1緒論

1.1現代生物技術概論1

1.1.1現代生物技術的基礎知識1

1.1.2現代生物技術的發展歷程1

1.2現代環境生物技術概論3

1.2.1現代環境生物技術的基礎知識3

1.2.2現代環境生物技術的應用3

思考題6



2酶工程

2.1概述7

2.1.1酶的發展歷史與特性7

2.1.2酶工程的發展概況8

2.2酶的分類及作用原理10

2.2.1酶的分類與命名10

2.2.2 酶的作用原理12

2.3酶促反應動力學17

2.3.1米氏方程17

2.3.2酶促反應的影響因素20

2.4酶的生產與分離純化26

2.4.1酶的生產26

2.4.2酶的分離純化28

2.5酶分子修飾40

2.5.1酶分子修飾的基礎知識41

2.5.2酶分子修飾的基本要求和原則42

2.5.3酶分子的修飾方法43

2.5.4酶修飾後的性質變化50

2.5.5生物酶工程52

2.5.6酶的定向進化55

2.6酶固定化57

2.6.1酶固定化的方法57

2.6.2固定化酶反應條件的變化59

2.6.3固定化酶的特性64

2.6.4固定化酶的應用66

2.7酶反應器69

2.7.1酶反應器的概念和要求69

2.7.2酶反應器的類型69

2.7.3酶反應器的選擇73

2.7.4酶反應器的設計76

2.7.5酶反應器的操作79

2.8酶在環境保護中的應用82

2.8.1酶在環境監測方面的應用82

2.8.2酶在廢水處理方面的應用83

2.8.3酶在可生物降解材料領域的應用84

思考題84



3基因工程

3.1概述86

3.1.1基因工程的分子生物學基礎86

3.1.2DNA的結構與功能88

3.1.3DNA復制89

3.1.4RNA的結構與功能91

3.2DNA變性、復性與雜交93

3.2.1DNA變性93

3.2.2DNA分子復性95

3.2.3DNA分子雜交95

3.3基因工程工具酶95

3.3.1限制性內切酶96

3.3.2連接酶98

3.3.3修飾酶99

3.4基因工程載體100

3.4.1定義、分類和特點100

3.4.2用於原核生物宿主的載體101

3.4.3用於真核生物宿主的載體105

3.4.4用於植物宿主的載體108

3.4.5用於動物宿主的載體109

3.5目的基因的獲得111

3.5.1基因的組成及分類111

3.5.2原核生物基因的組成111

3.5.3真核生物基因的組成112

3.5.4其他基因組基因的組成112

3.5.5原核生物目的基因的獲得113

3.5.6真核生物目的基因的獲得114

3.6目的基因的導入119

3.6.1受體細胞及其分類119

3.6.2目的基因導入受體細胞121

3.7重組體的篩選123

3.7.1生物學方法篩選123

3.7.2免疫學方法篩選124

3.7.3核酸分子雜交法篩選125

3.7.4印跡技術125

3.8DNA序列分析128

3.8.1化學降解法128

3.8.2雙脫氧鏈終止法129

思考題131



4專題

4.1建立一個分子生物學實驗室所需的儀器134

4.2微生物的分子生物學鋻定方法136

4.2.1PCR技術136

4.2.2基於PCR的分子生物學方法136

4.2.3不涉及PCR的分子生物學方法138

4.2.4展望139

4.3PCR引物設計139

4.3.1引物設計的基本原理140

4.3.2設計引物的黃金原則142

4.3.3引物設計軟件界面144

4.3.4RT-PCR引物設計152

4.3.5簡並引物設計過程和原則154

4.4典型環境污染物修復基因工程菌的構建及應用155

4.4.1基因工程菌構建的基本原理155

4.4.2材料和器材155

4.4.3操作步驟156

思考題157



5實驗

5.1活性污泥總DNA的提取158

5.2質粒DNA分離純化與鋻定159

5.3感受態細菌的制備及細菌的轉化163

5.4利用16S rDNA方法分析不同污染土壤中微生物種群的變化165

5.5活性污泥總DNA的16S rDNA-PCR擴增實驗169

5.6DNA瓊脂糖凝膠電泳172

5.7聚丙烯酰胺凝膠中DNA的回收、測序及繫統發育樹的構建174

5.8酶的固定化176

