1、 第一章 基因工程 第一节 基因工程概述 一基因工程的概念 操作环境 操作对象 操作水平 基本过程 结果 生物体外 基因 分子水平 剪切拼接导入表达 人类需要的基因产物 由于基因工程是在 DNA 分子水平上进行操作,因此又叫做重组 DNA 技术。 二基因工程的基本工具 （一） “分子手术刀”限制性核酸内切酶（简称限制酶） 1来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。 2功能：能够识别双链 DNA 分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两 个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。 3结果：经限制酶切割产生的 DNA 片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。 （二） “分子针线”DNA 连接
2、酶 1分类：根据酶的来源不同，可分为 EcoliDNA 连接酶和 T4DNA 连接酶两类 2功能：恢复被限制酶切开了的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 两种 DNA 连接酶(EcoliDNA 连接酶和 T4DNA 连接酶)的比较： 相同点：都缝合磷酸二酯键 区别：EcoIiDNA 连接酶来源于大肠杆菌，只能使黏性末端之间连接； T4DNA 连接酶能缝合两种末端，但连接平末端之间的效率较低。 DNA 连接酶与 DNA 聚合酶作用的比较 DNA 连接酶 DNA 聚合酶 不 同点 连接的 DNaA 双链 单链 模板 不要模板 要模板 连接的 对象 2 个 DNA 片段 单个脱氧核苷酸加到已存在的单 链
3、DNA 片段上 相 同点 作用实 质 形成磷酸二酯键 化学本 质 蛋白质 (三) “分子运输车”载体 1.载体具备的条件： 能在受体细胞中复制并稳定保存； 具有一至多个限制酶切割位点，供外源 DNA 片段插入； 具有标记基因，供重组 DNA 的鉴定和选择。 2.基因工程常用的载体有： 质粒 、 噬菌体 和 动、植物病毒 等。 最早应用的载体是质粒，它是细菌细胞中的一种很小的双链环状 DNA 分子。 三基因工程的基本过程w.w.w.k.s.5.u.c.o.m (一) 获得目的基因（目的基因的获取） 1.获取方法主要有两种：从自然界中已有的物种中分离出来，如可从基因文库中获取。 用人工的方法合成。
4、 获得原核细胞的目的基因可采取直接分离，获取真核细胞的目的基因一般是人工合成。 人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。 2.利用 PCR 技术扩增目的基因 （1）PCR 的含义：是一项在生物体外复制特定 DNA 片段的核酸合成技术。 （2）目的：获取大量的目的基因 （3）原理：DNA 双链复制 （4）过程：第一步：加热至第一步：加热至 90909595DNADNA 解链为单链解链为单链； 第二步：冷却到第二步：冷却到 55556060，引物与两条单链引物与两条单链 DNADNA 结合结合； 第三步：加热至第三步：加热至 70707575，热稳定热稳定 DNADNA 聚合酶从引物起始
5、进行互补链的合成聚合酶从引物起始进行互补链的合成。 （5）特点：指数形式扩增 (二) 制备重组 DNA 分子（基因表达载体的构建） 1重组 DNA 分子的组成：除了目的基因外，还必须有标记基因。 标记基因的作用：鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。 2方法：同种限制酶分别切割载体和目的基因，再用 DNA 连接酶把两者连接。 (三) 转化受体细胞（将目的基因导入受体细胞） 1.转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。 2.常用的转化方法： 将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是农杆菌介导转化技术（农杆菌转化法） ，其次还有基因枪
