环境生物技术专业知识一览 - 图文

Course Aims:

Understand the role of microorganisms in the treatment of solid, liquid and gaseous wastes

Understand the range of bioremediation technologies available and the practical benefits and limitations of bioremediation

Apply the knowledge of (1) and (2) above, to address a series of “real life” environmental problems by presentations

Understand how molecular biology is impacting on environmental biotechnology processes

Biotechnology is the manipulation 操纵/控制of living organisms and organic material to serve human needs. Examples:

Yeast in bread making and alcohol production

Use of beneficial bacteria (penicillin 青霉素) to kill harmful organisms Cloning of plants and animals Artificial insemination 人工授精

Recombinant DNA technology-extracts DNA from one organism for use in another, allowing more rapid and specific improvements in plants and animals

Plant Tissue Culture-gains widespread acceptance as a method to quickly and cheaply produce genetically identical plants

Bt corn and soybeans 大豆 are introduced offering “natural” insect resistance by the introduction of a gene from the bacterium Baccillus芽孢杆菌 thuringensis Bt蛋白中的Bt是细菌Bacillus thuringiensis苏云金杆菌

生物技术应用在农业科学、植物科学、动物科学、环境科学、医药健康方面

植物科学可应用在园艺转基因植物，动物科学可以在体外受精和人工授精选择育种。 环境科学清除污染物和保护受威胁的品种）生物修复），免疫测定试验测定在土壤、水和血液中的污染物，设置生物屏障保护有害微生物的转移。

医药健康主要在利用植物和动物生产药物，DNA亲子鉴定来测试动物的血统。 Use your biotechnology books to define the following terms: Cloning

Clonal Offspring后代，结果

Deoxyribonucleic acid脱氧核糖核酸 Genetics遗传学 Genetic Engineering

GMO转基因生物 (genetically modified organism) Ribonucleic Acid核糖核酸 Transgenic Organism

Bioremediation: Application of biological process principles to the treatment of groundwater, soil and sludge contaminated with hazardous wastes. Bioremediation is defined by the American Academy of Microbiology as \organisms to reduce or eliminate environmental hazards resulting from accumulations of toxic chemicals and other hazardous wastes\

Environmental Biotechnology: Application of biological process principles原理 and engineering principles for the treatment of liquid, solid and gaseous气态的 wastes。

Including：bio-elimination、bio-remediation、biodegradable material

生物技术有红色生物技术（医药，设计微生物生产抗生素，通过基因操作基因治疗疾病），白色生物技术（也叫灰色生物技术，工业，设计微生物生产有用物质，消耗更少的原料），绿色生物技术（农业，转基因植物在特定条件下生产化学物质，减少杀虫剂，Bt玉米），蓝色生物技术（海洋和水产业） 研究流行趋势

Molecular Ecology分子生态学 使用生物技术（如DNA指纹图谱）更好地理解自然、防止某些品种灭绝，保护生物多样性，新品种的出现和进化，生物柴油的提取。 Bioremediation生物修复 细菌把有害物质转化为少害、容易处理的废物，主要还有植物的修复、原油泄漏处理、工程菌的应用。

Biosensors生物传感器 使用生物实体来检测特定化学物质和生物的数量。检测生态系统中的有害物质、空气中的病原菌、监测血糖浓度。

Biofuels 生物燃料 减低二氧化碳在大气中的排放。在汽油中加入玉米乙醇，从食油中提取生物柴油，从废弃物中产生沼气、产氢。

生物技术可以替代、扩大化学工业生产源于：高特异性、低温低压、低能耗、少废物、低害终端产品

Core of environmental biotechnology is Microbiology Process

工程问题有：速率产率。最佳表现：反应容器尺寸，氧气需要，加热/冷却需要，营养需求。活性污泥模型、流体的计算、生物膜的描述

环境微生物学：研究微生物的自然特性，微生物的多样性（在环境中的不同种类的微生物） 微生物生态学：研究微生物和环境的相互作用，涉及生物和非生物物质，分布，微生物的数量和丰富度。

微生物生存在各种环境。微生物的最基本的角色是生物化学的催化剂。 传统的环境生物技术 应用范围 生物废弃物和废水处理 烟气生物处理 土壤生物修复 有害物质的生物降解 沼气的产生 堆肥 关键词 有和重金属机化合物，N、P、S 臭气、硫化物、易挥发的芳香族化合物 体内共栖生物、石油、聚氯联苯 体内共栖生物、有害化合物 从填埋物、湿有机废弃物 有机垃圾 新发展 应用范围 工程生物吸附剂 设计链 提高生物降解的酶工程 工程过程 环境友好产品 生物化学过程：C、N、P、S循环

