普通高等教育"十二五"规划教材:现代环境生物工程.pdf

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书籍描述

内容简介
现代环境生物工程基于自然界物质循环规律,利用微生物、植物、动物的生命代谢活动,将废弃物和危害物转化为资源利用或矿化为自然界的组成成分,是现代生物技术与环境工程的紧密交叉。因此,本书从系统介绍生物代谢、基因工程、酶(蛋白质)工程、细胞工程、发酵工程等基础理论和技术入手,讲述现代生物技术在污染治理、环境修复、生物质能源、环境友好材料、环境生物监测等领域的应用实践。本书注重结构的合理性和知识的完整性,并反映学科发展的前瞻性,可作为高等学校环境工程、环境科学等相关专业的本科生和研究生教材或教学参考书,也可供相关专业的教师和科技人员使用。

编辑推荐
《普通高等教育"十二五"规划教材:现代环境生物工程》注重结构的合理性和知识的完整性,并反映学科发展的前瞻性,可作为高等学校环境工程、环境科学等相关专业的本科生和研究生教材或教学参考书,也可供相关专业的教师和科技人员使用。

目录
第1章概述
1.1生物技术1
1.1.1生物技术的定义1
1.1.2生物技术的发展1
1.1.3现代生物技术的应用3
1.2环境生物技术5
1.2.1环境生物技术的定义6
1.2.2污染控制技术6
1.2.3环境生物技术的发展7
第2章生物及其代谢
2.1生物9
2.1.1微生物9
2.1.2植物9
2.1.3动物10
2.2新陈代谢11
2.3与环境生物技术密切相关的代谢途径12
2.3.1糖酵解12
2.3.2TCA循环13
2.3.3乙醛酸循环14
2.3.4脂类代谢15
2.3.5蛋白质代谢15
2.3.6能量代谢16
2.4主要元素循环17
2.4.1氧循环17
2.4.2碳循环18
2.4.3氮循环19
2.4.4硫循环20
2.4.5磷循环20
2.4.6铁循环和锰循环21
第3章基因工程
3.1概述23
3.2基因工程技术23
3.2.1工具酶23
3.2.2目的基因26
3.2.3载体技术29
3.2.4目的基因导入技术32
3.2.5重组体的筛选技术34
3.3基因工程技术在环境污染治理中的应用37
3.3.1微生物基因改造38
3.3.2基因工程技术与污染治理40
3.3.3基因工程安全性问题41
第4章酶工程
4.1酶及酶工程42
4.2酶的催化特性及作用原理42
4.2.1酶的催化特性42
4.2.2酶催化反应原理44
4.3酶催化反应动力学45
4.3.1浓度46
4.3.2温度47
4.3.3pH47
4.3.4激活剂48
4.4酶的抑制作用48
4.4.1可逆性抑制作用48
4.4.2不可逆性抑制作用50
4.5酶的生产51
4.5.1微生物发酵产酶51
4.5.2动植物细胞产酶52
4.6酶的分离纯化52
4.6.1沉淀技术53
4.6.2离心技术55
4.6.3色谱分离技术55
4.6.4电泳技术58
4.7酶分子修饰59
4.7.1化学修饰59
4.7.2生物修饰61
4.8酶的固定化技术61
4.8.1酶的固定化方法62
4.8.2固定化酶的性质64
4.9酶在环境污染治理中的应用65
4.9.1几种重要的降解酶65
4.9.2酶在废水处理中的应用68
4.9.3酶在土壤修复中的应用69
4.9.4酶在环境监测中的应用70
第5章细胞工程
5.1细胞及细胞工程72
5.1.1细胞72
5.1.2细胞工程74
5.2细胞工程技术74
5.2.1微生物细胞工程75
5.2.2植物细胞工程76
5.2.3动物细胞工程77
5.3细胞工程在环境污染治理中的应用79
5.3.1细胞融合技术的应用79
5.3.2抗性植物的应用80
5.3.3微生物表面展示技术的应用81
第6章发酵工程
6.1概述84
6.2工业发酵菌种84
6.2.1微生物代谢产物类型85
6.2.2常见微生物及其代谢产物85
6.2.3工业发酵菌种的选育87
6.3发酵工艺及其控制91
6.3.1发酵类型91
6.3.2发酵工艺92
6.3.3发酵方式92
6.3.4发酵过程控制93
6.4发酵设备98
6.4.1机械搅拌式发酵罐98
6.4.2通风搅拌式发酵罐99
6.4.3厌氧发酵设备100
6.5发酵工程在环境保护中的应用100
6.5.1利用废渣液生产单细胞蛋白101
6.5.2利用废渣液生产颗粒复混肥料102
6.5.3亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵102
6.5.4酵母循环系统102
第7章废水生物处理
7.1废水生物处理特性103
7.1.1概述103
7.1.2废水生物处理原理103
7.1.3废水生物处理中的微生物生长特性104
7.1.4废水生物处理中的动力学105
7.1.5影响废水生物处理的因素106
7.2废水生物处理工艺108
7.2.1活性污泥法108
7.2.2生物膜法111
7.2.3厌氧生物处理工艺115
7.2.4其他废水生物处理工艺120
7.3现代生物处理技术在废水处理工程的应用122
7.3.1生物强化技术123
7.3.2废水生物脱氮除磷新技术124
7.3.3生物絮凝剂129第8章废气生物处理
8.1废气生物处理原理137
8.1.1概述137
8.1.2废气生物净化原理137
8.1.3废气生物处理的微生物138
8.1.4废气生物处理的填料139
8.2废气生物处理工艺139
8.2.1生物吸收法140
8.2.2生物洗涤法140
8.2.3生物过滤法141
8.2.4生物滴滤法142
8.2.5新型废气生物处理法142
8.3废气生物处理的影响因素144
8.3.1温度144
8.3.2pH145
8.3.3湿度145
8.4有机废气生物处理发展145
8.4.1微生物净化有机废气145
8.4.2植物净化有机废气147
8.4.3有机废气生物净化的研究热点147
8.5含硫废气的生物处理149
8.5.1脱硫微生物149
8.5.2含硫污染物的脱硫机制150
8.5.3生物脱硫技术150
8.6CO2的生物处理151
8.6.1植物固定CO2151
8.6.2微生物固定CO2152
8.6.3生物固定CO2的发展趋势152
8.7NOx的生物处理154
8.7.1生物法处理NOx的原理154
8.7.2降解NOx的主要微生物154
8.7.3生物法处理NOx的研究现状及发展趋势155
第9章固体废物的生物处理
9.1固体废物157
9.2固体废物堆肥化处理157
9.2.1堆肥的基本原理158
9.2.2好氧堆肥技术160
9.2.3厌氧堆肥技术163
9.3固体废物填埋166
9.3.1填埋的基本原理166
9.3.2填埋渗滤液处理168
9.3.3填埋气体产生、收集与利用169
9.4固体废物的其他生物处理技术171
9.4.1有机固体废物的蚯蚓处理技术171
9.4.2蚯蚓处理的主要影响因素172