6、 介导转化技术（基因枪法）和花粉管通道技术（花粉管通道法）。 将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是最常用的方法是显微注射显微注射技术技术。此方法的受体细胞多是。此方法的受体细胞多是受精卵受精卵。 将目的基因导入微生物细胞：Ca 处理法。 (四) 筛选出获得目的基因的受体细胞、培养受体细胞并诱导目的基因的表达（目的基因的检测与鉴定） 1.首先要检测转基因生物的染色体 DNA 上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA 分子杂交技术。 2.其次还要检测目的基因是否转录出 mRNA，方法是采用 DNA 分子杂交技术。 3.最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是采用抗原抗体杂交技术。 4.有时还需进
7、行个体生物学水平的鉴定。如抗虫或抗病的鉴定等。 第二节 基因工程的应用 1运用基因工程改良动植物品种最突出的优点是：能打破常规育种难以突破的物种之间的界限。 2基因工程的应用 （1）植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。 （2）动物基因工程：提高动物生长速度来提高产品产量、改善产品品质，用转基因动物生产药物，用转 基因动物作器官移植的供体等。 （3）基因诊断和基因治疗： 基因诊断：又称为基因诊断：又称为 DNADNA 诊断，是采用诊断，是采用基因检测基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病 原体。原体。 基因治疗
8、：指利用基因治疗：指利用正常基因正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。置换或弥补缺陷基因的治疗方法。 实例：实例：ADAADA 基因缺陷症的基因治疗基因缺陷症的基因治疗 第三节 蛋白质工程 1蛋白质工程的实质：根据蛋白质的结构与功能之间的关系，通过改造基因，以定向改造天然蛋白质， 甚至创造自然界不存在的、具有优良特性的蛋白质。 2蛋白质工程的基本原理 预期蛋白质功能测定蛋白质三维空间结构推测应有的氨基酸序列找到对应的脱氧核苷酸序列 （基因）具有预期功能的蛋白质 3.蛋白质工程的应用 （1）通过改造酶的结构，有目的地提高蛋白质的热稳定性。 （2）合成嵌合抗体。 （3）改变蛋白质的活性。 蛋白质工
9、程与基因工程区别 蛋白质工程 基因工程 实质 通过改造基因，以定向改造天然 蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋 白质 将目的基因从供体转移到受体细胞， 并在受体细胞中表达 结果 合成自然界不存在的蛋白质 只能生产自然界已存在的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出的第二代基因工程 第二章第二章 细胞工程细胞工程 第一节第一节 植物细胞工程植物细胞工程 【基础梳理】 一、植物组织培养 1、植物细胞的全能性 （1）生物细胞的全能性 生物体细胞一般都是受精卵经有丝分裂形成，因而都含有生物一整套遗传物质，都具有发育成完整生物体细胞一般都是受精卵经有丝分裂形成，因而都含有生物一整套遗传物质，都
10、具有发育成完整 个体的潜能个体的潜能。但在生物体上有时不能表现出其全能性，只能通过分化形成不同的组织、器官，这是在特定 的环境、激素等的影响下基因选择性表达的结果。 （2）植物细胞具有全能性的原因 植物体的全部体细胞都是从受精卵经过有丝分裂产生的，具有发育成完整个体所必需的全套遗传物 质。 （3）细胞表现其全能性的条件 离体、无菌、一定的营养条件、植物激素诱导、环境条件（脱分化避光，再分化需光） 。 （4）全能性的大小 受精卵全能性最大；高度分化的植物细胞具有全能性；高度特化的动物体细胞的全能性受到限制，它 的细胞核仍保持着全能性。 全能性表达的难易程度：受精卵生殖细胞体细胞；植物细胞动物细胞
