1、第六讲第六讲 环境生物技术在可持环境生物技术在可持续发展中的应用续发展中的应用环境生物技术环境生物技术Environmental biotechnologyEnvironmental biotechnology 微生物清洁生产技术微生物清洁生产技术 环境友好材料环境友好材料 微生物的废物资源化微生物的废物资源化 微生物废物能源化微生物废物能源化 环境微生物污染预防技术环境微生物污染预防技术主要内容主要内容微生物的清洁生产技术微生物的清洁生产技术l 微生物冶金技术微生物冶金技术 据估计，我国铜只能再用据估计，我国铜只能再用1313年，铅年，铅6.56.5年，锌年，锌8.18.1年，锑年，锑4.3
2、4.3年，钼年，钼12.712.7年，金年，金8 8年。我国矿产资年。我国矿产资源利用率仅为美国的源利用率仅为美国的26.926.9%，日本的，日本的1/71/7。对于有。对于有限的矿产资源，传统技术资源利用率很低，经济限的矿产资源，传统技术资源利用率很低，经济可采率还不到可采率还不到30%30%，等于另有，等于另有70%70%的资源如果要想的资源如果要想得到充分利用，就必须需要依托新技术来完成。得到充分利用，就必须需要依托新技术来完成。指利用某些微生物或其代谢产物对某些矿物（主要指利用某些微生物或其代谢产物对某些矿物（主要为硫化矿物）和元素所具有的氧化、还原、溶解、为硫化矿物）和元素所具有的
3、氧化、还原、溶解、吸收（吸附）等作用，从矿石中浸出金属或从水中吸收（吸附）等作用，从矿石中浸出金属或从水中回收（脱除）有价（有害）金属回收（脱除）有价（有害）金属 微生物冶金已有近百年的历史，但真正快速发展微生物冶金已有近百年的历史，但真正快速发展始于始于20世纪世纪50年代年代 1958年，美国用细菌浸出铜矿中的金属铜年，美国用细菌浸出铜矿中的金属铜 1966年加拿大用细菌浸出铀研究成功年加拿大用细菌浸出铀研究成功 什么是微生物冶金？什么是微生物冶金？直接作用直接作用细菌对矿石有直接氧化的能力细菌对矿石有直接氧化的能力,具有直接浸提作用具有直接浸提作用 间接作用间接作用细菌生命活动中生成的代
4、谢物作用于矿物，如细菌细菌生命活动中生成的代谢物作用于矿物，如细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后通过两者作为浸溶剂作用产生硫酸和硫酸铁，然后通过两者作为浸溶剂浸出矿石中的目标金属浸出矿石中的目标金属 联合作用联合作用细菌直接作用和化学氧化间接作用共同存在细菌直接作用和化学氧化间接作用共同存在 微生物冶金的原理微生物冶金的原理 对于低品位金属矿、矿冶废料等处理，使用传对于低品位金属矿、矿冶废料等处理，使用传统开采方法，投入产出比较低，而微生物冶金可统开采方法，投入产出比较低，而微生物冶金可把传统方法不能提取出来的金属浸提出来把传统方法不能提取出来的金属浸提出来 湿法冶金的工艺条件易于控制，设备需要简
5、单，湿法冶金的工艺条件易于控制，设备需要简单，成本比较低廉。如低品位铀矿中回收铀，成本仅成本比较低廉。如低品位铀矿中回收铀，成本仅为其它方法的一半为其它方法的一半 微生物冶金特点微生物冶金特点嗜温型细菌嗜温型细菌氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans)、氧化硫硫杆菌、氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)、硫化裂片菌、硫化裂片菌(Sulfoobus theoacidophium)嗜热型微生物嗜热型微生物中等嗜热细菌：磺杆菌属中等嗜热细菌：磺杆菌属嗜热细菌：叶硫球菌属、双向酸酐菌属、硫球菌属嗜热细菌：叶硫球菌属、双向酸酐菌属、硫球菌属 用于冶金的微生
6、物用于冶金的微生物 槽浸槽浸：将细菌酸性高铁浸出剂与矿石在反应槽中：将细菌酸性高铁浸出剂与矿石在反应槽中混合，机械搅拌通气，然后从浸出液中回收金属。混合，机械搅拌通气，然后从浸出液中回收金属。需要搅拌、加热、冷却和通气设备等，当细菌氧化需要搅拌、加热、冷却和通气设备等，当细菌氧化矿物中的金属价值较高时，可采用该法，如金、银、矿物中的金属价值较高时，可采用该法，如金、银、锑及有贵重金属伴生的铜矿等锑及有贵重金属伴生的铜矿等 微生物冶金的方式微生物冶金的方式 堆浸堆浸：在倾斜的地面上，用水泥沥青等砌成不：在倾斜的地面上，用水泥沥青等砌成不渗漏的基础盘床，把含量低的矿石堆积在其上，渗漏的基础盘床，把
