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课本讲义生物安全
生物安全
讲义(上)
暨南大学生态学系
2014-3-5
第一章绪论
第一节生物安全
一、涵义及特点
1、广义的生物安全问题是国家安全问题的组成部分,是指与生物有关的各种因素对社会、经济、人类健康及生态环境所产生的危害或潜在风险。
(从转基因作物、外来品种和传入的动植物害虫,到生物多样性侵蚀、跨界牲畜疾病的扩散、战争有毒武器以及“疯牛”病)
狭义的生物安全:
主要指通过基因工程技术所产生的遗传工程体及其产品的安全性问题,即现代生物技术的研究、开发、应用以及转基因生物的跨国越境转移可能对生物多样性、生态环境和人类健康产生潜在的不利影响。
特别是各类转基因活生物体释放到环境中,可能对生物多样性构成潜在威胁。
①外来物种迁入导致对当地生态系统的不良改变或破坏;
②人为造成的环境剧烈变化危及生物的多样性;③科学研究开发生产和应用中,经遗传修饰的生物体和危险的病原体等可能对人类健康、生存环境造成的危害等。
2、生物安全的外来威胁
(1)人类和农业生物的各种外来有害生物
这类外来有害生物包括各种传染病、害虫、真 菌、细菌、线虫、病毒和杂草等。
古今中外由于外来 有害生物危害人类健康和农业生物的安全,给人类 带来的灾难是十分沉痛的。
公元6世纪下半叶,鼠 疫(plague)病菌从非洲侵入中东,进而到达欧洲,造 成约1亿人死亡,甚至导致了东罗马 帝国的衰亡;马铃薯晚疫病侵入欧洲,造成 了历史上著名的大饥荒,夺去了数十万人的生命;1984年禽流感随国外引进的一只鹦鹉传入北京,不得不扑杀40万只鸡,造成直接经济损失1000万元 人民币;1996年,疯牛病祸害英国,直接经济损 失在156亿美元以上;2001年口蹄 疫(Foot2and2mouthdisease)传入英国,进而进入欧 洲大陆,造成巨大损失。
(2)外来生物入侵
外来生物入侵一般指非本地生物的定殖导致生物多样性的下降甚至丧失,严重危害环境生物安全的现象,也有人称 之为“生物污染”。
虽然历史上有不少外来生物曾经为人类造福, 如美国种植的作物100%均为外来物种,但外来生物入侵每年给人类和环境造成的损失却是巨大的。
据1999年康奈尔大学公布的研究结果表明,美国由于外来有害生物和外来生物入侵所造成的直接经济 损失每年都达1226亿美元。
据国家 环保总局的估算,我国由于部分外来有害生物和外 来生物入侵所造成的损失每年都在574亿元人民币 以上。
(3)外来转基因生物
随着现代科学技术的发展,世界上出现了越来 越多的转基因生物。
转基因生物是通过现代生物重组DNA技术导入外源基因的生物,因此从某种意 义上说转基因生物也是外来生物。
正如核技术一 样,转基因技术存在着一定风险,既可以造福人类也 可以危害人类。
一些科学家认为,转基因生物有可 能对人类健康、农业生物和环境生物构成极大的威 胁。
3、国际关注的几个主要的生物安全问题
3.1.转基因生物对非目标生物的影响
3.2.增加目标害虫的抗性和进化速度
3.3.杂草化
3.4.对生物多样性和生态环境的影响
3.5.对人体健康的威胁和影响
二、生物安全性评价
1、生物安全性评价的目的
提供科学决策的依据;保障人类健康和环境安全;回答公众疑问;促进国际贸易,维护国家权益;促进生物技术可持续发展
2、生物安全性评价的程序和方法
2.1安全性的分级标准
国际无统一的分级标准;一般按照对人类健康和环境的潜在危险程度由低到高将生物技术的安全性分为4个安全等级;我国强调重点在基因工程,分为4个安全等级。
2.2安全等级的划分程序
安全性评价的程序和结果
3、生物安全性评价的主要内容
内容包括对人类健康的影响和对生态环境的影响两个方面。
3.1受体生物的安全等级
(一)符合下列条件之一的受体生物应当确定为安全等级I:
1).对人类健康和生态环境未曾发生过不利影响;
