生物技术概论 生物技术与人类社会的发展学习资料

第七章生物技术与人类社会的发展主要内容生物技术与农业生物技术与食品生物技术与环境生物技术与能源生物技术与人类健康生物技术与农业

生物技术与种植业

长期以来人们不断地寻求提高作物产量和品质的方法，有性杂交等传统育种方式、化学农药和肥料等的使用曾做出了巨大的贡献，但其弊端也日渐突出。现代生物技术将为种植业的发展提供跟广阔的前景。生物技术在诱导植物雄性不育中的利用

基因工程技术、组织培养、原生质体融合、体细胞诱变和体细胞杂交等技术都可以创造植物雄性不育新材料。植物雄性不育及杂种优势利用是传统育种方法中的一个重要领域并已取得令人瞩目的巨大成绩。组织培养诱导植物雄性不育中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。1984～1988年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体48个。基因工程诱导植物雄性不育花粉绒粘层表达barnase基因阻断花粉正常的发育而造成败育，形成不育系；花粉绒粘层表达bastar基因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜、烟草。反义RNA技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不育系。原生质体融合创造不育系萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种——萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育”。匈牙利国家自然科学院Menczel等（1982）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。

生物技术培育抗逆性作物品种

植物与环境间有着密不可分的关系，而逆性环境的出现，特别是病虫害的频繁发生，造成农业上大面积的减产。组织培养、原生质体融合、体细胞杂交等生物技术手段创造突变，培育抗逆新品种。不过这些方法盲目性较大，而且植株遗传变异频率较低，植物基因工程技术目前已成为一种广泛且有效的培育抗逆性植株的手段。

抗逆性育种利用作物本身的遗传特性培育获得逆境条件下能保持相对稳定的产量和品质的新品种作物逆境种类作物抗旱育种意义全球：荒漠化土地面积3600万平方公里，占全球陆地面积的1/4，相当于俄、加、中、美四国国土的总和，并以每年5万至7万平方公里的速度扩大。

1/3耕地面积供水不足，其它耕地周期性缺水。

我国：85％的自然灾害为气象灾害，干旱灾害又占气象灾害的50％左右，

3/4的耕地面积遭受不同程度干旱的威胁，

20世纪九十年代我国北方干旱频繁发生，特别是西北地区出现了1995年和1997年的严重干旱，而南方部分地区近几年也频繁发生干旱。

摩洛哥干旱缺水地区特有一景：羊上树2003年湖南旱灾农民不得不下井底获取饮用水2004秋至2005年春海南省连续干旱缺雨旱灾后的水稻2006年7月-8月重庆持续一个多月的高温干旱

我国“十五”期间投入4.2亿元科研经费，用于“现代农业节水”的技术体系攻关。重点突出生物节水、农艺节水、工程节水与管理节水的有机结合，加强节水农业新产品与节水农业技术的创新集成和产业化示范。项目首次把小麦、玉米及林草的抗旱节水种质资源创新与新品种选育，列入重点研发内容。

2005年我国启动水稻节水新品种与节水技术项目旱稻品种的选育、审定与推广作物抗旱性免旱性：在生长环境中水分不足时，植物体内仍能保持水分免受伤害，以至能进行正常生长的性能。包括保持水分的吸收和减少水分的损失。免旱性的主要特点大都表现在形态结构上。耐旱性：作物忍受组织水势低的能力，不受伤害或减轻损害。耐旱的主要特点则大都表现在生理上抗旱。

免旱性和耐旱性属于真正的抗旱性。作物避旱性：通过早熟或发育的可塑性，在时间上避开干旱的危害，不属于抗旱性。抗旱水稻华中农业大学日前成功分离出一个对水稻抗旱改良有显著作用的基因OsSKIPa。研究表明，提高此基因在植物体内的表达水平，可以显著地增强水稻的抗旱性。上海水稻专家将水稻高产和旱稻耐旱的优点巧妙融于一粒稻种，育成世界首例节水抗旱杂交稻“旱优3号”。

耐盐性育种全世界有盐碱地6亿多公顷，次生盐渍化约有1亿公顷；我国有盐碱耕地面积约3000万公顷；一、作物耐盐性

1、避盐：选择吸收：细胞质膜隔离，阻止盐份进入细胞

大麦稀释：大麦分泌Na+：细胞质膜隔离如玉米、高粱

2、耐盐：忍受盐份进入细胞的生理适应过程离子区隔化：H+泵出液泡Na+进入液泡渗透调节：Na+,K+,Ca2

+,Cl

–

氨基酸（脯氨酸、甘氨酸）、有机酸、甜菜碱、糖醇：含有多个羟基,亲水能力强（山梨醇、甘露醇、海藻糖）能与盐结合、减轻盐对酶的毒害，来源于光合呼吸中间产物改变代谢途径：獐毛经高盐胁迫后将本身的C3途径改变成C4途径日中花C3途径改变成CAM途径维护膜系统的完整性：电导率耐盐性遗传与品种选育大多数多基因控制的数量性状，F2连续分布，显性、加性与非加性效应；也有的突变体表现显性单基因，如拟南芥SOS基因，大豆Nc1基因细胞质遗传：粗厚山羊草细胞质对小麦的耐盐性提高,其效应值与核基因型有关,特定的核质组合可明显提高小麦的耐盐性；育种方法资源筛选：不同浓度杂交选育诱变筛选：水稻花药诱变筛选获得耐盐显性主基因组织培养、体细胞变异：筛选和培育耐盐细胞系体细胞杂交

作物抗旱耐盐基因工程

对低分子量渗透调节物质基因、隔离化相关蛋白基因的遗传操作，增强转基因植物对水分亏缺和盐胁迫的耐性。1、甜菜碱合成关键酶基因胆碱到甜菜碱合成经2步氧化（叶绿体基质）第1步反应酶是胆碱单氧化酶(CMO)

第2步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶(BADH)

胆碱氧化酶codA基因的转基因水稻，在花椰菜花叶35S启动子的调控下积累甘氨酸和甜菜碱,获得抗旱耐盐能力；将胆碱氧化酶基因codA

与叶绿体靶向序列结合构成嵌合基因来转化水稻,比起单独转化codA

基因更为有效地提高了水稻抗旱和耐盐性。2、脯氨酸的合成酶基因鸟氨酸途径和谷氨酸途径（干旱、盐胁迫和缺氮）关键酶是吡咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)

转入乌头叶菜豆P5CS基因来增加非盐生植物（水稻、小麦）细胞中脯氨酸的量，提高抗渗透胁迫和抗旱耐盐能力3、糖醇合成关键酶基因糖醇是由光合作用或呼吸作用的中间产物转化而成，在干旱和盐胁迫条件下合成并积累。1-磷酸甘露醇脱氢酶(MtlD)基因：将来源于大肠杆菌的

