處理后廢水有機物濃度高于好氧處理。厭氧微生物可對好氧微生物所不能降解的一些有機物進行降解（或部分降解）。6.處理過程的反應較復雜。

二、厭氧消化微生物（一）發(fā)酵細菌（產酸細菌)1.屬別包括梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真細菌屬和雙歧桿菌屬。大多數為專性厭氧菌，也有大量兼性厭氧菌。2.功能通過胞外酶將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的大分子有機物轉化成脂肪酸、醇類等。

（二）產氫產乙酸細菌1.屬別包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬。為絕對厭氧菌或是兼性厭氧菌。2.功能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸

H2，反應如下：乙醇：CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2(三）產甲烷細菌最常見的是：產甲烷桿菌、產甲烷球菌、產甲烷八疊球菌、產甲烷螺菌和產甲烷絲菌等。產甲烷菌都是絕對厭氧菌,在分類學上屬于古細菌?？煞譃閮深悾海?）利用乙酸產生甲烷

CH3COOHCH4+CO2

(2)利用H2和CO2合成CH4

4H2+CO2CH4+2H2O三、厭氧微生物的培養(yǎng)上世紀60年代末Hungate開創(chuàng)了絕對厭氧微生物的培養(yǎng)技術。

(一）Hungate滾管法（二）充氮厭氧培養(yǎng)袋法原理利用NaBH4或KBH4與水反應生成氫氣，在催化劑鈀的作用下，H2與袋內的O2生成水。（三）焦性沒食子酸去氧法在堿性溶液中。（四）厭氧罐培養(yǎng)法

(五）倒扣平板法四、產甲烷菌－古細菌與

三原界系統(tǒng)在對各大類生物的16SrRNA核苷酸順序的同源性測定的基礎上，R.H.Whittaker和L.Marhulis提出了三原界學說（圖3－4）

產甲烷菌在分類學上屬于古細菌（Archaebacteria)與真細菌相比，古細菌有特點：（1）細胞膜的類脂結構古細菌所含的類是不可皂化的。（2）細胞壁成分獨特而多樣不含胞壁酸、

D型氨基酸和二氨基庚二酸（3）核糖體的16SrRNA其核苷酸順序獨特，不同于真細菌和真核生物。（4)tRNA成分順序獨特，不存在T(5)蛋白質合成的起始密碼始于甲硫氨酸與真核生物相同。（6）對抗生素等的敏感性對青霉素、頭孢霉素、D-環(huán)絲氨酸和氯霉素不敏感，而對白喉毒素十分敏感。（7）生態(tài)條件獨特嚴格厭氧菌：產甲烷菌極端嗜鹽菌嗜熱嗜酸菌五、厭氧生物處理微生物群體

間的關系（一）不產甲烷細菌（包括發(fā)酵細菌和產氫產乙酸細菌）為產甲烷細菌提供生長和產甲烷所需要的基質。（二）不產甲烷細菌為產甲烷細菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件。（三）不產甲烷細菌為產甲烷細菌清除有毒物質。（四）產甲烷細菌為不產甲烷細菌的生化反應解除反饋抑制。（五）不產甲烷細菌和產甲烷細菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值?？傊趨捬跎锾幚矸磻髦?，不產甲烷菌和產甲烷菌相互依賴，互為對方創(chuàng)造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境和條件，但又互相制約。六、厭氧生物處理的影響因素（一）溫度

（二）pH值產甲烷菌的最適pH值范圍為6.8～7.2

高溫消化（55℃左右）的反應速率為中溫消化（35℃左右）的1.5～1.9倍，產氣率較高，但甲烷含量較低。新型反應器處理廢水的厭氧消化反應在常溫（20～25℃）下進行。

厭氧發(fā)酵體系中的pH值除受進水pH的影響外，還取決于代謝過程中自然建立的緩沖平衡。（三）氧化還原電位嚴格的厭氧環(huán)境是產甲烷菌進行正常活動的基本條件，用氧化還原電位來表示反應器的含氧濃度。不產甲烷菌:+100~--100mV

產甲烷菌:--150~--400mV(四）營養(yǎng)對C、N等營養(yǎng)物質的要求略低于好氧微生物。但由于不能合成某些必要的維生素或氨基酸，故需補充鉀、鈉、鈣等金屬鹽類，以及鎳、鋁、鈷和鉬等微量金屬。（五）有機物負荷以向每立方米消化池中，在1日內可投加的有機物量或BOD量來表示（kg／（m3.d)（六）有毒物質有毒物質會對厭氧微生物產生不同程度的抑制，使厭氧消化過程受到影響甚至遭到破壞。抑制性物質：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物以及某些人工合成的有機物。厭氧微生物可降解蒽醌類燃料、偶氮燃料、含氯的有機殺蟲劑等在好氧條件下難以降解的合成有機物。

