工業(yè)生物技術的應用進展

1、-. z.課程名稱：生命科學研究專題講座 組織教師：王玉鳳*：2011211825*：肖靜成績： 工業(yè)生物技術的應用進展摘 要：隨著科技的開展，工業(yè)生物技術在越來越多的領域興起并發(fā)揮極大的作用。本文主要從環(huán)境、能源、食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)5個方面介紹工業(yè)生物技術的應用進展。關鍵詞：工業(yè)生物技術環(huán)境 能源 食品 醫(yī)藥 農(nóng)業(yè)開展工業(yè)生物技術的任務，是把生命科學的發(fā)現(xiàn)轉化為實際的產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)，以滿足社會的需要。工業(yè)生物技術已經(jīng)開場進入包括發(fā)酵行業(yè)、農(nóng)業(yè)化學、有機物、藥物和高分子材料在內的很多領域，廣泛應用于許多日常用品的生產(chǎn)，如洗滌劑和紡織品等，而且它的作用具有更加深遠的意義。工業(yè)生物技術與環(huán)境 生物

2、技術應用于環(huán)境治理中主要是直接或間接利用生物或生物體的*些組成局部或*些機能，建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠認識環(huán)境過程、高效凈化環(huán)境污染、同時又能生產(chǎn)有用物質的工程技術1。生物技術在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、本錢低、反響條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點。生物技術已是環(huán)境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、污染環(huán)境的修復和污染嚴重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護的各個方面，發(fā)揮著極為重要的作用。1.1環(huán)境治理生物技術在污水處理、大氣污染治理、固體廢棄物降解和土壤污染修

3、復等方面應用廣泛。在利用固定化酶和固定化細胞實現(xiàn)對工業(yè)污水和生活廢水中無機金屬、有機污染毒物的高效處理方面，國外已經(jīng)有許多成功的應用經(jīng)歷。例如德國，以共介結合法制成農(nóng)藥降解酶柱，將酶固定于硅珠及多孔玻璃上，從而實現(xiàn)對多種農(nóng)藥的降解，包括對硫磷等，去除率超過95%。而在我國，固定化細胞技術的應用也有了較大開展，主要用于降解合成洗滌劑中的外表活性劑，對于含100mg/L廢水,酶活性保存率和降解率均超過90%2。近年來,利用浮選法和微生物處理相結合的方法把黃鐵礦和煤分開,到達脫硫的目的,這種方法已在國外成功應用。美國利用CBI菌株可脫去18%-47%的有機硫。荷蘭和德國在處理含硫化氫廢氣時,使用生物

4、膜過濾器的方法,其控制效率達90%以上,效果理想3。在利用生物降解固體廢棄物時,城市垃圾的“生物反響堆就是一個很好的例子3。另外，利用現(xiàn)代生物技術廣泛別離可以降解塑料的微生物群，對塑料制品中的主要成分聚酯分子構造進展破壞，從而消除污染物質，為治理白色污染帶來了福音。日本及德國已經(jīng)開展了相關研究，利用細菌生產(chǎn)塑料，通過基因工程方法，對細菌生產(chǎn)聚合物的功能基因進展別離和重組，實現(xiàn)多功能塑料的高效生產(chǎn)。英國在這方面的應用已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，利用微生物生產(chǎn)的塑料深受消費者歡送，尤其是受到生態(tài)環(huán)境保護者的青睞2。目前,生物修復土壤污染已經(jīng)有利用沙漠植物修復石油污染的土壤的研究工作。土壤修復技術可以廣泛的應