11、。 2、植物组织培养 （1）理论基础（原理）：细胞全能性细胞全能性 （2）核心：脱分化形成愈伤组织和愈伤组织再分化。 （3）过程： （4）培养基的成分 水分、无机盐、碳源、维生素、生长调节剂（细胞分裂素和生长素细胞分裂素和生长素） 、有机添加物等。 注注1 1、生长素高、细胞分裂素低：愈伤组织只长茎叶生长素高、细胞分裂素低：愈伤组织只长茎叶, ,不长根不长根 2 2、生长素低、细胞分裂素高：愈伤组织只长根、生长素低、细胞分裂素高：愈伤组织只长根, ,不长茎叶不长茎叶 即： （生长素即： （生长素/ /细胞分裂素细胞分裂素比值比值）高根低芽）高根低芽 （5）进行植物组织培养时需要注意的问题 所有
12、实验用具严格灭菌。所有实验用具严格灭菌。 接种过程严格的无菌操作。接种过程严格的无菌操作。 愈伤组织培养：最初避光培养，后期见光培养。愈伤组织培养：最初避光培养，后期见光培养。 试管苗培养：先要进行生芽培养，再进行生根培养，试管苗培养要在光照条件下进行。试管苗培养：先要进行生芽培养，再进行生根培养，试管苗培养要在光照条件下进行。 3、植物组织培养的应用 二、植物细胞培养 （1）概念：在实验室工厂化生产的条件下，将组织培养过程中形成的愈伤组织愈伤组织或其他易分散的组织置于 液体培养基中，进行悬浮培养悬浮培养，得到分散游离的悬浮细胞悬浮细胞，通过继代培养继代培养使细胞增殖，从而获得大 量的细胞群体
13、细胞群体的一种技术。 （2）与植物组织培养的关系 植物组织培养是植物细胞培养的基础植物组织培养是植物细胞培养的基础。 目的不同： 植物组织培养的目的是得到更多的植物体植物体，植物细胞培养的目的是获得人类所需的细胞细胞。 （3）实例：成功地培养红豆杉红豆杉的细胞，从中提取出重要的抗肿瘤抗肿瘤药物紫杉醇。 三、植物体细胞杂交技术 1、概念：是将不同种植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞杂种细胞，并把杂种细胞培养成新的植物体的技 术。 （1）植物快速繁殖：优点是取材少，周期短，繁殖率高，便于自动化取材少，周期短，繁殖率高，便于自动化 管理。管理。 （2）培育无病毒植株：所用材料是植物分生组织（根尖
14、、茎尖）的生植物分生组织（根尖、茎尖）的生 长点细胞长点细胞。原因：分生区极少感染病毒，甚至无病毒分生区极少感染病毒，甚至无病毒 （3）制造人工种子：取材：胚状体 特殊加工：加入某些农药、微 生物、除草剂 优点：育种周期短、便于贮藏和运输 缺点： 抗菌性差、萌发率低。 消毒 2、理论基础（原理）：植物细胞的全能性和细胞膜的流动性植物细胞的全能性和细胞膜的流动性。 3、过程 4、注意 （1）去除细胞壁的方法为酶解法：利用纤维素酶和果胶酶纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁。 （2）诱导融合的方法：物理法包括离心、振动、电刺激离心、振动、电刺激等。 化学法一般是用聚乙二醇（聚乙二醇（PEGPEG）作为诱
15、导剂。 （3）原生质体融合后的细胞是杂种细胞杂种细胞，利用植物组织培养技术把杂种细胞培养成杂种植株。 （4）融合完成的标志：杂种细胞再生出细胞壁杂种细胞再生出细胞壁； （5）杂种细胞再生出细胞壁的检测方法：植物细胞的质壁分离与复原植物细胞的质壁分离与复原。 5、意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍克服了远缘杂交不亲和的障碍。 第三节第三节 动物细胞工程动物细胞工程 【基础梳理】 一、动物细胞与组织培养 1、动物细胞培养 （1） 概 念：动 物细胞 培养就是从动物机体中取出相关的组织组织，将它分散成单个细胞单个细胞，然后放在适 宜的培养基培养基中，让这些细胞生长和繁殖生长和繁殖。 （2）动物细胞培养
16、的过程 （3）细胞贴壁和接触抑制：悬液中分散的细胞很快就很快就贴附在瓶壁上贴附在瓶壁上，称为，称为细胞贴壁细胞贴壁。细胞数目不断增多， 当贴壁细胞分裂生长到表面面相互抑制相互抑制时，细胞就会时，细胞就会停止分裂增殖停止分裂增殖，这种现象称为，这种现象称为细胞的接触抑制细胞的接触抑制。 （4）原代培养和传代培养 原代培养: 直接从动物体内取出的组织块，用胰蛋白酶胰蛋白酶使其分散成单个细胞，然后用培养基配成 一定浓度的细胞悬浮液，转入培养瓶中进行培养的过程。 传代培养：原代培养到一定程度，细胞会出现接触抑制，如果还要继续进行细胞培养，就要用胰 蛋白酶使细胞从甁壁上脱离下来，重新分散成细胞悬浮液，分