2－氯丙醇、1－氯丙烷、2－氯丙烷、丙烯醛和甲醛等對厭氧微生物有毒害作用。七、厭氧生物處理與好氧生物處理的區(qū)別（一）起分解作用的微生物類群不同。（二）好氧處理有機物所需時間比用厭氧法處理短的多，沒有臭氣產生。（三）厭氧生物處理對環(huán)境要求與好氧生物處理不同。（四）厭氧法的降解較不徹底，放熱少，反應速度低，處理的有機物負荷低。（五）處理對象不同厭氧生物處理多用于處理沉降的有機污泥和高濃度的有機廢水；而好氧生物處理則多用于處理有機污染濃度較低或適中的廢水。近年來，開發(fā)了好氧技術和厭氧技術聯(lián)合運用的方法，大大推進了生物處理技術的研究和應用。八、厭氧生物處理工藝的發(fā)展化糞池、雙層沉淀池厭氧接觸法第二代廢水厭氧處理反應器（厭氧濾池、上流式厭氧污泥床反應器、厭氧附著膜膨脹床、下行式固定膜反應器和厭氧流化床等。第二節(jié)厭氧消化池一、消化池類型與構造厭氧消化池主要用于處理城市廢水廠的污泥，也用于處理固體含量很高的有機廢水。（一）消化池的分類根據消化池頂結構不同分為：固定蓋消化池浮動蓋消化池根據消化池運行方式的不同分為：傳統(tǒng)消化池高速消化池1.傳統(tǒng)消化池

又稱低速消化池，池內不設加熱和攪拌裝置。消化速率很低，消化時間長，只有在規(guī)模小的廢水處理廠才采用。2.高速消化池

設有加熱和攪拌裝置，厭氧微生物與有機物得到充分的接觸，消化速率高，消化期一般為15天，被廢水處理廠廣泛采用。（二）消化池的構造由池頂、池底和池體三部分組成。攪拌設備：機械攪拌：泵攪拌螺旋槳式攪拌噴射泵攪拌沼氣攪拌：氣提式攪拌豎管式攪拌氣體擴散式攪拌加熱設備：1.池內蒸汽直接加熱設備簡單，局部污泥易過熱，影響微生物的正?；顒?，增加污泥的含水率，從而增加消化池容積。2.池外加熱污泥預熱后投配到消化池中，易于控制，有利于殺死寄生蟲卵，不會對厭氧微生物產生不利影響。但加熱設備較復雜。

廢物資源化生物技術第一節(jié)廢物生產單細胞蛋白第二節(jié)纖維質原料生產酒精第一節(jié)廢物生產單細胞蛋白一、前言1.單細胞蛋白的概念單細胞蛋白（Single-Cell-Protein,簡稱SCP)一詞是由美國麻省理工學院（MIT)的CarrollWilson教授于1966年首先提出的。通常SCP是指通過培養(yǎng)單細胞生物而獲得的生物體蛋白質，又稱微生物蛋白，包括細菌、放線菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻類等。2.開發(fā)SCP的意義◆人們的需要◆微生物蛋白的營養(yǎng)價值微生物菌體的70％～85％為水分，干物質中的主要成分是糖類、蛋白質、核酸、脂類及灰分。粗蛋白的含量：細菌：40％～80％酵母菌：35％～60％絲狀真菌：15％～50％

◆單細胞蛋白的主要用途：作為人類食品作為飼料作為工業(yè)原料（微生物培養(yǎng)基成分、合成纖維的親水劑、各種填料、增稠劑、乳化劑及穩(wěn)定劑等）3.SCP生產的現狀及其發(fā)展趨勢

二、生產SCP的微生物生產SCP的微生物種類較多，根據原料不同，可以分為如下幾類：（1）以碳水化合物為原料，如釀酒酵母，假絲酵母，木霉和青霉等。（2）以碳氫化合物（石油）為原料，假絲酵母菌（3）以甲醇為原料，細菌為主（4）以乙醇為原料，酵母菌為主，其次是細菌和霉菌。（5）以甲烷為原料，細菌為主（6）利用CO2為碳源，氫為能源，如氫單胞菌（7）利用光能，如小球藻、螺旋藻及光合細菌等。細菌：生長速度快，蛋白質含量高，能利用糖類和烴類，但個體小，分離困難，且蛋白質不如酵母菌易于消化吸收。絲狀真菌：易于回收，但生產速度慢，蛋白質含量較低。藻類：纖維質的細胞壁不易為人體消化，且具有富集重金屬的問題。酵母菌：個體大，易于分離、回收，且蛋白質易于吸收，目前生產上采用較多。三、生產SCP的基質1.適于生產SCP的有機物需滿足的條件：價廉易于被微生物降解原料能常年可靠地供應并能夠安全、經濟地儲存能經濟地將原料運往工廠質量穩(wěn)定且可預測2.用于生產SCP的常見廢棄物：農業(yè)廢棄物，需經粉碎、堿處理以提高可消化性。烴類及其衍生物高濃度有機廢水固體廢棄物工業(yè)廢氣四、SCP生產的工藝技術圖5-1單細胞蛋白生產的一般工藝過程五、單細胞蛋白生產中應該

