现代环境生物技术.ppt
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现代环境生物技术王建龙文湘华编著环境工程教研室谯华,参考书目,环境污染生物降解夏北成化学工业出版社环境微生物工程马文漪等南京大学出版社污染控制微生物徐亚同等化学工业出版社生物化学王希成清华大学出版社微生物学microbiologyJ.Nicklin科学出版社基因与伦理范冬萍等羊城晚报出版社固定化微生物污水处理技术沈耀良等化学工业出版社,概述,教学重点、难点、学时,一、引言二、生物技术
(一)定义
(二)内容(三)发展(四)应用三、环境生物技术四、主要章节注:
第6章、第7章、第8章、第9章自学,1、教学重点生物技术的内容、定义、发展;环境生物技术的产生与研究范围;主要章节2、难点生物技术的定义、环境生物技术3、学时1学时,教学重点、难点、学时,一、引言,
(一)历史
(二)意义(三)展望,一、引言,
(一)历史1917:
提出1953:
基因的奠基人詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克,他们发现DNA的双螺旋结构。
DNA之父。
DNA之母:
罗莎琳德.富兰克林,她用X射线衍射DNA晶体得到了影像,从而分辨出这种分子的维度、角度和形状;她发现DNA是螺旋结构,至少两股,其化学“信息”面向进里面。
1973:
第一个成功的克隆转化实验,第一个有目的的基因重组实验,是现代生物技术的标志。
1997:
英培育出世界上第一例体细胞克隆动物“多莉”羊,2003年2月14日去世。
1998:
日本培育出体细胞克隆动物8头牛犊。
一、引言,2000:
果蝇的基因组图谱绘制完成;人类基因组图谱的绘制工作完成。
2002:
疟原虫、按蚊的基因组图谱完成;完成水稻、小鼠的基因组图谱。
2003:
意大利培育出第一匹克隆马,人类基因组序列基本完成。
2005年:
全球首只克隆狗在韩国公开露面,一、引言,“斯纳皮”与“父母”,一、引言,
(二)意义生物技术作为一个现代前沿学科领域,受到当今世界各国的广泛关注,全球生物技术每年创造的产值约5000亿美元,单项产品产值高达40亿美元,仅美国生物技术产值达2240亿美元。
比如“三色”农业绿色“露天农业”、白色“工厂农业”、蓝色“水生农业”。
其中白色农业主要表示这种农业的生产过程没有环境污染并严格要求环境条件的高度洁净,节水、节土、不污染环境、资源可循环利用。
一座年产10万吨单细胞蛋白的微生物工厂,相当于180万亩耕地生产的大豆蛋白或3亿亩草原饲养牛羊的动物蛋白质。
一、引言,一、引言,(三)展望现代生物技术将为粮食、健康、环境、能源等人类面临的重大问题开辟广阔的前景,与信息、新材料和新能源技术将成为四大科学技术支柱,是21世纪高新技术产业的先导。
美国于2003年3月5日启动了牛基因组测序工程,将能够改进牛奶和牛肉制品的质量以及提高食品的安全系数。
诸如此类,将为人类开创美好的明天。
一种新的软件MyGrid将加快人类基因组解读,而且它还可以自动找到与该研究有关的信息,搜索基因和蛋白质数据、调节网络和任何其它相关信息。
二、生物技术,
(一)定义生物技术:
以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的。
(二)内容四大块:
基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程。
(三)发展开始比较缓慢,后迅速发展。
(四)应用,三、环境生物技术,
(一)定义广义:
凡是自然界中涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术。
严格地说,环境生物技术指的是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能,建立降低或消除污染物的生产工艺,或者能够高效净化环境污染,同时又生产有用物质的工程技术。
(二)层次高、中、低。
(三)研究范围1、从实验室到模拟和现场应用;2、开发废物资源化和能源化技术;3、建立无害化生物技术清洁生产新工艺;4、发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的检测技术,三、环境生物技术,四、主要内容,Chapter1概述;Chapter2酶工程:
利用酶的催化性质进行生物转化的技术;Chapter3基因工程:
即DNA重组技术,分子水平上对基因进行操作;Chapter4细胞工程:
在细胞融合的基础上研究,在细胞水平上研究、开发和利用各类细胞的工程;Chapter5发酵工程:
将微生物学、生物化学、化学工程学的基本原理有机地结合起来,利用微生物的生长和代谢生产物质或分解有害物质的工程技术;,Chapter6污染治理生物技术:
废物生物处理的基本原理,生物处理的新技术;Chapter7污染预防生物技术:
清洁生产;Chapter8生物技术与能源:
利用生物技术提高不可再生能源的开采率及创造更多的可再生资源;Chapter9废物资源化生物技术:
利用生物进行可降解塑料的生产和单细胞蛋白的生产;Chapter10环境生物监测与安全性评价。
四、主要内容,第二章酶工程,教学重点、难点、学时,一、概述
(一)酶的定义
(二)分类及命名(三)酶工程的研究内容(四)催化特性二、酶作用原理三、酶的生产及分离纯化四、酶分子修饰五、酶的固定化六、酶反应器七、酶的应用及发展展望,1、要点酶的定义、酶工程的研究内容、酶的催化特性、酶的作用原理、分离纯化、化学修饰、固定化、在环境污染治理中的应用及展望2、重点作用原理、分离纯化、固定化3、学时7学时,教学要点、重点、学时,
(一)酶的定义生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质和RNA。
(二)分类及命名1、分类:
氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接酶或合成酶2、命名:
(1)习惯命名法:
根据其催化底物来命名;根据所催化反应的性质来命名;结合上述两个原则来命名;有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。
一、概述,
(2)国际系统命名法国际酶学四位数字编号系统第一位:
表大类;第二位:
表亚类;第三位:
表亚亚类;第四位:
表在亚亚类的序号系统名称包括底物名称、构型、反应性质,最后加一个酶字。
例如:
习惯名称:
谷丙转氨酶系统名称:
丙氨酸:
-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:
谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸,一、概述,(三)酶工程的研究内容酶工程:
是利用酶的催化作用进行物质转化的技术,是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。
其主要任务是:
通过预先设计,经过人工操作控制而获得大量所需的酶,并通过各种方法使酶发挥出最大的催化功能;目的是为我们提供产品或以特定的功能为我们服务。
1、生产2、分离纯化3、酶分子修饰4、酶的固定化5、酶反应动力学6、酶反应器7、酶的应用,一、概述,(四)酶的催化特性1、催化效率高2、专一性强3、催化条件温和4、酶活性可调5、对环境条件敏感,一、概述,
(一)酶是生物催化剂活化能(J/mol):
在一定温度下一摩尔底物全部进入活化状态所需要的自由能。
酶能大大降低活化能,增加活化分子。
(二)酶催化反应动力学中间产物学说,二、酶作用原理,在酶催化的反应中,第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。
当底物分子在酶作用下发生化学变化后,中间复合物再分解成产物和酶。
E+S=E-SP+E许多实验事实证明了ES复合物的存在。
ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。
二、酶作用原理,二、酶作用原理,酶与底物结合形成中间络合物的方式(理论)
(1)锁钥假说(lockandkeyhypothesis):
认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的,酶表面具有特定的形状。
酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样
(2)诱导契合假说(inducedfithypothesis):
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状,而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,1、米门方程的提出(底物浓度对酶促反应速度的影响),二、酶作用原理,二、酶作用原理,米氏方程1913年,德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究,推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式,称为米氏方程。