17、装到多个培养瓶中继续培养的过程。 （5）细胞株和细胞系 细胞株：原代培养的细胞一般传至原代培养的细胞一般传至 1010 代左右，细胞的分裂就会出现停滞，大部分细胞衰老死亡。代左右，细胞的分裂就会出现停滞，大部分细胞衰老死亡。 但是极少数的细胞能够度过“危机”而继续传下去，这些存活的细胞一般能传代 4050 代，这种传代细 胞叫做细胞株。细胞株的细胞的遗传物质没有发生改变。细胞株的细胞的遗传物质没有发生改变。 细胞系：当细胞传至 50 代以后不能再传下去。但是有部分细胞的遗传物质发生了改变，并且带有有部分细胞的遗传物质发生了改变，并且带有 癌变的特点癌变的特点，从而有可能在培养的条件下无限制地传
18、代下去限制地传代下去，这种传代细胞称为细胞系。 （6）所需条件 无菌、无毒的环境无菌、无毒的环境：培养液应进行无菌无菌处理。通常还要在培养液中添加一定量的抗生素抗生素，以防培养过程 中的污染。此外，应定期更换培养液，防止代谢产物积累对细胞自身造成危害代谢产物积累对细胞自身造成危害。 营养营养：合成培养基成分：糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。通常需加入血清、血浆血清、血浆等天 然成分。 温度温度：适宜温度：哺乳动物多是 36.536.50.50.5；pH：7.27.27.47.4。 气体环境：气体环境：95%95%空气空气5%CO5%CO2 2。O O2 2是细胞代谢所必需的，是细胞
19、代谢所必需的，COCO2 2的主要作用是维持培养液的的主要作用是维持培养液的 pHpH。 （7）动物细胞培养技术的应用 可有助于生产许多有重要价值的生物制品。如制备病毒疫苗、制备单克隆抗体制备病毒疫苗、制备单克隆抗体。 可以进行有毒物质和药物的检测。 大面积烧伤或烫伤病人的皮肤移植。 培养医学研究的各种细胞，培养医学研究的各种细胞，有助于细胞全能性的揭示、细胞周期及其调控等基础研究的进行。 2.动物组织培养 动物细胞培养与动物组织培养方法类似，主要区别是动物细胞培养过程中需要用胰蛋白酶胰蛋白酶等使组织块 中的细胞离散离散，而动物组织培养过程中不需要使用胰蛋白酶胰蛋白酶等。 二、细胞核移植技术和
20、动物体细胞克隆 1、概念: 是一种利用显微操作技术将某种动物细胞的细胞核移入同种或异种动物的去除细胞核的成熟卵 细胞内放入技术。 2、种类 哺乳动物核移植可以分为哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞胚胎细胞核移植（比较容易）和核移植（比较容易）和体细胞体细胞核移植（比较难）核移植（比较难）。 3、体细胞核移植的大致过程是（克隆羊为例） 注：注：选用去核卵卵( (母母) )细胞细胞的原因：卵卵( (母母) )细胞比较大，容易操作；卵细胞比较大，容易操作；卵( (母母) )细胞细胞质多，营养丰富细胞细胞质多，营养丰富。 4、体细胞核移植技术（克隆技术）的应用： （1 1）加速家畜遗传改良进程，促进良畜群
21、繁育；）加速家畜遗传改良进程，促进良畜群繁育； （2 2）保护濒危物种，增大存活数量；）保护濒危物种，增大存活数量； （3 3）生产珍贵的医用蛋白；）生产珍贵的医用蛋白； （4 4）作为异种移植的供体；）作为异种移植的供体； （5 5）用于组织器官的移植等）用于组织器官的移植等。 5、体细胞核移植技术存在的问题： 克隆动物存在着健康健康问题、表现出遗传和生理遗传和生理缺陷等。 三、动物细胞融合单克隆抗体 1、动物细胞融合 （1）概念：动物细胞融合也称细胞杂交细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形 成的具有原来两个或多个两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞杂交