考慮的問題微生物的培養(yǎng)不受季節(jié)、氣候和地區(qū)的限制，所以微生物蛋白生產易于實現工業(yè)化。但SCP的廣泛使用還存在如下一些問題：（1）核酸含量高（2）毒性物質存在的可能性（3）在人類消化管道中消化得很慢，會使使用者產生消化不良或過敏等癥狀。（4）比其他來源的蛋白質，如大豆蛋白質更昂貴。單細胞蛋白生產中應該考慮的問題：（1）菌種應增殖速度快，營養(yǎng)要求低，易于培養(yǎng)，可連續(xù)發(fā)酵，菌體收量大；（2）原料低廉，能大量供給，或直接利用工農業(yè)廢料；（3）菌體分離回收容易；（4）不易被雜菌污染；（5）生產過程排放廢水少；（6）菌體蛋白質含量高，氨基酸組成好；（7）無毒性、病原菌及致癌物質；（8）適口性好；（9）易于儲藏、包裝。第二節(jié)纖維質原料生產酒精一前言二用于酒精生產的纖維素原料

▲農作物纖維廢物

▲森林和木材加工工業(yè)廢物

▲工廠纖維和半纖維素廢物

▲城市廢纖維垃圾三纖維的預處理天然纖維素水解程度非常低，通常只有10％～20％物理法化學法微生物法1.氫氧化鈉處理法

0.1～0.15g

處理費用：66~69美元/噸物料缺點：被處理物料的體積密度很低2.溶劑處理法

Cadoxen:由乙烯二胺和鎘氧化物組成的堿性溶液。5h可水解80％左右，而未經處理的最高水解率為20％Cadoxen溶劑可以回收利用。3.稀酸預處理法半纖維素在100℃以下就能較好地溶解在稀酸中。4.分解木質素的微生物處理法四、纖維素酸水解植物纖維酸水解的機理主要是指纖維素和半纖維素的水解纖維素實質上是一種己聚糖半纖維素則主要是戊聚糖無機酸（硫酸和鹽酸）可作為水解反應的催化劑。無機酸催化纖維素分解的機理：實踐證明，在一定的范圍內，纖維素水解反應的速度與酸的濃度呈正比。而且，溫度升高，酸水解反應的速度也加快。纖維素水解過程中要減少已生成單糖的進一步分解。2.濃酸水解濃酸水解纖維素的過程如下：缺點：Ⅰ酸必須回收利用，鹽酸可以采用真空蒸餾的方法來回收，而硫酸則不能。

Ⅱ要采用防腐蝕的容器，且容器的體積還必須大。3.稀酸水解酸濃度為0.3％～3％，溫度為100～200℃

此時主要是大部分半纖維素溶解于酸溶液中，纖維素和剩下的半纖維素則呈不溶解狀態(tài)。根據這個特點，工業(yè)生產上纖維的水解可以分階段進行。4.序列階段酸水解1979年，美國的Ladisch提出采用濃酸和稀酸水解的纖維素序列三階段酸水解法。第一階段預水解水解和萃取半纖維素第二階段主水解纖維素水解成寡糖和葡萄糖第三階段后水解階段寡糖的水解5.影響酸水解的因素（1）原料的種類和粉碎度（2）酸的種類和用量（3）液比系數水解時液體和纖維素原料的比例叫做液比系數。液比系數增加，產糖量增加，但水解液中糖的濃度下降，酸的用量增加。一般液比系數是5～10（4）水解時間和溫度溫度高，酸水解的速度加快，但生成的單糖的分解速度也加快，故一般采用高溫稀酸短時水解6.稀酸水解的幾種常用方法固定水解法是最原始的方法。水解液在整個水解過程完成后一次性排出，水解生成的糖的分解現象嚴重。分段水解法是將半纖維素和纖維素的水解分階段進行，可以保證兩者的水解都在各自最適宜的條件下進行。滲濾水解法是將稀酸溶液從水解器上部不斷淋人，水解液從下部連續(xù)排出。稀酸常壓水解法主要用于木質纖維素的預處理和玉米芯等半纖維素含量高的原料的酸水解。該法可使大部分半纖維素分解。五、纖維素酶水解纖維素酶水解的理論（1）纖維素酶的來源凡是不僅能利用可溶性纖維素衍生物，而且可以利用天然木質纖維素的菌都能分泌纖維素酶系統(tǒng)。（2）纖維素酶系統(tǒng)由三個基本成分組成內切β-1,4葡聚糖酶類（CX酶)，作用于纖維素大分子的內部，隨機切割β-1,4葡萄糖苷鍵

外切β葡聚糖酶類(C1酶)，也叫微晶纖維素分解酶，作用于纖維素分子鏈的非還原性末端，產物是葡萄糖和纖維二糖。β-1,4葡萄糖苷酶(Cb酶)，水解纖維二糖和短鏈寡糖為葡萄糖。(3)纖維素酶水解機制六、纖維質原料酒精生產

工藝流程1.酸水解酒精生產工藝流程下圖是前蘇聯(lián)木材酸水解制造酒精的主要工藝流程。2.酶水解酒精生產工藝流程（1）分別水解、發(fā)酵工藝圖5-2-10Berkeley纖維素酶水解生產酒精流程（2）同步水解、發(fā)酵工藝圖5-2-11Gulf-Arkansas纖維素同步水解、發(fā)酵流程

