生物技术概论发酵工程论文

现代生物技术在环境保护中的应用和前景 [2009-03-21 07:41]摘 要 针对我国目前生态状况，论述了现代生物技术在治理环境污染，保护生态环境中的应用和发展前景。 关键词 现代生物技术 生态环境 环境保护 1 我国生态环境现状 目前我国由于“三废”污染、农用化肥和农的污染以及废弃塑料和农用地膜的污染，严重的影响了我国的生态环境，使得水污染日益加剧，水资源严重短缺，全国600多个城市中已有一半城市缺水，则有8 000万人和6 000万头牲畜饮水困难；土壤污染严重，耕地面积锐减，近10年来每年流失的土壤总量达50亿t，土地荒漠化日益加剧；森林覆盖面积下降，草场退化，每年减少森林面积达2 500万亩；人们的身体健康受到严重威胁，疾病发病率急剧上升。因此，加大环境保护和环境治理力度，加快应用高新技术，如现代生物技术来控制环境污染和保持生态平衡，提高环境质量已成为环保工作者的工作重点。2 现代生物技术与环境保护 现代生物技术是以DNA分子技术为基础，包括微生物工程，细胞工程，酶工程，基因工程等一系列生物高新技术的总称。现代生物技术不仅在农作物改良、研究、食品工程方面发挥着重要作用，而且也随着日益突出的环境问题在治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。自20 世纪 80年代以来生物技术作为一种高新技术，已普遍受到世界各国和民间研究机构的高度重视，发展十分迅猛。与传统方法比较，生物治理方法具有许多优点。 （1）生物技术处理垃圾废弃物是降解破坏污染物的分子结构，降解的产物以及副产物，大都是可以被生物重新利用的，有助于把人类活动产生的环境污染减轻到最小程度，这样既做到一劳永逸，不留下长期污染问题,同时也对垃圾废弃物进行了资源化利用。 （2） 利用发酵工程技术处理污染物质，最终转化产物大都是无毒无害的稳定物质，如二氧化碳、水、氮气和甲烷气体等，常常是一步到位，避免污染物的多次转移而造成重复污染，因此生物技术是一种既安全又彻底消除污染的手段。 （3）生物技术是以酶促反应为基础的生物化学过程，而作为生物催化剂的酶是一种活性蛋白质，其反应过程是在常温常压和接近中性的条件下进行的，所以大多数生物治理技术可以就地实施，而且不影响其他作业的正常进行，与常常需要高温高压的化工过程比较，反应条件大大简化，具有设备简单、低廉、效果好、过程稳定、操作简便等优点。 所以，当今生物技术已广泛应用于环境监测、工业清洁生产、工业废弃物和城市生活垃圾的处理，有毒有害物质的无害化处理等各个方面。3 现代生物技术在环境保护中的应用1 污水的生物净化 污水中的有毒物质的成分十分复杂，包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用，从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质，使污水得到净化。当今固定化酶和固定化细胞技术处理污水就是生物净化污水的方法之一。固定化酶和固定化细胞技术是酶工程技术。固定化酶又称水不溶性酶，是通过吸附法或化学键合法使水溶性酶和固态的不溶性载体相结合，将酶变成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物，微生物细胞是一个天然的固定化酶反应器，用制备固定化酶的方法直接将微生物细胞固定，即是可催化一系列生化反应的固定化细胞。运用固定化酶和固定化细胞可以高效处理废水中的有机污染物、无机金属毒物等，此方面国内外成功的例子很多，如德国将能降解对硫磷等9种农药的酶，以共介结合法固定于多孔玻璃及硅珠上，制成酶柱，用于处理对硫磷废水，去除率达95%以上；近几年我国在应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LAS)方面取得较大进展，对于含100mg/L废水，降解率和酶活性保存率均在90%以上；利用固定化酵母细胞降解含酚废水也已实际应用于废水处理。