1、第七章第七章 现代生物技术与环境污染治理现代生物技术与环境污染治理生物技术（Biotechnology）也称生物工程（Bioengineering）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，发展新产品或达到某种目的的一种技术体系。基因工程、细胞工程、酶工程、发基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程酵工程、蛋白质工程生物体生物体传统发酵所利用的微生物，动植物细胞或细胞中的酶生物原料生物原料淀粉，糖蜜，纤维素等有机物；一些无机化学品；无机矿石产品产品医药，食品，化工，能源，金属产品和各种动植物的优良品种等目的目的包括疾病
2、的预防、诊断和治疗、环境污染的检测和治理 现代生物技术现代生物技术以20世纪70年代末发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程技术为核心的一系列技术。以70年代DNA重组技术的建立为标志二十世纪五十年代，DNA双螺旋结构学说发现二十世纪七十年代，重组DNA技术，单克隆抗体技术，第一个基因工程药物脱颖而出二十世纪八十年代，第一株转基因植物，第一例转基因动物横空出世二十世纪九十年代，克隆动物和人类基因组计划 1953年，美国生物学家，沃森，英国物理学家，克里克，发现了DNA由两条螺旋多核苷酸链组成。为人类揭开生命的秘密奠定了基础。基因是带有遗传效应的DNA片段基因工程-重组DNA技术：利
3、用人工手段去改造生物的遗传性状，按照人们的预想重新设计生命的过程，人工创造新生物并给予生物以新功能的过程单克隆抗体技术：1975年，英国科学家米尔斯坦利用细胞融合技术将一个B型淋巴细胞，和一个骨髓瘤细胞融合在一起形成一个杂交瘤细胞，获得既能产生抗体，又能无限增殖的杂种细胞，并以此生产抗体的抗体叫做单克隆抗体抗体主要由B淋巴细胞合成。每个B淋巴细胞有合成一种抗体的遗传基因。动物脾脏有上百万种不同的B淋巴细胞系，含遗传基因不同的B淋巴细胞合成不同的抗体。当机体受抗原刺激时，抗原分子上的许多决定簇分别激活各个具有不同基因的B细胞。被激活的B细胞分裂增殖形成该细胞的子孙，即克隆由许多个被激活B细胞的分
4、裂增殖形成多克隆，并合成多种抗体。如果能选出一个制造一种专一抗体的细胞进行培养，就可得到由单细胞经分裂增殖而形成细胞群，即单克隆。单克隆细胞将合成一种决定簇的抗体，称为单克隆抗体。基本原理其原理是:B淋巴细胞能够产生抗体，但在体外不能进行无限分裂;而瘤细胞虽然可以在体外进行无限传代，但不能产生抗体。将这两种细胞融合后得到的杂交瘤细胞具有两种亲本细胞的特性。第一个基因工程药物：1977年11月美国人工方法化学合成了人生长激素释放抑制素基因，具有工程菌的功能。将其置于微生物发酵罐里，繁殖，其代谢产物含有人生长激素释放抑制素.（1B干扰素）第一株转基因植物第一株转基因植物：1982年美国和比利时的学
5、者，分别把细菌中抗碘那霉素基因转入向日葵，烟草和胡萝卜的细胞中，使这些植物的抗药性提高八倍多。第一例转基因动物第一例转基因动物：1980年美国华盛顿大学和宾西法尼亚大学的学者，把大鼠的生长激素基因与小鼠的一段基因拼接在一起组成一个重组体，把这个重组体注射到小鼠的受精卵里，再把受精卵移植到借腹怀胎的雌鼠体内，生下的小鼠其生长速度比普通小鼠的平均生长速度快50%。克隆动物技术：1997年2月27日，自然杂志报道了一项震惊世界的科学创举，英国胚胎学家维尔穆特博士领导的研究小组，应用克隆技术，成功地复制了一头雌性芬兰塞特绵羊多莉。证明一个已经完全分化成熟的体细胞，还能像胚胎细胞一样，其细胞所具有的遗传
6、信息也能指导产生新的个体。2003年2月14日死亡 人类基因组计划：1990年开始启动，计划15年内完成人类全部基因组30亿个碱基对的排列顺序的测定和图谱分析。即把人体内十万个基因所在的位置确定下来，把基因分离出来，研究其功能，认识基因和疾病的关系。2005年完成 一般把找到的基因称为靶基因。基因治疗就是对相关的基因进行抑制或调整。所有的药物开发，是先在靶基因上实验的。因此有了基因，就可以制造基因工程诊断试剂，基因工程治疗药物，甚至形成治疗这种疾病的药物产业。（1）基因工程（重组）基因工程（重组DNA技术技术)（2）细胞工程）细胞工程（3）发酵工程）发酵工程（4）酶工程）酶工程（5）蛋白质工程