生物表面活性劑

第一節(jié)生物表面活性劑概述

一、前言表面活性劑是當今生物技術中常用的和重要的化合物。它可以減少液體、固體和氣體界面間的表面或界面張力，使其在水或其他液體中容易混合或擴散因而廣泛應用于現代工業(yè)的幾乎每一個領域?，F今世界表面活性劑的年產量已超過300萬噸，產值高達約40億美元。目前大多數市售的表面活性劑主要來自石油的化學產品。生物表面活性劑：具有特別高表面活性的生物分子稱為生物表面活性劑。它可以來源于微生物、植物以及動物，其中微生物生產的生物表面活性劑是一類具有特別高的表面活性的生物分子，具有較好的兩親性和界面優(yōu)先分配的能力，而且比較適合于工業(yè)化生產。生物表面活性劑與合成表面活性劑相比具有以下優(yōu)勢：●具有特別高的表面活性和乳化活性；●生物可降解性；●沒有毒性或者毒性低于化學表面活性劑；●可在極端的溫度和酸堿條件下使用。二、生物表面活性劑的基本特性

生物表面活性劑由親水和疏水部分組成，親水部分由單糖、二糖或多糖、羧酸、氨基酸或肽組成，而疏水部分往往是飽和、不飽和或羥基取代的脂肪酸。對于一些高分子量的表面活性劑分子，如蛋白質－多糖絡合物，其親水和疏水部分由不同的分子提供。（一）特性和功能生物表面活性劑可將發(fā)酵液表面張力降低到0.03N/m以下，將正構烷烴的界面張力降低到0.13N/m以下。一些生物表面活性劑也表現出較好的熱與化學穩(wěn)定性。（二）生理學功能生物表面活性劑的生理學功能都與生物表面活性劑的兩親性有關。1.可以增強非極性底物的乳化作用和溶解作用，從而促進微生物在非極性底物中的生長。2.抗生性生物表面活性劑（主要為脂肽和甘油酯）具有殺蟲活性。這是由于它具有兩親性，能溶解大多數細胞膜成分而具有抗生素功能。三、生物表面活性劑的類型微生物生產的生物表面活性劑的類型主要取決于所采用的微生物。從化學類型可分為：（一）糖脂和分枝菌酸脂分枝菌酸脂海藻糖脂鼠李糖脂槐糖脂（二）肽和聚合物益沐神（Emulsan)

由乙酸鈣不動桿菌產生莎梵婷（Surfactin)

由枯草芽孢桿菌生產（三）脂肪酸（四）磷脂第二節(jié)生物表面活性劑的生產一、生物表面活性劑的合成及其遺傳學（一）生物合成1.概論生物表面活性劑的生物合成途徑多種多樣，有從頭合成疏水部分、親水部分或者兩者都合成，對于那些非從頭合成的組分通過改良碳源如糖類、烷烴等來生產，各種不同碳源基質常常能被結合進生物表面活性劑，形成一屬有關的分子。

在脂肽中，脂和肽部分都由烷烴直接合成。糖脂如海藻糖脂是一個典型的化合物，其親水部分（海藻二糖）不受碳基質的影響，而脂肪酸部分則取決于進料烷烴的鏈長。以烴類為基質生產的生物表面活性劑是生物表面活性劑中的一大類，許多微生物都可以以烴類為單一碳源生長。酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴，細菌則除了降解異構烴或環(huán)烷烴以外，還利用不飽和烴和芳香族化合物。

微生物降解烴類存在的主要問題是烴的憎水性。各種微生物以不同方式解決這一問題。細菌和酵母菌通過分泌離子型表面活性劑，使培養(yǎng)基中的烴基質乳化。另一些微生物則產生非離子表面活性劑?？傊跓N基質培養(yǎng)時，各種微生物都產生有利于烴基質被動擴散而進人細胞內的效應，這是通過由微生物產生的一大類物質起作用。這類物質也就是所謂的“生物表面活性劑”。

微生物以烴類為基質產生出生物表面活性劑可能由兩方面的原因：（1)當生物表面活性劑為胞外產物時，它有利于烴類乳化；（2）當生物表面活性劑為胞壁結合型時，有利于烴類穿透漿膜外周間隙2.脂肪酸的合成在生物表面活性劑生產中，脂肪酸的碳鏈范圍通常很窄，主要是C16酸、C18酸及C20酸。（1）乙酰－CoA的來源

