第一篇:基因工程在廢水處理中的應用與展望
基因工程在廢水處理中的應用狀況及展望
摘要:本文對現代基因工程技術在污水生物處理系統中的應用進行了概述, 利用基因工程技術提高微生物凈化環境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術。筆者就基因工程技術的原理、研究內容和在污水處理領域中的應用進行了闡述了,并對其研究方向作了展望。
關鍵字:基因工程,污水處理,應用
The application status of gene engineering technique to wastewater
treatment and its prospects
Abstract: The application of gene engineering technique in wastewater treatment process had been discussed in this paper, and gene engineering technique was the key technique for wastewater treatment by improving the purifying environment ability of microbes.The author formulated the principle, main research content of gene engineering technique, and the application of gene engineering technique in wastewater treatment, and discussed its research orientation in the end.Key words: gene engineering, wastewater treatment, application
生物法處理生活污水如今已被廣泛的應用,但揭示污水中復雜微生態系統方面存在很大的局限性,并且有些特殊污水用自然界中自然進化的微生物難于降解,基因工程的引進開辟了培育高降解能力的新品菌種方法,利用基因工程技術檢測微生物性狀、提高微生物凈化環境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術。基因工程的定義
基因工程(genetic engineering)是指重組DNA技術的產業化設計與應用,包括上游技術和下游技術兩大組成部分。上游技術指的是基因重組、克隆和表達的設計與構建(即重組DNA技術);而下游技術則涉及到基因工程菌或細胞或基因工程生物體的大規模培養以及基因產物的分離純化過程。基因工程是利用重組技術,在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法,對各種生物的核酸(基因)進行改造和重新組合,然后導入微生物或真核細胞內,使重組基因在細胞內表達,產生出人類需要的基因產物,或者改造、創造新特性的生物類型。
一個完整的、用于生產目的的基因工程技術程序包括的基本內容有:(1)外源目標基因的分離、克隆以及目標基因的結構與功能研究。這一部分的工作是整個基因工程的基礎,因此又稱為基因工程的上游部分。(2)適合轉移、表達載體的構建或目標基因的表達調控結構重組。(3)外源基因的導入。(4)外源基因在宿主基因組上的整合、表達及檢測與轉基因生物的篩選。(5)外源基因表達產物的生理功能的核實。(6)轉基因新品系的選育和建立,以及轉基因新品系的效益分析。(7)生態與進化安全保障機制的建立。(8)消費安全評價。基因工程技術在廢水處理中的應用
環境污染已遠遠超出了自然界微生物的凈化能力,已成為人們十分關注的問題。尤其是在污水處理方面,生物法逐漸成為廢水處理的主要方法。但是由于廢水的多樣性及其成分的復雜性,自然進化的微生物降解污染物的酶活性往往有限。20世紀90年代后期問世的DNA改組技術可以創新基因,并賦予表達產物以新的功能,創造出全新的微生物,就可以定向獲得具有特殊降解性狀的高效菌株,方便有效地應用于水污染處理。因此,構建基因工程菌成為現代廢水處理技術的一個重要研究方向,且日益受到人們的重視。
2.1 基因工程技術在污水檢測中的應用
2.1.1 聚合酶鏈反應(PCR)技術在污水檢測中的應用
聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction)是20世紀80年代后期由K.Mullis等建立的一種體外酶促擴增特異DNA片段的技術,PCR是利用針對目的基因所設計的一對特異寡核苷酸引物,以目的基因為模板進行的DNA體外合成反應。由于反應循環可進行一定次數(通常為25~30個循環),所以在短時間內即可擴增獲得大量目的基因。這種技術具有靈敏度高、特異性強、操作簡便等特點。PCR技術的基礎是只有在微生物特定核酸存在的條件下,重復性酶促DNA合成和擴增才能夠發生。PCR擴增產物可通過瓊脂糖凝膠電泳來檢驗和純化,也可以被用來克隆、轉化和測序.在具體應用中往往采用經過修正的或與其它技術聯合應用的PCR衍生技術,如RT-PCR、競爭PCR、PCR-DGGE、PCR-SSCP和巢式PCR等。
PCR通過對待測DNA片段的特異性擴增,一方面作為菌株定性鑒定的重要手段,同時也為定性和定量研究微生物的群落特征提供幫助。自PCR技術問世以來,通過其自身的不斷完善以及同其它相關技術的聯用,在污水生物處理微生物的檢測和鑒定方面得到了長足的發展,為該領域的研究提供了一個高效、靈敏、簡便的研究工具。應用PCR-DGGE(Polymerase Chain Reaction Denaturing Gradient Gel Electrphoreses)方法對環境微生物進行研究可以不經過培養,直接從樣品中提取細菌的DNA,再將編碼有16SrDNA的基因進行擴增。通過這種方法能夠直接了解樣品中微生物分布結構,并能大致比較相同條件下單一菌群的生物量。王峰等采用PCR-DGGE技術來分析活性污泥與生物膜中微生物種群的結構,可以不經過常規培養而直接從活性污泥和生物膜樣品中提取DNA;Marsh等利用PCR-DGGE分析并獲得了活性污泥中真核微生物的種群變化情況;Nicolaisen等利用PCR-DGGE技術發現Nitrosomonas-like細菌是上流式好氧流化床顆粒污泥中的主要氨氧化菌。以上的事實均說明,PCR-DGGE結合測序技術是一種完全可行的適于環境樣品微生物研究的快速分析方法。
2.1.2 熒光原位雜交技術(FISH)技術在污水檢測中的應用
熒光原位雜交技術(Fluorescence In Situ Hybridization,FISH)結合了分子生物學的精確性和顯微鏡的可視性,能夠在自然的微生物環境中檢測和鑒定不同的微生物個體,并提供污水處理過程中微生物的數量、空間分布和原位生理學等信息。FISH技術的基本原理是通過熒光標記的探針在細胞內與特異的互補核酸序列雜交,通過激發雜交探針的熒光來檢測信號從而對未知的核酸序列進行檢測。
Nielsen等(2001)對工業廢水處理廠活性污泥的細菌表面疏水性進行了原位檢測,并應用FISH技術結合細胞表面微球體分析研究了絲狀細菌的胞外聚合物。Konuma等(2001)運用FISH法來測定氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria)的數量,結果表明,FISH法對氨氮含量高的活性污泥混合液檢測結果較好,但對氨氮含量低的污水廠出水和河水的檢測效果不佳。表1列舉了FISH技術的一些應用實例。
表1 FISH技術在廢水中微生物檢測的具體應用實例
Table1 The applications of FISHin the microorganism detections in wastewater 應用
檢測活化污泥反應器中的Microthrix parvicella 在EBPR系統中,考察聚磷菌(PAOs)的微
生物特性和生化特性
探明廢水處理濕地生物膜中影響氨氧化的主要功能菌群
揭示UASB反應器中高溫和中溫顆粒污泥的厭氧微生物群落的空間分布和多樣性 鑒定了活性污泥中硝化細菌群落的數量和空間分布
SBR反應器內,不同電子受體條件下,反 硝化除磷菌(DNPAOs)的種群變化
文獻來源(Eberlet al.,1997)(Minoet al.,1998)(Silyn-Robertset al.,2001)(Sekiguchiet al.,2002;Syutsuboet al.,2001)(Coskuneret al.,2002)(Johuanet al.,2002)
2.1.3 DNA重組技術在污水檢測中的應用
