微生物对污染物的降解与转化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,微生物对污染物的降解与转化,8.1 概述,8.1.1 微生物降解与转化的巨大潜力,环境中存在的各种天然产物，特别是有机物，几乎都能找到可以使之降解或转化它的微生物。然而由于近几十年来许多人工合成的化合物，是自然界中原来所没有的。因此不可能存在有作用于它们能使之分解的微生物和酶系，甚至对微生物还有杀灭作用。,由于微生物个休小、繁殖迅速、比表面大等特点。它们较之其它生物更易适应环境，并可通过自然灾变产生新菌种，产生新的酶系统，具有新的代谢功能，从而可参与对人工新合成化合物的降解与转化作用。因此微生物对降解污染物具有巨大潜力。,例如已发现多种微生物对合成有机物的降解作用：,酚类已发现降解细菌有30个属，66种,卤素有机物降解细菌有27个属，40种,合成含氮有机物降解细菌有18个属，36种,合成表面活生剂降解细菌有18个属，43种,石油烃类降解细菌有100多个属，200多种,8.1.2 有机污染物的可生物降解性,当前已知的环境污染物达数十万种，其中大量为有机化合物，它们可接受光分解，化学分解与生物分解，其中生物分解为主。,1 可生物降解性,1）可生物降解物质：单糖、蛋白质、淀粉、核糖等降解快的物质,2）难生物降解物质：纤维素、农药、烃类、降解慢的一类物质,1,3）不可生物降解物质：塑料、尼龙、腈纶、涤纶、聚酯、氟里昂、多环，杂环芳烃、高聚物等,2可生物降解性的测定,1）,基质的可生物氧化率,（待测物）基质完全彻底氧化所应消耗的理论需氧量与,微生物分解基质所消耗氧量的比值。,实验室中微生物的耗氧量可应用瓦勃(Warburg)呼吸仪测定，通过测压计测知释放出CO,2,量或消耗O,2,量，从而测得可生物降解率。,1）基质的生化呼吸曲线耗氧曲线。,实验数据绘出一条耗氧量或速度随时间变化的曲线，为便于比较可同时绘制内源呼吸线，它是在不投加基质的条件下，微生物处于内源呼吸状态时利用细胞体内物质作营养呼吸耗氧随时间变化的曲线。,讨论三种情况,2,1)微生物降解试验,1）土壤消毒实验此法适用于新开发农药可生物降解性的评定。选取有代表性土壤混匀分两组，一组经高温消毒或药液处理杀灭其中微生物；另一组不消毒，分别施入同量的待测农药置室温时培养，定期检测两组土壤中农药消失情况，最后判定农药可生物降解性及降解速度。,2）培养液中降解试验,此试验可在多种试验液中同时进行，在三角烧瓶中配制各种待测试液，可补加适当的N、P、S生长素和其它营养物，调节pH，在试验液中接种微生物进行恒温培养，通过测定色度、浊度、COD、BOD或其它指标全面评价试验可生化性。,1其它方法与指标,1）由于生物对有机物的呼吸作用的本质是脱氢，所以可利用脱氢酶活性作为微生物分解污染物的指标。若培养液中微生物脱氢酶活性增加，则说明对试验物有降解性。采用比色法测酶活性。,2）生物体内的ATP（三磷酸腺苷）含量与生物数量及活性呈正相关。通过测ATP量作微生物分解利用污染物的指标。,3）同位素检测：有机物彻底分解结果放出CO,2,，可利用放射性,14,C标记待测污染物中释放的,14,CO,2,计算其回收率，从而评定该污染物生物降解性。,8.2 微生物对石油污染物的降解,石油是一种含有多种烃（正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂肪烃）及其它有机物（硫化物、氮化物、环烷酸）的复杂混合物。,8.2.1 微生物对石油的降解能力,C,10,C,18,范围的化合物易分解。烃最易分解，烷烃次之，芳烃难，多环芳烃最难，脂肪烃基本不分解，苯极难降解。,1个细菌细胞平均氧化油量为510,-12,mg/h,微生物降解油率：35350 g/m,3,年,原油接触天然水，大部直链烃天内消失，链烃需数月，芳烃则不待降解已沉入底泥中。,3,8.2.2 降解石油的微生物,能降解石油的微生物有100属，200多种，包括：细菌、放线菌、霉菌、酵母、藻,类及蓝细菌。,8.2.3 生物降解石油污染物的工艺方法,：,A/O法、A,2,/O、AB、A,1,-O,1,-A,2,-O,2,、SBR等。,8.3 微生物对农药的降解,我国每年使用农药50100万吨，利用率只有10%，大量农药残留土壤中，有的被土壤吸附，有的扩散入大气，有的转移到水体河流、湖泊、海洋，引起全球性污染。,能降解农药的微生物种属也很多。,8.3.1 微生物降解农药的途径,1,酶促作用,1）,酶促作用,需先经诱导产生特殊酶而后才能使农药降解，有的可直接利用农药作能源和碳源。,2）,共代谢作用,对于难降解顽固复杂的农药，通过先培养容易降解其中一种农药，促使对其它农药的降解作用。,3),去毒代谢,微生物不直接利用农药作营养，而是摄取其它有机物作营养和能源，在其中发展了为保护自身的生存解毒作用。,2,非酶促作用,微生物代谢中使,pH,降低引起农药溶解，或产生某些化学物质促进农药转化。,3,微生物代谢引起农药参与系列生化反应：脱卤作用、脱烃作用、酰胺及脂的水解、氧化还原作用、环裂解、缩合或共轭效应等使农药逐渐降解。