微生物生物净化与环境再生技术

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1、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.污水的微生物净化关于废物的处理传统观点：自然环境可以吸收净化---？？？现状：工业高度发展，人口密度日益增高,废物越来越多21世纪面临的挑战：1.如何处理、分解不断产生的大量垃圾。2.如何除去过去几十年里积存在自然环境中的有毒物质。现在：越来越多的人开始尝试用各种方法包括现代生物技术来清除环境中的污染物及有毒物质。5.1生物净化的定义指利用微生物或者其它生物来除去

2、环境中的生物垃圾和有毒物质的过程。垃圾中含有很多有用物质，它们可以循环利用。生物垃圾主要包括工农业生产过程中所产生的废弃物。有毒废弃物给人们所造成的环境问题是触目惊心的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的方法：填埋，焚烧，化学处理。但是填埋、化学处理容易造成土壤、水体二次污染，焚烧产生有毒有害废气后果：不能真正解决污染问题。20世纪60年代，发现一些土壤微生物可以降解非生物物质－－微生物降解废物，为人类提供一种安全且成本低廉的清除有毒物质的途径。降解废物的微

3、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这类微生物都可将未卤化的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。卤化芳香族化合物的降解速度与其所含的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。海上浮油的清理是利用微生物降解非生物物质的一个重要方面。苯甲醛甲酰犬尿氨酸儿茶酚细菌将芳香族化合物转化成原儿茶酸的降解途径原儿茶酸儿茶酚和原儿茶酸被转化成乙酰

4、CoA和琥珀酸的降解途径儿茶酚和原儿茶酸被转化成丙酮酸和乙醛的降解途径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。例子：1.20世纪70年代Chakrabarty等构建的superbug菌含有多种降解功能。2.低温降解甲苯的嗜冷菌的构建。Superbug菌的构建示意图接合作用Pseudomonasputida的pTOL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pT

5、OL质粒（降解甲苯）2、改变基因研究实例：对pWWO质粒的甲苯/二甲苯代谢途径的研究该质粒携带的与烷基苯降解相关的活性而受到很大的重视。通过DNA重组技术、基因突变以及适当的选择过程，可在细菌的有机物降解途径中加入新的功能，用同样的方法也可得到能同时分解多种污染物的菌株。pWWO质粒编码与“间位开裂”途径相关的12种不同的基因，同时能使带有该质粒的假单胞菌具有利用不同的烷基苯作为碳源的能力；在pWWO中，与甲苯/二甲苯代谢途径相关的基因处在同一个操作子中，即在Pm启动子控制下的xyl操作子。Pm启动子受到xylS基因产物的正调控，

6、xyl基因则可以被多数甲苯/二甲苯途径的底物所激活，如苯烷、三甲基苯烷。带有pWWO质粒的菌株可以将4-乙基苯分解为4-乙基儿茶酚，后者可以在培养基中积累。4-乙基儿茶酚通过使xylE基因的产物儿茶酚-2,3-双氧化酶失活，使得4-乙基儿茶酚不能再被进一步降解。与其它苯烷不同的是，4-乙基苯不能激活xylS蛋白，所以当只有4-乙基苯存在时，该操纵子的Pm启动子不能被激活。该质粒用于环境中烷基苯类物质的降解情况：（1）如果环境中只存在甲苯/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）如果仅存

7、在4-乙基苯，由于Pm启动子不能被启动，不能发生降解；（3）但是，如果环境中同时存在甲苯/二甲苯/4-乙基苯，Pm启动，4-乙基苯只能发生部分降解，形成4-乙基儿茶酚，后者可抑制xylE基因产物儿茶酚-2,3-双氧酶的活性，使整条代谢途径不能全部完成。pWWO上与甲苯/二甲苯代谢途径有关的基因4-乙基苯4-乙基儿茶酚儿茶酚2，3-双氧酶问题：1）怎样克服4-乙基儿茶酚对其进一步降解反应的抑制作用？2）怎样用4-乙基苯作为诱导物诱导这个操作子的转录？构建新的质粒卡那，氨苄双抗筛选硫酸乙酰甲烷诱变解决了诱导问题如何解决儿茶酚2，3-双

8、氧酶失活问题＋突变的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、突变的儿茶酚-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的平板三氯