环境生物工程李福利环境生物工程n 环境中主要污染物 n 生物净化与生物废料再生 n 微生物与环保 n 石油污染的生物治理 n 耐热微生物生物脱硫研究环境基本概念在环境科学领域，环境的含义是：以人类社会为主体 的外部世界的总体。按照这一定义，环境包括了已经为人类所 认识的，直接或间接影响人类生存和发展的物理世界的所有事 物。它既包括未经人类改造过的众多自然要素，也包括经过人 类改造过和创造出的事物。需要特别指出的是，随着人类社会的发展，环境的概 念也在变化。以前人们往往把环境仅仅看作单个物理要素的简 单组合，而忽视了它们之间的相互作用关系。进入七十年代以 来，人类对环境的认识发生了一次飞跃，人类开始认识到地球 的生命支持系统中的各个组分和各种反应过程之间的相互关系 。对一个方面有利的行动，可能会给其他方面引起意想不到的 损害。 主 要 环 境 污 染 物 简 介 一、空气主要污染物n1. 二氧化硫(SO2) 二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫 物质燃烧产生。 二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道粘膜有强烈 刺激性另外，二氧化硫对 金属材料、房屋建筑、棉纺化纤织品 、皮革纸张等制品容易引起腐蚀， 剥落、褪色而损坏。还可使 植物叶片变黄甚至枯死。n 2. 氮氧化物(NOx) NOx污染主要来源于生产、生活中 所用的煤、石油等燃料燃烧的产物 (包括汽车及一切内燃机燃 烧排放 的NOx) ；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾 气。当NOx与碳 氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射， 发生光化学反应，产生 一种光化学烟雾，它是一种有毒性的二 次污染物。 n 3. 粒子状污染物 空气中的粒子状污染物数量大、成分复 杂，它本身可以是有毒物 质或是其它污染物的运载体。煤烟、 工业生产过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风 的扬尘等， 以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物。n4. 酸雨 指降水的pH值低于5.6时， 降水即为酸雨。降水 酸度pH4.9时，将 会对森林、农作物和材料产生明显损害。n 5. 一氧化碳（CO） n6. 氟化物（F） 指以气态与颗粒态形成存在的无机氟化 物。氟化物对眼睛及 呼吸器官有强烈刺激，吸入高浓度的氟化 物气体时，可引起肺水肿和 支气管炎。n7. 铅及其化合物（Pb） 指存在于总悬浮颗粒物中的铅及 其化合物。主要来源于汽车排出 的废气。铅进入人体，可大部 分蓄积于人的骨骼中，损害骨骼造血系 统和神经系统，对男性 的生殖腺也有一定的损害。引起临床症状为贫 血、 末梢神经 炎，出现运动和感觉异常。我国尿铅80微克/升为正常 值，血 铅正常值小于50微克/毫升。二、地面水主要污染物1. 氨氮 指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来 源于人和动物的 排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达 2.54.5公斤。 氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现 象产生，是水体中 的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物 有毒害。2. 石油类 主要来源于石油的开采、炼制、储运、使用和 加工过程。石油类 污染对水质和水生生物有相当大的危害。漂 浮在水面上的油类可迅速 扩散，形成油膜，阻碍水面与空气接 触，使水中溶解氧减少。油类含 有多环芳烃致癌物质，可经水 生生物富集后危害人体健康。3. 化学耗氧量（COD） 是指化学氧化剂氧化水中有机污 染物时所需氧量。水中有机污染物主要来源于生活污水 或工业 废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。