1、第第1111章章 环境生物材料环境生物材料11.1 微生物絮凝剂微生物絮凝剂11.2 可生物降解塑料可生物降解塑料11.3 生物吸附剂生物吸附剂11.4 生物表面活性剂生物表面活性剂11.1 微生物絮凝剂11.1.1 微生物絮凝剂的概念微生物絮凝剂的概念n絮凝：絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程n絮凝剂：絮凝剂：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性数万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包
2、括离子基团以及非离子型基团。官能团，包括离子基团以及非离子型基团。n微生物絮凝剂：微生物絮凝剂：利用生物技术，从微生物体内或分泌物中分离提取的一种利用生物技术，从微生物体内或分泌物中分离提取的一种安全、高效且能自然降解的新型水处理剂。安全、高效且能自然降解的新型水处理剂。11.1.1 微生物絮凝剂的概念微生物絮凝剂的概念絮凝剂絮凝剂无无机机絮絮凝凝剂剂有有机机絮絮凝凝剂剂无机低分子絮凝剂无机低分子絮凝剂无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂无机阳离子絮凝剂无机阳离子絮凝剂无机阴离子絮凝剂无机阴离子絮凝剂化学合成类高分子絮凝剂化学合成类高分子絮凝剂天然高分子絮凝剂天然高分子絮凝剂n微生物絮凝剂是近年来
3、研究和开发的新型絮凝剂，微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，n一类由一类由微生物微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物。产物。n包括包括直接利用微生物细胞直接利用微生物细胞的絮凝剂、的絮凝剂、利用微生物细胞壁代利用微生物细胞壁代谢产物谢产物的絮凝剂和的絮凝剂和克隆技术所获得克隆技术所获得的絮凝剂。的絮凝剂。n主要成分是主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。等高分子物质。1.微生物絮凝剂的主要成分与性质微生物絮凝剂的主要成分与性质n微生物絮凝剂的性质和特点：微生物絮凝剂的性质和特点：n（1）易于固液
4、分离，沉淀物生成量少；）易于固液分离，沉淀物生成量少；n（2）无毒无害，安全性高；）无毒无害，安全性高；n（3）具有脱色和除浊性能；）具有脱色和除浊性能；n（4）无二次污染；）无二次污染；n（5）适用范围广；）适用范围广；n（6）有的生物絮凝剂具有热稳定性强、用量小、不受）有的生物絮凝剂具有热稳定性强、用量小、不受pH条件影响。条件影响。1.微生物絮凝剂的主要成分与性质微生物絮凝剂的主要成分与性质n微生物絮凝剂产生菌绝大多数来自于土壤微生物絮凝剂产生菌绝大多数来自于土壤n代表性的微生物絮凝剂产生菌：代表性的微生物絮凝剂产生菌：n（1）酱油曲霉菌）酱油曲霉菌絮凝剂絮凝剂AJ7002n（2）拟青霉
5、属菌）拟青霉属菌絮凝剂絮凝剂PF101n（3）红串红球菌）红串红球菌絮凝剂絮凝剂NOC-1n我国研制的微生物絮凝剂数量、品种均较少，絮凝效果有我国研制的微生物絮凝剂数量、品种均较少，絮凝效果有待进一步提高，并需大力加强工业化应用的开发研究。待进一步提高，并需大力加强工业化应用的开发研究。2.微生物絮凝剂产生菌的分类微生物絮凝剂产生菌的分类11.1.2 微生物絮凝剂的产生与分离纯化微生物絮凝剂的产生与分离纯化n微生物絮凝剂的发酵条件微生物絮凝剂的发酵条件 （1 1）培养基的组成）培养基的组成 不同产生菌的培养基组成不同（碳源、氮源、碳氮比，金属离子、微量不同产生菌的培养基组成不同（碳源、氮源、碳