MtlD转入烟草，转基因植株能够更多合成和积累甘露醇,表现出对1.45%NaCl

的抗性和提高抗旱能力。山梨醇脱氢酶（GutD）基因：大肠杆菌起源的GutD

转入玉米中使得植株体内积累山梨醇,并表现出较高的抗旱耐盐性。4、离子区隔化相关基因Na+⁄H+逆向转运蛋白基因：选择性泵出Na+。我们从大米草中分离获得该基因，转基因水稻耐盐能力提高0.3%HAL1基因：最早从啤酒酵母中克隆的，调节阳离子转移系统，增加细胞内K+含量,降低细胞内Na+含量，调节K+/Na+比率。该基因过量表达的酵母转化后，耐NaCl

提高近2倍;

将酵母的HAL1

基因转入拟南芥、菜瓜、番茄中,

减少Na+吸收，增加K+浓度，提高耐盐性酵母的HAL2

基因第1次转入木本植物柑桔中，表现出了较高的耐盐性5、大麦脱水素Dhn

基因家族（胚胎发育晚期高丰度蛋白基因）该基因与抗旱、抗寒、抗盐等抗逆性关系非常密切。其中的Dhn成员HVA1转移到水稻中，提高抗旱耐盐性；6、逆境相关的转录因子基因及防卫反应调节

抗寒育种作物对低温伤害的抵抗与恢复能力。抗冻性：零度以下低温条件下作物具有延迟或避免细胞间隙或原生质结冰。抗冷性：零度以上低温条件下作物维持正常生长发育的特性。不同作物的主要低温胁迫：低温长日作物：越冬（冻、雪）、春季（冷、冻、霜）高温短日作物：春秋季节（冷、霜）抗寒育种资源：野生种、近缘种、地方品种、寒地品种育种：杂交与远缘杂交

抗寒基因工程1、鱼类抗冻基因途径抗冻蛋白AFP、AFGP：富含丙氨酸半胱氨酸，结合糖，低浓度下(<100ug/ml)有抗冰晶化作用，抗冻性比糖、盐高出200倍以上。该基因转入番茄、烟草、玉米、马铃薯等植物均能提高抗寒能力。afa

基因

Spa-afa5

基因编码葡萄球菌A蛋白基因与极地比目鱼afa5基因之间的融合基因，转基因蕃茄组织中检测到融合蛋白及其抗冰晶化作用2、脂肪酸去饱和代谢关键酶基因途径（与膜脂相变温度有关）高等植物对低温敏感性与磷脂酰甘油(PG)中脂肪酸不饱和度有关,

而甘油-3-磷酸酰基转移酶对PG的不饱和度起决定作用。把甘油-3-磷酸酰基转移酶基因导入到烟草与拟南芥菜

中,

改变PG的脂肪酸组成,提高植物抗寒性。atW23叶绿体脂肪酸去饱和酶基因：转烟草增加16∶3和18∶3脂肪酸获得抗寒性酵母的硬脂酰基辅酶A去饱和酶基因菠菜的硬脂酰基载体蛋白去饱和酶基因增强了转基因烟草的抗寒性3、超氧物岐化酶基因不同来源的SOD基因转入到烟草、苜蓿、棉花中，发现转基因增强耐冷抗寒性。4、糖类基因途径

细菌焦磷酸酶(Phyrophophatase)基因转化到烟草，可溶性碳水化合物叶中积累，提高耐霜能力5、植物抗寒相关的功能与调控蛋白atCOR蛋白：只在冷冻诱导下表达，该基因的启动子中的有特定C重复顺式作用元件atCBF：该类转录因子特异结合C重复顺式作用元件，启动下游COR基因表达STHP-64：一种茄科植物叶片中发现，该蛋白C-末端含有10个连续的13个氨基酸序列重复，与昆虫抗冻蛋白一致。它受冷冻或寒冷季节的特异诱导，并激活抗寒相关基因的表达。转基因提高抗冷能力。将鱼的抗寒基因导入番茄，获得首例抗寒转基因番茄，株高2m以上，秋季延长采收期1个月。日本北海道农业研究所研究员佐藤裕郎从小麦中提取出合成抗寒相关果聚糖酶的基因，然后植入水稻的染色体，获得了抗寒水稻新品种。研究人员将这种转基因水稻和现有水稻品种在12℃低温环境下放置一段时间后，转基因水稻只减产30％，而一般水稻要减产70％科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长,从而免受低温的冻害,正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来,导入植物体获得转基因植物,目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。极地乌贼培育抗除草剂作物

农田化学除草已成为全球现代农业生产的重要组成部分,全世界除草剂的总用量、施用面积及费用均已超过杀虫剂与杀菌剂。随着大量除草剂的出现,新品种选育和开发难度极大。因此,利用基因工程培育植物的抗除草剂品种越来越受到国内外科学家的关注,它不仅可扩大现有除草剂的应用范围,选用高效率、低毒、低残留、杀草谱广、低成本的除草剂转基因作物,也可减少环境污染,降低农业生产成本。利用基因工程技术培育抗除草剂作物理想的除草剂必须具有高效、广谱的杀草能力,且对作物及人畜无害,在土壤中的残留短,成本不高。但现在要开发出1种新的符合上述要求的除草剂的成本越来越高,选择的机率也在明显降低。抗除草剂基因工程溴苯腈是一种苄腈化合物，抑制光合作用过程中的电子传递，能除宽子叶杂草。从土壤中分离出一种叫臭鼻杆菌的细菌，能产生一种溴苯腈的特异水解酶，可将溴苯腈水解为3，5—二溴—4羟基苯甲酸，失去除草功效。控制该水解的基因(Bxn)已分离出来2，4－D是一种激素型除，草剂，浓度过高会对植物有毒害作用，阔叶植物特别是棉花对2，4－D极其敏感。土壤中富氧产碱菌对2，4－D的分解作用最强，美国和澳大利亚已从该细菌中分离出2，4—D单氧化酶基因，可分解2，4－D。草甘膦草甘膦，又名镇草宁，是应用最广泛的一种非选择性除草剂，作用机制是破坏植物体内三种芳香族氨基酸(Phe，Tyr，Try)生物合成中的关键酶Epsp。1985年，美国Calgene公司分离出Epsp合成酶基因。

抗EPSP抑制剂基因

草甘膦(glyphosate)是一种广谱除草剂,它具有无毒、易分解，无残留和不污染环境等特点。目前已从细菌中分离出一个突变株，它含有抗草甘膦的EPSP合成酶突变基因。把抗草甘膦基因引入植物，可使这种基因工程作物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉杂草，而这种作物因不受损害而生长。

抗PPT基因

膦丝菌素(phosphinothricin，PPT)用作非选择性的除草剂,是植物谷氨酰合成酶(glutaminesynthetase,GS)的抑制剂。现已从Streptomyces

hyrscopicu中分离得到抗bialaphos的bar基因，该基因编码的产物称PAT,嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下,在烟草、马铃薯和番茄的细胞内得到了表达，转基因植株对高剂量的PPT和bialaphos具有耐受性。转抗EPSP抑制剂基因的棉白杨对草甘膦具有耐受性培育抗病虫作物