水体中有机 物含量过高可降低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽 时，水 质则腐败变臭，导致水生生物缺氧，以至死亡。二、地面水主要污染物4. 生化需氧量(BOD5) 生化需氧量也是水质有机污染综 合指标之一， 是指在一定温度 (20)时，微生物作用下氧化 分解所需的氧量。其来源、危害同化学 需氧量。5. 挥发酚 水体中的酚类化合物主要来源于含酚废水酚类 属有毒污染物，但其毒性较低。酚类化合物对鱼类有毒害作 用 ，鱼肉中带有煤油味就是受酚污染的结果。 6. 汞 汞（Hg）及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积 。水体中汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和 疼痛 等。 总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中 只有15%被脑 吸收，但首先受损是脑组织，并且难以治疗， 往往促使死亡或遗患终 生。7. 氰化物 氰化物具有剧毒。氰化氢对人的致死量平均为 50微克；氰化钠约 100微克；氰化钾约120微克。氰化物经口 、呼吸道或皮肤进入人体， 极易被人体吸收。急性中毒症状表 现为呼吸困难、痉挛、呼吸衰竭， 导致死亡。三、噪声从物理定义而言，振幅和频率上完全无规律的震 荡称之为噪声。 从环境保护角度而论，凡是人们所不需要的声 音统称为噪声。噪声的 显著特点是：无污染物存在、不产生能 量积累、时间有限、传播不远、 振动源停止振动噪声消失、不 能集中治理。噪声来源于交通工具、工 厂机器设备、建筑施工 和人们的社会、家庭活动。 噪声对人类的危害个是多方面的， 其主要表现为对听力的损伤、 睡眠干扰、 人体的生理和心理 影响。当人在100分贝左右噪声环境中 工作时会感到刺耳、 难受，甚至引起暂时性耳聋。超过140分贝的噪 声会引起眼球 的振动、视觉模糊，呼吸、脉膊、血压都会发生波动， 甚至会 使全身血管收缩，供血减少，说话能力受到影响。 生物净化与生物废料再生几个世纪来，人们相信有大气、土壤和水 体等组成的自然系统足以吸收人类的生活以及工农 业生产所产生的各种废物；这种想法在工业还不发达、人口密度不大 的时代和地区还有些道理，但在工业高度发达、人 口密度日益增高的今天，这种看法就明显落后了；当代，世界各国也都寻求通过立法来解决 环境污染的问题，即消除、最循环、再生（ Remove，Recycle、Regeneration）。生物净化与生物废料再生生物净化是指利用生物来除去环境中的生 物垃圾和有毒物质的过程。生物垃圾包括工农业生 产过程中所产生的废弃物，现在人们普遍认为，生 物垃圾是制造许多有经济价值的产品的原材料。在今天人口膨胀、食品及能源资源不足的 情况下，对资源的充分再利用就更显得意义重大， 目前这一问题已经引起了世界各国的充分重视。环境的污染n莫斯科 1993年 格德.鲁德威 1973年以后在莫斯科工 业区附近，已经出生了 90名四肢不全的畸形儿 。 (国家地理杂志) 美国密歇根州铜矿及工厂产生 的尾料将湖水染红战争的污染可怜的伊拉克(from 国家地理杂志) 酸雨的危害n美国纽约州 ，阿第伦达克山 1980年 泰德.史匹格尔 早春时节的酸雨 酸雪污染了河川 ，造成一场致命 的“酸流”，令溪 鳟纷纷死于鳃部 伤害。 (国家地 理杂志) 现代生物技术在降解非生物物质中的 应用环视四周，有毒废弃物给人们所造成的环 境问题是触目惊心的：据统计，仅在1985一年中，全世界所产生 的有毒废弃物五氯苯（PCP）就达到50000吨；目前，全世界投入生产的化学物质有500 多万种，而且这个数字还在以每年数千种的速度不 断上升。现代生物技术在降解非生物物质中的 应用过去，人们通常采用焚烧和化学处理这两 种方法来处理这些有毒废弃物，遗憾的是这些方法 成本较高，而且会产生新的污染物质。现代生物技术在降解非生物物质中的 应用到20世纪60年代中期，人们发现一些土壤 微生物可以降解非生物物质，例如除草剂、杀虫剂 、制冷剂等。人们可以通过利用微生物的方法来清除有 毒废弃物，这种通过微生物降解废物的方法为人类 提供了一种安全有效的方法，且成本低廉。