6、氮比，金属离子、微量生长因子等）生长因子等）（2 2）pH pH 最佳最佳pHpH一般为中性到偏碱性一般为中性到偏碱性 （3 3）温度）温度 通常在通常在3030左右左右 （4 4）通气量）通气量 过大的通气量可使絮凝活性大为降低过大的通气量可使絮凝活性大为降低 （5 5）其他影响因素）其他影响因素 菌种之间的相互作用菌种之间的相互作用11.1.2 微生物絮凝剂的产生与分离纯化微生物絮凝剂的产生与分离纯化n微生物絮凝剂产生的基因调控微生物絮凝剂产生的基因调控 涉及定位基因与抑制基因的相互作用，定位基因的表达，絮涉及定位基因与抑制基因的相互作用，定位基因的表达，絮凝基因的合成与分泌。凝基因的合成
7、与分泌。生物絮凝受遗传因子控制，受环境因素影响。生物絮凝受遗传因子控制，受环境因素影响。11.1.2 微生物絮凝剂的产生与分离纯化微生物絮凝剂的产生与分离纯化n微生物絮凝剂的分离纯化微生物絮凝剂的分离纯化 Step 1Step 1：除去菌体：除去菌体向无菌体发酵液中加入物质沉淀絮凝向无菌体发酵液中加入物质沉淀絮凝 剂剂得到粗制品。得到粗制品。Step 2Step 2：粗制品溶于水或缓冲液：粗制品溶于水或缓冲液纯化（离子交换，硅胶纯化（离子交换，硅胶 柱或凝胶色谱）柱或凝胶色谱）真空干燥。真空干燥。11.1.3 微生物絮凝剂的絮凝机理微生物絮凝剂的絮凝机理n“桥联作用桥联作用”机理机理 11.1
8、.3 微生物絮凝剂的絮凝机理微生物絮凝剂的絮凝机理n“类外源絮凝聚素类外源絮凝聚素”假说假说 微生物细胞表面存在絮凝性分子或基团，使细胞容易结合微生物细胞表面存在絮凝性分子或基团，使细胞容易结合凝聚产生絮凝现象。凝聚产生絮凝现象。n“菌丝体外纤维丝菌丝体外纤维丝”假说假说 某些微生物产生的絮凝物质并不游离到菌体培养液中，而某些微生物产生的絮凝物质并不游离到菌体培养液中，而是作为菌体细胞的某一组分，或者附着于细胞表面形成荚是作为菌体细胞的某一组分，或者附着于细胞表面形成荚膜状，类似于菌体外有膜状，类似于菌体外有“纤丝纤丝”，而产生絮凝作用。，而产生絮凝作用。11.1.4 微生物絮凝剂的应用微生物
9、絮凝剂的应用n废水悬浮物的处理废水悬浮物的处理n废水脱色处理废水脱色处理n乳浊液的油水分离乳浊液的油水分离 11.1.4 微生物絮凝剂的应用微生物絮凝剂的应用n污泥处理污泥处理n畜产废水处理畜产废水处理n在其它领域中的应用在其它领域中的应用 发酵工业，食品工业，单细胞蛋白的生产，稀有金属的富集发酵工业，食品工业，单细胞蛋白的生产，稀有金属的富集提取提取 11.1.5 微生物絮凝剂的研究趋势微生物絮凝剂的研究趋势n高效新型絮凝剂产生菌的筛选高效新型絮凝剂产生菌的筛选n优化发酵条件，提高产量，降低成本优化发酵条件，提高产量，降低成本n深入研究微生物絮凝剂的分子结构及其产生与絮凝机理深入研究微生物絮
10、凝剂的分子结构及其产生与絮凝机理n进一步拓展微生物絮凝剂的应用领域，加快工业化应用进一步拓展微生物絮凝剂的应用领域，加快工业化应用 11.2 可生物降解塑料11.2.1 可生物降解塑料的种类可生物降解塑料的种类可降解塑料：可降解塑料：11.2.2 PHA的合成和生产的合成和生产PHA：聚：聚-羟基烷酸羟基烷酸1.PHA的结构的结构R为甲基，为甲基，PHBR为乙基，为乙基，PHVR为丙基，为丙基，PHCR为丁基，为丁基，PHHR为戊基，为戊基，PHO11.2.2 PHA的合成和生产的合成和生产2.PHA的生物合成的生物合成11.2.2 PHA的合成和生产的合成和生产2.PHA的生物合成的生物合成
11、（1）PHB的生物合成途径的生物合成途径乙酰辅酶乙酰辅酶A乙酰乙酰辅酶乙酰乙酰辅酶AD-（一）（一）-3-羟基丁酰辅酶羟基丁酰辅酶APHB（2）PHA的生物合成途径的生物合成途径(图图11-10)涉及氨基酸中间产物、柠檬酸循环、聚酮化合物合涉及氨基酸中间产物、柠檬酸循环、聚酮化合物合成、脂肪酸合成、脂肪酸成、脂肪酸合成、脂肪酸-氧化途径等氧化途径等11.2.3 生物降解塑料的降解机理生物降解塑料的降解机理PHB的降解分胞内降解和胞外降解的降解分胞内降解和胞外降解PHB单体单体D-3-羟基丁酸羟基丁酸乙酰乙酸乙酰乙酸乙酰乙酰辅酶乙酰乙酰辅酶A（2）PHB的胞外降解的胞外降解无菌条件下通过水解进行
