第一章 环境生物技术概论ppt.ppt

,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),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。,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。,30,Seafood,Seafish,DMA(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50006000万美元。,原生质体融合成功开发了100多种再生植株。,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，就是要在污染环境修复、污染环境治理、废弃物的循环再生过程中应用生物技术，最大限度地消除生态风险与隐患，促进自然资源的可持续利用。环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点，其相关产业也正迅速成为全球经济的新增长点。发展环境生物技术的主要目标是保护环境中的水体、土壤和大气，而不以创造有重大经济价值的产品为唯一目的。,发展环境生物技术是解决全球性环境和资源问题的最重要的途径之一。随着基因组技术和基因芯片技术等现代分子生物学技术的发展与渗透，环境生物技术已发展成为一种以环境资源可持续发展为目标，上中下游技术集成的系统工程技术，在重工业、日用消费品工业、石油产业、运输产业、农业、渔业、食品、污水及其他污染物处理等产业中的应用中产生了深远的影响，成为全球经济发展中一个新的经济增长点。欧美等西方发达国家均把环境生物技术作为解决环境和资源问题的战略高技术。,中国是一个发展中大国，改革开发20余年来，中国经济总量已居世界第七位，13亿人口初步达到小康生活水平，但经济持续增长的同时伴随着严重的物质资源过度滥用和生态环境的严重破坏。目前我国的经济发展还没有摆脱粗放型增长方式，人口、资源和环境的压力依然存在，并在相当长一段时间内仍是制约我国社会、经济和生态协调发展的主要瓶颈。大力发展环境生物技术，是我国推进循环经济、实施可持续发展战略的重要组成部分，也是实现全面建设小康社会的宏伟目标，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展之路的重要技术保障。,3、环境生物技术学科的层次性与学科内容,1)环境生物技术涉及的学科分子生物学、生物化学、酶学、环境微生物学、植物学、动物学、生态学、环境毒理学、土壤学等基因工程、酶工程、发酵工程、化学工程、环境工程、生态工程、微电子学、计算机科学与工程,2)