2 污染土壤的生物修复 重金属污染是造成土壤污染的主要污染物。重金属污染的生物修复是利用生物(主要是微生物、植物)作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属的毒性。其原理是:通过生物作用(如酶促反应)改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性，通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。污染土壤的生物修复过程可以增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，由此可以改善土壤的生态结构，这将有助于土壤的固定，遏制风蚀、水蚀等作用，防止水土流失。3 白色污染的消除 废弃塑料和农用地膜经久不化解，估计是形成环境污染的重要成分。据估计我国土壤、沟河中塑料垃圾有百万吨左右。塑料在土壤中残存会引起农作物减产，若再连续使用而不采取措施，十几年后不少耕地将颗粒无收，可见数量巨大的塑料垃圾严重影响着生态和环境，研究和开发生物可降解塑料已迫在眉睫。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌，另一方面可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物(如：根瘤菌)中，使两者同时发挥各自的作用，将塑料和农膜迅速降解。同时，还需大力推行可降解塑料和地膜的研发、生产和应用。 有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物即聚酯，这些聚酯是微生物内源性贮藏物质，可以用发酵方法进行生产，由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在等许多领域有极好的应用前景。为了降低成本、提高产量，人们正在用重组DNA技术对相关的微生物进行改造，此方面目前一个研究热点是采用微生物发酵法生产聚-β羟基烷酸(PHAs)，研究人员正设法构建出自溶性PHAs生产菌种，即将PHAs重组菌进行发酵，在积累大量的PHAs后，加入信号物质，使裂解蛋白产生，细胞壁破坏，PHAs析出，以简化胞内产物PHAs的提取过程，降低提取成本。4 化学农药污染的消除 一般情况下，使用的化学杀虫剂约80%会残留在土壤中，特别是氯代烃类农药是最难分解的，经生态系统造成滞留毒害作用。因此多年来人们一直在寻找更为安全有效的办法，而利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。能降解农药的微生物，有的是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO2和H2O，这种降解途径彻底，一般不会带来副作用；有的是通过共代谢作用，将农药转化为可代谢的中间产物，从而从环境中消除残留农药，这种途径的降解结果比较复杂，有正面效应也有负面效应。为了避免负面效应，就需要用基因工程的方法对已知有降解农药作用的微生物进行改造，改变其生化反应途径，以希望获得最佳的降解、除毒效果。要想彻底消除化学农药的污染，最好全面推广生物农药。所谓生物农药是指由生物体产生的具有防止病虫害和除杂草等功能的一大类物质总称，它们多是生物体的代谢产物，主要包括微生物杀虫剂、农用抗生素制剂和微生物除草剂等。其中微生物杀虫剂得到了最广泛的研究，主要包括病毒杀虫剂、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、放线菌杀虫剂等。长期以来并没有得到广泛的使用。现在人们正在利用重组DNA技术克服其缺点来提高杀虫效果，例如目前病毒杀虫剂的一个研究热点是杆状病毒基因工程的改造，人们正在研究将外源毒蛋白基因如编码神经毒素的基因克隆到杆状病毒中以增强杆状病毒的毒性；将能干扰害虫正常生活周期的基因如编码保幼激素酯酶的基因插入到杆状病毒基因组中，形成重组杆状病毒并使其表达出相关激素,以破坏害虫的激素平衡，干扰其正常的代谢和发育从而达到杀死害虫的目的。参考文献1 孔繁翔 环境生物学[M] 北京:高等出版社,20002 陈坚 环境生物技术[J]， 生物工程进展，2001(5)3 姜成林,徐丽华 微生物资源的开发与利用[M]北京:中国轻工业出版社，2001