例对硫磷的降解：,4,微生物代谢将对硫水解变成较小分子，然后进一步分解生成R-COOH、H,2,O、HNO,3,，仍可再进一步分解转化为CO,2,、H,2,S、N,2,等。,8.4 微生物对合成洗涤剂的降解,合成洗涤剂基本成份是合成表面活性剂，有阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四大类。阴离子型表活剂包括：脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸盐、烷基磷酸酯、烷基苯磷酸盐等；阳离子型主要含氨基或季铵盐的脂肪链缩合物，烷基苯与铵基的聚合物；非离子型是一类多羟基化合物与烃链的聚合物，脂肪烃与聚乙烯酚的缩合物；两性电解质为脂肪酸与羧酸、磺酸的缩合物。合成洗涤剂除基本成分为表面活性剂外，尚含有多种辅助剂。如三聚磷酸钠、硫酸钠、碳酸钠、羟基甲基纤维素、荧光增白剂、香料等。,全世界合成表面活性剂年产量2000万吨以上，虽对水体污染造成影响，但在水体中的含量未呈明显增加。说明这些表面活性剂能较快被微生物降解。,阴离子表活剂中的高级脂肪酸盐类最易被微生物分解，代谢第一步都发生在烷基链末端的甲基上，使甲基氧化成为相应的醇、醛、羧酸，然后进一步氧化成CO,2,、H,2,O。,苯甲酸、苯乙酸可进一步由单氧酶代谢为邻苯二酚，然后二氧酶作用使苯环破裂。苯环与末端甲基距离愈远，其烷基之分解愈快。,5,早期洗涤剂为带支链硬型烷基苯磺酸钠ABS很难被细菌分解，后来经工艺改进，生产不带支链软型烷基苯磺酸钠LAS，则其被细菌降解速率提高到90%以上，大大减少了洗涤剂对环境的污染早期,合成表面活性剂的分解并不很难，但洗涤剂中含有磷酸盐辅剂。尤其聚磷酸盐微生物分解就很困难。磷的化合物造成水体富营养化，是水体污染的大问题。城市污水中的,磷30%75%，是由于各种洗涤剂、洗净剂、清洁剂所造成，因此限制含磷洗涤剂或研制不含磷洗涤剂是新科技。,8.5 微生物对塑料的降解作用,塑料已在工、农业、生活用品基本代替金属、木材，几乎每一个领域。但因塑料的稳定性及其难生物降解性又使环境污染的难题，尤其白色污染已成社会公害。但塑料组分中的增塑剂是一些聚合物却能被微生物降解（如邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸异辛酯）如聚氯乙烯塑料组分中含50%增塑剂癸二酸酯，这种增塑剂在土壤中放14天约40%被细菌降解。,塑料母体树脂高聚物因其结构稳定是很难被细菌降解，但当塑料母体先经受不同程度的光降解作用后则较易为微生物降解，经光降解后的塑料呈粉末状，当分子量降到5000以下，便易为微生物所利用。经光降解后的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及聚乙烯塑料，在土壤微生物作用下约一年后即完全矿化。,采用新科技研制能被生物降解的塑料正在加紧进行。,6,8.6 微生物对其它污染物的降解作用,8.6.1 偶氮化合物,含有偶氮基团 的,化合物，是极为重要的染料单体，主要有,对氨基偶氮苯、对硝基苯胺、二,甲胺基偶氮苯、甲基橙等，它们很多是不易分解的染料，所以印染工业是污染大户、重点户。,能分解偶氮化合物的微生物有：酵母菌、枯草芽、孢杆菌、假单胞菌等。,枯草芽孢杆菌接种在氮基偶氮苯染料液中，在振荡与静置条件下进行培养100分钟后颜色几乎全部退掉，说明在有氧和缺氧条件下都能分解，其过程,苯胺、对苯二胺在微生物作用下可进一步分解（氨化）,7,8.6.2 氰和腈,石油工业和人造纤维工业使含氰和腈如丙烯腈的废水日益增多，有机腈比无机腈易为微生物降解。经过驯化的微生物对腈毒性的耐力比无机氰为高，微生物可以从氰和腈中取得碳源和氮源，有的微生物甚至以之作为唯一的碳源和氮源。分解氰和腈的细菌有：卡诺氏菌、腐皮镰孢霉、木霉、假单能菌等14个属计49种菌株。,8.6.3 亚硝胺,在对动物试验表明有强烈致癌作用，无论食品中，或污泥中，,强烈臻致,或污水中均能形成亚硝胺，对人类健康造成危害。,光合细菌（荚膜红假单胞菌）是一种厌氧性细菌。对二甲基亚硝胺有分解作用。,R,1,NN0,8,8.6.4 黄曲霉素,黄曲霉素是粮食，饲料中存在的一种真菌毒素，可引起人畜急性中毒与致癌作用。其毒性为氰化钾的10倍，砒霜的68倍，致死中量LD,50,0.294mg/kg. 按毒理学规定标准。凡1mg/kg 毒即属剧毒物。它主要存在于变质，潮湿发霉的粮食豆类之中。,降解黄曲霉的菌种，以橙色黄杆菌为最强，经12小时培养可去除黄曲霉86%，此外还有脉孢菌，孢根霉菌，对豆饼中黄曲霉素降解后转变为含核黄素较高的良好饲料。枯草芽孢杆菌具有相同效果。,9,第九章 生命科学的发展,生物学（biology）,是研究生命的科学，所以又称生命科学（life science），它既研究生命体的生命活动现象及其本质。又研究生命与环境之间的相互关系。,地球是生命的乐园，地球上形形色色，千差万别的生命活动表现为生命的基本特征生命萌发，诞生，繁殖，发育，新陈代谢，表现其应激性和适应性，遗传变异和进化性等。而这些生命现象又反映了生命世界，生命系统是一个多层次非线形，高度有序，具有耗散特征，远离平衡状态，复杂的开放系统。生命运动是最高级最复杂的物质运动。整个生命运动过程中贯穿着物质能量信息三者的变化，协调与统一。