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环境生物技术

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环境生物技术概论

第二章

酶的功能和结构

酶的活性中心：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的区域叫酶的活性中心。

活性中心两部分：底物结合部位，催化部位。

活性中心特点：1.占比小2.三维实体3.非严格互补4.活性部位位于分子表面缝隙内5.通过次级键连接6.具有柔性

酶的催化特点：1.催化效率高2.高度专一性3.反应条件温和4.活性调节机制复杂

酶作用高效性机理：1.临近定向效应2.底物的形变与诱导契合3.酸碱催化4.共价催化

5.活性中心金属离子6.活性部位微环境的影响

影响酶活性因素：（1）酶的浓度：一定温度和pH条件下，底物浓度远远大于酶浓度时，酶浓度与反应速度城正相关，酶浓度很高时，曲线趋于平缓。

（2）底物浓度：酶浓度和其他条件恒定时

米-门公式SVVKmSmax

米氏常数意义：酶促反应速度达到最大速度一半时的底物浓度；只与酶的性质有关，与浓度无关；同一种酶对不同底物Km值不同；Km值受温度与pH值影响；对同一种酶而言，Km值小的底物是其最适底物

（3）反应温度（4）pH值（5）激活剂（6）抑制剂

酶活力概念:在一指定条件下，酶所催化的反应速度。

活力单位:在特定条件下（酶最适反应条件）每1min催化1μmol底物转化成产物的酶量即为一酶活力单位（U）。

酶的分离纯化主要方法：

物质间性质差异 设计的分离纯化方法

溶解度 盐析法；PEG沉淀法；有机溶剂沉淀法；等电点沉淀法

热稳定性 热处理法

电荷性质 离子交换层析法；电泳法

分子大小和形状 凝胶过滤法；超滤法；透析法；离心法

亲和作用 亲和层析法

疏水作用 疏水差异层析法 分配系数 双水相系统萃取法

亲和层析：利用被提取物质的生化功能来提取蛋白质（功能性提纯）。

原理：在生物分子中某些特定结构部位能够同其他分子相互识别并结合，这种结合既是特异的又是可逆的，改变条件可以使这种结合解除。生物分子间这种结合能力称为亲和力。

SDS-PAGE原理（SDS聚丙烯酰胺凝胶）

SDS：1%-2%十二烷基磺酸钠和强还原剂（巯基乙醇）

SDS-PAGE根据蛋白质亚基分子量不同来区分蛋白质（小分子，电荷高移动距离远）。

酶的固定化：

定义：将酶与水不溶性载体结合，制备固定化酶的过程。

酶固定化后性质变化：活性降低；对环境（pH，温度）等适应性提高；Km增大；Vmax不变。

第三章

基因工程基本程序：

切：带有目的基因的DNA片段获取。

连：在体外，将带有目的基因的DNA片段连接到载体上，形成重组DNA分子。

转：重组DNA分子导入受体细胞（亦称宿主细胞或寄主细胞）。

增：带有重组体的细胞扩增，获得大量细胞繁殖群体。

筛：重组体筛选。

基因工程载体：携带外源DNA片段，并将其带入受体细胞的，具有复制能力的DNA片段。

基本功能：1.运送外源基因高效转入受体细胞

2.为外源基因提供复制能力或整合能力

3.为外源基因的扩增或表达提供条件

目的基因获取

1.分离法-DNA文库和cDNA文库

基因组DNA文库：指将某生物体的全部基因组DNA用限制性内切酶或机械力量切割成一定长度范围的DNA片段，与合适的载体体外重组并转化相应的宿主细胞获得的所有阳性群落

cDNA文库：以mRNA为模板，在逆转录酶作用下反转录成cDNA；再以cDNA为模板，在DNA聚合酶I作用下，最终合成双链DNA。

cDNA文库与基因组文库比较；

（1）基因组文库克隆的是任何基因，包括未知功能的DNA序列；cDNA文库克隆的是具有蛋白质产物的结构基因包括调节基因。

（2）基因组文库克隆的是全部遗传信息，不受时空影响：cDNA文库克隆的是不完全编码的DNA序列，因此它受发育和调控因子的影响。

2. 化学合成法

 合成较小分子基因

 人工合成目的基因的先决条件是基因的核苷酸序列是已知的

缺点：

 不能合成太大基因

 合成基因时遗传密码兼并现象会为选择密码带来很大困难

费用较高

3. PCR扩增获得目的基因

PCR技术原理：在微量离心管中加入适量缓冲液，微量模板DNA，四种脱氧核苷酸，耐热性DNA聚合酶，一对合成DNA的引物，通过高温变性，低温退火，中温延伸三个阶段的循环合成DNA。每一次循环使特异区段的基因拷贝数扩大一倍。一般样品经过30次循环，可使基因的拷贝数达到百万。

