生物技术概论 第10章生物技术与环境 习题与参考答案 一、名词解释 1生物检测技术：利用某些生物材料（如酶、抗体、组织、细胞等）对一定的化学物质 具有的特异性识别能力或灵敏响应能力，研究开发环境中污染物的检测，称作生物检测技术 (biological detection techniques). 2.病原微生物：病原微生物(pathogenic microorganism)是指能引起人类、动物、植物 疾病的，具有致病性的微生物。 3.基因工程菌：基因工程菌(genetically engineered strain)是指通过基因工程改造过遗 传物质的菌株。 4.生物传感器：生物传感器(biosensor)是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电 子技术等多学科相互渗透而产生的一种分析检测装置。 5.ELISA:又称为酶联免疫吸附测定(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)是指将可 溶性的抗原或抗体结合到聚苯乙烯等固相载体上，利用抗原抗体结合专一性进行免疫反应的 定性和定量检测方法。 6.核酸探针：基于核酸分子杂交原理的核酸探针(nucleic acid probe)可理解为一类能 特异性识别目标分子（核酸序列），并适合直接检测或带有可检测标记物（放射性或非放射 性的)的核苷酸序列。 7核酸杂交：一般把待测的单链靶核酸固定在载体上，置于适当的溶液中，加入己标记 好的核酸探针，这时给予合适的退火条件，如果靶核酸和探针核酸的序列具有同源性，它们 就会缔合成双链结构即核酸杂交(nucleic acid hybridization)。 8.生物监测：联合国环境规划署(united nations environment programme,UNEP)将其 定义为：测量活着的生物体对人为压力的灵敏度：美国国家环保局(U.S.environmental protection agency,EPA)则定义为：使用活着的生物体来测定环境影响。 9.生物修复：又称为生物恢复(biorestoration),是指利用生物代谢潜能消除或减少污染 地区有害物质浓度的技术。 l0.活性污泥：活性污泥(activated sludge)是一种以细菌、真菌、原生动物、后生动物等 微生物和金属氢氧化物为主的污泥状褐色絮凝物
生物技术概论 1 第 10 章 生物技术与环境 习题与参考答案 一、名词解释 1.生物检测技术：利用某些生物材料（如酶、抗体、组织、细胞等）对一定的化学物质 具有的特异性识别能力或灵敏响应能力，研究开发环境中污染物的检测，称作生物检测技术 （biological detection techniques）。 2.病原微生物：病原微生物（pathogenic microorganism）是指能引起人类、动物、植物 疾病的，具有致病性的微生物。 3. 基因工程菌：基因工程菌（genetically engineered strain）是指通过基因工程改造过遗 传物质的菌株。 4.生物传感器：生物传感器（biosensor）是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电 子技术等多学科相互渗透而产生的一种分析检测装置。 5. ELISA：又称为酶联免疫吸附测定(enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)是指将可 溶性的抗原或抗体结合到聚苯乙烯等固相载体上，利用抗原抗体结合专一性进行免疫反应的 定性和定量检测方法。 6.核酸探针：基于核酸分子杂交原理的核酸探针（nucleic acid probe）可理解为一类能 特异性识别目标分子（核酸序列），并适合直接检测或带有可检测标记物（放射性或非放射 性的）的核苷酸序列。 7.核酸杂交：一般把待测的单链靶核酸固定在载体上，置于适当的溶液中，加入已标记 好的核酸探针，这时给予合适的退火条件，如果靶核酸和探针核酸的序列具有同源性，它们 就会缔合成双链结构即核酸杂交（nucleic acid hybridization）。 