环境生物化学第五章.ppt

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55现代环境生物现代环境生物技术原理技术原理Contents1.1.现代生物技术概述现代生物技术概述2.2.酶工程基本原理酶工程基本原理3.3.基因工程基本原理基因工程基本原理4.4.微生物细胞工程微生物细胞工程环境生物化学环境生物化学5.1现代生物技术概述现代生物技术概述5.1.15.1.1现代生物技术定义现代生物技术定义1986年国家科委制订中国生物技术政策纲要时，将生物技术定义为：

以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。

环境生物化学环境生物化学现代生物技术定义现代生物技术定义先进的工程技术手段是指基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程等新技术。

改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。

生物原料则是指生物体的某一部分或生物生长过程中所能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化合物，甚至某些矿石。

环境生物化学环境生物化学现代生物技术定义现代生物技术定义为人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。

目的则包括疾病的预防、诊断与治疗，环境污染的检测与治理等。

环境生物化学环境生物化学5.15.1现代生物技术概述现代生物技术概述5.1.2现代生物技术及应用现代生物技术及应用现代生物技术主要包括：

基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程。

这些技术并不是各自独立的，而是相互联系、相互渗透的（图5-1）。

其中基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展，如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的工程菌或细胞，必须通过发酵工程或细胞工程来生产有用物质。

环境生物化学环境生物化学现代生物技术及应用现代生物技术及应用图5-1基因工程、酶工程、细胞工程与发酵工程之间的关系环境生物化学环境生物化学现代生物技术及应用现代生物技术及应用生物技术已广泛应用于农业、医药、化工、食品、环境保护等众多领域。

生物技术的应用过程示意图如图5-2所示。

环境生物化学环境生物化学现代生物技术及应用现代生物技术及应用图5-2生物技术的应用过程示意图环境生物化学环境生物化学5.15.1现代生物技术概述现代生物技术概述5.1.3现代环境生物技术现代环境生物技术

（1）环境生物技术的产生）环境生物技术的产生由于人口的快速增长，自然资源的大量消耗，全球环境状况目前正在急剧恶化：

水资源短缺、土壤荒漠化、有毒化学品污染、臭氧层破坏、酸雨肆虐、物种灭绝、森林减少等。

人类的生存和发展面临着严峻的挑战，迫使人类进行一场“环境革命”来拯救人类自身。

在这场环境革命中，环境生物技术担负着重大使命，并且作为一种行之有效、安全可靠的手段和方法，起着核心的作用。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术现代环境生物技术是现代生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边缘学科。

它诞生与20世纪80年代末期，以高新技术为主体，并包括对传统生物技术的强化与创新。

环境生物技术涉及众多的学科领域，主要由生物技术、工程学、环境学和生态学等组成。

它是由生物技术与环境污染防治工程及其他工程技术紧密结合形成的，既具有较强的基础理论，又具有鲜明的技术应用特点。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术广义上讲，凡是自然界中涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术，都可称为环境生物技术。

德国国家生物技术研究中心的K.Timmis博士将环境生物技术定义为应用生物圈的某些部分使环境得以控制，或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术。

环境生物化学环境生物化学包括以下三方面包括以下三方面1在环境中应用的生物技术，这是相对于一些在高度控制条件下的密闭反应器中进行的生物技术而言；2涉及到环境中某些可以看作为一个生物反应器部分的生物技术.3作用于一些必定要进入环境的材料的生物技术.环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术美国密歇根州立大学的J.M.Tiedje教授认为，环境生物技术的核心是微生物学过程。

近年来，环境生物技术发展极其迅猛，已成为一种经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂环境问题的最有效手段。

国际上认为21世纪生物技术产业化的十大热点中，环境污染监测、有毒污染物的生物降解和生物降解塑料三项属于环境生物技术的内容。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术严格地说，环境生物技术指的是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。

环境生物技术作为生物技术的一个分支学科，它除了包括生物技术所有的基础和特色之外，还必须与污染防治工程及其他工程技术相结合。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术环境生物技术可分为高、中、低三个层次。

高层次是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术，如基因工程菌的构建、抗污染型转基因植物的培育等；中层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理论和技术背景下产生的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等；环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地系统等。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术环境生物技术的三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段。

高层次的环境生物技术需要以现代生物技术知识为背景，为寻求快速有效的污染治理与预防新途径提供了可能，是解决目前出现的日益严重且复杂的环境问题的强有力手段。

中层次的环境生物技术是当今废物生物处理中应用最广泛的技术，中层次的技术本身也在不断改进，高技术也不断渗入，因此，它仍然是目前环境污染治理中的主力军。

低层次的环境生物技术，其最大特点是充分发挥自然界生物净化环境的功能，投资运行费用低，易于管理，是一种省力、省费用、省能耗的技术。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术各种工艺与技术之间可能存在相互渗透或交叉应用的现象，有时难以确定明显的界限。

某项环境生物技术可能集高、中、底三个层次的技术于一身。

为了解决日益严重的环境污染问题，需配合使用高、中、低三个层次的技术，针对不同的问题，采用不同的技术或不同技术的组合。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术