无论从生命的基本物质组成，还是从生命活动的分子基础上，都反映了生命本质的高度一致性，生命多样性和生命本质的一致性的辨证统一是生命进化的结果。,9.1 生命科学发展概况,生命科学是一门历史悠久的科学，大体起源于古代，形成于近代，高度发展于现代。,19世纪是现代科学诞生的世纪。生命科学也得到全面发展，其中最大的进展是细胞学说、进化论和遗传学的建立。1838年，德国植物学家施莱登（M.schleiden1804-1881）发表了植物发生论的论文，提出了植物细胞学说，认为细胞是一切植物结构的基本单位。植物体的所有器官组织都是由细胞组成，植物发育的基本过程就是细胞形成的过程。细胞是一切植物借以发展的根本实体。1839年德国动物学家施旺（TSchwann，1810-1882）发表了关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究，把施莱登的学说扩展到动物界，形成了适用于整个生物界的细胞学说。表明动物与植物都是由细胞组成，揭示出有机体产生，成长的过程及其结构的秘密，证明有机体的共同性，从而从细胞层次上论证了整个生命世界的内在联系和有机体统一。,10,第一个提出生物进化学说是法国博物学家拉马克（J.B.Lamarck，17441829），认为物种不是一成不变的，也不是上帝造的。而是在环境影响下变异和演化的。把生物进化的思想完全建立在科学基础上的是英国博物学家达尔文（Ch.R.Darwin，18091882），1859年他出版了物种起源一书。系统地提出了以自然选择为核心的生物进化学说，其核心内容是: 1）生物界具有悠久的历史，不是一成不变的，也不是突然出现的。更不是上帝创造的。动植物包括人在内都是在自然条件下，从简单到复杂，从低等到高等逐渐进化的。2）环境的变异可引起生物物种的变异，变异是生物所具有的普遍现象。3）在生物界进行着激烈的生存斗争，变异后的物种，适于生存使得到保留并产生后代，不适于生存则逐渐灭亡。即生物在生存斗争中适者生存，不适者淘汰。这种过程即是“自然选择”。自然选择是生物进化的客观规律。达尔文第一次把生物学放在完全的科学基础上。因此他成为科学上的巨人。,孟德尔（Mendel.18221884），1865年发表了植物杂交试验论文，提出了遗传理论，揭示了生物遗传的基本规律，并且充分地把数量统计方法运用到生物学中，推动了生物学朝着精密化方向发展。所以人们将“细胞学说”、达尔文进化论和孟德尔的遗传学说统称为生命科学的“三大基石”。,20世纪，特别是50年代之后，随着现代物理、化学、数学、计算机新理论和方法的广泛深刻地渗入，带来了生命科学的巨大变革和发展。生命科学从静态的，定性描述学科向动态的、精确定量学科转化，实验生物学走向了全面发展的新阶段。,1926年摩尔根(Morgan)基因论的提出，标志着现代遗传学的正式建立。摩尔根遗传学在胚胎学和进化之间架起了桥梁，直接推动了细胞学的发展，促进生物学研究从细胞水平向分子水平的过渡，并为生物学新的大综合奠定了基础。1941年比德尔（Beadle）和塔特姆(Tatum)提出“一个基因一个酶”的学说，把基因与蛋白质的功能结合起来。,11,人类基因组计划于1990年正式启动预计用15年时间（19902005年）完成30亿个碱基对的全部序列。原计划于2001年完成全部染色体的“工作草图”。由于参加这个计划的科学家的共同努力，于2000年6月26日这一天，参与国际人类基因组计划的美、英、日、法、德、中6国的16个中心。联合宣布人类基因组“工作框架图”绘制完毕。全部工作已于2003年4月最终完成。,9.2.1为什么要实施人类基因组计划？,我们已经知道，基因是染色体上有遗传功能的DNA片段，每种生物都具有数目有限的染色体，而人类有46条分别来自父母双亲的染色体。因此，如果能测出人类23对染色体上的所有DNA序列，那么就有可以掌握人类几乎所有的遗传密码。,目前，全球20%50%的人，每天忍受着各种慢性病的折磨，仅我国就有11%的人患有高血压，4.2%的人有不同程度的残疾，2.5%的人智力低下，1.7%的孩子患有近视或色盲。癌症一直高居死亡之首，艾滋病等现代“瘟疫”仍如洪水猛兽，而医生却只能“望病兴叹”。所以科学家发出要充分认识人类自己，充分认识生命的呐喊。,最棘手的问题是要弄清楚疫病与基因的关系。从现在的新观点看，人类的所有疾病都与基因有关，因此所有疾病都可以说是基因病，至于已经确定的6000多种遗传病，更与基因缺陷有着直接的关系。,当然，基因与疾病绝不是简单的一一对应关系。即使是单基因的经典遗传病，最终发病也是多种基因参与，更何况许多遗传病还不是单个基因引起的。对于多数非直接遗传基因引起的疾病，即使基因发生了变化，也还可以修复的。,人得了病之所以要打针、吃药。就是因为药物可以调节基因，从而改变基因的表达控制。即使是非药物治疗手段，如心理诱导，也都涉及基因活动的改变。但不管那种治疗，如果没有对基因更多的了解，就无法取得理想的效果。,于是，分子生物学、分子遗传学、细胞生物学等学科的专家纷纷开始研究疾病，研究基因，以期待找到致病基因，彻底医治疾病。但最大的问题是，零敲碎打地去找。一个一个地研究基因，分离克隆基因，效率非常低，只有采用大撒网的手法，对所有的,12,基因进行系统研究，才能更深入地认识疾病。