能源問題是全球面臨的問題生物工程將如何解決

1、06生物科學(xué)（2）班 蔣鳳姣200624041230能源問題是全球面臨的問題，生物工程將如何解決能源是向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì)（礦物質(zhì)能源，核物理能源，大氣環(huán)流能源，地理性能源）。能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種意義上講，人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使用。在當(dāng)今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題。近二百年來，人類利用煤、石油及天燃?xì)庾鳛槟茉?，使生產(chǎn)力提高近200倍，此類化石燃料主要用途有四方面：1、 作為火力發(fā)電廠的燃料，提供電力。2、作為開動工廠中各類機(jī)器的動力。3、作為各種交通工具（飛機(jī)、汽車、輪船、大車）的動力。4、作為各種化工產(chǎn)品的原料

2、以制造化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、合成塑料、合成纖維、合成橡膠等。美國能源消耗占世界第一位，約為世界能源總消耗的1/4，每年消耗石油10億噸，其中進(jìn)口6億噸，進(jìn)口油中75%來自中東。中國能源消耗占世界第二位，2006年統(tǒng)計約折合24.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其分布情況為：煤占63%，石油占20%，天燃?xì)庹?.8%，水電占7.4%，核電及可再生能源占6.8%。由于石油熱效率高，運輸及使用方便，故已超過煤的使用量，1870年石油每桶售價為1.6美元，而今已上漲至120余美元，可以說沒有石油，近代文明將不復(fù)存在！2005年世界消耗石油量為31.4億噸，2006年已增至38.6億噸，目前為41億噸，其中40%由歐佩

3、克國家生產(chǎn)，世界主要產(chǎn)油國的年產(chǎn)量為：伊朗2億噸，美國4億噸，沙特4.8億噸，俄羅斯4.7億噸，中國1.8億噸，委內(nèi)瑞拉1.28億噸，尼日利亞1.2億噸，伊拉克1.2億噸，安哥拉0.98億噸，科威特1.1億噸。如從石油的儲藏量來看，占前三名的是沙特、俄羅斯和伊朗。從目前石油的出口量來看，占前三名的是沙特、俄羅斯和挪威。世界石油的儲藏量為5000億噸，已探明可開采儲量為1815億噸，可供開探41年，故到2050年時世界石油將逐步耗盡。因此，解決能源緊張問題應(yīng)該采取綜合措施：增加能源基礎(chǔ)設(shè)施投資，提高供給能力；加強需求側(cè)管理，節(jié)約能源和提高能效。從根本上需要繼續(xù)深化能源領(lǐng)域的體制改革，生物工程在開

4、發(fā)能源和環(huán)境保護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用。目前全世界面臨著煤炭、石油等能源枯竭，環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，從而利用生物工程開發(fā)新能源就成為一個非常重要的發(fā)展方向。生物工程的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)、能源、環(huán)保、冶金、化工原料等。它必將對人類社會的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和生活等方面產(chǎn)生巨大的影響，為世界面臨的資源、環(huán)境和人類健康等問題的解決提供美好的前景?，F(xiàn)代生物技術(shù)將成為人類解決食物、能源、環(huán)境等重大問題的重要手段。它包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程四大技術(shù)體系。其中，基因工程是核心技術(shù)。 “種瓜得瓜，種豆得豆”是人人皆知的遺傳現(xiàn)象。決定和控制生物遺傳性狀的是生物體細(xì)胞內(nèi)的一種化學(xué)

5、物質(zhì)，學(xué)名叫“脫氧核糖核酸”，簡稱DNA。DNA分布在細(xì)胞核的染色體上，是一種大分子有機(jī)聚合物?；蚴荄NA分子上的一個特定片段。地球上的各種生物千差萬別，正是由于它們的遺傳物質(zhì)DNA攜帶的基因組成不同。如果改變了生物體的基因組成，也就改變了生物體的遺傳特性和性狀。 基因工程也叫遺傳工程或DNA重組技術(shù)。它是對生命體進(jìn)行操作，人為地轉(zhuǎn)移重組DNA的基因，改變生物的性狀和功能，或者創(chuàng)造出具有優(yōu)良性狀的新物種。改變了的基因可以傳遞給后代，也就是說可以遺傳。 基因工程在農(nóng)業(yè)方面得到了很好的應(yīng)用。例如：科學(xué)家把具有殺蟲能力的蘇云金桿菌的殺蟲基因轉(zhuǎn)移到煙草中，產(chǎn)生了抗蟲害的基因煙草。美國加州生物技術(shù)公司

