2017北师大3774环境生物技术考博真题

1、 请论述化合自氧菌和化合异氧菌的微生物的各自特点及在废水处理工艺中的应用。

化能自养菌又称无机营养菌(或生物)或化能无机营养菌(或生物)。一类不依赖任何有机营养物即可正常生长、繁殖的微生物(或生物)，是属于能氧化某种无机物并利用所产生的化学能还原二氧化碳和生成有机碳化合物。

化能异养菌是指不能以无机碳化合物作为惟一的碳源,必须利用有机碳化物的细菌。该类型包括的微生物种类最多，作用也最强。已知的绝大多数细菌、放线菌、全部真菌和原生动物均属于此类型。化能异养菌的具体营养要求随种类而异。不同类群对碳源、氮源、矿质元素及生长素的需求表现出极大的差异。

污水生物脱氮处理过程中氮的转化主要包括氨化、硝化和反硝化作用，最后转化为N2其中氨化可在好氧或厌氧条件下进行，硝化作用是在好氧条件下进行，反硝化作用在缺氧条件下进行的。生物脱氮是指污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自氧型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细菌将其还原转化为N2,从而达到脱氮的目的。

生物除磷即是在厌氧-好氧或缺氧-缺氧交替运行的系统中，通过聚磷菌过量地、超出其生理需求地摄取废水中的磷，以聚磷酸盐的形式积累与胞内，形成高磷酸污泥，作为剩余污泥排出，从而达到从废水中除磷的效果。聚磷菌也叫做摄磷菌、除磷菌，是传统活性污泥工艺中一类特殊的细菌，在好氧状态下能超量地将污水中的磷吸入体内，使体内的含磷量超过一般细菌体内的含磷量的数倍，这类细菌被广泛地用于生物除磷。一般认为，聚磷菌分为两种，兼性厌氧的反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌，其中反硝化聚磷菌能利用氧或硝酸盐作为电子受体，而好氧聚磷菌只能利用氧作为电子受体。

厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下，把有机物转化为无机物和少量的细胞物质。也有许多化能自氧菌和化能异样菌的参与。其中包括水解、发酵、产乙酸、产甲烷阶段。

（1）水解阶段

复杂的非溶解性聚合物转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。首先它们被细菌胞外酶分解为小分子，此阶段包含蛋白质。碳水化合物和脂类的水解，而且水解过程较为缓慢，因此是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。

（2）发酵（酸化）阶段

水解过程产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质。在此过程中，有机化合物即是电子受体又是电子供体。溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物。称之为酸化

（3） 产乙酸阶段

在乙酸菌的作用下，酸化反应的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸及新的细胞物质。

（4）产甲烷阶段

在甲烷细菌的作用下，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。

2、 请简述生物酶与其他活性生物催化剂相比有哪些优点，酶的固定化技术有哪些以及在环境污染处理中的用途。

酶制剂在水处理中的作用早已引起人们的关注。例如：淀粉酶用于含淀粉废水处理，漆酶通过聚合反应去除有毒酚类，辣根过氧化物酶催化氧化多种有毒的芳香族化合物等。酶制剂在处理污染废水中，具有高效专一、整个处理过程耗能低，无二次污染，操作简单，易控制等特点。随着低成本、高活力的酶制剂的大量出现和酶的生产、分离纯化、酶及固定化酶反应器，酶与固定化酶的应用技术的不断提高，酶制剂在环境保护方面的应用将会具有较大的发展潜力。

单加氧酶：属氧化还原酶类，在该酶的催化下参与反应的O2分子中的O-O键断裂，一个氧原子转移到底物上合成产物，另一个氧原子则被还原为水。其分布极为广泛，几乎存在于自然界的一切生物体内，它不但能催化许多内源性底物，如脂肪酸、维生素、前列腺素等的合成与代谢，而且能有效降解多种外源毒性物质，因此对维持生物体的正常生长代谢起着极为重要的作用。

