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Environmental Biochemistry1前言是一门介于环境污染化学与生物化学之间的新兴前沿学科，也是当今环境科学研究的热点领域。许多环境工程师被认为是生化工程师，这是因为他们花费大量的时间和精力设计和操作各种利用生物法去除或转化有机和无机污染物的设施。因此，他们教育的一个重要方面是生物化学，这样的教育背景在他们理解发生在环境和工程反应器中的外来化学物质的生物转化作用方面就显得更为重要。自上世纪末以来，的发展甚为迅速。我国目前已有近三百所院校开设环境科学和环境工程专业，众多高等院校都将作为环境科学与工程专业的主干课程。本课程基于环境科学和工程专业的特点，撷之精华，系统地阐明了环境污染及其工程处理中的生物化学原理，旨在培养学生对环境污染工程技术的理解与认识，充实环境科学和工程应用的生化基础理论，促进环境污染治理和整个环境科学的发展。3前言目录第1章绪论第2章细胞内的生物分子化学第3章新陈代谢催化剂——酶化学第4章细胞内生物分子的新陈代谢第5章现代环境生物技术原理第6章水环境污染控制与治理中的生物化学第7章有害有机物微生物降解中的生物化学第8章工业污染物微生物治理中的生物化学第9章微生物修复技术中的生物化学第10章环境毒理生物化学4前言1.绪论5生物化学（Biochemistry）是介于生物与化学之间的—门边缘科学。它是用化学的理论和方法作为主要手段来研究生命现象，从而揭示生命的奥秘。6第1章 绪论1.1生物化学概述生物化学研究的是生命现象的化学本质，一切与生命有关的化学现象都是生物化学的研究对象。生物化学的任务静态生物化学:研究构成生物体的基本物质(糖类、脂类、蛋白质、核酸)及对体内的生物化学反应起催化和调节作用的酶、维生素和激素的结构、性质和功能。动态生物化学:研究构成生物体的基本物质在生命活动过程中进行的化学变化，也就是新陈代谢及在代谢过程中能量的转换和调节规律。7第1章 绪论8此外，根据不同的研究对象和目的，生物化学还可有许多分支．如微生物生化、医学生化、农业生化和工业生化等等。第1章 绪论1.1.1生物化学研究的主要内容研究体内的物质组成(叙述生化)研究体内物质代谢(动态生化)研究生物大分子的结构与功能(分子生物学)这三个部分是紧密联系的9第1章 绪论1.生物体的物质组成生物体是由许多物质按严格的规律组建起来的。在生物体内除水外，每一类物质又包括很多种化合物。如人体蛋白质就有10万种以上。各种蛋白质的结构不同，因而也就各种不同的功能。此外，人体内还含有核酸、激素、微量元素等，它们占体重的分量虽少，但也是维持正常生命活动不可缺乏的物质。所有这些物质不是杂乱处堆积在一起的，它们彼此之间有一定组成规律，从而构成能够体现多种生物功能的生物学结构。蛋白质和核酸是实现生命活动的主要物质基础，而且分子量很大。通常称之为生物高分子(biomacromolecule)，这些生物高分子化合物由较简单的小分子物质构成，常将这些小分子称为构件分子。这些构件分子除构成生物大分于发挥作用外，它单独存在时也有某些特殊作用。研究生物体物质组成的另一个重要方面，是用人工方法来合成生物大分子，其目的，不仅是验证对体内物质进行化学分析的结果，更重要的是在于深入认识分子结构与生物功能的关系，探索生命现象的奥秘，追索生命的起源，还可制备极难获得的生物活性物质。我国科学家在1965年首先人工合成了胰岛素，1981年合成了酵母丙氨酸tRNA，这些郁是国际上的首创成果．为人类作出的重大贡献。10第1章 绪论2.物质代谢及其调控生物体不断与外界环境进行着物质交换，生物体内时时刻刻都在进行着极其有规律的化学反应，将这些过程总的称为物质代谢或新陈代谢(metabolism)。生物体通过消化吸收新摄取的营养物质，在体内一部分被转变成其组成成分，以保证生长发育和组织更新的需要，另一部分被氧化分解释放能量以维持生命活动。体内进行的物质代谢叫做中间代谢、中间代谢的化学反应绝大多放都在细胞内进行。11第1章 绪论中间代射中的化学反应绝大多数是连锁反应，将这种连锁反应叫做代谢途径。在许多种酶的催化下进行。一个细胞内有近2千种酶，在同一时间内催化着各种不同代谢途径中的各种化学反应，这些化学反应彼此密切配合并与机体的需要精确地相应、构成非常协调的统一体系。12第1章 绪论生物体内的化学反应为什么能如此巧妙地进行呢 是由于多种调节因素进行调节控制来实现的。首先．酶的催化作用有严格专一性和可调控性，又有区域分布和多酶体等特点。这些是在一个细胞内各条代谢途径能有序进行的基础。此外，动物和人体内还有神经系统、激素及其它调节物质，通过调节酶的活力来调节代谢途径的方向和强度。13第1章 绪论3.物质的分子结构与功能的关系组成生物体的各种物质都与其生理功能密切相关，尤其是生物高分子显得格外突出，可以说．结构是功能的基础．功能是结构的体现。一切生命现象都是从具体的物质结构和物质代谢的基础上体现出来的。14第1章 绪论1.1.2生物化学与其他科学的关系1.