12、无菌条件下通过水解进行真菌和细菌分泌的外解聚酶真菌和细菌分泌的外解聚酶酶降解机理酶降解机理（1）PHB的胞内降解的胞内降解土壤中有土壤中有295种种微生物可降解微生物可降解PHB11.3 生物吸附剂11.3.1 生物吸附剂的种类生物吸附剂的种类n 生物吸附剂的基本概念生物吸附剂的基本概念微生物菌体对重金属的吸附作用，包括细胞不同部微生物菌体对重金属的吸附作用，包括细胞不同部位对重金属离子的络合，螯合，离子交换，转化，位对重金属离子的络合，螯合，离子交换，转化，吸附和无机微沉淀等。吸附和无机微沉淀等。生物体细胞壁的基团通过与吸附的金属离子形成生物体细胞壁的基团通过与吸附的金属离子形成离子键离子键
13、或或共价共价键键来达到吸附金属离子的目的。来达到吸附金属离子的目的。通常所说的通常所说的生物吸附生物吸附仅指失活微生物的吸附作用，而微生物活仅指失活微生物的吸附作用，而微生物活细胞去除金属离子的作用一般称为细胞去除金属离子的作用一般称为生物累积生物累积。11.3.1 生物吸附剂的种类生物吸附剂的种类n 生物吸附剂的种类生物吸附剂的种类细菌细菌 细菌细胞壁带负电荷，络合溶解的金属离子细菌细胞壁带负电荷，络合溶解的金属离子真菌真菌 代谢目的的主动吸附；细胞及其组成成分的化学补偿代谢目的的主动吸附；细胞及其组成成分的化学补偿藻类藻类 具有不同的细胞壁成分，具有不同的金属吸附位点具有不同的细胞壁成分，
14、具有不同的金属吸附位点壳聚糖壳聚糖 生物絮凝剂和生物吸附剂生物絮凝剂和生物吸附剂11.3.2 生物吸附剂的制备生物吸附剂的制备n 细菌及真菌生物吸附剂的制备细菌及真菌生物吸附剂的制备三个过程：吸附效果强化，菌体固定化，颗粒化三个过程：吸附效果强化，菌体固定化，颗粒化吸附效果强化吸附效果强化使用苛性碱经过处理使用苛性碱经过处理,导致菌体羟基化导致菌体羟基化,并除去脂肪和其他遮蔽了并除去脂肪和其他遮蔽了络合、螯合、吸附金属活性位点的细胞成分，使菌体清洁，提高络合、螯合、吸附金属活性位点的细胞成分，使菌体清洁，提高菌体的吸附能力。菌体的吸附能力。菌体固定化菌体固定化用明胶、纤维素、二氧化硅、海藻酸盐
15、、聚丙烯酰胺等材料与菌用明胶、纤维素、二氧化硅、海藻酸盐、聚丙烯酰胺等材料与菌体混合胶联的过程。体混合胶联的过程。颗粒化颗粒化发酵菌体处理浓缩、交联混合、菌体挤出、颗粒化及干燥等步骤。发酵菌体处理浓缩、交联混合、菌体挤出、颗粒化及干燥等步骤。11.3.2 生物吸附剂的制备生物吸附剂的制备n 海藻生物吸附剂的制备海藻生物吸附剂的制备海藻的特点：细胞易碎性，游离细胞易结块。海藻的特点：细胞易碎性，游离细胞易结块。海藻细胞固定化的三种载体：海藻细胞固定化的三种载体：海藻酸钙海藻酸钙 聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺 硅胶硅胶11.3.2 生物吸附剂的制备生物吸附剂的制备n 壳聚糖吸附剂的制备壳聚糖吸附剂的制备从
16、霉菌菌体制备壳聚糖流程：从霉菌菌体制备壳聚糖流程：干菌体干菌体粉碎粉碎碱处理碱处理离心洗涤离心洗涤酸抽取酸抽取酸沉淀酸沉淀过滤洗涤过滤洗涤真空干燥真空干燥壳聚糖壳聚糖11.3.3 生物吸附剂的吸附机理生物吸附剂的吸附机理吸吸附附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附主要由范德华引力引起。无选择性在固体表面上形成化学键，涉及吸附分子和吸附剂之间的电子交换与共有。有显著的选择性生物吸附有时表现为物理吸附，有时表现为化学吸附生物吸附有时表现为物理吸附，有时表现为化学吸附离子交换是生物吸附的主要形式离子交换是生物吸附的主要形式11.3.3 生物吸附剂的吸附机理生物吸附剂的吸附机理大多数类型的生物对重金属的吸