7、含量低的矿石堆积在其上，从上部不断喷洒细菌酸性硫酸高铁浸出剂，从流从上部不断喷洒细菌酸性硫酸高铁浸出剂，从流出的浸出液中回收金属。出的浸出液中回收金属。不需要破碎，不需要翻动。投资低，运行费用低，不需要破碎，不需要翻动。投资低，运行费用低，可露天进行，是应用最多的微生物冶金方法。可露天进行，是应用最多的微生物冶金方法。原位浸原位浸：利用自然或认为爆破形成的地面裂缝，：利用自然或认为爆破形成的地面裂缝，将能氧化矿物的酸性水注入矿床中，使目的金属将能氧化矿物的酸性水注入矿床中，使目的金属溶解在液体中，然后从液体中回收金属溶解在液体中，然后从液体中回收金属 完全在野外进行，不需要人工管理，但效率教完
8、全在野外进行，不需要人工管理，但效率教低，易受环境条件影响低，易受环境条件影响 冶金微生物冶金微生物生理状态、繁殖速度、活性生理状态、繁殖速度、活性 矿石特性矿石特性堆矿渗透性、矿石粒度、矿浆浓度、矿石的化堆矿渗透性、矿石粒度、矿浆浓度、矿石的化学成分、矿物的电化学性质学成分、矿物的电化学性质 浸矿环境条件浸矿环境条件通气状况、通气状况、pH、温度、温度 影响因素影响因素 高效冶金微生物的筛选、驯化及应用高效冶金微生物的筛选、驯化及应用 难浸金属微生物的处理难浸金属微生物的处理 冶金过程中影响因素的调控冶金过程中影响因素的调控 冶金提取液的处理冶金提取液的处理 微生物冶金设备的研制微生物冶金设
9、备的研制 存在的问题存在的问题项目针对我国有色金属矿产资源品位低、复杂、难项目针对我国有色金属矿产资源品位低、复杂、难处理的特点，围绕处理的特点，围绕硫化矿浸矿微生物生态规律、遗传及代谢调控机制；硫化矿浸矿微生物生态规律、遗传及代谢调控机制；微生物矿物溶液复杂界面作用与电子传递规律；微生物矿物溶液复杂界面作用与电子传递规律；微生物冶金过程多因素强关联微生物冶金过程多因素强关联2004年国家重点基础研究发展规划（年国家重点基础研究发展规划（973）项目）项目 浸矿微生物的分离、纯化、种群生态规律、氧化生浸矿微生物的分离、纯化、种群生态规律、氧化生理、分子遗传标记理、分子遗传标记 浸矿微生物浸矿微
10、生物Fe、S氧化酶的结构与功能关系、催化机氧化酶的结构与功能关系、催化机理、代谢调控理、代谢调控 浸矿微生物功能基因克隆浸矿微生物功能基因克隆 浸矿微生物、矿物结构、表面润湿性、电性、吸附浸矿微生物、矿物结构、表面润湿性、电性、吸附等界面作用等界面作用 微生物微生物-矿物矿物-溶液界面电子传递规律溶液界面电子传递规律环境友好材料环境友好材料 在原料采集、产品制造、使用或者再生循环利在原料采集、产品制造、使用或者再生循环利用以及废料处理等环节中对地球环境负荷最小和对用以及废料处理等环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料，具有资源和能源消耗少、人类身体健康无害的材料，具有资源和能源消耗
11、少、对生态和环境污染小、再生利用率高的特点对生态和环境污染小、再生利用率高的特点 用于污染物控制的、对环境有害的已有材料的替用于污染物控制的、对环境有害的已有材料的替代品，可以减少环境污染代品，可以减少环境污染 作用于环境、有利于环境质量控制和改善、其本作用于环境、有利于环境质量控制和改善、其本身不会产生污染的物质身不会产生污染的物质 l 微生物絮凝剂微生物絮凝剂 城镇用水及工业污水的净化和处理城镇用水及工业污水的净化和处理 絮凝沉降是一种简便、经济的提高水质处理絮凝沉降是一种简便、经济的提高水质处理效率方法，在环境领域尤其水体环境中应用非效率方法，在环境领域尤其水体环境中应用非常多常多无机小
12、分子：无机小分子：Al2(SO4)3、FeCl3、FeSO4无机高分子：聚合无机高分子：聚合Fe、Al盐（盐（30%-60%）复合型无复合型无机高分子机高分子天然高分子：天然高分子：改性淀粉改性淀粉、壳聚糖、明胶、壳聚糖、明胶 合成高分子：合成高分子：聚丙烯酸胺聚丙烯酸胺、聚二甲基二、聚二甲基二烯丙基氯化铵烯丙基氯化铵 、季胺盐、季胺盐 絮凝剂絮凝剂无机无机有机有机：铝盐、铁盐和硅酸盐：铝盐、铁盐和硅酸盐 复合型有机、无机高分子复合型有机、无机高分子 国外：聚合铝铁、铝硅、硅铝、硅铁以及聚合铝国外：聚合铝铁、铝硅、硅铝、硅铁以及聚合铝/铁与活性致混物质等复合絮凝剂铁与活性致混物质等复合絮凝剂
13、国内：聚合氯化铁铝、聚合硅酸硫酸铁、聚合硅国内：聚合氯化铁铝、聚合硅酸硫酸铁、聚合硅酸硫酸铝、聚合硅酸铝化铁、聚合氯硫酸铁、聚合酸硫酸铝、聚合硅酸铝化铁、聚合氯硫酸铁、聚合硅酸铝、聚合硅酸铁、聚合硅酸铝铁、聚合磷酸铝硅酸铝、聚合硅酸铁、聚合硅酸铝铁、聚合磷酸铝铁、硅钙复合型聚合氯化铁铁、硅钙复合型聚合氯化铁 使用无机絮凝剂时会给处理水体带来很多离子，使用无机絮凝剂时会给处理水体带来很多离子，需增加脱盐、去离子程序，需增加脱盐、去离子程序，AlAl会影响人体健康会影响人体健康铁盐类絮凝剂腐蚀性强，限制了使用设备，同时铁盐类絮凝剂腐蚀性强，限制了使用设备，同时铁离子颜色也会影响水质。当处理含硫化物