第一章 现代生物技术总论第一节 生物技术概述一、生物技术的概念二、生物技术的内涵第二节 生物技术发展简史一、生物技术发展史上的重要事件二、生物技术的发展历史第三节 现代生物技术 的技术组成一、基因工程二、发酵工程三、细胞工程四、酶和蛋白质工程第四节 现代生物技术的应用及发展前景一、现代生物技术的产业化概况二、现代生物技术的应用及发展前景复习思考与练习推荐阅读与参考文献第二章 基因工程第一节 基因工程概述一、基因的概念二、基因工程的诞生与发展第二节 基因工程的一般技术一、常用工具酶和基因工程载体简介二、目的DNA的获得三、DNA分子重组及其导入受体细胞四、重组DNA分子的筛选与鉴定第三节 基因工程的应用及发展前景一、基因工程的应用二、基因工程的发展趋势复习思考与练习推荐阅读与参考文献第三章 细胞工程第一节 细胞工程概述一、细胞工程的概念二、细胞工程的发展第二节 细胞工程的基本技术一、细胞培养技术二、细胞融合技术第三节 细胞工程的应用技术一、植物细胞工程二、动物细胞工程复习思考与练习推荐阅读与参考文献第四章 发酵工程第一节 发酵工程概述一、发酵工程的基本概念二、发酵工程的历史三、发酵工程的前景第二节 发酵工程的上游技术一、优良菌种选育二、最适发酵条件的确定三、营养物质准备第三节 发酵工程中游技术一、原料的灭菌二、发酵罐的灭菌三、空气除菌四、种子培养第四节 发酵工程下游技术一、固液分离技术二、细胞破壁技术三、蛋白质纯化技术四、产品的包装处理技术第五节 发酵过程的优化与控制一、发酵过程优化原理及控制二、发酵过程数量化方法三、发酵过程优化实例——丙酮酸发酵的过程优化复习思考与练习推荐阅读与参考文献第五章 酶工程与蛋白质工程第一节 酶工程一、酶是生物催化剂二、酶的发酵生产三、酶的分离纯化四、酶与细胞的固定化五、酶反应器六、生物传感器第二节蛋白质工程一、蛋白质结构分析二、基因定点诱变技术三、蛋白质工程的应用复习思考与练习推荐阅读与参考文献第六章 生物技术与农业第一节 植物生物技术一、植物生物技术的概念二、植物生物技术的发展简史三、植物生物技术的组成与应用第二节 动物生物技术一、动物生物技术的概念二、动物生物技术的发展简史三、动物生物技术的组成与应用第三节 微生物生物技术一、微生物生物技术的概念二、微生物生物技术的发展简史三、微生物生物技术的农业应用复习思考与练习推荐阅读与参考文献第七章 生物技术与食品第一节 食品生物技术概述一、食品生物技术的概念与内涵二、食品生物技术主要研究内容三、食品生物技术的组成与应用第二节 食品生物技术的应用一、食品资源的改造二、食品加工过程和食品品质的改良三、食品检测第三节 食品生物技术在功能食品开发中的应用一、功能食品定义与内涵二、利用生物技术生产功能性低聚糖三、利用生物技术生产多不饱和脂肪酸四、利用生物技术生产维生素和维生素类似物复习思考与练习推荐阅读与参考文献第八章 生物技术与能源第一节 微生物与石油开采一、微生物与石油工业的关系二、微生物采油技术三、微生物在石油工业中的发展和应用第二节 清洁能源的开发一、清洁能源的概念和种类二、清洁能源生物技术应用及发展第三节 生物“柴油”的开发一、原料的种类二、利用油料植物生产生物柴油的一般策略三、利用油料植物生产生物柴油的发展前景复习思考与练习推荐阅读与参考文献第九章 生物技术与人类健康第一节 生物技术与疫苗一、疫苗概述二、生物技术疫苗第二节 生物技术与生物制药一、生物技术药物的概述二、生物技术制药的特征三、生物技术在制药中的应用四、我国生物技术制药现状和发展前景第三节 生物技术与疾病诊断一、单克隆抗体与疾病诊断二、DNA诊断技术第四节 