,1944年艾弗里(Avery)等用细菌作材料进行实验，以及1952年赫希（Hershey）等进行的噬菌体感染实验。证明DNA是遗传信息的载体。德尔布吕克（Delbruck）创建的噬菌体对大肠杆菌和噬菌体结构与繁殖特性的定量研究，从学术思想及组织上为分子生物学的诞生作了极其重要的准备。1953年沃森（Watson）和克里克(Crick)建立DNA双螺旋结构模型，奠定了分子生物学的基础，开创了从分子水平上阐明生命本质的新纪元。此后生命界中分子运动规律的核心，即分子遗传学的“中心法则”的提出。生命界统一的遗传密码的破译等，从分子水平上证实了生命界统一的发展联系，使生命科学进入了分子生物学新时代。,1973年重组DNA获得成功，开创了基因工程，上世纪80年代之后，以基因工程为主体的生物技术作为高新科技产业在世界范围的兴起，生物技术转化为强大生产力已展示出广阔的应用前景，1990年开始的现代生命科学中最宏伟的研究“人类基因组计划”已于2000年6月胜利完成了工作草图的绘制，目前进展顺利令人振奋。在宏观生物学方面，现代生态学已发展成已人类为研究主体的，多层次的综合性科学。在解决影响人类发展的全球问题上，正发挥着越来越重要的作用。,9.2 人类基因组计划,人类遗传物质DNA的总和称为人类基因组。它由大约30亿个碱基组成其中有3万多个作为生命活动基本单位的基因。人类基因组中蕴藏着生命的本质奥秘，它与环境相互作用，决定着人的生、老、病、死。这一生命本质同样适用于人类赖以生存的自然界中的其他生命体。,人类基因组计划HGP（Human Genome Project）是一项宏伟的，旨在全面获得最重要的，关于人类自身的生物学信息，进而促进医病防疫。造福全人类的公益性、国际性计划，是人类第一次系统地解读和认识自己的科学创举。人类基因组计划首先由诺贝尔奖金获得者，美国著名生物学家Renato Dullbecco在Science上撰文，建议起动人类基因组计划，指出弄清人基因组序列，将有助于解决癌症病因，造福于人类。,13,9.2.2 人类基因组计划的主要内容,概括地说，人类基因组计划是要绘制遗传图、物理图与序列图。其核心内容是测定人的基因组（遗传物质）脱氧核糖核酸DNA的全部序列约30亿个碱基对的（核苷酸）中包含着人类大约3万多个基因，是一套用DNA语言写成的巨著。这套“百科全书”包含30亿个“字母”，由1000本厚约1000页的“大厚书”构成。每一“页”上以各种各样的顺序编写着A、T、G、C碱基配对，可以列为23章，每章相当于一对染色体，其中包含着数千个称为基因的“故事”。这些“故事”由一系列三“字母”单向组成。每个“单词”是构成DNA四种碱基的排列组合。人类基因组计划，就是要按顺序“读出”这30亿个“字母”即包含在DNA长链中的30亿个碱基。,人类基因组计划的工作内容就是绘制人类基因图，通过这套图可以了解到人类和其他物种有什么不同，而且我们每个人的遗传基因都是不同的。这套图由遗传图、物理图和序列图组成。,遗传图是通过研究人类人类疾病和生理特征，确定一个基因在染色体上的大致位置。例如研究它是位于人类第几号染色体的长臂或短臂的哪一端等。通过应用限制性内切酶切割等方式，先将基因一个个从染色体上裁下来，加以进一步分析。然后再组装上去。人有46条染色体，每条染色体上有一个DNA分子。每个DNA分子上排列着数百到数千个基因。而每个基因又有一定长度。他们都是由许多碱基按一定顺序排列组成的。人类基因组计划的一项最重要的工作就是要绘制这套遗传图。,物理图的作用是设“路标”和铺“路轨”，帮助人们快速找到任意一段DNA的精确排列位置。在全球科学家的共同努力下，遗传图和物理图已提前完成。,序列图是要测定绘制人类基因组30亿个碱基的排列顺序。这个数目实在是太巨大了，工作之大让人难于想象，必须借助超级计算机和核苷酸顺序自动分析系统来完成。2003年4月，全部序列图的测定与绘制也已提前完成，人类基因组计划的第一步任务宣告完成第一期的成果。但人类基因组的研究工作仅仅是开始，虽然基本完成三种图的,14,绘制，但还要对基因调控序列、单核苷酸多态性及其他模式和蛋白质组学的研究。虽然破译了30亿个碱基对，但里面所包含的确切基因数目还不清楚，关于人类到底有多少个基因，说法还不很一致，前几年有说10万个，后来又说6万个。现在又说不到4万个。很不确切。而且对于人类30亿个核苷酸。现在发现有功能的只占百分之几，其它都还是未开垦的“荒地”。一旦开发，还会不断加入基因大军。所以人类基因总数的统计仍处于动态的变化之中。,9.3 人类的基因医生,人类23对染色体基因破译后就成为巨大而十分宝贵的基因信息资源。一项以研究开发基因功能为主体的生物技术基因芯片技术正成为生物界，医疗界争相开发的“金矿”。,基因芯片只有指甲盖的大小，但可以随时随地测量自己的健康状况。未来的医生首先是向你索取基因芯片，诊断时医生先打开芯片，检查几个可能的“候选基因”，并把重要区域，重要基因，重要位点搞清楚，再看看需要注意什么，因为基因组的“情况”不同，药物的灵验可能因人而异。但医生只要从各人的基因芯片中了解各人不同的基因就能开出对症的“特效药”。,9.3.1基因芯片的特点：准确性、超前性、方便性,1）的确性 基因芯片诊断疾病准确而灵敏。