7、）蛋白质工程（6）生态工程技术生态工程技术（1）基因工程（又叫做）基因工程（又叫做基因拼接技术基因拼接技术或或DNA重组技术重组技术)用人工方法把不同生物的基因分离出来，在体外进行剪切，拼接，重组在一起，然后把重组体放回宿主细胞内繁殖，最终获得基因产物。即用人工的手段改造生物的遗传性状，获得基因产物。基本步骤：基本步骤：目的基因的分离基因重组转化筛选和检测目的基因的表达功能验证基因操作的工具基因操作的工具基因的剪刀（分子手术刀）限制性核酸内切酶（限制酶）基因的针线（分子缝合针）DNA连接酶基因的运输工具（分子运输车）运载体(1)限制酶限制酶 分布：主要在原核生物中 作用特点:专一性，识别特定核
8、苷酸序列，切割特定切点。结果：产生黏性未端和平末端 举例：EcoR1限制酶、Sma1限制酶限制酶的识别特点限制酶的识别特点以中轴线双侧的以中轴线双侧的DNA上碱基呈反向对称，重复排上碱基呈反向对称，重复排列列 如：如：GAA TTC CCC GGG CTT AAG GGG CCC黏性未端和平末端黏性未端和平末端(2)DNA连接酶连接酶 连接的部位：磷酸和脱氧核糖之间的键：磷酸二酯键（梯子的扶手）结果：两个相同的未端的连接。举例：Ecoli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 (3)运载体运载体作用：将外源基因送入受体细胞。具备的条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存 具有多个限制酶切点 具有某些标
9、记基因 对受体细胞无害举例：质粒、噬菌体 和动植物病毒工具酶工具酶载体载体如质粒、噬菌体、病毒。能自我复制；有可选择的，便于筛选、鉴定的遗传标记；有供外源DNA插入的位点；本身体积小 限制性内切酶、连接酶、核酸聚合酶、逆转录酶、核酸酶获取目的基因方法：获取目的基因方法：1.从基因文库中获取目的基因。2.利用PCR技术合成DNA3.mRNA差异显示法获得目的基因（反转录）模板DNA95PCR原理PCR的基本原理PCR反应条件PCR过程PCR的特点9550引物1引物2DNA引物PCR的基本原理PCR反应条件PCR过程PCR的特点50引物1引物2DNA引物72Taq酶Taq酶PCR的基本原理PCR反
10、应条件PCR过程PCR的特点72第1轮结束95第2轮开始PCR的基本原理PCR反应条件PCR过程PCR的特点955072TaqTaqTaqTaqPCR的基本原理PCR反应条件PCR过程PCR的特点72第2轮结束PCR的基本原理PCR反应条件PCR过程PCR的特点模板DNA第1轮扩增第2轮扩增第3轮扩增第4轮扩增第5轮扩增第6轮扩增PCR的过程的过程（1）以DNA 片段作模板，在 90 高温下，分开成为单链DNA。（2）以DNA 小段寡聚核苷酸做引物，在 50 左右的温度下，找到可以配对的正链和负链，形成互补结合（3）在 70左右的高温下，合成一条与模板 DNA 单链（正链或负链）互补结合的DN
11、A新链。（4）以上三个步骤周而复始，即反应体系的温度从 90 -50 -70 ，目的基因的量不断增加，反应体系中经历：变性淬火合成重复。结果：目的基因的量成指数形式扩增（2n)基因表达载体的构建基因表达载体的构建表达载体需由哪几部分组成表达载体需由哪几部分组成 复制原点复制原点 启动子启动子 目的基因目的基因 终止子终止子 标记基因标记基因目的基因目的基因原核细胞原核细胞物质的鉴定与检测核酸：PCR扩增、电泳、测序、杂交（Southern,DNA芯片等）蛋白质：ELISA、Westhern,蛋白芯片等其他化学物质：LC-MS,GC-MS 等DNA琼脂糖电泳DNA分子在琼脂糖凝胶中泳动时有电荷效
12、应和分子筛效应。DNA分子在高于等电点的pH溶液中带负电荷，在电场中向正极移动。在一定的电场强度下，DNA分子的迁移速度取决于分子筛效应，即DNA分子本身的大小和构型。在凝胶中，DNA片段迁移距离(迁移率)与碱基对的对数成反比，因此通过已知大小的标准物移动的距离与未知片段的移动距离进行比较，便可测出未知片段的大小。但是当DNA分子大小超过20kb时，普通琼脂糖凝胶就很难将它们分开。此时电泳的迁移率不再依赖于分子大小，因此，应用琼脂糖凝胶电泳分离DNA时，分子大小不宜超过此值。色谱法是一种分离方法它的特点是：有两相，一是固定相，一是流动相，两相作相向运动。当流动相中所携带的混合物流过固定相时，就
