工业生物技术的应用进展(7页).doc

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1、-课程名称：生命科学研究专题讲座 组织教师：王玉凤学 号：2011211825 姓 名：肖静 成绩： 工业生物技术的应用进展 摘 要：随着科技的发展，工业生物技术在越来越多的领域兴起并发挥极大的作用。本文主要从环境、能源、食品、医药和农业5个方面介绍工业生物技术的应用进展。关键词：工业生物技术 环境 能源 食品 医药 农业 发展工业生物技术的任务，是把生命科学的发现转化为实际的产品、过程或系统，以满足社会的需要。工业生物技术已经开始进入包括发酵行业、农业化学、有机物、药物和高分子材料在内的很多领域，广泛应用于许多日常用品的生产，如洗涤剂和纺织品等，而且它的作用具有更加深远的意义。1、 工业生物

2、技术与环境 生物技术应用于环境治理中主要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，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够认识环境过程、高效净化环境污染、同时又能生产有用物质的工程技术1。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。1.1环境治理生物技术在污水处理、大气污染治理、固体废弃物

3、降解和土壤污染修复等方面应用广泛。在利用固定化酶和固定化细胞实现对工业污水和生活废水中无机金属、有机污染毒物的高效处理方面，国外已经有许多成功的应用经验。例如德国，以共介结合法制成农药降解酶柱，将酶固定于硅珠及多孔玻璃上，从而实现对多种农药的降解，包括对硫磷等，去除率超过95%。而在我国，固定化细胞技术的应用也有了较大发展，主要用于降解合成洗涤剂中的表面活性剂，对于含100mg/L废水,酶活性保存率和降解率均超过90%2。近年来,利用浮选法和微生物处理相结合的方法把黄铁矿和煤分开,达到脱硫的目的,这种方法已在国外成功应用。美国利用CBI菌株可脱去18%-47%的有机硫。荷兰和德国在处理含硫化氢

4、废气时,使用生物膜过滤器的方法,其控制效率达90%以上,效果理想3。在利用生物降解固体废弃物时,城市垃圾的“生物反应堆”就是一个很好的例子3。另外，利用现代生物技术广泛分离可以降解塑料的微生物群，对塑料制品中的主要成分聚酯分子结构进行破坏，从而消除污染物质，为治理白色污染带来了福音。日本及德国已经开展了相关研究，利用细菌生产塑料，通过基因工程方法，对细菌生产聚合物的功能基因进行分离和重组，实现多功能塑料的高效生产。英国在这方面的应用已经实现了产业化，利用微生物生产的塑料深受消费者欢迎，尤其是受到生态环境保护者的青睐2。目前,生物修复土壤污染已经有利用沙漠植物修复石油污染的土壤的研究工作。土壤修

5、复技术可以广泛的应用于去除土壤等介质中的有机氛化物污染、石油污染、重金属污染等多种污染物3。1.2环境监测 酶联免疫吸附检测技术、PCR技术、生物传感技术、生物芯片技术、流式细胞测定技术、单细胞凝胶电泳技术、微核技术等广泛应用于环境监测。目前，国内外已经开发出杀菌剂、杀虫剂、除草剂等农药,二恶英、多氯联苯、抗菌素等污染物的酶联免疫分析方法。应用酶联免疫技术用于现场快速分析的酶免疫试剂盒具有快速灵敏、费用低、特异性强和适于现场大量样品分析等优点，此技术已商品化3。刘永军等通过设计多种肠道病原细菌的通用引物，运用实时荧光定量PCR方法，实现了环境水体中肠道病原细菌的定量检测4。近年来，利用生物传感

6、器监测环境中的污染物，日益为人们所青睐。目前，生物传感器具有使用方便、成本低、省时、易制作等优点，如甲烷生物传感器、氨生物传感器、乙醇生物传感器、亚硝酸盐生物传感器、BOD生物传感器等已达到商业化应用水平，在环境监测中的应用前景广阔2。生物芯片技术已成功应用到环境监测中的水质控制、病原细菌瞬时检测、细菌基因表达水平测量及菌种鉴定等方面。法国一家水管理企业开发的生物芯片可随时监测公共饮用水中微生物的变化；Rhode Island 大学开发的一种生物芯片技术可瞬时检测出水中的沙门氏菌和大肠杆菌5。2、 工业生物技术与能源生物能源是蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用能转化为