6、的“基因西紅柿”，成熟后可以在藤蔓上比普通西紅柿多生長一個星期以上，使西紅柿內(nèi)形成足夠的糖和酸，味道更鮮美?？茖W(xué)家把北極比目錢的抗冷基因?qū)氲讲葺腥ィ共葺辛擞芰?。目前，國際上獲得轉(zhuǎn)基因植株的植物已達(dá)100種以上。我國科學(xué)家也已獲得具備抗除草劑、抗病毒、抗蟲、耐鹽能力的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物。 運用基因工程可培育出一大批具有特殊功能的轉(zhuǎn)基因動物。例如，荷蘭科學(xué)家成功地將人乳鐵素的基因?qū)肱Ｅ咛ブ?，培養(yǎng)出一頭公牛，使得它的雌性后代的乳汁中，含有人奶中的人乳鐵素，從而大大提高了牛奶的質(zhì)量。利用基因工程可以改造現(xiàn)有家畜、家禽的優(yōu)良品種。我國科學(xué)家已培養(yǎng)出了快速生長的轉(zhuǎn)基因魚和豬。 運用基因工程也為大量

7、制造基因工程藥物開辟了新途徑。比如，人們?yōu)榱颂崛?0克用于醫(yī)治糖尿病的胰島素，需要用450公斤的豬或牛的胰臟做原料，現(xiàn)在則只要培養(yǎng)200升轉(zhuǎn)基因工程藥物投放市場。另外，基因治療也開辟了醫(yī)學(xué)的新紀(jì)元，治療原理是：把病人體內(nèi)有缺陷的基因移出，再把正常基因?qū)氘惓＜?xì)胞內(nèi)，嵌入有缺陷的部位，從而矯正基因缺陷，達(dá)到治病的目的。比如說一種地中海貧血病，就是因為氨基酸分子上一個基因錯了，只要引進(jìn)正?；?，移出細(xì)胞內(nèi)有缺陷的基因，病就治好了?；蛑委熆梢杂行У乜刂坪椭委煻喾N遺傳病和疑難病。同時，細(xì)胞工程也為解決能源問題做出了巨大貢獻(xiàn)，主要表現(xiàn)在農(nóng)林、園藝和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。 1.糧食與蔬菜生產(chǎn) 利用細(xì)胞工程技術(shù)進(jìn)行

8、作物育種，是迄今人類受益最多的一個方面。我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，以花藥單倍體育種途徑，培育出的水稻品種或品系有近百個，小麥有30個左右。其中河南省農(nóng)科院培育的小麥新品種，具有抗倒伏、抗銹病、抗白粉病等優(yōu)良性狀。 在常規(guī)的雜交育種中，育成一個新品種一般需要810年，而用細(xì)胞工程技術(shù)對雜種的花藥進(jìn)行離體培養(yǎng)，可大大縮短育種周期，一般提前23年，而且有利優(yōu)良性狀的篩選。我國已解決了馬鈴薯的退化問題，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培養(yǎng)無病毒微型馬鈴薯塊莖作為種薯，實現(xiàn)種薯生產(chǎn)的自動化。通過植物體細(xì)胞的遺傳變異，篩選各種有經(jīng)濟(jì)意義的突變體，為創(chuàng)造種質(zhì)資源和新品種的選育發(fā)揮了作用?，F(xiàn)已選

9、育出優(yōu)質(zhì)的番茄、抗寒的亞麻、以及水稻、小麥、玉米等新品系。有希望通過這一技術(shù)改良作物的品質(zhì)，使它更適合人類的營養(yǎng)需求。 2.園林花卉 在果樹、林木生產(chǎn)實踐中應(yīng)用細(xì)胞工程技術(shù)主要是微繁殖和去病毒技術(shù)。幾乎所有的果樹都患有病毒病，而且多是通過營養(yǎng)體繁殖代代相傳的。用去病毒試管苗技術(shù)，可以有效地防止病毒病的侵害，恢復(fù)種性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龍眼、核桃等十余種果樹的試管苗去病毒技術(shù)，已基本成熟。香蕉去病毒試管苗的微繁殖技術(shù)已成為產(chǎn)業(yè)化商品化的先例之一。因為香蕉是三倍體植物，必須通過無性繁殖延續(xù)后代，傳統(tǒng)方法一般采用芽繁殖，感病嚴(yán)重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖

10、技術(shù)不僅改進(jìn)了品質(zhì)，畝產(chǎn)量約提高3050，很容易被蕉農(nóng)接受。 植物細(xì)胞工程技術(shù)使現(xiàn)代花卉生產(chǎn)發(fā)生了革命性的變化。1960年，科學(xué)家首次利用微繁殖技術(shù)將蘭花的愈傷組織培養(yǎng)成植株后，很快形成了以組織培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)化生產(chǎn)體系蘭花工業(yè)?，F(xiàn)在，世界蘭花市場上有150多種產(chǎn)品，其中大部分都是用快速微繁殖技術(shù)得到的試管苗。從此，市場供應(yīng)擺脫了氣候、地理和自然災(zāi)害等因素的限制。至今，已報道的花卉試管苗有360余種。已投入商業(yè)化生產(chǎn)的有幾十種。我國對康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫羅蘭等品種的研究較為成熟，有的也已商品化，并有大量產(chǎn)品銷往港澳及東南亞地區(qū)。 3.臨床醫(yī)學(xué)與藥物 自1975年英國劍橋大學(xué)的

11、科學(xué)家利用動物細(xì)胞融合技術(shù)首次獲得單克隆抗體以來，許多人類無能為力的病毒性疾病遇到了克星。用單克隆抗體可以檢測出多種病毒中非常細(xì)微的株間差異，鑒定細(xì)菌的種型和亞種。這些都是傳統(tǒng)血清法或動物免疫法所做不到的，而且診斷異常準(zhǔn)確，誤診率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的單克隆抗體，其靈敏度比當(dāng)前最佳的抗血清還要高100倍，能檢測出抗血清的60的假陰性。 近年來，應(yīng)用單克隆抗體可以檢查出某些還尚無臨床表現(xiàn)的極小腫瘤病灶，檢測心肌梗死的部位和面積，這為有效的治療提供方便。單克隆抗體并已成功地應(yīng)用于臨床治療，主要是針對一些還沒有特效藥的病毒性疾病，尤其適用于抵抗力差的兒童。人們正在研究

12、“生物導(dǎo)彈”單克隆抗體作載體攜帶藥物，使藥物準(zhǔn)確地到達(dá)癌細(xì)胞，以避免化療或放射療法把正常細(xì)胞與癌細(xì)胞一同殺死的副作用。 單克隆抗體可以精確地檢測排卵期。新一代免疫避孕藥也在研制之中，其基本原理是用精子，卵透明帶或早期胚胎來制備單克隆抗體，將它們注入婦女體內(nèi)，人體就會產(chǎn)生對精子的免疫反應(yīng)，從而起到避孕作用。人類體外受精技術(shù)的日趨成熟，使人類對生育活動有了較大的選擇余地，促進(jìn)優(yōu)生優(yōu)育，提高人口素質(zhì)，也為不孕癥患者或不宜生育的人帶來福音。 生物藥品主要有各種疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物質(zhì)，抗體等，是生物體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物或分泌物。過去制備疫苗是從動物組織中提取，得到的產(chǎn)量低而且很費時?，F(xiàn)在，通過培

13、養(yǎng)、誘變等細(xì)胞工程或細(xì)胞融合途徑，不僅大大提高了效率，還能制備出多價菌苗，可以同時抵御兩種以上的病原菌的侵害。用同樣的手段，也可培養(yǎng)出能在培養(yǎng)條件下長期生長、分裂并能分泌某種激素的細(xì)胞系。1982年美國科學(xué)家用誘變和細(xì)胞雜交手段，獲得了可以持續(xù)分泌干擾素的體外培養(yǎng)細(xì)胞系，現(xiàn)已走向應(yīng)用。 4.繁育優(yōu)良品種 目前，人工受精、胚胎移植等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)。精液和胚胎的液氮超低溫（-196攝氏度）保存技術(shù)的綜合使用，使優(yōu)良公畜、禽的交配數(shù)與交配范圍大為擴(kuò)展，并且突破了動物交配的季節(jié)限制。另外，可以從優(yōu)良母畜或公畜中分離出卵細(xì)胞與精子，在體外受精，然后再將人工控制的新型受精卵種植到種質(zhì)較差的母畜

