生物工程技术在现代生活中的应用

生物技术在现代生活中的应用 摘要:生物工程，也称生物技术，是当代新技术革命的三大支柱之一。由于其用途非常广泛，已成为解决当今世界面临的许多重大课题的关键。近年来，人们已在生物技术领域取得了许多突破性进展，这些成果不但标志着人类能够从微观上支配和改造生物，而且它的应用将给人类社会和生活带来巨大变革。21世纪将是“生物世纪”。各国政府和科技界都意识到“谁抓住了生物”谁将成为下一个世纪的“霸主”。 关键词:生物技术、农业、天然药物、废水生物处理、食品、应用 一、生物工程技术在农业生产中的应用 1、良种选育，品质改良 随着生物技术的发展，人们已经可以把一个品种、品系的理想遗传性状转入另一品种、品系，以提高植物的价值、产量和质量。Calgene公司的科学家分离到一种控制植物纤维素形成的酶的基因，将其转入特定的树种可培育出纤维素含量高的对造纸业更有利的植物。在番茄中导入编码EFE酶的反义基因，可以限制乙烯的生成，酶活性降至正常的5%以下，果实生理成熟后长期保持坚硬，仓贮1个月以上不软化、不腐烂，很大程度上提高了番茄的耐贮藏性能和经济效益。 2、提高植物的抗性 (1)、抗虫 全世界粮食产量因虫害所造成的损失占14%左右。长期以来人们普遍采用化学杀虫剂来控制害虫，全世界每年用于化学杀虫剂的总金额在200亿美元以上。但化学杀虫剂的长期使用造成农药的残留、害虫的耐受性、环境污染等严重的问题，而利用基因工程的手段培育抗虫植物新品种除可以克服以上缺点外，还具有成本低、保护全、特异性强等优点，从而倍受关注，成为当前研究的热点。目前人们已获得多种抗虫基因，其中有蛋白酶抑制剂基因，淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因、昆虫特异性神经毒素基因、几丁质酶基因等，它们已被导入烟草、棉花、油菜、水稻、玉米、马铃薯等多种农作物，在抗虫方面得到了广泛的应用，有的已进入了商品化生产。 (2)、抗病毒 传统的抗病毒作物，是将植物天生的抗病毒基因从一个植物品种转移到另一个植物品种，然而抗病植株常会转变为感病植株，而且作用范围较窄。最近，研究人员采用基因工程的技术培育有别于传统方法的转基因抗病毒植物，目前最有效的是将病毒外壳蛋白基因导入植株获得抗病毒的工程植物。 (3)、抗寒 低温对细胞造成损伤的主要原因是造成细胞内膜结构中的脂质双层流动性降低，导致膜结构损伤，影响植物正常的生长。生物膜中双层脂分子保持流动性，主要依靠其中不饱和脂肪酸的含量，不饱和脂肪酸多则抗冻。通过分离能催化形成高不饱和脂肪酸的甘油-3-磷脂酰转移酶的基因，并将其转入植物而获得具有抗寒能力的转基因作物， 这方面的工作已见报道。同时人们从一些生活在高寒水域的鱼类分离出一些特殊的血清蛋白，即鱼抗冻蛋白及其基因，可以降低在低温下细胞内冰晶的形成速度，从而保护细胞免受低温损伤。 (4)、抗除草剂 除草剂全世界目前约有2000多个品种，在农药市场占有最大的份额。然而除草剂的使用有着自身难以克服的局限性，如很多除草剂无法区别庄稼和杂草，有些除草剂必须在野草长起来以前就施用，而且由于抗性草类群落的出现导致使用量增大对环境的危害也日益严重。制造抗除草剂的转基因作物是克服这些缺点的理想途径。采用将靶酶基因导入作物细胞，1987年美国科学家成功从矮牵牛中克隆出EPSP合酶基因转入油菜细胞的叶绿体中，使油菜能有效地抵抗草甘膦的毒杀作用。另外，有人把降解除草剂的蛋白质编码基因导入宿主植物，从而保证宿主植物免受其害，该方法已成功地用于选育抗磷酸麦黄酮的工程植物。 3、抗重金属 由于人类活动、矿山的开采，工业化进程的加剧，空气、土壤、水体面临着越来越严重的重金污染，不但严重影响作物的产量和品质，更重要的是通过植物食物链危害人类的健康。土壤中的重金属主要有Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、As等。20世纪80年代，提出植物修复、超富集植物。但由于自然界中已发现的绝大多数重金属富集或超富集植物往往生长周期长、生物量低、植株矮小，因而限制了其对污染土壤重金属的移除效率。通过基因工程技术改良植物对重金属的抗性，增加或减少重金属在植物体内的累积量被认为是进行污染土壤的生态恢复以及减少食物链重金属污染的一条切实可行的有效途径。富集重金属的相关基因不断克隆，应用转基因技术提高植物对重金属的耐性已取得一些重要进展，一些转基因植 物地上部分现了较高的重金属离子富集量，并在污染土壤的生态恢复中进行了初步应用。 