患者只需将自身的血液或口水滴在基因芯片上，所患疾病的基因就会和芯片上对应的基因发生化学反应而结合。用特制的电脑扫描仪进行扫描，计算机很快就能识别出发生反应的是哪一种疾病的基因。从而准确地判断出被检测者是患哪种疾病。,2）超前性 人一般是“得了病才求医”。基因芯片一旦技术成熟问世就可以超前检测。鉴别那些貌似健康的人各种微小的变化，因而，使预防疾病的能力大大提高。用基因芯片可监测胎儿发育、检测癌基因，及时发现癌症。,3）方便性 基因芯片只有指甲盖大小，可随身携带，随时对自己的身体进行健康,15,状况检测，并通过全球通讯系统将结果传给自己的家庭医生。家庭医生作出诊断并开出处方，通知附近的药店直接送药上门。或者被检测者需要手术，只需把基因数据输入机器人医生的执行系统，机器人医生就会准确地施行手术。,9.3.2 基因治疗的四个步骤,1）确定致病基因的位置，即找到基因的位点。,2）找到“治疗基因”，即能够修复或替代异常基因的基因，或把人的细胞取出来，在体外修复改造。,3）找到载体，把“治疗基因”运送到人体中去。,4）使“治疗基因”在人体细胞内复制、表达。科学家对人类基因的研究可以找到致病基因，知道他们存在于哪一条染色体上，并对他们在DNA上的确切位置进行定位。但找到了“致病基因”还不够，要使其在人体中正确复制和表达，还需要找到负责治疗基因表达调控的“调控元件”和管理其复制的“复制中心”，只有把他们一起送入体内，才能发挥作用。基因由三部分组成，一是结构基因，如果发生变化，核苷酸变了。根据“遗传密码”相应的蛋白质就会发生变化。人体就要出问题。结构基因编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶的合成；第二种是操纵基因，它的功能是操纵tRNA、mRNA、rRNA三个结构基因的表达；第三种是调节基因，是“调控部分”，调控基因准确表达，碱基“三联密码子”不错位。,除了向患者体细胞引入正常基因外，还有其它方法，如把有病的基因关闭或降低有病基因的表达水平等。找到了治疗疾病的“治疗基因”、“调控元件”、“复制中心”，下一步就是要把这些载体送到人体的细胞中去。为此，科学家发明了很多方法，除了前面提到过的显微注射外，还有一种方法是通过病毒感染。人类“基因治疗”用的是动物的病毒，现在还不能在细胞之外包装，先要送到一种专门的细胞里去包装，然后这一病毒就能“感染”细胞。有2种能把载体送进人体细胞的病毒，一种是RNA病毒，另一类是DNA病毒，现在使用的是腺病毒及相关病毒等。,16,在治疗时，科学家先把病人的细胞取出来，用细胞培养的方法在体外繁殖，再用带有治疗载体的病毒感染它，将感染过的细胞培养增殖很多，最后将这些经过“改造”的细胞里注射进入体中。这些细胞在体内繁殖，治疗载体的“复制中心”使它能在人体细胞复制，“调控元件”指挥“治疗基因”在人体细胞里表达。这三者互相促 进，就能矫正原先的缺陷，达到基因治疗之目的。,9.3.3 基因治疗离现实还有多远,1990年，有2名美国女孩得了一种奇怪的病先天性缺乏腺苷脱氨酶症（简称ADA），其症状就象艾滋病人一样，没有自身保护的免疫力，原因是遗传基因缺陷，不能生成ADA。为了从根本上使她们得到有效治疗，科学家们将患者的白血球细胞取出体外，转入能够合成ADA的正常基因，再将其输回患者体内。经过一段时间之后，这些正常的基因开始合成足够的ADA，于是患者的情况大为改观。女孩完全恢复了健康，充满了活力，如今这名女孩已十多岁，和正常孩子一样上学，游戏和参加各种体育活动。,这是人类实施基因治疗的第一个成功的实例。它让人们看到了基因治疗的希望，揭开了“基因治疗”的序幕，成为世界医学史上的一个里程碑！此后不久，世界上许多国家运用这一疗法治疗了数十例严重免疫缺陷综合症的病孩。我国复旦大学进行了两批共4人的基因治疗试验，也取得了令人满意的效果。但后来接二连三的失败，也使这项新技术笼罩着阴影。人类的遗传基因比一般动植物来说要复杂得多，许多病不是由单个基因决定的，要找到致病基也不是容易的，而且目前对于基因表达调控机理也还存在着许多未解之谜，所以，目前基因治疗应用于临床还需十分慎重！因此，科学家们目前更多的还是将基因治疗的主攻方向放在基因治疗的理论方面。,尽管如此，自1990年以来世界上已有1000多个病人接受了这种“基因治疗”，特别是那些致命的遗传病，如先天性的免疫缺陷病。人们把这样的基因治疗的方法，称之为“体外手术”。即把人的细胞取出来，在体外进行修复改后又送回体内。还有一种方法更为绝妙，利用以细胞为靶子的“基因枪”，将治疗基因及其载体送入人体内。,17,传送基因的枪称“基因枪”，外型有点象手枪，但两者的设计原理，所用子弹和射击目标却完全不同。基因枪可以靠火药来推动，也可以靠高频电流或高压气流来推动。但基因枪是为了将外来基因射入某种细胞，创造新的生命，而不是为了杀人。基因枪的“子弹”很小，是包裹着遗传物质（外原目的基因）的钨粒子或金粒子。其直径只有1/1000um，可是它的发射速度却可达到每秒2000m以上。基因枪推动着一个载着钨粒子的塑料丸，枪的固定封闭式弹腔里有一特殊金属板，板上有一微孔。这样金属板能阻止弹丸的塑料部分进入，而带有外源基因的钨粒子却可以通过微孔，进入紧贴金属板的组织或细胞中。