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　　生物净化与生物废料再生1.当代生物技术在降解非生物物质中应用2.淀粉和其它含糖废液利用3.木质纤维利用4.利用微生物生产蛋白质5.污水微生物净化微生物生物净化与环境再生技术第2页

　　关于废物处理传统观点：自然环境能够吸收净化---？？？现状：工业高度发展，人口密度日益增高,废物越来越多二十一世纪面临挑战：1.怎样处理、分解不停产生大量垃圾。2.怎样除去过去几十年里积存在自然环境中有毒物质。现在：越来越多人开始尝试用各种方法包含当代生物技术来去除环境中污染物及有毒物质。微生物生物净化与环境再生技术第3页

　　5.1生物净化定义指利用微生物或者其它生物来除去环境中生物垃圾和有毒物质过程。垃圾中含有很多有用物质，它们能够循环利用。生物垃圾主要包含工农业生产过程中所产生废弃物。微生物生物净化与环境再生技术第4页

　　有毒废弃物给大家所造成环境问题是触目惊心1985全世界产生有毒废物五氯酚达50000吨。1995海上有5000吨石油原油泄漏。传统处理垃圾及有毒废物方法：填埋，焚烧，化学处理。不过填埋、化学处理轻易造成土壤、水体二次污染，焚烧产生有毒有害废气后果：不能线年代，发觉一些土壤微生物能够降解非生物物质－－微生物降解废物，为人类提供一个安全且成本低廉去除有毒物质路径。微生物生物净化与环境再生技术第5页

　　降解废物微生物多为假单胞菌降解机制：各种酶同时作用。编码酶基因：大多位于细胞大质粒上有些在染色体上还有可能同时存在于质粒与染色体微生物生物净化与环境再生技术第7页

　　这类微生物都可将未卤化芳香族物质转化为儿茶酚或原儿茶酸，再经一系列氧化分解反应，把它们转化为乙酰辅酶A和琥珀酸或丙酮酸和乙醛，被生物体降解。卤化芳香族化合物降解速度与其所含卤族原子数目成反比，去卤化反应由双加氧酶非选择性催化，在苯环上用羟基取代卤素。海上浮油清理是利用微生物降解非生物物质一个主要方面。微生物生物净化与环境再生技术第9页

　　细菌将芳香族化合物转化成原儿茶酸降解路径原儿茶酸微生物生物净化与环境再生技术第12页

　　儿茶酚和原儿茶酸被转化成乙酰CoA和琥珀酸降解路径微生物生物净化与环境再生技术第13页

　　儿茶酚和原儿茶酸被转化成丙酮酸和乙醛降解路径微生物生物净化与环境再生技术第14页

　　5.1.1生物降解路径基因工程1.转移质粒：将带有编码不一样降解路径酶基因质粒导入同一受体菌中，若两质粒含有同源性，则可能组成一个大含有各种功效融合质粒。例子：1.20世纪70年代Chakrabarty等构建superbug菌含有各种降解功效。2.低温降解甲苯嗜冷菌构建。微生物生物净化与环境再生技术第15页

　　接合作用PseudomonasputidapTOL质粒（降解甲苯）20～40℃生长嗜冷菌（降解水杨酸）0℃生长嗜冷菌（降解水杨酸和甲苯）0℃生长pTOL质粒（降解甲苯）微生物生物净化与环境再生技术第17页

　　2、改变基因研究实例：对pWWO质粒甲苯/二甲苯代谢路径研究该质粒携带与烷基苯降解相关活性而受到很大重视。经过DNA重组技术、基因突变以及适当选择过程，可在细菌有机物降解路径中加入新功效，用一样方法也可得到能同时分解各种污染物菌株。微生物生物净化与环境再生技术第18页