細菌中

酵解

丙酮酸脫氫酶葡萄糖丙酮酸乙酰－CoA

酵母菌和霉菌中乙酰－CoA通過與肉毒堿或草酰乙酸反應透過線粒體。當以乙醇或乙酸等C2基質作為生長培養(yǎng)基時，乙酰－CoA就會直接合成。（2）乙酰－CoA的羧基化乙酰－CoA被乙酰－CoA羧化酶羧化成丙二酰－CoA，然后作為C2供體，以乙酰為單位在合成脂肪酸中逐步使碳鏈延長。（3）碳鏈的延伸過程乙酰基與丙二?；s合，產生C4單元，然后還原，脫水，C4單元進一步還原，形成丁?；□；c另一個丙二酰基縮合，按上述過程循環(huán)，產生C6單元，如此反復循環(huán)直至形成長鏈酰基。（4）從烷烴生物合成脂肪酸雖然非極性的烴類基質不溶于水，也不易被氧化，但在微生物產生的表面活性劑的作用下，微生物可以利用烷烴供其生長。烷烴和有關化合物異化作用的結果，合成得到的脂肪酸再被用于構成表面活性劑中的類脂部分。脂肪酸的去向：直接結合成更為復雜的類脂；通過其他代謝途徑進一步代謝；作為許多微生物的培養(yǎng)基質，，用來合成生物表面活性劑。3.類脂的合成生物表面活性劑的非極性憎水部分通常是由一個或多個長鏈?；鶚嫵傻念愔?。盡管由全程合成或由烴氧化生成脂肪酸在胞外可以以游離形式存在，但當胞內脂肪酸濃度大于某一極限時，細胞就不能耐受其毒性，因此，脂肪酸在細胞外必須以某種酯化形式存在，以減少對細胞的毒性。真核細胞中最常見的類脂儲藏形式時脂肪酸與甘油形成的甘油單、雙、三酯，細菌中則可形成多種脂肪酸酯。（二）遺傳學

生物表面活性劑合成的遺傳學分析還處于早期階段，利用DNA技術控制生物表面活性劑生產進展很慢，目前用遺傳工程生產生物表面活性劑的例子只有將乳糖利用基因在銅綠假單胞菌中的表達，使得其在乳糖或乳酪清中得以生長并生產鼠李糖脂。

最近，用B.Subtilis生產表面活性劑所需的srfA基因，已被置于一個可誘導促進因子的控制之下，從而表面活性劑的生產僅僅依賴于在生長培養(yǎng)基中加入誘導物isopropyl-β-galactoside(IPTG)，其他具有增強生物表面活性劑生產的重組微生物也已經得到。二、生物表面活性劑的生產生產生物表面活性劑的微生物可分為三類：完全以烷烴為碳源生產表面活性劑，如Arthrobactersp;

僅以水溶性底物為碳源，如Bacillussp;

以烷烴和水溶性底物為碳源，如Pseudomonassp

與其他微生物發(fā)酵一樣，生物表面活性劑生產的目的是獲得最大的產率、轉化率和最終濃度。另外，減少其他代謝產物的積累十分重要，因為它們會影響產品的物理性質和提取過程。（一）培養(yǎng)基1.碳源是影響生物表面活性劑結構和產量的關鍵。加入烷烴對生物表面活性劑的生產既可能起誘導作用，也可能起阻礙作用。生物表面活性劑前體物質（蔗糖）的加入可以形成甘油脂親水支鏈的組成部分，同樣脂肪酸部分的結構也受烷烴鏈長的左右。2.氮、磷、金屬離子和其他添加劑等營養(yǎng)成分也可能會影響生物表面活性劑的生產。例如，BacilluslichenifomisJF-2的脂肽生物表面活性劑的生產中，將磷濃度從100mmol/dm3降低至50mmol/dm3，可將產量從35mg/dm3提高到110mg/dm3。多價離子對生物表面活性劑生產的影響可能與氮代謝有關。青霉素或氯霉素等抗生素的加入增強或抑制生物表面活性劑的生產。3.此外，像許多其他發(fā)酵一樣，培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基pH和溶解氧水平或攪拌速率對生物表面活性劑生產也具有重要影響。（二）發(fā)酵

大多生物表面活性劑在微生物生長的穩(wěn)定期和對數期都釋放到培養(yǎng)基中。生物表面活性劑的生產可以在低稀釋率下通過分批或連續(xù)發(fā)酵進行。對于可以通過休止細胞產生的生物表面活性劑，可以通過固定化酶進行生產，并可以結合具有吸附柱的生物反應器。除傳統(tǒng)的液態(tài)發(fā)酵技術外，其他發(fā)酵操作也已被應用于生物表面活性劑的生產。例如，利用重組Bacillussubtillus在豆腐殘渣上固態(tài)發(fā)酵生產Surfactin,其產量是液體發(fā)酵的4倍以上。第三節(jié)生物表面活性劑的合成代謝調節(jié)一、生物表面活性劑生產中的代謝調節(jié)生物表面活性劑合成前體的代謝途徑有多種，在某種程度上取決于主要碳源的性質。從碳水化合物合成糖脂表面活性劑時，有關的微生物代謝主要是糖解和脂肪形成；當以烴類為基質時，主要是脂解和糖原異生。（一）碳水化合物分解代謝的機理

微生物產生生物表面活性劑常常以烴類為基礎，然而也能以碳水化合物為基質。雖然生物表面活性劑分子由糖和類脂兩部分構成，但在以碳水化合物為基質時，整個分子的合成速度受類脂的合成速度所控制。因此，影響碳水化合物基質中脂肪酸形成的因素同樣也可能影響生物表面活性劑的合成。