Km米氏常数Vmax最大反应速度,米氏方程的推导:
二、酶作用原理,假设:
1)忽略的逆反应,也即在初速度期间;2)底物浓度远远大于酶的浓度;3)反应处于稳态,即中间产物生成和分解的速度相等。
2、关于米门方程的讨论1)酶初速度和底物浓度的关系为一双曲线;2)ESKm时,可用So表示S;3)当V=Vmax,V与S无关,与Eo成正比;4)k3k2时,Km=Ks,可表示酶与底物结合紧密程度;5)k3酶的每个活性部位在单位时间内,催化底物起反应的分子数,又叫转换系数,简称T.N.。
二、酶作用原理,3、Km与Vmax的意义,1)米氏常数是酶反应处于动态平衡,即稳态时的平衡常数。
是V=1/2Vmax时的底物浓度,故又称半速度常数。
(1)Km值是酶的特征常数之一,只与酶性质有关,而与酶浓度无关。
不同的酶,Km值不同。
(2)如果一个酶有几种底物,则对每一种底物,各有一个特定的Km值。
(3)同一种酶的几种底物中,Km值最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。
2)最大酶反应速率rp,max=k3CE。
它表示了当全部的酶都成复合物状态时的反应速率。
二、酶作用原理,二、酶作用原理,4、Km与Vmax的测定,测定Km和V的方法很多,最常用的是LineweaverBurk的作图法双倒数作图法。
1Km11=+VVmaxSVmax,取米氏方程式的倒数形式:
1/Vmax,斜率=Km/Vmax,-1/Km,二、酶作用原理,
(二)酶促反应的影响因素1、pH;2、温度;3、酶浓度;4、抑制剂的影响不可逆抑制与可逆抑制的区分1)竞争性抑制;2)非竞争性抑制作用3)反竞争抑制;4)底物抑制5、底物的浓度,二、酶作用原理,
(一)酶的生产1.对酶源的要求2.微生物作为酶的优势3.对酶生产菌的要求
(二)酶的分离纯化1.酶提取2.酶分离纯化的沉淀技术3.酶分离纯化的层析技术4.酶分离纯化的电泳技术,三、酶的生产及分离纯化,
(一)酶的生产,1.对酶源的要求1)酶含量丰富2)提取、纯化方便,三、酶的生产及分离纯化,2.微生物作为酶的优势1)易得到所需的酶类2)易获得高产菌株3)生产成本低4)微生物生长周期短5)生产易管理6)提高微生物产酶能力的途径较多7)可提高酶产量或改造酶,
(一)酶的生产,三、酶的生产及分离纯化,3.对酶生产菌的要求1)不是致病菌,也不产毒素2)不易变异退化,不易感染噬菌体3)产酶量高,而且最好产生胞外酶4)原料廉价,周期短,易培养,三、酶的生产及分离纯化,
(一)酶的生产,
(二)酶的分离纯化,酶的分离提纯可分为四个要点:
酶源选材匀浆方法分离步骤结晶方法酶的分离提纯涉及的理论与技术:
酶主要是蛋白质酶具有催化功能,三、酶的生产及分离纯化,酶分离提纯步骤如下:
三、酶的生产及分离纯化,1.酶提取定义:
是将酶从生物组织或细胞中以溶解状态释放出来的过程,以供进一步从中分离纯化出所需的酶。
1)组织及细胞的破碎
(1)物理法(包括机械法)
(2)化学法(3)酶解法2)酶的提取原理相似相溶常用方法:
(1)酸、碱、盐溶液提取
(2)有机溶液提取,三、酶的生产及分离纯化,2酶分离纯化的沉淀技术,1)盐析溶解度的差异盐溶低浓度的中性盐可增加电解质类物质的溶解度;盐析当盐浓度继续增加时,蛋白质的溶解度反而降低而析出。
(1)基本原理a.减弱了蛋白质的水合程度b.中和了蛋白质电荷,使静电荷减少蛋白质的溶解度与溶液中的离子强度遵守Cohn方程:
三、酶的生产及分离纯化,
(2)影响因素a.蛋白质的浓度b.介质的pHc.温度d.盐类型,三、酶的生产及分离纯化,2酶分离纯化的沉淀技术,2酶分离纯化的沉淀技术,2)PEG沉淀法溶解度的差异
(1)基本原理空间排阻学说:
PEG分子在溶液中形成网状结构,与溶液中的蛋白质分子发生空间排挤作用,从而使蛋白质分子凝聚而沉淀下来。
PEG沉淀蛋白质的过程遵循下列方程:
三、酶的生产及分离纯化,
(2)影响因素a.蛋白质的分子质量大,沉降好b.蛋白质浓度c.pH值d.离子强度e.温度f.PEG聚合度,三、酶的生产及分离纯化,2酶分离纯化的沉淀技术,3)有机溶剂沉淀法溶解度的差异
(1)基本原理a.介质的介电常数下降,增强静电作用力b.降低水合程
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- 现代 环境 生物技术
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