DNA重組技術的實質是,將兩個或多個單獨的DNA片段連接起來產生一個能在特定宿主中自主復制的DNA分子。其基本程序是:外源DNA的獲得;選擇載體并進行處理;將目的DNA片段和處理后的載體連接;將連接產物導入合適的宿主細胞內,使重組DNA分子在宿主細胞內復制擴增;將轉化菌落在平板培養基上培養成單個菌落,篩選獲得含有重組DNA的陽性克隆。在廢水的處理過程中僅靠分離和篩選的功能性微生物是不夠的。在混合的微生物群體中篩選特定的微生物菌種時往往得不到預期的結果;特定的微生物可能難以培養,從而無法應用到實際的生物反應器中;人類排放到環境中的污染物越來越復雜且難以處理。因此,有必要通過基因工程技術并根據具體的需要構建有效的基因工程菌或培育出可高效降解復雜多樣的有害污染物的細菌來解決以上的問題。
2.2 利用基因工程菌降解廢水中的有機污染物
生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法,但是部分難降解有機污染物需要不同降解菌之間的協同代謝或共代謝等復雜機制才能最終得以降解,這無疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代謝產物在不同降解菌間的跨膜轉運是耗能過程,對細菌來說這是一種不經濟的營養方式;其次,某些污染物的中間代謝產物可能具有毒性,對代謝活性有抑制作用;此外,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力。
Satoshi Soda等[11]將基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接種到SBR反應器的活性污泥中,用于處理500mg/L的苯酚廢水,在大大提高苯酚去除率的同時改善了污泥沉降性能。南京大學、揚子石油化工有限責任公司、香港大學、國家環保總局南京環境科學研究所聯合完成了跨界融合構建基因工程菌處理石化廢水的生物工程技術。在優化調控技術的基礎上,該菌株對二甲苯、苯甲酸、鄰苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和對苯二甲酸的降解率分別高達86%、94%、99%、97%和94%,比原工藝提高了20%~30%,總有機碳去除率達到了94%;污水經過處理后,銅、錳、鋅、硒的濃度符合國家規定排放標準,生物毒性明顯降低。
劉春等以生活污水為共基質,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反應器中對阿特拉津的生物強化處理效果,以及生物強化處理對污泥性狀的影響。結果表明,基因工程菌在MBR中對阿特拉津具有很好的生物強化處理效果,阿特拉津平均出水濃度為0.84 mg/L,平均去除率為95%,最大去除負荷可以達到70mg/(L·d)。生物強化的MBR對生活污水中COD的平均去除率為71%,COD平均出水濃度65mg/L。
呂萍萍等研究發現,克隆有苯降解過程中的關鍵基因——甲苯加雙氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)對苯具有較高的降解效率和降解速度,應用于固定化細胞反應器中效果突出。在較短的水力停留時間內,可以將1500mg/L苯降解70%,降解速度為1.11mg/(L·s),延長水力停留時間,可以使去除率達到95%以上。該反應器對高濃度的苯具有突出的處理效果。同時所得到的產物為環己二烯雙醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。
2.3 基因工程技術在處理重金屬廢水中的應用
將基因工程技術應用于重金屬廢水的治理,就是通過轉基因技術,將外援基因轉入到微生物細胞中進行表達,使之表現出一些野生菌沒有的優良的遺傳性狀。2.3.1基因工程菌強化生物化學法處理重金屬廢水
生物化學法指通過微生物處理含重金屬廢水,將可溶性離子轉化為不溶性化合物而去除。硫酸鹽生物還原法是一種典型生物化學法,該法是在厭氧條件下硫酸鹽還原菌通過異化的硫酸鹽還原作用,將硫酸鹽還原成H2S,重金屬離子和H2S反應生成溶解度很低的金屬硫化物沉淀而被去除,同時H2SO4的還原作用可將SO2-4轉化為S2-而使廢水的pH值升高,從而形成重金屬的氫氧化物而沉淀。中國科學院成都生物研究所從電鍍污泥、廢水及下水道鐵管內分離篩選出35株菌株,從中獲得高效凈化Cr(VI)復合功能菌。
袁建軍等利用構建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子,發現電解廢水中其他組分的存在可以增大重組菌富集汞離子的作用速率,且該基因工程菌能在很寬的pH范圍內有效地富集汞。但高濃度的重金屬廢水對微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不過,可以通過遺傳工程、馴化或構造出具有特殊功能的菌株,微生物處理重金屬廢水一定具有十分良好的應用前景。2.3.2 基因工程強化生物絮凝法處理重金屬廢水
生物絮凝法是利用微生物或微生物產生的具有絮凝能力的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法。生物絮凝劑又稱第三代絮凝劑,是帶電荷的生物大分子,主要有蛋白質、黏多糖、纖維素和核糖等。目前普遍接受的絮凝機理是離子鍵、氫鍵結合學說。前述硅酸鹽細菌處理重金屬廢水可能的機理之一就是生物絮凝作用。目前對于硅酸鹽細菌絮凝法的應用研究已有很多[,有些已取得顯著成果[7]。運用基因工程技術,在菌體中表達金屬結合蛋白分離后,再固定到某些惰性載體表面,可獲得高富集容量絮凝劑。
Mehran Pazirandeh等人將含金屬結合肽(Cys.Gly.Cys—Cys.GIy)的基因與麥芽糖結合蛋白的基因進行融合,并將融合蛋白在E.coli細胞膜處表達,表達該融合蛋白的基因工程菌對人工合成廢水中Cdz+和H +的去除率有很大的提高,Cdz 和H +的富集能力分別達到每毫克濕細胞1.1和1.3nmol,而對照菌株(缺少金屬結合肽)的富集能力低于每毫克濕細胞0.1 nmol Masaaki Terashima 等利用轉基因技術使 E.coli表達麥芽糖結合蛋白(pmal)與人金屬硫蛋白(MT)的融合蛋白pmal-Ml并將純化的 pmal-MT 固定在Chitopeara 樹脂上,研究其對 Ca2+和 Ga2+的吸附特性,該固定了融合蛋白的樹脂具有較強的穩定性,并且其吸附能力較純樹脂提高十倍以上。展望
自2000年,國際上提出基于系統生物學原理的基因工程概念后,基因工程被應用于社會各個領域,并且手段日新月異。在環境領域當中,基因工程正迅速應用到廢水檢測和廢水治理當中,培養出新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本。隨著分子生物學技術、環境工程檢測技術的發展并結合我們已經掌握的微生物群落結構和功能方面的知識,我們逐漸了解到污水生物處理系統中微生物群體的多樣性、實際生存狀態、功能特點,并更有效地對其加以開發和利用。此外,基因工程菌的出現,使以往的一些難降解有機廢水、制藥廢水、石油廢水、重金屬污染廢水以及其他有毒有害廢水等都得到了有效地治理,還會實現廢水資源化。當下引入DNA 擴增和其它生物技術的環境監測方法等將是基因工程技術研究的側重方向。
基因工程技術作為一種新興技術以極快的速度發展。以下兩方面的研究將對水資源保護有著重要意義。一是對基因工程菌的深入研究,如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的基因表達的啟動子基因序列、降解基因表達的調控條件的優化等方面的研究;二是對環境中微生物的習性及基因工程菌與環境中微生物和污染物之間的相互作用進行研究。目前的研究主要是利用單一的基因工程菌對污染物進行處理,隨著研究的不斷深入,利用多種基因工程菌相結合對污染物進行處理,將對水資源保護起到更為重要的作用。參考文獻