14、工业废铁离子颜色也会影响水质。当处理含硫化物工业废水时，容易形成胶体状水时，容易形成胶体状FeSFeS和和FeFe2 2S S3 3混合物，失去絮凝混合物，失去絮凝作用作用有机絮凝剂聚丙烯酰胺非常难降解，容易导致二有机絮凝剂聚丙烯酰胺非常难降解，容易导致二次污染次污染尽管天然高分子絮凝剂无毒又容易降解，但其产尽管天然高分子絮凝剂无毒又容易降解，但其产量有限，活性较低限制了其广泛应用量有限，活性较低限制了其广泛应用传统絮凝剂的不足传统絮凝剂的不足是一类由微生物产生的代谢产物，是利用微生物是一类由微生物产生的代谢产物，是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精技术，通过细菌、真菌等微生
15、物发酵、提取、精制而得到的、具有生物分解性和安全性的新型、制而得到的、具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、无二次污染的水处理剂高效、无毒、无二次污染的水处理剂 何为微生物絮凝剂何为微生物絮凝剂？多聚糖多聚糖 蛋白质（或多肽）蛋白质（或多肽）脂类脂类 DNA DNA 分子量多在分子量多在10105 5以上以上 成分成分 微生物微生物 絮凝性的微生物达絮凝性的微生物达30多种，主要包括细菌、放线多种，主要包括细菌、放线菌、霉菌、酵母菌、藻类等菌、霉菌、酵母菌、藻类等 细菌和真菌居多，藻类最少（蓝藻类的环圈项圈细菌和真菌居多，藻类最少（蓝藻类的环圈项圈蓝细菌、席藻属蓝细菌、席藻属)典型的絮凝剂
16、产生菌：典型的絮凝剂产生菌：酱油曲霉酱油曲霉(Aspergilus sojae)、拟青霉属拟青霉属(Paecilomyces sp.)、红平红球菌红平红球菌(Rhodococcus erythropolis)NOC-1：糖蛋白类（多糖和脂质），由糖蛋白类（多糖和脂质），由红平红球菌红平红球菌产生，是目前最好的微生物絮凝剂产生，是目前最好的微生物絮凝剂 PF101：粘多糖类（粘多糖类（85%半乳糖胺、半乳糖胺、2.3%乙酰基、乙酰基、5.7%甲酰基氮化半乳糖胺），由甲酰基氮化半乳糖胺），由拟青霉属拟青霉属产生产生 AJ7002：蛋白质类（半乳糖、葡萄糖胺、蛋白质类（半乳糖、葡萄糖胺、2-酮葡萄酮
17、葡萄糖酸及多肽成分），由糖酸及多肽成分），由酱油曲霉酱油曲霉产生产生 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂 直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆转基因直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆转基因技术所获得絮凝剂技术所获得絮凝剂 微生物微生物絮凝剂的来源絮凝剂的来源 微生物微生物絮凝剂的絮凝机理絮凝剂的絮凝机理“桥联作用桥联作用”机理机理 吸附架桥作用吸附架桥作用 借助离子键、氢键、范德华力，同时吸附多个借助离子键、氢键、范德华力，同时吸附多个胶体粒子，在颗粒间产生架桥现象，从而形成胶体粒子，在颗粒间产生架桥现象，从而形
18、成一种网状三维结构沉淀下来一种网状三维结构沉淀下来 卷扫作用卷扫作用 小颗粒絮凝体在重力作用下发生沉降，在沉降小颗粒絮凝体在重力作用下发生沉降，在沉降过程中，众多小颗粒絮凝体象张滤网一样把水中过程中，众多小颗粒絮凝体象张滤网一样把水中胶粒一扫而净胶粒一扫而净 电中和作用电中和作用 溶液中电荷的多价电解质能够与颗粒表面带的溶液中电荷的多价电解质能够与颗粒表面带的相反电荷发生中和，从而减少弱颗粒间彼此的相反电荷发生中和，从而减少弱颗粒间彼此的相互排斥力，促进颗粒沉淀，为絮凝剂的架桥相互排斥力，促进颗粒沉淀，为絮凝剂的架桥提供有利条件提供有利条件 “类外源类外源絮凝聚素絮凝聚素”机理机理 可解释可解
19、释酵母菌酵母菌的絮凝机理。絮凝酵母细胞壁上的的絮凝机理。絮凝酵母细胞壁上的特定表面蛋白与别的酵母细胞表面的甘露糖残基特定表面蛋白与别的酵母细胞表面的甘露糖残基之间可专一性结合，引起絮凝。之间可专一性结合，引起絮凝。絮凝效果与细胞表面蛋白、甘露糖结构与形态、絮凝效果与细胞表面蛋白、甘露糖结构与形态、pH、阳离子等有关、阳离子等有关 “菌丝体外纤维丝菌丝体外纤维丝”机理机理 可解释可解释纤维素类絮凝剂纤维素类絮凝剂。主要是因为某些微生物。主要是因为某些微生物产生的絮凝物并没有进入菌体培养液中，而是作产生的絮凝物并没有进入菌体培养液中，而是作为菌体细胞的某一组分或紧附着在细胞表面，形为菌体细胞的某一