双加氧酶：芳香族污染物的危害是巨大的，用现行的物理和化学清楚方法不仅陈本高，且极易产生二次污染，因此往往放弃了对芳香族污染物的治理，微生物修复的成功总是有限的。近年来，利用植物基因工程手段，已成功地获得了对汞等重金属污染物有一定修复能力的转基因植物。利用这些双加氧酶进行有机污染物的修复已经成了研究热点。

木素过氧化物酶：可以处理很多难降解的芳香族化合物和氧化多种多环芳烃、酚类物质。

漆酶：一种含铜的胞外蛋白酶，能催化多酚、多胺基苯等底物氧化，使之生成相应的苯醌和水。因其具有降解木素，可与有毒的酚类物质作用，使苯氧基类除草剂、石油工业废水去除毒性等作用，近年来在造纸、饮料加工、环保等方面得到广泛的研究与利用。

传统固定化技术：

吸附法

利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面而使酶固定化的方法称为物理吸附法,简称吸附法。吸附法包括物理吸附和离子结合法。工艺简便和条件温和是该方法显著的优点,可供选择的载体涉及天然或合成的无机与有机高分子材料,有时酶的纯化与固定化也可同时实现。因酶分子与载体之间的共价结合而呈现良好的稳定性及重复使用性,共价结合法是目前研究最为活跃的一类酶固定化方法

包埋法

将酶或酶菌体包埋在多孔载体中使酶固定化的方法称为包埋法。包埋法分为网格型和微囊型两类,其制备工艺简便且条件较为温和、可获得较高的酶活力回收。包埋法专用的载体主要有:明胶、 聚酰胺、琼脂、琼脂糖、聚丙烯酰胺、光交联树脂、海藻酸钠、火棉胶等。包埋法根据载体材料和方法的不同,可以分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法。凝胶包埋法是将酶或酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中,制成一定形状的固定化酶的方法。微胶囊包埋法是将酶包埋在高分子半透膜中,制成微胶囊固定化酶的方法。但是,包埋法中高分子凝胶或半透膜的分子尺寸选择性不利于大分子底物与产物的扩散。

结合法

选择适宜的载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一起而制成固定化酶的方法,称为结合法。根据酶与载体结合的化学键的不同,结合法可分为离子键结合法和共价键结合法。离子键结合法通用的载体是各种离子交换剂,用离子键结合法制备的固定化酶,操作简便,活力损失少,但是结合不牢固,在pH 值和离子强度等条件变化时,酶容易脱落。共价键结合法常用的载体有:纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳素、 氨基酸共聚物、甲基丙烯酸共聚物等。用共价结合法制备的固定化酶,结合牢固,酶不易脱落,可连续使用相当长的时间。但载体的活化操作比较复杂,因为结合法有较激烈的反应而使酶活力损失较大。

交联法

借助功能试剂使酶分子之间发生交联作用而制成固定化酶的方法,称为交联法。交联法亦称架桥法,游离酶的氨基酸残基与双官能团或多功能团交联剂反应而被固定化可得酶蛋白单位浓度较高的固定化酶。常用的双功能试剂有戊二醛.己二胺.顺丁烯二酸酐.双偶氮苯等,其中应用最广泛的是戊二醛。用交联法制备的固定化酶结合牢固,可长时间使用。但是,由于交联反应较激烈,酶活力损失较大。实际使用时,往往与其他固定化方法联合使用,如将酶先经凝胶包埋后,再经交联等。这种采用两种或多种方法进行固定化的技术,称为双重或多重固定化法,用此法制备的固定化酶活性高,机械强度好。

热处理法

将含酶细胞在一定的温度下加热一段时间,使酶固定在菌体内的方法,称为热固定化法。热固定化法只适合于那些热稳定性较好的酶。在加热处理时,一定要掌握好加热温度和时间,以免引起酶的变性失活。

新型固定化技术

运用当代高新技术设计合成新型载体以及两者的有机结合是引人注目的研究动向。利用超声波使高分子主链均裂产生自由引发功能性单体,再聚合成嵌段共聚物载体固定化酶的结果表明,借助现代技术可使一般性聚合物经功能化改性成为新的酶固定化载体。

