搜索
环境生物技术第一章概论一、“理想家园”绿色、清静蓝天、碧水•我们对世界充满好奇和友善，千万别伤害我们哦！二、环境问题1、大气污染光化学烟雾-雾都酸雨—忧伤的大佛气候变暖—温室效应加剧•2）温室气体2、水污染水华-某些蓝藻的过度生长，使水面形成绿色藻层；蓝藻释放的毒素能毒杀鱼虾和贝类等，并使水体产生恶臭，这种现象叫做“水华”赤潮-海藻家族中的赤潮藻在特定环境条件下爆发性地增殖造成的。我国主要七大流域水质类别比例现状(共监测264个断面)Ⅴ类6.9%Ⅳ类21.6%Ⅲ类15.5%Ⅱ类25.9%Ⅰ类16.4%劣Ⅴ类13.8%我国湖泊（水库）富营养化的急剧恶化趋势例如：云南滇池在80年代初期还处于三类水体，十几年后的90年代后期全湖范围已急剧恶化到劣五类水体，陷入重富营养状态。按照上述急剧恶化趋势分析：我国本世纪前十年内不仅是湖泊富营养化面积进一步增加，可能将出现全国大范围的富营养化灾害。70年代后期80年代后期90年代后期富营养27％富营养61％富营养85％中营养69％中营养35％中营养15％贫营养4％贫营养4％贫营养0％赤潮•1984年以后赤潮频率加快、次数增多•1998年发生赤潮频率最高，达22次•赤潮发生的范围扩大•赤潮持续的时间延长•在我国腹泻性、神经性、麻痹性藻类均存在•陆源排放氮、磷、有机物引起近岸水域富营养污染，是赤潮发生的物质基础。赤潮发生统计741734718405010015020094-98年89-93年84-88年79-83年74-78年次30Seafood•SeafishshellfishseaweedDMA(二甲基砷)、DMM(二甲基汞）、POPs等有机代谢物,存在于海产品中.有毒鱼中存在大量的As、Hg-betaine••长江水中有机物提取组中出现人血淋巴细胞DNA损伤的细胞（×40）水体污染毒理学研究水体污染毒理学研究铜绿微囊藻毒素MC-LR染毒后出现凋亡小体水体污染毒理学研究MC-LR染毒荧光染色非细胞体系的小鼠肝细胞核3、固体废弃物污染历史上“八大公害事件”触目惊心！保护环境，从我做起！•环境污染的防治：有物理的、化学的、生物的等方法……本课程重点向大家介绍一下环境生物技术的若干方法。首先，让我们回顾一下生物技术及其发展情况……三、生物技术及其发展•1、产生•1）脉络•远古—19世纪利用酵母发酵生产乳酸、酒精、柠檬酸、蛋白酶等初级代谢产物---1917匈牙利工程师Karl最早提出Bio….，用甜菜大规模养猪----1928Flemming发现青霉素---20世纪40年代抗生素工业崛起---20世纪50年代氨基酸发酵工业崛起---20世纪60年代酶制剂产业诞生---1953Watson和Crick阐明DNA双螺旋结构---1973DNA重组技术诞生(StanleyCohen和HerbertBoyer)—1975单克隆抗体技术问世---1997第一只体细胞克隆绵羊多莉诞生—2001、2002人类基因组框架图、水稻基因框架图分别公布.现代生物技术发展史上的重要事件2）经典的划分方法有四个阶段：•古老生物技术阶段公元前6000-17世纪•初期生物技术阶段（17世纪-20世纪40年代）•以了解微生物在发酵过程中的作用为标志。发酵过程处于非无菌状态，过程简单，生产设备要求不高，规模一般不大。•近代生物技术阶段（20世纪40年代-70年代）•标志：抗生素工业兴起无菌操作规模大设备要求较高•特点：产品类型多、技术要求高、规模巨大、技术发展速度快•现代生物技术阶段（20世纪70年代至今）•标志：DNA重组技术的建立3）第二种划分方法：•传统生物技术和现代生物技术•传统生物技术•三大步骤：•上游处理过程制备微生物的营养和能量来源•发酵和转化大量培养微生物获得目的产品•下游处理过程目的产物的纯化过程•现代生物技术•DNA重组技术与生物技术结合，改变了生物技术的性质，使“创造”一个新物种成为可能，使微生物和真核细胞变成生产目标物的“工厂”，使动植物成为了生产新的或被修饰基因产物的“生物反应器”。