22、细胞。 （2）过程：动物细胞融合与植物原生质体融合的原理基本相同，诱导动物细胞融合的方法与植物原生质 体融合的方法类似，常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活的病毒、电刺激聚乙二醇、灭活的病毒、电刺激等。 （3）动物细胞融合的意义：克服了远缘杂交的不亲和性远缘杂交的不亲和性，成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物生细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物生 物新品种培育物新品种培育的重要手段。 2、单克隆抗体 （1）抗体：一个 B 淋巴细胞只分泌一种特异性抗体特异性抗体。从血清中分离出的抗体产量低、纯度低、特异性差产量低、纯度低、特异性差。 （2）单克隆抗体的制备过程 说明： （1）融合形成的杂交细胞有多种，若
23、仅考虑两个细胞的融合，仅有3 3 种种杂交细胞。 （2）整个制备过程要经过两次筛选。第一次用特定的选择培养基用特定的选择培养基从融合的细胞中筛选出杂交瘤细胞。第 二次在多孔培养板上培养，筛选出能产生特异性抗体的细胞群在多孔培养板上培养，筛选出能产生特异性抗体的细胞群。 （3）杂交瘤细胞的特点：既能迅速大量繁殖繁殖，又能产生专一的抗体专一的抗体。 （4）单克隆抗体的优点：特异性强，灵敏度高，并能大量制备特异性强，灵敏度高，并能大量制备。 3、单克隆抗体技术的应用 作为诊断试剂作为诊断试剂：准确识别各种抗原抗原物质的细微差异，并跟一定抗原一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、准确、高效、 简易、
24、快速简易、快速的优点。 用于治疗疾病和运载药物用于治疗疾病和运载药物：主要用于治疗癌症治疗癌症治疗，可制成“生物导弹生物导弹”，也有少量用于治疗其它疾 病。 【疑难解析疑难解析】动物细胞融合技术与植物体细胞杂交的比较 项目 植物细胞杂交(番茄马铃薯植株) 动物细胞融合(单克隆抗体) 过程 第 1 步 原生质体的制备(酶解法) 正常小鼠的处理(注射灭活抗原) 第 2 步 原生质体的融合(物化法) 动物细胞融合(物化生法) 第 3 步 杂种细胞的筛选和培养 杂交瘤细胞的筛选和培养 第 4 步 杂种植株诱导与鉴定 提纯单克隆抗体(特异性强、 灵敏度高) 原理/理 论基础 细胞膜的流动性、植物细胞的全
25、能性 细胞膜的流动性、细胞增殖 融合前 酶解法除去细胞壁：纤维素酶、果胶酶 注射特定抗原法免疫处理正常小鼠 处理 促融因子 物理法：电激、离心、振动 化学法：聚乙二醇、CaCl2等 物化法：与植物相同 生物法：灭活的仙台病毒 意义和 用途 (1)克服有性远缘杂交不亲和性 (2)克服有性杂交的母系遗传， 获得细胞质基 因的杂合子，是研究细胞质遗传的有力手段 （1）制备单克隆抗体 （2）有助于疾病的诊断、治疗、预防 第四章第四章 生态工程生态工程 第一节第一节 生态过程的原理和类型生态过程的原理和类型 【学习目标】【学习目标】 1、简述生态工程的概念，关注生态工程的建设（A） 2、简述生态工程的注
26、意原理（A） 3、尝试运用生态工程原理，分析生态环境问题及解决对策（A） 【知识梳理】【知识梳理】 一、生态工程的概念一、生态工程的概念 1、概念：是指应用生态系统中物种共生和物质循环再生原理、结构和功能协调原则，结合经系统分析的 最优化方法而设计的促进物质被分层多级利用的生产工艺系统。 2、生态工程建设目的 遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步 发展。 （发展。 （少消耗、多效益、可持续少消耗、多效益、可持续 ） 2、实例：农林牧副渔一体化生态工
27、程 依据生态学基本原理，其关键是调控系统内部的结构和功能，进行优化组合，提高生态系统物质再生 和能量转化的能力，充分发挥物质生产的潜力，尽量充分利用原料、产品、副产品、废弃物以及时间、空 间和营养生态位，提高整体的综合效益。 3、 （人教版）生态经济：主要是通过实行“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系 统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一就是生态工 程。 二、生态工程的原理（苏教版）二、生态工程的原理（苏教版） 生态工程主要由生物种群、生物群落和生态系统构成。生态工程构建和运行的主要依据是生态学基本 原理。这些基本原理主要包括物