5、用于去除土壤等介質中的有機氛化物污染、石油污染、重金屬污染等多種污染物3。1.2環(huán)境監(jiān)測 酶聯(lián)免疫吸附檢測技術、PCR技術、生物傳感技術、生物芯片技術、流式細胞測定技術、單細胞凝膠電泳技術、微核技術等廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測。目前，國內外已經(jīng)開發(fā)出殺菌劑、殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥,二惡英、多氯聯(lián)苯、抗菌素等污染物的酶聯(lián)免疫分析方法。應用酶聯(lián)免疫技術用于現(xiàn)場快速分析的酶免疫試劑盒具有快速靈敏、費用低、特異性強和適于現(xiàn)場大量樣品分析等優(yōu)點，此技術已商品化3。*永軍等通過設計多種腸道病原細菌的通用引物，運用實時熒光定量PCR方法，實現(xiàn)了環(huán)境水體中腸道病原細菌的定量檢測4。近年來，利用生物傳感器監(jiān)測環(huán)境中的污染

6、物，日益為人們所青睞。目前，生物傳感器具有使用方便、本錢低、省時、易制作等優(yōu)點，如甲烷生物傳感器、氨生物傳感器、乙醇生物傳感器、亞硝酸鹽生物傳感器、BOD生物傳感器等已到達商業(yè)化應用水平，在環(huán)境監(jiān)測中的應用前景廣闊2。生物芯片技術已成功應用到環(huán)境監(jiān)測中的水質控制、病原細菌瞬時檢測、細菌基因表達水平測量及菌種鑒定等方面。法國一家水管理企業(yè)開發(fā)的生物芯片可隨時監(jiān)測公共飲用水中微生物的變化；Rhode Island 大學開發(fā)的一種生物芯片技術可瞬時檢測出水中的沙門氏菌和大腸桿菌5。工業(yè)生物技術與能源生物能源是蘊藏在生物質中的能量,是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用能轉化為化學能后固定和貯藏在生物

7、體內的能量,包括生物質能、液體燃料及利用生物質生產(chǎn)的能源,如燃料乙醇、生物柴油、生物質汽化及液體燃料、生物制氫等。生物能源具有能源性和生物性的二重性特點,它既可以轉化為人們所常用的能源,同時又可以持續(xù)不斷地供給,能夠滿足動態(tài)能量循環(huán)守恒定律,保持能量守恒,化解能源危機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動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料6。目前生物柴油占歐盟地區(qū)生物燃料總量的80%,油菜籽油是歐盟生產(chǎn)生物柴油的最主要原料,占歐盟油菜籽油消費總量的60%。從世界整體格局來看,歐盟已是生物柴油產(chǎn)業(yè)開展的主力軍

8、,其中以德國開展最為迅速。2005年,歐盟生產(chǎn)生物柴油的成員國有20個,而到2009年成員國數(shù)量增加至26個,足見歐盟對生物柴油開發(fā)與利用的重視程度7。2.2燃料乙醇 燃料乙醇是指以玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等糧食作物和非糧食作物為原料,經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾制得乙醇,脫水后再添加變性劑,成為專門用于燃料的乙醇6。 世界生物乙醇兩大領跑國之一的巴西，把生物燃料放在該國優(yōu)先地位，作為應對世界經(jīng)濟危機的重大舉措。目前巴西全國用于農(nóng)業(yè)的耕地僅占國土面積的7%，而用于生產(chǎn)甘蔗的耕地占耕地面積的6%，為570萬hm28550畝。該國2005年甘蔗乙醇的產(chǎn)量為155L1240萬t，方案到2025年年產(chǎn)90

9、0億L7200萬8。 2006年,美國成功替代巴西成為世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)國。乙醇商業(yè)化始于20世紀90年代,美國的玉米產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的38%以上,因此玉米成為燃料乙醇的主要原料。2001年美國燃料乙醇的年產(chǎn)量為66.8億升,2009年產(chǎn)量增加至414.04億升,年均增速達22%7。2.3成型燃料轉化成型燃料是把樹皮、木屑和秸桿等生物質顆粒燃料,在加熱、高壓的條件下壓縮形成的顆粒狀成型物。以瑞典為代表的歐洲國家的的科研單位和生物能企業(yè)對壓粒(塊)工藝和設備開發(fā)做了大量的工作。僅瑞典一國即有十幾家制造壓粒(塊)設備及其附帶的取暖、發(fā)電設備的跨國企業(yè)。早在2002年，瑞典全*暖用能總量(5