20、组分或紧附着在细胞表面，形成一种类似细菌成一种类似细菌“荚膜荚膜”一样的结构，该结构在一样的结构，该结构在絮凝过程中起了积极作用。絮凝过程中起了积极作用。絮凝效果影响因素絮凝效果影响因素 底物种类底物种类 广谱性和窄谱性广谱性和窄谱性 絮凝剂分子、浓度絮凝剂分子、浓度 分子量越大，絮凝活性越高分子量越大，絮凝活性越高 环境条件环境条件 pH：影响絮凝剂大分子与胶体颗粒表面电荷，影响影响絮凝剂大分子与胶体颗粒表面电荷，影响它们之间的靠近和吸附行为它们之间的靠近和吸附行为 温度温度：影响高分子空间结构影响高分子空间结构 无机及金属离子无机及金属离子：一些金属离子是絮凝剂桥联或中一些金属离子是絮凝剂
21、桥联或中和作用的加强剂，甚至是必须离子，如和作用的加强剂，甚至是必须离子，如Ca2+、Mn2+、Mg2+、Al3+等等。但。但浓度不宜过高，否则由于大量离浓度不宜过高，否则由于大量离子占据了絮凝剂分子的活性位置，并把絮凝剂分子与子占据了絮凝剂分子的活性位置，并把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝悬浮颗粒隔开而抑制絮凝 微生物微生物絮凝剂的应用絮凝剂的应用 废水悬浮物的处理（畜产废水、鞣革工业废水）废水悬浮物的处理（畜产废水、鞣革工业废水）废水脱色处理废水脱色处理 乳浊液的油水分离乳浊液的油水分离 污泥处理污泥处理 发酵和食品行业（菌体去除）发酵和食品行业（菌体去除）微生物微生物絮凝剂的研究趋势
22、絮凝剂的研究趋势 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 优化发酵条件，提高絮凝剂生产产量，降低生优化发酵条件，提高絮凝剂生产产量，降低生产成本产成本 深入研究微生物絮凝剂的分子结构及其产生与深入研究微生物絮凝剂的分子结构及其产生与絮凝机理絮凝机理 进一步开拓微生物絮凝剂的应用领域进一步开拓微生物絮凝剂的应用领域l 可生物降解塑料可生物降解塑料可降解塑料可降解塑料生物可降解塑料生物可降解塑料光降解塑料光降解塑料 光光-生物生物-化学协同可降解塑料化学协同可降解塑料化学可降解塑料化学可降解塑料 生物可降生物可降解塑料解塑料 完全可降完全可降解塑料解塑料 部分可降部分可降解塑料解塑料
23、发酵成分发酵成分自然成分自然成分发酵发酵-合成成分：合成成分：化学合成：化学合成：变性淀粉产品变性淀粉产品淀粉、淀粉、PVA淀粉、淀粉、PCL壳聚糖、纤维素壳聚糖、纤维素PHAs细菌、纤维素细菌、纤维素聚乳酸聚乳酸脂族聚酯脂族聚酯普通塑料、普通塑料、PCLPE、淀粉、淀粉聚乙烯醇聚己内烯聚乙烯 聚聚-羟基烷酸羟基烷酸（PHA），），又称微生物聚酯，是一又称微生物聚酯，是一种胞内碳源和能源储存物，由于种胞内碳源和能源储存物，由于PHAsPHAs具有低溶解度具有低溶解度和高分子量，它在细胞内积累不会引起渗透压的增和高分子量，它在细胞内积累不会引起渗透压的增加，因此，是一类理想的胞内储藏物，比糖原、
24、多加，因此，是一类理想的胞内储藏物，比糖原、多聚磷酸或脂肪更普遍地存在于微生物中聚磷酸或脂肪更普遍地存在于微生物中 PHA？100-30000OR-O-CH-(CH2)n-CR R为甲基时，单体为为甲基时，单体为-羟基丁酸（羟基丁酸（HBHB）R R为乙基时，单体为为乙基时，单体为-羟基戊酸（羟基戊酸（HVHV）R R为丙基时，单体为为丙基时，单体为-羟基己酸（羟基己酸（HCHC）R R为丁基时，单体为为丁基时，单体为-羟基庚酸（羟基庚酸（HHHH）R R为戊基时，单体为为戊基时，单体为-羟基辛酸（羟基辛酸（HOHO）R R为己基时，单体为为己基时，单体为-羟基壬酸（羟基壬酸（HNHN）R R
25、为庚基时，单体为为庚基时，单体为-羟基癸酸（羟基癸酸（HDHD）R R为辛基时，单体为为辛基时，单体为-羟基十一酸（羟基十一酸（HUDHUD）R R为壬基时，单体为为壬基时，单体为-羟基十二酸（羟基十二酸（HDDHDD）最早于最早于19251925年由法国的年由法国的LemoigneLemoigne首次从巨大首次从巨大芽孢杆菌（芽孢杆菌（Bacillus megatherium）中提取）中提取 是一种生物可降解的热塑性塑料，与聚丙烯、是一种生物可降解的热塑性塑料，与聚丙烯、聚乙烯的物理和化学结构基本相似，能拉丝、压聚乙烯的物理和化学结构基本相似，能拉丝、压膜、注塑等膜、注塑等 在在9090多种