2).演化成有害生物的可能性极小;
3).用于特殊研究的短存活期受体生物,实验结束后在自然环境中存活的可能性极小。
(二)对人类健康和生态环境可能产生低度危险,但是通过采取安全控制措施完全可以避免其危险的受体生物,应当确定为安全等级Ⅱ。
(三)对人类健康和生态环境可能产生中度危险,但是通过采取安全控制措施,基本上可以避免其危险的受体生物,应当确定为安全等级Ⅲ。
(四)对人类健康和生态环境可能产生高度危险,而且在封闭设施之外尚无适当的安全控制措施避免其发生危险的受体生物,应当确定为安全等级Ⅳ。
包括:
1).可能与其它生物发生高频率遗传物质交换的有害生物;
2).尚无有效技术防止其本身或其产物逃逸、扩散的有害生物;
3).尚无有效技术保证其逃逸后,在对人类健康和生态环境产生不利影响之前,将其捕获或消灭的有害生物。
3.2基因操作对受体生物安全性的影响
基因操作对受体生物安全等级的影响分为三种类型,即:
增加受体生物的安全性;不影响受体生物的安全性;降低受体生物的安全性。
类型1增加受体生物安全性的基因操作,包括:
去除某个(些)已知具有危险的基因或抑制某个(些)已知具有危险的基因表达的基因操作。
类型2不影响受体生物安全性的基因操作,包括:
1.改变受体生物的表型或基因型而对人类健康和生态环境没有影响的基因操作;
2.改变受体生物的表型或基因型而对人类健康和生态环境没有不利影响的基因操作。
类型3降低受体生物安全性的基因操作,包括:
1.改变受体生物的表型或基因型,并可能对人类健康或生态环境产生不利影响的基因操作;
2.改变受体生物的表型或基因型,但不能确定对人类健康或生态环境影响的基因操作。
3.3遗传工程体的安全等级
根据受体生物的安全等级和基因操作对其安全等级的影响类型及影响程度,确定转基因生物的安全等级。
3.4遗传工程产品的安全等级
一般是根据其月遗传工程体的特性和安全性进行比较来确定的,其分级标准与受体生物的分级标准相同。
3.5基因工程安全性的综合评价和建议
三、生物安全控制措施
1、生物安全控制措施的类别
物理控制措施,系指利用物理方法限制转基因生物及其产物在实验区外的生存及扩散,如设置栅栏,防止转基因生物及其产物从实验区逃逸或被人或动物携带至实验区外等。
化学控制措施,系指利用化学方法限制转基因生物及其产物的生存、扩散或残留,如生物材料、工具和设施的消毒。
生物控制措施,系指利用生物措施限制转基因生物及其产物的生存、扩散或残留,以及限制遗传物质由转基因生物向其它生物的转移,如设置有效的隔离区及监控区、清除试验区附近可与转基因生物杂交的物种、阻止转基因生物开花或去除繁殖器官、或采用花期不遇等措施,以防止目的基因向相关生物的转移。
环境控制措施,系指利用环境条件限制转基因生物及其产物的生存、繁殖、扩散或残留,如控制温度、水份、光周期等。
规模控制措施,系指尽可能地减少用于试验的转基因生物及其产物的数量或减小试验区的面积,以降低转基因生物及其产物广泛扩散的可能性,在出现预想不到的后果时,能比较彻底地将转基因生物及其产物消除。
四、生物安全管理体系及实施原则
1、生物安全管理的总体目标:
通过制定政策和法律规定,确立相关的技术准则,建立健全管理机构并完善监测和监督机制,积极发展生物技术的研究与开发,切实加强生物安全的科学技术研究,有效地将生物技术可能产生地风险降低到最低限度,以最大限度地保护人类健康和生态环境安全,促进国家经济发展和社会进步。
2、中国对生物安全的关注
2.1、中国对转基因生物安全的法治管理
随着21世纪经济全球化进程的加快,转基因生物的安全问题将不仅是一国的问题一地的问题,而是涉及国民生活、国家利益甚至国家安全的世界性科学、经济、政治和社会问题,并直接关系到可持续发展以及后代子孙健康安全的大事。
生物安全和环境安全都是国家安全及国家总体实力和国家竞争力的重要内容和组成部分。
中国颁布的与生物安全相关的法律:
1993,国家科委,基因工程安全管理办法