4、现代生物农药 随着人们对化学农药危害性、局限性的逐步认识，生物农药在植物生产中地位逐渐突现出来，成为绿色农业的重要组成部分，受到各国政府的高度重视，有了较为广泛的应用。微生物农药具有对人畜安全、不破坏生态平衡、害虫不易产生抗性等优点，但也存在着药效速度慢、专一性强、受自然条件影响大的缺点。而利用基因工程改造微生物菌种，创造出自然界不存在的新型菌种就可以克服这些缺点。 二、生物工程技术在天然药物中的应用 1.生物工程技术在动物药研究中的应用 动物药是我国医药宝库的重要组成部分，是中药三大来源之一，其传统研究思路以中医理论为指导，重点研究临床应用等相关方面，主要包括:本草考证、资源调查、基源鉴定、动物药化学、加工炮制、药效研究、品质评价等。动物药研究起步较晚，动物药的系统研究整理工作始于20世纪60年代，基础薄弱，存在较多空白，加之传统动物药研究理论不完善，符合动物药研究特色的方法学尚未建立，如何合理有效的借鉴现代技术手段也不明确。随着生物领域技术的发展，现代生物技术已逐渐广泛应用于动物药研究领域，并取得了可喜进展。 2.生物工程技术在植物药中的应用 由于人类对自然界的持续性破坏，野生药材资源日益减少。传统栽作中存在着有效成分含量不稳定;农药、重金属含量超标;栽培品系的品质日渐退化以及产量远远不及工业化大生产的要求等一系列问题，严重阻碍了中药的现代化进程。引进生物技术，可以对中药材品质进行多方面的改进。 3、生物工程技术在海洋药物研究中的应用 自80年代以来，现代生物技术已广泛应用于生物医学研究的各个领域，在海洋生物资源研究与开发中的应用已发展成为一个新兴的研究领域———海洋生物技术，即“利用海洋生物或其组成部分生产有用的生物产品以及定向改良海洋生物遗传特性”的一门综合性科学技术 三、生物工程技术在食品加工中的应用 1、酶技术的应用 酶是细胞原生质合成的一类具有高度催化活性的特殊蛋白质，是生物催化剂。酶普遍存在于动、植物和微生物中，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯度的生化制品，称为酶制剂。 酶在食品工业中的应用范围很广，酶技术在果蔬加工中的应用也很广泛。近年来在果蔬加工上，还开发出酶浸渍法处理果蔬以改变表面及内部组织的特性，增加风味及其它感官香味及口感。现在此技术已广泛应用于柑桔的去皮、去苦及保持桃子的硬度等，所生产的产品有更好的新鲜度和组织外观。目前欧美各地的食品厂已使用此技术制造罐头类食品、玻璃瓶装制品及新鲜冷藏水果。 2 、基因工程技术的应用 基因工程技术可以说是现代化生物技术的核心内容，主要包括重组DNA、基因缺失、基因加倍、导入外源基因及改变基因位置等分子生物学技术手段，为定向改变生物性状提供了理论和技术基础。 目前基因工程产品在食品工业中占据了日益重要的地位，使传统农业、传统食品工业发生了根本性的变革。特别是转基因食品，作为现代生物技术的一种高科技产物，在短短的十几年里取得了重大的进步，产生了显著的社会与经济效益，不仅能够生产出口味更佳的食物，而且能够抗病虫害、抵御旱涝灾害、便于储运，大大降低了产品成本，提高了人类的食物产量，这在人口众多的发展中国家，具有重要的现实意义，将是人类解决因人口增加而产生的食物短缺问题和从根本上解决食品营养品质问题的有力手段。 3、 细胞工程在食品工业中的应用 细胞工程技术应用于食品工业是随着细胞培养和细胞融合技术的发展而发展起来的。在细胞培养方面最典型的例子是人参细胞培养成功，还有香料与色素的生产。日本利用培养草莓细胞生产红色素的技术已成功应用于葡萄酒及食品加工之中。利用香草细胞培养技术可大量生产香草香精。当今，白酒、果酒、酱类等食品发酵行业以使用酵母为主，曲菌也适于酒 类和酱油生产。这些行业的微生物育种目标是培养出耐乙醇酵母、耐盐酵母、耐高糖酵母、无泡酵母、耐温酵母及谷酰胺酶与蛋白质分解酶活性高的曲菌。具有重要意义的成就是嗜杀其它菌类活性的嗜杀酵母新菌株的培育成功，日本协和发酵公司已完全使用嗜杀性葡萄酒酵母酿制新酒，目前，正研究运用细胞融合技术取得其它菌株，应用于食品发酵工业之中。 4、 微生物发酵技术的应用 应用微生物发酵方法生产的发酵产品，有传统的酿制品、还有酒精、有机酸、氨基酸、单细胞蛋白等。发酵工程是利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项现代技术包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵、以及微生物的利用技术。利用发酵工程技术所取得的成就涉及到新食品配料，食品加工的催化剂，饮料稳定剂，, -氨基酸及其衍生物制造，以及废弃物利用和食品品质的等。 