化学革命给人类带来了农药，农药对人类的发展确实起了重要的作用，但同时也带来了不少严重的问题，如农药的残留在食物链的各个层次富积，危害环境及人类。同时杀虫剂的大量使用，使大量天敌和益虫也蒙受毒害，生物的多样性降低。农药的长期使用，使昆虫及病原体产生抗性，使杀虫剂的应用越来越形成恶性循环。

抗病虫转基因作物的益处：是一种无环境污染的防治策略，可显著减轻农业对化学农药的依赖，有助于可持续农业系统的建立。农药具有时间上的连续性和空间上的整体性。抗性基因的来源广阔，不受不同生物个体间生殖隔阂的限制，可以在整个生物体中挑选、组合目的基因。育种周期短，治虫成本低。

转Bt毒蛋白基因作物

苏云金杆菌（Bacillusthuringiensis，Bt）是一种来源于土壤的微生物，具有高度的杀虫活性，被作为生物农药商品化应用。

Bt之所以能杀虫，是因为其芽孢形成过程中可产生一种杀虫结晶蛋白（ICP）。

Bt在昆虫消化道内的碱性条件下，裂解成为活性多肽并造成昆虫消化道损伤，最终可使昆虫死亡，而对其他生物则无害。修饰的Bt毒蛋白转基因作物1.为了提高表达水平，研究人员截短了该基因，使其仅表达毒素蛋白的N端部分。2.35S的启动子来控制该基因的表达。3.植物偏爱密码子，并删除了可能形成mRNA二级结构的序列。1991年我国科学家成功地将苏云金芽孢杆菌(Bt)杀虫晶体蛋白基因导入棉花,获得了转基因植株。1993年将Bt晶体蛋白基因导入我国棉花品种中,获得了高抗棉铃虫的抗虫棉。。1998年通过国家审定的中棉所29就是1个适于北方棉区生产的中熟转基因Bt棉。到目前为止,我国已育成10多个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良,适用于不同生态条件种植的品种或品系,已在9个省(市)大面积试种、示范和应用。中国转基因棉花生产面积在2007年达380万公顷,占全国棉花种植面积69%。转Bt基因的玉米受害虫和穗腐病的危害较轻

转Bt基因的抗虫油菜转Bt基因的抗虫棉与马铃薯

豇豆胰蛋白酶抑制剂

豇豆胰蛋白酶抑制因子，CpT1:80aa,Bowman-Birk

类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂。它的作用位点是酶的催化中心。

CpTl

抗昆虫谱广，能抗鳞翅目、鞘翅目害虫等，几乎对所有的害虫有效，而对人畜无害。培育抗重金属镉的作物

镉对植物的污染会影响固氮过程，降低植物体水分和养分的运输能力，最终抑制植物细胞的光合作用。哺乳动物基因组编码的金属硫蛋白(metollothionein)基因转化植物，可使受体植株获得抗重金属镉的能力。加拿大科学家:中国仓鼠金属硫蛋白基因,感染野生油菜叶片，受感染的叶片能高水平产生金属硫蛋白，并能产生对镉的抗性。培育抗病毒作物

抗病毒基因工程通常采用的策略是：病毒外壳蛋白基因或其功能蛋白基因、病毒亚基因组序列、卫星DNA、缺失干扰型序列的遗传转化；反义RNA技术等。

植物病毒是造成农作物减产的主要原因之一。

烟草花叶病毒TMV外壳蛋白基因引入到烟草细胞中，转化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白，并对TMV感染表现出一定的抗性。

将TMV编码的一种蛋白质(分子质量54kDa)的DNA序列导入植株时，可对高浓度的TMV产生抗性。为了赋予植株以病毒抗性，此特殊的DNA序列要比迄今利用的外壳蛋白基因更有效。美国科学家利用Ti质粒作为载体，成功地将苜蓿花叶病毒AMV外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋白基因在CaMV35s启动子的控制下，在转化植株中所产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果。

含有黄瓜花叶病毒CMV的卫星RNA拷贝的转化植物在受到CMV感染时产生大量的卫星RNA。植物细胞内过量的卫星RNA可以抑制病毒RNA的复制，还可能显著减轻病状的发展。

转病毒核蛋白基因的番茄和未转基因的番茄不但对CMV的抗性明显不同，而且植株的生长和果实的品质的差异显著。

经花叶病毒感染后的南瓜的重量和品质在转基因和未转基因植株之间的差异。

番木瓜是一种富含维生素C和A的美味热带水果，然而由于PRSV病毒的侵染和传播，番木瓜树果园遭受了毁灭性的打击。

运用基因枪介导的转化方法，科学家将PRSV病毒的外壳蛋白转入到番木瓜树中。转基因的番木瓜树显示出对PRSV病毒很强的抗性。转基因作物品质改良

目前对水稻谷蛋白、菜豆贮存蛋白、小麦贮存蛋白、巴西豆种子蛋白和玉米醇溶蛋白基因的研究较为深入。利用这些基因进行转化会使受体植株的蛋白质含量得到提高。特别是巴西豆种子蛋白富含必需氨基酸——甲硫氨酸，而大多数麦类种子蛋白则缺乏此种氨基酸。美国科学家已成功地将玉米醇溶蛋白基因导入向日葵的细胞内，在转化植株内得到部分表达。黄金水稻瑞士科学家培育出的一种富含β-胡萝卜素的水稻新品种——“黄金水稻”，可望结束发展中国家人民维生素A摄入量不足的状况。耐贮藏番茄：反义技术抑制乙烯合成酶、多聚半乳糖醛酸酶的活性，降低番茄在成熟过程中乙烯的形成量，因而延迟了果实的变软，大大提高番茄保藏期。植物次级代谢产物的生产

早在1939年,人们已能从特定植物体中分离一些细胞，这些离体细胞能在人造环境中生存并合成人类有用的次生代谢产物，如生物碱、黄酮类化合物等。近年来，利用植物细胞培养技术以及各种植物细胞固定化技术，就可以像固定化微生物那样，在预先设计的生物反应器中高效地、源源不断地生产出具有商业价值的次生代谢产物。

植物细胞工程的应用

植物次级代谢产品的市场潜能

产品成分用途销售额/亿美元长春花碱治疗白血病18～20(美国)阿吗灵循环系统障碍药5～25(全世界)奎宁治疗疟疾5～10(美国)致热素杀虫剂20(全世界)毛地黄心脏病药20～55(美国)转基因水稻大规模生产重组人血清白蛋白由武汉大学生命科学院教授、武汉禾元生物科技有限公司董事长杨代常领衔的研发团队从2006年开始进行植物源替代血浆来源的医药蛋白的研究与开发，现已取得突破性进展并已跨入规模化生产的阶段，填补了国际上此项技术空白。快速无性繁殖

植物细胞培养及遗传操作

花药、花粉、胚的培养（一）

单倍体育种技术优点：易于产生纯系品种，便于优良性状的表达；利于筛选从而大大缩短育种时间。我国利用辣椒游离小孢子细胞团培养方法，创造了新型的辣椒聚合杂交育种技术，初步解决了辣椒育种中早熟与大果、早熟与早衰、抗病与优质的矛盾，该技术属国际性难题的突破，已引起国际种苗公司的关注。科学家还通过花药培养创造新的种质资源用于育种工作。如我国育成的单209水稻具有抗稻瘟病和抗白叶枯病的特性，同时在单209水稻群体中还发现了矮秆突变型，这些都是优良的亲本类型。