依靠基因枪运送外源基因虽然成本昂贵但其有独到的好处。最大的好处是外源基因能直接导入完整的细胞，而不必除去细胞壁。,除了向患者体内引入正常基因外，其它一些方法，如把有病的基因关闭掉，或降低有病基因的表达水平，都有希望成为基因治疗的手段。但是如果不能做到治疗基因准确的表达，就会带来许多意想不到的麻烦。比如新基因可能会插入到基因组中的“错误位置”，那样就可能会激活某个致癌基因，或者甚至使某个至关重要的基因失去活力。,目前基因治疗还只能限于体细胞，人毕竟是属于高级动物。不能充当试验品，不可能对人的生殖细胞进行基因导入，因为这样会导致人类基因组的改变，有可能产生遗传上的混乱。这不仅仅是个科学问题，而且也存在着伦理道德和观念的问题。,总之，一旦在人类基因研究和技术上获得重大突破，对遗传病的将得到有效治疗。世界上许多药物公司已在迅速组织力量开发相应的药物，以代替由于基因异常而缺失的必需蛋白质。不久的将来，随着威胁人类健康和生命的顽症将被一个个的攻克。人类的生存质量将获得极大的提高。,9.3 .4人类基因组计划对社会的影响,今天的生物技术已渗透到科学研究的综深领域，医疗卫生、环境改造、制药工业、农业生产等科学和经济领域。从转基因动植物到高等有机体的整体克隆；从细胞培养的人造皮肤到活体培养的人工器官；从基因诊断到基因治疗从人工授精到DNA,18,疫苗，生物技术在改善现代人类赖以生存的4个基本物质食物，能源，环境，人口都将起到关键作用。在人类基因组计划过程中形成并发展起来的生物信息学正是在这个关键时刻为生物产生的发展提供了新的动力和航向。,高速自动DNA测序技术的建立带动了生物信息学的发展，信息化的生物资源使得现代分子生物技术有了用武之地。因而带动了整个生命科学和产业的发展。形成了良好的互动关系。资源信息化把物种资源与基因工程。转基因技术等分子生物技术有机地结合(联系)起来。成为生物产业发展的源头。生长点和制高点已是不争的事实。DNA测序基因组数据分析等生物信息本身也成为生物技术产业的源头。,生物医药和生物技术产业作为21世纪的支柱产业之一，是解决人口与健康，生存与环境等诸多问题的主要科学和产业途径。转基因，基因克隆等生物技术是有效地开发和利用生物资源的手段和方法。而信息化和他的知识系统是开发的前提和基础。,人类基因组计划将产生复杂的人类伦理，法律等社会问题。一个人的遗传信息就是生老病死，也是个人最大的隐私。科学的发展将会使我们每个人的遗传信息在将来的某一天被全部破译，这些信息应由谁来保管？谁有权知道？是你的父母，亲友，老板，还是保险公司或政府呢？会不会有人利用你的基因信息作出对你不利的事呢？会不会有人利用你的基因组信息作为衡量收取保险费的标准，。得知你带有某些疾病的基因，便向你索要更高的保险费，你认为这样合理吗？通过分析遗传信息发现你可能患有某些疾病，这是否可以成为拒绝你获得某些工作的理由呢？会不会在将来男女是否可以结婚一定要先分析基因呢？基因组研究发展实在太快了，上述问题的出现将使我们措手不及，人类社会还没有完全准备好这些问题的答案。,科学的发展可以推动社会向前发展，同时也会带来严重的负面影响。在原子能的开发为人类生存提供了新的能源的同时，原子能的释放已经夺走了成千上万的生命。基因组的研究同样会在带给什么益处的同时也带来损失和灾难！以基因为基础的种族选择性灭绝武器研制成功已经不是丛人听闻的新闻了！! !,O O,( ),19,要回答这些问题，接受这些冲击，我们必须使全社会都充分地认识到科学研究的正面和负面的影响。全社会都应该参与对科学研究及其应用的讨论中来。科学研究不应该受到限制。但是科研成果的应用却应该受到严格的限制，只有这样的科学的发展才能够兴利避害，真正造福人民。,9.4 抗击艾滋病,9.4.1艾滋病的发现,1981年，美国洛杉矶西奈医院首次发现艾滋病，最初的诊断是“卡氏肺孢子虫肺炎”后来被确诊为“艾滋病”。,“艾滋病”的英文缩写是“AIDS”，是1982年美国疾病预防控制中心根据调查结果将该病正式命名为“获得性免疫缺陷综合症”。,AIDS是一种由于艾滋病病毒侵入人体后，破坏人体免疫功能，使人体发生一系列的感染或肿瘤，最后导致患者死亡的传染病。,AIDS病毒在医学上称为“人类免疫缺陷病毒”其英文名缩写是“HIV”它有很强的变异能力，进入人体之后可不断地改变其抗原成分，逃避人体免疫系统的攻击，这不仅使人体的免疫系统不能清除病毒，还使疫苗研制变得非常困难。,HIV极易产生耐药性，使抗病毒的药物很快失效，这也是AIDS难于治愈的原因。但HIV必须在人体内才表现其活力，在外环境中用一般消毒剂即可将它杀死。,HIV感染者是指被HIV 感染的人，但不等同于AIDS病人。HIV感染者体内携带病毒，有传染性，但无临床表现。由于HIV属于慢性病毒，具有长期潜伏在细胞内的能力，因此HIV感染者可以几年至十几年不发病，在此期可以正常工作，学习和生活。,AIDS病人 当HIV 病毒感染者的免疫系统受到艾滋病毒严重侵害不能维持最低的抗病能力时，就会出现各种临床病症状，包括各种感染与肿瘤，这时就被确诊为AIDS病人。,20,机会性感染 是指人体免疫系统遭到破坏时由细菌，病毒，真菌引起的各种病变，甚至是致死性的感染。这类感染在人体免疫处于正常状态时是不会发生的。