DNA重组技术2、现代生物技术的发展•1）现代生物技术是一门综合性技术2)现代生物技术现状•A:目前，大量与人类健康密切相关的基因得到克隆和表达，胰岛素、生长激素、细胞因子及多种单克隆抗体等基因工程药物已正式生产上市。•美国2000年已批准了21种基因工程新药•B:现代农业生物技术在提高作物的抗病、抗虫、抗逆及品质改良方面发挥了十分重要的作用。C:新的技术正得到重视和发展通过胚胎干细胞获得转基因小鼠的示意图囊胚细胞转染法或的基因鸡杂瘤细胞制备单克隆抗体•现代生物技术已在农业、医药、轻工业、食品、环保、海洋和能源等许多方面得到广泛应用，同时，现代医药生物技术、现代农业生物技术等一些新型产业正在迅速形成。3）现代生物技术发展趋势•基因操作技术日新月异，不断完善。•基因工程药物和疫苗研究开发突飞猛进。•转基因植物和动物取得重大突破。•阐明生物体基因组及其编码蛋白质的结构与功能是生命科学发展的主流方向。•基因治疗、细胞核移植克隆、胚胎干细胞等技术取得重大研究进展。•蛋白质工程和基因工程相结合。•信息技术与生物技术结合共生出生物信息学。3、现代生物技术的商业化•1）现代生物技术产品的商业化是推动生物技术发展的重要力量•A：生物技术公司的广阔前景吸引了产业资本的加盟，并展现了广阔的前景。•1976年，在HerbertBoyer教授的影响下，RobertSwanson投资创立了Genentech公司（当今世界著名的生物技术公司）；•1978年该公司成功将编码人胰岛素两条链的基因转到一个载体上，并成功在大肠杆菌中得到表达，获得了世界上第一个基因蛋白药物；•1979年该公司克隆并成功并表达了人类生长激素基因；•1980年Genentech公司实现成功上市，并实现了股票价格在20分钟内从35美元迅速升至89美元的神话！•1982年，Genentech公司重组人胰岛素正式被批准生产和销售；（世界第一种基因工程蛋白药物）使产业资本对生物技术的投资热情进一步高涨。•B：生物技术产业迅速形成并崛起。•生物技术产业最早起源于美国，仅1980-1983年间成立了200家，到1985年，有400多家，2004年已有1300家。欧洲800多家，日本300多家，中国多家。•C：现代生物技术的进步和巨额资金投入，使生物技术商业化乐观前景可以期待。•几乎每一个跨国化学和制药公司都在现代生物技术领域，特别是现代生物技术制药领域投入了巨资和强大的研究力量。•主要有：Monsanto,Dupont,SmithKline，EliLilly,Hoffmann-LaRocheJohnson&Johnson,，Pfizer,MerK,Novartis等。•2）现代生物技术商业化的特点•A典型的技术密集型产业•典型的研究---生产一体化模式•a.很多生物技术公司的领导本人就是生物学家•Boyer教授----Genentech公司副总裁•b.实验室研究成果的商业化•1998年1月，美国的克萨斯州西南医学中心科学家宣布他们发现了人类抗衰老基因，其表达产物是端粒酶，将端粒酶加入培养的人体细胞，可以促进细胞分裂，延长细胞存活时间。作为研究参与方的加州生物技术公司的股票在这一消息的刺激下，一夜之间上涨47%！！！•B市场扩张迅速•预言：20世纪80年代专家预测，到20世纪末，全世界现代生物技术产品的销售额可达100亿美元。•现实：2000年，仅美国的基因药物产值超过200亿美元•2003年，美国整个生物产业产值超过15000亿美元！！•C世界各国高度重视•世界各国政府都坚信，现代生物技术是21世纪一场伟大的技术革命！