5 、生物传感器和生物反应器的应用 生物传感器是利用生命物质如酶、抗体等作敏感材料，与电子技术相结合，通过换能器件构成自动化系统，用以从多种化合物的复杂样品中选样地测定某一特定成分。其特点是精确、快速、灵敏。其方法包括核酸探针、聚合酶链反应、免疫分析等，在食品上应用于成分分析、病菌毒素检测、残留农药检测等品质管理。 模拟生命过程的生物反应器在生产酶制剂和发酵产品中应用广泛。生物反应器如同一根能进行生物体内反应的大试管，将生物细胞或酶等加入其中，设置一定的环境条件，使之发生某些生化反应而大量产生我们所需的产物。生物反应器较之发酵器有着生化反应简单明确，可控程度高，生物性材料可重复使用的特点。 四、生物工程技术在水污染治理中的应用 1、水污染的生物治理技术 (1)、好氧活性污泥法 好氧活性污泥法是利用含有大量需氧型微生物的 活性污泥，在强力通风条件下使污水净化的生物技术。传统的好氧活性污泥法的缺点是废水中污染物浓度变化，特别是一些有抑制 作用的污染物对细菌活性有明显的抑制作用。使用驯化后的活性污泥可以抗拒高浓度污染物的抑制作用，如用驯化后的混合菌课连续降解有毒有机氯化物。 (2)、生物膜法 以生物膜为净化主体的生物处理技术。比活性污泥法具有生物浓度大、动力消耗小等优点，但处理水质不如活性污泥法好，所以常将二者结合使用。具有代表的是旋转式接触生物膜反应器，用它处理2-氯化酚、2,4-二氯化酚、2，4,6-三氯化酚、无氯化酚等有毒有机物时，去除率分别为68.2%，88。7%，85.6%，COD去除率为87.7%。可见其净化难降解有机物的效果显著。 (3)、厌氧处理法 此法是在缺氧条件下，利用厌氧性微生物(包括兼性)分解污水中有机质的方法。该处理技术中，可通过改良菌株和改进生物处理各主要流程来提高污染物去除效率。90年代以来开发了新型混合膨胀床颗粒活性炭反应器，用它处理含抑制生物降解有机物的废水比传统颗粒活性炭反应器有较高的生物去除效率。此外，还有氧化塘法、土地处理法及酶处理技术等污水的生物处理技术。 2、环境生物制剂废水处理 环境生物制剂包括新型微生物菌剂、生物吸附剂、微生物絮凝剂、生物催化剂、生物破乳剂、特种环境微生物菌种等用微生物强化处理的微生物菌剂及材料或通过微生物转化制备用于改善环境的产品，这是目前废水生物处理技术最具有发展潜力的方面。 (1)、新型微生物菌剂 采用独特的发酵工艺把好氧性微生物和厌氧性微生物按一定的比例加以混合，培养出多种多样的微生物群落形成有效的微生物生态系统。在对污水净化中，取得良好的社会效益和经济效益; (2)、微生物絮凝剂 通过细菌、放线菌、真菌等微生物的发酵培养、浸取、精制而得到含蛋白子或多糖类生物聚合物等的微生物制剂; (3)、生物破乳剂 主要用于处理乳液状含油废水，对石油废水进行生物破乳预处理后有利于气浮，课去除以乳状形式存在的难降解有机污染物。目前在国外已成为研究开发热点; (4)、环境生物吸附剂 近年来废水生物处理的一个崭新的发展方向，主要有两大类:一类是高比表生长的厌氧或兼性微生物的代谢作用处理废物，其主要降解产物是甲烷和二氧化碳等，一般需要保证温度、无氧或低溶解氧浓度。 (5)、准好氧处理 准好氧处理填埋场的蛀牙设计与运行思想是使渗滤液集水沟水位低于渗滤液集水干管管底高程，使大气可以通过集水干管上部空间和排气通道，使填埋场具有某种好氧条件。准好氧处理靠垃圾分解产生的发酵热造成内外温差，使空气流自然通过填埋体，促进垃圾的分解和稳定。准好氧填埋有如下优点:一，它不需要强制通风，节省能量;二，渗滤液产生后被迅速收集，减少了对地下水的污染;三，相对于厌氧处理，垃圾稳定得更快，危险气体，如甲醛等的产量降低。 结语 生命科学与生物技术，作为“对全社会最为重要并可能改变未来工业和经济格局的技术”，一直吸引着人们的眼球。生命科学的新发现、不断出现的新生物技术无不展示着其在改善人类医疗卫生、农业、人口和食品状况方面的显著地位。生物技术的发展对化学、数学、物理、材料、信息工程等学科提出了许多新问题、新思路和新挑战，促使这些学科不断开拓新的研 究领域。生物技术产业的发展对于改善人们的生活环境、提高人们的生活质量具有重要意义，特别是对于我国这样一个人口众多、人均资源少的国家，发展生物技术产业更具有重要的战略意义。 参考文献: [1] 邓明鲁. 中国动物药资源[M] . 北京: 中国中医药出版社, 2007:341-345. 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