,免疫功能 是指人体免疫系统抵抗疾病的能力。免疫系统由细胞免疫和体液免疫组成，它是人体的防疫部队，担负着阻击病原体入侵的重任。细胞免疫的主力军有淋巴细胞，巨噬细胞，单核细胞等。人体免疫系统一旦遭到破坏，各种病原体就会长驱直入，使人发生感染或肿瘤，甚至死亡。,抗原 是指入侵人体的病原体所特有的，可以诱发抵抗免疫反应的物质。,抗体 是指人体免疫细胞针对抗原产生的一种特异性物质，它可以与抗原结合，阻止抗原可能带来的损伤，同时抗原与抗体的结合物可以引导有杀伤力的细胞去杀伤带抗原的入侵者。HIV入侵，可使人体B淋巴细胞产生HIV抗体，如作血清学检查，可见“HIV抗体阳性”的化验结果。,9.4.2 艾滋病给人类带来的灾难,2002年7月2日，联合国艾滋病规划署（UNAIDS）发表两年一度的全球AIDS情况报告，披露了AIDS在全球蔓延的严重状况。至2001年底，全球活着的HIV感染者和AIDS 病人已超过4000万，其中撒哈拉沙漠以南的非洲地区2850万北非和中东地区50万，西欧55万，东欧和中亚100万，东亚和太平洋地区100万，东南亚560万，澳大利亚和新西兰1.5万，北美95万，加勒比海地区42万，拉丁美洲150万。自1981年发现首例AIDS以来至2001年，全世界死于AIDS的累计有2180万。据预测，如果不预防治疗，到2020年将夺走6800万人的生命。AIDS已成为世界上仅次于心脏病，脑溢血和急性下呼吸道感染的第四种主要死亡原因，成为世界上死亡率最高的传染病。,最令人担忧的是，年轻人受到的威胁最大，据统计，目前近一半的新增HIV感染者是1524岁的年轻人，全世界每天都有6000名24岁以下以及2000名15岁以下的年轻人，受到感染。,1985年中国首次发现艾滋病以来至2001年，全国累计报告HIV感染者30736例，,21,其中AIDS病人1594例。死亡684例。至2001年底估计全国累计HIV感染者，AIDS病人约85万，现存活病人约8-10万，中国AIDS传播已进入快速增长期。防治AIDS形势非常严峻。,9.4.3 艾滋病对社会经济发展造成的影响,AIDS,给人类带来的危害不仅仅是死亡，它使整个社会蒙上了一层阴影。给全球背上了沉重的包袱。在美国一个AIDS病人的医疗费用大约是8万美元。中国也与此相当，约6.4-8.6万元人民币。患者又多数为青壮年，由于提前退出了工作岗位，家庭成员因照顾患者误工等因素，由一个病人所造成的间接经济损失达62万美元（在美国）或60万人民币（在中国）。AIDS 的流行将使发达国家损失生产总值的1%，发展中国家损失生产总值的3%，对一些流行严重的国家的经济损失带来毁灭性的打击。据估计到2010年AIDS流行最严重的国家人均国民生产总值将下降8%，各类公司在培训，保险，疾病，社会福利等方面将支付更大的费用。,除了经济问题外，AIDS的肆虐会给家庭，社会，医学，道德法律等方面带来一系列的问题。尽管世界各国投入了大量人力、财力进行研究防治，但至今仍收效甚微，仍未找到根除HIV的药物和疫苗。虽然2001年美国新型艾滋病疫苗实验取得成效，但这种疫苗仍是实验性阶段，进入临床使用还需一段较长时间。,9.4.4 艾滋病病毒HIV,艾滋病病毒是目前已知的最小的感染性传播艾滋病的微生物之一，只有在特殊的，能放上万倍的电子显微镜下才能观察到。HIV病毒能通过一般细菌，细胞都不能通过的过滤器。,一般认为HIV可能源于非洲的一种长尾猴（绿猴），最早流行于动物中，后来毒力逐渐增强才传给人类。也有的说是黑猩猩带有HIV，是在人类屠杀黑猩猩时通过人的伤口接触黑猩猩的血而感染HIV。总之HIV和非典等许多传染性病毒都源于动物，是通过试验发现的。,22,狡猾的HIV生性懒惰，它靠寄生在患者的活细胞中生长，繁殖。但它在体外则不具有独立生长，代谢能力。它没有合成蛋白质的机构核糖体。也没有合成细胞物质和繁殖所必须的酶系统。但却有其自身的特殊结构，由蛋白衣壳和核酸内芯（只含有DNA或RNA而不能同时具有DNA和RNA）,病毒的繁殖过程包括：吸附，入侵，复制，聚集与释放四步。当病毒粒子与机体接触时便被吸附在肌肤或粘膜上侵入到宿主细胞内，立即引起宿主代谢的改变。此时宿主细胞内的核酸不能按自身的遗传特性复制和合成蛋白质，而由入侵病毒粒子所携带的遗传信息控制，借宿主细胞的合成机械如核糖体，mRNA (信使核糖核酸)，tRNA（转移核糖核酸）ATP（三磷酸腺苷）及生物酶系统复制病毒核酸，进而合成病毒自己的蛋白质，再聚集形成的病毒粒子，当新的病毒粒子成形后就穿破宿主细胞而裂解，释放出来的新病毒粒子再重新感染新的宿主细胞。一个被侵害的宿主可释放10-1000个新病毒粒子，当宿主细胞被一个个侵害，最后导致宿主细胞几乎全部坏死时，被感染的宿主也就死亡了。,艾滋病从感染到发病的三个期,窗口期 HIV入侵人体后，人体需要经过一段时间才产生抗体，当抗体的数量达不到检测水平时，化验结果往往是“阴性”。从HIV入侵到人体产生足够的抗体的这段时期，医学上成为“窗口期”一般为3个月左右。此时虽然化验结果是“阴性”但可传染给他人。,潜伏期 指人体感染病毒到最早出现临床症状的这一时期。AIDS的潜伏期随感染者的年龄，感染途径，感染病毒的数量和型别等的不同而有差异。