9.4.3利用蚯蚓处理固体废物的优势及局限性172
第10章生物修复基础
10.1生物修复的概念174
10.2生物修复特点及原则175
10.2.1生物修复特点175
10.2.2生物修复原则176
10.3生物修复原理176
10.3.1微生物修复176
10.3.2植物修复178
10.3.3动物修复179
10.4生物修复的主要方法179
10.4.1原位生物修复179
10.4.2异位生物修复180
10.5生物修复的影响因素182
10.5.1受体特性182
10.5.2污染物特性187
10.5.3环境条件188
第11章生物修复技术的应用
11.1污染土壤的生物修复189
11.1.1微生物修复技术189
11.1.2植物修复技术190
11.2污染水体的生物修复191
11.2.1污染地表水的生物修复191
11.2.2污染海洋的生物修复193
11.2.3污染地下水的生物修复193
11.3污染大气的植物修复194
11.3.1绿色植物对气态污染物的修复194
11.3.2绿色植物对降尘的修复195
11.3.3绿色植物对生物性污染物的修复196
11.3.4绿色植物的释氧修复196
11.4固体废物污染的生物修复197
11.4.1矿山的生物修复197
11.4.2垃圾场的生物修复198
第12章恢复生态学与技术
12.1恢复生态学形成及发展200
12.1.1恢复生态学概念200
12.1.2恢复生态学的发展历程200
12.1.3恢复生态学的研究内容201
12.2恢复生态工程技术202
12.2.1生态恢复的目标与原则202
12.2.2生态恢复的方式和一般操作程序203
12.2.3生态恢复的技术体系204
12.2.4生态工程技术204
12.3湿地生态恢复206
12.3.1相关概念206
12.3.2湿地生态恢复的指导理论207
12.3.3湿地生态恢复的关键技术209
12.3.4湿地生态恢复的常用模式213
第13章生物质能源
13.1能源215
13.1.1能源的类型215
13.1.2能源发展215
13.2生物质能217
13.2.1生物质能的分类及特点217
13.2.2生物质能的发展218
13.3生物质能源利用技术220
13.3.1物理转化221
13.3.2化学转化221
13.3.3生物转化223
13.4生物技术在生物质能源利用中的应用224
13.4.1生物制沼气224
13.4.2生物制燃料乙醇224
13.4.3生物制氢225
13.4.4生物柴油226
第14章生物制烷
14.1概述227
14.2产甲烷的生化机制227
14.2.1产甲烷菌227
14.2.2产甲烷的生化机制及途径228
14.3产甲烷过程的过程化学和微生物学230
14.3.1过程化学230
14.3.2微生物学233
14.4产甲烷过程的热力学分析234
14.5产甲烷过程的工艺和反应器235
14.6影响产甲烷过程的因素236
14.6.1有机负荷236
14.6.2混合方式236
14.6.3加热方式236
14.6.4气体收集237
14.6.5反应器运行237第15章生物制氢
15.1氢能源238
15.2制氢技术238
15.2.1热化学制氢238
15.2.2裂解水制氢239
15.2.3生物制氢240
15.3制氢微生物及制氢机制241
15.3.1光解水制氢241
15.3.2光发酵制氢243
15.3.3暗发酵制氢244
15.3.4光发酵和暗发酵耦合制氢246
15.4生物制氢反应器247
15.4.1光生物反应器247
15.4.2厌氧发酵制氢反应器249
15.5生物制氢研究展望250第16章生物制醇
16.1概述251
16.1.1生物燃料乙醇特点251
16.1.2生物燃料乙醇的生产252
16.2纤维素生物质生产燃料乙醇253
16.2.1纤维素生物质原料253
16.2.2纤维素生物质的预处理技术254
16.2.3纤维素的水解256
16.2.4纤维素的发酵257
16.3生物燃料丁醇260
16.3.1主要菌株及代谢过程260
16.3.2生产工艺261第17章生物采油与生物制油
17.1生物采油263
17.1.1石油开采263
17.1.2微生物采油原理263
17.1.3油藏微生物264
17.1.4微生物采油工艺266
17.2生物制油267
17.2.1微藻制油268
17.2.2微生物制油271第18章生物燃料电池
18.1燃料电池276
18.2生物燃料电池276
18.2.1工作原理276
18.2.2生物燃料电池构型277
18.3影响生物燃料电池性能的因素279
18.3.1阳极室的操作条件279
18.3.2阴极室的操作条件280
18.3.3电池的外电阻280
18.4生物燃料电池的应用280
第19章环境友好材料生物技术
19.1概述282
19.2环境友好材料分类282
19.2.1可再生天然材料282
19.2.2仿生材料284
19.2.3生物质材料285
19.3可降解塑料286
19.3.1可降解塑料定义286
19.3.2光降解塑料287
19.3.3生物降解塑料288
19.3.4光?采?物双降解塑料291
19.4微生物农药292
19.4.1微生物农药定义292
19.4.2活体微生物杀虫剂293
19.4.3微生物杀菌剂296
19.4.4微生物除草剂299
19.5微生物肥料301
19.5.1微生物肥料定义301
19.5.2微生物肥料的作用机制301
19.5.3重要的微生物肥料303
第20章环境生物监测
20.1概述307
20.1.1生物监测原理和方法307
20.1.2生物监测特点308
20.1.3指示生物308
20.2水环境污染生物监测309
20.2.1监测原理309
20.2.2水污染的生物监测手段和
方法309
20.2.3生物群落监测法311
20.2.4细菌学检验法313
20.2.5生物测试法314
20.2.6发光细菌毒性检测法314
20.2.7其他方法315
20.3空气污染生物监测315
20.3.1植物监测316
20.3.2动物监测318
20.3.3微生物监测319
20.4土壤污染的生物监测319
20.4.1植物监测319
20.4.2动物监测320
20.4.3微生物监测320
20.5生物污染监测321
20.5.1基本概念321
20.5.2生物对污染物的吸收及在体内分布321
20.5.3生物样品的采集和制备323
20.5.4生物样品的预处理324
20.6生态监测325
20.6.1生态监测定义325
20.6.2生态监测的类型及方法325
20.6.3生态监测指标体系326
20.6.4生态监测方案328
20.7生物传感器329
20.7.1生物传感器的原理329
20.7.2生物传感器的分类330
20.7.3生物传感器在环境监测中的应用330
20.7.4生物传感器的发展前景334
参考文献