1996,农业部,农业生物基因工程管理实施办法
2000,国家出入境检验检疫局,进口食品标签管理办法
2001,国务院304号令,农业转基因生物安全管理条例
2002,中国出台三项配套的实施细则,农业转基因生物安全评价管理办法,农业转基因生物进口安全管理办法,农业转基因生物标识管理办法
2.2、中国有关转基因生物安全的基本对策
1)加强生物安全立法
2)加强转基因生物及其产品的安全评估
3)重视有关生物安全的信息情报工作,特别是转基因生物有关信息的传播
五、加强生物安全工作的对策
健全完善生物安全管理法规体系;加强并理顺生物安全管理机构体系;支持鼓励生物安全有关领域的科学研究工作;积极开展生物安全事物的国际合作与交流;重视生物安全的科学普及和培训教育工作;
第二节动植物检疫的起源与发展
一、动植物检疫的起源
1、检疫的萌芽
14世纪中叶的欧洲,强制性隔离措施;
2、人为传播与灾难性动植物疫情
19世纪30年代的爱尔兰,马铃薯晚疫病;舞毒蛾、非洲猪瘟
3、早期的动植物检疫
特征:
运用法律和行政的强制手段,禁止一切带有危险性动物疫病和植物有害生物的动植物及其产品的输入,以保护本国农牧业的生产安全和人类的身体健康
二、动植物检疫的基本概念
1、基本术语
动物疫病:
指的是为害或可能为害动物及动物产品的任何传染病和寄生虫病。
植物有害生物:
泛指为害或可能为害植物及其产品的任何生物,即任何对植物或植物产品有害的植物、动物或病原体的种、株系或生物型。
检疫性动物疫病和植物有害生物:
对受其威胁的地区具有潜在的经济重要性,但尚未在该地区发生,或虽已发生但分布未广并正在进行官方控制的动物疫病和植物有害生物。
动植物检疫:
旨在防止检疫性动物疫病和植物有害生物的传入、传出和扩散,或确保其官方控制的一切的活动
2、动植物检疫的主要目的
防止危险性动物疫病和植物有害生物的传入、传出及扩散;保护农、林、牧、渔业生产安全、人体健康以及生态环境;促进国际及国内经济贸易的发展。
3、动植物检疫的实施范围
(1)动植物和动植物产品
饲养、野生的动物,包括通过贸易、科技合作、赠送、援助等方式进出境的动物;旅客携带的进境动物,主要是伴侣动物和观赏动物;邮寄进境的动物;过境动物
依法检疫的动物产品指来源于动物未经加工或虽经加工但仍有可能传播疾病的产品。
包括通过贸易、科技合作、赠送、援助等方式进出境的动物产品,主要是肉类、毛类以及皮张;旅客携带的进境动物产品;邮寄进境的动物产品
依法检疫的植物是指栽培植物、野生植物及其种子、种苗和其他繁殖材料等。
包括通过贸易、科技合作、赠送、援助等方式进出境的植物;旅客携带的进境植物;邮寄进境的植物
(2)装载容器、包装物和铺垫材料
(3)运输工具
(4)其它检疫物,包括动物疫苗、血清、诊断液以及动植物性废弃物等
三、国际动植物检疫现状
1、动植物检疫的基本类型
1)环境优越型,主要指岛国和半岛国,如澳大利亚、新西兰、日本和韩国等。
特点:
严格控制人为传播和入侵,进境动植物检疫要求极为严格,出境检疫相对宽松且根据进口国要求出证。
2)发达国家大陆型,主要指地理位置毗邻的经济发达国家,如美国和加拿大。
特点:
相互间检疫要求宽松,在对其他国家时,进境检疫要求极为严格,出境检疫相对宽松且根据进口国要求出证。
3)经济共同体大陆型,主要指地理位置相邻且构成了经济共同体的国家,如欧洲经济共同体。
特点:
共同体间实施共同的检疫原则和措施,相互间检疫几近取消,其进境检疫要求极为严格,出境检疫相对宽松且根据进口国要求出证。
4)发展中国家大陆型,如中国、印度、智利、南非以及其它部分美洲、非洲国家。
特点:
进境检疫以防止传入为主,对特殊地区、特殊物品的检疫非常严格,出境检疫较为严格
5)工商业城市型,如新加坡、香港等。
特点:
在进境检疫中,对动物、动物产品以及种子种苗实施严格检疫,对植物产品检疫较宽松,出境检疫相对宽松且根据进口国要求出证。
2、动植物检疫的基本属性