经输血感染的病毒数量最多，潜伏期也最短，一般6个月2年；经性接触感染的病毒数量相对较少，潜伏期较长，一般为10年，最长有15年的。据外国报告由HIV型引起的潜伏期更长可有1619年。据统计AIDS的潜伏期平均8-10年。,传染期 是指感染者或病毒传染给别人的那段时间。AIDS从感染到发病都属于传染期。一般情况下，HIV感染者早期和晚期传染性较强。,23,9.4.5 艾滋病的传播,（1）性接触传播,这是最常见的传播途径，主要指没有采取保护性措施（如使用避孕套）的情况下与已感染HIV的人进行性接触。据世界卫生组织统计，75%的HIV感染是通过性接触传播的。,（2）血液传播,输入带有HIV病毒的血液或血制品，使用带有病毒的血污染的针头，注射器或其他刺伤皮肤的器具等，包括组织器官的移植和手术。,（3）母婴传播,胎儿出生前，出生时及出生后，感染HIV的母亲都可能将HIV传播给她的婴儿或胎儿。据统计在母婴传播中有1/3的危险来自母乳喂养。,9.4.6如何杀死艾滋病病毒,艾滋病病毒在它入侵进入人体细胞后其寄生的活力和危害致死率虽然非常高，但艾滋病在外环境中并不表现活力，对热很敏感，在60,o,C作用60min即可灭活，煮沸和高压蒸汽很容易将HIV杀死。如果不具备高压灭菌设备，把清洁后的器具煮沸20min也可以达到杀灭病毒的目的。,一般化学消毒剂可以杀灭HIV。常用的化学消毒剂如50-70%酒精，5%石炭酸（酚溶液），0.1%漂白漂，2%的甲醛溶液，2%次氯酸钠都可以杀灭HIV。,但当HIV 与其他体液一起排到体外时，这些体液可能对病毒本身起到一定的保护作用，因而对有体液污染的物体表面或器具要彻底清洗，然后再把物品完全浸泡在消毒液中，并达到规定的浸泡时间。,9.4.7 艾滋病的预防,A 科学家总结出艾滋病病毒的特征,24,所选择进攻的靶细胞主要是T,4,淋巴细胞，一旦入侵便与宿主细胞整合；使宿主细胞坏死；为了逃避人体免疫系统的追击，经常发生变异；广泛存在于感染者的血清，精液，阴道分泌物等体液及某些病人的脑组织中。,感染者潜伏期长，病死率高。,基因组很复杂。,以上这些特性给AIDS的治疗及疫苗研制带来很大困难。,B艾滋病的预防远离危险行为,（1）,洁身自好，不嫖娼，不搞非婚姻性关系。,（2）,不吸毒，远离毒品。,（3）,尽量不输血，少用不用血制品，确认所输血作HIV检查。,（4）,不与他人共用注射器，针头等注射器具。,（5）,有可供治疗的口服药时，尽量避免注射药物治疗,（6）,不去非法买血,（7）,不使用他人牙刷，剃须倒,（8）,捐献器官，精液，骨髓者应做HIV检验。,C掀起声势浩大的世界预防艾滋病宣传运动,1988年1月，世界卫生组织为了号召各国加强预防控制艾滋病，加大宣传力度并采取可能的联合行动，在英国伦敦召开了一个全球预防AIDS规划的各国部长会议，会议决定将每年12月1日定为“世界艾滋病日”作为全世界人民向AIDS 作斗争的统一行动日，之后改为“世界艾滋病运动”意思是AIDS预防活动不能仅限于一天，而是要作长期斗争。自1988年以来，每到12月1日这一天，世界各国均举行各种宣传活动，让世界人民知道艾滋病是能够预防的 。世界艾滋病运动历年有宣传主题,25,1988年,全球共讨，征服有期,1989年,我们的生活，我们的世界让我们互相关照,1990年,妇女和艾滋病,1991年,共同迎接艾滋病的挑战,1992年,预防艾滋病，全社会的责任,1993年,时不我待，行动起来,1994年,艾滋病和家庭,1995年,共享权益，共担责任,1996年,同一世界，同一希望,1997年,生活在有艾滋病世界中的儿童,1998年,青少年迎接艾滋病的生力军,1999年,聆听，学习，珍爱生命,2000年,预防艾滋病，男士责无旁贷,2001年,预防艾滋病，你我同参与,2002年,互相关爱，共享生命,D 有关预防艾滋病的疫苗,26,D 有关预防艾滋病的疫苗,2002年，美国科学家曾发现13名HIV感染者，感染期超过15年，未用过任何抗病毒药物却始终不发病。研究发现，他们多数（85%）有一种特殊基因，使他们的免疫系统可对HIV显示较强的抵抗力，起到抑制病毒复制作用。此外，科学家还发现，非洲绿猴体内的病毒载量虽然很高，但不发生AIDS，是因为非洲绿猴可产生高效免疫反应。这些信息给科学家在疫苗研制方面开拓了一个思路，即如果疫苗不能阻止HIV的入侵，还可以诱导或调整个体产生某些免疫反应考虑，使个体T4淋巴细胞不减少病毒载量保持低水平，不向AIDS发展。2001年，美国国家卫生研究院和埃默里大学的科学家成功开发出一种“两步走” 疫苗体系，在恒河短尾猴身上的试验表明这种疫苗体系虽然不能防止猴子感染HIV，但能让猴子保持健康状态，这是因为疫苗可诱导个体产生疫苗反应，控制病毒含量的增加，使病情不至于发展到出现临床症状。这是迄今在猴子身上实验中所取得的最令人振奋的结果。也是至今最好的AIDS 候选疫苗的一种。尽管这只是在猴子身上所做的“猴人免疫缺陷病毒（SHIV）疫苗”试验，但可以预料在不久的将来会应用于人体试验。这种虽不能阻止猴子感染HIV，但却能让猴子获得控制病毒含量不再增加而使猴子保持健康状态的疫苗。只是预防AIDS病毒HIV的第一步，第二步再研制出能直接预防HIV入侵人体起高效免疫的预防HIV的疫苗，让我们期待。,27,