[1] 李向東,馮啟言,于洪鋒.基因工程菌在制藥廢水處理中的應用.工業水處理,2008, 28(8):70-71.[2] 楊 林,聶克艷,楊曉容,高紅衛.基因工程技術在環境保護中的應用.西南農業學報,2007,20(5):11-30.[3] 邢雁霞,劉斌鈺.基因工程技術的研究現狀與應用前景.大同醫學專科學校學報,2006年第3期:48.[4] Johwan A, Tomotaka D, Satoshi T, et al.2002.Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay [J].Wat Res, 36:403—412.[5] Leo E, Renate S, Aldo A, et al.1997.Use of green fluorescent protein as a marker for ecological studies of activated sludge communities[J].Fems Microbiology Letters, 149(1):20:77—83.[6] Marsh TL, Liu WT, Forney LJ.1998.Beginning a molecular analysis of the eukaryal community in activated sludge [J].Wat Sci Tech, 37(4—5):455—460.[7] Metcalf, Eddy, Inc.2003.Wastewater Engineering: Treatment and Reuse(Fourth Edition)[M].Beijing: Tsinghua University Press:129—130.[8] Mette H N, Niels B R.2002.Denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)approaches to study the diversity of ammonia-oxidizing bacteria [J].Journal of Microbiological Methods, 50:189—203.[9] Wang F, Fu Y G.2004.Characteristics of municipal sewage chem-bioflocculation treatment process by using PCR-DGGE technology[J].Environmental Science,25(6):74—80(in Chinese).[10] Wang J, Chicharro M, Rivas G,et al.1996.DNA biosensor for the detection of hydrazines[J].Anal Chem, 68(13): 2251—2254.[11] Zhang D, Zhang D M, Liu Y P,et al.2004.Community analysis of ammonia oxidizer in the oxygen-limited nitritation stage of OLAND system by DGGE of PCR amplified 16S rDNA fragments and FISH [J].Journal of Environmental Sciences, 16(5):838—842.[12] Sellwood J,Litton P A,Mcdermott J,et al.1995.Studies on wild and vaccine strains of poliovirus isolated fromwater and sewage [J].Wat Sci Tech, 31(5—6):317—321.[13] Selvaratnam S, Shoedel B A, Mcfarland B L, et al.1997.Application of the polymerase chain reaction and reverse transcriptase/PCR for determining the fate of phond-degrading Pseudomonas putida ATTCC 11172 in a bio-augmented sequencing bath reactor [J].Appl Environ Microbiol, 47:236—240.[14] SimonT.1999.PCR and the detection of microbial pathogens in water and wastewater[J].Wat Res,33(17):3545—3556.[15] Zhao, X.W., M.H.Zhou, Q.B.Li, et al.Simultaneous mercury bioaccumulation and cell propagation by genetically engineered Escherichia coli[J].Process Biochemistry,2005, 40(5):1 611-1 616.[16] Satoshi, S., I.Michihiko.Effects of inoculation of a genetically engineered bacterium on performance and indigenous bacteria of a sequencing batch activated sludge process treating phenol[J].Journal of Fermentation and Bioengineering,1998,86(1):90-96.[17] 陸杰, 徐高田, 張玲, 等.制藥工業廢水處理技術[J].工業水處理,2001,21(10):1-4.[18] 劉春,黃霞,孫煒,王慧.基因工程菌生物強化MBR工藝處理阿特拉津試驗研究.環境科學,2007年2月,第28卷,第2期:417-421.[19] 袁建軍,盧英華.高選擇性重組基因工程菌治理含汞廢水的研究.泉州師范學院學報(自然科學).2003年11月,第21卷,第6期:71-72.[20] Masaaki Terashima,Noriyuki Oka,Takamasa Sei,et o1.Biotech.no1.Prog.,2002,18:1318—1323.
[21] Caroliaa S,Pave[K,Tomas R,et .J Bacterio1.,1998,180(9、:2280—2284. [22] 呂萍萍,王慧,施漢昌,等.基因工程菌強化芳香化合物的處理工藝.中國環境科學
2003,23(1):12-15.[23] Mehran P,Bridget M W,Rebecca L R.App1.Environ.Microbio1.,1998,64(10)::4068-4072.[24] 徐雪芹,李小明,楊麒,等.固定化微生物技術及其在重金屬廢水處理中的應用 [J].環境污染治理技術與設備,2006,7(7):99-105.
第二篇:基因工程在食品工業中的應用
基因工程在食品工業中的應用
摘要:生物技術發展日新月異,基因工程的應用已經滲透到工、農、衣、國防和環保等各個領域,深刻影響著人類的生活和社會的進程;當然,基因工程技術在食品中的應用也越來越廣泛。它具有從本質上改變生物及食品性能的特性,因此越來越受到食品科技工作者的重視。本文闡述了基因工程的定義,詳細介紹了基因工程食品的由來,并介紹了基因工程在食品原料改良中的應用;基因工程在食品發酵中的應用;基因工程在農副產品加工中的應用,同時,展望了基因工程技術在食品工業領域中的美好發展前景。
關鍵詞:基因工程
食品工業
食品原料改良
食品發酵
農副產品
Application of genetic engineering in food industry Abstr act: Changing biotechnology and genetic engineering applications have penetrated into industry, agriculture, national defense, clothing, and the environmental protection and other fields, and deeply influenced the process of human life and society;Genetic engineering application in the food, of course, also more and more widely.It has essentially changed biological and food performance characteristics, so more and more brought to the attention of the food science and technology workers.This paper expounds the definition of genetic engineering, gene engineering was introduced in detail the origin of the food, and introduces the application of genetic engineering in food raw material improvement;The application of genetic engineering in food fermentation;Genetic engineering application in the agricultural and sideline products processing, at the same time, discussed in the field of genetic engineering in food industry good development prospects.Key word: Genetic engineering