法制性、预防性、国际性和综合性
3、动植物检疫的发展特点
动植物检疫的执法更加严格;动植物检疫的范围不断扩大;动植物检疫的政策及时调整;动植物检疫的技术逐步提高;动植物检疫宣传全面加强
四、中国动植物检疫的发展
动植物检疫的孕育与建立(1903-1948)
动植物检疫的开拓与进取(1949-1979)
动植物检疫的改革与创新(1980年至今)
第三节动植物检验检疫的一般程序
动植物检验检疫的一般程序:
检疫许可、检疫申报、现场检验和实验室检测、检疫处理、出证放行。
1、检疫许可
1)含义:
在输入某些检疫物时,输入单位向检疫机关提出申请,检疫机关审查并决定是否批准输入的法定程序。
2)主要作用
o避免盲目进境,减少经济损失;
o提出检疫要求,加强预防传入;
o依据贸易合同,进行合理索赔。
3)检疫许可的类型:
一般许可,特殊许可
特殊许可中,许可物主要指那些因科学研究等特殊需要而引进的国家规定的禁止进境物。
Ø动植物病原体、害虫及其它有害生物
Ø动植物疫情流行国家地区的有关动植物、动植物产品和其它检疫物
Ø动物尸体
Ø土壤
4)特殊检疫许可的基本手续:
领取单证、报请批准、批准输入
重新办理检疫手续的情况:
①变更输入物的品种或数量
②变更输出国家或地区
③变更进境口岸
④超过检疫可审批有效期
2、检疫申报
1)含义:
检疫物输入或输出时由货主或代理人向检疫机关及时声明并申请检疫的法律程序,由货主或代理人和检疫人员共同完成。
2)基本手续:
一般由报检员凭报检员证向检疫机关办理手续。
先填写报检单,然后将报检单、检疫证书、产地证书、贸易合同、信用证、发票等单证一起检疫机关。
3、现场检验和实验室检测
(1)现场检验
1)基本含义:
是检疫人员在现场环境中对输入或输出的应检物进行检查和抽样,并初步确认是否符合相关检疫要求的法定程序
2)主要方法:
现场检查和抽样是现场检验的主要任务,主要针对运输及装载工具、货物及存放场所、携带物及邮寄物等应检物进行检验,经现场检验采集的样品需送到实验室继续进行检测。
(2)实验室检测
1)基本含义:
是借助实验室仪器设备对检疫样品进行动物疫病和植物有害生物检查、鉴定的法定程序
2)实验室检测的主要方法
①动物性样品的实验室检测
主要内容:
确定样品是否感染以及感染何种检疫性动物疾病。
主要方法:
病原检验、血清学检验、病理学检验
②植物性样品的实验室检测
主要内容:
确定植物性样品是否感染以及感染哪种检疫性植物有害生物。
主要方法:
比重检测、染色检测、洗涤检测等
4、检疫处理
(1)基本含义:
是检疫机关根据检验、检测的结果以及相关规定,采取一定的方式对检疫物实施处理的法定程序。
(2)主要方式:
退回或销毁处理、除害处理
除害技术:
常规消毒、熏蒸处理、辐照处理、热冷处理
5、出征放行
(1)基本含义:
是检疫机关根据检疫或除害处理的结果,判断合格后签发相关单证并决定准予输出、输入的法定程序。
(2)放行条件:
经检疫合格或经除害处理合格的进出境检疫物,
①进境检疫放行条件由进境口岸检疫机关签发检疫通关单或在运单加盖检疫放行章,准许进境。
②出境和过境检疫放行条件由当地口岸检疫机关签发检疫证书,准予出境
第二章现代生物技术
一、生物技术发展概况
1、生物技术的定义
生物技术是以现代生命科学理论为基础,利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分,结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品,或改造动物、植物、微生物等,并使其具有所期望的品质、特性,从而为社会提供商品和服务的综合性技术体系。
三个基本要素:
采用现代生命科学的基础理论和技术、应用生物材料或生物系统通过一定的工程系统(生产工艺、设备)、获得产品或提供服务
2、发展简况
1970年,Smith和Kelly分离了第一个核酸限制性内切酶,使有目的的切割DNA有了可能;