圖7-1從從碳水化合物基質合成生物表面活性劑前體的中間代謝

A一磷酸果糖激酶B一丙酮酸激酶C一異檸檬酸脫氫酶

D——ATP／檸檬酸裂合酶和丙酮酸脫氫酶A、B、C和D為關鍵酶（二）烴代謝的控制機理

脂肪酸可以從烴，如正構烷烴合成得到。然后，脂肪酸基可以很方便地構成表面活性劑分子。但是，由于表面活性劑分子中還含有糖部分，它的合成必須經由糖異生途徑，即通過β-氧化將脂肪酸氧化到乙酰一CoA，或將奇數碳脂肪酸氧化到丙酰一CoA

。這樣，在異檸檬酸裂合酶的作用下，經過蘋果酸、乙醛酸循環(huán)，烴類氧化得到的乙酰一CoA最終轉化成草酰乙酸。它隨后由磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸。

圖7-2從烴基質合成生物表面活性劑前體的中間代謝·A一異檸檬酸裂合酶B一蘋果酸合成酶C一磷酸烯酸式丙酮酸羧基激酶

D—1，6－二磷酸果糖酶A、B、C和D為關鍵酶（三）生物表面活性劑合成的調節(jié)

生物表面活性劑的合成可通過油性物質的誘發(fā)作用、葡萄糖等物質的代謝抑制、限氮及限多價陽離于以及其他作用方法調節(jié)。此外，改變微生物生長速度常常會使生物表面活性劑過量生產。溫度對生物表面活性劑合成也有調節(jié)作用。目前研究最多的是烴和其他不溶于水的物質誘發(fā)微生物生產生物表面活性劑的調節(jié)方式。

據認為，烴的存在對生物表面活性劑的生成起誘導作用，且發(fā)現在生長培養(yǎng)基中添加烴時生長的細胞在形態(tài)學上有顯著的差異。烴的類型可能也很重要。例如不動桿菌生產的乳化劑對特定烴類有一定的專一性。

第四節(jié)生物表面活性劑的應用與前景一、生物表面活性劑的應用1.生物表面活性劑在石油工業(yè)中的應用（1）利用微生物和微生物表面活性劑回收巖層中的石油。（2）利用微生物表面活性劑降低石油粘滯度和凈化貯油罐。2.生物表面活性劑在采礦工業(yè)中的應用生物表面活性劑可促進無機礦質的分散。乙酸鈣不動桿菌產生的陰離子多糖可防止石灰石水混物發(fā)生絮凝，使其產生10％的分散，也可促使石灰石裂解為小顆粒。3.生物表面活性劑在食品工業(yè)中的應用乳化可在食品原料形成一定的濃度、質地和分散相中發(fā)揮重要作用。生物表面活性劑可作為乳化劑用于食品原料的加工，也可用于面包和肉類生產，改善面粉的流變學特征，以及部分裂解的脂肪組織的乳化。4.生物表面活性劑在農業(yè)中的應用近年來，鑒于化學農藥對環(huán)境的污染，全球科學家均十分關注利用生物表面活性劑對作物病蟲害進行生物防治。生物表面活性劑可使粘重土壤親水化，進而增加其可濕性，令肥料和農藥均勻地分布于土壤。還可增加有機磷殺蟲劑地溶解度。5.生物表面活性劑在醫(yī)藥中的應用已證實微生物產生的表面活性劑可供藥用。例如銅綠假單胞菌產生的鼠李糖脂、枯草芽孢桿菌和地衣狀芽孢桿菌產生的脂肽，以及南極假絲酵母產生的甘露赤蘚糖脂都有抗微生物活性。6.生物表面活性劑在保健化妝品中的應用微生物表面活性劑具有一定的保濕能力，且可與皮膚相容。假絲酵母以棕櫚油和葡萄糖作為碳源可產生100～150g/L的槐糖脂。已生產出一種含有1摩爾槐糖脂和12摩爾丙二醇的皮膚保濕劑。7.生物表面活性劑在環(huán)境保護中的應用（1）用生物表面活性劑消除海域中的石油污染。已發(fā)現例如銅綠假單胞菌SB30等所產生的乳劑可將海灘中的石油迅速分散為微滴。（2）利用微生物表面活性劑消除土壤中的烴污染

Bai等（1997）利用銅綠假單胞菌產生的陰離子鼠李糖脂生物表面活性劑，消除了沙柱中84％或22％的殘余烴類（十六碳烷烴）。（3）用微生物表面活性劑消除多環(huán)芳族烴和脂族烴只有少數微生物可降解土壤中具有4個以上稠合芳香環(huán)的多環(huán)芳族烴。微生物表面活性劑可通過增溶作用或乳化作用，使吸附于土壤有機物質的烴脫落。（4）用生物表面活性劑消除土壤中的金屬污染將微生物表面活性劑加入土壤，可促進土壤中重金屬的脫附。例如Tan等（1994）曾利用銅綠假單胞菌ATCC9027產生的鼠李糖脂消除土壤中的鎘污染。8.生物表面活性劑在其他方面的應用微生物表面活性劑還可用于水處理、紙漿合造紙工業(yè)、紡織工業(yè)、陶瓷工業(yè)、鈾礦開采、木材防腐、瀝青和水泥。