5.9活性污泥的脫氫酶活性測定180

5.10有機污染物的微生物降解——高效脫酚菌的分離和篩選182

5.11Biolog法測試土壤微生物多樣性184

5.12PLFA測定土壤菌群實驗186

5.13DGGE法分析活性污泥微生物多樣性189

5.14包埋固定化凝膠小球對廢水中染料的吸附特性實驗191

5.15漆酶繫列實驗194

5.15.1漆酶產生菌的篩選195

5.15.2高產漆酶菌株酶活的測定197

5.15.3高產漆酶菌株的酶學特性198

5.15.4漆酶的固定化199

5.16利用微生物對石油污染土壤的生物修復200

5.17假絲酵母的擴大培養及生物柴油的制備203



附錄

附錄1實驗注意事項205

附錄2如何撰寫實驗報告206

附錄3常用的堿基、氨基酸符號及緩衝液207

附錄4培養基與試劑的配制218

附錄5質粒抽提試劑與步驟222

附錄6DNA操作原理223

附錄7RNA操作試劑與步驟225



參考文獻

生物技術在處理環境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等顯著優點。隨著生物技術研究的進展和人們對環境問題認識的深入，人們已越來越意識到，現代生物技術的發展有望從根本上解決環境問題。目前生物技術應用於環境保護中主要是利用微生物，少部分是利用植物作為環境污染控制的生物。生物技術已是環境保護中應用廣、為重要的單項技術，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、受污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各個方面，都發揮著極為重要的作用。應用環境生物技術處理污染物時，終產物大都是無毒無害的、穩定的物質，如二氧化碳、水和氮氣。利用生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉移，因此它是一種消除污染的安全而徹底的方法。現代生物技術的發展，尤其是基因工程、細胞工程和酶工程等生物高技術的飛速發展和應用，大大強化了上述環境生物處理過程，使生物處理具有更高的效率、更低的成本和更好的專一性，為生物技術在環境保護中的應用展示了更為廣闊的前景。

現代環境生物技術是現代生物技術與環境科學緊密結合而形成的新興交叉學科。本書結合環境專業學生的生物學基礎現狀，融理論、案例與實驗於一體，全面繫統地介紹了現代環境生物技術在環保領域應用的基本原理、經典案例和具體操作。本書共5章。第1章緒論。第2章酶工程，主要介紹酶的催化特性、酶促反應動力學、酶的生產與分離純化、酶分子的修飾以及酶的定向進化、酶的固定化以及酶反應器等。第3章基因工程，主要介紹DNA的變性、復性與雜交，基因工程工具酶與載體，目的基因的獲得與導入，重組體的篩選，DNA序列分析。第4章專題，包括建立一個分子生物學實驗室所需的儀器，微生物的分子生物學鋻定方法，PCR引物設計以及典型環境污染物修復基因工程菌的構建及應用。第5章實驗，包括活性污泥總DNA的提取，活性污泥總DNA的16S rDNA-PCR擴增，DNA瓊脂糖凝膠電泳，DNA的回收、測序及繫統發育樹的構建，DGGE法分析活性污泥微生物多樣性，PLFA測定土壤菌群，Biolog法測試土壤微生物多樣性，高效石油烴降解菌的分離和篩選，高效脫酚菌的分離和篩選，活性污泥的脫氫酶活性測定，漆酶產生菌的篩選固定化和酶活測定，16S rDNA微生物多樣性分析，包埋固定化凝膠小球對廢水中染料的吸附特性，質粒DNA分離純化與鋻定，感受態細菌的制備及細菌的轉化等17個實驗。

本書由王曉紅、趙輝、張小梅編。其中，青島科技大學王曉紅負責編寫第1章、第2章第6~8節、第4章、第5章和附錄；山東科技大學趙輝負責編寫第3章；青島農業大學張小梅負責編寫第2章第1~5節；山東科技大學侯斐斐、畢貞鵬、潘俊潼、孫曉婷在圖表繪制、文字校對方面給予了很大幫助。

全書由青島科技大學匡少平主審。

本書撰寫過程中得到青島科技大學環境與安全工程學院、山東科技大學化學與環境工程學院、青島農業大學資源與環境學院等的大力支持，謹致謝忱。

由於編者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。



編者