28、种共生、生态位、食物链、物种多样性等。 物种共生原理物种共生原理：自然界中任何一种生物都不能离开其他生物而单独生存和繁衍，这种关系是自然界中 生物之间长期进化的结果，包括共生、竞争等多种关系，构成了生态系统的自我调节和反馈机制。 生态位原理生态位原理：生态系统中各种生物都占有一定的生态位。在生态系统中，合理利用生态位原理，可以 构建一个具有多层次、多种群的稳定而有效的生态系统。 食物链原理食物链原理：是实现生态系统中物质循环、能量流动和信息传递的基础，也是生态工程所利用的物种 共生原理的基础。 物种多物种多样性原理样性原理：生态系统中生物多样性越高，生态系统越稳定。 生态工程的设计还必须遵循社
29、会发展和经济运行的基本规律，运用系统工程的理论和方法来指导生态 工程的实现和管理。 在生态工程中除了必须遵循上述各种基本原理外，还要考虑通过适当满足物种生存、生长或繁殖的环 境条件来提高物种的适应能力。 【补充说明】【补充说明】生态工程所遵循的基本原理（人教版） 1 1、物质循环再生原理、物质循环再生原理 物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达 到取之不尽、用之不竭的效果。到取之不尽、用之不竭的效果。 2 2、物种多样性原理、物种多样性原理：一般而言，物种繁
30、多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。：一般而言，物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。 生物多样性高，可以为各类生物的生存提供多种机会和条件。众多的生物通过食物链关系互相依存，生物多样性高，可以为各类生物的生存提供多种机会和条件。众多的生物通过食物链关系互相依存， 就可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力。即使某个物种由于某种原因而就可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力。即使某个物种由于某种原因而 死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡。死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免
31、了系统结构或功能的失衡。 3 3、协调与平衡原理、协调与平衡原理 处理好生物与环境的协调与平衡，除了考虑生物的生态适应性外，还需要考虑环境承载力。处理好生物与环境的协调与平衡，除了考虑生物的生态适应性外，还需要考虑环境承载力。 环境承载力（又称环境容纳量） ：是指某种环境所能养活的生物种群的数量。环境承载力（又称环境容纳量） ：是指某种环境所能养活的生物种群的数量。 4 4、整体性原理、整体性原理 人人类处在一个社会类处在一个社会经济经济自然复合而成的巨大系统中。进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生自然复合而成的巨大系统中。进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生 态系统的规律，更重要的是，还
32、要考虑到经济和社会等系统的影响力。除此之外，社会习惯、法律制度等态系统的规律，更重要的是，还要考虑到经济和社会等系统的影响力。除此之外，社会习惯、法律制度等 也都对生态工程建设有着重要影响。建立在对系统成分的性质及相互关系充分了解基础之上的整体理论，也都对生态工程建设有着重要影响。建立在对系统成分的性质及相互关系充分了解基础之上的整体理论， 是解决生态环境问题的必要基础。是解决生态环境问题的必要基础。 5 5、系统学和工程学原理、系统学和工程学原理 （1 1）系统的结构决定功能原理：）系统的结构决定功能原理： 生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目