•美国：2003年投入420亿美元4月“生物科技周”；•英国：2000年《生物技术制胜》战略报告，提出占据世界生物技术第二；•日本：2002年提出“生物产业兴国口号”，列为日本四大新兴产业之一；•印度：成立了世界上第一个“国家生物技术部”；•新加坡：“五年跻身生物技术顶尖行动”，成立“生命科学部长委员会”；•马来西亚：总理挂帅“生物技术与产业联合会”；•古巴：政治局委员生物技术研究所所长D生物技术制药是现代生物技术产业的支柱•a、生物技术制药产业是一项紧密依靠基础研究，多部门分工合作的新兴产业b、新药发现和研制开发过程c、特点•生物技术制药拥有巨大利润前景•资本密集、技术密集产业•高投入、高耗时、高风险•研发过程复杂，失败率高•一种新药从开发到成功上市，需要5---10亿美元左右投资，且耗时15年左右，同时开发成功的新药只能在专利期内带来巨额利润，但世界各国普遍存在专利期少于15年现状（美国5年），因此需要制药公司不断研发创新。E现代生物技术产品不断增加•生物技术制药•动物胚胎移植•世界上已有200多家家畜胚胎移植公司，每年牛胚胎移植20万头。•克隆技术应用•克隆宠物正成为新的商机。如克隆猫•美国朱莉女士的克隆猫“尼基”•组织培养•培育出众多新品，美国10多个兰花工业中心，年产值5000—6000万美元。切取接种植物组织培养（试管苗的形成）培养室移栽经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培•原生质体融合•成功开发了100多种再生植株。(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交过程示意图过程示意图•转基因农作物和动物推广•培育出抗病毒、抗除草剂、抗虫、高蛋白等各种农作物品种，携带人生长素基因的猪和鱼，比普通长的既快又大。•F行业竞争激烈•最早进行DNA片断合成的公司Biological，是早期非常有优势的公司，但在后来的激烈竞争中被迫关闭；•Genentech公司1991年以21亿美元价格卖给Hoffmann-LaRoche制药公司60%股份；•1998年世界上两家最大的制药公司GlaxoWellcome与SmithKline合并，总资产1900亿美元，仅次于通用电气，位居全球第二；•随后在生物技术公司间形成了一轮兼并重组浪潮，竞争更为激烈。•G各生物技术公司的研究目标日趋集中，生产的产品更加专一•如Allelix公司把业务分为3个子公司，农业现代生物技术、药物开发、制造医疗诊断试剂，强调专业化成为现代生物技术公司最新发展趋势，强调使用特殊的DNA重组技术生产高度专一的产品。•H医学生物技术产业化进程最快•现代生物技术领域的研究成果60%以上是医学领域的；•西欧800多家现代生物技术公司有600家以上属于医药行业；•美国生物技术公司大部分集中在医药保健领域；•目前总销售额超过10亿美元的生物技术产品主要是医药生物制品。4、现代生物技术的前景•1）现代生物技术产业称为21世纪的朝阳产业，更有许多专家将21世纪称为生命科学的世纪，一方面现代农业生物技术发展迅速，用途广泛；另一方面现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展。•2）面对人口膨胀、资源枯竭、环境污染等一系列直接关系到整个人类生死存亡的严重问题，人们越来越深切地认识到发展能够可持续发展的新技术、新产业的必要性和紧迫性。•3）生物技术是以生物或培养细胞等为原料生产产品的，因此其原料的破坏性很小或几乎没有，重组微生物甚至还可以消除环境中的污染物。•4）鉴于生物技术产业的以上特点，清洁、经济的生物技术必然会在21世纪获得更大的发展。四环境生物技术1、含义：•也称环境生物工程，是近20年来一门由现代生物技术与环境工程相结合发展起来的新兴交叉学科，简言之：就是应用于环境领域的生物技术。•环境生物技术是现代生物科学与环境工程技术相结合而形成的前沿交叉学科。它是采用现代分子生物学和分子生态学的原理和方法，充分利用各种环境生物的特殊功能，进行生物净化、生物修复、生物转化和生物催化，从污染治理、清洁生产到可再生资源利用，多层面、全方位地解决工业和生活污染、农业和农村面源污染、荒漠化和海水污染等问题的一门新兴高技术。2、意义•21世纪生物技术产业十大热点中，环境污染监测、毒性污染物的生物降解和生物降解塑料3项属于环境生物技术的内容；•周启星（中科院陆地生态过程重点实验室主任）：环境生物技术的研究目标，就是要