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本书共分6章，在对生物工程的学科基础、研究和服务领域进行简要介绍的基础上，重点阐述了基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程、环境生物工程的基本理论、研究领域、应用和发展前景。通过对本书的学习，将使读者对生物工程有一个全面和正确的了解。

第1章 绪论1

11 生物工程的学科基础1

12 生物工程的研究领域2

121 基因工程2

122 细胞工程3

123 酶工程3

124 发酵工程4

125 生物分离工程5

13 生物工程的服务领域6

131 人类健康6

132 农业7

133 资源和能源8

134 环境保护9

第2章 基因工程10

21 概述10

211 基因工程的诞生10

212 基因工程的内容11

22 基因工程的理论基础13

221 DNA的结构与功能13

222 DNA的变性、复性与杂交15

223 遗传信息的传递方向--中心法则15

224 基因的表达与调控16

23 基因工程工具酶18

231 限制性内切酶19

232 连接酶19

233 其他基因工程的工具酶20

24 基因工程载体20

241 基因工程载体的定义20

242 用于原核生物宿主的载体21

243 用于真核生物宿主的载体23

244 用于植物宿主的载体25

245 用于动物宿主的载体27

246 基因工程载体的条件和简单分类27

25 目的基因的获得27

251 原核生物目的基因的获得28

252 真核生物目的基因的获得30

26 目的基因与载体DNA的连接32

261 黏性末端DNA片段的连接32

262 非互补黏性末端或平端DNA片段的连接32

263 连接反应的效率33

27 目的基因导入受体细胞34

271 受体细胞34

272 重组DNA分子导入受体细胞35

28 重组体的筛选37

281 利用抗生素抗性基因37

282 营养缺陷互补法38

283 核酸杂交法38

284 通过免疫反应筛选39

285 通过酶活性筛选39

29 目的基因的高效表达39

291 概述39

292 影响目的基因表达的基本因素40

293 目的基因的不溶性高效表达41

294 目的基因的高效可溶性表达41

295 目的基因的高效分泌型表达41

296 基因工程宿主菌的改造42

297 利用细胞培养工程手段提高基因表达水平43

210 基因工程的应用与发展前景45

2101 基因工程制药47

2102 基因组工程48

主要参考书目51

思考题51

第3章 细胞工程53

31 概述53

32 动物细胞培养54

321 哺乳动物细胞种类及其性能54

322 动物细胞培养的环境特性58

323 动物细胞大规模培养60

324 昆虫细胞培养63

33 植物细胞大规模培养63

331 植物细胞株的建立与培养64

332 植物细胞培养的细胞生理特性67

333 植物细胞培养生物反应器的研究68

334 植物细胞培养的应用70

335 植物细胞培养的发展趋势72

34 转基因动植物73

341 转基因动物73

342 转基因植物76

35 干细胞技术80

351 干细胞分类80

352 干细胞的分离与培养81

353 干细胞的研究进展81

354 干细胞的应用前景和障碍83

36 组织工程85

361 组织工程概述85

362 组织工程的构建86

363 组织工程的展望88

思考题88

主要参考书目89

第4章 酶工程90

41 概述90

42 酶的命名和分类91

421 国际系统分类法92

422 国际系统命名法92

423 酶的活力和活力单位93

43 酶的化学本质、来源和生产93

431 酶的化学本质93

432 酶的来源和生产95

44 酶催化反应机理及反应动力学98

441 酶催化反应的特点98

442 酶催化反应的机理99

443 酶催化反应的速率理论100

444 酶催化反应动力学102

45 酶的固定化和固定化酶反应器105

451 酶的固定化105

452 固定化酶反应器106

46 酶工程的应用107

461 酶法生产高果糖浆109

462 酶法合成丙烯酰胺110

463 酶法生产L-氨基酸和有机酸110

464 酶法合成半合成抗生素生产的重要中间体111

465 酶用于光学活性化合物的制备112

466 酶用于疾病诊断和治疗113

467 生物传感器和蛋白质芯片114

468 酶在基因工程中的应用115

47 酶工程的研究进展116

471 酶的修饰和蛋白质工程116

472 酶的新用途--靶酶及酶标药物117

473 非水系统中的酶催化117

474 酶法固氮118

475 酶的研究和应用118

476 人工合成酶和模拟酶119

477 核酸酶120

478 抗体酶121

思考题122

主要参考书目123

第5章 微生物工程124

51 微生物工程的发展史125

511 显微镜与微生物的发现126

512 微生物与发酵127

513 微生物纯种培养技术128

514 丙酮/丁醇发酵和甘油发酵129

515 青霉素的发现与青霉素发酵的工业化129

516 微生物工程的发展131

52 常见的工业微生物132

521 细菌132

522 放线菌136

523 酵母137

524 霉菌138

53 微生物育种技术140

531 诱变育种141

532 代谢工程育种143

533 DNA重排与基因组重排育种144

54 微生物的营养和生长146

55 发酵工业的生产流程148

551 原料预处理148

552 发酵培养基的配制和灭菌148

553 无菌空气制备149

554 微生物种子的制备149