8.生物监测：联合国环境规划署（united nations environment programme，UNEP）将其 定义为：测量活着的生物体对人为压力的灵敏度；美国国家环保局（U.S. environmental protection agency，EPA）则定义为：使用活着的生物体来测定环境影响。 9.生物修复：又称为生物恢复（biorestoration），是指利用生物代谢潜能消除或减少污染 地区有害物质浓度的技术。 10.活性污泥：活性污泥(activated sludge)是一种以细菌、真菌、原生动物、后生动物等 微生物和金属氢氧化物为主的污泥状褐色絮凝物
生物技术概论 11.生物膜：生物膜(biofilm)是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物 结构中的细胞所组成：生物膜具有孔状结构，并具有很强的吸附性能。 12.有机固体废物：有机固体废物(organic solid wastes)包括农业固体废物、工业废物 以及城市生活垃圾中的有机成分。 13.生物浸出：生物浸出(biological lixiviation)是一个复杂的过程，化学氧化、生物氧 化与原电池反应往往同时发生。 14.堆肥化：堆肥化(composting)依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物， 人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化的微生物学过程。 l5.厌氧发酵：厌氧发酵(anaerobic fermentation)是指在厌氧状态下利用厌氧微生物使有 机物转化为CH4和CO2的厌氧消化技术。 16.蚯蚓堆肥处理：蚯蚓堆肥(worm composting)处理是指在微生物的协同作用下，蚯蚓利 用自身丰富的酶系统（蛋白酶、脂肪分解酶、纤维酶、淀粉酶）将有机废弃物迅速分解、 转化成自身和其他生物易于利用的营养物质，加速堆肥的稳定化过程。 17.生物滤池：生物滤池(Bio--filter method)是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的 实践基础上，经较原始的间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术，是目前常 用的污水生物处理方法。 二、简要回答 1.简述PCR技术在环境检测中的应用。 PC℉技术目前在环境监测中的应用主要有以下几个方面：环境中的病源微生物的检测： 进入自然环境中的基因工程菌的检测：环境微生物基因克隆中PCR技术的应用等。PCR技 术的应用提高了环境微生物检测技术的局限性及检测速度，克服了传统培养法的种种缺陷， 并且可以克隆传统方法无法人工培养的重要微生物的基因。 2.生物传感器的工作原理是什么？有哪些分类？请简述生物传感器在环境治理中的应用。 生物传感器的检测原理为：待测物质进入生物活性材料（如酶、蛋白质、DNA、抗体、 抗原、生物膜等)，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换 能器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测 物浓度。其特点是专一性强、分析速度快、操作简便、能进行在线分析甚至活体分析且能检 测极微量的污染物。 根据生物传感器中生物分子识别元件的不同，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感 器、免疫传感器、DNA传感器、组织传感器(issue biosensor)及细胞传感器(cell biosensor)