26、细菌中发现多种细菌中发现PHAsPHAs，已有超过，已有超过125125种单种单体的体的PHAPHA被发现被发现 当增加碳氮比后，细菌体内的当增加碳氮比后，细菌体内的PHBPHB含量就会增含量就会增加；当细菌缺乏足够的营养供应而不能分裂和加；当细菌缺乏足够的营养供应而不能分裂和生长时也积累生长时也积累PHBPHB PHB有良好的生物降解性，其分解产物可全部有良好的生物降解性，其分解产物可全部为生物利用，对环境无任何污染，其熔融温度为生物利用，对环境无任何污染，其熔融温度为为175180，摩尔质量、软化点、结晶度、拉，摩尔质量、软化点、结晶度、拉伸强度等与聚丙烯伸强度等与聚丙烯(PP)PHB（聚
27、（聚-羟基丁酸）羟基丁酸）65个属近个属近300种微生物种微生物巨大芽孢杆菌（巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）产碱杆菌属（产碱杆菌属（Alcaligenes sp.）假单胞菌属（假单胞菌属（Pseudonomas sp.）甲基营养菌（甲基营养菌（Methylotrophs sp.）固氮菌属（固氮菌属（Azotobacter sp.）合成合成PHA的微生物的微生物红螺菌属（红螺菌属（Rhodospirilum sp.）棒杆菌属（棒杆菌属（Corynebacterium sp.）诺卡氏菌属（诺卡氏菌属（Nocardia sp.）红球菌属（红球菌属（Rhodococcus sp
28、.）动胶菌（动胶菌（Zoogloea）对廉价碳源的利用能力强弱对廉价碳源的利用能力强弱 生长速度快慢生长速度快慢 对底物的转化率高低对底物的转化率高低 胞内聚合物含量高低胞内聚合物含量高低 聚合物分子量大小聚合物分子量大小 工业化菌株考虑因素工业化菌株考虑因素用于合成用于合成PHAs的碳源的碳源微生物微生物碳源碳源PHA类型类型产碱杆菌产碱杆菌葡萄糖、果糖、木糖、丁酸、葡萄糖、果糖、木糖、丁酸、丙酸、乳酸、延胡羧酸、琥珀丙酸、乳酸、延胡羧酸、琥珀酸钠、衣康酸、甘油、酸钠、衣康酸、甘油、CO2+H2+O2、葡萄糖、葡萄糖+丙酸或丙酸或戊酸、戊酸戊酸、戊酸+丁酸丁酸PHB、P（HB-co-HV）甲
29、基杆菌甲基杆菌甲醇、琥珀酸、甲醇、琥珀酸、甲酸甲酸+链烷酸链烷酸PHBP(HB-co-HV)假单胞菌假单胞菌甲醇、甲醇、n-辛烷辛烷PHBP(HB-co-HH)光能细菌光能细菌CO+H2P(HB-co-HV)重组重组E.coli葡萄糖葡萄糖PHB影响影响PHAs降解因素降解因素 环境类型环境类型 微生物种群微生物种群 活力活力 水分水分 温度温度 PHAs塑料制品厚度等塑料制品厚度等 环境条件环境条件1mm厚膜消失厚膜消失所需要时间所需要时间/d50um厚膜消失厚膜消失所需要时间所需要时间/d厌氧活性污泥厌氧活性污泥423.5河口沉积物河口沉积物28035好氧活性污泥好氧活性污泥42049土壤
30、土壤(25度度)52570海水海水(15度度)2450350不同环境条件下不同环境条件下PHAs制品的生物降解制品的生物降解 微生物菌种改良。包括用分子生物学手段，微生物菌种改良。包括用分子生物学手段，有目的地提高菌种对多种原料的利用能力和转化有目的地提高菌种对多种原料的利用能力和转化率、改变细胞特性以利于提取率、改变细胞特性以利于提取 发酵生产技术研究。如采用流加发酵控制技发酵生产技术研究。如采用流加发酵控制技术、高密度细胞培养技术提高生产强度术、高密度细胞培养技术提高生产强度 新型反应器研制。如研制各种新型生物反应新型反应器研制。如研制各种新型生物反应器或改进已有反应器，以提高传氧效率、降
31、低能器或改进已有反应器，以提高传氧效率、降低能耗耗 产品提取工艺开发产品提取工艺开发PHAs研究现状研究现状企业企业生产时间生产时间产量产量PHAPHA种类种类奥地利奥地利btf AGbtf AG1980-19951980-1995100t/a100t/aPHBPHB德国德国BiomersBiomers1000t/a1000t/aPHBPHB英国英国ICIICI1991-19981991-1998350t/a350t/aPHBVPHBV美国美国ADMADM1980-1980-至今至今 P P（3HB-4HB3HB-4HB）美国美国P&GP&G50000t/a50000t/aP P（3HB-4H