food industry
food raw material improvement
food fermentation
agricultural and sideline products
一、基因工程的定義
狹義:指用體外重組DNA技術去獲得新的重組基因;
廣義:指按人們意愿設計,通過改造基因或基因組而改變生物的遺傳特性。如用重組DNA技術,將外源基因轉入大腸桿菌中表達,使大腸桿菌能夠生產人所需要的產品;將外源基因轉入動物,構建具有新遺傳特性的轉基因動物;用基因敲除手段,獲得有遺傳缺陷的動物等。
基因工程食品: 基因工程食品是指利用生物技術改良的動植物或微生物所制造或生產的食品、食品原料及食品添加劑等。它是針對某一或某些特性以突變、植入異源基因或改變基因表現等生物技術方式,進行遺傳因子的修飾,使動植物或微生物具備或增強此特性,進而降低生產成本,增加食品或食品原料的價值,例如增強抗病性、改變營養成分,加快生長速度、增強對環境的抗性等
二、基因工程的發展史 基因工程是在分子生物學和分子遺傳學綜合發展基礎上于本世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學。一般來說,基因工程是指在基因水平上的遺傳工程,它是用人為方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質--DNA大分子提取出來,在離體條件下用適當的工具酶進行切割后,把它與作為載體的DNA分子連接起來,然后與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中,以讓外源遺傳物質在其中“安家落戶”,進行正常復制和表達,從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術。
三、基因工程在食品原料改良中的應用
(一)水化合物的改良
食品碳水化合物類食品方面利用基因工程來調節淀粉合成過程中特定酶的含量或幾種酶之間的比例,從而達到增加淀粉含量或獲得獨特性質、品質優良的新型淀粉。例如:通過反義基因抑制淀粉分枝酶可獲得完全只含有直鏈淀粉的轉基因馬鈴薯。這樣油炸后的產品更具有馬鈴薯的風味,更好的構質,較低的吸油量和較少的油味。
(二)油脂的改良
目前,控制脂肪酸鏈長的幾個酶的基因和控制飽和度的一些酶的基因已被克隆成功,并用于研究改善脂肪的品質。如通過導入硬脂酸-ACP 脫氫酶的反義基因,可使轉基因油菜 種子中硬脂酸的含量從 2%增加到 40%。而將硬脂酞 CoA 脫飽和酶基因導入作物后,可使轉基因作物中的飽和脂肪酸(軟脂酸、硬脂酸)的含量有所下降,而不飽和脂 肪酸(油酸、亞油酸)的含量則明顯增加,其中油酸的含量可增加 7 倍。除了改變 油脂分子的不飽和度外,基因工程技術在改良脂肪酸的鏈長上也取得了實效。事實上,高油酸含量的轉基因大豆及高月桂酸含量的轉基因油料作物芥花菜(Canola)在美國已經成為商品化生產的基因工程油料作物品種。
(三)蛋白質的改良
食品中動植物蛋白由于其含量不高或比例不恰當,可能導致蛋白營養不良。采用轉基因的方法,生產具有合理營養價值的食品,讓人們只需吃較少的食品,就可以滿足營養需求。例如,豆類植物中蛋氨酸的含量很低,但賴氨酸的含量很高;而谷類作物中的對應氨基酸含量正好相反,通過基因工程技術,可將谷類植物慕岡導入豆類植物,開發蛋氨酸含量高的轉基因人豆。
(四)碳水化合物的改良
對碳水化合物的改進,只有通過對其酶的改變來調節其含量。高等植物體中涉及淀粉合成的酶類主要有: ADPP葡萄糖焦磷酸酶(ADP-GPP)、淀粉合成酶(SS)和分支酶(BE)。通過反義基因抑制淀粉分支酶,可獲得完全只含直鏈淀粉的轉基因馬鈴薯。Monsanto公司開發了淀粉含量平均提高了20%-30%的轉基因馬鈴薯。油炸后的產品更具馬鈴薯風味、且吸油量較低。
四、基因工程在食品發酵中的應用
隨著食品工業的發展,對酶、蛋白質、氨基酸、香精、甜味劑等原輔料的需求量大增,而這些原輔料傳統上靠動植物供應,由于受氣候、季節、生長期等因素的影響,供應鼉往往不能滿足需要。現在基因工程技術已能將許多酶、蛋白質、氨基酸和香精以及其他多種物質的基岡克隆入合適的微生物宿主細胞中利用細菌的快速繁殖來大量生產。例如將牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物體內,由細菌生產這種動物來源的酶類,將解決奶酪工業受制于凝乳酶來源不足的問題;從西非發現的由植物果實中提取的甜味蛋自質(thaumatin)的DNA編碼序列已經被克隆入細菌,以生產這種高效低熱量新型甜味劑等。下面重點介紹基因工程程在啤酒工業、乳品工業方面的應用。
(一)啤酒工業
1、大麥的選育:
利用RF[,P(限制性片斷長度多樣性)技術對人麥進行抗病選育、Q一淀粉酶多基因族分析大麥醇溶蛋白的研究及品種鑒定。利用轉基因技術將外源基因直接導入大麥,用于品種改良、抗蟲和抗病選育,人們期待著基因重組技術能產生耐枯斑病等病害的大麥品種。
2、啤酒稻的選育:
大米是啤酒釀造中使用最廣的輔料,但普通大米的用帚提高到30%以上時,麥汁中Q一氨基氮含量會不足而影響酵母的正常生長和發酵。利用基因轉移技術、細胞融合技術等選育高蛋白、低脂肪、低NSP(非淀粉多糖)的稻品種,專門用于啤酒釀造,進一步提高輔料比例,降低生產成本。
3、啤酒酵母的改造:
利用糧食替代晶釀造啤酒的首選原料是纖維素因為纖維素自然界存量最多的有機物,某些真菌如平菇、香菇、靈芝、紅曲霉等對纖維素有很強的分解能力,如果利用現代基因工程技術將這些真菌中控制纖維素酶,合成的基闐轉移到啤酒酵母中去,那么啤酒酵母就能利用纖維素釀造啤酒,改變傳統的啤酒生產中消耗大量的大麥和大米等糧食的局面。
(二)乳品工業
l、提高牛乳產量:
將采用基因工程技術生產的牛生長激素(BST)注射到母牛上,可提高母牛產奶量。目前利用DNA的克隆繁殖技術,把人垂體激素(ST)重組體互)陋UBST的mRNA中,利用外源BST來注射乳牛,可提高15%左右的產奶量,BST現已進入商業化領域。現在英、美等國都已采用BST來提高乳牛的產奶量,具有極大的經濟效益,且對人體無害。
2、改善牛乳的成分:
利用13一半乳糖苷酶水解乳中的乳糖,對眾多乳糖不耐癥者是一個難得的好產品。可將編碼通過基因工程技術將B一半乳糖苷酶基因轉入GRAS級的微生物細胞作為宿主,在宿主調節基因的調控下,在發酵罐規模上生產表達有優良特性的13一半乳糖營酶基因。此外,針對礦乳白蛋白的mRNA,用核酸編碼的轉基因,使與乳糖合成有關的a_乳白蛋白(是乳糖產生的催化物質)的基因被淘汰,以此達到降低乳中乳糖含量的目的。
五、基因工程在農副產品加工中的應用
改良果蔬采收后品質增加其貯藏保鮮性能 隨著對番茄、香蕉、蘋果、菠菜等果蔬成熟及軟化機理的深入研究和基因工程技術的迅 速發展,使通過基因工程的方法直接生產耐儲藏果蔬成為可能。事實上,現在無論在國外還 是國內都已經有了商品化的轉基因番茄。促進果實和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在 果實中乙烯生物合成的關鍵酶主要是乙烯的直接前體—l-氨基環丙烷一 1-梭酸合成酶(ACC 合成酶)和ACC 氧化酶。在果實成熟中這兩種酶的活力明顯增加,導致乙烯產生急劇上升,促進果實成熟。在對這兩種酶基因克隆成功的基礎上,可以利用反義基因技術抑制這兩種基 因的表達,從而達到延緩果實成熟,延長保質期的目的。因此,利用反義基因技術可以成 功的培育耐儲藏果蔬。目前,有關的研究正在繼續進行,并已擴大到了草莓、梨、香蕉、芒 果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等,所用的目的基因還包括與細胞壁代謝有關的多聚半乳糖 醛酸酶(PG)、纖維素酶和果膠甲脂酶基因。反義PG 轉基因番茄還具有更強的抗機械損傷和 真菌侵染能力,且有更高的果醬產率。
(六)、展望
目前,包括我國政府在內的各國政府對基因工程技術在農業和食品工業中的應用都制定了相關的管理條例,因此只要合理地使用,基因工程技術將是發展綠色食品產業的有效手段。基因工程技術是一門誕生不久的新興技術,正如其它一些新技術的產生過程一樣,由于人們一開始對新技術的了解程度不夠,由此而產生的疑慮和爭論是可以理解的,更何況基因工程技術研究的產品與人類健康息息相關。雖然現在對基因工程技術仍有許多爭論,但目前科學界已基本上達成共識,即基因工程本身是一門中性技術,只要能正確地使用該項技術就可以造福于人類可以預言,在2l世紀,以基因工程為核心的生物技術必將給食品工業帶來深刻的革命
參考文獻
[1]林影、石磊、杜紅麗.食品與基因工程.北京.化學工業出版社,2007.10 [2]周如金,郭華,彭志英.基因工程及其在食品中應用[J].2002,4:33.