33、的。生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。 （2 2）系统整体性原理：）系统整体性原理： 系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转化和流通，并系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转化和流通，并 且实现总体功能大于各部分之和的效果，即“且实现总体功能大于各部分之和的效果，即“1+11+12 2” 。” 。 三、生态工程的类型 根据性质和设计目标的不同，生态工程可分为不同的类型。例如，具有农业生态保护性质并以农产品 生产为目标的农业生态工程；以环境保护为目标的林业生态工程，包
34、括水土保持生态工程、防风固沙生态 工程、水源涵养生态工程、城市绿化和园林生态工程等；以治理环境污染为目标的治污生态工程，包括污 水治理生态工程、城市垃圾处理生态工程、湖泊和水源地治理生态工程等。 实例 1： “人工湿地”生态工程。 （1）湿地是开放水域和陆地之间过渡性的生态系统，其重要特点之一是生物多样性丰富。湿地生态系统 具有较强的净化功能，被誉为“地球之肾” 。 （2） “人工湿地”是模拟自然湿地的人工生态系统。它的组成成分包括土壤、各类水生植物（浮水植物、 挺水植物和沉水植物）和水等。 （3） “人工湿地”对污水的净化作用是通过不同类型的水生植物和微生物的共同作用实现的。水生植物除 了能
35、吸收、转化污水中的 N、P 等物质外，还能促进细菌等微生物对污水的处理和净化。在“人工湿地” 生态系统中， 对废水净化起作用的是微生物的分解和转化作用以及相关的物理、 化学作用， 如沉淀、 吸附、 过滤等。 实例 2：矿山废弃地生态修复工程 （1）矿山废弃地是指因采矿活动而遭破坏且不经治理便无法使用的土地。它包括开采后的废石碓、大量 采矿而形成的开采废弃地、选矿剩余物造成的污染地等。 （2）矿山废弃地的危害：不仅毁坏和污染大片森林、草地和农田，还造成水土大量流失，有的甚至成为 巨大的污染源。 （3）矿山废弃地的生态修复：关键在于植被恢复，以及为其所必需的土壤微生物群落的重建（人教版） 。 在植
36、被恢复过程中要注意选择生长快、抗逆性强的树种，优先选择固氮树种，尽量选择适应性强的乡土树 种和先锋树种，注意树种的多功能效益。 实例 3：林业生态工程 （1）林业生态工程是环境与生态保护、修复和改善的重要组成部分。它是在维护环境与发展经济的目标 下，以优化土地利用为基础，以发挥水土资源和生物资源生产潜力为依据，形成各林种、各树种的合理配 置和组合，充分利用多林种、多树种生物群体的多功能和多效益特点，建设功能完善、结构稳定、经济高 效的生态系统。 （2）我国先后批准建设了十大林业生态工程，特别是三北防护林体系建设工程、长江中上游防护林体系 建设工程、太行山绿化工程、黄河中上游防护林体系建设工程等
37、。 第二节第二节 关注生态工程的建设关注生态工程的建设 【知识梳理】【知识梳理】 一、生态工程建设的基本过程 1、遵循的原理 生态工程建设既要遵循生态学原理，也要遵循适应性原则和高效益原则，即在强调可行性的前提下， 突出社会经济自然生态系统的整体与功能，以生态建设促进产业发展，并将环境保护融于产业工程之 中。 2、基本过程：包括拟定目标与本底调查、系统分析、可行性评价与决策和技术设计等。其中技术设计是 整个生态工程建设的核心环节。 拟定目标与本底调查：设计时必须强调社会经济自然生态系统整体协调的目标。本底调查的内容 包括自然资源、社会经济条件和环境条件。 系统分析：是生态工程可行性分析和决策的