磁性载体

磁性体Fe3O4与聚苯乙烯、含醛基聚合物一起溶解混合后,再除去溶剂可获得磁性载体,其固定化葡萄糖氧化酶在适宜条件下的酶活力回收可高达70%。

导电载体

导电聚合物(conducting polymers) 是固定酶的另一种新型载体材料,它具有重量轻,以及易于表面涂覆的特性,而在导电性能方面则具有半导体、金属乃至超导体等优良特性。导电聚合物作为酶固定化载体时特别有利于酶电极类生物传感器的制备。在这方面,研究较多的是葡萄糖氧化酶,应用最广泛的是聚吡咯,应用目标主要是生物医学检测。γ射线引发丙烯醛与聚乙烯膜接枝聚合后,活性醛基可共价固定化葡萄糖氧化酶并呈现良好结果;Co60辐照冰冻态水溶性单体与酶的水溶液混合体时将使单体聚合与酶固定化同步完成,其回到常温时因冰融化而形成的多孔结构非常有利于底物与产物的扩散、并可提高酶的活性。

经等离子技术改性载体

近年来国内外许多研究人员还利用等离子体技术对一些力学强度较好,但缺少活性基团(如羟基、羧基、羰基、氨基等官能团) 的材料进行处理,以得到更好的新型固定化酶载体。等离子体活化处理聚丙烯膜接枝丙烯酸后可用于固定化胰蛋白酶;而等离子体引发丙烯酰胺聚合包埋固定化的葡萄糖氧化酶用于麦芽糖的酶促转化时,运转20 天也未发现酶活性损失的现象,显示出优良的操作稳定性。等离子体技术对聚合物材料表面进行改性有许多优点: ①利用等离子体反应的特点赋予改性的表面各种优异的性能; ②表面改性层厚度极薄(从几到数百纳米) ③可制得超薄、均匀、连续和无孔的高功能薄膜,且该膜在底基上有强的粘着力,便于各种载体的表面成膜。利用等离子体处理的聚合物作为载体进行固定化酶,可使载体单位面积固定化酶的量增多,而且酶结合牢固。在固定化酶中,处理载体材料使用的等离子体处理方法主要有:等离子体表面处理、等离子体接枝共聚和等离子体气相沉积技术。

光敏/温敏载体

光敏性单体聚合包理固定化酶或带光敏性基团的载体共价固定化酶时,由于条件温和可获得酶活力较高、稳定性良好的固定化酶。N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺及其衍生物共聚可得到温敏性水凝胶载体,其固定化嗜热菌蛋白酶时可实现均相催化与异相分离的统一,温敏载体的较低临界液相温度(LCST) 可通过改变N-取代丙烯酰胺的结构予以调整。温敏载体是环境敏感性载体的一种,类似的酸敏性载体固定化酶时亦可达到良好效果,这是一类设计新颖、应用独特的新型固定化技术。。

3、 环境生物修复的方式方法有哪些？

广义的生物修复，指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。狭义的生物修复，指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。优点是：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。按作用方式中有无人为目的的活动分两类：自然生物修复和人为生物修复。实际上一般分类为：植物修复、微生物修复以及动物修复。

植物修复过程可以具体分为植物转化、根滤作用、植物辅助生物修复、植物萃取、植物固定5种：

植物转化又称植物降解，指通过植物体内的新陈代谢作用将吸收的污染物进行分解，或者通过植物分泌出的化合物（如植物酶）的作用对植物外部的污染物进行分解。植物转化技术使用于疏水性适中的污染物，如BTEX、TCE、TNT等军用排废，对于疏水性非常强的污染物，由于其会紧密结合在根系表面和土壤中，从而无法发生运转、对于这类污染物，更适合采用之后提到的植物固定和植物辅助生物修复技术来治理。

根滤作用：借助植物羽状根系所具有的的强烈吸持作用，从污水中吸收，浓集，沉淀金属或有机污染物，植物根系可以吸附大量的铅，铬等金属。另外，也可以用于放射性污染物，疏水性有机污染物的治理。进行根滤作用所需要的媒介以水为主。因此，根滤是水体，潜水湖和湿地系统进行植物修复的重要方式。