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1、环境生物技术,黄春晓,绪 论,生物技术概论生物技术的定义生物技术的内容生物技术的发展生物技术的应用,环境生物技术概论环境生物技术的产生和定义环境生物技术的研究内容环境生物技术进展 本课程主要内容与安排,第一节 生物技术概论,一、生物技术的定义“生物技术”一词首先由匈牙利的Karl Ereky于19l7年提出。指甜菜(饲料)大规模养猪，即利用生物将原材料转变为产品。,简单概括：“利用生物有机体（从微生物直至高等动物、植物）或其组成部分（包括器官、组织、细胞或细胞器等）发展新产品或新工艺的一种体系”。或定义为“操纵生物（微生物、植物、动物）的细胞、组织或酶，进行生物合成、生物转化或生物降解，大规模
2、地生产预期产品或达到特殊目的的一门技术”。从广义上说，生物技术是指利用有机体的操作技术,现代生物技术已被世界各国视为一种高新技术。我国早在1986年初制定的高技术研究发展计划纲要中就将生物技术列于航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术等高新技术之首位。同年，国家科委制订中国生物技术政策纲要时，将生物技术定义为：以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。,先进的工程技术手段是指基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程等新技术。改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物
3、品系。生物原料则是指生物体的某一部分或生物生长过程中所能利用的物质如淀粉、糖类、纤维素等有机物，也包括一些无机化合物，甚至某些矿石。为人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测与治理等。,二、生物技术的发展1、古老（传统）生物技术阶段2、初期（第一代）生物技术阶段（17世纪203、近代（第二代）生物技术4、现代（第三代）生物技术阶段（20世纪70年 代现在）,1、古老（传统）生物技术阶段（公元前6000 17世纪）酿酒、制作酱油、酿醋、厌氧菌处理亚麻2、初期（第一代）生物技术阶段（17世纪20 世纪40年代
4、）了解微生物在发酵过程中的作用，发酵过程 处于非无菌操作状态。人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪末。发酵生产乙醇、醋酸、丁醇、丙酮等。,3、近代（第二代）生物技术（20世纪40年代 70年代）主要标志是抗生素工业的兴起.特点：无菌操作状态，规模扩大，生产设备要求高。,4、现代（第三代）生物技术阶段（20世纪70年 代现在）这一阶段的主要标志是DNA重组技术的建立。1953年，美国生物学家沃森(JDWatson)和英国物理学家克里克(FHCCrick)提出了DNA双螺旋结构分子模型。1973年美国加利福尼亚大学的Herber Boyer教授和斯坦福大学的Stanley Cohen
5、教授合作进行了人类历史上第一次有目的地基因重组实验，推动了现代生物技术的产生。,现代生物技术以分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫学、遗传学、生理学等学科为支撑，结合了化学、化工、计算机、微电子等学科，从而形成了一门多学科互相渗透的综合性学科。,三、现代生物技术的内容,基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程 这些技术并不是各自独立的，而是相互联系、相互渗透的。其中基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展，如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的工程菌或细胞，必须通过发酵工程或细胞工程来生产有用物质。,1、基因工程定义：将外源基因体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、
6、翻译表达的操作。理论和技术支撑：理论：40年代发现了生物的遗传物质是DNA、50年代弄清了DNA的双螺旋结构、60年代确定了遗传信息的传递方式。,技术：工具酶、载体、逆转录酶基因工程实施至少四个必要条件：工具酶、基因、载体、受体细胞工具酶：限制性内切酶、连接酶、修饰酶,Inserting a DNA Sample into a Plasmid,这种DNA分子的新组合是按照工程学的方法进行设计和操作，这就赋予基因工程跨越天然物种屏障的能力，克服了固有的生物种间的限制，带来了定向创造新物种的可能性。基因工程主要在细菌方面取得较大的成功。如利用微生物生产胰岛素、人体生长激素、干扰素。用基因工程培育成
7、功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物，使石油降解的速度得到很大提高。,2、细胞工程是指在细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。利用细胞融合技术应用于农业，培育得到了番茄、马铃薯、烟草和短牵牛等杂种植株。动物细胞培养可用来生产干扰素、人体激素、疫苗、单克隆抗体等。细胞融合技术可以构建环境工程菌，如纤维素降解菌和芳香族降解菌的原生质体融合与构建已取得进展。,3、发酵工程也叫微生物工程，现代的发酵工程，就是采用现代工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些生理功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接利用微生物参与控