[3]楊淑芳.發酵工程在農產品加工上的應用[J].農業工程技術,2007,(12):1l-13. [4]江梅.生物技術的應用[J].生物學通報,1996,6:4-8.
[5]何水林.鄭金貴.農業生物技術在作物品質改良中的應用[J].福建農業大學學報,2000,(3):2O [6] 陳宗道,趙國華,李洪軍等.食品基因工程研究進展[J].中國食物與營養,2000,4:14-16. [7] 汪秋安.基因工程食品[J].廣西輕工業,2003,6:5-6.
[8] 鄭鐵松,何國慶,應鐵進.基因工程技術在食品品質改良中的應用[J].食品工業科技,2000,21(4):70-72.
[9] 伊國等 基因工程在食品工業中的應用進展,食品科技,2001年02期 [10] 吳乃虎.基因工程原理[M].北京:科學出版社,1999.
[11] 李淑俠,齊鳳蘭,李伯林.基因食品的研究進展[J].食品科學,2002,21(3):6-10. [12]彭志英主編.食品生物技術[M].北京:中國輕工業出版社,1999.8:26-33. [13] 邵學良.劉志偉 基因工程在食品工業中的應用 [期刊論文]-生物技術通2009(7)[14]賈士榮.轉基因植物的環境及食品安全性[J].生物工程進展.1997,6:38-42.
[15]張建全,張倩,馬建軍.基因工程技術在視食品工業中的應用[J].山東農業科學,2008,2:106-108.[16] El—Khateib T,Yousef A E.Ockerman H W.Inactivation and attachment of Listeria monocytogenes on beef muscle treated with lactic acid and selected bacteriocins[J].J.Food Protect,1993,56:29-33.
[17] Uzogara,Stella G The impact of genetic modification of human foods in the 2 1 st century:A review[J].Biotechnology Advances,2000,1 8(3):179-2O6.
[18] De Vefies AG,Faucitano L,Soenicki A.The use of gene technology for optimal development of pork meat quality[J].Food Chemistry,2000,69(4):397-405.
[19] Marc Van Montagu, Jeff Schell(1935-2003): Steering agrobacterium-mediated plant gene engineering[J].Trends in Plant Science , 200
[20] El-Khateib T,Yousef A E,Ockerman H W.Inactivation and attachment of Listeria monecytogenes on beef muscle treated with lactic acid and selected bacteriecins[J].J.Food Protect, 1993, 56: 29-33.
第三篇:基因工程技術在廢水處理中的應用
基因工程技術在廢水處理中的應用
李孟 廖改霞
(武漢理工大學市政工程系,湖北 武漢 430070)
【摘要】基因工程技術是在DNA分子水平上按照人們的意愿進行的定向改造生物的新技術。利用基因工程技術提高微生物凈化環境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術。本文介紹了基因工程技術的原理、特點和主要研究內容,重點闡述了基因工程技術在廢水處理中的應用,并對其研究方向作了展望。關鍵詞:基因工程 技術 廢水處理 應用
The application of gene engineering technique to wastewater treatment
Li Meng
Liao Gaixia(Department of Municipal Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070)Abstract: Gene engineering technique was the new technique for modifying living beings according to human wishes on the DNA molecular level and the key technique for wastewater treatment by improving the purifying environment ability of microbes.The paper introduced the principle, characteristic, main research content of gene engineering technique, emphasized on formulating the application of gene engineering technique in wastewater treatment, and discussed its research orientation in the end.Key words: gene engineering
technique
wastewater treatment
application
利用基因工程技術提高微生物凈化污染物的能力是現代生物技術用于廢水治理的一項關鍵技術。20世紀50年代初,由于分子生物學和生物化學的發展,對生物細胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)的結構和功能有了比較清晰的闡述。20世紀70年代初實現了DNA重組技術,逐步形成了以基因工程為核心內容,包括細胞工程、酶工程、發酵工程的生物技術。這一技術發展到今天,正形成產業化并列為世界領先專業技術領域之一,廣泛應用于食品、醫藥、化工、農業、環保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力,將為世界面臨的水污染等問題的解決提供廣闊的應用前景[1]。基因工程技術概述
基因工程技術是一種按照人們的構思和設計,在體外將一種生物的個別基因插入病毒、質粒或其他載體分子,構成遺傳物質的重組,然后導入到原先沒有這類分子的受體細胞內,能持續穩定地進行無性繁殖,使重組基因在受體細胞內表達,產生出人類所需要的基因產品的操作技術。基因工程技術是一項極為復雜的高新生物技術,它具有高效、經濟、清潔、低耗、可持續發展、預見性和準確性等特點[2]。一個完整的基因工程技術流程一般包括目的基因的獲得、載體的制備、目的基因與載體的連接、基因的轉移、陽性克隆的篩選、基因的表達、基因工程產品的分離提純等過程[1]。基因工程技術在廢水處理中的應用
基因工程技術應用于廢水處理是水處理領域一項具有廣泛應用前景的新興技術。常規的廢水處理方法有物化法、生物法等。由于一般的物化方法只是污染物的轉移,不能從根本上治理,且容易造成二次污染,成本也較高,生物法逐漸成為廢水處理的主要方法。但是由于廢水的多樣性及其成分的復雜性,自然進化的微生物降解污染物的酶活性往往有限,如果能利用基因工程技術對這些菌株進行遺傳改造,提高微生物酶的降解活性,并可大量繁殖,就可以定向獲得具有特殊降解性狀的高效菌株,方便有效地應用于水污染處理。因此,構建基因工程菌成為現代廢水處理技術的一個重要研究方向,且日益受到人們的重視。
2.1 利用基因工程菌富集廢水中的重金屬離子