　　pWWO质粒编码与“间位开裂”路径相关12种不一样基因，同时能使带有该质粒假单胞菌含有利用不一样烷基苯作为碳源能力；在pWWO中，与甲苯/二甲苯代谢路径相关基因处于同一个操作子中，即在Pm开启子控制下xyl操作子。Pm开启子受到xylS基因产物正调控，xyl基因则能够被多数甲苯/二甲苯路径底物所激活，如苯烷、三甲基苯烷。带有pWWO质粒菌株能够将4-乙基苯分解为4-乙基儿茶酚，后者能够在培养基中积累。4-乙基儿茶酚经过使xylE基因产物儿茶酚-2,3-双氧化酶失活，使得4-乙基儿茶酚不能再被深入降解。与其它苯烷不一样是，4-乙基苯不能激活xylS蛋白，所以当只有4-乙基苯存在时，该操纵子Pm开启子不能被激活。微生物生物净化与环境再生技术第19页

　　该质粒用于环境中烷基苯类物质降解情况：（1）假如环境中只存在甲苯/二甲苯类，而不存在4-乙基苯，则该操纵子可发挥完全活性而使甲苯/二甲苯完全降解；（2）假如仅存在4-乙基苯，因为Pm开启子不能被开启，不能发生降解；（3）不过，假如环境中同时存在甲苯/二甲苯/4-乙基苯，Pm开启，4-乙基苯只能发生个别降解，形成4-乙基儿茶酚，后者可抑制xylE基因产物儿茶酚-2,3-双氧酶活性，使整条代谢路径不能全部完成。微生物生物净化与环境再生技术第20页

　　pWWO上与甲苯/二甲苯代谢路径相关基因4-乙基苯4-乙基儿茶酚儿茶酚2，3-双氧酶微生物生物净化与环境再生技术第21页

　　问题：1）怎样克服4-乙基儿茶酚对其深入降解反应抑制作用？2）怎样用4-乙基苯作为诱导物诱导这个操作子转录？微生物生物净化与环境再生技术第22页

　　构建新质粒卡那，氨苄双抗筛选硫酸乙酰甲烷诱变处理了诱导问题微生物生物净化与环境再生技术第23页

　　怎样处理儿茶酚2，3-双氧酶失活问题＋突变xylS基因卡那霉素抗性质粒pWWO质粒转化假单胞菌Pseudomonas不被4-乙基儿茶酚所抑制、突变儿茶酚-2,3-双氧化酶4-乙基苯＋卡那霉素＋诱变剂生长以4-乙基苯为唯一碳源，含有卡那霉素和诱变剂硫酸乙酰甲烷平板微生物生物净化与环境再生技术第24页

　　三氯乙烷降解三氯乙烷是土壤和地下水中最常见污染物之一，是一个致癌物，可在环境中滞留几年。恶臭假单胞菌（P.putida）及其它一些能降解甲苯类芳香族化合物细菌能分解三氯乙烷。甲苯双氧化酶必需，该酶需四个基因参加表示。四个基因连到tac开启子之后，在tac开启子作用下经ITPG诱导能够在大肠杆菌中表示。生物降解活性可经过将特异性酶转移至最适宿主而得到提升。微生物生物净化与环境再生技术第25页

　　5.1.2利用微生物降解农药农药广泛使用：农作物产量提升农药污染越来越严重80％农药残留在土壤中有机氯杀虫剂微生物生物净化与环境再生技术第26页

　　影响农药降解原因农药化学性质难度：氯代烃类二硝基苯三甲基取代氧基脂肪酸脂肪酸环境湿度难度：润湿环境干燥环境微生物生物净化与环境再生技术第28页

　　化学农药微生物降解路径农药微生物降解路径：1.矿化作用经过微生物代谢作用，最终完全降解为CO2和H2O。2.共代谢作用微生物将农药转化为可代谢中间产物，从而从环境中去除残留农药。。微生物生物净化与环境再生技术第29页

　　化学农药微生物降解结果1.解毒作用有毒无毒2.结合作用农药微生物代谢产物与未被代谢农药相结合，形成更复杂不过无毒物质，如形成有机酸等。3.改变毒性谱4.活化作用无毒或低毒有毒和剧毒5.消效作用潜在有毒农药无毒物质微生物生物净化与环境再生技术第30页

