生物化学实验教学中渗透绿色化学理念的探索

刘丽１曾长立２

（１江汉大学医学院２江汉大学生命科学学院湖北省豆类（蔬菜）工程技术研究中心湖北武汉４３００５６）

摘要：建立绿色生物化学实验教学体系是培养学生环境保护意识、实践绿色化学理念的重要途径。从优化生物化学实验教学内容和合理安排实验教学过程、优化实验操作技术与方法和改进实验环境、优化生物化学实验各个环节、利用计算机辅助与多媒体仿真教学、建立绿色化生物化学实验考核方法共五个方面展开讨论，从而为高校生物化学实验绿色化教学提供参考，为培养绿色生物化学创新型人才提供借鉴。

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关键词：生物化学；实验教学；绿色化学理念；生态文明

中图分类号：R313 文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．12．０30

绿色化学（ＧｒｅｅｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙ），又称环境无害化学（ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙＢｅｎｉｇｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙ）、环境友好化学（ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙＦｒｉｅｎｄｌｙＣｈｅｍｉｓｔｒｙ）或清洁化学（ＣｌｅａｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙ），其核心概念是指人们可利用化学原理从源头上提高化学反应效率，实现化学反应的环保绿色，减少和消除其对环境的污染。绿色化学的出现，为解决日益恶化的环境污染问题带来了希望。中共十八大报告中，生态文明建设被作为一项重要任务，同时也是中国梦的重要组成部分。绿色化学的发展和环保意识的增强，在人类健康生活中的保障作用愈来愈显得重要，这也是建设生态文明、保持可持续性发展和人们健康生活的必然选择。

２１世纪是生物学的世纪，生物化学作为生物科学领域一门重要的学科，是用化学原理和方法研究生命过程中的化学变化和能量代谢，是各高校生物工程、生物技术、食品科学与工程、农学、植保等专业主要的专业基础课。生物化学实验作为整个生物化学教学环节中的重要组成部分，对于学生深入理解和巩固所学理论知识，培养学生观察能力、分析问题和解决问题能力、实际动手操作能力、创新思维能力等方面均有十分重要的意义。然而，在生物化学实验过程中产生的有毒及有害废弃物，如果不经处理直接排放，将会对环境造成严重污染。２００５年国家环保总局发布了“关于加强实验室内污染环境监管的通知”，首次将化学实验场所的污染纳入环境监管范围。如何减少或消除生物化学实验中的有毒有害污染物，降低环境污染，保护师生身体健康显得至关重要。因此，目前在生物化学实验教学中开展绿色化学理念教育、树立绿色化学意识、环境保护意识和可持续发展意识尤为必要。本文从以下五个方面展开探索，为高校生物化学实验绿色化教学和培养绿色生物化学人才提供参考。

１优化生物化学实验教学内容，合理安排实验教学过程，从源头消除污染

更新与优化生物化学实验教学内容，从实验项目或内容安排上实现绿色化是保证生物化学实验绿色化的前提条件。根据生物化学实验教学大纲要求，以基本实验理论、基本技术（如低温离心技术、柱层析技术、酶活性测定技术、分光光度技术、蛋白质电泳技术、细胞破碎技术、ＰＣＲ与分子克隆技术等）为主线，以由浅入深、循序渐进式培养和锻炼学生实验操作能力（如验证性实验、综合性实验和创新性实验等）为目的进行实验项目安排。近年来，随着生物化学技术的飞速发展，各种测试手段和方法的不断更新与完善，生物化学实验教学内容必将要调整。已有的一些经典实验如：氨基酸的分离鉴定——纸层析法、酪蛋白的制备、酵母ＲＮＡ的分离及组分鉴定、酶的特性等这些简单的验证性实验偏多，不利于学生对理论知识全面系统地理解和掌握，也不能充分调动学生的创造力和积极性。因此在生物化学实验教学中有必要删掉一些过时的实验项目，保留一些经典的、能锻炼生化实验基本技术的基础性实验。加大综合性实验和创新性实验项目的比重，同时将新的实验方法和实验技术引入到综合性、创新性实验中。针对筛选优化出的每一个实验项目或内容，尽可能做到原材料廉价、试剂无毒无害或低毒低害、产出物无毒或易处理，反应条件温和、节约能源等，力求在源头上消除污染源。

