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生物技术与人类生活(10)--能源与环保

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生物技术与人类生活10 生物技术和人类生活 生物技术与人类生活
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《生物技术与人类生活》(十一) ——(1)生物技术与新能源开发 李云海 * 《生物技术和人类生活》 主要内容 (1)人类如何利用微生物发酵工程技术,提高石油的 开采量; (2)降低乙醇燃油及甲烷燃料的生产成本,并设法提 高产量及减少环境污染; (3)人工种植能产“石油”的树木及开发各种未来新能 源,以满足人类需能的要求。 使我们了解:目前人类如何利用生物技术提高产能量及 开发新能源等基本知识。 Date 《生物技术和人类生活》 一、地球上现存的能源 目前,地球上的能源可分为两大类: 主要指现有库存的三大 不可再生能源 化石原料:煤、天然气和 石油(包括核能) 太阳能、风能、潮汐能 可再生能源 生物能、海洋能 地热能、水能等 Date 《生物技术和人类生活》 n根据有关专家预测,煤、天然气和石油的可使用有效 年限分别为100—120年、30—50年和18—30年。因 此,21世纪所面临的最大难题和困境可能不是战争及 食品,而是能源。 n虽然以水力、潮汐、风力为动力的发电设备及太阳能 捕获器、地热等已为人类提供了一定数量的能源,但 离人类对能源的需求还相差甚远。 Date 《生物技术和人类生活》 n因此,随着地球上化石能源的不断耗尽,寻找 、改善及提高可再生能源的利用率和发明创造 新技术以最大限度地开采不可再生能源的做法 ,很可能是今后几十年内人类从地球上获取能 源的有效举措。 n从目前市场能源消耗的品种及速率分析,利用 生物技术提高不可再生能源的开采率及创造更 多可再生能源,将是本世纪产能的有效技术之 一。 Date 《生物技术和人类生活》 二、生物技术在能源中的应用 1、微生物技术与石油开采 2、未来石油的替代物----乙醇 3、植物“石油” 4、甲烷与燃料源 5、未来的新能源 Date 《生物技术和人类生活》 微生物勘探石油 油气田中的气态 烃可借助扩散方式抵达地表,用地表底土中 是否存在能利用气态烃为碳源的微生物,作 为勘探地下油气田的指示菌;且这些微生物 含量的多少,与底土中的烃浓度存在对应的 关系(正相关),可用于推测该油气田是否 有开采价值。准确率可达到40%--100%。 目前,已发展至用免疫学抗血清方法 检测烃类氧化菌的种类与含量(更准确和有 针对性、科学性)。 1、微生物技术与石油开采 Date 《生物技术和人类生活》 一次采油 主要指借助油层自身的压力来采油(可开采总储 存量的1/3)。二次采油 指用注水加压法增加采油量(开采量可 由原来的30%增加到40%--50%)。 微生物二次采油 二次采油的更有效方 法。即利用一些微生物能在油层中发酵产生 大量的酸性物质及H2、CO2及CH4等气体, 增加地层压力,提高采油率(可再提高25% --34%)。 微生物三次采油 三次采油就是利用高 产CO2及CH4的微生物基因工程菌株,进一 步增加井压,分泌高聚物和表面活性剂等, 开采剩余的30%--40%的油气。 Date 《生物技术和人类生活》 2、未来石油的替代物----乙醇 (1)生产乙醇燃料的意义及其生化机制 乙醇作为燃料的优点:产能效率高、燃烧期间 不生成有毒的一氧化碳和可通过微生物大量发酵 等等。 从目前人类正在开发的许多产能的技术和效益 来看,乙醇很可能是未来的石油替代物。 乙醇的三种生产方式:微生物发酵、石油衍生 物和化学合成。 n微生物发酵生产乙醇:主要用淀粉、纤维素、糖 类、果蔬类和硫化废物等作原料。 Date 《生物技术和人类生活》 (2)乙醇替代石油的实例 二次世界大战期间,欧洲曾用乙醇作为 摩托车的燃料;之后福特公司设计出可用乙 醇、汽油或两者混合作燃料的汽车。