phospholipid fatty acid

							      第六章 環境生物技術

 6-1 環境生物技術與五大演進期的關聯性
 6-2 環境生物技術的應用領域
 6-3 生物技術應用於環境監測
 6-4 生物技術應用於廢污水的處理
 6-5 生物技術應用於廢氣的處理
 6-6 生物技術應用於廢棄物產生與污染防制
 6-7 生物技術應用於生物復育
 6-8 生物技術應用於能源產生
與五大演進期的關聯性一
  前巴斯特世代(1865年)
   酒精飲料、乳製品與其它發酵食品
  巴斯特世代(1865-1940年)
   利用微生物生產：酒精、丁醇、丙醇、乙二
  醇、有機酸。活性污泥之處理
  抗生素世代(1940-1960年)
   1928 發現盤尼西林，1941大量生產
   鏈黴素、四環黴素、頭孢子素
   動物細胞培養技術、疫苗
與五大演進期的關聯性二
  後抗生素時代(1960-1975)
    胺基酸: 離胺酸、麩胺酸
    酵素: 生物清潔劑、胞外酵素生產葡萄糖
    固定化酵素: 葡萄糖異構酵素生產果榶
    單細胞蛋白質生產: 降低成本
    替代能源: 酒精（酵母發酵）、甲烷
    細菌性多醣: 增加粘稠度口感
與五大演進期的關聯性三
 新生物技術世代(1975年後)
   遺傳工程與單株抗體
     基因工程、單株抗體、動物疫苗、胰島素、
     基因工程植物、基因工程食品
   組織工程、生物資訊、 複製生物
     插入單一基因產生新特性
     改變基因表現特性
     插入特定基因生產特定產物
 這些產品稱為基因改造有機物GMOs
 (Genetically Modified Organisms )
環境生物技術的應用領域
  環境監測
   監測追蹤污染物 (精確、敏感、即時)
  生物複育
   以生物處理去除環境中的污染物
  廢棄(氣)物的處理
   於管路中或末端除去污染物
     生物濾床、生物滴濾床、生物洗滌塔、堆肥
  污染防治
   清潔生產、綠色技術、降低污染
     轉基因植物增加抗病蟲害，減少農藥使用
   生物燃料、生物塑膠
環境監測一
  生物性分析的應用
     傳統微生物檢測法: 分離→培養→技術檢測
       可長於實驗室培養基的菌很少
       菌相的代表性?
       測得生長相對快速的菌
         受石油污染的樣本多次檢驗結果無一
         致性 (以DNA技術改善）
         生物膜內之菌種(懸浮 VS 聚集)
     免疫法：ELISA
   (enzyme linked immunoadsorbent assy)
環境監測二
  脂肪酸測定法
    磷脂脂肪酸分析
  (phospholipid fatty acid, PLFA)
  重組DNA技術
    生物復育過程中的菌相調查
    好氧或厭氧消化槽菌相調查
    生物淋洗過程菌相調查
    生物歧異度
    重組微生物之追蹤
    微生物生態之調查
重組DNA技術
  DNA萃取 (純化)
    現場破菌或將微生物分離
  PCR放大
  DNA序列鑑定 (基因庫比對)
    探針(放射線、生物素、酵素標定)
    寡核酸片段的設計：16S rRNA有高度保守
    區和變異區 (適合用)
    南方墨點法
    RFLP 限制片段長度多型性
    DGGE 變性梯度明膠電泳
  (denaturing gradient gel electrophoresis)
DGGE 變性梯度明膠電泳
DGGE 變性梯度明膠電泳圖




http://www.erc.montana.edu/biofilmbook/MODULE_07/IMAGES/Fig6_DGGE.jpg
生物技術的大躍進
  螢光原位雜交法
  (fluorescence in situ hybridization, FISH)
  PCR (聚合酶鏈鎖反應)
  DGGE (變性梯度明膠電泳)
  分子生物學菌種鑑定方法
   16S rRNA
      統一性
      高度保守性
      演化速率慢
螢光原位雜交圖




   參考資料：http://www.er.ebara.com/research/bio/a1.html
分子生物技術應用於環境生物檢測的步驟
  DNA萃取
  PCR
  進行分離
   選殖及定序
   變性梯度明膠電泳DGGE
  比對分析建立親緣樹
  螢光原位雜交法
   菌自然分布情形
   定量分析
演化樹圖例
污染監測的應用
  現地物種變動之監測-生物記號(biomaker)
    基因指標:污染監測
     弧菌lux AB基因及假單胞菌alk B啟動子
    生理指標: 金屬累積或二氧化碳產生量
    生化指標: 細胞色素P450濃度
    行為的改變: 觀察進食或移動習性
    生態性指標: 觀察物種數目的改變
利用生物評估污染物之毒性
  生物毒性試驗
   測試發光菌Photobacterium的活性，光弱有
   毒性
  安姆氏試驗(Ames test)
  測試化學物對菌種的突變性
  藻毒測試
  水蚤: 48 Hr的活動力
  種子發芽試驗：測試堆肥品質
生物感應器的應用
  利用生物感應元件
   蛋白質、酵素、抗體、胞器、細胞、荷爾蒙
   受體、DNA
  以物化方式（轉換器）
   光纖、氧化極、pH電極、半導體、導電儀、
   光電二極管、離子測定儀、電熱調節器
  對特定物質具高敏感性與特異性
   環境檢測：BOD分析、農藥、酚、重金屬
   氣體
生物感應器的偵測原理
        生物感應元件