生物化学与化学的关系19世纪末期以前19世纪末和20世纪初近年来生物化学的问题主要由化学(特别是有机化学)及生理学分别研究生物化学才成为一门独立科学.研究生物体的化学成分必须应用化学的方法.生物化合物的结构、性质、功能以及物质代谢的研究上已经广泛应用了物理化学的理论及技术15第1章 绪论1生物化学的一个目的就是通过体内的化学变化来认识生物体的生理机能，找出其化学依据。因此生物化学的研究工作不能脱离生理学，生理学的研究也离不开生物化学。2微生物学的研究更需要广泛应用生物化学的原理与技术，例如微生物的生理活动、病毒的本质、免疫的化学程序、抗体的生成机制等均与生物化学有密切关系。3此外，细胞生物学、遗传学、胚胎学、组织学、进化论甚至分类学的研究都离不开生物化学。2.生物化学与其他生物科学的关系16第1章 绪论生物化学与有机化学、生理学、物理化学、分析化学等虽然有密切的联系，但是作为一门独立的科学，生物化学本身具有独特的研究对象和研究方法。今天人们根据一定的研究对象和目的以及人类生活的需要，把生物化学分为植物生物化学、动物生物化学、人体生物化学、微生物生物化学、病理生物化学、临床生物化学、工业生物化学、农业生物化学、、生物物理化学等等，因此生物化学的研究和发展是多方面的。17第1章 绪论1.1.3生物化学的应用和发展前景现代生物科学生产实践农业科学生物工程或生物高技术绝大多数生物学问题都需要从生化角度和用生化方法才可能较深入地得到了解。如食品、发酵、制药及皮革工业，预防、治疗医学等都与生物化学有密切关系。如研究植物的新陈代谢的各种过程，就有可能控制植物的发育，此外，农产品的贮藏与加工，植物病虫害的防治等。遗传工程或基因工程；蛋白质工程和酶工程；以及细胞培养、组织培养等体外技术，用于改造物种和生产对人类有用的产物。18第1章 绪论以生物化学的理论和技术为基础的生物工程具有广阔的前景改造物种．培育高抗逆性、具有特殊品质的转基因植物与工业技术领域学科相结合，在材料工业．污水和废物处理方面发挥作用。利用植物建造“植物工厂”，生产对人类有用的特殊生物化学物质。生产新型的药物和疫苗，对于治疗疾病、维护人类健康有着重要的意义分子生物电子学对电子计算机制造、疾病防治和生物模拟都有重要的推动作用。极大地改变社会产业结构和人们的劳动生产方式。19第1章 绪论从广义来讲从狭义来讲环境保护角度主要是研究生物对污染物质降解与转化的能力，讨论生物代谢污染物质的途径。是介于环境污染化学与生物化学之间的一门科学。它是研究环境中的污染物质在生物体内的代谢转化规律。主要研究天、地、生相互作用的基本化学反应，特别是人和生物对外来物质和能量所做的应答以及人类生活生产活动对环境影响的化学基础。20环境科学向化学提出的基本问题已经从早期的分析监测方法和环境治理方法转向环境过程研究。第1章 绪论1.2概述211.2.1的研究对象与任务是一门年轻的科学，我们希望通过系统地阐明环境污染及其工程处理中的生物化学基础理论、原理和目前这一领域的最新成果的介绍和讨论，对这方面知识的全面了解，有助于环境污染工程技术的改进和提高，促进环境污染的治理和整个环境科学的发展。第1章 绪论1.2.2的由来是生物化学的一个分支学科，迄今为止，还没有一个完整的定义和概念。近年来，随着环境科学的发展，逐渐形成了《环境化学》、《环境微生物学》和《环境生物学》等分支，而且正在形成独立的体系。但目前这方面的内容多半是单纯从化学或生物学的角度讨论较多，在工程方面还出现了《工程生物化学》，内容多半局限于发酵工业方面的生物与生物化学原理，尽管有的论著中也涉及到一些问题，但仍欠全面系统，特别是在适合环境科学和环境工程专业参考内容方面更显不足。我国目前有近200个院校开设环境科学和环境工程专业，西安交通大学等校已将作为环境工程专业本科生，环境工程和环境科学专业研究生必修课，在据了解其他数院校也已开设或打算开设课程。22第1章 绪论1.2.3的学习方法生物化学虽然与化学，特别是有机化学密切相关，但性质毕竟有所不同，主要区别是生物化学反应是在生物体内进行的，反应的环境比体外复杂，—般由生物催化剂(酶)参加。有些在体外发生的反应，在体内就不一定照样进行，因此，不能简单地根据体外的化学反应去理解体内的反应。生物化学分为动态（代谢）和静态（结构）两大部分，两部分之间是互相联系的。结构是代谢的基础，而在学习结构时，往往也涉及一些代谢的知识。学完代谢之后，如果再复习一下结构的知识，会有更深刻的理解。学习生物化学时，应对教师指定的教材内容作全面了解，分析比较，明确概念；对糖类、脂类、蛋白质、核酸以及其他有关化学物质的学习，要从化学本质和结构特点出发，联系它的性质和功能。23第1章 绪论生物化学有许多需要记忆的知识，也有许多需要理解的知识，既需要记忆，又不能完全死记硬背。在学习过程中应与先修和并修课程(例如有机化学、微生物学、环境科学、环境工程等)内容相联系，以促进理解、加强记忆。24第1章 绪论复习题1.什么叫生物化学 生物化学研究的内容、对象和任务是什么 2.什么叫 研究的内容、对象和任务是什么 3.应该如何学习 25第1章 绪论

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