32、B3HB-4HB）日本日本KanekaKaneka5000t/a5000t/aPHBHHxPHBHHx天津北方食品公司天津北方食品公司1985-1985-至今至今100t/a100t/aPHBPHB江门生物技术中心江门生物技术中心1996-20001996-200010t/a10t/aPHBPHB广东联亿生物公司广东联亿生物公司1998-20021998-200210t/a10t/aPHBPHB、PHBHHxPHBHHx宁波天安生物材料宁波天安生物材料2000-2000-至今至今5t/a5t/aPHBPHB、PHBHHxPHBHHx江苏南天集团江苏南天集团2000-2000-至今至今1000t
33、/a1000t/aPHBVPHBV天津国韵生物科技天津国韵生物科技公公1998-1998-至今至今10t/a10t/aPHBPHB深圳奥贝尔科技公深圳奥贝尔科技公2004-2004-至今至今10t/a10t/aP P（3HB-4HB3HB-4HB）l 生物表面活性剂（生物表面活性剂（biosurfactant）表面活性剂素有表面活性剂素有“工业味精工业味精”之称，是一类在低浓度之称，是一类在低浓度时能显著降低液体表面张力的物质，通常有非极性的时能显著降低液体表面张力的物质，通常有非极性的疏水基团和极性的亲水基团组成，疏水基团通常是碳疏水基团和极性的亲水基团组成，疏水基团通常是碳氢化合物，亲水基
34、团则是带正电、负电或两性的基团氢化合物，亲水基团则是带正电、负电或两性的基团 全球表面活性剂的年产量已超过全球表面活性剂的年产量已超过3106 t，家用洗涤，家用洗涤剂占总量的剂占总量的54%，用于工业的占，用于工业的占32%微生物在一定生长条件下，代谢过程中分泌产生微生物在一定生长条件下，代谢过程中分泌产生的具有一定表面的具有一定表面/界面活性的代谢产物，能有效界面活性的代谢产物，能有效乳化、润湿、分散、溶解疏水性物质，降低体系乳化、润湿、分散、溶解疏水性物质，降低体系的表的表/界面张力。微生物产生的生物表面活性剂界面张力。微生物产生的生物表面活性剂大多为阴离子或非离子型大多为阴离子或非离子
35、型 生物表面活性剂生物表面活性剂 植物植物 动物动物 微生物微生物按微生物源不同可分为按微生物源不同可分为 糖脂糖脂 脂肽脂肽 多糖多糖-蛋白质复合物蛋白质复合物 磷脂和脂肪酸或中性脂磷脂和脂肪酸或中性脂 生物表面活性剂的性质生物表面活性剂的性质 生物表面活性剂具有特定的结构生物表面活性剂具有特定的结构 亲水基团亲水基团一般是氨基酸或多肽、阴离子或阳离子、一般是氨基酸或多肽、阴离子或阳离子、寡糖、二糖或多糖寡糖、二糖或多糖 亲脂基团亲脂基团一般是一种或几种脂肪酸的烃链，它可以一般是一种或几种脂肪酸的烃链，它可以是饱和的或不饱和的，脂肪酸通过一个糖脂键或酞是饱和的或不饱和的，脂肪酸通过一个糖脂键
36、或酞胺键与亲水基团相连胺键与亲水基团相连 大多数生物表面活性剂是中性或带负电的，带负电大多数生物表面活性剂是中性或带负电的，带负电是由于羟基的原因是由于羟基的原因 脂肽类脂肽类 脂肽分子由亲水的肽键和亲油的脂肪烃链两部分组成脂肽分子由亲水的肽键和亲油的脂肪烃链两部分组成 1968年，年，Arima 等首次发现枯草芽孢杆菌（等首次发现枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）产生，商品名为表面活性素（）产生，商品名为表面活性素（Surfactin）Surfactin的表面活性最强，是迄今报道的效果最好的的表面活性最强，是迄今报道的效果最好的生物表面活性剂之一生物表面活性剂之一 Surfa
37、ctin应用于化妆品，可以改善化妆品的水应用于化妆品，可以改善化妆品的水洗性能，增加皮肤的光润和滑嫩性。洗性能，增加皮肤的光润和滑嫩性。Surfactin在医药上的应用，具有抗菌、抗真菌，在医药上的应用，具有抗菌、抗真菌，抑制血纤维素凝集，诱导脂双层膜离子通道的形成，抑制血纤维素凝集，诱导脂双层膜离子通道的形成，抑制抑制c AMP,抗病毒和抗肿瘤以及抗支原体活性。抗病毒和抗肿瘤以及抗支原体活性。Surfactin 在农业中的应用。土壤改良，加快土在农业中的应用。土壤改良，加快土壤中有机质的生物降解；农药助剂壤中有机质的生物降解；农药助剂 Surfactin在食品工业中的应用。其优良的乳化在食品