序言
地球——人类赖以生存的星球,正处于疾速奔驰的人类文明车轮的碾压下,蓬勃发展的世界经济活动开始搅乱这个星球上的物质循环。四季周而复始,但万物渐失轮回,建立以自然的及与人类之间的物质循环为基础的社会体系,成为了21世纪“环境革命”的核心思想。环境保护——这项人类掀起的漫长而艰难的保护地球行为,涉及意识、技术、经济、政策等社会众多领域,是一个多学科交叉的科学领域。
环境生物工程基于自然界物质循环规律,利用微生物、植物、动物的生命代谢活动,将废物和危害物转化为资源利用或矿化为自然界的组成成分,本质是自然界物质循环力的强化,整个过程充满无穷的魅力。
环境生物工程涵盖内容十分广泛,不仅涉及生物代谢、基因工程、酶(蛋白质)工程、细胞工程、发酵工程等基础理论和技术,还包括在清洁能源制造业、污染控制与修复、废弃物资源化等领域的大量应用实践。可以说,环境生物工程所阐述的思想、方法和技术是对现有资源能源利用和废弃物处理方式的有益修正和补充。
伴随生物工程等相关学科的快速发展,环境生物工程的发展前景令人振奋,其在社会可持续发展模式中所展现的分量日益扩大。编写本书的目的是全面准确地描述目前用于解决环境问题的生物学方法和技术,并为读者提供相关的科学知识。因此,本书注重结构的合理性和知识的完整性,并反映学科发展的前瞻性,力求概念准确、语言通俗易懂。
本书可作为环境工程、环境科学等相关专业的本科生和研究生教材或教学参考书,也可供相关专业的教师和研究人员使用。本书编著过程参阅众多的文献资料,主要出版图书列在参考文献中,在此表示衷心的感谢。由于编者水平有限,书中难免有疏漏和不妥之处,在此欢迎读者提出宝贵意见。