近幾十年來,經濟的高速發展導致各種有毒、有害金屬污染物,經生產和使用過程中的各種渠道進入環境。高穩定性和高脂溶性使其在環境中具有停留時間長、能沿著食物鏈富集等特點,嚴重威脅著人類的健康和生存。隨著國家對污染物排放標準的要求日益嚴格,單純使用傳統生物法處理這類重金屬廢水在適應性和高效性等方面存在局限性。針對這一問題,一些新型生物處理技術應運而生,其中利用基因工程菌代替普通微生物處理重金屬是近年來研究的熱點。此法采用生物工程技術將微生物細胞中參與富集的主導性基因導入繁殖力強、適應性能佳的受體菌株內,大大提高了菌體對重金屬的適應性和處理效率。
X.W.Zhao等[3]研究發現,宿主菌在Hg2+濃度為1mg/L的LB培養液中生長嚴重受抑,而基因工程菌E.coliJM109在Hg2+濃度為7.4mg/L時仍能增殖,且Hg2+富集量為2.97mg/g(細胞干重),去除率達96%以上。
Carolina Sousa等[4]構建了表達酵母金屬硫蛋白(CUP1)、哺乳動物金屬硫蛋白(HMT-1A)和外膜蛋白LamB的融合蛋白的基因工程菌E.coli,該菌種的Cd2+富集能力比原始宿主菌提高15~20倍。K.Kuroda[5]等在釀酒酵母細胞壁處的凝集素蛋白中表達了含His的寡肽,增強了酵母對Cu2+的抗性和吸附能力,其Cu2+富集能力比對比菌株提高了8倍多。
X.Deng等[6]構建了同時表達鎳轉運系統和金屬硫蛋白的基因重組菌E.coliJM10,將其用于處理含鎳廢水的試驗研究時,發現其對Ni2+的富集能力比原始宿主菌增加了6倍多。
趙肖為等[7]利用基因工程菌E.coli SE5000 對水體中的鎳離子進行富集研究。菌體細胞對Ni2+的富集速率很快,富集過程滿足Langmuir 等溫線模型。經基因改造的基因工程菌不僅最大鎳富集容量與原始宿主菌相比增加了4倍多,而且對pH值的變化呈現出更強的適應性。袁建軍等[8]利用構建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子。模擬電解廢水中除含有3.0 mg·L-1的汞離子外, 還含有十種以上的其它金屬離子。實驗表明,與重組菌對只含汞離子的水溶液的處理結果比較, 電解廢水中其它組份的存在意外地增大了重組菌富集汞離子的作用速率, 但同時卻使細菌的最大汞富集量降低了約30%。
張迎明等[9]利用基因重組技術構建出基因工程菌Staphylococcus aureusATCC6538,該工程菌在IPTG用量為1.00mmol·L-1,誘導時間為4 h的條件下培養對鎳離子的富集能力最高。在不同鎳離子濃度時,基因工程菌對溶液中Ni2+的平衡富集量為11.33mg·g-1,與原始宿主菌相比提高了3倍。對基因工程菌吸附鎳和鈷的實驗表明,Staphylococcus aureusATCC6538的NiCoT對鎳具有較高的特異性和富集容量,屬于第Ⅲ類鎳鈷轉運酶。
2.1 利用基因工程菌降解廢水中的有機污染物
生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法,但是部分難降解有機污染物需要不同降解菌之間的協同代謝或共代謝等復雜機制才能最終得以降解,這無疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代謝產物在不同降解菌間的跨膜轉運是耗能過程,對細菌來說這是一種不經濟的營養方式;其次,某些污染物的中間代謝產物可能具有毒性,對代謝活性有抑制作用;此外,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力[10]。
Satoshi Soda等[11]將基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接種到SBR反應器的活性污泥中,用于處理500mg/L的苯酚廢水,在大大提高苯酚去除率的同時改善了污泥沉降性能。南京大學、揚子石油化工有限責任公司、香港大學、國家環保總局南京環境科學研究所聯合完成了跨界融合構建基因工程菌處理石化廢水的生物工程技術。在優化調控技術的基礎上,該菌株對二甲苯、苯甲酸、鄰苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和對苯二甲酸的降解率分別高達86%、94%、99%、97%和94%,比原工藝提高了20%~30%,總有機碳去除率達到了94%;污水經過處理后,銅、錳、鋅、硒的濃度符合國家規定排放標準,生物毒性明顯降低。
劉春等[12]以生活污水為共基質,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反應器中對阿特拉津的生物強化處理效果,以及生物強化處理對污泥性狀的影響。結果表明,基因工程菌在MBR中對阿特拉津具有很好的生物強化處理效果,阿特拉津平均出水濃度為0.84 mg/L,平均去除率為95%,最大去除負荷可以達到70mg/(L·d)。生物強化的MBR對生活污水中COD的平均去除率為71%,COD平均出水濃度65mg/L。
陳俊等[13]采用跨界原生質融合技術,構建基因工程特效菌Fhhh,實現廉價工業化生產Fhhh菌劑,在10m3/d精對苯二甲酸廢水處理實驗裝置中,容積負荷率達到3.0 kg/(L·d)以上,生物負荷率達到1.42d-1,出水水質達到國家一類標準,與國內外同類裝置相比,生物負荷率處于先進水平。
蔣建東等[14]采用同源重組法成功構建了分別含1個和2個mpd 基因插入到rDNA位點且不帶入外源抗性的多功能農藥降解基因工程菌株CDS2mpd和CDS22mpd。基因工程菌遺傳穩定,能同時降解甲基對硫磷和呋喃丹。甲基對硫磷水解酶(MPH)的比活在各生長時期均高于原始出發菌株,比活最高達6.22mu/μg。
劉智等[15]采用基因工程技術構建出具有耐鹽、降解苯乙酸和水解甲基對硫磷的功能的基因工程菌H2pKT2MP和H2pBBR2MP,其中H2pBBR2MP水解酶活性與親本菌株甲基對硫磷降解菌(Pseudomonas putida)DLL2E4相當,而H2pKT2MP水解酶活性要提高1倍左右。
呂萍萍等[16]研究發現,克隆有苯降解過程中的關鍵基因——甲苯加雙氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)對苯具有較高的降解效率和降解速度,應用于固定化細胞反應器中效果突出。在較短的水力停留時間內,可以將1500mg/L苯降解70%,降解速度為1.11mg/(L·s),延長水力停留時間,可以使去除率達到95%以上。該反應器對高濃度的苯具有突出的處理效果。同時所得到的產物為環己二烯雙醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。展望
隨著基因工程菌的出現,基因工程技術將不斷應用于更多的廢水治理工程中。培養出新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本;運用各種相關技術加以優化組合,尤其是高效、低能耗、易普及的特種微生物與特殊工藝的最佳結合;加強不同專業、不同學科之間的合作,如將毒理學和微生物學和環境工程學相結合;從根本上消除污染源,充分協調人與自然之間的關系,充分實現廢水資源化,引入DNA 擴增和其它生物技術的環境監測方法等將是基因工程技術研究的側重方向。基因工程技術作為一種新興技術以極快的速度發展。以下兩方面的研究將對水資源保護有著重要意義。一是對基因工程菌的深入研究,如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的基因表達的啟動子基因序列、降解基因表達的調控條件的優化等方面的研究;二是對環境中微生物的習性及基因工程菌與環境中微生物和污染物之間的相互作用進行研究。目前的研究主要是利用單一的基因工程菌對污染物進行處理,隨著研究的不斷深入,利用多種基因工程菌相結合對污染物進行處理,將對水資源保護起到更為重要的作用。
參考文獻
[1]楊 林,聶克艷,楊曉容,高紅衛.基因工程技術在環境保護中的應用.西南農業學報,2007,20(5):1130 [2]邢雁霞,劉斌鈺.基因工程技術的研究現狀與應用前景.大同醫學專科學校學報,2006年第3期:48