植物胚培养在克服杂种胚败育、解决种子长时间休眠、提高后代抗性改良品质、测定种子生活力以及进行胚胎发育相关基因研究等方面都具有重要的意义。同时，花药、花粉、胚、原生质体的培养也是进行转基因等遗传操作的重要基础。原生质体的融合细胞融合能够在细胞水平实现遗传物质的转移和重组，打破种属的界限。这方面典型的技术是原生质体融合技术创造体细胞杂种以实现作物改良。

我国科学家通过原生质体融合技术将野生茄子（Solanum

torvum）中的抗黄萎病基因转到普通茄子中，获得抗黄萎病和抗青枯病的育种材料；用PEG融合法将甘薯原生质体与其近缘野生种的叶柄（或叶片）原生质体进行融合，从种间体细胞杂种植株中筛选出具有良好结薯性的种间体细胞杂种。细胞遗传操作

外源基因向植物转移并能获得性状表达，其中常用和关键的技术是植物细胞培养和组织培养——植物再生体系的建立。这样一方面突破传统杂交中种属的界限；同时使基因转移工作在组织或细胞水平上进行而易于操作，并且能快速繁殖以利于性状表达和筛选。种质保存

种质资源是进行研究和生产的基本材料，因此种质资源的保存是一项非常重要的工作。常规的种质资源保存具有多方面的局限性，而细胞培养保存则具有非常大的优势，能极大地节约空间，而且不受环境条件的限制。一般是根据细胞的特点，人工创造条件使其生长代谢活动尽量降低，处于休眠状态，以抑制增殖和减少变异。作为世界上最大的细胞库，ATCC早在1992年就已经有了3200多个细胞系入库，而且数量还在不断地增加。此外还有CSH(美)、NCTC(英)、NRRL(英)、KCC(日)等著名的保藏机构，我国也有一些较为大型的保藏机构，足见世界各国对细胞保藏的重视。生物固氮氮素的来源有工业固定、生物固定和自然放电等。化学氮肥对作物产量提高有显著的作用,但也有其不容忽视的弊病,那就是能源的消耗、环境的污染和生产成本的提高。而生物固氮则能在常温、常压下合成氮肥,从而大幅度地节约能源并且不会对环境造成严重的污染。中国科学院遗传与发育研究所把带有固氮基因的质粒PRD1从大肠杆菌K12jc5564转移到无固氮能力的水稻根系菌4502Y中,表现出较强的固氮能力,经测定接种有该菌的水稻发育明显优于对照植株。

生物农药是“可用来防治病、虫、草等有害生物的生物体本身或源于生物，并可作为‘农药’的各种生理活性物质”。

生物农药及生物控制生物农药：生物体农药：用来防除治病、虫、草等有害生物的商品活体生物生物化学农药：从生物体中分离出的具有一定化学结构，对有害生物有控制作用的生物活性物质。生物农药分类图张兴，马志卿，李广泽，等.生物农药评述棉铃虫

斜纹夜蛾甜菜夜蛾微生物农药全球植保产品市值300亿美元微生物农药5亿美元主导产品：阿维、Bt、Spinosad我国生物农药主要品种登记注册近140种，产业化14种。杀虫：6种（阿维、甲基阿维、Bt、苦参碱、烟碱、棉铃虫NPV）杀菌：6种（井冈、农用链霉素、农抗120、多氧霉素中生菌素、宁南霉素）生长调节剂：2种（赤霉素、芸苔素内酯）超亿元4种：井冈霉素、阿维、Bt、赤霉素。新型生物农药品种寡糖丙烷脒激活蛋白多粘类芽孢杆菌地衣类芽孢杆菌海洋地衣芽孢杆菌嗜线虫致病杆菌绿色木霉抑霉菌素放线菌新菌株植物活性物质

苏云金芽孢杆菌（BacillusthuringiensisBerliner，Bt）

Bt是当前国内外研究最多，应用最广泛的杀虫细菌。目前正朝着大吨位、多品种的方向发展。在苏云金杆菌几十年的开发利用过程中，人们在生物技术育种、发酵工艺改进、新剂型研制、新产品开发等方面取得了不同程度的进展。白僵菌（Beauveria

bassiana）

白僵菌是用于防治多种鳞翅目害虫的真菌制剂，目前已进入工业化生产和较大规模应用的虫生真菌有球孢白僵菌、卵孢白僵菌、金龟子绿僵菌等。棉铃虫被白僵菌寄生昆虫病毒

昆虫病毒杀虫剂也是生物防治的重要手段之一，这类杀虫剂具有特异性强、毒力高、稳定性能好、安全无害等优点。进入20世纪80年代以后，这类杀虫剂的研究主要集中在昆虫病毒复合剂的研制、病毒的活体增殖、病毒的提取、基因工程病毒杀虫剂的研究及昆虫病毒培养等领域，并都取得了显著的成就。生物技术与养殖业农业动物为人类提供肉、蛋、奶，以及毛皮、绢丝等产品，满足人类对动物蛋白的营养需要或其他生活需要。养殖业包括畜牧、水产和其他有关副业，涉及的动物门类有贝类、昆虫、鱼类、两栖类、爬行类和哺乳类。现代生物技术的迅速发展将为养殖业的革命提供有效的技术手段。

动物转基因技术将外源基因导入动物的基因组并获得表达，由此产生的动物称为转基因动物（transgenicanimal）。转基因技术利用基因重组，打破动物的种间隔离，实现动物种间遗传物质的交换，为动物性状的改良或新性状的获得提供了新方法。动物分子育种技术

动物转基因技术的基本原理动物转基因需要目的基因、合适的载体和受体细胞。动物转基因的步骤：外源基因的获得与鉴定；外源基因导入受精卵；转基因受精卵胚胎发育；检测新基因的遗传性表达能力。

导入外源基因的方法

显微注射法原核期胚胎的显微注射病毒载体法反转录病毒载体感染脂质体介导法脂质体人工膜包裹DNA精子介导法成熟精子携带外源DNA入卵胚胎干细胞法全能性干细胞携带外源基因导入胚胎原始生殖细胞法PGC携带外源基因导入胚胎

转基因技术在动物生产上的应用

促进动物生长，提高产量；改良品质性状，提高产品品质；增强动物抗病能力和抵抗不良环境能力，提高生产效益；研制动物生物反应器。

转基因鱼2006年珠江水产研究所科研人员成功地将红色荧光蛋白基因转入唐鱼，使唐鱼的身体由原来的暗绿色变成红色，具有很好的观赏性。

转基因家禽生产转基因鸡的方法可分为蛋产出前的操作和产出后的操作两种类型。鸡作为生物反应器具有突出的优点：产物易收集，且不易污染；鸡蛋成分简单，产物易分离；鸡饲养成本低，世代间隔短。用鸡蛋生产珍贵的药物外源蛋白，是转基因鸡生产的一个十分诱人的领域。转基因鸡操作要领第一步，构建载体第二步，转化受体细胞第三步，收获病毒颗粒第四步，显微注射到早期鸡胚，封壳，孵化第五步，出壳小鸡PCR筛选第六步，转基因鸡育成