第四章

细胞培养技术

细胞培养是指动物，植物和微生物在体外无菌条件的保存和生长

1. 配制培养基，对培养基进行灭菌

2. 取材和除菌

3. 接种，培养和传代

细胞融合（cell fusion）

外力（诱导剂或促融剂）作用下，两个或两个以上异源（种，属间）细胞或原生质体相互接触，从而发生膜融合，胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。

植物组织培养

植物体根、芽愈伤组织外植体或细胞离体的植物器官、组织再分化脱分化植物组织培养条件

含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的pH值、适时光照等。

动物组织培养

动物细胞培养（组织培养）是将取自动物体的某些器官或组织的细胞，在模拟的体内生理条件下进行离体培养，使之存活和生长。

原代培养：以动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织为材料，先用胰蛋白酶等使组织分散成单个细胞，然后配制成一定浓度的细胞悬浮液，放入培养瓶中，在培养箱中培养。

传代培养：随着细胞的生长和繁殖，培养瓶中的细胞越来越多，需要定期地使用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上脱离下来，配制成细胞悬浮液，分装到两个或两个以上的培养瓶中培养。

植物细胞杂交

...组织培养再生壁去壁去壁杂种细胞融合原生质体植物细胞原生质体植物细胞BBAA

植物组织培养与动物组织培养比较

比较项目 植物组织培养 动物组织培养

原理 细胞全能性 细胞的增殖

培养基性质 固体培养基 液体培养基

培养基特有成分 蔗糖 植物激素 葡萄糖 动物血清

培养结果 植物体 细胞株、细胞系

培养目的 快速繁殖、培养无病毒植株 获得细胞或细胞分泌蛋白

植物体细胞杂交和动物细胞融合比较

比较项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合

原理 植物细胞全能性 细胞膜流动性

融合前处理 用纤维素酶、果胶酶去壁 用胰蛋白酶使细胞分解

诱导方法 物理、化学方法 物理、化学、生物方法

用途 获得完整或部分植株 主要用于制备单克隆抗体 单克隆抗体：单个B细胞克隆产生的化学性质单一、特异性强的抗体（动物细胞融合最重要途径）

制备流程：

第五章

发酵工程三部分：

上游技术：优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造、菌种代谢路径改造等）

中游技术：发酵过程控制。主要包括发酵条件调控，无菌环境控制，过程分析和控制等。

下游技术：分离和纯化产品。包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化技术以及产品检验和包装技术等。

微生物代谢类型

1. 初级代谢产物：对数生长期的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸 、糖类等，是菌体生长繁殖必需的。

2. 次级代谢产物：在菌体生长静止期，某些菌体能合成在生长期中不能合成的、具有一些特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长无明显关系。

优良菌种选育

选育的目的：改善菌种的特性，使产量提高，改进质量、降低成本、改革工艺、方便管理及综合应用等。

菌种选育的方法：自然选育、诱变选育、杂交育种、基因定向育种、原生质体融合。

工业上常用的微生物 青霉素、葡糖糖氧化酶青霉菌酿酒根霉）蛋白酶（豆腐乳、豆豉毛霉酶、葡萄糖氧化酶有机酸、淀粉酶、果胶曲霉霉菌脱蜡酒精、啤酒、石油发酵酵母菌素、链霉素、红霉素）抗生素（土霉素、四环放线菌奶乳酸、干酪、泡菜、酸乳酸杆菌生产淀粉酶、蛋白酶枯草芽孢杆菌生产苏氨酸、天冬氨酸大肠杆菌细菌---------

微生物发酵方式

分批发酵（batch）、补料分批发酵（fed-batch）、连续发酵（continuous fermentation）

发酵过程参数

物理、化学、生物、间接（通过其他参数计算得到，如氧利用速率、呼吸强度）

第六章

生物监测

定义：利用生物的组分、个体、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的反应，从生物学的角度，为环境质量的监测和评价提高依据，称为生物监测。

方法：

1. 生态（种群生态和个体生态）监测

2. 生物测试（毒性测试、致突变测定）

3. 生物的生理、生化指标监测

4. 生物体内污染物残留量测定

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环境生物技术及其应用

环境生物技术及其应用

环境生物技术及其应用

环境是人类赖以生存的基础，环境生物技术则是指将生物学、环境科学和工程学等知识融合，通过开发和利用生物资源来解决环境问题的技术。环境生物技术在环境保护、资源开发和利用等方面有着广泛的应用前景。