生物技术概论 2 11.生物膜：生物膜（biofilm）是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物 结构中的细胞所组成；生物膜具有孔状结构，并具有很强的吸附性能。 12.有机固体废物：有机固体废物（organic solid wastes）包括农业固体废物、工业废物 以及城市生活垃圾中的有机成分。 13.生物浸出：生物浸出（biological lixiviation）是一个复杂的过程，化学氧化、生物氧 化与原电池反应往往同时发生。 14.堆肥化：堆肥化(composting）依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物， 人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化的微生物学过程。 15.厌氧发酵：厌氧发酵(anaerobic fermentation)是指在厌氧状态下利用厌氧微生物使有 机物转化为 CH4和 CO2的厌氧消化技术。 16.蚯蚓堆肥处理：蚯蚓堆肥(worm composting)处理是指在微生物的协同作用下，蚯蚓利 用自身丰富的酶系统（ 蛋白酶、脂肪分解酶、纤维酶、淀粉酶）将有机废弃物迅速分解、 转化成自身和其他生物易于利用的营养物质，加速堆肥的稳定化过程。 17.生物滤池：生物滤池（Bio-filter method）是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的 实践基础上，经较原始的间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术，是目前常 用的污水生物处理方法。 二、简要回答 1. 简述 PCR 技术在环境检测中的应用。 PCR 技术目前在环境监测中的应用主要有以下几个方面：环境中的病源微生物的检测； 进入自然环境中的基因工程菌的检测；环境微生物基因克隆中 PCR 技术的应用等。PCR 技 术的应用提高了环境微生物检测技术的局限性及检测速度，克服了传统培养法的种种缺陷， 并且可以克隆传统方法无法人工培养的重要微生物的基因。 2. 生物传感器的工作原理是什么？有哪些分类？请简述生物传感器在环境治理中的应用。 生物传感器的检测原理为：待测物质进入生物活性材料（如酶、蛋白质、DNA、抗体、 抗原、生物膜等），经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换 能器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测 物浓度。其特点是专一性强、分析速度快、操作简便、能进行在线分析甚至活体分析且能检 测极微量的污染物。 根据生物传感器中生物分子识别元件的不同，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感 器、免疫传感器、DNA 传感器、组织传感器（issue biosensor）及细胞传感器（cell biosensor）
生物技术概论 等。 生物传感器在水质环境监测的应用有：(1)对BOD的监测：(2)对硝酸盐的监测：(3) 对酚类污染物的监测：(4)对其他污染物的监测。生物传感器在大气环境监测中的应用主要 针对大气环境较为常见的污染因子NOX、SO2、总悬浮颗粒物、CO2等，其中NOX和SO2 对大气环境的危害尤为严重，是酸雨、酸雾形成的主要原因，NOX同时还是光化学污染的 主要原因。简单实用的生物传感器在该监测领域也得到了较好的发展，应用于(1)对NOX 的监测：(2)对SO2的监测。 3.什么是植物修复？植物修复的主要类型有哪些？ 植物修复(phytoremediation)是利用植物的一系列生理生化过程，部分或完全修复和消 除被污染土壤、水体、空气中特定的有毒物质。广义的植物修复包括利用植物固定或修复重 金属污染土壤，净化水体和空气，清除放射性核素和利用植物及其根际微生物降解有机污染 物等，是利用生态工程治理环境污染的一种有效方法。通过植物的吸收、挥发、根际降解、 稳定等作用，可以净化水体、土壤或大气中的污染物，达到净化环境的目的。 植物修复的类型有以下几种：(1)植物萃取：(2)植物降解：(3)植物根际降解：(4) 植物根系过滤：(5)植物稳定作用：(6)植物挥发。 