555 发酵过程的操作方式150

556 发酵产品及其分离提纯工艺152

56 生物反应器和反应动力学153

561 搅拌罐153

562 鼓泡塔154

563 气升式反应器154

564 流化床反应器和填充床反应器155

565 发酵过程的检测和控制156

566 发酵过程动力学和传质156

57 微生物发酵产品158

571 大宗及精细化学产品158

572 有机酸、氨基酸及其他食品添加剂159

573 酶制剂162

574 医药及检测试剂163

575 农用和兽用生物制品164

576 由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸165

58 资源和能源领域中的微生物工程166

581 微生物冶金166

582 磷矿的微生物处理167

583 微生物与石油资源的开采和利用167

584 从生物量到能源168

思考题169

主要参考书目169

第6章 环境生物工程170

61 环境污染及其现状170

611 环境污染170

612 环境污染的分类170

613 大气污染与温室效应171

614 水体污染172

615 土壤污染173

616 环境污染的特征及危害173

617 环境污染源及优先污染物174

618 我国环境污染现状175

619 废水、大气质量指标与排放标准177

62 微生物在自然界物质循环中的作用178

621 碳元素循环178

622 氮素循环179

623 硫元素循环181

624 磷元素循环182

63 环境保护中常见的微生物群及其相互作用183

631 好氧微生物群183

632 厌氧微生物群185

633 环境中微生物的相互作用189

64 影响污染物生物降解的因素191

641 污染物的生物可降解性191

642 影响生物降解的因素193

65 典型有机污染物的生物降解机理195

651 卤代有机物的生物降解195

652 降解木质素及多环芳烃的微生物196

66 污染物在生态系统中的生物自净原理198

661 水体的自净198

662 土壤的自净199

663 空气的自净199

67 污水好氧生物处理200

671 活性污泥法基本概念200

672 活性污泥指标及参数201

673 活性污泥吸附与氧化阶段201

674 影响活性污泥活性的主要因素202

675 常用活性污泥处理工艺的类型和特点202

68 污水厌氧生物处理203

681 影响厌氧生物处理的主要因素204

682 厌氧生物处理工艺与反应器206

69 生物脱氮脱磷209

691 生物脱氮工艺209

692 生物除磷210

693 废水的同步脱氮除磷工艺212

610 废气生物净化与生物脱硫212

6101 废气生物净化212

6102 生物脱硫214

611 污染环境的生物修复216

6111 微生物生物修复216

6112 影响微生物修复的因素219

6113 污染环境的植物修复220

6114 生物修复的典型工程实例221

思考题221

主要参考书目222

无

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前言

由于生物技术和生物工程的飞速发展，生物工程与人们的日常生活、经济和社会的发展关系越来越密切，生物工程与其他学科的交叉越来越普遍，生物工程几乎已经渗透到所有的学科，包括：工程科学，生物、物理、化学、数学等基础科学，管理科学，经济学，人文科学等。在其他学科的学习与研究中都不可避免地会遇到与生物工程相关的问题，在中学阶段所学习的生物知识已经远不能适应新的形势。因此，非常有必要为每一位大学本科生开设一门介绍生物工程历史、现状及展望的生物工程导论课，使每一位大学生都能了解、掌握生物工程的基本理论和方法，认识生物工程在未来世界中的重要地位。

《生物工程导论》是一本适合于综合性大学非生物类专业一、二年级学生学习生物工程的发展历史、基本原理和应用领域的教科书，也适合于相关专业的人士和管理人员了解、掌握现代生物工程。在内容的编排上，第1章绪论（岑沛霖编写），对生物工程的学科基础、研究和服务领域进行了简要介绍。第2章基因工程（徐志南编写），对基因工程的发展历史、理论基础、工具酶、载体、获得目的基因的方法和途径、载体质粒的构建及转化方法、目的基因的高效表达及基因工程的应用和发展前景等进行了论述。第3章细胞工程（孟琴编写），重点介绍了动植物细胞株的建立方法和大规模培养技术、转基因动植物、干细胞技术和组织工程等内容。第4章酶工程（梅乐和编写），在论述了酶的分类和命名、酶的化学本质及酶催化反应机理的基础上，主要讨论了酶的来源和生产、酶的固定化和固定化酶反应器及酶在食品、化工、医药、检测及科学研究中的重要用途，并对酶工程的研究进展进行了评述。第5章微生物工程（林建平编写），论述了微生物工程的发展历史，介绍了常见的工业微生物、微生物的育种技术，重点讨论了微生物的营养和生长、发酵工业的生产流程、生物反应器和反应动力学、微生物发酵获得的主要产品工程及微生物工程在资源和能源领域的应用等。第6章环境生物工程（陈欢林编写），在对环境污染现状进行评述的基础上，讨论了环境微生物及其在自然界物质循环中的作用、影响污染物生物降解的主要因素、典型有机污染物的生物降解机理及污染物在生态系统中的生物自净原理，对好氧、厌氧污水生物处理过程及生物脱氮脱磷过程等进行了较系统的介绍，对废气生物净化、生物脱硫及污染环境的生物修复等近年来受到普遍关注的问题进行了讨论。我们希望，通过对本书的学习，将使读者对生物工程有一个全面和正确的了解，并能促进生物工程与其他学科的交叉发展。

本书的编者都长期从事有关领域的教学和科研工作，具有较高的学术造诣，但由于本书的编写是在大家都很忙的时候并在较短的时间内完成的，难免存在差错和不足，希望读者批评指正。

编 者

2003年9月于浙江大学