7、化学能后固定和贮藏在生物体内的能量,包括生物质能、液体燃料及利用生物质生产的能源,如燃料乙醇、生物柴油、生物质汽化及液体燃料、生物制氢等。生物能源具有能源性和生物性的二重性特点,它既可以转化为人们所常用的能源,同时又可以持续不断地供应,能够满足动态能量循环守恒定律,保持能量守恒,化解能源危机6。2.1生物柴油生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料6。目前生物柴油占欧盟地区生物燃料总量的80%,油菜籽油是欧盟生产生物柴油的最主要原料,占欧盟油菜籽油消费总量的60%。从世界整体格局来看,欧盟已是

8、生物柴油产业发展的主力军,其中以德国发展最为迅速。2005年,欧盟生产生物柴油的成员国有20个,而到2009年成员国数量增加至26个,足见欧盟对生物柴油开发与利用的重视程度7。2.2燃料乙醇 燃料乙醇是指以玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等粮食作物和非粮食作物为原料,经过发酵、蒸馏制得乙醇,脱水后再添加变性剂,成为专门用于燃料的乙醇6。 世界生物乙醇两大领跑国之一的巴西，把生物燃料放在该国优先地位，作为应对世界经济危机的重大举措。目前巴西全国用于农业的耕地仅占国土面积的7%，而用于生产甘蔗的耕地占耕地面积的6%，为570万hm2（8550亩）。该国2005年甘蔗乙醇的产量为155L（1240

9、万t），计划到2025年年产900亿L（7200万）8。 2006年,美国成功替代巴西成为世界上最大的燃料乙醇生产国。乙醇商业化始于20世纪90年代,美国的玉米产量占全世界总产量的38%以上,因此玉米成为燃料乙醇的主要原料。2001年美国燃料乙醇的年产量为66.8亿升,2009年产量增加至414.04亿升,年均增速达22%7。2.3成型燃料转化成型燃料是把树皮、木屑和秸杆等生物质颗粒燃料,在加热、高压的条件下压缩形成的颗粒状成型物。以瑞典为代表的欧洲国家的的科研单位和生物能企业对压粒(块)工艺和设备开发做了大量的工作。仅瑞典一国即有十几家制造压粒(块)设备及其附带的取暖、发电设备的跨国企业。早

10、在2002年，瑞典全国采暖用能总量(546亿KWh)中，来自生物质能的已占到60%。2005年生物质颗粒(块)燃料的消费量达150万t,比上一年增加25%;此后继续快速增长，2009年已超过200万t8。3、 工业生物技术与食品 生物技术广泛应用于改造食品资源、改进食品加工工艺、改善食品质量、开发新型保健食品及食品安全监测等方面。3.1食品生产 目前生物技术在食品工业方面的应用主要有利用基因工程、细胞工程改造动植物、微生物资源，向人类提供各种转基因食品和食品添加剂；利用发酵技术、酶技术对农副产品进行加工，直接生产各种发酵食品和食品添加剂；通过转基因技术制造有益于人类健康的食品或有效因子；采用细

11、胞工程生产各种功能性食品及功能性成分；利用酶工程制取高蛋白、富含多种氨基酸和微量元素的功能性食品；利用酶工程生产功能性食品或功能性成分；运用生物技术改变食物的贮藏方式和贮藏期等9。3.2食品安全检测当前，我国检测食品中的致病菌采用的一般是细菌学的检验方法及血清学的方法，用这些方法对食品进行检验操作非常繁琐，且耗时长还费力，最终的检验准确性并不高，已很难满足当前的社会发展的需求。运用基因探针技术、DNA、PCR技术等对食品中所含的致病菌进行检验已成为未来发展的趋势。DNA探针法的广泛应用于食品安全检测。如果两条来源不同的核酸链有相互补充的碱基序列的话，就可以结合成分子的杂交链。如果在已经知道的D

12、NA片断之上加上可以辨别的标记，就能够做成DNA探针，用来检验未知的食品样品里是否有可以互补的序列。近年，这种方法在食物微生物的检测中应用越来越广泛，可以用DNA探针法来检验食品是否含有大肠杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌等10。 Niedrhauser等利用PCR技术检测了食品中的单核细胞生利斯特氏菌(易导致人类脑膜炎)。传统方法至少需10天时间，应用PCR技术大大缩短了分析周期，对该菌种的分析只需数小时2。4、 工业生物技术与医药 随着科学技术的发展,生物技术在制药方面的应用逐渐广泛。医药生物技术主要包含六个方面的内容:重组基因技术、转基因技术研制的药物或建立的新的治疗方法；细胞或原生质体融合技术