[3]Zhao, X.W., M.H.Zhou, Q.B.Li, et al.Simultaneous mercury bioaccumulation and cell propagation by genetically engineered Escherichia coli[J].Process Biochemistry,2005, 40(5):1 611-1 616 [4]Carolina,S., K.Pavel,R.Tomas,et al.Metalloadsorption by escherichia colicells displaying yeast and mammalian metallo thioneins anchored to the outer membrane protein lamb[J].Journal of Bacteriology,1998,180(9):2 280-2 284 [5]Kuroda,K.,S.Shibasaki,M.Ueda,et al.Cell surface-engineered yeast displaying a histidine oligopeptide(hexa-His)has enhanced adsorption of and tolerance to heavy metal ions[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2001,57(5—6):697-701 [6]Deng,X.,Q.B.Li,Y.H.Lu,et al.Bioaccumulation of nickel from aqueous solutions by genetically engineered Escherichia coli[J].Water Research,2003,37(10):2 505-2 511 [7]趙肖為,李清彪,盧英華,等.高選擇性基因工程菌E.coli SE5000生物富集水體中的鎳離子.環境科學學報.2004年3月,第24卷,第2期:231-232 [8]袁建軍,盧英華.高選擇性重組基因工程菌治理含汞廢水的研究.泉州師范學院學報(自然科學).2003年11月,第21卷,第6期:71-72 [9]張迎明,尹華,葉錦韶,等.鎳鈷轉運酶NiCoT基因的克隆表達及基因工程菌對鎳離子的富集.環境科學, 2007年4月,第28卷,第4期:918-923 [10]郭 楊,王世和.基因工程菌在重金屬及難降解廢水處理中的應用.安全與環境工程.2007年12月,第14卷,第4期:58-59 [11]Satoshi, S., I.Michihiko.Effects of inoculation of a genetically engineered bacterium on performance and indigenous bacteria of a sequencing batch activated sludge process
treating phenol[J].Journal of Fermentation and Bioengineering,1998,86(1):90-96.[12]劉春,黃霞,孫煒,王慧.基因工程菌生物強化MBR工藝處理阿特拉津試驗研究.環境科學,2007年2月,第28卷,第2期:417-421 [13]陳俊,程樹培,王洪麗,等.基因工程菌在精對苯二甲酸廢水處理中的應用.工業用水與廢水,2006年2月,37(1):32-35 [14]蔣建東,顧立鋒,孫紀全,等.同源重組法構建多功能農藥降解基因工程菌研究.生物工程學報.2005年11月,21(6):884-891 [15]劉智,洪青,徐劍宏,等.耐鹽及苯乙酸、甲基對硫磷降解基因工程菌的構建.微生物學報,2003年10月,43(5):554-559 [16]呂萍萍,王慧,施漢昌,等.基因工程菌強化芳香化合物的處理工藝.中國環境科學
2003,23(1):12-15
第四篇:基因工程及其應用說課稿
《基因工程及其應用》說課稿
一、說教材
1.教材的地位和作用
《基因工程及其應用》是人教版生物必修2第六章第二節內容。本節的教學內容是在學生對基因有一定的理解的基礎上,引入基因工程,讓學生了解基因工程在生活中的運用,激發學生的求知欲。在教學內容的組織上體現了學科內在邏輯性與學生認識規律的統一。這一節主要講述了基因工程的原理、基因工程 的應用以及轉基因生物和轉基因食品的安全性三個 方面的內容。基因工程的原理既是學生進入高中以來第一次接 觸到的生物工程方面的內容。為了避免與《現代生物科 技專題》模塊中基因工程的內容重復,教材沒有過 多地展開介紹。其地位更是由《課程標準》上的了解層次上升為 《考試說明》上的理解層次,其重要性顯而易見。
2.教學目標
根據本教材結構和內容分析,結合著學生的認知結構及其心理特征,我制定了以下的教學目標:
(1)、知識目標:掌握基因工程的概念、原理及安全性問題;基因操作的工具及其操作過程。
(2)、能力目標:培養學生分析、推理、歸納、總結的能力。
(3)、情感目標:培養學生實事求是的科學態度,從微觀到宏觀,從現象到本質的科學的研究方法;培養學生嚴謹的學習態度和思維習慣。
3.說教學的重、難點
本著高二新課程標準和考試大綱,在吃透教材基礎上,我確定了以下教學重點和難點(1)、教學重點
基因工程的基本原理及安全性問題、基因操作的工具,基本步驟及其應用。(2)、教學難點
基因工程的基本原理,基因工程的應用及其安全性。
4.課程資源的開發及有機整合:本節課安排2課時,應當充分利用學生已有的知識經驗和網絡條件學習本課知識。
二、說學法:本節課的授課對象是高二的學生,此年齡段的學生求知欲望強,因為本節知識難度不是很大,學生將通過多種途徑,如:觀察、閱讀、思考、分析、討論、實踐等等,來開展學生之間的協作學習和自主學習,形成以學生為主體的教學模式。
三、說教法
圍繞本節課的教學目標、教學重點和學生情況的分析,采用了觀察法、演示法、討論法、實踐法等多種教學方法,積極創設一個可以讓學生在輕松愉快的氛圍中,去主動探求知識的過程。在教學過程中,開展師生互動、生生互動,體現出以學生為主體,教師為主導的主動探究式教學理念。
四、說教學過程
在這節課的教學過程中,我注重突出重點,條理清晰,緊湊合理。各項活動的安排也注重互動、交流,最大限度的調動學生參與課堂的積極性、主動性。
1、導入新課: 提問:各種生物間的性狀千差萬別這是為什么呢?
引導:生物體的不同性狀是通過基因特異性表達而形成的。
列舉:幾種生物的不同性狀:蠶吐出絲;豆科植物的根瘤菌能夠固定空氣中的氮氣;青霉菌能產生對人類有用的抗生素——青霉素。
提問:人類能不能改造性狀?能不能使本身沒有某個性狀的生物具有某個特定性狀呢? 引導:讓禾本科植物能夠固定空氣中的氮氣;能否讓細菌“吐出”蠶絲;讓微生物生產出人的胰島素、干擾素等珍貴的藥物。(這種設想能實現嗎?)定向改造生物的新技術——基因工程。
2、講授新課:(1)基因工程的原理
指導學生閱讀教材P102頁第二段,通過提問的方式指導學生找出概念中的關鍵詞語,并讓學生理解基因工程概念,引導學生獨立完成。最后歸納列表,便于學生的記憶。概念:在生物體外,通過對DNA分子進行人工“剪切”和“拼接”,對生物的基因進行改造和重新組合,然后導入受體細胞進行無性繁殖,使重組基因在受體細胞內表達,產生出所需要的基因產物。(2)基因操作的工具
利用多媒體課件演示抗蟲棉培育過程示意圖,同時提出討論問題,進行分組討論,最后交流討論結果,教師進行歸納總結。
思考:在以上的基因工程培育的過程中,關鍵步驟或難點是什么?
引導:關鍵步驟的完成過程中都要用到基因操作工具,并使學生形象地記憶“工具”的作用。A基因的剪刀——限制性內切酶(簡稱限制酶)。
要想獲得某個特定性狀的基因必須要用限制酶切幾個切口?可產生幾個黏性未端 B基因的針線——DNA連接酶
用DNA連接酶連接兩個相同的黏性未端要連接幾個磷酸二酯鍵?