20世纪 80年代,巴西88%的新轿车都使用乙醇(原 料为甘蔗)。乌拉圭用甜高粱发酵生产的酒 精作燃料,替代了45%的石油。发达国家用 大量农作物剩余物及森林的废气物发酵乙醇 作为燃料等。 Date 《生物技术和人类生活》 (3)乙醇代替石油所用的原材料和面临的 困难 目前主要用农产品的精料(粮食和饲料)发 酵,但粮食短缺带来成本较高;也可用纤维素( 木屑、废纸、农林残留物等)做原料,但生产工 艺还不是很成熟,效率不高。最有希望的解决办 法即是应用生物技术。 (4)纤维素发酵生产乙醇 如实现,完全可用乙醇代替石油。而生物技术是最有 希望在较短的时期内实现这种可能性的技术。 Date 《生物技术和人类生活》 3、植物“石油” (1)产“石油”的灌木 主要是指橡胶树的近缘植物,所含 的汁液丰富且含有高比例的碳氢化合物, 经过适当加工,可与汽油混合作为动力机 的燃料。如美洲、欧洲、前苏联和非洲均 有发现的牛奶树、三角大戟;美国和日本 的兰桉树;巴西的可比巴乔木;菲律宾和 马来西亚的银合欢树等。根据专家推论, 假如全球的1/3沙漠和旱地都种上“石油树” ,则所产“石油”就完全可满足人类对能源 的需求。 Date 《生物技术和人类生活》 (2)油料植物 种子中能提取出植物油的植物。如向日 葵、棕榈、椰子、花生、油菜籽和巴巴苏坚 果等。在农业(法国)、环保(意大利)或 两者(德国)中均有应用。 (3)藻类产油 藻类及其基因工程改良的高产脂种类能 产生大量油脂类物质,可用来制造柴油和汽 油。美国做得较好,速度较快。 产油的藻类,利用光能把CO2转变为石油,每 年每公顷土地培植的单胞藻按35%--50%干物质为碳 氢化合物计算,至少可得到60吨的石油燃料。 Date 《生物技术和人类生活》 4、甲烷与燃料源 (1)生产甲烷的生化机制 甲烷气体可产生机械能、电能及热能 。来源主要有三个:天然气、稻根湿地和 厌氧微生物发酵。大规模发酵生产甲烷的 过程需要较高深的生物技术(如对温度、 酸碱度、湿度、振荡和粗材料的输出输入 平衡等参数进行严格控制),与小型化的 甲烷发酵生产过程(沼气产生)有所不同 。 Date 《生物技术和人类生活》 (2)沼气等的应用实例 中国是沼气生产量最大的国家,目前农村 正在使用的厌氧发酵生物反应器(沼气 池)超过500万个; 印度规划在21世纪前期就以沼气为主要燃 料源; 美国加州利用牧场粪便和有机废物; 菲律宾农工业联合企业利用工业废水和农 业废物等,巧妙建立沼气生产体系。 Date 《生物技术和人类生活》 5、未来的新能源 (1)氢 能(产氢气微生物的利用) 氢能是未来可燃气能源中最理想的气 体燃料之一(绿色能源:热量相当于汽油 的3倍,燃余物为水,不污染环境)。 早期氢的制取 均采用物理或化学方 法; Date 《生物技术和人类生活》 生物技术的氢制取 称为生物光化学方法,利用太阳光和 生物体产氢。 有三类产氢生物: A.光合微生物(藻类、基因工程藻类 、红绿硫菌、红螺菌等) B.非光合微生物(厌氧菌、兼性厌氧 菌等) C.化能异养菌或光合细菌(已发现能 产氢的这类微生物有40—60种)。 Date 《生物技术和人类生活》 多数由微生物参与反应,引起原物理电 极电位偏差,增加电位差,从而获得电能。 有三类: 产物生物燃料电池、去极化生物燃料电 池和再生生物燃料电池等。 (2)生物燃料电池 Date 《生物技术和人类生活》 《生物技术与人类生活》(十一) —— (2)生物技术与环境保护 李云海 * 《生物技术和人类生活》 什么是环境生物技术? n环境生物技术也称环境生物工程,指的是直接或间接 利用生物体、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从而产生的生产工艺,或者能够 高效净化环境污染的同时又生产有用物质的工程技术 。 