10、46億KWh)中，來自生物質能的已占到60%。2005年生物質顆粒(塊)燃料的消費量達150萬t,比上一年增加25%;此后繼續(xù)快速增長，2009年已超過200萬t8。工業(yè)生物技術與食品 生物技術廣泛應用于改造食品資源、改進食品加工工藝、改善食品質量、開發(fā)新型保健食品及食品平安監(jiān)測等方面。3.1食品生產(chǎn) 目前生物技術在食品工業(yè)方面的應用主要有利用基因工程、細胞工程改造動植物、微生物資源，向人類提供各種轉基因食品和食品添加劑；利用發(fā)酵技術、酶技術對農(nóng)副產(chǎn)品進展加工，直接生產(chǎn)各種發(fā)酵食品和食品添加劑；通過轉基因技術制造有益于人類安康的食品或有效因子；采用細胞工程生產(chǎn)各種功能性食品及功能性成分；利用酶

11、工程制取高蛋白、富含多種氨基酸和微量元素的功能性食品；利用酶工程生產(chǎn)功能性食品或功能性成分；運用生物技術改變食物的貯藏方式和貯藏期等9。3.2食品平安檢測當前，我國檢測食品中的致病菌采用的一般是細菌學的檢驗方法及血清學的方法，用這些方法對食品進展檢驗操作非常繁瑣，且耗時長還費力，最終的檢驗準確性并不高，已很難滿足當前的社會開展的需求。運用基因探針技術、DNA、PCR技術等對食品中所含的致病菌進展檢驗已成為未來開展的趨勢。DNA探針法的廣泛應用于食品平安檢測。如果兩條來源不同的核酸鏈有相互補充的堿基序列的話，就可以結合成分子的雜交鏈。如果在已經(jīng)知道的DNA片斷之上加上可以區(qū)分的標記，就能夠做成D

12、NA探針，用來檢驗未知的食品樣品里是否有可以互補的序列。近年，這種方法在食物微生物的檢測中應用越來越廣泛，可以用DNA探針法來檢驗食品是否含有大腸桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌等10。 Niedrhauser等利用PCR技術檢測了食品中的單核細胞生利斯特氏菌(易導致人類腦膜炎)。傳統(tǒng)方法至少需10天時間，應用PCR技術大大縮短了分析周期，對該菌種的分析只需數(shù)小時2。工業(yè)生物技術與醫(yī)藥 隨著科學技術的開展,生物技術在制藥方面的應用逐漸廣泛。醫(yī)藥生物技術主要包含六個方面的內容:重組基因技術、轉基因技術研制的藥物或建立的新的治療方法；細胞或原生質體融合技術生產(chǎn)的藥品；固定化酶或固定化細胞技術制備的藥物；通

13、過組織和細胞培養(yǎng)生產(chǎn)的疫苗；利用現(xiàn)代發(fā)酵或反響工程和生產(chǎn)生物來源的藥物；應用蛋白質工程和別離技術從生物資源中尋找或制備的藥品等。將一種有助于心臟病患者血液凝結溶血作用的酶基因克隆至?；蜓蛑?，便可在?；蜓蛉橹挟a(chǎn)生這種酶。1997年，*醫(yī)學遺傳所與復旦大學成功研制出一種乳汁中含有人凝血因子的轉基因羊，飲用這種羊奶可以起到藥膳同食的效果。利用轉基因植物生產(chǎn)食品疫苗是當今食品生物技術研究的熱點之一。食品疫苗就是將*些致病微生物的有關蛋白質抗原基因，通過轉基因技術導入*些植物或動物受體細胞中，得以表達，直接成為具有抵抗相關疾病的疫苗。目前已成功研制出狂犬病病毒、乙肝外表抗原、鏈球菌突變株外表蛋白等10多