17、附随金属溶液大多数类型的生物对重金属的吸附随金属溶液pHpH下降明显下降明显减少。重金属主要被生物中的离子置换。减少。重金属主要被生物中的离子置换。典型的金属吸附与典型的金属吸附与pHpH的关系表明藻类的弱酸性羧基和真菌的关系表明藻类的弱酸性羧基和真菌细胞壁是吸附金属离子的主要成分。细胞壁是吸附金属离子的主要成分。根据近来的理论，生物吸附可看作天然的主要含酸性和碱根据近来的理论，生物吸附可看作天然的主要含酸性和碱性基团的离子交换物质，它遵循酸碱平衡理论。性基团的离子交换物质，它遵循酸碱平衡理论。11.3.4 生物吸附剂的应用生物吸附剂的应用 吸附和解吸速率快；生产成本低，可重复使用；具有理想的
18、粒、形状、机械强度，便于 在连续系统中使用；与水溶液的两相分离应高效、快速、廉价；具有选择性；再生时吸附剂损失量小，经济上可行。11.3.4 生物吸附剂的应用生物吸附剂的应用1.pH当溶液的pH值很低时，H3O+会占据大量的吸附活性位点，从而阻止阳离子与吸附活性点的接触，导致吸附量的下降。但是pH值过高也不利于生物吸附。2.温度温度n生物吸附的影响因素生物吸附的影响因素3.离子强度 目标金属离子以外的其他金属阳离子对生物吸附的影响主要体现在竞争吸附效应上。4.竞争吸附多种离子共存状态下的生物吸附性能 硬离子 软离子 边缘离子（1）同类金属离子间发生显著的竞争吸附；（2)不同类的金属离子间的竞争
19、吸附效果 不明显；（3）其他类离子对边缘离子的吸附有一定 影响。11.4 生物表面活性剂n 表面活性剂是当今生物技术中常用的和重要的化合物。它可以减少液体、固体和气体界面间的表面或界面张力，使其在水或其他液体中容易混合或扩散因而广泛应用于现代工业的几乎每一个领域。n是指生物在一定生长条件下，在其代谢过程中分泌产生的一些具有一定表面/界面活性的代谢产物。n现今世界表面活性剂的年产量已超过300万吨，产值高达约40亿美元。n目前大多数市售的表面活性剂主要来自石油的化学产品。11.4.1 概述概述n它可以来源于微生物、植物以及动物n其中微生物生产的生物表面活性剂是一类具有特别高的表面活性的生物分子，
20、具有较好的两亲性和界面优先分配的能力，而且比较适合于工业化生产。11.4.1 概述概述n具有特别高的表面活性和乳化活性；n生物可降解性；n没有毒性或者毒性低于化学表面活性剂；n可在极端的温度和酸碱条件下使用。11.4.2 生物表面活性剂的优点生物表面活性剂的优点11.4.3 生物表面活性剂的性质生物表面活性剂的性质生物表面活性剂由亲水和疏水部分组成亲水部分由单糖、二糖或多糖、羧酸、氨基酸或肽组成疏水部分往往是饱和、不饱和或羟基取代的脂肪酸对于一些高分子量的表面活性剂分子，如蛋白质多糖络合物，其亲水和疏水部分由不同的分子提供。11.4.3 生物表面活性剂的性质生物表面活性剂的性质（一）特性和功能
21、 生物表面活性剂可将发酵液表面张力降低到0.03N/m以下，将正构烷烃的界面张力降低到0.13N/m以下。一些生物表面活性剂也表现出较好的热与化学稳定性。（二）生理学功能 生物表面活性剂的生理学功能都与生物表面活性剂的两亲性有关。1.可以增强非极性底物的乳化作用和溶解作用，从而促进微生物在非极性底物中的生长。2.抗生性 生物表面活性剂（主要为脂肽和甘油酯）具有杀虫活性。这是由于它具有两亲性，能溶解大多数细胞膜成分而具有抗生素功能。11.4.4 生物表面活性剂的类型生物表面活性剂的类型 微生物生产的生物表面活性剂的类型主要取决于所采用的微生物。从化学类型可分为：（1）糖脂和分枝菌酸脂 分枝菌酸脂
22、，海藻糖脂，鼠李糖脂，槐糖脂（2）肽和聚合物 由乙酸钙不动杆菌产生的益沐神（Emulsan)由枯草芽孢杆菌生产 的莎梵婷（Surfactin)（3）脂肪酸（4）磷脂 11.4.5 生物表面活性剂的生产生物表面活性剂的生产生产生物表面活性剂的微生物可分为三类：完全以烷烃为碳源生产表面活性剂，如 Arthrobacter sp;仅以水溶性底物为碳源，如Bacillus sp;以烷烃和水溶性底物为碳源，如 Pseudomonas sp与其他微生物发酵一样，生物表面活性剂生产的目的是获得最大的产率、转化率和最终浓度减少其他代谢产物的积累十分重要，因为它们会影响产品的物理性质和提取过程（1）培养基 a.