一、环境生物技术的发展历程

自人类工业革命以来，工业、农业、城市化等活动的快速发展造成了严重的环境问题，全球环境的恶化和污染日益严重。为解决这些问题，人们开始探索和研究环境生物技术。

20世纪60年代，在污水处理和污染物去除方面，人们首次尝试利用微生物进行生物处理。之后，环境生物技术不断改进和发展。随着分子生物学、基因工程、计算机等技术的逐步应用，环境生物技术不断发展壮大，成为当今环保领域发展的重要分支。

二、环境生物技术的应用

1. 污染物降解

通过利用许多生物，如菌类、微藻以及光合细菌，可以有针对性地降解各种有机和无机污染物，如石油、化学工业废水、纺织业废水、农业化学品和重金属等。

2. 废物和废水处理

环境生物技术在污水处理中已经得到广泛应用。通过使用生物反应器或池塘、湖泊等，可以达到有效处理污水的目的。此外，利用微生物降解废物，可以减轻垃圾填埋场的压力，并改善生活垃圾处理的环境。

3. 土壤修复

环境生物技术在土壤修复中也有重要应用。通过运用生物吸附、生物降解、生物复合修复等手段，有效地修复了土壤中的重金属、有机化合物和植物营养物质等污染物，从而提高了土地的质量，使其可以更好地支持种植和生长植物。

三、环境生物技术的发展趋势

随着生物技术发展的加速，环境生物技术的应用前景广阔。未来环境生物技术将在以下方面得到更多应用：

1. 智能化

随着计算机技术和人工智能的发展，环境生物技术将更加智能化。如利用遥感技术监测水质，利用大数据分析各种污染物的分布以及环境变化预测等，在环境生物处理上实现智能驱动。

2. 集成化

环境生物技术将逐步实现“一体化”处理。即在生物修复、污水处理、固体废物处理等方面，融合多种生物技术手段，形成更加综合、高效的处理系统。

常识考点生物技术的四大工程

常识考点生物技术的四大工程

生物技术的四大工程是指基因工程、生物制药、农业生物技术和环境生物技术。这些工程在当代生物科技领域具有重要的地位和广泛的应用。本文将从引言、概述、正文内容、总结等部分详细阐述这四大工程的相关知识。

引言：

生物技术是指利用细胞、生物体以及生物分子进行研究和创新的技术，它具有广泛的应用领域，如医学、农业、环保等。而生物技术的四大工程是在生物技术领域中应用最为广泛且影响最大的四个重要分支。这四大工程是基因工程、生物制药、农业生物技术和环境生物技术。

概述：

1.基因工程（Geneticengineering）

基因工程是指通过改变和重组生物体的遗传物质来实现特定目的的技术。它涉及到DNA分子的提取、修饰和重新组合。基因工程的应用包括基因治疗、基因工艺和转基因技术等。小点详述：（1）基因工程的原理和方法；（2）基因工程在医学领域的应用；（3）基因工程在农业领域的应用；（4）基因工程在工业生产中的应用；（5）基因工程的伦理与社会问题。

2.生物制药（Biopharmaceuticals）

生物制药是指利用生物技术生产药物的过程。这些药物是以细胞、组织和生物分子为基础的。生物制药工程包括生物反应器设计、工艺优化和纯化技术等。小点详述：（1）生物制药的发展历程；（2）生物制药的原理和流程；（3）生物制药在医学领域的应用；（4）生物制药的质量控制；（5）生物制药的发展前景。

3.农业生物技术（Agriculturalbiotechnology）

农业生物技术是指利用生物技术手段提高农作物和动物的产量和质量的技术。这包括常见的转基因农作物、动物遗传改良以及农业生物制剂等。小点详述：（1）农业生物技术的发展历程；（2）转基因农作物的优缺点；（3）农业生物技术在动物遗传改良中的应用；（4）农业生物技术在农作物病害防治中的应用；（5）农业生物技术对环境的影响。

4.环境生物技术（Environmentalbiotechnology） 环境生物技术是指利用生物技术手段解决环境问题的技术。包括污水处理、固体废物处理、土壤修复和生物能源的开发等。小点详述：（1）环境生物技术的原理和应用；（2）生物降解技术在废水处理中的应用；（3）环境生物技术在固体废物处理中的应用；（4）生物修复技术在土壤污染修复中的应用；（5）环境生物技术在生物能源开发中的应用。