n它是生物高新技术应用于环境污染防治的一门新兴边 缘学科,是生物技术在环境治理和环境保护中的应用 而衍生出的一门新学科和新技术,是一门由现代生物 技术与环境工程技术相结合的前沿交叉学科。 Date 《生物技术和人类生活》 n研究及应用的范畴:与生物技术结合,对环境进行监 控、治理或修复、清洁生产、污染物资源化、环保生 物材料开发、无污染能源开发等等。 n环境生物技术:诞生于20世纪80年代末期的欧美经济 发达国家和地区,主要由生物技术学、工程学、环境 学和生态学等组成,是现代生物技术与环境污染防治 工程及其它工程技术的结合。 Date 《生物技术和人类生活》 重点研究领域及缘由 n重点研究领域:包括以生物传感器为代表的环境 污染监控技术,工业和生活废水中污染物的微生 物降解技术,生态环境生物防治和生物修复技术 ,环境友好型的可再生材料和能源的生物合成技 术等。 n缘由:在过去的100年时间里,人类社会的发展创 造了前所未有的文明,但在环境问题上也付出了 惨重的代价。如全球气候变暖、臭氧层破坏、生 物多样性减少、酸雨蔓延、森林锐减、大气污染 、水体及海洋污染、固体废物污染、水资源短缺 、土地荒漠化等十大环境问题。 Date 《生物技术和人类生活》 本节的主要内容 n全球环境的急剧恶化使人类越来越意识到环境保护的 重要性。也意识到了环境生物技术才是环境保护的最 有利和最有效的技术手段,拟依赖其快速发展,使上 述环境问题得以缓解或解决。 n因此,本节重点介绍环境生物技术在污水、废气和固 体废料处理,以及环境污染监测评价等方面的应用及 发展;让我们了解环境生物技术的基本原理和应用发 展状况。 Date 《生物技术和人类生活》 主要内容 (一)环境生物技术的基本原理 (二)环境生物技术在污水、废气和废料处理中 的应用 (三)环境生物技术在环境监测评价中的应用及 发展 Date 《生物技术和人类生活》 (一)环境生物技术的基本原理 根据技术的难度和理论基础的深度,环境生 物技术可以分为高、中、低三个层次: 高层次环境生物技术 以基因工程为主导的近代污染 防治技术;如高效降解杀虫剂或除草剂的基因工程菌株的应用 等. 中层次环境生物技术 主要包括一些经过强化和创新后 的传统的防治污染的处理技术方法及工艺; 低层次环境生物技术 是指氧化塘法、人工湿地法及 厌氧发酵法等传统的生态工程技术手段。 三个层次的环境生物技术的应用,在目前的环境污染治 理中缺一不可。所以,应该科学规划,合理配合使用不同层次 ,使其各自的功能发挥到极致。 Date 《生物技术和人类生活》 (二)环境生物技术的应用 1、污水处理(主要是工业废水和生活污水) n稳定塘(氧化塘)法、人工湿地处理系统法、 污水处理土地系统法、活性污泥处理法和生物 膜处理法等。 n如果按照技术层次来分,则可分为: n低层次 稳定塘法 、人工湿地、土地系统等; n中层次 活性污泥处理法、生物膜处理法; n(什么是生物膜:就是依赖填充物存活的腐生性细菌 和真菌;它能够吸收或者分解污水中的有毒有害物质 ) Date 《生物技术和人类生活》 2、大气净化 n主要是指大气中的CO2、CO、SO2、铅和恶臭 气体等的净化。 n常用的方法有:生物过滤法、生物洗涤法和生 物吸收法;所采用的生物反应器包括:生物净 气塔、渗滤器和生物滤池。 n如果按照技术层次来分,则可分为: n低层次 生物净气塔 n中层次 渗滤器(生物膜法)、生物滤池 Date 《生物技术和人类生活》 3、固体废弃物处理 n主要是指固体生活垃圾和工农业生产固体废弃 物。 n城市垃圾的填埋、堆肥和焚烧,矿渣的生物淋 溶处理等。 n如果按照技术层次来分,则可分为: n低层次 固体垃圾的生物处理 填埋技术及堆肥法; n中层次 矿渣的生物淋溶处理 微生物冶金或浸矿 (可从贫矿、废矿、尾矿或火冶炉渣中提取出贵重金属或稀有金属;避免或 减少固体废物对环境的污染。) Date 《生物技术和人类生活》 4、污染环境的生物修复 n主要是指石油污染、重金属污染和地下水污 染等的清除,包括部分有毒有害的固体生活 垃圾和生产废弃物的处理。 