13、会和固定相发生作用(力的作用)。由于混合物中各组分在性质和结构上有差异，与固定相发生作用的大小也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。以气体为流动相的色谱法以气体为流动相的色谱法Gas Chromatogaphy，简称简称GC适合分离分析适合分离分析易汽化易汽化（在（在-190-500范围内有范围内有0.2-10mmHg的蒸气压的）的蒸气压的）稳定、不易分解、不易稳定、不易分解、不易反应反应的样品，特别适合用于的样品，特别适合用于同系物、同分异构体同系物、同分异构体的分离。的分离。以液体为流动相的色谱法以液体为流动相的色谱法L
14、iquid Chromatogaphy，简称简称LC适合分离分析高沸点、热不稳定、离子型的样品。适合分离分析高沸点、热不稳定、离子型的样品。色谱定性分析 纯物对照定性各物质在一定的色谱条件下均有确定不变的保留值，因此保留值可作为定性指标保留值可作为定性指标。色谱定量分析 色谱定量分析是基于被测物质的量与峰面积成正比。在一定色谱条件下有.,是峰面积是绝对质量校正因子其中iiiiiAfAfm 丹参药材有效成分的HPLC图谱质谱，即质量的谱图，物质的分子在高真空下，经物理作用或化学反应等途径形成带电粒子，某些带电粒子可进一步断裂。每一离子的质量与所带电荷的比称为质荷比(m/z,曾用m/e)。不同质荷
15、比的离子经质量分离器一一分离后，由检测器测定每一离子的质荷比及相对强度，由此得出的谱图称为质谱。所有的质量分析器检测的都是离子的质量数，是质荷比m/z，是气相态的离子，都必须在真空状态下操作质谱原理38GC/LC/Direct Probe Inlet离子源 EI/CI离子阱/四极杆电子倍增管质谱法（Mass Spectrography,MS）是通过对样品离子的质量和强度进行定性、定量和结构分析的方法，是直接测量物质微粒的技术，质谱图提供化合物的“指纹”特性；应用于1、对物质组成、结构进行定性检测 2、准确确定物质的相对分子量化合物分子在高真空条件下气化成气态分子，经一定能量的电子流轰击后失去一
16、个电子成为带正电荷的离子成为离子分子，并进一步碎裂为碎片离子（带正电）。在电场与磁场的综合作用下按照各自的质核比的大小一次被收集并记录成谱，即质谱，用以研究分子结构的方法成为质谱法应用：1、同位素及其丰度的测定,2、化合物结构的鉴定用样量（10-910-6）将未知物的质谱与已报道过的质谱相比较就可鉴定未知物。目前有标准质谱集合质谱图计算机检索16S rDNA方法鉴定细菌种属 细菌中包括有三种核糖体RNA，分别为 5S rRNA、16S rRNA、23S rRNA，16S rRNA对应于基因组DNA上的一段基因序列称为16S rDNA基因由保守区和可变区组成在细菌的16SrDNA中有多个区段保守
17、性，根据这些保守区可以设计出细菌通用物，可以扩增出所有细菌的16SrDNA片段，并且这些引物仅对细菌是特异性的，也就是说这些引物不会与非细菌的DNA互补，而细菌的16SrDNA可变区的差异可以用来区分不同的菌。因此，16SrDNA可以作为细菌群落结构分析最常用的系统进化标记分子以微流控芯片为基础的生命科学及相关环境分析研究。用于病原微生物检测的微流控芯片系统的研究基于微流体芯片的水质检测系统研究蓝绿藻爆发预警饮用水城市用水在线监测生物气溶胶的快速分析蠕动循环泵蠕动循环泵微生物裂解室微生物裂解室检测系统所用的芯片将是根据不同检测目标不同功能模块的排列组合检测系统所用的芯片将是根据不同检测目标不同
18、功能模块的排列组合微生物富集微生物富集模块模块微生物裂解模微生物裂解模块块免疫分析免疫分析模块模块PCR+PCR+分析模分析模块块微流控芯片为基础的生物气溶胶的快速检测微流控芯片为基础的生物气溶胶的快速检测微生物基因工程的应用微生物基因工程的应用一、重组微生物工程菌与人类药物生产一、重组微生物工程菌与人类药物生产 基因工程产品约有基因工程产品约有2/32/3用于人类疾病治疗和预防性用药，它给制用于人类疾病治疗和预防性用药，它给制药工业带来了革命性的变化。据估计，人用蛋白药物的全球市场，药工业带来了革命性的变化。据估计，人用蛋白药物的全球市场，每年可达每年可达200200亿美元，而且还在持续增长