转基因家畜哺乳动物体外受精和胚胎移植技术为转基因家畜的成功提供了有效的技术手段。转基因家畜除了与其他转基因农业动物一样瞄准抗病性和生产性能以外，还因其与人的生物学相似性，在器官移植、药物生产和特殊疾病模型等方面显示出特殊的价值。转基因猪、牛、马、羊、兔等家畜正逐步走出实验室进入实用阶段。2000年3月出生的转基因牛，能产生杀灭引起乳腺炎病原菌的溶葡球菌酶。分子标记技术与动物育种

目前常用的分子标记已有十多种：限制性片段长度多态性(RFLP)、DNA指纹(DFR)、PCR、随机扩增多态性DNA（RAPD)、随机扩增微卫星多态性（RAMP)、特异性扩增多态性(SAP)、微卫星DNA(microsatelliterepeats)标记、小卫星DNA(minisatelliteDNA)标记、扩增片段长度多态性(AFLP)、单链构型多态性(SSCP)、线粒体DNA的限制性片段长度多态性(mtDNARFLP)、差异显示(differentialdisplay)法等。

分子标记方法可用于：构建分子遗传图谱和基因定位。基因的监测、分离和克隆亲缘关系的分析DNA标记辅助选种性别诊断与控制突变分析动物繁殖新技术人工授精及精液的冷冻保存胚胎移植胚胎的冷冻保存体外胚胎生产胚胎分割性别控制技术发情、排卵及分娩控制

生物技术在动物饲料工业上的应用

DNA重组生长激素的研究与应用如：奶牛中注射BST，提高产奶量15%-30%猪中注射PST，提高猪的生长速度。发酵工程技术的研究与应用提高饲料的利用率；改善饲料的营养的平衡等生物技术在动物饲料工业上的应用

寡肽、寡糖添加剂的研究与应用天然植物提取物的研究开发有机微量元素添加剂的研究与应用营养重分配剂的研究与应用畜禽基因工程疫苗基因工程可以生产无致病性的、稳定的细菌疫苗或病毒疫苗，同时还能生产与自然型病原相区分的疫苗，它提供了一个研制疫苗的更加合理的途径，将大大有助于畜禽传染病的诊断和预防。

目前主要的基因工程苗基因工程亚单位苗基因工程活载体苗合成肽苗基因缺失疫苗基因疫苗

动物生物反应器

转基因动物可以像天然原料加工厂，只要投入饲料，就可以得到人类所需要的药用蛋白。

动物生物反应器是利用转基因活体动物，高效表达某种外源蛋白的器官或组织，进行工业化生产功能蛋白质的技术。动物生物反应器的研究开发重点是动物乳腺反应器和动物血液反应器。即，把人体相关基因整合到动物胚胎里，使生出的转基因动物血液中，或长大后产生的奶汁中，含有人类所需要的不同蛋白质。这是当前生物技术的尖端和前沿研究项目。

一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动物生物反应器（bioreactor），几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可经过人为驯化为生物反应器,从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织和器官要方便产物的获得，例如，乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳腺生物反应器,动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。其中，转基因动物乳腺生物反应器的研究最为引人注目。乳腺生物反应器

乳腺生物反应器成功的关键是转基因动物乳腺能特异性表达外源蛋白质基因。组织特异性表达载体是否有效，包括外源基因在乳腺特异性表达，表达的蛋白质具有生物活性和表达的水平起决定性作用。动物乳腺生物反应器的制备目前用于表达载体的启动子调控元件选用动物乳蛋白基因启动子元件，主要有四类乳腺定位表达调控元件：第一类是B2乳球蛋白(BLG)，第二类是酪蛋白基因调控序列：第三类是乳清酸蛋白(WAP)基因调控序列；第四类是乳清白蛋白基因调控序列。动物乳腺生物反应器的优点产品质量稳定产品成本低研制开发周期短无污染经济效益显著动物乳腺生物反应器的应用高乳汁营养价值生产药用蛋白用于生产治疗肺气肿药物的转基因羊在山羊奶中生产ATT动物乳腺生物反应器存在的问题（1）外源基因在动物体内的位点整合问题（2）乳蛋白基因表达组织特异性问题（3）目的蛋白的翻译后修饰问题（4）转基因表达产物的分离和纯化问题（5）转基因的技术与方法问题（6）伦理道德问题其他生物反应器

转基因动物的血液生产人的血红蛋白可以解决血液来源问题；转基因鸡的蛋用来生产重组的免疫球蛋白。

核移植技术及其在养殖业中的应用克隆具有巨大经济价值的转基因动物快速扩大优良种畜挽救濒危动物

胚胎干细胞技术及其在养殖业中的应用生产转基因的动物生产克隆动物研究细胞分化发育的基因调控研究

生物技术与食品食品工业指主要以农业、渔业、畜牧业、林业或化学工业的产品或半成品为原料，制造、提取、加工成食品或半成品，具有连续而有组织的经济活动工业体系。食品工业是生物技术应用的重要领域。单细胞蛋白(singlecellprotein,SCP)单细胞蛋白:由单细胞或丝状微生物个体生产的蛋白质酵母：40-60%霉菌：30%细菌：70%藻类：60-70%微生物含有丰富的蛋白质用微生物生产SCP的优点在最佳条件下，微生物能以惊人的速率生长，有些微生物的生产量每隔0.5～1h增加1倍。微生物比植物和动物更容易进行遗传操作；它们更适宜于大规模筛选高生长率的个体，更容易实施转基因技术。微生物有相当高的蛋白质含量，蛋白质的营养价值高。微生物能在相对小的连续发酵反应器中大量培养，占地小，不依赖气候。微生物的培养基来源很广泛，低廉，特别是利用废料，如有些微生物能利用植物的“残渣”——纤维素作原料。