38、基础和依据。 可行性评价与决策：通过可行性评价与决策分析，在达到最佳的经济效益和社会效益的同时，也达到 最佳的生态效益，增加复合生态系统的稳定性，降低生态系统恶化的风险。 技术设计：通过改变食物链的方法，提高系统自身的迁移、转化、再生物质和利用能量的能力，充分 利用原料、产品、副产品以及时间、空间和营养生态位，提高整体的综合效益。 3、生态系统技术设计的常用方法 一是食物链（网）的“相接” 。即连接平行的原本不相连接的种类，形成互利共生网络，提高效率， 促进物质的良性循环。 二是食物链（网）的“加环” 。即在食物链（网）的中增加一些环节，以充分利用原先尚未利用的那 部分物质和能量，促使物流和能
39、流的路径畅通，发挥生产潜力，提高生态和经济效益。 二、我国生态工程建设的实例 典型的例子是治污生态工程和生态农业工程。 1、治污生态工程 （1）包括固体、液体及有机废弃物的处理，生物肥料的研制与试用，湖区污染的生态治理，塑料的再生包括固体、液体及有机废弃物的处理，生物肥料的研制与试用，湖区污染的生态治理，塑料的再生 利用等方面利用等方面。 （2）生物生物氧化塘氧化塘 概念：是利用藻类和细菌等生物之间的协同作用处理污水的一种生态系统。 净化污水的机理： 表层（表层（好氧层好氧层）：分布有藻类，藻类光合作用产生的氧气和空气中的氧气，有利于好氧菌降解废水中 的有机物。 下层（下层（兼性层兼性层）：通
40、常有无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势菌种。 底部（底部（厌氧层）厌氧层）：分布有硫酸还原细菌和甲烷杆菌。 兼性菌和厌氧菌则通过好氧和厌氧反应，分解废水中的有机物。 还有钟虫、轮虫类和甲壳类等浮游动物，它们能去除塘中的营养物质，提高水的透明度。 多功能生物氧化塘工艺流程示意图 污水进来后，首先进入沉砂环节，让一些固体废弃物沉淀下来。如果污水中有机物的含量高，就采用 流程；如果污水中有机物的含量低，就采用流程或流程。 藻-菌互生环节就是利用藻类吸收有机物产生氧气和细菌的分解作用，促进污水净化。出水前可通过 对藻、菌进行控制以达到改善水质的目的。 2、生态恢复工程 （1）从生态学的角度出发，要实现
41、一个地区环境的好转，首先就要恢复这一地区的生物群落，形成合理、 高效的食物链，并在演替过程中保持长期的稳定和平衡。其中，恢复植被是生态恢复工程的第一步。 （2）我国西部的生态工程建设：水土流失是西部生态问题中最本质、最突出的矛盾。西部地区在落实退 耕还林还草政策后，当地植被已得到一定程度的恢复。这说明在降雨量适宜的地区，生态植被具有一定的 自我恢复功能。 3、生态农业 （1）是以生态学理论为依据，以环境与经济协调发展为前提，在一定区域内，因地制宜规划、组织和开 展多层次、多功能的农业生产。 （2）生态农业以保持生态系统内的生态平衡为主导思想，促进物质在系统内循环和重复使用，以最少的 投入获取最
42、大的经济效益和生态效益。 4、生态城市（城市环境生态工程） （1）生态城市： 是基于社会、经济、自然三个系统并高度统一的可持续发展城市。其特点主要包括注重高效和谐性、 保持整体性和实现可持续性。 （2）对城市环境的治理： 要把整个城市作为一个巨大的生态系统来考虑，即用生态工程的方法对城市环境进行综合治理。首先 在城市规划和布局方面，要进行城市生态分区，合理分布工业区、居住区、生态绿地等；其次是推广“环 境友好技术”和低污染清洁生产工艺，以减少污染的产出；采用各种手段治理污染，进行废弃物的资源化 利用；同时要建立健全法制进行监督。 在肯定生态工程的作用，特别是对恢复和重建受损生态环境的重要作用的
43、同时，不要忘记大自然固有 的强大的生态恢复力量；更不要误认为只要有了生态工程，就可以走发达国家“先污染、破坏，后治理” 的老路。 1. 研究性学习小组参观某市市郊建立的以沼气为中心， 以保护生态环境为目标的 “猪-沼-鱼-肥- 果蔬” 生态模式时绘出了如下模式图，请分析回答： （1） 构建以沼气为中心的“猪-沼-鱼-肥-果蔬”生态模式时所依据的生态学原理是生态系统的能量流动 和物质循环,该生态系统最大的优点是提高物质和能量利用率，减轻环境污染（或答实现物质和能量的多 级利用，减少环境污染） 。 （2）若农田内有害虫发生，采用何种措施既能保护环境又能有效防治害虫？引入害虫天敌防治、激素防 治、转基因培育抗害虫农作物等
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