　　5.1.3利用绿色植物去除污染物能量来自太阳，经济。但见效慢，且所处环境酸度，盐度在植物耐受范围之内。例：除去土壤中镉CdSebertiaaccuminata能够在体内富集镍（Ni）达干重25％野生植物在应用中局限：2.含有吸收污染物能力植物生长迟缓3.这类植物多属于稀有植物，难以取得，且对这类植物生长发育特点知之甚少1.每种植物只吸收一个污染物微生物生物净化与环境再生技术第31页

　　植物消除化学污染发展从植物中筛选突变体。如：一个突变矮牵牛可吸收比野生型多10－100倍铁离子；利用植物基因工程取得转基因植物。如：转金属硫蛋白基因植物；从传统消除无机物污染发展到消除有机物污染：已取得降解三硝基甲苯(TNT)，三氯乙烷(TCE)转基因植物。微生物生物净化与环境再生技术第32页

　　5.2淀粉和其它含糖废液利用制糖工业和食品加工业各种废渣、废液中含有淀粉－－可用来生产细菌蛋白或作为饲料。制糖工业产生废蜜可用于生产食用或药用酵母。还可用废液、废渣生产果糖和乙醇。还可用废液、废渣生产其它种类真菌如白地霉，禾本科镰孢菌等。微生物生物净化与环境再生技术第33页

　　先分解为低分子量物质。主要酶：α-淀粉酶、葡萄糖化酶、葡萄糖异构酶。主要步骤：①胶化：经过高压熏蒸使淀粉转变成胶状物质②水解反应：在?-淀粉酶作用下，?-1,4-糖苷键发生水解，形成低分子量多糖。普通要求在50~60℃下进行。③糖化：在葡萄糖化酶作用下，低分子量多糖转变成葡萄糖，即多糖完全水解。5.2.1利用淀粉和其它含糖废液生产果糖和乙醇常规方法微生物生物净化与环境再生技术第35页

　　淀粉生产商品果糖和乙醇过程胶化水解反应糖化反应淀粉葡萄糖高压熏蒸α-淀粉酶葡萄糖化酶葡萄糖异构酶果糖降温酵母发酵乙醇微生物生物净化与环境再生技术第36页

　　淀粉酶解直链淀粉麦芽糖糊精＋葡萄糖葡萄糖α淀粉酶α淀粉酶β淀粉酶支链淀粉β极限糊精麦芽糖α极限糊精＋＋麦芽糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖β淀粉酶α淀粉酶葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶微生物生物净化与环境再生技术第37页

　　α淀粉酶随机水解α-1，4糖苷键β淀粉酶从末端水解α-1，4糖苷键葡萄糖淀粉酶水解α-1，3、α-1，4和α-1，6糖苷键工业用α淀粉酶起源于Bacillusamyloliquefaciens葡萄糖淀粉酶起源于Aspergillusniger微生物生物净化与环境再生技术第38页

　　5.2.2利用DNA重组技术对果糖和乙醇生产方法进行改进几个假设1.利用生长在廉价培养基是重组后微生物大量生产所需酶，这比直接从组织中提取成本低。2.利用α-淀粉酶突变体进行工业生产。3.改变α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶基因使它们含有一样最适温度和最适PH值。4.寻找和利用DNA重组技术取得能够分解粗淀粉酶5.寻找一个可发酵生物，使之能够分泌葡萄糖淀粉酶。微生物生物净化与环境再生技术第39页

　　5.2.2.1α-淀粉酶基因改造＋plasmid酶切酶连酶切转化抽提涂皿碘蒸气透明斑结果表明：α-淀粉酶是在本身开启子作用下转录，且该基因上带有分泌信号微生物生物净化与环境再生技术第40页