19、。在这种巨大利益驱使下，亿美元，而且还在持续增长。在这种巨大利益驱使下，世界各大制药公司相继投入巨资用于这些重组蛋白药物的研究开发。世界各大制药公司相继投入巨资用于这些重组蛋白药物的研究开发。（一）重组人胰岛素生产一）重组人胰岛素生产 胰岛素是由人和动物的胰脏胰岛素是由人和动物的胰脏-胰岛细胞合成的蛋白质，是治疗胰岛胰岛细胞合成的蛋白质，是治疗胰岛素依赖型糖尿病的特效药物。素依赖型糖尿病的特效药物。19821982年，美国年，美国Ely LiliEly Lili公司使用重组大肠杆菌生产人胰岛素，这是公司使用重组大肠杆菌生产人胰岛素，这是第一个上市的基因工程药物。第一个上市的基因工程药物。（二）
20、重组人生长激素生产（二）重组人生长激素生产 人生长激素（人生长激素（hGH），又叫做促生长素，具有调节生长与发育的功能，对多种人），又叫做促生长素，具有调节生长与发育的功能，对多种人类疾病诸如垂体性侏儒症、特纳氏综合症、组织坏死等，都具有良好的治疗效果。类疾病诸如垂体性侏儒症、特纳氏综合症、组织坏死等，都具有良好的治疗效果。hGH的来源是从死人的脑垂体中提取，这种制备方法不仅材料来源困难，无法大量的来源是从死人的脑垂体中提取，这种制备方法不仅材料来源困难，无法大量生产，而且存在安全性问题。生产，而且存在安全性问题。1985年，这种由年，这种由 E.coli 生产的生产的rhGH已成为得到美国政
21、府许可生产和使用的第二种基已成为得到美国政府许可生产和使用的第二种基因工程药物因工程药物.（三）重组人干扰素生产（三）重组人干扰素生产 干扰素是最早发现的细胞因子，早在干扰素是最早发现的细胞因子，早在1957年英国医生发现流感病毒处理的细胞产生年英国医生发现流感病毒处理的细胞产生一种因子，可抵抗病毒感染，干扰病毒的复制，因而命名为干扰素一种因子，可抵抗病毒感染，干扰病毒的复制，因而命名为干扰素(interferon,IFN)。上市重组干扰素：上市重组干扰素：2a,2b,1b等，等，1992年我国第一个基因工程药物年我国第一个基因工程药物IFN-1B获得获得国家一类新药证书国家一类新药证书（四）
22、重组人抗体及其片段的生产（四）重组人抗体及其片段的生产 抗体是存在于血清中的免疫球蛋白，它是脊椎动物受到抗原刺激时，由其免疫系抗体是存在于血清中的免疫球蛋白，它是脊椎动物受到抗原刺激时，由其免疫系统产生的一类糖蛋白，在高等动物自身免疫系统中具有多种生理功能。统产生的一类糖蛋白，在高等动物自身免疫系统中具有多种生理功能。第一代：多克隆抗体第一代：多克隆抗体 第二代：单克隆抗体第二代：单克隆抗体 第三代：基因工程抗体第三代：基因工程抗体二、重组微生物工程菌与疫苗生产二、重组微生物工程菌与疫苗生产 自从自从200200多年前人们发现，预先接种过牛痘的人能够抵御天花感染的现象，并据多年前人们发现，预先
23、接种过牛痘的人能够抵御天花感染的现象，并据此提出免疫的概念后，疫苗就已被广泛地用来预防多种传染病的传播。此提出免疫的概念后，疫苗就已被广泛地用来预防多种传染病的传播。基因工程疫苗是指用重组基因工程疫苗是指用重组DNADNA技术克隆并表达保护性抗原基因，利用表达的产物技术克隆并表达保护性抗原基因，利用表达的产物或重组体本身制成疫苗。或重组体本身制成疫苗。三、重组微生物工程菌与食品、饲料工业三、重组微生物工程菌与食品、饲料工业（一）重组工程菌与干酪生产（一）重组工程菌与干酪生产 可应用重组可应用重组DNADNA技术，把参与乳制品发酵作用的质粒基因整合到乳酸链球技术，把参与乳制品发酵作用的质粒基因整
24、合到乳酸链球菌的染色体基因组上，便能够培育出高稳定性的供作引子培养物的工程菌菌的染色体基因组上，便能够培育出高稳定性的供作引子培养物的工程菌株。株。（二）重组工程菌与单细胞蛋白质生产（二）重组工程菌与单细胞蛋白质生产 微生物蛋白产品又称为单细胞蛋白，是指干燥的微生物细胞，包括藻类、微生物蛋白产品又称为单细胞蛋白，是指干燥的微生物细胞，包括藻类、细菌和酵母等，或是指纯细胞培养物的总蛋白提取物。细菌和酵母等，或是指纯细胞培养物的总蛋白提取物。改造的目的改造的目的：（1 1）使目标细菌获得超量表达某种特定蛋白的能力。）使目标细菌获得超量表达某种特定蛋白的能力。（2 2）改善单细胞蛋白的营养质量。）改