4.什么是微生物修复？试举例说明微生物修复在环境污染治理中的应用？ 微生物修复(microremediation)技术是在人为优化的条件下，利用自然环境中生息的 微生物或人为投加的特效微生物的生命代谢活动，来分解土壤中的污染物，修复受污染的环 境。 利用微生物去除废水中其它物质。微生物絮凝剂可以用于废水脱色。如采用微生物絮凝 剂NOC-1,对含有可溶性着色物质的黑墨水、面包酵母生产过程中排出的培养基糖蜜废水、 糖蜜发酵生产酒精过程中精馏后的酒精发酵母液、造纸碱性黑液、颜料废水等有色废水进行 处理，发现处理后的上清液变为无色透明。可见，微生物絮凝剂具有很好的脱色性能。 5.简述固体垃圾生物处理的基本类型和蚯蚓处理的优点及主要步骤。 固体垃圾生物处理的基本类型有生物浸出、废物堆肥化、厌氧发酵、蚯蚓处理技术。 蚯蚓堆肥同单纯的堆肥工艺相比，废物的蚯蚓处理工艺对有机物消化完全彻底，堆肥腐 殖质含量更高，施用后有助于提高土壤的性能和肥力，增强植物对许多病虫害的抗性，减少 化学农药的使用，提高农产品的质量、口感以及农产品的贮存质量。 蚯蚓堆肥有以下几个主要步骤：(1)垃圾分拣：(2)好氧堆肥：(3)蚯蚓池：(4)筛分 过程。 3
生物技术概论 3 等。 生物传感器在水质环境监测的应用有：（1）对 BOD 的监测；（2）对硝酸盐的监测；（3） 对酚类污染物的监测；（4）对其他污染物的监测。生物传感器在大气环境监测中的应用主要 针对大气环境较为常见的污染因子 NOX、SO2、总悬浮颗粒物、CO2 等，其中 NOX 和 SO2 对大气环境的危害尤为严重，是酸雨、酸雾形成的主要原因，NOX 同时还是光化学污染的 主要原因。简单实用的生物传感器在该监测领域也得到了较好的发展，应用于（1）对 NOX 的监测；（2）对 SO2 的监测。 3. 什么是植物修复？植物修复的主要类型有哪些？ 植物修复（phytoremediation）是利用植物的一系列生理生化过程，部分或完全修复和消 除被污染土壤、水体、空气中特定的有毒物质。广义的植物修复包括利用植物固定或修复重 金属污染土壤，净化水体和空气，清除放射性核素和利用植物及其根际微生物降解有机污染 物等，是利用生态工程治理环境污染的一种有效方法｡通过植物的吸收、挥发、根际降解、 稳定等作用，可以净化水体、土壤或大气中的污染物，达到净化环境的目的。 植物修复的类型有以下几种：（1）植物萃取；（2）植物降解；（3）植物根际降解；（4） 植物根系过滤；（5）植物稳定作用；（6）植物挥发。 4. 什么是微生物修复？试举例说明微生物修复在环境污染治理中的应用？ 微生物修复（microremediation）技术是在人为优化的条件下，利用自然环境中生息的 微生物或人为投加的特效微生物的生命代谢活动，来分解土壤中的污染物，修复受污染的环 境。 利用微生物去除废水中其它物质。微生物絮凝剂可以用于废水脱色。如采用微生物絮凝 剂 NOC-1，对含有可溶性着色物质的黑墨水、面包酵母生产过程中排出的培养基糖蜜废水、 糖蜜发酵生产酒精过程中精馏后的酒精发酵母液、造纸碱性黑液、颜料废水等有色废水进行 处理，发现处理后的上清液变为无色透明。可见，微生物絮凝剂具有很好的脱色性能。 5. 简述固体垃圾生物处理的基本类型和蚯蚓处理的优点及主要步骤。 固体垃圾生物处理的基本类型有生物浸出、废物堆肥化、厌氧发酵、蚯蚓处理技术。 蚯蚓堆肥同单纯的堆肥工艺相比，废物的蚯蚓处理工艺对有机物消化完全彻底，堆肥腐 殖质含量更高，施用后有助于提高土壤的性能和肥力，增强植物对许多病虫害的抗性，减少 化学农药的使用，提高农产品的质量、口感以及农产品的贮存质量。 蚯蚓堆肥有以下几个主要步骤：（1）垃圾分拣；（2）好氧堆肥；（3）蚯蚓池；（4）筛分 过程