生物農藥第一節(jié)生物農藥概況第二節(jié)微生物農藥第三節(jié)農用抗生素第四節(jié)源于植物的生理活性物質第五節(jié)動物源農藥第一節(jié)生物農藥概況一、生物農藥的發(fā)展在農藥的發(fā)展歷史中，生物農藥是最古老的一類。

《周李·秋官》就有“莽草熏之”“焚牡菊，以灰灑之”等防治害蟲的記述；

19世紀以來，應用生物成分防治有害物從經驗上升到科學的試驗階段，如除蟲菊、魚藤和煙草等的應用；20世紀早期，蘇蕓金桿菌（B.thuringiensis)的發(fā)現促進了微生物農藥的發(fā)展；

20世紀30年代以來，幾類植物內源激素先后被發(fā)現和利用，20世紀40年代后，由于有機合成農藥的發(fā)展，使生物農藥的研究和開發(fā)被忽視而發(fā)展緩慢；

20世紀60年代，化學農藥的弊端暴露出來，生物農藥的研究又受到重視；最近的幾十年，生物農藥得到了長足發(fā)展，中國近三年生物農藥增長了80％，2000年銷售額所占比例由9％上升至20％。二、生物農藥的內涵

過去，生物農藥就是指“微生物農藥”。后來，其概念發(fā)展為“相對于化學農藥而言的天然資源的生理活性物質，用于農藥的有微生物、植物（除蟲菊、煙堿等）、昆蟲（性引誘劑、變態(tài)激素等）。迄今為止比較公認的定義是，生物農藥是可以用來防治病、蟲、害等有害生物的生物體本身及源于生物，并可作為“農藥”的各種生理活性物質。

生物農藥一般可分為直接利用生物體和利用來源于生物體的生理活性物質兩大類。三、生物農藥的優(yōu)缺點

由于化學農藥大都是抗生物降解的毒害性化合物，能通過食物鏈在生物體內積累，已造成嚴重污染，故作物保護從化學防治向生物防治轉化是發(fā)展的趨勢。目前全世界已注冊的生物農藥約有60多種，年銷售額為2.5～3億美元。1.生物農藥的優(yōu)點（1）對有害物選擇性高，對生態(tài)系統(tǒng)影響較小；（2）對非靶標昆蟲、益蟲和人很少或沒有影響；（3）昆蟲不易產生抗性；（4）在環(huán)境中無殘留。2.生物農藥的局限性（1）已獲批準使用的種類較少，僅有20多種；（2）殺蟲速度緩慢；（3）一些制劑在環(huán)境中不穩(wěn)定；（4）生產成本較高。四、生物農藥研究展望

隨著人們對化學農藥弊端和環(huán)保重要性的進一步認識，生物農藥將是21世紀農藥研究重點，以下幾個方面將會受到重視。作用機制獨特的生物農藥品種將是研究開發(fā)的熱點之一。如生長調節(jié)物質、行為調控化學物質等。生物與化學方法相結合，開發(fā)生物化學農藥。生物技術向生物農藥研究滲透。如轉B.t.抗蟲棉等的成功。第二節(jié)微生物農藥■細菌殺蟲劑■病毒殺蟲劑■真菌殺蟲劑■放線菌殺蟲劑■線蟲殺蟲劑■拮抗微生物■微生物除草劑一、細菌殺蟲劑細菌殺蟲劑是目前研究和利用的較多的一類微生物農藥。根據細菌對昆蟲的致病性，將其分為4類：（1）含晶孢子形成桿菌，如蘇蕓金芽孢桿菌（簡稱B.t.);（2）專性病原菌，如日本甲蟲芽孢桿菌（B.popilliae);（3）兼性病原菌，如銅綠假單胞菌和球形芽孢桿菌等；（4）潛在病原菌，如粘質沙雷氏菌。細菌殺蟲劑中最典型的、研究歷史有90年之久的例子是芽孢桿菌屬（Bacillus）。其中以蘇蕓金芽孢桿菌、日本甲蟲芽孢桿菌、球形芽孢桿菌、緩病芽孢桿菌（B.lentimorbus）等研究得最多。蘇蕓金芽孢桿菌（B.thuringiensisBerliner)是以德國的蘇蕓金（Thruingen)地方名命名的。1909年德國蘇蕓金的一個面粉廠，發(fā)現一批染病的地中海粉螟幼蟲，由柏林納首先分離出這種細菌，1915年命名為蘇蕓金芽孢桿菌。蘇蕓金芽孢桿菌（其制劑簡稱B.t.制劑）是目前商業(yè)開發(fā)最為成功的微生物殺蟲劑。主要用于防治棉、菜、果等150多種鱗翅目及其他多種害蟲，藥效比化學農藥高55％。據統(tǒng)計，1997年世界B.t.的銷售額已達9.84億美元。（一）作用機制1.蘇蕓金芽孢桿菌的形態(tài)和生活史蘇蕓金桿菌是營養(yǎng)體較粗壯、直形、能產生芽孢的桿狀細菌。一般具周生鞭毛，微動或不動，單個存在或2-4個相連呈短鏈。革蘭氏染色陽性。營養(yǎng)體一般在30℃經24－48h，在菌體偏端處產生卵圓形芽孢，隨著芽孢的產生，在孢子囊的另一端產生一個菱形或正方形的伴孢晶體。芽孢是休眠體，在適宜條件下，吸水萌發(fā)形成新的營養(yǎng)體，并重復上述發(fā)育階段。所以蘇蕓金桿菌的生活過程是：芽孢營養(yǎng)體孢子囊（內含芽孢和伴孢晶體）釋放出芽孢和晶體2.蘇蕓金桿菌所產生的殺蟲毒素（1）伴孢晶體毒素（δ－內毒素）所有蘇蕓金桿菌的菌株在正常條件下，都能形成伴孢晶體，伴孢晶體是一種大分子蛋白質，是一種原毒素。伴孢晶體所以對某些昆蟲有害，就在于這些昆蟲的消化道內pH值是堿性反應（pH8.9以上），并且它的消化液中含有胰蛋白酶類和糜蛋白酶類，十分適合晶體水解，且水解后產生具有毒性末端的多肽。