单细胞蛋白的生产1)能源物质生产SCP甲醇、乙醇、甲烷、多链烷烃

Hoechst&Mitsubishi公司利用甲醇来生产SCP2)工农业废弃物生产SCPQuorn：镰孢霉属真菌利用废料中的糖类生产的蛋白菌菇类：利用木头、稻草等含木质素的材料3)从藻类中生产SCP以CO2作碳源，以阳光作能源小球藻栅藻螺旋藻2.SCP的可接受程度及其毒理SCP生产培养基的原材料是完全的微生物的代谢产物是无毒的加工过程无病原菌或有毒物质SCP产品动物的短期急性毒理测试长期的动物慢性毒理研究二、食品和饮料的发酵生产发酵食品：面包、乳酪、泡菜、酱油、醋等；发酵的酒精饮料：啤酒、葡萄酒等；发酵的非酒精饮料：茶、咖啡等发酵的目的：防治有机酸腐败；改善口味、营养1.酒精饮料酒精发酵的原材料糖类物质淀粉类物质单糖发酵微生物乙醇1)葡萄酒原料：葡萄发酵程度不同干葡萄酒：糖分完全发酵甜葡萄酒：含有部分糖分2)啤酒原料：淀粉性谷类酿造过程制麦芽制浆发酵加工和成熟啤酒是以麦芽（包括特种麦芽）为主要原料，以大米或其它谷物为辅助原料，经麦芽汁的制备，加酒花煮沸，并由酵母发酵酿制而成的，含有二氧化碳、起泡的、低酒精度（2.5%-7.5%）的饮料酒。2.奶制品乳糖乳酸杆菌乳酸酸奶：乳酸杆菌抑制不良细菌，使奶制品耐储存；改善奶制品的口味和质地；维护正常的肠道生态环境奶制品奶酪蛋白质水解和酸化联合作用乳糖乳酸杆菌乳酸凝乳酶动物真菌3.蔬菜发酵泡菜盐：改变渗透压，渗出糖分；乳酸：降低pH，阻止有害菌生长4.谷类食品发酵面包，馒头5.豆类发酵豆豉、酱油三、酶与食品加工四、新型甜味剂五、其他食品添加剂1.醋原料（果汁、大米等）醋酸杆菌酵母菌醋2.食用有机酸柠檬酸、葡萄糖酸、苹果酸等五、其他食品添加剂3.氨基酸和维生素4.低聚糖5.调味剂或调味增强剂六、转基因食品优点：提高产量，改良品质，增强抗逆性等潜在风险：尚存争议转基因食品（geneticallymodifiedfoods,GMF)是由细胞DNA中经非生殖方法插入了特定外源基因或基因片段，并获得某种良好性状的动物、植物或微生物制成的食品。例如抗虫害、抗病毒、抗杂草的转基因玉米、黄豆、油菜、土豆、西葫芦等。

转基因食品转基因产品的种植情况转基因作物自1996年进行商业化种植以来，全球转基因作物种植面积持续增长。截至2004年，在八年间增加了将近40倍左右。已批准商品化转基因作物有大豆、玉米、油菜、棉花、番茄、马铃薯、甜椒、西葫芦、木瓜、甜菜、亚麻、烟草、西瓜等。据估计，用这些转基因作物生产加工的食品全世界有近万种。目前，转基因作物主要集中种植在工业化国家。1999-2003年，美国、阿根廷、加拿大和中国这四个国家种植了全球99％的转基因作物。全球种植的转基因作物主要是大豆、玉米、棉花和油菜。目前，国际上进行实验室研究和田间实验的转基因作物种类较多，但批准商业化种植的转基因作物种类却只有几十种。目前我国正式批准投入商业种植的转基因作物只有两种：一是具有自主知识产权的抗虫棉，另一个是延迟成熟的番茄，其中抗虫棉的种植面积2003年已累计达到4000万亩，而番茄则还处于小范围种植阶段，仅10000亩。进口的转基因食品局限在大豆、玉米、油菜等领域。我国进口的大豆中，70%是转基因大豆，在我国市场上70%的含有大豆成分的食物中都有转基因成分，像大豆油、色拉油、磷脂、酱油、膨化食品等等。美国市场上的转基因食品：在美国，转基因食品已进入寻常百姓的餐桌,转基因大豆也已用于制作数百种食品，其中包括食物油、糖果和人造黄油。超过70%的食品含有转基因成分，像饮料、糖果、糕点、冰激凌等，有3/4的奶酪是转基因奶酪。近年来，美国的转基因作物品种越来越多，如转基因玉米约占美国玉米种植面积的一半。转基因食品的种类

植物性转基因食品

目前全球种植的转基因作物可分为以下三类：1、抗除草剂转基因作物：2000年全球种植抗除草剂转基因作物的面积达到3，270万公顷，占总转基因植种植面积的72%，其中主要为抗除草剂大豆。举例：RoundupReadysoybean(RR大豆)，耐美国孟山都公司Roundup除草剂。2、抗虫转基因作物：2000年全球种植抗虫转基因作物的面积达到830万公顷，占总转基因植物种植面积的19%，其中以抗虫玉米为主。举例：BT玉米，抵抗三种毒素：Cry1Ab、Cry1Ac、Cry9c。3、其他转基因作物：改善产品的品质；增强抵抗病毒病、真菌病及细菌病的能力。动物性转基因食品

比如，牛体内转入了人的基因，牛长大后产生的牛乳中含有基因药物，提取后可用于人类病症的治疗。在猪的基因组中转入人的生长素基因，猪的生长速度增加了一倍，猪肉质量大大提高，现在这样的猪肉已在澳大利亚被请上了餐桌。转基因微生物食品

微生物是转基因最常用的转化材料，所以，转基因微生物比较容易培育，应用也最广泛。例如，生产奶酪的凝乳酶，以往只能从杀死的小牛的胃中才能取出，现在利用转基因微生物已能够使凝乳酶在体外大量产生，避免了小牛的无辜死亡，也降低了生产成本。

转基因特殊食品

科学家利用生物遗传工程，将普通的蔬菜、水果、粮食等农作物，变成能预防疾病的神奇的“疫苗食品”。科学家培育出了一种能预防霍乱的苜蓿植物。用这种苜蓿来喂小白鼠，能使小白鼠的抗病能力大大增强。而且这种霍乱抗原，能经受胃酸的腐蚀而不被破坏，并能激发人体对霍乱的免疫能力。于是，越来越多的抗病基因正在被转入植物，使人们在品尝鲜果美味的同时，达到防病的目的。