生物技术概论 三、拓展讨论 1.试设计人工制造活性污泥的技术方案。 活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是向废水中连 续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶 团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。从微生物角度来看，生化池中的 污泥是由各种各样有生物活性的微生物组成的一个生物群体。如果把污泥的泥粒放在显微镜 下观察，可以看到里面有多种微生物--细菌、霉菌、原生动物和后生动物（如轮虫、昆虫的 幼虫和蠕虫等)，它们构成一条食物链，细菌和霉菌能分解复杂的有机化合物，获得自身活 动必需的能量并构造自身。原生动物以细菌和霉菌为食，又被后生动物所消耗，后生动物也 可以直接依靠细菌生活。这种充满微生物、具有降解有机物能力的絮状泥粒就叫做活性污泥。 活性污泥除了由微生物组成之外，还含有一些无机物质和吸附在活性污泥上不能再被生物降 解的有机物（即微生物的代谢残余物）。活性污泥的含水一般在98-99%。活性污泥象矾花一 样，具有很大的表面积，因此具有很强的吸附力和氧化分解有机物的能力。 自然培菌，也称直接培菌法。它是利用废水中原有的少量微生物，逐步繁殖的培养过程。 城市污水和一些营养成份较全、毒性小的工业废水，如食品厂、肉类加工厂废水，可以考虑 这种培养方法，但培养时间相对较长。自然培菌又可分为间歇培菌和连续培菌二种。 接种培菌法的培养时间较短，是常用的活性污泥培菌方法，适用于大部分工业废水处理 厂。城市污水厂如附近有种泥，也可采用此法，以缩短培养时间。接种培养法常用的有如下 二种：(1)浓缩污泥接种培菌。采用附近污水处理厂的浓缩污泥作菌种（种泥或种污泥）来培 养：(2)干污泥接种培菌。“干污泥”通常是指经过脱水机脱水后的泥饼，其含水率约为70~ 80%。本法适用于边远地区和取种污泥运输距离较远的情况。 2.好氧堆肥过程中如何控制其肥堆中的氧的含量。 堆肥中的需氧量是微生物活动强弱的宏观标志，反映了有机物的分解程度，一般认为，在 好氧堆肥过程中的固体粒子堆层中，为维持好氧状态，粒子间的空隙必须完全由空气所占领， 但是堆肥中许多因素影响堆肥通气供氧量，从而影响了微生物需氧量。通过调节一下几个因 素可以控制肥堆中的氧含量：(1)含水量含水量通过对微生物活性和通气孔隙的作用，影响 了氧气消耗，是好氧堆肥的一个决定性因素。因此堆肥过程中需要根据物料的性质控制水分 和通气，达到水气协调，二者兼顾，才能促进微生物的生长和繁殖，优化堆肥的控制条件：(2)堆 料的容积密度及堆层深度，堆料致密紧实，容积密度大，不利于通风供氧，尤其是在高温阶段， 而加入膨胀剂可改变堆料几何性质，使堆料具有多孔性，从而有利于通风供氧。(3)通风供氧
生物技术概论 4 三、拓展讨论 1. 试设计人工制造活性污泥的技术方案。 活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是向废水中连 续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶 团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。从微生物角度来看，生化池中的 污泥是由各种各样有生物活性的微生物组成的一个生物群体。如果把污泥的泥粒放在显微镜 下观察，可以看到里面有多种微生物---细菌、霉菌、原生动物和后生动物（如轮虫、昆虫的 幼虫和蠕虫等），它们构成一条食物链，细菌和霉菌能分解复杂的有机化合物，获得自身活 动必需的能量并构造自身。原生动物以细菌和霉菌为食，又被后生动物所消耗，后生动物也 可以直接依靠细菌生活。这种充满微生物、具有降解有机物能力的絮状泥粒就叫做活性污泥。 活性污泥除了由微生物组成之外，还含有一些无机物质和吸附在活性污泥上不能再被生物降 解的有机物（即微生物的代谢残余物）。活性污泥的含水一般在 98-99%。活性污泥象矾花一 样，具有很大的表面积，因此具有很强的吸附力和氧化分解有机物的能力。 自然培菌，也称直接培菌法。它是利用废水中原有的少量微生物，逐步繁殖的培养过程。 城市污水和一些营养成份较全、毒性小的工业废水，如食品厂、肉类加工厂废水，可以考虑 这种培养方法，但培养时间相对较长。自然培菌又可分为间歇培菌和连续培菌二种。 