生物技术与基因治疗一、基因治疗的概念二、基因治疗的基本内容第五节 人类基因组计划一、人类基因组计划的主要任务二、人类基因组计划的研究进展三、人类基因组计划与人类健康复习思考与练习推荐阅读与参考文献第十章 生物技术与环境第一节 环境的生物检测技术一、PCR技术二、生物传感器技术三、酶免疫检测技术四、核酸探针检测技术五、指示生物在环境污染检测中的应用第二节 环境的生物修复技术一、植物修复二、微生物修复第三节 生物技术在污染治理方面的应用一、污水的生物处理二、固体垃圾的生物处理三、大气污染的生物处理复习思考与练习推荐阅读与参考文献第十一章 现代生物技术伦理与安全第一节 生物技术安全一、生物技术安全的概念二、生物技术的安全性问题三、生物技术安全的影响四、国内外生物技术的安全管理第二节 生物技术伦理一、生物技术发展引发的伦理学问题二、生物技术伦理学问题的对策复习思考与练习推荐阅读与参考文献第十二章 生物技术发明的保护第一节 现代生物技术的发展与专利保护一、发展生物技术专利的战略意义二、各国在专利保护方面的战略措施三、中国生物技术专利保护的框架和现状第二节 现代生物技术专利的申请一、生物技术领域的专利保护的范围和特点二、生物技术专利保护存在的问题和挑战三、生物技术发明专利申请复习思考与练习推荐阅读与参考文献索引

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发酵工程的前景 2007-08-14 10:36:17 本文已公布到博客频道校园·教育分类 关于发酵工程的个人观点：1 该学科前途无量，需要发展：发酵工程作为最早从事微生物学的研究领域，在过去的3个世纪中为人类的生活、生存、社会的发展作出了重大的贡献。但这些都是过去的成就。发酵工程与现在的生物工程（基因工程）相比，是处于劣势，因为其是个老学科，在很多人看来，其没有什么大的学问，通过一些操作过程的控制和菌种的筛选难以达到基因工程那样迅捷的效果。但目前发酵工程不断在发展自己，不断整合其他学科的优点来发展自己：1 上游方面：在菌种选育方面与基因工程相结合，从源头上来发展自己的优势。但这一方面存在很大的问题，因为搞基因的人对发酵不很熟悉，使得许多基因工程菌难以发酵生产产品，而且基因工程菌发酵的乙酸问题到现在还没有解决；另一方面，基因工程领域的专家对发酵工业具有很大应用价值的菌种还没有做深入研究（我指的是国内情况），国内还没有哪个基因中心对工业微生物进行基因测序，据我知道，华中农业大学已经在农业微生物方面已经与基因中心在进行农业微生物的测序工作，而工业微生物还没有第一个吃螃蟹的人，主要是因为工业微生物这个菌种生产上不行了，换个就是了，舍不得花钱。当然哦，测序的费用也很大，需要基因工程进一步提高技术降低测序成本。2工艺方面： 在过程控制中，与微生物学、微生物生理学、计算机工程、控制工程、化工工程等学科相结合，将过程操作变数与微生物生理状态结合起来。基于微生物反应原理的培养基组成优化；基于微生物代谢特性的分阶段培养策略；基于代谢通量分析的发酵优化策略。等等策略的利用，华东理工大学的多尺度控制策略（叶勤教授等）就是将化工领域的策略运用到微生物学领域的典型范例，并取得很大的成就（华北制药等等）。3 下游方面：也是我个人认为最薄弱、最需要发展的方面。从我所知道的情况，目前我们很多产品都能通过发酵工程发酵生产出来，但我们没有办法将其从发酵液中拿出来，这是我们发酵工程最需要解决的问题。为什么会出现这样的问题呢？因为搞发酵工程的人大多是搞微生物学或者食品方向的，缺乏化学工程的学术背景，而发酵产品提取需要化工背景的人来做，但我们国家化学工程方面的人不屑于做这些事情，一方面是发酵工程方面的人搞不定产品的提取，一方面是化工背景的人不屑于做这样的事情，才导致我们国家很多发酵产品虽然能发酵出来，但不能提出出来进入市场。2 该学科在积极拓展自己的领域：最明显的例子是交叉学科的出现，如发酵工程与环境工程的交叉形成了环境生物技术，与化工交叉的生物化工，与纺织工业交叉的纺织生物工程等的等。