编著者2013年10月

文摘
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目前,医药卫生领域是现代生物技术应用最广泛、成绩最显著、潜力最大的一个领域。
①基因工程药物与疫苗(genetically engineered vaccines) 1982年,美国Lilly公司首次将重组胰岛素投放市场,标志着世界第一个基因工程药物的诞生。迄今为止,已有50多种基因工程药物上市,近千种处于研发状态。利用基因工程可以大量生产一些来源稀少价格昂贵的药物,降低生产成本,减轻患者负担;同时,基因工程药物针对一些疑难病症,起到了良好的治疗效果。
基因工程疫苗是将病原体的某种蛋白基因重组到细菌或真核细胞内,利用细菌或真核细胞来大量产生病原体蛋白,将获得的蛋白作为疫苗。利用重组DNA技术生产的基因工程药物主要有抗生素、乙型肝炎病毒疫苗、流感病毒疫苗、生长激素抑制剂、白细胞介素、溶菌酶等。
②基因诊断与基因治疗(gene therapy)DNA诊断技术是利用重组DNA技术,从基因中寻找病根,主要应用于肿瘤、人类遗传性疾病、传染性疾病等多种疾病的诊断。DNA诊断技术特点是专一性强、灵敏度高、操作简便,只要检测出该病变基因的存在,就能确诊。目前最新诊断技术是聚合酶链反应的基因诊断技术,它对珠蛋白基因缺陷性贫血、血友病、杜氏肌营养不良症等遗传疾病具有较好的诊断能力。
基因治疗是一种应用基因工程技术、分子遗传学原理和基因组学对某种基因缺陷引起的遗传病进行治疗。器官异种移植则是实现基因治疗最常用的技术,它是利用现代生物技术,将人的基因转移到另一个物种上,再将此物种的器官取出来置入人体,代替生病的“零件”。目前,基因治疗已扩大到心血管系统疾病、肿瘤、神经系统疾病等的治疗,人类也成功实现了肝、胰、肾、肺等器官的异种移植。
③药物作用机制与新药筛选(drug screening) 应用蛋白质组学(proteomics)技术,可以更清楚更详尽地阐明药物的作用机制,从而提供更为有效、合理的药理模型。例如,通过比较抗肝癌化合物OGT719和5—氟尿嘧啶分别处理过的肿瘤细胞株的蛋白质组表达图谱,发现它们二者2—DE的表达图谱发生了类似的变化,这表明二者在体内的作用机制相类似。蛋白质组学还可用于对药物不良反应的研究,一般是通过比较正常组织和药物处理过的细胞组织的蛋白质结构,寻找药物具有毒副作用的迹象。

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