23、碳源是影响生物表面活性剂结构和产量的关键。加入烷烃对生物表面活性剂 的生产既可能起诱导作用，也可能起阻碍作用。b.氮、磷、金属离子和其他添加剂等营养成分也可能会影响生物表面活性剂的生产。青霉素或氯霉素等抗生素的加入增强或抑制生物表面活性剂的生产。c.培养温度、培养基pH和溶解氧水平或搅拌速率对生物表面活性剂生产也具有重要影响。（2）发酵 大多生物表面活性剂在微生物生长的稳定期和对数期都释放到培养基中。生物表面活性剂的生产可以在低稀释率下通过分批或连续发酵进行。除传统的液态发酵技术外，其他发酵操作也已被应用于生物表面活性剂的生产。11.4.6 生物表面活性剂的合成代谢调节生物表面活性剂的合成代谢
24、调节n 生物表面活性剂生产中的代谢调节 生物表面活性剂合成前体的代谢途径有多种，在某种程度上取决于主要碳源的性质。从碳水化合物合成糖脂表面活性剂时，有关的微生物代谢主要是糖解和脂肪形成；当以烃类为基质时，主要是脂解和糖原异生。na.碳水化合物分解代谢的机理n微生物产生生物表面活性剂常常以烃类为基础，然而也能以碳水化合物为基质。n虽然生物表面活性剂分子由糖和类脂两部分构成，但在以碳水化合物为基质时，整个分子的合成速度受类脂的合成速度所控制。从碳水化合物基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢从碳水化合物基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢 A A一磷酸果糖激酶一磷酸果糖激酶 B B一丙酮酸激酶一丙酮
25、酸激酶 C C一异柠檬酸脱氢酶一异柠檬酸脱氢酶 D DATPATP柠檬酸裂合酶和丙酮酸脱氢酶柠檬酸裂合酶和丙酮酸脱氢酶 A A、B B、C C和和D D为关键酶为关键酶nb.烃代谢的控制机理n脂肪酸可以从烃合成得到。n后脂肪酸基可以很方便地构成表面活性剂分子。n但是，由于表面活性剂分子中还含有糖部分，它的合成必须经由糖异生途径，即通过-氧化将脂肪酸氧化到乙酰-CoA，或将奇数碳脂肪酸氧化到丙酰-CoA。n它随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。从烃基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢A一异柠檬酸裂合酶 B一苹果酸合成酶 C一磷酸烯酸式丙酮酸羧基激酶 D1，6二磷酸果糖酶 A、
26、B、C和D为关键酶nc.生物表面活性剂合成的调节n生物表面活性剂的合成可通过油性物质的诱发作用、葡萄糖等物质的代谢抑制、限氮及限多价阳离于以及其他作用方法调节。n改变微生物生长速度常常会使生物表面活性剂过量生产。n温度对生物表面活性剂合成也有调节作用。n目前研究最多的是烃和其他不溶于水的物质诱发微生物生产生物表面活性剂的调节方式。11.4.7 生物表面活性剂的应用与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 1.生物表面活性剂在石油工业中的应用（1）利用微生物和微生物表面活性剂回收岩层中的石油。（2）利用微生物表面活性剂降低石油粘滞度和净化贮油罐。11.4.7 生物表面活性剂
27、的应用与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n2.生物表面活性剂在采矿工业中的应用可促进无机矿质的分散。乙酸钙不动杆菌产生的阴离子多糖可防止石灰石水混物发生絮凝，使其产生10的分散，也可促使石灰石裂解为小颗粒。11.4.7 生物表面活性剂的应用与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 3.生物表面活性剂在食品工业中的应用乳化可在食品原料形成一定的浓度、质地和分散相中发挥重要作用。生物表面活性剂可作为乳化剂用于食品原料的加工，也可用于面包和肉类生产，改善面粉的流变学特征，以及部分裂解的脂肪组织的乳化。11.4.7 生物表面活性剂的应用与前景生物表面活性
28、剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 4.生物表面活性剂在农业中的应用 近年来，鉴于化学农药对环境的污染，全球科学家均十分关注利用生物表面活性剂对作物病虫害进行生物防治。生物表面活性剂可增加粘重土壤可湿性，令肥料和农药均匀地分布于土壤。还可增加有机磷杀虫剂的溶解度。11.4.7 生物表面活性剂的应用与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 5.生物表面活性剂在医药中的应用已证实微生物产生的表面活性剂可供药用。例如铜绿假单胞菌产生的鼠李糖脂、枯草芽孢杆菌和地衣状芽孢杆菌产生的脂肽，以及南极假丝酵母产生的甘露赤藓糖脂都有抗微生物活性。11.4.7 生物表面活性剂的应用