13、生产的药品；固定化酶或固定化细胞技术制备的药物；通过组织和细胞培养生产的疫苗；利用现代发酵或反应工程和生产生物来源的药物；应用蛋白质工程和分离技术从生物资源中寻找或制备的药品等。将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作用的酶基因克隆至牛或羊中，便可在牛或羊乳中产生这种酶。1997年，上海医学遗传所与复旦大学成功研制出一种乳汁中含有人凝血因子的转基因羊，饮用这种羊奶可以起到药膳同食的效果。利用转基因植物生产食品疫苗是当今食品生物技术研究的热点之一。食品疫苗就是将某些致病微生物的有关蛋白质（抗原）基因，通过转基因技术导入某些植物或动物受体细胞中，得以表达，直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗。目前已成功研制

14、出狂犬病病毒、乙肝表面抗原、链球菌突变株表面蛋白等10多种转基因马铃薯、香蕉、番茄的食用疫苗11。5、 工业生物技术与农牧业被称为第二次“绿色革命”的农业生物技术在农牧业领域,可以达到提高农牧产品产量、改善产品品质、简化生产过程、协调农牧业生产与人类生存环境关系的目的,农业生物技术有可能成为农业资源可持续利用的核心技术,给农业生产带来革命性的变化。5.1提高农产品产量 随着现代生物技术的发展,以基因工程、细胞工程等为核心技术的现代生物技术在提高农产品产量方面日益凸显出其特有持续的魅力。例如，在种植业方面,当前已利用植物组织培养技术大规模繁殖了兰花、非洲菊、唐菖蒲、菊花、香石竹、火鹤花等十多个品

15、种的花弁,我国的香蕉、柑橘、苹果、葡萄、马铃薯、甘薯、草毒无毒苗生产技术均得到大面积推广12。5.2改善农产品品质在农作物遗传改良方面,将组织培养、细胞融合、基因工程等生物技术用于植物育种,培育优良品种。如：在植物的抗逆性研究方面,已培育出抗虫作物、抗病毒作物、抗除草剂作物、抗环境压力(抗旱、抗寒、抗高温等)作物和抗早衰作物、抗重金属作物等。这些抗逆性植物的大面积种植不仅提高了其农作物的产量,同时也使农产品品质得到了显著的改善12。我国自主培育的“超油1号”和“超油 2 号”两个转基因油菜新品系，含油量高达 52.82%，是目前世界上含油量最高的甘蓝型油菜。另外，抗腐能力强、耐贮性高的番茄以及

16、具有高含量必需氨基酸的马铃薯等转基因蔬菜也开始进入市场13。工业生物技术是社会经济可持续发展的战略高技术，对于应对能源短缺、资源紧张、环境恶化、经济衰退、气候变化、食品安全等一系列严峻挑战，对于建设绿色、低碳与可持续的产业经济体系具有重大战略意义。目前，工业生物技术的应用正呈现欣欣向荣的趋势，随着科学技术的发展，工业生物技术必然将发挥更加重要的作用。参考文献：1 王建龙,文湘华.现代环境生物技术M.2版.北京:清华大学出版社,2008.2 吴善兵.现代生物技术在环境保护中的应用研究进展J.现代农业科技（资源与环境科学）,2012,(17):216-219.3 潘红卫.浅谈环境保护生物技术应用J

17、.生物技术世界（环境科学）,2013,(7):19.4 孔繁翔.环境生物学M.北京:高等教育出版社,2009.5 赵大显,熊焕嘉.现代生物技术在环境监测中的应用J.油气田环境保护,2012,(3):60-63.6 纪占武,郑文范.关于发展生物能源化解能源危机的思考J.东北大学学报（社会科学版）,2009,11(6):490-495.7 刘春英,肖娜.我国生物能源产业发展的现状、问题及对策J.中央财经大学学报,2011,(5):75-80.8 朱万斌,李杰等.国际生物能源研究开发现状和趋势J.中国工程科学,2011,(2):96-100.9 谢文锋.浅谈生物技术在食品中的应用及前景J.农产品加工,2012,(11):136-138.10 李峰.解析相关生物技术在食品检验中的应用J.民营科技,2013,(5):44.11 周卫东.现代生物技术在食品工业中的应用J.生物学通报,2010,45(6):13-15. 12 陈道雷.我国生物技术在农业生产中的应用及存在的问题研究D.西南大学硕士学位论文,2013.13 陈梦非.生物技术在蔬菜育种中的应用J.蔬菜,2014,(1):35-37.-第 7 页-