生物学在环境保护中的新技术

生物学在环境保护中的新技术

生物学在环境保护中的新技术

随着人类活动的不断增加，环境污染问题日益突出。为了保护和改善环境，生物学科学家不断努力开发新的技术手段。本文将讨论生物学在环境保护中的新技术及其作用。

一、植物修复技术

植物修复技术是一种利用植物吸收、转化或稳定污染物的方法。植物具有吸收污染物、增加土壤稳定性和提供生境的能力。例如，水生植物如芦苇和莎草可以吸收水中的重金属离子，从而净化水体。植物修复技术具有经济效益和环境友好的特点，可以用于处理污染土壤和水体。

二、基因工程技术

基因工程技术是通过改变生物的遗传物质来改善其性状或功能的技术手段。在环境保护中，基因工程技术可以被应用于改良植物和微生物，以提高它们对污染物的降解能力。比如，通过基因工程改造细菌，可以使其产生特定的酶，进而降解有机物污染物。

三、生物降解技术

生物降解技术是利用微生物降解有机污染物的方法。通过培养、研究和筛选特殊的微生物，可以获得具有高效降解能力的菌种。这些菌种可以利用有机物作为能源和营养源，并将其转化为无毒或低毒的物质。生物降解技术具有高效、经济和环境友好的特点，广泛应用于废水和废弃物的处理。 四、生物吸附技术

生物吸附技术是通过微生物或其他生物体吸附污染物的方法。生物吸附材料可以是天然的，也可以是经改良的。生物吸附技术被广泛应用于废水处理、气体净化和重金属去除等领域。它具有高效、经济、易操作和可再生的特点。

五、生物传感器技术

生物传感器技术是利用生物材料对环境中的化学或生物学变化做出反应，并将其转化为电信号的技术。生物传感器可以用于监测环境污染物的浓度、种类和来源。此外，生物传感器还可以用于检测环境中的重金属离子、有机物污染物和病原体等。

六、基因组学和蛋白质组学技术

基因组学和蛋白质组学技术是利用高通量技术研究生物体遗传信息和蛋白质表达情况的方法。这些技术可以用于分析环境中微生物的种类和功能，以及生物体对污染物的响应机制。通过对基因组学和蛋白质组学的研究，可以揭示生物体的适应性和响应机制，从而为环境保护提供科学依据。

环境生物技术思考题

环境生物技术思考题

第 1 页 绪论 思考题

1、我国的环境问题主要体现在哪些方面？

水的问题、大气的问题、生活垃圾

水土流失严重、荒漠化加剧；

包括淡水在内的许多资源短缺；

草原退化严重、沙化和碱化面积逐年增加；

濒危野生动物、植物物种增多，生物多样性锐减；

自然灾害频繁发生，经济损失重大。

2、什么是环境生物技术？

广义上讲： 凡是涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术，都可以称为环境生物技术。严格上讲：环境生物技术指的是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能来降低或消除污染物产生的生产工艺或能高效净化环境污染，同时又能生成有用物质的工程技术。

3、环境生物技术划分为几个层次？各层次的内容是什么？是否有明显的界限？

从技术难度和理论深度上环境生物技术一般可划分为三个层次：

第一层次：是指以基因工程为主导的近代污染物防治生物技术。包括构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等高效基因工程学，创造抗污染型转基因植物等。这个层次是以现代生物技术知识为基础，为寻求快速有效的污染治理与预防途径提供了可能，是解决目前出现的日益严重复杂的环境问题的强有力手段。

第二层次：是以废物的生物处理为主要内容，既包括传统的生物处理技术，如废水的生物处理的活性污泥法、生物膜法等，也包括在新的理论和技术支撑下开发出的废物强化处理技术和工艺，如生物流化床等。这个层次的环境生物技术是当今废物生物处理中应用最广泛的技术，在高新技术不断渗入的过程中，其本身也在不断改进，是目前环境污染治理中的主力军。

第三层次：是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，主要包括氧化塘、人工湿地系统和农业生态工程等。这个层次的特点是最大限度地发挥自然界环境中生物生态功能；投资运行费用少，易于操作管理，是一种省力、省费用、省能耗的技术。在解决实际环境污染问题时，三个层次的技术可能会集于一体，很难有明显的界限。 第 2 页 例如：在废物资源化生物技术中，所需要的高效菌可能是通过基因工程技术构建的，采用的工艺既可能是现代的发酵技术，也可能是传统的技术。