14、種轉基因馬鈴薯、香蕉、番茄的食用疫苗11。工業(yè)生物技術與農(nóng)牧業(yè)被稱為第二次“綠色革命的農(nóng)業(yè)生物技術在農(nóng)牧業(yè)領域,可以到達提高農(nóng)牧產(chǎn)品產(chǎn)量、改善產(chǎn)品品質、簡化生產(chǎn)過程、協(xié)調農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)與人類生存環(huán)境關系的目的,農(nóng)業(yè)生物技術有可能成為農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)利用的核心技術,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來革命性的變化。5.1提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量 隨著現(xiàn)代生物技術的開展,以基因工程、細胞工程等為核心技術的現(xiàn)代生物技術在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量方面日益凸顯出其特有持續(xù)的魅力。例如，在種植業(yè)方面,當前已利用植物組織培養(yǎng)技術大規(guī)模繁殖了蘭花、非洲菊、唐菖蒲、菊花、香石竹、火鶴花等十多個品種的花弁,我國的香蕉、柑橘、蘋果、葡萄、馬鈴薯、甘薯、草毒無毒苗

15、生產(chǎn)技術均得到大面積推廣12。5.2改善農(nóng)產(chǎn)品品質在農(nóng)作物遺傳改進方面,將組織培養(yǎng)、細胞融合、基因工程等生物技術用于植物育種,培育優(yōu)良品種。如：在植物的抗逆性研究方面,已培育出抗蟲作物、抗病毒作物、抗除草劑作物、抗環(huán)境壓力(抗旱、抗寒、抗高溫等)作物和抗早衰作物、抗重金屬作物等。這些抗逆性植物的大面積種植不僅提高了其農(nóng)作物的產(chǎn)量,同時也使農(nóng)產(chǎn)品品質得到了顯著的改善12。我國自主培育的“超油1號和“超油 2 號兩個轉基因油菜新品系，含油量高達 52.82%，是目前世界上含油量最高的甘藍型油菜。另外，抗腐能力強、耐貯性高的番茄以及具有高含量必需氨基酸的馬鈴薯等轉基因蔬菜也開場進入市場13。工業(yè)生物

16、技術是社會經(jīng)濟可持續(xù)開展的戰(zhàn)略高技術，對于應對能源短缺、資源緊*、環(huán)境惡化、經(jīng)濟衰退、氣候變化、食品平安等一系列嚴峻挑戰(zhàn)，對于建立綠色、低碳與可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟體系具有重大戰(zhàn)略意義。目前，工業(yè)生物技術的應用正呈現(xiàn)欣欣向榮的趨勢，隨著科學技術的開展，工業(yè)生物技術必然將發(fā)揮更加重要的作用。參考文獻：1 王建龍,文湘華.現(xiàn)代環(huán)境生物技術M.2版.:清華大學,2008.2 吳善兵.現(xiàn)代生物技術在環(huán)境保護中的應用研究進展J.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技資源與環(huán)境科學,2012,(17):216-219.3 潘紅衛(wèi).淺談環(huán)境保護生物技術應用J.生物技術世界環(huán)境科學,2013,(7):19.4 孔繁翔.環(huán)境生物學M.:高等教育,2009.5 趙大顯,熊煥嘉.現(xiàn)代生物技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用J.油氣田環(huán)境保護,2012,(3):60-63.6 紀占武,*文*.關于開展生物能源化解能源危機的思考J.東北大學學報社會科學版,2009,11(6):490-495.7 *春英,肖娜.我國生物能源產(chǎn)業(yè)開展的現(xiàn)狀、問題及對策J.中央財經(jīng)大學學報,2011,(5):75-80.8 朱萬斌,李杰等.國際生物