25、善单细胞蛋白的营养质量。（三）重组工程菌与酿酒工业（三）重组工程菌与酿酒工业 酿酒酵母是酿酒工业中使用的一种重要的发酵微生物，现在已能用酿酒酵母是酿酒工业中使用的一种重要的发酵微生物，现在已能用DNA重组技术，培育出新的酿酒酵母菌株，用于改进传统的酿酒工重组技术，培育出新的酿酒酵母菌株，用于改进传统的酿酒工艺，并使之更加多样化艺，并使之更加多样化（四）重组工程菌与氨基酸生产（四）重组工程菌与氨基酸生产 氨基酸的大规模工业化生产主要有：蛋白质降解法和微生物发酵法氨基酸的大规模工业化生产主要有：蛋白质降解法和微生物发酵法两种方法。两种方法。高产菌株的获得方法高产菌株的获得方法：（1）利用传统诱变技
26、术改良棒状细菌的野生株。）利用传统诱变技术改良棒状细菌的野生株。（2）利用重组）利用重组DNA技术构建高产的工程菌。技术构建高产的工程菌。（五）重组工程菌与维生素生产（五）重组工程菌与维生素生产 维生素是维持细胞生长和正常代谢所必需的微量有机化维生素是维持细胞生长和正常代谢所必需的微量有机化合物，其作用大都是作为辅酶分子的结构成分参与生物合物，其作用大都是作为辅酶分子的结构成分参与生物体内的代谢反应，也有少数维生素具有一些特殊的生理体内的代谢反应，也有少数维生素具有一些特殊的生理机能。机能。现在已能用重组工程菌生产维生素现在已能用重组工程菌生产维生素C C。四、重组微生物工程菌与环境保护四、重
27、组微生物工程菌与环境保护 微生物作为一个整体分解有机物的能力是惊人的，但绝大多数降解污染微生物作为一个整体分解有机物的能力是惊人的，但绝大多数降解污染物的微生物都来自土壤的假单胞菌，而不同菌株分解污染物的能力及所物的微生物都来自土壤的假单胞菌，而不同菌株分解污染物的能力及所需条件又存在很大差异。因此，从整体考虑。环境保护工程菌的开发应需条件又存在很大差异。因此，从整体考虑。环境保护工程菌的开发应包括从降解污染物菌株的筛选、目的基因分离到工程实施与技术鉴定的包括从降解污染物菌株的筛选、目的基因分离到工程实施与技术鉴定的全过程，而基因工程菌的构建是其中的中心环节。全过程，而基因工程菌的构建是其中的
28、中心环节。基因工程技术在环境污染中的应用基因工程技术在环境污染中的应用 降解卤代芳烃基因工程菌 分解尼龙寡聚物基因工程菌 分解多糖基因工程菌 抗金属基因工程菌 除草剂降解基因工程菌 杀虫剂降解基因工程菌黄杆菌属、棒状杆黄杆菌属、棒状杆菌属、产碱杆菌属菌属、产碱杆菌属分解尼龙寡分解尼龙寡聚物的质粒聚物的质粒大肠杆菌大肠杆菌pOAD五、重组微生物工程菌与农业生产五、重组微生物工程菌与农业生产 基因工程在农业微生物中的应用主要包括重组根瘤菌、重组联合固氮菌、基因工程在农业微生物中的应用主要包括重组根瘤菌、重组联合固氮菌、微生物农药、动物和植物生长激素、饲料用酶制剂等。微生物农药、动物和植物生长激素、
29、饲料用酶制剂等。例：重组苏云金杆菌杀虫剂例：重组苏云金杆菌杀虫剂 苏云芽孢金杆菌的营养体生长到一定阶段时，在菌体的一端形成芽孢，另苏云芽孢金杆菌的营养体生长到一定阶段时，在菌体的一端形成芽孢，另一端形成近菱形的蛋白质结晶。此晶体称为伴胞晶体，它由一种或多种蛋一端形成近菱形的蛋白质结晶。此晶体称为伴胞晶体，它由一种或多种蛋白组成，具有高度特异性杀虫活性。白组成，具有高度特异性杀虫活性。在构建重组菌株进一步提高在构建重组菌株进一步提高ICP杀虫剂产业化水平的目标有：杀虫剂产业化水平的目标有：（1）提高）提高ICP产量。产量。（2）扩大杀虫谱。）扩大杀虫谱。（3）提高毒力。）提高毒力。（4）延长持续
30、期并改善释放性能。）延长持续期并改善释放性能。（2 2）细胞工程）细胞工程 应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人类的设计，有目的，有计划地改造细胞，能达到细胞产物及组织本身的规模生产，以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞核及细胞器移植技术、染色体（组）工程及基因转移等方面。问：问：多利羊的产生运用了哪种生物工程？多利羊的产生运用了哪种生物工程？基因工程、细胞工程、基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程发酵工程、酶工程细胞工程中常用的技术 细胞融合技术 细胞拆合技术（细胞核移植）细胞（组织）培养技术
