06_微生物生物净化和环境再生技术.ppt

第六章 微生物生物净化与环境再生技术 生物净化与生物废料再生 1. 现代生物技术在降解非生物物质中的应用 2. 淀粉和其他含糖废液的利用 3. 木质纤维的利用 4. 利用微生物生产蛋白质 5. 污水的微生物净化 5.1 生物净化的定义 指利用微生物或者其它生物来除去环境中的生物垃圾和有毒物质的过程。 降解废物的微生物多为假单胞菌 降解机制：多种酶同时作用。 编码酶的基因： 大多位于细胞大质粒上 有些在染色体上 还有的可能同时存在于质粒与染色体 5.1.1 生物降解途径的基因工程 1. 转移质粒：将带有编码不同降解途径酶的基因的质粒导入同一受体菌中，若两质粒具有同源性，则可能组成一个大的具有多种功能的融合质粒。 构建新的质粒 如何解决儿茶酚2，3-双氧酶失活问题 三氯乙烷的降解 三氯乙烷是土壤和地下水中最常见的污染物之一，是一种致癌物，可在环境中滞留几年。 恶臭假单胞菌（P. putida）及其他一些能降解甲苯类芳香族化合物的细菌能分解三氯乙烷。 甲苯双氧化酶必需，该酶需四个基因参与表达。 四个基因连到tac启动子之后，在tac启动子作用下经ITPG诱导可以在大肠杆菌中表达。 生物降解的活性可通过将特异性的酶转移至最适宿主而得到提高。 5.1.2 利用微生物降解农药 多种具有农药降解能力的微生物 影响农药降解的因素 农药的化学性质 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 化学农药的微生物降解途径 化学农药的微生物降解结果 5.1.3 利用绿色植物清除污染物 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。 植物消除化学污染的发展 从植物中筛选突变体。如：一种突变的矮牵牛可吸收比野生型多10－100倍的铁离子； 利用植物基因工程获得转基因植物。如：转金属硫蛋白基因的植物； 从传统的消除无机物污染发展到消除有机物污染：已获得降解三硝基甲苯(TNT)，三氯乙烷(TCE)的转基因植物。 5.2 淀粉和其他含糖废液的利用 制糖工业和食品加工业的各种废渣、废液中含有淀粉－－可用来生产细菌蛋白或作为饲料。 制糖工业产生的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、废渣生产其他种类真菌如白地霉，禾本科镰孢菌等。 5.2.1利用淀粉和其他含糖废液生产果糖和乙醇的常规方法 先分解为低分子量的物质。 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：通过高压熏蒸使淀粉转变成胶状物质 ②水解反应：在?-淀粉酶的作用下， ?-1,4-糖苷键发生水解，形成低分子量多糖。一般要求在50~60℃下进行。 ③糖化：在葡萄糖化酶的作用下，低分子量多糖转变成葡萄糖，即多糖的完全水解。 淀粉的酶解 5.2.2 利用DNA重组技术对果糖和乙醇生产方法进行改进的几种假设 1. 利用生长在廉价培养基的是重组后的微生物大量生产所需的酶，这比直接从组织中提取成本低。 2. 利用α-淀粉酶的突变体进行工业生产。 3. 改变α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的基因使它们具有同样的最适温度和最适PH值。 4. 寻找和利用DNA重组技术获得能够分解粗淀粉的酶 5. 寻找一种可发酵的生物，使之能够分泌葡萄糖淀粉酶。 5.2.2.1 α-淀粉酶基因的改造 5.2.2.2 木糖/葡萄糖异构酶基因的改造 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，制备时具有较高的成本。 葡萄糖转化果糖的异构过程是一可逆反应，温度越高，果糖含量越高。因此，耐热的木糖/葡萄糖异构酶具有较大的开发价值。 嗜热菌Therrnus thermophilus能产生一种木糖/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达，结果表明，在短杆菌中的酶活是出发菌的1000多倍； 对酶底物特异性的改进。如定点诱变嗜热菌Clostridium thermosufurogenes葡萄糖异构酶的两个AA(139位的Tyr→ Phe,186位的Val→ Thr)，提高转化效率。 5.2.2.3 寻找新的工业发酵用菌 目前工业发酵乙醇全用酵母。运动发酵单胞菌（ Zymomonas mobilis ）生成乙醇的速度更快 运动发酵单胞菌为 G-杆菌，能通过发酵将葡萄糖、果糖、蔗糖转化为乙醇，而且产量很高。但是，该菌存在如下一些限制因素： 1、可被利用的碳源物质十分有限； 2、外源载体往往在该菌内极不稳定； 3、该菌对多种抗生素具有抗性。 5.3.1 木质纤维的成分 1. 木质素