而伴孢晶體對脊椎動物是無毒的，除了脊椎動物腸道pH值呈酸性反應外，還由于脊椎動物消化液中含的主要是胃蛋白酶類。蘇蕓金桿菌對鱗翅目昆蟲所引起的癥狀一般表現為行動遲緩、嘔吐、腹瀉、停止進食，導致最后死亡。（2）熱穩(wěn)定性外毒素（β－外毒素）熱穩(wěn)定性外毒素于1959年發(fā)現，由于它對家蠅有毒，也叫蠅毒素。它是細胞分泌的一種水溶性耐熱穩(wěn)定性毒素，120℃，15min的熱處理，仍保持活性。這種毒素在菌體生長過程中，在芽孢和晶體形成前即已產生，24h達到最大量。不是所有的蘇蕓金桿菌的各菌株都能產生熱穩(wěn)定性毒素，只有幾種血清型中的一些變種可產生。另外，β－外毒素的產生與培養(yǎng)方法、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)基成分和環(huán)境的pH值等因素有關。

熱穩(wěn)定性毒素不是蛋白質類物質，而是腺嘌呤核苷酸的衍生物。它的殺蟲譜系比伴孢晶體廣，遍及鱗翅目、雙翅目、膜翅目、鞘翅目和直翅目等多種昆蟲。昆蟲感病后表現為抑制發(fā)育、蛻皮后死亡，阻止化蛹及畸形變態(tài)等。熱穩(wěn)定性毒素對高等動物無大的毒害作用。（3）其他毒素

α－外毒素也叫卵磷脂酶C，這種毒素不是蘇蕓金桿菌所特有的，是許多溫血動物和人體的病原菌，如產氣莢膜梭菌也能產生。蘇蕓金桿菌產生的這種毒素能殺死19種葉蜂幼蟲，對老鼠也有毒。

β－外毒素這種毒素是一種或多種未鑒定的酶類，能使卵黃瓊脂變清。由于未證明其毒性，是否為真正的毒素尚待研究。不穩(wěn)定性外毒素這種毒素對空氣、日光、氧氣都很敏感，加熱60℃以上，10～15min即被破壞。化學成分已知有17種氨基酸和一個或多個低分子量（200-2000）的肽類，目前還不知整個混合物有毒還是僅一種特殊的肽類有毒。（二）對害蟲的釋放方式

蘇蕓金桿菌雖然有很高的環(huán)境安全性，但是，在典型的田間條件下（如紫外線降解和雨淋），蘇蕓金芽孢桿菌在植物葉片上的停留時間只有幾小時甚至更短。1980s美國孟山都公司將蘇蕓金芽孢桿菌的內毒素蛋白基因克隆到寄生在植物上的假單胞菌中，其中能夠表達蘇蕓金芽孢桿菌內毒素蛋白的假單胞菌為死菌，這樣可保護蘇蕓金芽孢桿菌蛋白免遭環(huán)境降解。為提高殘留活性，還有的在生產B.t.制劑時加入抗紫外保護劑及其他添加劑。（三）用遺傳工程手段改進B.t.制劑B.t.制劑由于其本身存在的一些局限性，不能被人們廣泛接受，近年來人們采用遺傳工程技術來改造B.t.制劑。遺傳工程應用在B.t.制劑上的主要研究目的是擴展其用途及生物活性譜。例如，已經商品化的產品就是將分別編碼對膜翅目活性和編碼對鱗翅目活性的兩個質粒接合在一個菌種上，因而其對膜翅目和鱗翅目昆蟲均有活性。（四）生產方法

采用傳統(tǒng)的分批深層發(fā)酵技術。培養(yǎng)基成分為：大豆粗粉15g/L,葡萄糖5g/L，淀粉5g/L。