1972年,利用内切酶和连接酶,得到了第一个体外重组的DNA分子,从而建立了重组DNA技术;
1975年,淋巴细胞杂交瘤生产单克隆抗体技术问世,为人类及动物疾病的诊断与治疗提供新手段;
1976年,世界上第一家应用生物技术开发新药的公司-Genetech公司建立,拉开了现代生物技术新兴产业发展的序幕;
20世纪80年代以来,生物技术发展很快,尤其是转基因工程作物的商品化进程迅速
1983年,第一个转基因生物-烟草
1986年,抗虫和抗除草剂的转基因棉花首次进入田间实验
1987年,Calgene公司获得可延长水果保鲜期基因序列的专利
1990年,出现第一个转基因谷物
1993年,美国FDA声称转基因作物不需专门监管
1994年,美国FDA批准第一个转基因食品
1994年,抗草甘膦转基因大豆被批准商业种植
1995年止,美国加拿大共批准35种转基因作物可投入商业化生产种植
转基因作物商业化:
遍布6大洲;
2000年商业化种植面积比1996年翻了几倍;
预测:
2020年世界上80%-90%的农作物将是转基因植物。
3、当代生命科学与生物技术发展的现状和前景
在新的世纪里,生命科学的新发现,生物技术的新突破,生物技术产业的新发展将极大地改变人类及其社会发展的进程。
日益成熟的转基因技术、克隆技术以及正在加速发展的基因组学技术和蛋白质组技术、生物信息技术、生物芯片技术、干细胞组织工程等关键技术,正在推动生物技术产业成为新世纪最重要的产业之一,深刻地改变人类的医疗卫生、农业、人口和食品状况。
(1)世界各国几乎无一例外地将生命科学和生物技术放在重要位置
2002年美国在生物技术领域投入研究开发资金已高达157亿美元。
日本政府2002年已明确提出生物技术立国战略,并计划五年内将政府在生命科学和生物技术的研究预算增加一倍,达到8800亿日元。
欧盟已成立生物技术委员会,在其2002年出台的政策中,用于生物技术的研究费用高达175亿欧元,另有近600亿欧元的风险投资,计划在10年内超过美国。
新加坡制定了“5年跻身生物技术顶尖行列”的目标,将外汇储备的5%--10%用于生物技术及产业的开发。
(2)全球生物技术产业的三座金矿目前已经日渐凸现
首先是基因技术,利用转基因技术所得转基因生物正创造新的奇迹。
第二座金矿是新药开发。
利用转基因技术开发新药,是目前最为热门也是最为赚钱的领域之一。
医药生物技术将从预防、疾病诊断、药物制造、生物治疗等方面全面提升医药卫生科技水平,推进第四次医学科技革命。
第三座金矿是在工业领域的应用:
生物技术在工业领域的应用被业界称为“新的工业革命”,预计到2010年,全球化学产品中有五分之一将应用生物制造的产品产值。
(3)能源生物技术产(BT)有望以“绿金”代替“黑金”
目前石油期货价格居高不下,已对世界经济发展产生影响,甚致对汽车销售都产生了负面影响。
全球生物质能储量为18000亿吨,相当于640亿吨石油,利用生物技术将生物质制造成石油,这样不仅可缓解石油短缺的压力,还有利于改善环境,当然这有一个过程,所以当前首先要采取的还是节油措施等。
(4)生物经济在21世纪会取代信息经济成为全球经济的主旋律
许多科学家认为,以生命科学和生物技术研究开发应用为基础的、建立在生物技术产品和产业之上的经济即生物经济在21世纪会取代信息经济成为全球经济的主旋律。
美国“时代”周刊预言:
2020年世界将进入生物经济时代,不久的将来,生物经济将10倍于信息经济。
4、生物技术的显著特点
⏹高技术:
高层次人才,高新技术手段,多学科渗透
⏹高投入:
在国外,一个生物药品平均要投入1~3亿美元,并随着开发难度的增大,有逐步增高的趋势
⏹长周期:
国际上,一个新的生物药品需要6~8年时间
⏹高风险:
一个新药品的开发,经过一系列的程序-研发、中试、动物实验、I~III期临床实验,上市和严格的药政监督管理。
每一步都可能失败,而前功尽弃
⏹高回报:
开发成功一个新的生物药品,回报很高。
如美国Amgen公司,首次开发上市的EPO、G-SCF到1997年的销售额分别接近和达到20亿美元
5、现代生物技术的目的
⏹对生物体进行改造,培育出具有优良品质的动物、植物、微生物新品系。
⏹利用微生物、动物、植物为反应器对原料进行加工,生产出人类所需要的产品。
⏹进行疾病的防治、诊断和治疗。
⏹环境污染的检测
二、现代生物技术的主要内容
1、基因工程
是当前生物技术中影响最大、发展最迅速、最具突破性的领域,基础是DNA重组技术,包括建立重组DNA和cDNA文库、基因克隆、用限制性内切酶剪切DNA和重组DNA、基因转化、基因表达检测、分子杂交、DNA测序、基因敲除、基因敲入等内容,其延伸还包括对基因产物-蛋白质的修饰和改造研究方面。
基因工程研究的理论依据:
(1)不同基因具有相同的物质基础,即具有遗传功能的特定核苷酸序列的DNA片断
(2)基因是可切割的作为DNA分子上一个特定核苷酸序列的基因,允许从DNA分子上一个一个完整地切割下来。
(3)基因是可转移地携带基因地DNA分子可以在不同染色体间进行跳跃,或者在生物体内地染色体DNA上移动,甚至可以在不同染色体间进行跳跃,插入到靶DNA分子中。
由此表明基因是可以转移地,而且是可以重组地。
(4)多肽与基因间存在对应关系普遍认为,一种多肽就有一种相对应地基因。
因此,基因地转移或重组最终可以根据其表达产物-多肽地性质来考察。
(5)遗传密码是通用的一系列三联密码子同氨基酸之间的对应关系,在所有生物中是相同的。
也就是说,重组的DNA分子不管导入什么样的生物细胞中,只有具备转录翻译的条件,均能转录翻译出同样的氨基酸。
(6)基因可以通过复制靶遗传信息传递给下一代经重组的基因一般来说是能传代的,可以获得相对稳定的转基因生物
基因工程的主要内容或(步骤):
1)、从复杂的生物有机体基因组中,经过酶切消化或PCR扩增等步骤,分离出带有目的基因的DNA片段。
2)、在体外,将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上,形成重组DNA分子。
3)、将重组DNA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞),并与之一起增殖。
4)、从大量的细胞繁殖群体中,筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。
5)、从这些筛选出来的受体细胞克隆,提取出已经得到扩增的目的基因,供进一步分析研究使用。
6)、将目的基因克隆到表达载体上,导入寄主细胞,使之在新的遗传背景下实现功能表达,产生出人类所需要的物质。
2、细胞工程
是建立在细胞生物学和遗传学基础上综合发展起来的,其目的是在细胞水平上改造遗传结构和形状,培养新的细胞群体、生物个体或株系。
细胞培养或组织培养是细胞工程的核心技术,其应用对象有微生物和动植物。
主要包括动物细胞工程和植物细胞工程
(1)动物细胞工程
动物细胞培养基本概念
⏹培养液的成分:
葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等
⏹原代培养:
单个细胞传至十代左右
⏹传代培养:
经原代培养的细胞传40到50代。
⏹细胞株:
10到40、50代的细胞,遗传物质没发生改变。
⏹细胞系:
超过50代的细胞,遗传物质发生改变,可无限增殖。
动物细胞培养过程
动物细胞培养应用
v生产有价值的蛋白质制品,(如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体、动物激素)
v检测有毒物质
v用于某些器官移植
单克隆抗体(monoclonalantibody,McAb):
由
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