接种培菌法的培养时间较短，是常用的活性污泥培菌方法，适用于大部分工业废水处理 厂。城市污水厂如附近有种泥，也可采用此法，以缩短培养时间。接种培养法常用的有如下 二种：（1）浓缩污泥接种培菌。采用附近污水处理厂的浓缩污泥作菌种(种泥或种污泥)来培 养；（2）干污泥接种培菌。“干污泥”通常是指经过脱水机脱水后的泥饼，其含水率约为 70～ 80%。本法适用于边远地区和取种污泥运输距离较远的情况。 2. 好氧堆肥过程中如何控制其肥堆中的氧的含量。 堆肥中的需氧量是微生物活动强弱的宏观标志,反映了有机物的分解程度,一般认为,在 好氧堆肥过程中的固体粒子堆层中,为维持好氧状态,粒子间的空隙必须完全由空气所占领, 但是堆肥中许多因素影响堆肥通气供氧量,从而影响了微生物需氧量。通过调节一下几个因 素可以控制肥堆中的氧含量：（1）含水量 含水量通过对微生物活性和通气孔隙的作用,影响 了氧气消耗,是好氧堆肥的一个决定性因素。因此堆肥过程中需要根据物料的性质控制水分 和通气,达到水气协调,二者兼顾,才能促进微生物的生长和繁殖,优化堆肥的控制条件；（2）堆 料的容积密度及堆层深度，堆料致密紧实,容积密度大,不利于通风供氧,尤其是在高温阶段, 而加入膨胀剂可改变堆料几何性质,使堆料具有多孔性,从而有利于通风供氧。（3）通风供氧
生物技术概论 的方式，在静态堆肥几个月后，堆体中氧气含量小于1%，而且堆制290天后才达到50℃以上 的温度，严重影响了堆肥的效率，因此需要人为进行通风供氧，常用的通风供氧方式有固定通 气、温度反馈通气量控制、氧浓度反馈通气量控制、温度和氧浓度联合反馈通气量控制。(4) 温度，研究表明低于60℃随着温度的增加氧气消耗量呈幂指数增加，高于60℃氧气消耗量降 低，超过70℃后氧气消耗量快速接近于0，因此堆肥过程中应根据堆肥不同阶段温度的不同控 制通风供氧量。 3.针对常见的一致病微生物，设计利用核酸探针检测的实验方案。 根据致病微生物具有的属特异性基因序列设计出一对探针引物，通过PC℉技术克隆出 致病微生物的特异核酸探针片段。提取样品中的微生物DNA。同时用共价串联到能用其它 方式检测得到的非放射性分子上的核苷酸标记。这些标记物用PC℉等方法整合到核苷酸探 针的序列中去。目标致病微生物的核酸分子（或其所在的核酸混合样品）用Southern转移、 狭缝杂交(slot blots)或者甚至直接固定由先前己生长在滤膜上的细菌菌落裂解而来的DNA 等方法转移到硝酸纤维素膜或尼龙膜等固相支持物上。将标记过的特异核酸探针片段与待测 样品DNA杂交。杂交完毕，对杂交膜进行洗脱，将没有杂交的探针洗去，若有杂交条带， 则说明含致病微生物，完成检测。 (上海交通大学潘琪芳)
生物技术概论 5 的方式，在静态堆肥几个月后,堆体中氧气含量小于 1%,而且堆制 290 天后才达到 50℃以上 的温度,严重影响了堆肥的效率,因此需要人为进行通风供氧,常用的通风供氧方式有固定通 气、温度反馈通气量控制、氧浓度反馈通气量控制、温度和氧浓度联合反馈通气量控制。（4） 温度，研究表明低于 60℃随着温度的增加氧气消耗量呈幂指数增加,高于 60℃氧气消耗量降 低,超过 70℃后氧气消耗量快速接近于 0,因此堆肥过程中应根据堆肥不同阶段温度的不同控 制通风供氧量。 3. 针对常见的一致病微生物，设计利用核酸探针检测的实验方案。 根据致病微生物具有的属特异性基因序列设计出一对探针引物，通过 PCR 技术克隆出 致病微生物的特异核酸探针片段。提取样品中的微生物 DNA。同时用共价串联到能用其它 方式检测得到的非放射性分子上的核苷酸标记。这些标记物用 PCR 等方法整合到核苷酸探 针的序列中去。目标致病微生物的核酸分子（或其所在的核酸混合样品）用 Southern 转移、 狭缝杂交（slot blots）或者甚至直接固定由先前已生长在滤膜上的细菌菌落裂解而来的 DNA 等方法转移到硝酸纤维素膜或尼龙膜等固相支持物上。将标记过的特异核酸探针片段与待测 样品 DNA 杂交。杂交完毕，对杂交膜进行洗脱，将没有杂交的探针洗去，若有杂交条带， 则说明含致病微生物，完成检测。 （上海交通大学 潘琪芳）