生物降解途径的基因工程转移质粒：某一菌株常常局限于分解免 疫种化合物，但在废弃物中通常含有多种化学物质 ，因此，很有必要扩展某一特定菌株的分解范围。 最简单的方法是通过结合作用把编码不同降解途径 的酶的基因导入同一受体菌中。如果两种质粒具有 同源性，那么他们可能会重组成为一个大的、具有 多种功能的融合质粒。生物降解途径的基因工程Chakrabarty等人在20世纪70年代首 先构建成功了含有多种降解功能的细菌菌株。他们 使用不同的质粒来构建能分解石油中的一系列碳氢 化合物的菌株，该菌株被称为“Superbug”，因为它 的代谢能力远远高于其它菌株。生物降解途径的基因工程具体实验如下：通过结合作用，pCAM质粒( 具有降解莰酮功能)被转入含有pOCT质粒（具有辛烷降解 能力）的菌株中，但这两种质粒是不相容的，不能作为两 个独立的质粒而共存于同一个细胞中。经过重组，这两种 质粒形成了一个较小的，同时具有pCAM 和pOCT的降解 功能的单一质粒。通过接合作用将带有pNAH的质粒（具 有萘降解功能）转入含pXYL质粒（具有降解二甲苯功能 ）的菌株中。pNAH质粒于pXYL质粒是相容质粒，可在同 一宿主菌中共存。然后将pCAM/OCT融合质粒转入pNAH 与pXYL质粒共存的菌株中，这种新的重组菌株在原油中 比含有单一质粒或两种质粒的菌株能够更好的生长。微生物与环保我们大家谁也 不愿意生活在一个 充满污染的环境之 中，然而，环境污 染却有日益加剧的 趋势。 微生物与环保这一方面是 源于工业和现代文明 的发达；一方面也由 于人类尚缺乏环保意 识和治理环境污染的 有效方法。 全球商业性捕鱼简史 1900年与1995年之比较微生物与环保海上石油泄漏事件时有发生；包含着众多 有害物质的污水大量倾入江河湖海；工厂的黑烟的 遮住了美丽的天空；由难以分解的一次性塑料袋造 成的白色污染总是令人不安 微生物与环保所有这一切，依靠工业及其相关 技术是难以解决的，而现代生物技术在环 境保护方面却可以发挥它的“奇效”。 微生物与环保前面我们已经谈到过，微生物本领 很大。形形色色的微生物构成的微生物大军 已经形成了在人类生产生活的各个领域皆能 大出风头的“全能选手”。在环境保护领域 也不例外。 微生物与环保n 微生物的生存空间十分广阔，到处都有这 些小家伙寄生的踪迹。十分有意义的是，微生物通 过自身的代谢活动，可以改变其赖以寄生的各种物 质的化学性质，比如说把纤维物质转化为汽油、沼 气等。在种类繁多的微生物中也不难找到可以用来 清除污水、污物中有害物质的种类，利用它们对这 些有机、无机的污染物质的吸收转化功能，对环境 保护将起到积极的作用。 微生物与环保n 然而，要有效地清除环境污染，单纯依靠 天然微生物资源是远远不够的。科学家们依靠基因 工程、细胞融合等高超技术，不仅对现有微生物种 类进行反复的筛选和改造，而且重新组建了一批清 除污染的“尖兵”。具有特殊功能“工程菌”、“ 超级菌”，能够高效率地分解有机污染物，从而将 应用生物技术消除环境污染提高到了一个崭新的水 平。 微生物与环保近些年来，能够消除海面上石油污染的“ 石油菌”，能够分解毒性很强的金属汞化物的新型 耐汞细菌，甚至能够把毒性很强的有机物，如酚类 、氰类等分解利用的生物工程菌纷纷应运而生，显 示出了微生物在治环境污染方面的潜在应用价值。比如，科学家们将能降解石油的几种基因 ，结合转移到一株假单孢菌中，构建成了能够降解 多种原油成分的“超级微生物”。在油田、炼油厂 、油轮以及被石油污染了海洋、陆地，它都可以发 挥去除石油污染的效力。微生物与环保选用能够降解污染物的微生物，采用生物 技术将它们富集起来，再将这些微生物固定在生物 膜上，做成生物反应器，安装在废水处理池中，就 可能达到净化污水的作用。日本的科学家则研制成了新型的有机废弃物处 理装置，它是一种高速发酵处理装置，利用发酵促 进剂在小时之内就可以使废弃物分解发酵，然 后再采用烘干法进行处理，以达到清除污染物的目 的。微生物与环保n 上面我们讲了微生物可以用来清除地上的污 染。那么，能不能利用微生物来净化空气呢？能！早在年，美国人就获得了“利用 微生物处理废气”的专利。国外在这方面给予了高 度重视，做了大量的工作。比如，德国的一家肉类 加工厂，把微生物悬浮液当作吸收剂，制成一个两 级工作的填料塔生物吸收装置，来净化含有氨、胺 、硫、醇