29、与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 6.生物表面活性剂在保健化妆品中的应用微生物表面活性剂具有一定的保湿能力，且可与皮肤相容。假丝酵母以棕榈油和葡萄糖作为碳源可产生100150 g/L 的槐糖脂。已生产出一种含有1摩尔槐糖脂和12摩尔丙二醇的皮肤保湿剂。11.4.7 生物表面活性剂的应用与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 7.生物表面活性剂在环境保护中的应用用生物表面活性剂消除海域中的石油污染利用微生物表面活性剂消除土壤中的烃污染用微生物表面活性剂消除多环芳族烃和脂族烃用生物表面活性剂消除土壤中的金属污染11.4.7 生物表面活性剂的应用
30、与前景生物表面活性剂的应用与前景n（一）生物表面活性剂的应用n 8.生物表面活性剂在其他方面的应用微生物表面活性剂还可用于水处理、纸浆合造纸工业、纺织工业、陶瓷工业、铀矿开采、木材防腐、沥青和水泥。第第1212章章 环境污染预防生物技术环境污染预防生物技术12.1 生物农药概况一、生物农药的发展在农药的发展历史中，生物农药是最古老的一类 周李秋官就有“莽草熏之”，“焚牡菊，以灰洒之”等防治害虫的记述；19世纪以来，应用生物成分防治有害物从经验上升到科学的试验阶段，如除虫菊、鱼藤和烟草等的应用；20世纪早期苏芸金杆菌（B.thuringiensis)的发现促进了微生物农药的发展；20世纪30年代
31、以来几类植物内源激素先后被发现和利用；20世纪40年代后由于有机合成农药的发展，使生物农药的研究和开发被忽视而发展缓慢；20世纪60年代化学农药的弊端暴露出来，生物农药的研究又受到重视；最近的几十年生物农药得到了长足发展，中国近三年生物农药增长了80，2000年销售额所占比例由9上升至20。二、生物农药的内涵 过去，生物农药就是指“微生物农药”。后来，其概念发展为“相对于化学农药而言的天然资源的生理活性物质，用于农药的有微生物、植物（除虫菊、烟碱等）、昆虫（性引诱剂、变态激素等）。迄今为止比较公认的定义是，生物农药是可以用来防治病、虫、害等有害生物的生物体本身及源于生物，并可作为“农药”的各种
32、生理活性物质。生物农药一般可分为直接利用生物体和利用来源于生物体的生理活性物质两大类。三、生物农药的优缺点 由于化学农药大都是抗生物降解的毒害性化合物，能通过食物链在生物体内积累，已造成严重污染。故作物保护从化学防治向生物防治转化是发展的趋势。目前全世界已注册的生物农药约有60多种，年销售额为2.53亿美元。1.生物农药的优点（1）对有害物选择性高，对生态系统影响较小；（2）对非靶标昆虫、益虫和人很少或没有影响；（3）昆虫不易产生抗性；（4）在环境中无残留。2.生物农药的局限性（1）已获批准使用的种类较少，仅有20多种；（2）杀虫速度缓慢；（3）一些制剂在环境中不稳定；（4）生产成本较高。四、
33、生物农药研究展望 随着人们对化学农药弊端和环保重要性的进一步认识，生物农药将是21世纪农药研究重点，以下几个方面将会受到重视。作用机制独特的生物农药品种将是研究开发的热点之一。如生长调节物质、行为调控化学物质等生物与化学方法相结合，开发生物化学农药生物技术向生物农药研究渗透。如转B.t.抗虫棉等的成功12.2 微生物农药一、细菌杀虫剂细菌杀虫剂是目前研究和利用的较多的一类微生物农药。根据细菌对昆虫的致病性，将其分为4类：（1）含晶孢子形成杆菌，如苏芸金芽孢杆菌（简称B.t.);（2）专性病原菌，如日本甲虫芽孢杆菌（B.popilliae);（3）兼性病原菌，如铜绿假单胞菌和球形芽孢杆菌等；（4
34、）潜在病原菌，如粘质沙雷氏菌。细菌杀虫剂中最典型的、其中以苏芸金芽孢杆菌、日本甲虫芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、缓病芽孢杆菌等研究得最多。苏芸金芽孢杆菌（B.thuringiensis Berliner)是以德国的苏芸金（Thruingen)地方名命名的。1909年德国苏芸金的一个面粉厂，发现一批染病的地中海粉螟幼虫，由柏林纳首先分离出这种细菌，1915年命名为苏芸金芽孢杆菌。苏芸金芽孢杆菌（其制剂简称B.t.制剂）是目前商业开发最为成功的微生物杀虫剂。主要用于防治棉、菜、果等150多种鳞翅目及其他多种害虫，药效比化学农药高55。据统计，1997 年世界B.t.的销售额已达9.84亿美元。（一）作用