31、胚胎移植技术等A 细胞培养细胞培养 细胞培养：从生物体分离出细胞，使其在体外条件下继续生长与繁殖。关键在于营养与生长环境控制。分植物和动物细胞培养。三个层次：单个细胞培养、组织培养和器官培养 植物细胞和原生质体培养技术可以用于育种，也可用于各类植物的快速繁殖，在培养无毒苗、长期贮存种子和生产次生代谢产物等方面发挥作用。动物细胞培养技术可用于制取许多有应用价值的细胞产品，如疫苗和生长因子等。如紫杉醇-生物反应器B 细胞融合细胞融合 用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合为一个细胞的过程。可用于产生新的物种或品系（植物上用得多，动物上用得少）及产生单克隆抗体等。其中单克隆抗体技术利用克隆化的杂
32、交瘤细胞分泌高度纯一的单克隆抗体，具有很高的实用价值，在诊断和治疗病症方面有着广泛的应用前途。1975年，英国科学家米尔斯坦利用细胞融合技术将一个B型淋巴细胞，和一个骨髓瘤细胞融合在一起形成一个杂交瘤细胞，其产生的抗体叫做单克隆抗体植物细胞植物细胞A植物细胞植物细胞B原生质体原生质体A原生质体原生质体B原生质原生质体融合体融合杂种细胞杂种细胞组织培养组织培养杂种植株杂种植株植物体细胞杂交植物体细胞杂交C 染色体工程染色体工程 染色体工程是按人们需要来添加或削减一种生物的染色体，或用别的生物的染色体来替换。可分为动物染色体工程和植物染色体工程两种。动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法（如
33、微细胞转移方法等）来达到转移基因的目的。植物细胞工程目前主要是利用传统的杂交回交等方法来达到添加、消除或置换染色体的目的。姐妹染色单体交换试验，SCED 染色体组工程染色体组工程 染色体组工程是整个改变染色体组数的技术。自从1937年秋水仙素用于生物学后，多倍体的工作得到了迅速发展，例如得到四倍体小麦，八倍体小黑麦等。E 细胞质工程细胞质工程又称细胞拆合工程，是通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新组合，重建成新细胞。可用于研究细胞核与细胞质的关系的基础研究和育种工作如多莉羊F 基因转移基因转移 基因在细胞水平上的转移。主要有载体法（多用与双子叶植物遗传转化）和直接
34、导入法。胚胎移植胚胎移植俗称人工授胎或借腹怀胎。它是将动物的受精卵或发育数日的胚胎，从某一个体（供体）移植到同种动物的另一个体（受体），使之继续发育的技术。取出卵细胞取出卵细胞 离体精子离体精子在体外与精子形成受精卵在体外与精子形成受精卵形成早期胚胎移植到形成早期胚胎移植到母亲子宫内发育母亲子宫内发育组织培养组织培养植物细胞工程基本技术植物细胞工程基本技术已分化的组织已分化的组织 愈伤组织愈伤组织 幼根幼芽幼根幼芽 完整植株完整植株脱分化脱分化再分化再分化植物体细胞杂交技术1.去除细胞壁去除细胞壁2.融合形成杂种细胞融合形成杂种细胞3.组织培养组织培养 1、原理：细胞的全能性、原理：细胞的全能
35、性 2、方法、方法 植物组织培养植物组织培养细胞培养细胞培养 动物细胞培养动物细胞培养 3、应用、应用 ：是细胞工程的基础技术：是细胞工程的基础技术 1、原理：生物膜的流动性、原理：生物膜的流动性 化学方法化学方法细胞融合细胞融合 2、人工诱导融合的方法、人工诱导融合的方法 物理方法物理方法 生物方法生物方法 3、应用、应用 植物细胞工程：植物体细胞杂交等植物细胞工程：植物体细胞杂交等 动物细胞工程：单细胞克隆的制备等动物细胞工程：单细胞克隆的制备等 1、方法：略、方法：略 细胞拆合细胞拆合 2、应用：克隆动物、新型杂交鱼等、应用：克隆动物、新型杂交鱼等 （核移植）（核移植）1、克服高度分化的