（2）环境生物技术的研究范围）环境生物技术的研究范围现代环境生物技术应用现代生物技术服务于环境保护，目前环境生物技术面临的任务有：

解决基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中，其遗传稳定性、功能高效性和生态安全性等方面的问题；环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术开发废物资源化和能源化技术，利用废物生产单细胞蛋白、生物塑料、生物肥料以及利用废物生产生物能源，如甲烷、氢气、乙醇等；建立无害化生物技术清洁生产新工艺，如生物制浆、生物絮凝剂、煤的生物脱硫、生物冶金等；发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的检测技术。

环境生物化学环境生物化学现代环境生物技术现代环境生物技术现代生物技术的发展，给环境生物技术的纵深发展增添了强大的动力，生物技术无论是在生态环境保护方面，还是在污染预防和治理方面以及环境监测方面，都显示出独特的功能和优越性。

环境生物技术也面临许多难题，而这些难题的解决，依赖于现代生物技术的发展去开辟道路。

人们有理由、有信心相信，最终环境问题解决的希望寄托在现代环境生物技术的进展和突破上。

环境生物化学环境生物化学5.25.2酶工程基本原理酶工程基本原理酶工程是研究酶的生产和应用的一门新的技术性学科，是利用酶的催化作用进行物质转化（合成有用物、分解有害物）的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。

酶工程的内容包括：

酶的生产与分离纯化、酶分子修饰、酶固定化、酶反应动力学与反应器和酶的应用等方面。

环境生物化学环境生物化学5.25.2酶工程基本原理酶工程基本原理酶工程的主要任务是：

通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其最大的催化功能，即利用酶的特定功能，借助工程学手段为我们提供产品或分解有害物质。

环境生物化学环境生物化学5.25.2酶工程基本原理酶工程基本原理酶工程的目的是：

为我们提供产品或以特定的功能来为我们服务。

本节主要介绍酶固定化、固定化酶反应动力学及酶在污染治理中的应用等方面。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念5.2.1酶固定化概念酶固定化概念酶的固定化技术就是通过物理或化学方法将酶束缚在一定区间内制成仍具有催化活性的酶的衍生物即固定化酶（immobilizedenzyme）。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念酶是生物体为维持自身的生命活动而产生的，它适于在生物体内进行化学反应。

但是，作为人类用于生产所需要的催化剂还不够理想。

例如，酶在一般情况下，对热、强酸、强碱和有机溶剂等均不够稳定，即使给予合适的条件也会随着反应时间的延续，反应速度逐渐下降最后导致失括。

同时，酶也不能反复利用且酶只能在水溶液中使用，不能在有机溶剂中使用。

而固定化酶能克服上述的缺点，它像有机化学反应中所使用的固体催化剂一样，同时仍具有生物体内酶一样强的催化活性。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念固定化酶具有下列优点：

可以使反应过程管道化、自动化，产物易从反应液中回收；酶的稳定性有所改进；酶的使用效率提高。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念酶的固定化使酶的应用达到新的水平，可把酶直接应用于化学工业的反应系统。

固定化酶的研究不仅具有实用价值，在探索酶的作用机制方面也提供了新的研究途径。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念固定化酶的研究开始于20世纪50年代。

1953年格仑布霍费（Grubhofer）和施莱思（schleith）将聚氨苯乙烯树脂重氮化，并将羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶或核糖核酸酶等结合固定到该树脂上，第一次实现了酶的固定化。

经过十多年的努力，到了60年代后期，固定化酶已经广泛应用于食品、医药和发酵等工业的生产。

1978年，我国首次使用固定化5磷酸二酯酶生产5核苷酸。

到70年代初，出现了固定化细胞，细胞的固定化包括微生物细胞、动物细胞、植物细胞或各种细胞器的固定化。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念固定化酶和固定化细胞研究的第一阶段主要是载休的开发，固定化方法的研究及其应用技术的开发。

目前，第一阶段已基本完成，进入了第二阶段的研究。

第二阶段的主要研究内容可归纳如下：

在需要辅酶（NAD+或FAD）或ATP、ADP、AMP的酶反应体系的固定化中，辅酶系或ATP、ADP、AMP系和其再生系的建立；疏水体系或含水很低的体系里固定化酶的催化反应的研究；为了防止固定化过程中酶活力下降，添加辅助物的研究：

固定化活细胞的研究。

总之，酶和细胞固定化技术发展迅猛，它的应用将会引起应用酶学及生物工程学的巨大变革。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念固定化酶的制备固定化酶的制备酶的催化活性依赖于酶的空间结构及活性中心。

所以在固定化时，要选择适当的条件，力图不使其活性中心的基团受到影响。

操作时应尽量在温和条件下进行，避免高温、强酸、强碱处理，以尽量保持酶蛋白天然的高级结构。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念酶固定化的方法很多，但没有一种对任何酶都适用的通用方法。

目前采用的固定化方法大致可分为3类，载体结合法（包括共价结合法、离子结合法、物理吸附法）、交联法和包埋法（包括聚合物包埋法、微胶囊包埋法）。

图5-3为几种常用的酶固定化方法示意图。

环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念图5-3酶固定化方法示意图

（1）离子结合，

（2）共价结合；（3）交联；（4）聚合物包埋；（5）疏水作用i（6）脂质体包埋；（7）微胶囊环境生物化学环境生物化学酶固定化概念酶固定化概念上述几种方法也可并用，称为混合法。

例如：

交联