35、机制1.苏芸金芽孢杆菌的形态和生活史 苏芸金杆菌是营养体较粗壮、直形、能产生芽孢的杆状细菌。一般具周生鞭毛，微动或不动，单个存在或2-4个相连呈短链。革兰氏染色阳性。营养体一般在30经2448h，在菌体偏端处产生卵圆形芽孢，随着芽孢的产生，在孢子囊的另一端产生一个菱形或正方形的伴孢晶体。芽孢是休眠体，在适宜条件下，吸水萌发形成新的营养体，并重复上述发育阶段。所以苏芸金杆菌的生活过程是：芽孢 营养体 孢子囊（内含芽孢和伴孢晶体）释放出芽孢和晶体2.苏芸金杆菌所产生的杀虫毒素（1）伴孢晶体毒素（内毒素）所有苏芸金杆菌的菌株在正常条件下，都能形成伴孢晶体，伴孢晶体是一种大分子蛋白质，是一种原毒素。伴
36、孢晶体所以对某些昆虫有害，就在于这些昆虫的消化道内pH值是碱性反应（pH8.9以上），并且它的消化液中含有胰蛋白酶类和糜蛋白酶类，十分适合晶体水解，且水解后产生具有毒性末端的多肽。（2）热稳定性外毒素（外毒素）热稳定性外毒素于1959年发现，由于它对家蝇有毒，也叫蝇毒素。它是细胞分泌的一种水溶性耐热稳定性毒素，120，15min的热处理，仍保持活性。（3）其他毒素 外毒素也叫卵磷脂酶C，这种毒素不是苏芸金杆菌所特有的，是许多温血动物和人体的病原菌，如产气荚膜梭菌也能产生。苏芸金杆菌产生的这种毒素能杀死19种叶蜂幼虫，对老鼠也有毒。（二）对害虫的释放方式 苏芸金杆菌虽然有很高的环境安全性，但是，
37、在典型的田间条件下（如紫外线降解和雨淋），苏芸金芽孢杆菌在植物叶片上的停留时间只有几小时甚至更短。为提高残留活性，还有的在生产B.t.制剂时加入抗紫外保护剂及其他添加剂。（三）用遗传工程手段改进B.t.制剂 B.t.制剂由于其本身存在的一些局限性，不能被人们广泛接受，近年来人们采用遗传工程技术来改造B.t.制剂。遗传工程应用在B.t.制剂上的主要研究目的是扩展其用途及生物活性谱。例如，已经商品化的产品就是将分别编码对膜翅目活性和编码对鳞翅目活性的两个质粒接合在一个菌种上，因而其对膜翅目和鳞翅目昆虫均有活性。（四）生产方法 采用传统的分批深层发酵技术。培养基成分为：大豆粗粉15 g/L,葡萄糖5
38、 g/L，淀粉5 g/L。分批发酵的最终产物含有细胞、孢子、胞外酶和蛋白质、其他低分子量物质和杀虫结晶蛋白质。经高速连续流离心分离、丙酮沉淀后，生成的粘稠糊状物再与各种辅助剂（润湿剂、粘着剂、稳定剂）混合，最后制成粉剂或液体包装出售。（五）应用状况 B.t.制剂可有效地防治150多种鳞翅目幼虫（其中有些是重要的经济害虫），B.t.制剂已成为防治大田作物、果蔬、观赏植物和仓库害虫的主要生物杀虫剂。苏芸金芽孢杆菌是一些作物综合害物治理的重要手段。苏芸金芽孢杆菌可同信息素、昆虫天敌（寄生赤眼蜂）配合使用防治夜蛾，防治费用虽然与传统化学农药大致相同，但对环境的危害明显减少。（六）其他 B.t.制剂能否
39、引起害虫产生抗药性，一直是研究者十分关注的问题。曾经报道的小菜蛾抗性是在苏芸金芽孢杆菌作为单一农药使用、害虫在数年的极端选择压力下产生的。尽管生物杀虫剂可以用作部分化学杀虫剂的代用品，但只有将它与合成的化学杀虫剂结合起来作为害物综合防治措施的一部分，才能发挥生物杀虫剂的最大效力。二、病毒杀虫剂 用于生物防治的病毒主要是杆状病毒（Baculoviruses),由于它从未在脊椎动物或植物中发现，因此被认为是对人类、非目标生物和环境十分安全的微生物。目前已分离到的昆虫病毒有1200多种，已有60余种昆虫病毒被引入大田试验，我国也有20多种进入田间试验，应用最多的有核型多角体病毒（NPV）和颗粒体病毒
40、（GV)。核型多角体病毒专一性较强，发展很快。目前已开发出10多种产品，包括棉铃虫、菜青虫、斜纹夜蛾等，已有十几家产品获得登记，有代表性的开发单位是中科院武汉病毒所、武大绿洲生物技术公司，产量超过千吨。（一）作用机制 鳞翅目和膜翅目幼虫取食叶片而吞人NPV和GV后，包涵体就溶解于昆虫的碱性（pH9.010.5）肠液中，释放出病毒颗粒。病毒颗粒侵染敏感昆虫的肠细胞，然后扩散到其他组织。受侵染幼虫死亡后，向环境释放出大量的包涵体，进而侵染更多的幼虫或进入土中累积起来。（二）病毒杀虫剂的特性（三）病毒杀虫剂的商品化生产方法1.活体生产法 在活的寄主昆虫体内生产病毒是目前主要的生产方法取得染病寄主有两