36、动物细胞全能性难、克服高度分化的动物细胞全能性难 3、意义、意义：以表达的现象以表达的现象 2、将一个细胞核移到另一个细胞中赋予、将一个细胞核移到另一个细胞中赋予 重建细胞以某些新的性状重建细胞以某些新的性状 1、应用：动物克隆、试管动物等、应用：动物克隆、试管动物等胚胎移植胚胎移植 2、意义：提高良种家禽的繁殖能力、意义：提高良种家禽的繁殖能力 基因工程的生物安全性问题？基因工程的生物安全性问题？讨论：试管婴儿的安全性问题（3）发酵工程）发酵工程 利用生物材料（来自自然界的微生物，基因重组微生物等各种来源的动物细胞和植物细胞）生产出人类所需要产品的科学技术。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋
37、酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。发酵：微生物分解有机物，产生乳酸或乙醇和二氧化碳的作用过程酵母、霉菌、细菌发酵工程技术：上游工程，发酵工程和下游工程 上游工程上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件(pH、温度、溶氧和营养组成)确定，营养物准备等。发酵工程发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。要求严格的无菌生长环境。下游工程下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心、过
38、滤、沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。发发酵酵工工艺艺 利用生物有机体内所具有的某些特异催化功能的酶，借助生物反应器和工艺过程，生产人类所需要产品的一种技术。酶学原理化学工程结合起来的一项高新技术酶学工程应用酶学工程应用：基因重组技术的必要工具：限制性核酸内切酶、DNA连接酶和DNA聚合酶 食品工业，医药工业，造纸工业等 含酶洗涤剂 其它方面 （4）酶工程）酶工程酶工程技术的应用范围酶工程技术的应用范围 对生物宝库中存在天然酶的开发和生产；自然酶的
39、分离纯化及鉴定技术；酶的固定化技术（固定化酶和固定化细胞技术）；酶反应器的研制和应用；与其它生物技术领域的交叉和渗透。若能够将酶固定起来，不仅能使其在常温、常压下行使专一的催化功能，而且由于酶密度提高，使催化效率更高、反应更易控制。固定着的酶不会跑到溶液里，与产物混合，这样酶便可反复使用，从而使产品成本降低。通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异吸附作用将酶固定到载体表面，叫作吸附法；利用化学方法将载体活化，再与酶分子上的某些基因反应，形成共价的化学键，从而使酶分子结合到载体上，这种方法叫共价键合法，是广泛采用的制备固定化酶的方法。酶的固定方法酶的固定方法酶生物反应器酶生物反应器 一个安装有固
40、定化酶材料的容器就是酶生物反应器酶生物反应器，它是把反应物质变成产品的重要生产车间。如：葡萄糖溶液缓缓流进装有葡萄糖异构酶的生物反应器，出来的就是比原来溶液甜的多的新液体。葡萄糖溶液含葡萄糖异构酶的生物反应器固定化细胞技术固定化细胞技术 固定化细胞技术是指通过化学的或物理的手段，将游离细胞定位于限定的空间区域，使之成为不悬浮于水但仍保持生物活性，并反复利用的方法。该方法有利于提高生物反应器内微生物细胞的浓度和纯度，保持高效菌种，利于反应器的固液分离，也利于除氮和除去高浓度有机物或某些难降解物质。常用的固定方法有吸附法、包埋法和交联法 （5）蛋白质工程）蛋白质工程 运用蛋白质结构功能和分子遗传学
41、知识，从改变或合成基因入手，定向地改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质。（6）生态工程技术与污水处理系统）生态工程技术与污水处理系统 生态工程（Ecological Engineering）：一般系指人工设计的、以生物种群为主要结构组分、具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。A 氧化塘氧化塘a 好气塘b 厌气塘c 兼性塘d 曝气塘B 水生植物塘水生植物塘C 人工湿地处理系统人工湿地处理系统D 污水土地处理系统污水土地处理系统A.慢速渗滤系统B.快速渗滤系统C.地表慢流系统A A 氧化塘：又称稳定塘氧化塘：又称稳定塘 定义：利用细菌与藻类的互生关系及其功能上的协同作用来分解有机污染物的废