　　处理方法：AspergillusawamoriSaccharomycescervisiae+质粒葡萄糖淀粉酶基因该酵母既能产生葡萄糖淀粉酶又能发酵生产乙醇含有酵母烯醇化酶基因ENO1开启子和转录中止信号1.除去烯醇化酶基因ENO1开启子中一段175bp负调控区域2.删除质粒中酵母ars,再加入一段与酵母染色体含有同源性DNA，将完整葡萄糖淀粉酶基因整合到酵母染色体特定位置使其稳定遗传3.选取耐受高浓度乙醇受体菌得到两株新酵母株系，含有更强淀粉水解能力，同时又能使可溶性淀粉发酵微生物生物净化与环境再生技术第41页

　　5.2.2.2木糖/葡萄糖异构酶基因改造木糖/葡萄糖异构酶即为葡萄糖异构酶,D-葡萄糖转化为D-果糖仅为其副反应。该酶定位于细胞内，制备时含有较高成本。葡萄糖转化果糖异构过程是一可逆反应，温度越高，果糖含量越高。所以，耐热木糖/葡萄糖异构酶含有较大开发价值。嗜热菌Therrnusthermophilus能产生一个木糖/葡萄糖异构酶,它在高温下非常稳定，但酶产量不高。已分离该酶基因，分别在大肠杆菌和芽孢杆菌中表示，结果表明，在短杆菌中酶活是出发菌1000多倍；微生物生物净化与环境再生技术第42页

　　对酶底物特异性改进。如定点诱变嗜热菌Clostridiumthermosufurogenes葡萄糖异构酶两个AA(139位Tyr→Phe,186位Val→Thr)，提升转化效率。微生物生物净化与环境再生技术第43页

　　5.2.2.3寻找新工业发酵用菌当前工业发酵乙醇全用酵母。运动发酵单胞菌（Zymomonasmobilis）生成乙醇速度更加快运动发酵单胞菌为G-杆菌，能经过发酵将葡萄糖、果糖、蔗糖转化为乙醇，而且产量很高。不过，该菌存在以下一些限制原因：1、可被利用碳源物质十分有限；2、外源载体往往在该菌内极不稳定；3、该菌对各种抗生素含有抗性。微生物生物净化与环境再生技术第44页

　　5.3木质纤维利用木质纤维经化学和生物学处理，可转化为各种各样无污染工业原料。木质纤维分类：初级纤维：棉花、木材、干草等。农业废弃物：稻草，秸秆、甘蔗渣等日常生活废纤维产品：废纸等微生物生物净化与环境再生技术第46页

　　5.3.1木质纤维成份1.木质素2.半纤维素3.纤维素大家已经将很多化学和酶学方法用来处理木质纤维，但迄今为止成功方法极少。微生物生物净化与环境再生技术第47页

　　结构中没有任何规则重复单元或易被水解键理化性质由合成过程中最终一步决定，而且是随机，造成了其分子不规则性它存在使植物含有一定硬度，能够抵抗机械压力和微生物侵染微生物生物净化与环境再生技术第48页

　　半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成短链异源多聚体可分为：木聚糖甘露聚糖阿拉伯半乳聚糖微生物生物净化与环境再生技术第49页

　　纤维素组成植物细胞壁主要成份由葡萄糖经过β–1，4糖苷键连接而成直链多聚物，通常一条链中可含10000多个葡萄糖分子。微生物生物净化与环境再生技术第50页

　　5.3.2原核生物中纤维素酶基因分离许多细菌和真菌都能在各种酶共同作用下水解纤维素，这些酶统称纤维素酶。纤维素酶是一个被称为纤维小体多功效复合蛋白一个别，位于细胞外表面。纤维素酶含有以下几个酶：葡聚糖内切酶：催化?-1,4-糖苷键水解葡聚糖外切酶：从纤维素缺刻个别非还原末端开始降解纤维素分子，产物为葡萄糖、纤维二糖和纤维三糖纤维素水解酶：从纤维素分子非还原端切去10个以上葡萄糖残基β-葡萄糖苷酶：将纤维二糖或纤维一糖转化为葡萄糖微生物生物净化与环境再生技术第51页