           乙醯膽鹼
             ↓乙醯膽鹼酯酶
            膽鹼
             ↓膽鹼氧化酶
      Betain 和過氧化氫

            轉換器：安培計

        電流變化
生物技術應用於廢污水的處理

 成分           一般家庭廢水     排放標準濃度
                          (mg/ml)
 pH                         6-9

 生化需氧量(BOD)    100-400      30

 化學需氧量(COD)   250-1000     100

 懸浮固體物(SS)     100-350      30

 真色色度                      550
典型污水處理程序
  預處理
   去除大型物及油脂
  一級處理
   初沉池 浮除槽 1.5-2.5 hr 移除40-60% BOD
  二級處理
   生物處理 去除溶解性有機物80%
   好氧處理與厭氧處理
   懸浮生長與附著生長
  三級處理
   提高出水水質 進一步再利用
   去除難分解有機物 營養鹽 致病菌 無機鹽
  環境微生物的應用
    活性污泥法

     最初沉澱池
                     最終沉澱池

廢水           曝氣槽             放流水


              迴流污泥     排泥



                     汙泥處理
活性污泥法實例
   穩定塘




參考資料：http://web.deu.edu.tr/atiksu/toprak/lagoon1.jpg
滴濾池




參考資料：http://www.emeraldinsight.com/fig/0830070303003.png
旋轉生物盤法




參考資料：http://www.gmcanada.com/
厭氧消化法
  兼氣菌、厭氧菌
  過程緩慢：應用於高濃度有機廢水
   酸形成階段-兼氣菌（水解菌、發酵菌、氫還
   原菌、醋酸菌）：有機物分解成彽分子量有
   機酸
   甲烷形成階段-厭氧甲烷菌：有機酸或氫氣變
   成甲烷
生物技術應用於廢氣處理
  傳統方法: 需較長時間、較大空間、無法處理
  高溫
  結合： 活性碳的吸附、水的吸收、生物氧化
  耗能少、低成本、無二次污染 (處理中低濃度
  廢氣)
  機制：氣體 → 濾床（填充菌體）→轉換污染
  物為能量來源
   生物濾床的種類
    傳統生物濾床
    生物滴濾床
    生物洗滌塔
生物技術應用於廢棄物產生與污染防治
  利用微生物取代原有的化學製程
   染整工業：利用大腸桿菌生產靛藍染料
   樹膠質素酶xylanase，於造紙工業上取代氯漂白過
   程
  利用生物技術減少化學農藥的使用
   蘇力菌
   真菌性藥劑: 白、黑、綠殭菌及多毛菌
  利用生物技術生產生物性塑膠（可自然分解）
   澱粉、脂肪、 聚乳酸塑膠（已有量產）
   聚羥基丁酸酯polyhydroxybutyrate, PHB
   固氮菌屬、枯草桿菌屬、甲基桿菌屬、光合成菌
     具抗紫外線
     成本問題未能量產
生物技術應用於生物復育
    以生物技術除去重金屬
     生物累積性
         無機污染物         影響
    鎘            引起腎臟病、痛痛病
    鉛            傷害神經系統
    汞            傷害中樞神經
    石綿           肺癌
    砷            烏腳病
    硝酸鹽          引起藍嬰症
    磷酸鹽          引起優氧化
生物吸附
 被動攝取: 以細胞壁- 快速(因pH、離子強
 度影響)
 主動攝取: 特殊蛋白質- 慢(受溫度和代謝
 抑制劑的影響)
胞外沉澱:
  酸礦排水的重金屬回收 (生物淋洗)
  SO42- + CH2O → H2S +HCO3-(CO2)
  H2S + Cu2+ (Fe2+) → CuS(FeS) + H+
                      不可溶
以生物技術去除有機物
 芳香族（苯、甲苯、乙基苯）、多環芳香族
 PAHs、高分子支鏈有機物
 甲單胞桿菌屬
生物技術應用於能源產生
  生物產氫技術的發展
    光誘導藻類和藍綠藻
     氫化酵素分解水產生氧氣和氫氣
    光合細菌分解有機物
     球形紅細菌氧化有機物，電子傳給鐵氧化還
     原蛋白，再用氫化酵素之固氮酶產生氫氣
    利用厭氧發酵產氫
     適合的菌株（梭狀芽胞桿菌屬、脾桿菌屬）、
     環境、營養物、時間
     抑制甲烷菌生長
  生質乙醇的發展
  生質柴油的發展
生質乙醇的發展
 目前生質乙醇的生產
  玉米中的澱粉
  與甘蔗的蔗糖
  大豆粉為基質
 透過酒精酵母發酵來生產酒精
  造成糧食的價格飛漲，飼料價格持續攀升
  先進國家替代能源方案，建築在第三世界
  國家人民生存的痛苦上
 歐美研究重點為以纖維素轉換為主（半纖維
 素和木質素）
  技術上的瓶頸：材料的前處理
  利用農業廢棄物不與人畜爭奪糧食
生質柴油的發展
 黃豆、葵花籽、油菜籽、向日葵
 需考慮：生長速率、油脂含量、環境忍受度
 藻類為新的發展方向
 利用微生物轉換農業廢棄物
台灣能源作物的困境


【2007-05-18/聯合報/A23版/民意論壇
http://www.popsci.com/environment/article/2008-04/breeding-oil-bug
http://www.news10.net/