限制酶切一個特定基因要切斷幾個磷酸二酯鍵? C基困的運輸工具——運載體
大家一起思考下這些工具到底怎樣操作才能完成基因工程的過程呢? 思考題: 簡要歸納基因工程操作的基本步驟和大致過程。
啟發學生思考:想像科學家在分子水平上進行這一操作的精確性。
(3)基因工程的應用。
學生閱讀教科書P.104的內容。教師總結,并從具體事例引入關于轉基因生物和轉基因食品安全性的爭議,啟發學生對其安全性問題進行討論。
3、課堂小結,強化認識。
復習基因工程操作的基本步驟和重要工具,完成課后習題
4、板書設計 基因工程操作的基本步驟: 剪切→拼接→導入→表達
結束語:
本節課設置了一系列問題情境,層層設問,在學生答問、質疑、討論過程中讓學生建構新概念和新的知識體系,并通過教師及時掌握反饋信息,適時點撥、調節,讓學生在推理判斷中培養良好的思維習慣和對知識的遷移能力,而且通過留出一定的時間讓學生提問,體現了以學生為主體的思想。我的說課完畢,謝謝大家。
第五篇:淺談現代基因工程及其應用
淺談現代基因工程及其應用
目錄
摘要..................................................................................................................................................1
一、基因工程的含義.......................................................................................................................2
二、現代基因工程的應用及對現代生活所產生的影響...............................................................2
1、在工業中的應用.................................................................................................................3
2、在農業中的應用.................................................................................................................3
3、在醫藥衛生中的應用.........................................................................................................3
4、在環境保護中的應用.........................................................................................................4
三、基因工程引發的爭議及解決對策...........................................................................................4
四、結語...........................................................................................................................................5 參考文獻...........................................................................................................................................5
摘要
隨著科學技術的快速發展,基因工程應用在各個領域,顯示著不可估量的發展前景。任何科學技術都是一把“雙刃劍”,基因工程也不例外,如何趨利避害,成為了社會各界爭議和討論的熱點。
關鍵詞:基因工程; 應用; 轉基因產品; 法律制度;
Abstract With the rapid development of science and technology, gene engineering application in various fields, show the immeasurable development prospects.Any science and technology is a “double-edged sword”, genetic engineering is not exceptional also, how to avoid disadvantages, became the focus of controversy and discussion from all walks of life.key words:genetic engineering;Application;Genetically modified products;The legal system;
一、基因工程的含義:“種瓜得瓜,種豆得豆;龍生龍,鳳生鳳,老鼠的兒子會打洞。”眾所周知,基因是造成這些遺傳規律的幕后功臣。基因是DNA分子上具有遺傳功能的片段,它控制生物的代謝和發育,并把遺傳信息傳遞給下一代。基因工程又稱基因操作、基因拼接技術和DNA重組技術,是以分子遺傳學為理論基礎,以分子生物學和微生物學的現代方法為手段,特別是運用DNA 重組技術,將生物基因組的結構或組成在體內或者體外進行人為修飾、改造或重新組合,然后通過載體把新的DNA分子轉入另一種生物的細胞中,以改變生物原有的遺傳特性,從而獲得目的基因產物或新的生物種類。基因工程打破常規,把不同種類生物的基因組合到一起,形成新的生物類型,實現了人類長期以來渴望定向改變生物性狀,培育新物種的愿望。
二、現代基因工程的應用及對現代生活所產生的影響:基因工程自20世紀70年代初誕生以來,發展突飛猛進。它可以按照人們的主觀愿望直接控制基因,打破了不同物種間在億萬年中形成的天然屏障。人們可以將一些不同種類生物的基因組合到一起,創造出自然界中并不存在的新生物類型。基因工程各項技術的應用,使生命科學的研究發生了前所未有的變化,在工業、農牧業、醫藥衛生、環境保護等各方面都有著不可限量的發展前景。
[1]
1、在工業中的應用:基因工程在工業上的應用,主要體現在醫藥工業和食品工業上。基因工程制藥 開創了制藥工業的新紀元,解決了許多疾病問題,基因工程可以生產出大量廉價優質的新藥物、抗病毒疫苗和診斷試劑,基因工程生產出的藥物為治療各種疾病提供了有效的手段。在食品工業上,提高了人們對食品中微量元素的吸收和農作物抗病蟲害的性能;生產食品酶試劑;改良了食品工業用菌數及其性能和食品加工性能;用來生產保健品和特殊食品。基因工程是工業發展進程中不可或缺的一部分,起著巨大的作用。
2、在農業中的應用:培育優良品種是農作物穩定增產的重要因素,利用基因工程可以將帶有作物優良性狀的基因“裁剪下來,拼接起來”,植入受體的細胞中,使受體作物具有優良性狀,成為優質作物新品種。[2]基因工程培育出了能防蟲害和防腐爛的作物,提高了農作物的產量。
[3]一些小麥和大豆通過轉基因,具有了抗化學除草劑的特性;給水稻添加基因,生產人體需要的β-胡蘿卜素;從耐鹽植物中成功克隆出耐鹽的基因,為鹽堿地利用和海水灌溉提供了依據。基因工程育種有著目的性強、速度快、產量高、質量優和遺傳性穩定等特點,它定向改造生物性狀,將引發一次新的農業革命。
3、在醫藥衛生中的應用:利用基因工程技術,我們可以生產自然界中難以得到的蛋白質。1982年,首例基因工程產品-人胰島素投放市場,為人類的健康帶來了福音。之后,出現了更多的基因工程產品和蛋白質藥物,如人生長激素、干擾素、白細胞介素-
2、乙肝疫苗等,令患者看到了生的希望。1999年,中國第一頭攜帶人血清蛋白基因的轉基因牛被培育出來。利用基因工程技術,科學家還從轉基因羊奶中提取出了一種治療心臟病的藥物tPA。基因工程技術為人類的健康長壽做出了巨大貢獻。
4、在環境保護中的應用:基因工程還被應用到環境保護中,基因工程成為變廢為寶,除害興利的重要技術手段。利用轉基因微生物,可以吸收環境中的重金屬,降解有毒有害化合物,處理工業廢水;
[4]科學家把不同的降解基因轉移到同一菌株中,創造出具有多種降解能力的“超級微生物”-“超級細菌”,可以降解各種工業污染物;通過基因工程培育對貴重金屬具有親和力的菌株,可用來回收貴重金屬;培養具有浸礦能力的細菌來開采銅礦和鈾礦等不久也將成為現實。
三、基因工程引發的爭議及解決對策:自20世紀后半期,伴隨著基因工程出現的生物技術,為解決人類面臨的疾病、災害和饑餓等提供了有力的幫助。但生物技術的發展并非總是樂觀的,自身的潛在危險和不可預料的結局,引起了頗多的爭議。轉基因技術同其他科學技術一樣,閃爍著科技“雙刃劍”的光芒,在給人類社會帶來福利的同時,也引發了社會對其涉及的經濟、政治、法律、環境、健康和倫理道德等問題的廣泛關注和爭議。人們目前已經認識到轉基因產品的失控和濫用,可能會給人類賴以生存和發展的自然生態環境造成災難性的后果。中國作為轉基因產品的生產大國之一,更應趨利避害,廣泛借鑒國外先進的管理經驗,既不能像有些國家那樣對轉基因產品拒不接受,又要使之在科學規范的軌道上得到有效的控制,有序的發展。因此,建立和完善中國轉基因產品法律制度,具有深遠的歷史意義和現[5]實意義,對我國轉基因產業的順利發展起著重要的保障作用。解決基因工程所引發的問題,需要從以下幾個方面做到:完善轉基因產品生物安全監督的管理體制;完善轉基因產品的“標識制度”;完善轉基因產品生物安全評價體系;完善進口轉基因產品的安全審批制度;
[6][7]完善我國轉基因的法律制度:1)完善我國轉基因產品法律法規體系;2)建立轉基因產品風險評估技術體系的立法;3)立法改良安全性檢測的措施。
四、結語:從古至今,人們對于事物的爭議都是不可避免的。只要我們努力趨利避害,科學技術總會朝著人們期望的的方向繼續發展,我相信,在不久的將來,基因工程技術將幫助解決更多阻礙人類發展的食物、安全、健康、醫藥、能源、環境保護等問題,最終推動全世界人類的發展。
參考文獻
[1]劉金壽.現代科學技術概論.北京:高等教育出版社,2016
[2]陳晉瑩,姜友軍,劉洋.淺談農業生物技術及轉基因農作物[J].糧油倉儲科技通訊.2016(04)[3]滕春紅,陶波.農作物抗除草劑基因工程[A].中國化學除草50年回顧與展望[C].2004 [4]楊婷.微生物細胞表面的化學/基因改性調控用于重金屬分離及(形態)分析[D].東北大學 2013 [5]尹航.論基因工程對現代生活的影響[A].第三屆世紀之星創新教育論壇論文集[C].2016 [6]郭高峰.多元主義視角下轉基因產品國際法律規制研究[D].西南政法大學 2014 [7]錢賀利.轉基因農產品安全的立法規制研究[D].鄭州大學 2016