转基因棉花中国的转基因羊日本研发的转基因大豆

各种各样的转基因水果浙江省种植的转基因油菜转基因食品检测一、转基因食品的PCR检测（核酸水平）35S启动子；T-Nos终止子；常用的目的基因定性PCR检测原理：以特定的引物对转基因食品中存在的外源DNA片段及相互之间的连接区以及与受体基因组之间的连接区进行PCR体外扩增，然后以凝胶电泳对扩增产物进行分离，用EB染色DNA后在紫外光下检查，进一步可用分子原位杂交进行验证。定性PCR检测的一般程序确定基因重组体构成元件的待测目标序列和内源参照基因针对目标序列和内源参照基因设计引物构建PCR反应体系PCR扩增电泳分离后染色检测载体序列插入序列分子间的反应分子内的反应载体序列插入序列ForwardReverse引物设计原则1.保证引物的类群特异性2.包含完整N-末端区3.产物大小适中4.上下游两条引物有合适且相近的退火温度PCR反应体系BufferMg2+dNTP上下引物DNA聚合酶模板DNA包括待测样品、阴性对照和阳性对照包括待测目标序列和内源参照基因序列包括A、T、C和G4种碱基保证DNA聚合酶活性PCR反应程序退火延伸变性凝胶电泳检查荧光定量PCR检测原理：在常规PCR反应体系中增加了一种探针。探针可以与目的DNA片段特异地互补结合。探针的一端标记荧光基团，另一端标记淬灭基团。在探针未被DNA聚合酶破坏时，后者可以吸收前者的荧光；探针被破坏，淬灭基团不能吸收荧光基团所发荧光，利用检测器检测荧光强度，荧光强度与扩增数量成线性关系，从而实现定量扩增。定量PCR与普通PCR相比的特别处含量已知的梯度浓度阳性标准参照线性关系与循环阀值（Ct）探针缓冲液和DNA聚合酶荧光检测系统二、转基因食品的ELISA检测（蛋白质水平）三、转基因食品的生物芯片检测转基因食品也可以通过转基因的表达产物——蛋白质进行检测，ELISA方法是检测转基因作物中的重组蛋白产物的常用方法。基因芯片具有高通量且能并行检测的优点,仅靠一个实验就能筛选出大量的各种转基因食品,被认为是最具潜力的检测手段之一。酶联免疫吸附测定(enzyme-linkedimmunosorbentassay简称ELISA)是在免疫酶技术(immunoenzymatictechniques)上发展起来的一种新型免疫测定技术，ELISA过程包括：抗原吸附在固相载体上，这个过程称为包被，加待测抗体,再加相应酶标记抗体，生成抗原--待测抗体--酶标记抗体的复合物，再与该酶的底物反应生成有色产物。借助分光光度计的光吸收计算抗体的量。待测抗体的量与有色产物成正比。同理也可包被抗体，测定抗原含量。ELISA最常用的四种方法：直接法测定抗原；间接法测定抗体；双抗体夹心法测定抗原；竞争法测定抗原。

ELISA实验原理酶联免疫分析法(ELISA)可应用于食品微生物、食品毒素、残留农药、食品中其它成分以及转基因食品的检测中,并具有很广阔的应用前景.

（1）

直接法测定抗原A.

将抗原吸附在载体表面；B.

加酶标抗体，形成抗原—抗体复合物；C.加底物。底物的降解量＝抗原量。

（2）间接法测定抗体A.

将抗原吸附于固相载体表面；B.

加抗体,形成抗原-抗体复合物;C.

加酶标抗体；D.加底物。测定底物的降解量＝抗体量。

（3）双抗体夹心法测定抗原A.

将抗体吸附于固相表面;B.

加抗原，形成抗原-抗体复合物;C.加入第二抗体；D.

加酶标抗体;E.加底物。底物的降解量＝抗原量。

（4）竞争法测定抗原A.

将抗体吸附在固相载体表面;B.加入酶标抗原和待测抗原，竞争结合抗体；对照只加入酶标抗原；C.加底物。对照孔与样品孔底物降解量的差＝未知抗原量。生物技术与食品包装现代食品工业的发展和人们生活生产方式的改变，已有的包装技术很难满足人们对包装的要求。现代生物技术在食品包装中的应用将促进食品包装行业的发展。酶工程在食品包装中的应用葡萄糖氧化酶（EFDA）具有对氧非常专一的理想抗氧作用。2.溶菌酶能消除微生物的繁殖。3.转谷氨酰胺酶基因工程在食品包装中的应用利用植物为表达载体来生产PHB，以用于生产可降解的塑料包装检测指示剂在食品包装中的应用生物信息学技术在食品包装检测中的应用渗漏指示剂、漆酶新时代食品工业呈现的新特点

食品生产模式发生“绿色位移”食品加工“重心前移”“食品安全”的内涵发生变化食品产业实现综合利用和零排放

生物技术与未来食品工业

现代生物技术在未来食品工业上的应用大力开发食品添加剂新品种

根据国际上对食品添加剂的要求，今后要从两个方面加大开发的力度，用生物法代替化学合成的食品添加剂，迫切需要开发的有保鲜剂、香精香料、防腐剂、天然色素等。要大力开发功能性食品添加剂，如具有免疫调节、延缓衰老、抗疲劳、耐缺氧、抗辐射、调节血脂、调整肠胃功能性组分。发展微生物的保健食品

微生物食品有着悠久的历史，酱油、食醋、饮料、酒、蘑菇等属于这个领域，它们与双歧杆菌饮料、酵母片剂、发酵乳制品等微生物医疗保健品一样，有着巨大的发展潜力。利用微生物生产食品具有独特的特点，繁殖过程快，在一定条件下可大规模生产，要求营养物质简单。食用菌的投入与产出比高于其他经济作物，食用菌不仅营养丰富，还含有许多保健功能成分，应大力发展食用菌保健食品。螺旋藻食品

螺旋藻是世界是最早的海洋天然藻类生物，富含人体所需18种氨基酸，54种微量元素，多种维生素及亚麻酸、亚油酸和多种天然藻类蛋白质，是人和动物理想的纯天然的优质蛋白质食品。联合国粮农组织已将螺旋藻列入21世纪人类食品资源开发计划，我国也将螺旋藻的研发列为工作重点。开发某些虫类高蛋白食品

昆虫蛋白质也是优质的新食物源，如中华稻蝗的蛋白质含量占虫体干重的73.5％，其氨基酸组成与鸡蛋蛋白相似被称为完全蛋白。还有蟋蟀、蝉、蝴蝶、蚂蚁的蛋白质分别占干重的75%、72％、71%和67％，都具有食用价值，完全可以开发。苍蝇的幼虫（蛆）富含62％左右的蛋白质及各种氨基酸，从蛆壳中还可以提取纯度很高的几丁质。可以说，昆虫食物是人类较为理想的高营养食品，有望成为人类重要的保健食物来源，利用生物技术开发昆虫类高蛋白食品具有广阔的前景。展望21世纪食品的发展，未来生物技术不仅有助于实现食品的多样化，而且有助于生产特定的营养保健食品，进而治病健身。在与环境协调方面，生物技术还有助于食品工业的可持续发展。

生物技术与能源1.能源问题是21世纪所面临的严重危机之一。

地球上亿年积累的化石能源——石油、天然气、煤等，仅能支撑300年的大规模开采就将面临枯竭。如果按现有的开采技术和连续不断地日夜消耗这些化石燃料的速度推算，煤、天然气和石油的有效年限分别是100—120年、30～50年和18～30年。2.能源分为不可再生能源和可再生能源。化石原料即煤、天然气和石油(包括核能)是不可再生能源。的使用不是无限的。可再生能源是指太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和水能。

整个人类发展和工农业生产都离不开化石能源，人类应未雨绸缪，利用现代科技发展生物能源，是解决未来能源问题的一条重要出路。

生物能源是指从生物质得到的能源，是通过绿色植物、藻类和光合细菌的光合作用，捕获太阳能，经代谢转换，储存于生物质中的能量，是太阳能的有机储存，是可再生能源的重要组成部分。它是人类最早利用的能源，生物能源是一种可再生的清洁能源，开发和使用生物能源，符合可持续的科学发展观和循环经济的理念。

生物能源微生物技术与石油开采微生物勘探石油

地震法、地球物理法和地球化学法微生物石油勘探技术和优势微生物石油勘探研究进展微生物辅助采油技术和优势

微生物石油勘探技术和实验依据油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。抗血清筛选土壤中利用烃的微生物。