42、水处理系统。原理原理：污水在塘内经过长时间的停留，通过理化反应和各种微生物、动物、植物的代谢与分解活动对污水中的污染物进行降解和转化的一种生态工程系统。一般是作为好氧处理的后续处理工艺。根据对氧的需要量分为：好气塘、厌气塘兼性塘、曝气塘a 好气塘 深度较浅、一般为30-150cm，存在“藻-细菌-原生动物”生态系统、塘面由于风力搅动而自然复氧和藻类光合作用释放的氧供好氧异养微生物进行代谢活动，对有机污染物进行氧化分解，代谢产物等又供藻类生长所需要养料，原生动物作为高级营养级生物，以细菌和藻类作为食料。如此循环完成好气塘的污水净化过程。b 厌气塘 高有机负荷、以厌氧微生物为主的稳定塘。表面积较小
43、，水位较深，可达2.5-5.0m。污水中有机污染物的去处与厌氧过程类似，分三个阶段。缺氧下，不溶性有机污染物被水解成溶解性有机物，再经过水解细菌作用生成小分子有机酸，最后在甲烷菌作用下生成CH4和CO2。污水在塘内停留时间长，达2050d。厌气塘多用于处理高浓度的屠宰污水、食品工业污水、石化工业污水、酿造污水等c 兼性塘 目前应用最为广泛，水位深1-2.5m，存在3个区域。上层类似好气塘，阳光可直射，藻类光合作用旺盛，DO充足，由好氧微生物对有机物进行氧化分解。中间为过渡区，又兼性区，此区DO不足，由上至下依次减少，兼性微生物占据优势。下层以及底层层积区为厌氧区，无DO，类似厌氧塘，由厌氧微生
44、物发挥作用。d 曝气塘 是一类依靠机械曝气或扩散作用供氧的稳定塘。占地面积少，有机负荷、BOD去除效率高。但管理费用高，但低于活性污泥法，出水悬浮物高，后面需要连接兼性塘或好气塘来改善出水水质。分好气曝气氧化塘和兼性曝气氧化塘B B 水生植物塘水生植物塘 以栽植水生植物为主的污水处理塘称为水生植物塘。将一种或几种水生植物栽植于池塘，污水在其中停留较长的时间，通过多种机理，包括同化和贮存污染物，向根区输送氧和为微生物提供活的载体等，使污水得到有效的净化。是70年代中期发展起来的一种污水自然处理新技术，目前利用这种技术处理的污水已逐渐从生活污水发展到城市污水和多种工业废水；美国佛罗里达州已有每天处
45、理几百万立方米污水的大型凤眼莲塘设施。黄兴公园浣沙湖C 人工湿地处理系统人工湿地处理系统 利用模拟自然的人工湿地生态系统处理废水 芦苇湿地处理系统：污水缓慢流过生长植物（芦苇）的地表，植物光合作用产生氧气，向土壤和水中传输，污染物在水和土壤中得到净化，因此兼有土地处理和水生生物双重净化功能。D 污水土地处理系统污水土地处理系统（Land Treatment System）利用“土壤-微生物-植物根系”三者对污染物的综合协同作用来处理污水，同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程系统。既支援农业，也净化废水，还解决干旱缺水的农田用水问题。机理机理：土壤颗粒的表面形成一层薄膜，薄膜
46、充满细菌，它可吸附通过土壤污水中的有机物，并利用空气中的氧气，在好氧细菌的作用下，将污水中的有机物转化为无机物，如CO2、NH3、硝酸盐和磷酸盐等；土地上生长的植物，经过根系吸收污水中的水分和被细菌矿化了的无机养分，再通过光合作用转化为植物的组成成分，从而污水得到净化。BOD：在含氧量丰富的表层土壤中进行。好气异养微生物，细菌、真菌和放线菌。N、P：通过植物和微生物的同化作用以及微生物对含N化合物的氨化、硝化和反硝化作用去除。SS：被土壤颗粒间的空隙截留、过滤或吸附而去除。重金属重金属：在土壤颗粒表面进行阳离子的交换而被置换、吸附，并生成难溶解性化合物而沉降于土壤中。有时与有机物形成螯合物而固定在土壤中。病原微生物病原微生物：污水中病原微生物在投配到土壤表面后，经过滤、吸附、干化和紫外线辐射以及土壤微生物的吞食和拮抗效应而被去除。污水中污染物质的去除污水中污染物质的去除土地处理系统的主要类型 A.慢速渗滤系统：B.快速渗滤系统：C.地表慢流系统 D.自然湿地系统：E.地下灌溉系统：环境生物学 1月22日周四 下午1:004103 刘思秀、张玉晓