41、种方法：第一种方法是鉴定目标群体大量存在的地理环境，并在这一群体内引人特种病毒接种体，再收集侵染的个体。第二种活体生产方法是采用寄主昆虫的实验室群体和控制引进的病毒。2.离体生产法 优点：可大量生产；过程可实现自动化；能采用细胞培养技术；能够严格监测和控制营养及环境条件的变化。病毒的离休生产技术至今还未得到广泛使用，主要原因是在成本上尚无法与已经广泛使用的活性生产技术竞争。三、真菌杀虫剂 真菌杀虫剂是产量仅次于细菌杀虫剂的另一类生物杀虫剂。目前已发现杀虫真菌约100多属800多种，其中以白僵菌、绿僵菌、拟青霉、虫霉等应用较多。球孢白僵菌具有很好开发前景，并在多个国家商品化。块状耳霉菌在我国已商
42、品化。（一）特点 与B.t.制剂和病毒相比，真菌杀虫剂有两个优点:（1)许多分离物有较宽的寄主范围，可以使多种昆虫染病；（2）真菌通过侵染角质层（表皮）来感染寄主，除了毛虫、甲虫和其他咀嚼口器昆虫以外，还能感染蚜虫和叶蝉。（二）培养真菌人工的缺点：用量较大、生产成本较高。真菌在液体培养基中生长时，会产生芽生孢子，但由于其壁较薄，比分生孢子存活率低。此外，分生孢子贮存期比B.t.和病毒制剂短，芽生孢子就更差。最近，开发了菌丝断片作杀虫制剂，但这一制剂能否进人商业性开发还有疑问。四、放线菌杀虫剂 是防治螨类的重要生物杀虫剂五、线虫杀虫剂六、拮抗微生物 是指在土壤中同时存在两种以上生物种群时，利用其
43、相互作用（协调、敌对、拮抗）以达到生物防治的目的。12.3 农用抗生素 抗生素是由微生物产生的、对生命有拮抗作用的化学品，对微生物病原体十分有效。它在植物病理学方面、尤其在防治植物病害方面的应用是人们兴趣日增的议题。以往一直认为由微生物产生的抗生素具有高效、低毒、安全、易分解和环境污染小等特点，是一种理想农药，故对生物源农药的安全性要求并不高。随着生活水平的提高，人们发现，抗生素虽然不会损害作物，但却有可能产生残留，并且存在潜在的毒性，这是和微生物农药所不同的地方。1.杀真菌剂：如金色制霉素、杀稻瘟菌素、放线菌酮等2.杀细菌剂：种子传播的烟草细菌性肿瘤可用氯霉素和四环素处理。3.杀病毒剂：最常
44、用的抗生素为氯霉素、放线菌酮和放线菌素D。4.杀虫剂：杀虫剂的作用机制主要有：抑制乙酰胆碱酯酶；抑制一氨基丁酸的神经传递系统；作为离子载体，干扰细胞膜内外的离子平衡，以阻止几了质的合成等。用于植物保护的抗生素种类：12.4 源于植物的生理活性物质 据统计，全世界至少有26万种不同植物，而在化学性质上进行过调查研究的仅占10，作为农药研究的更少。植物源农药包括植物体内的次生代谢物质和转基因植物农药。1977年，就曾有报道，植物中次生代谢物质超过40万种，主要有糖苷类、萘酮类、酚类、萜烯类、生物碱类、黄酮类、蛋白质类、噻吩类等化合物。一、杀虫剂植物天然产物中以杀虫特性著称的当数除虫菊。由于除虫菊具
45、有高效的杀虫活性和对哺乳动物的低毒性，故而是一种理想的害虫防治剂。但是，除虫菊不稳定，在农田作物中防治昆虫不太经济，杀虫性更佳、光稳定性更强的合成拟除虫菊酯已取而代之。鱼藤酮（Rotenone）植物杀虫剂，至今仍受园林工作者的欢迎。另一非常熟悉的商用杀虫剂烟碱（Nicotine）。二、杀菌剂 与植物源杀虫剂相比，植物源杀菌剂研究较少。三、除草剂 主要是利用植物的异生相克物质、植物产生的某些次生代谢物质，释放到环境中能影响附近同种或异种植物的生长，包括刺激或抑制作用。百种具有除草活性的物质，主要有肉桂酸衍生物、香豆素类、鞣酸、脂肪酸和生物碱等。除草效应最好的实例是从万寿菊中提取的三噻吩，但未见实
46、用化。12.5 动物源农药 动物源农药主要用于害虫的防治，包括动物毒素、昆虫激素、昆虫信息素和天敌动物等。研究最为活跃的是昆虫信息素、动物毒素和昆虫神经肽。昆虫信息素：又称昆虫外激素，大多是长链不饱和烃的醇、酯、醛、酮和环氧化合物，具有引诱、刺激、抑制、控制摄食或产卵、交配、集合、报警、防御等功能。动物源农药 动物毒素：是动物产生的对有害生物具有毒杀作用的活性物质，研究多集中与蜘蛛毒素和黄蜂毒素，为人们开发新型杀虫剂提供新的思路 昆虫激素：是昆虫内分泌腺体产生的具有调节昆虫生长发育功能的微量活性物质。主要有脑激素、蜕皮激素和保幼激素三类。动物源农药 昆虫神经肽：是一个比较活跃的领域，自1975年鉴定第一种神经肽结构，到1990年已鉴定昆虫神经肽8类，共40多种；目前主要是基础性研究，离实用化还有相当的距离。天敌动物：是对有害生物具有寄生性或捕食性的昆虫，通过商品化繁殖、施放起防治作用。国际上已商品化生产的天敌昆虫有130多种，但在我国还未实行农药登记。动物源农药