微生物二次采油技术

采油基本原理：利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸性物质以及H2，CO2及CH4等气体的生理特点。微生物产气可增加地层压力，提高采油率。而且，微生物产生的酸性物质可溶于原油中，降低原油的粘度，使原油能从岩层缝隙中流出而聚集，便于开采。此外，微生物还可以产生表面活性剂，降低油水的表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油通道。风能发电微生物三次采油原理与效率原理：利用微生物分子生物学技术构建能产生大量CO2和甲烷等气体的基因工程菌株或选育能提高产气量的高活性菌株。目的：目的是让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压,而且还能分泌高聚物,糖酯等表面活性剂,降低油层表面张力,使原油从岩石中、沙土中松开,黏度减低,从而提高采油量。效率：进一步提高采油量15%～30%。生产乙醇燃料的生化原理

乙醇作为燃料的益处产能效率高不生成一氧化碳低成本

未来石油的替代物——乙醇乙醇燃料汽车

乙醇发酵常用原材料:蔗糖或淀粉

微生物:酵母菌

关键酶:糖水解酶和酒化酶

酵母菌

A.用于化学工业的乙醇产量;B.用于汽油混合和替代品的乙醇产量

巴西的乙醇生产情况

产量（10亿升）乙醇代替石油的困境生物技术与能源

生产乙醇燃料的原材料淀粉类纤维素类糖类其他玉米木材蔗糖菜花高粱木屑甜高粱葡萄小麦废纸糖蜜香蕉大麦森林残留物甜菜乳酪木薯农业残留物饲料甜菜乳浆土豆固体废物甘蔗硫化废物红薯产品废物葡萄糖

纤维素发酵生产乙醇

生产乙醇原材料化学降解技术生产乙醇原材料酶解法降解技术

葡聚糖内切酶(ED)、纤维二糖水解酶(CHB)β-葡萄糖酶(GL)

微生物混合发酵法生物技术与能源巴西种植甘蔗发展乙醇燃料基因工程技术把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基因和一个β-葡萄糖苷酶基因克隆在能产生乙醇的菌株中，并研究该菌株利用纤维素作原料的情况。把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维素，但不能生产乙醇的菌株中。

“石油植物”，是指那些可以直接生产工业用燃料油，或经发酵加工可生产燃料油的植物的总称。

现已发现的大量可直接生产燃料油的植物，主要分布在大戟科，如绿玉树、三角戟、续随子等。这些“石油植物”能生产低分子氢化合物，加工后可合成汽油或柴油的代用品。植物“石油”能产“石油”的灌木兰桉树油楠的乔木银合欢树麻风树黄鼠草麻风树(小桐子、青桐木）

石油植物的多优点：

l．石油植物是新一代的绿色洁净能源，在当今全世界环境污染严重的情况下，应用它对保护环境十分有利。2．石油植物分布面积广，若能因地制宜地进行种植，便能就地取木成油，而不需勘探、钻井、采矿，也减少了长途运输，成本低廉，易于普及推广。3．石油植物可以迅速生长，能通过规模化种植，保证产量，而且是一种可再生的种植能源，而非一次能源。4．植物能源使用起来要比核电等能源安全得多，不会发生爆炸，泄漏等安全事故。5．开发石油植物，还将逐步加强世界各国在能源方面的独立性，减少对石油市场的依赖，可以在保障能源供应、稳定经济发展方面发挥积极作用。

常见产油的植物向日葵、棕榈、椰子、花生、玉米、白菜、香蕉、胡萝卜、棉籽、油菜子和巴巴苏坚果

提高植物产油量的途径

增加脂肪酸合成底物来提高油脂合成水平。增加油脂合成途径的关键酶的基因表达。

生物技术与能源油料植物

藻类产油

生产生物柴油的方法:化学合成法、生物酶解法和工程藻类技术。提高工程小环藻产油的途径：设法提高乙酰辅酶A羧化酶在微藻细胞中充分表达。

采用工程小环藻制造柴油的优势。生产甲烷的生化机理

厌氧微生物生产甲烷途径

初步反应：利用芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)及变形杆菌属(Proteus)等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组分。

微生物发酵过程：低分子质量的可溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成有机酸。

甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲烷及CO2。

传统可再生能源——甲烷沼气的成分

沼气是一种混合气体。它的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等气体。其中甲烷约占50-70%、二氧化碳约占30-40%，其他成分含量极少。沼气的性质

沼气的主要成分是甲烷，甲烷是一种简单的碳氢化合物。它的化学性质极为稳定，不溶于水，比空气轻一半，是一种无色、无味、无臭、无毒的可燃性气体。沼气未燃烧时略有蒜味或臭鸡蛋气味，是因为沼气中含有少量硫化氢气体的缘故。

当甲烷完全燃烧时，呈蓝白色火焰，燃烧温度可达1400℃，每立方米甲烷气体，完全燃烧发热量为8717大卡。每立方米人工沼气的发热量为5000大卡左右。相当于1公斤优质煤或0.7公斤汽油的发热量。

一立方米的人工沼气，能供3-4口之家三餐饭菜的燃料，能使一盏60支光的沼气灯照明6小时，能使一马力的内燃机工作2小时，能发电1.25度。沼气发酵微生物（细菌）

第一类叫发酵细菌。包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。

第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。

第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。

在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。

①.发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例，反应过程如下：（C6H10O5）+nH2O——→n(C6H12O6)2C6H12O6——→CH3COOH+CH3CH2COOH+CH3CH2CH2COOH+3CO2+3H2②.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳

反应过程如下：

CH3CH2COOH+2H2O——→CH3COOH+CO2+3H2CH3CH2CH2COOH+2H2O——→2CH3COOH+2H2各种发酵性细菌

玉米秸发酵时的发酵性细菌

食氢产甲烷菌甲烷八叠球菌甲烷丝菌

沼气发酵微生物的作用

1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养；

2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境；

3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质；

4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。沼气发酵微生物的特点

1、分布广，种类多上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹；沼气微生物在自然界分布也很广，种类达200-300种。

2、繁殖快，代谢强产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。

3、适应性强，容易培养与高等生物相比，多种微生物适应性较强，并且容易培养。例如，沼气池里的微生物在10-60°C条件下，都能进行沼气发酵。

人工制取沼气的基本条件是：

一、适宜的发酵原料二、质优足量的菌种三、严格的厌氧环境四、适宜的发酵温度五、适度的发酵浓度六、适宜的酸碱度

沼气发酵过程目前公认的沼气发酵过程复杂有机物（多糖、脂类、蛋白质等）可溶性物质（糖类、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOH③⑤④①①①②②CH4H2O丙酸、丁酸等长链脂肪酸CH4CO2第一阶段是含碳有机聚合物的水解。纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳；

第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳；

第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。氢能生物质制氢技术以生物质为原料利用热物理化学原理与技术制氢，如生物质气化制氢，超临界转化制氢，高温分解制氢；基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇转化制氢。利用生物途径转换制氢,如微生物发酵、直接生物光分解等。未来新能源常见的放氢微生物