　　β葡萄糖苷酶野生微生物降解纤维素速度很慢，大家试图经过基因工程方法得到含有更高纤维素酶活性微生物。微生物生物净化与环境再生技术第52页

　　采取以下分离方法，大家从原核生物中克隆了编码葡萄糖内切酶基因。基因文库大肠杆菌抗性平皿含CMC37℃培养刚果红染色＋NaCl接种＋刚果红能够选择性地与高分子纤维素结合并显示红色，而与低分子量多糖结合能力较弱，显黄色。微生物生物净化与环境再生技术第53页

　　5.3.3真核生物纤维素酶基因分离差异杂交法聚丙烯酰胺凝胶兔网织红细胞系统和麦胚细胞系统微生物生物净化与环境再生技术第55页

　　5.3.4纤维素酶基因改造纤维素酶结构可分3个区域：催化区域、富含Pro、Ser、Thr残基铰链区、纤维素结合区域。催化和结合区域可独立发挥功效。大家能够仅克隆纤维素结合区域作为融合蛋白编码序列一个别。另一个别基因则编码商品蛋白。融合蛋白能够结合在纤维素柱上得到纯化。多数纤维素酶基因最初都是在大肠杆菌中克隆和表示。现在已转化到酿酒酵母和Zymomonasmobilis中。微生物生物净化与环境再生技术第56页

　　工业上应用微生物由纤维素生产乙醇方式直接法：同一微生物完成纤维素水解、糖化和乙醇发酵热纤维梭菌：Clostridiumthermocellum副产物较多间接法：一个微生物水解纤维素并糖化，另用酵母进行乙醇发酵成本较高同时糖化发酵法：利用一个可产生纤维素酶微生物和酵母在同一容器中连续进行纤维素糖化和发酵微生物生物净化与环境再生技术第58页

　　工业上两个难题：酶成本较高前处理成本较高处理方法：1.生物技术对产纤维素酶微生物进行改造2.固定化技术3.改进工艺，降低中间产物对酶抑制4.开发能直接作用于天然高聚合纤维素微生物微生物生物净化与环境再生技术第59页

　　5.4利用微生物生产单细胞蛋白(SCP)人口急剧增加，食品不足，蛋白质资源短缺；工农业生产不停产生大量有机废弃物，其中包含着大量糖质、淀粉、纤维素、半纤维素等可再生性生物资源；利用微生物将废弃物质转化为蛋白质，提升资源利用率，消除环境污染，改进生态环境。微生物生物净化与环境再生技术第60页

　　5.4.1微生物蛋白营养价值微生物菌体粗蛋白含量（占干重）：细菌40％～80％、酵母35％～60％、丝状线％氨基酸组成：含S氨基酸稍不足外，其它丰富。含各种维生素，如B2、B6、β胡萝卜素及麦角固醇等，但B12稍不足。在所含矿物质中，磷、钾丰富，但钙含量较少。微生物生物净化与环境再生技术第61页

　　玉米0.15玉米＋1％酵母0.73玉米＋5％酵母2.11所以，若在微生物蛋白中添加Met、维生素B12和补充Ca质，则可取得与鱼粉相当营养效果。猪增重量/蛋白质消耗量（蛋白质效价）微生物生物净化与环境再生技术第62页

　　单细胞蛋白：singlecellprotein,SCP是指从纯培养微生物细胞中提取总蛋白质。潜在应用：－作为人类食品；－作为畜用饲料；－作为工业原料（微生物培养基成份、合成纤维亲水剂、各种填料、增稠剂、乳化剂及稳定剂等）微生物生物净化与环境再生技术第63页

　　单细胞蛋白优点：①微生物生长快，蛋白产量高；0.5kg牛肉/1000kg酵母蛋白单细胞藻类：750吨蛋白质（干重）/年亩，而大豆：50～75吨蛋白质（干重）/年亩，玉米：15～30吨蛋白质（干重）/年亩。②微生物蛋白含量高，氨基酸种AG九游会官方平台类全，且富含维生素；③微生物培养不受季节、气候和地域限制，易于实现工业化生产。缺点：①SCP中核酸含量高；②毒性物质存在可能；③人类消化较慢；④当前比其它起源蛋白（如大豆蛋白）昂贵。微生物生物净化与环境再生技术第64页