38、工业中的应用。其优良的乳化性可在食品原料形成一定的浓度、质地和分散相中性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发挥重要作用 微生物微生物 完全以烷烃为碳源，如完全以烷烃为碳源，如Corynebacterium sp.和和Arthrobacter sp.仅以水溶性底物为碳源，如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，如以烷烃和水溶性底物为碳源，如Pseudomonas sp.生物表面活性剂生物表面活性剂合成菌种合成菌种鼠李糖脂鼠李糖脂Pseudomonas aerginasa,Pseudomonas Pseudomonas aerginasa,P
39、seudomonas spp.spp.海藻糖脂海藻糖脂Arthrobacter paraffineusArthrobacter paraffineus、Corynebacterium Corynebacterium spp.spp.槐糖脂槐糖脂CandidaCandida spp.spp.、Torulopsis bombicolaTorulopsis bombicola磷脂磷脂AcinetobacterAcinetobacter spp spp.、Corynebacteriu alkanolyticumCorynebacteriu alkanolyticum葡萄糖脂、果糖脂、葡萄糖脂、果糖脂、
40、蔗糖脂蔗糖脂Arthrobacter Arthrobacter spp.spp.、Corynebacterium Corynebacterium spp.spp.纤维二糖脂纤维二糖脂Ustilago maydisUstilago maydis多羟基脂多羟基脂Rhodotorula glutinusRhodotorula glutinus、Rhodotorula graminusRhodotorula graminus 脂多糖脂多糖Acinetobacter calcoaceticusAcinetobacter calcoaceticus、Pseudomonas Pseudomonas spp.
41、spp.脂肽和脂蛋白脂肽和脂蛋白Arthrpbacter Arthrpbacter spp.spp.、Bacillus brevisBacillus brevis、Bacillus Bacillus licheniformislicheniformis、Bacillus pumilisBacillus pumilis、Bacillus subtilisBacillus subtilis鸟氨酸肽、赖氨酸鸟氨酸肽、赖氨酸肽肽Gluconobacter cerinusGluconobacter cerinus、Streptomyces sioyaensisStreptomyces sioyaensi
42、s脂肪酸脂肪酸Arthrobacter parafineusArthrobacter parafineus、Corynebacterium lepusCorynebacterium lepus、Penicillium spiculisporumPenicillium spiculisporum、Rhodococcus erythropolisRhodococcus erythropolis磺酰基脂磺酰基脂CapnocytophagaCapnocytophaga spp.spp.糖基甘油脂糖基甘油脂Lactobacillus fermentiiLactobacillus fermentii 土壤
43、污染修复土壤污染修复 重金属重金属 与土壤液相中的游离金属离子络合；与土壤液相中的游离金属离子络合；通过降低界面张力使土壤中重金属离子与表通过降低界面张力使土壤中重金属离子与表面活性剂直接接触面活性剂直接接触 生物表面活性剂的应用生物表面活性剂的应用 莎凡婷和鼠李糖脂去除有机态的铜比较有效莎凡婷和鼠李糖脂去除有机态的铜比较有效 鼠李糖脂在去除与无定形氧化铁结合的铅比较鼠李糖脂在去除与无定形氧化铁结合的铅比较有效，去除水溶态、可交换态和碳酸盐结合态的有效，去除水溶态、可交换态和碳酸盐结合态的铅也有一定潜能铅也有一定潜能 槐糖脂去除氧化态的锌效果较好槐糖脂去除氧化态的锌效果较好 pH值、温度、离子
44、强度、氧化还原作用等也会值、温度、离子强度、氧化还原作用等也会对生物表面活性剂与重金属离子的络合产生影响对生物表面活性剂与重金属离子的络合产生影响 改变降解微生物菌体与土壤介质间的相互作用，改变降解微生物菌体与土壤介质间的相互作用，增强了细胞在土壤介质中的迁移作用增强了细胞在土壤介质中的迁移作用 通过改变降解微生物细胞表面性质，调节细胞在通过改变降解微生物细胞表面性质，调节细胞在污染物表面的吸附状况，促进它们之间的相互作用污染物表面的吸附状况，促进它们之间的相互作用 通过作用于细胞膜，生物表面活性剂可能改变其通过作用于细胞膜，生物表面活性剂可能改变其结构和性质，并促成了污染物摄取模式的变化结构