关键词 重金属、染料、臭气、悬浮物 重组DNA微生物、杂交细胞 高效率、低费用 生物修复、生物监测、生物传感器 生物降解塑料、生物杀虫剂、生物降解塑料

硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程。硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。通常发生在通气良好的土壤、厩肥、堆肥和活性污泥中。 硝化作用由自养型细菌分阶段完成。

第一阶段

第一阶段为亚硝化，即铵根（NH4+)氧化为亚硝酸根（NO2-）的阶段。参与这个阶段活动的亚

硝酸细菌主要有 5个属：亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas) ；亚硝化囊杆菌属(Nitrosocystis)；亚硝化球菌属(Nitrosococcus)；亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化肢杆菌属(Nitrosogloea)。其中，尤以亚硝化毛杆菌属的作用居主导地位，常见的有欧洲亚硝化毛杆菌 (Nitrosomonas europaea)等。 硝化作用过程

第二阶段

第二阶段为硝化，即亚硝酸根（NO2-）氧化为硝酸根（NO3-）的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3个属：硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属 (Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌(Nitrobacter winogradskyi)和活跃硝酸细菌 (N. agilis)等。

其他

除上述的自养型微生物外，土壤中还有大量多种异养型微生物在培养基上，也能将氨和有机氮化物氧化为N囯或囶,但其硝化能力低于自养型硝化细菌。也有人认为，异养型硝化微生物的硝化能力虽弱，但在土壤中的数量却十分庞大，因而在硝化作用中也有相当意义。

脱氮作用

也称反硝化作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：NO3-→NH4+→有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（N2），称为反硝化作用或脱氮作用：NO3-→NO2-→N2↑。能进行反硝化作用的只有少数细菌，这个生理群称为反硝化菌。大部分反硝化细菌是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸，其生化过程可用下式表示：

C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量

CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量

少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或硝酸盐获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。可进行以下反应：

5S+6KNO3+2H2O →3N2+K2SO4+4KHSO4 反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤中氮素营养的含量，对农业生产不利。农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用。

共代谢（co-metabolism）

有一类物质称为外生物质或异生物质，是指一些天然条件下并不存在的由人工合成的化学物质，例如杀虫剂，杀菌剂和除草剂等，其中许多有易被各种细菌或真菌降解，有些则需添加一些有机物作为初级能源后才能降解，这一现象称为共代谢。学术文件中的解释为： 解释一：必须在生长基质和其他可转化化合物存在下，微生物对非生长基质的转化。 解释二：只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程。

生物进程会受到环境因素的严重影响，例如pH，温度，C、N、P含量，生长因子，维生素，盐等。还有不同的行为会引起不同的结果，如会使用NaOH或者NH4Cl调节pH会有不同的结果(Na+会抑制需氧量或NH4+增加需氧量）。

生物降解：一个减少化合物复杂程度的生物过程。 矿化：有机物降解到无机物的过程。

生物转化指的是结果终端不是矿物的生物进程。矿化是结果终端产物是无机物的生物进程。 生物降解包括好氧和厌氧的降解，减少污染物的含水率、质量，大量的重要过程会导致污染物质质量减少。

生物降解需要特定的条件。微生物需要化合物的碳和能量生长。 微生物需要（1）食物：碳供应和能量供应。（2）呼吸基质：一些需要呼吸的东西，一些利用氧作为电子受体，其他使用可替代物包括氯溶剂，否则/另外电子供体作为能源物质。 电子供体：化合物在氧化是供出电子，简单的有机物如糖类、酒精、和能氧化成二氧化碳的烃类

电子受体：化合物在还原是接受电子，无机化合物如氧气、硝酸盐、硫酸盐、金属氧化物 或者CO2能各自被还原成水、四氧化二氮、硫化氢、溶解金属、甲烷。 电子受体优先顺序O2 NO3- Fe (III) Mn (IV) SO42- CO2, Organics

如果是氧气作为最后的电子受体，就叫做好氧生物降解。其他就被归类为厌氧生物降解过程。在很多情况下，细菌只能使用一种最终的电子受体。兼性厌氧能使用氧气，但无氧条件下 能转化为利用硝酸盐。

Obligate aerobes 专性需氧菌，只能使用氧气作为电子受体。

Facultative anaerobes兼性厌氧菌，有氧时使用氧，无氧时使用其他作为电子受体 Obligate anaerobes 专性厌氧菌，专一使用其余的电子受体，氧气是有毒的。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ag9v.html