　　5.4.2单细胞蛋白生产单细胞蛋白生产可经过细菌、酵母、真菌、藻类和放线菌来进行；德国首先利用酵母来生产用作汤和调味加厚剂；1973年，各大石油企业利用石油或者副产品生产SCP，后因成本变高而放弃；1979年，英国帝国化学企业ICI－连续甲醇发酵法：利用食甲基嗜甲基菌（Methylophilusmethylotrophus）用甲醇作为碳源，建立了50000T年产工厂，拥有世界上最大连续发酵器，但还是因为成本高而无法大规模生产。充分利用各种不一样废物。微生物生物净化与环境再生技术第65页

　　选择菌种标准：产物蛋白要富于营养、可口、易消化、无毒、微生物易于培养，便于搜集。微生物生物净化与环境再生技术第66页

　　5.4.3利用木腐性食用菌生产蛋白处理大家对单细胞蛋白食用疑虑。传统方式－－农业式栽培：劳动强度大、难以实现自动化、机械化。液体深层发酵法：高效自动化，但难以取得子实体。即使研究测定表明，菌丝体营养成份与子实体相当，不过菌丝体并不能作为食品来投放到市场，所以还需要经过深入加工成其它形式食品或者作为食品添加剂才能投放到市场。微生物生物净化与环境再生技术第67页

　　5.5污水微生物净化水是人类赖以生存最宝贵资源。水不是取之不尽、用之不竭！今天，水资源枯竭、水质恶化是摆在全人类面前一个严重问题。污水分类及特点：生活污水，工业污水。不一样起源污水降解难易程度不一样。微生物生物净化与环境再生技术第68页

　　5.5.1用微生物处理污水机制经过微生物代谢活动，将污水中有机物分解，从而到达净化污水目标。天然水体自净化现象－－主要是细菌自净化有一定程度，高温不利于自净化微生物生物净化与环境再生技术第70页

　　5.5.2可用于污水处理微生物包含3类：需氧微生物、厌氧微生物、兼性厌氧微生物要经过基因工程伎俩选育高效菌株-粘乳产碱杆菌(Alcaligenesviscolactis)S-2和裂腈无色杆菌(Achromobacternitrilocates)分解含腈废水，腈去除率可达90％以上;-芽孢杆菌（Bacillus）和气杆菌（Aerobacter）－可降解三硝基甲苯（TNT）；-在污水中生长固氮菌：污水往往有机质含量高，但缺乏N、P等无机元素－提升含N量；-放线菌属(Actinomyces)和假单胞菌属(Pseudomonas)－很有前途污水处理菌种微生物生物净化与环境再生技术第71页

　　污水净化与废物利用合而为一绿色木霉食品和林业纤维素多糖酵母菌食品工业废水酒精微生物生物净化与环境再生技术第72页

　　5.6废气微生物净化工业尾气污染日益严重，传统处理方法是经过燃烧处理物理方法进行，其缺点是：（1）高能耗、高成本；（2）因为可能造成二次污染。废气生物净化是指利用微生物来分解废气中有机物，产生氧气、水和其它代谢产物净化方式。（1）可被微生物快速降解废气，包含乙醇、酮、醛类、有机酸和有机氮等；（2）可被微生物迟缓降解废气，包含酚、烃、氯代有机物（3）微生物降解及其迟缓废气，卤代烃、多聚芳香烃等微生物生物净化与环境再生技术第74页

　　5.6.1生物膜法将能够降解废气微生物固定化于生物膜上，然后令加温后废气以1~15cm/s速度经过滤膜，到达净化目标。优点：设备简单、操作方便、成本低；缺点：处理速度慢，难以大规模应用。微生物生物净化与环境再生技术第75页

　　5.6.2循环式净化法微生物伴随培养液在废气箱内流动，因为方便于对反应体系温度、pH值等加以检测和调整。微生物生物净化与环境再生技术第76页

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