45、和性质，并促成了污染物摄取模式的变化 有机污染物有机污染物 解吸附作用有利于有机物从堆肥颗粒上脱除进入解吸附作用有利于有机物从堆肥颗粒上脱除进入堆肥间隙液相中，缩短了堆肥时间堆肥间隙液相中，缩短了堆肥时间 降低堆肥颗粒间隙液相的表面张力，有利于有机降低堆肥颗粒间隙液相的表面张力，有利于有机物和菌体的传输，使堆肥各个层面的有机物与菌物和菌体的传输，使堆肥各个层面的有机物与菌体充分接触，提高堆肥的效率体充分接触，提高堆肥的效率 促进水分在堆肥颗粒中传输和分散促进水分在堆肥颗粒中传输和分散 在堆肥中的应用在堆肥中的应用 乳化、分散和脱附，增大其与降解菌细胞的接乳化、分散和脱附，增大其与降解菌细胞的接
46、触面积及可利用性，提高其生物可降解性触面积及可利用性，提高其生物可降解性 调节微生物细胞表面、污染物及环境介质之间调节微生物细胞表面、污染物及环境介质之间的界面作用的界面作用 增大微生物细胞表面的疏水性，提高与疏水性增大微生物细胞表面的疏水性，提高与疏水性有机物之间的亲和力，有利于微生物吸收转化有机物之间的亲和力，有利于微生物吸收转化污染物污染物 改变吸附界面的特性，调节细胞与界面之间的改变吸附界面的特性，调节细胞与界面之间的亲和力，有利于微生物细胞的吸附和生长亲和力，有利于微生物细胞的吸附和生长 水体污染治理水体污染治理 提高采油率提高采油率 降低油降低油/水体系的界面张力，降低黏度，使重水
47、体系的界面张力，降低黏度，使重油乳化，增强油的驱动性，起到驱油采油作用油乳化，增强油的驱动性，起到驱油采油作用 医疗领域医疗领域 食品工业食品工业 化妆品工业化妆品工业 选育能以廉价碳源如葡萄糖、淀粉为底物的菌种选育能以廉价碳源如葡萄糖、淀粉为底物的菌种或构建基因工程菌或构建基因工程菌 设计高生产力的发酵工艺和经济有效的回收方法设计高生产力的发酵工艺和经济有效的回收方法 利用生物表面活性剂的特殊性，开发出它的二次利用生物表面活性剂的特殊性，开发出它的二次产品，用于化妆品、食品、制药等行业，抵消生物产品，用于化妆品、食品、制药等行业，抵消生物表面活性剂的高成本表面活性剂的高成本 发展方向发展方向
48、微生物的废物资源化技术微生物的废物资源化技术l 废物生产单细胞蛋白废物生产单细胞蛋白（SCP）单细胞蛋白：单细胞蛋白：在各种基质上通过大规模培养细菌、在各种基质上通过大规模培养细菌、酵母菌、霉菌、藻类和担子菌获得的微生物蛋白酵母菌、霉菌、藻类和担子菌获得的微生物蛋白 最早由美国麻省理工学院的最早由美国麻省理工学院的Carroll Wilson教授教授于于1966年提出年提出 1967年在麻省理工学院召开了第一界世界单细胞年在麻省理工学院召开了第一界世界单细胞蛋白会议，并将微生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白蛋白会议，并将微生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白 营养丰富营养丰富 原料广，可就地取材原料广，可就
49、地取材 生产速率高生产速率高 生产不受季节气候的制约，易于人工控制，并且生产不受季节气候的制约，易于人工控制，并且在大型发酵罐中可立体培养，占地面积少在大型发酵罐中可立体培养，占地面积少 单细胞生物易诱变，比动植物品种易改良单细胞生物易诱变，比动植物品种易改良 SCP特点特点细菌、酵母的倍增时间为细菌、酵母的倍增时间为20-20-120min120min，真菌和绿藻类为，真菌和绿藻类为2-6h2-6h，植物植物1-21-2周，牛周，牛1-21-2月，猪月，猪4-64-6周。周。据测算，据测算，1 1头头500 kg500 kg的牛每天生的牛每天生产蛋白质产蛋白质48kg48kg，而，而500k
50、g500kg酵母每酵母每天至少生产蛋白质天至少生产蛋白质500kg500kg大豆：蛋白质含量大豆：蛋白质含量35%40%利用碳水化合物为原料生产利用碳水化合物为原料生产SCPSCP，如酿酒酵母、，如酿酒酵母、假丝酵母、木霉、青霉等假丝酵母、木霉、青霉等 利用碳氢化合物为原料生产利用碳氢化合物为原料生产SCPSCP，如假丝酵母等，如假丝酵母等 利用甲醇为原料生产利用甲醇为原料生产SCPSCP，如甲烷单胞菌、假单，如甲烷单胞菌、假单胞菌等胞菌等 利用乙醇为原料生产利用乙醇为原料生产SCPSCP，如假丝酵母等，如假丝酵母等 生产生产SCP的微生物的微生物 利用甲烷为原料生产利用甲烷为原料生产SCPS