Date 《生物技术和人类生活》 (1)生物修复的方法 向环境中提供营养物质或通气; 原位生物修复 接种合适的微生物以降解污染物; 种植适宜的植物类型吸降污染物。 应用各种类型的生物反应器: 异位生物修复 处理某些有毒化合物、挥发性污染物 或浓度较高的污染物等。 Date 《生物技术和人类生活》 (2)生物修复技术的应用 n石油污染的生物修复 两种方法 一是通过增加营养盐以促使土著微生物的生长; 二是用生物反应器繁殖微生物或工程菌混合菌群, 然后把菌群接种到污染地进行大量生长、繁殖 。 n重金属污染的生物修复 生物吸附法(藻类、地衣、真菌、细菌吸附汞或镉) 生物累积法(抗汞、镉、铅的细菌或吸收积累铅的特种植物) n地下水污染的生物修复 原位生物修复方法(分别钻掘注水井和抽水井,接种 微生物和营养物,以利微生物 的生长、繁殖和降解净化过程) Date 《生物技术和人类生活》 (三)环境污染监测与评价的生物技术 有指示生物(或植物)、核酸探针和PCR技术 、生物芯片技术、生物传感器和其他生物技术方 法等。 1、指示生物(或植物) 常用的指示生物有细菌、原生动物、藻类、 高等植物和鱼类等,曾经还用过哺乳动物。 如发光菌用于检测空气中的毒物,或制备毒 物生物检测器;用鱼类和两栖类胚胎幼体进行存 活实验,可以检测出慢性毒物对整个生命周期的 慢性毒害作用;一些特定藻类不能存活在某些污 染环境中等。 Date 《生物技术和人类生活》 2、核酸探针和PCR技术 用病原微生物特有的DNA片段作成探针,通 过监测外界环境中有无对应互补的DNA片段存在 ,即可检测出水等环境中有没有致病菌;如大肠 杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌和乙肝病毒、爱滋病 病毒等。 PCR技术是对致病菌的特异性DNA片段在体 外进行百万倍扩增的一种非常快速和简便的新方 法,有极高的灵敏度和特异性,在被检测的病原 微生物极少时也能起作用,甚至100毫升水样中只 要有一个细菌也能被检测出来。它可以弥补DNA 探针分子直接杂交的不足,也可以直接用于土壤 、废物和污水等环境标本中的生物检测,包括那 些不能进行人工培养的病原微生物的检测。 Date 《生物技术和人类生活》 3、生物芯片 生物芯片(biochip)是近年来在生命科学领 域中迅速发展起来的一项高新技术,它是一种通 过微加工技术和微电子技术将生物探针分子(寡 聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗 体等)固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶和尼 龙膜等固相介质表面,构建起来的微型生物化学 分析系统,它可以对细胞、蛋白质、DNA以及生 物组分进行准确、快速和大信息量的检测。当待 分析样品中的生物分子与生物芯片中的探针分子 发生杂交或相互作用,从而快速检测出污染微生 物或有害有机化合物等。 Date 《生物技术和人类生活》 n4、生物传感器 n根据被测物与分子识别元件上的敏感物质发生相 互作用的类型,可以把生物传感器分为亲和型和 代谢型(或催化型)两种。 n生物传感器已应用在环境检测中的例子:日本研 制开发出可测定工业废水BOD的微生物传感器; 用酚氧化酶做生物元件的传感器可测定环境中的ρ -甲酚和联苯三酚等;另外,国外研制出可测定水 中细菌总数的生物传感器和可测量水中微藻类含 量的传感器等。 Date 《生物技术和人类生活》 n5、环境监测中的其他生物技术方法 n酶学方法和免疫学测定方法在环境监测上的应用 实例: n美国利用酶联免疫分析法原理,采用双抗体夹心 法(ELISA)研制出微生物快速检测诊断试剂盒 ,在2小时内快速检测出沙门氏菌和李斯特菌等。 n日本和英国等研究出用3-葡聚糖苷酶活性法检测饮 水和食品中的大肠杆菌等。 Date 《生物技术和人类生活》
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