8、制某些工业生产过程的一种新技术。,4、酶工程是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。其主要任务是：通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥出最大的催化功能；目的是为我们提供产品或以特定的功能为我们服务。,简单地说酶工程就是酶和酶制剂的生产和应用的技术。包括酶的生产、分离提取、精制，酶分子的修饰，酶在游离状态下的利用，固定化酶和固定化细胞的制备和利用，酶反应器的应用，酶反应动力学技术和理论。,四、生物技术的应用现代生物技术就其应用领域，可分为农业生物技术、医学生物技术、植物生物技术、动物生物技术、食品生物技术、海洋生物技术、
9、环境生物技术等。应用了微机控制的、自动化程度高的先进仪器和设备，如超速离心机、电子显微镜、高效液相色谱、DNA合成仪、DNA序列分析仪等、PCR仪。这些代表了现代微电子学和计算机技术与生物技术的结合和渗透。,第二节 环境生物技术 一、环境生物技术的产生和定义现代环境生物技术是现代生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边缘学科。它诞生于20世纪80年代末期。以高新技术为主体，并包括对传统生物技术的强化与创新。环境生物技术涉及众多的学科领域，主要由生物技术、工程学、环境学和生态学等组成。它是由生物技术与环境污染防治工程及其他工程技术紧密结合形成的，既具有较强的基础理论，又具有鲜明的技术应用特点。,广
10、义上讲，凡是自然界中涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术，都可称为环境生物技术。简言之，环境生物技术是应用于环境领域的生物技术。,德国Timmis博士对环境生物技术下的定义是：环境生物技术是应用生物圈的某部分使环境得以控制，或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术，包括环境中污染物的生物减少、污染场地的生物修复（Bioremediation）和生物可降解材料的开发和应用等。美国密歇根州立大学的JMTiedje教授认为，环境生物技术的核心是微生物学过程。,南京大学的程树培教授在其1994年：环境生物技术的定义可以由生物技术的定义延伸扩展而获得，即直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成
11、部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染以及同时生产有用物质的人工技术系统，称之为环境生物技术。,二、环境生物技术的研究内容环境生物技术的范围极为广泛。到目前为止，环境生物技术涉及的学科包括分子生物学、生物化学、基因工程学、酶工程学、发酵工程学、化学工程学、环境生物学、环境毒理学、环境工程学、植物学、动物学、生态学、微电子学、计算机科学等等。,三个层次 第一层次（高层次）为现代环境生物技术，是 指以基因工程为主导的现代防治污染生物技术；第二层次是以废物的生物处理（传统）技术、环境生物分析与监测为主要内容 第三层次是利用天然处理系统进行废物处理的技术,第一层次
12、（高层次）为现代环境生物技术，是指以基因工程为主导的现代防治污染生物技术包括构建高效基因工程菌（降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物），创造抗污染型转基因植物，环境友好材料的生物合成（通过基因工程手段改造微生物，生产可生物降解材料等）。,第二层次以废物的生物处理、环境生物分析与监测为主要内容，包括在新的理论和技术支撑下开发出的一系列废物强化处理工艺（如生物流化床等）。这是目前广泛使用的治理污染的生物技术，仍在不断强化和改进，已为控制现时的环境质量起到了极其重要的作用。,第三层次是利用天然处理系统进行废物处理的技术，主要包括氧化塘、人工湿地和土地处理系统、农业生态工程等，其特点是发挥自然
13、界的生物自净功能，投资运行费用少，易于操作管理。三者的关系,环境污染治理基因工程技术,环境污染生物治理技术,环境污染生物修复技术,环境污染预防生物技术,环境生物监测技术,环境生物资源化技术,环境生物材料,利用废物生产单细胞蛋白,废物能源化技术,废物采矿、采油技术,生 物 技 术,目前环境生物技术面临的任务有：(1)解决基因工程菌从实验室进入模拟系统和现场应用过程中，其遗传稳定性、功能高效性和生态安全性等方面的问题；(2)开发废物资源化和能源化技术，利用废物生产单细胞蛋白、生物塑料、生物肥料以及利用废物生产生物能源，如甲烷、氢气、乙醇等；(3)建立无害化生物技术清洁生产新工艺，如生物制浆、生物絮
14、凝剂、煤的生物脱硫、生物冶金等；(4)发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的检测技术。,我国的环境生物技术处于刚刚起步阶段。目前，我国环境生物技术的主要内容在以下几个方面：（1）高效降解污染物的基因工程菌和抗污染型转基因植物的研究；（2）无害化或无污染生物生产工艺技术研究；（3）生物反应器和固定化技术高效处理废水的工业应用研究；（4）废物资源化工程研究；（5）引入DNA扩增和其他生物技术的环境监测方法研究。,三、环境生物技术进展 1构建遗传工程菌用于环境生物技术清除石油污染、降解化学农药、降解塑料、降解木质素2野外污染现场采用的环境生物修复工程3废弃物、污染物资源化及建立清洁生产工艺4基础研究研究微生物降解转化污染物的机理；研究微生物降解污染物反应动力学及其数学模型和相关参数；环境污染生物监测。,四、本课程的主要内容第1-5章为污染治理生物技术。第6章为环境污染生物修复技术。第7章为污染预防生物技术本章主要介绍煤的生物脱硫技术、化石燃料的生物脱氮技术、为环保型生物制剂和生物材料的开发和应用（介绍微生物农药、生物肥料、生物塑料、生物絮凝剂、生物表面活性剂等的开发和利用。）第8章为废物资源化生物技术,介绍单细胞蛋白技术、细菌冶金、微生物和能源、微生物制剂的开发与应用。第9章 现代生物技术与环境污染治理。第10章为环境生物监测技术。,