14、子宮內(nèi)，繁殖優(yōu)良新個體。綜合利用各項技術(shù)，如胚胎分割技術(shù)、核移植細(xì)胞融合技術(shù)、顯微操作技術(shù)等，在細(xì)胞水平改造卵細(xì)胞，有可能創(chuàng)造出高產(chǎn)奶牛、瘦肉型豬等新品種。特別是干細(xì)胞的建立，更展現(xiàn)了美好的前景。在全世界開發(fā)新型能源的大趨勢下，利用微生物或酶工程技術(shù)從生物體中生產(chǎn)燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農(nóng)作物、林業(yè)產(chǎn)物廢物中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉等原料，制造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發(fā)中，利用微生物作為石油勘探、二次采油、石油精煉等手段也是近年來國內(nèi)外普遍關(guān)注的課題。生物柴油是清潔的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油

15、料林木果實、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。生物柴油是典型“綠色能源”，大力發(fā)展生物柴油對經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。 用大豆或其他植物油做柴油汽車的燃料已不是幻想，目前世界上許多國家正大力開發(fā)這種生物柴油技術(shù)并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。生物柴油是用含油植物或動物油脂作為原料的可再生能源，是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。它和傳統(tǒng)的柴油相比，具有潤滑性能好，儲存、運輸、使用安全，抗爆性好，燃燒充分等優(yōu)良性能。目前世界各國大多使用20%生物柴油與80%石油柴油混配，可用于任何柴油發(fā)動機(jī)和直接利用現(xiàn)有的油

16、品儲存、輸運和分銷設(shè)施。 面臨能源危機(jī)的問題，依靠生物質(zhì)這種永遠(yuǎn)不會枯竭的資源是能源的出路所在。而要將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源，最有效的途徑是微生物發(fā)酵：      一是沼氣發(fā)酵。微生物可通過厭氧發(fā)酵，把多種生物質(zhì)(包括動物食用生物質(zhì)后轉(zhuǎn)化的糞便等)轉(zhuǎn)化為能燃燒的甲烷。我國地少人多，生態(tài)脆弱，推廣沼氣發(fā)酵，不僅可以解決農(nóng)民的燃料問題，而且有利于農(nóng)村糞便的處理和環(huán)境的改善。城市利用工廠廢料和垃圾發(fā)酵沼氣，除了清潔環(huán)境外，也可為城市提供一定的能源。南陽酒精廠利用酒糟生產(chǎn)的沼氣，曾解決了半個南陽市居民的燃?xì)鈫栴}。     二是酒

17、精發(fā)酵。酒精生產(chǎn)在中國已有上百年的歷史。為了解決石油緊缺的難題，巴西從上世紀(jì)70年代就開始利用甘蔗榨汁為原料，通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)酒精代替汽油，現(xiàn)在年產(chǎn)汽車酒精1000萬噸。美國從1978年至今，已通過十多項法案，從能源、交通、稅收、環(huán)保等方面對汽車使用酒精給予支持，用糧食和秸桿生產(chǎn)的酒精量已達(dá)512萬噸。我國從2001年起在南陽、吉林、哈爾濱建設(shè)了以陳糧為原料的酒精生產(chǎn)工廠，總規(guī)模已接近100萬噸。我國每年產(chǎn)生的秸桿等生物質(zhì)高達(dá)11億噸以上，但利用生物質(zhì)生產(chǎn)酒精的技術(shù)，至今還沒能進(jìn)入生產(chǎn)實踐。      三是氫燃料的研發(fā)。氫氣是可用于汽車的新能源之一。用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)氫的研究，上世紀(jì) 70年代就已經(jīng)在日本起步，我國科學(xué)院微生物所、清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)和單位正在對這方面進(jìn)行研究攻關(guān)。能源問題離不開微生物應(yīng)用技術(shù)。微生物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，涵蓋了醫(yī)藥制造、食品加工、化工生產(chǎn)、冶金采油、污水處理、創(chuàng)新能源等多個領(lǐng)域。僅由微生物產(chǎn)生的抗菌素就有5000種之多，臨床