在更新与优化生物化学实验教学内容基础上，合理安排实验教学过程。教师在实验教学过程中要增强实验绿色化意识，体现绿色化理念、渗透绿色化教育，让学生对实验教学目的的认识不再局限于实验内容本身。首先通过讲授基本实验理论和传授基本实验技能，培养学生的基本能力和绿色化学理念，注重实验技术要领和操作的规范性；然后在此基础上开展验证性实验，巩固学生的基本实验理论与实验技术，养成绿色化实验习惯；最后进一步开展综合性实验和创新性实验，提升学生分析和解决实验过程中问题能力，充分挖掘学生的创造潜能和绿色化思维方式。具体的生物化学实验绿色化教学思路见图１。

２优化实验操作技术与方法，改进实验环境，强化学生的绿色化实验意识

改进实验条件，优化实验操作方法，是贯彻生物化学实验绿色化教育的关键。在生物化学实验中，要用到许多的化学试剂，有些试剂有毒甚至剧毒，一旦处理不当会给师生身体健康带来严重威胁，同时也会污染环境。因此，通过改进实验条件和优化实验操作方法，选择无污染的化学试剂或者减少有毒试剂的用量。如在测定蛋白质含量中，有很多测定方法，如传统的染色法（考马斯亮蓝Ｇ－２５０染色法）、双缩脲（Ｂｉｕｒｅｔ）法、茚三酮法、酚试剂法、紫外光吸收法等，前四种方法中均要使用微毒或低毒试剂，而采用紫外吸收法则不需要显色剂及其他试剂，达到了节约成本、减少污染、保证教学效果三重目的。如在ＤＮＡ凝胶电泳实验中，用低毒性的核酸染色剂Ｇｏｌｄｖｉｅｗ取代强致癌染色剂ＥＢ，大大降低了剧毒物质的污染，削减了实验成本，保证了实验效果。这些实例通过优化实验方法，达到了绿色化学的要求，同时也培养了学生绿色化实验意识。

另外，在生物化学实验中，把握操作技巧也非常重要。例如，加热操作就要特别注意火候，因为加热条件不仅影响化学反应的进程，也会影响实验污染的程度。一般而言，试剂的挥发性随温度提高而逐渐增大，温度越高，试剂挥发越大，造成的空气污染程度也越强。因此，在使用挥发性试剂时，应根据反应的性质而采用微热、水浴、近沸、微沸等不同的加热操作方法，既满足反应的温度条件，又使试剂的挥发减至最少。在生物化学实验中引进高新技术如微波、超声波技术也是实现实验绿色化的有效手段之一。微波这种新型能量形式应用到化学实验中，具有条件温和、能耗低、反应速度快、产品易钝化、便于自动控制、对环境友好等优点。而超声波则具有提高反应速度、改善目标产物的选择性、提高催化活性组分在载体上的分散性等特点。因此，采用微波消化、微波灼烧、超声催化等方式可以有效节约能源，减少环境污染，同时大大提高实验效率和实验效果，这些新技术的引入对增强生物化学实验的绿色化起着十分重要的作用。

建立良好的实验教学环境是实施绿色化实验教学的重要条件之一。基本的通风设施是绿色化实验室所必需的。同时，充分利用实验室空闲地方盆栽绿色植物来吸收有毒物质，常青的观叶植物以及绿色开花植物中，很多都具有依靠叶片吸取、植物的根以及土壤里的细菌消除来室内有毒化学物质的作用。因此，在实验室有选择性地栽种这些植物，可以不同程度上降低环境污染，给实验室带来了愉悦和生机，同时还可以培养学生的实验绿色化意识。吸收有毒物质的植物如表１所示。

3 优化生物化学实验各个环节，培养学生绿色实验习惯

首先，必须重视实验前的预习与准备工作。教师在每一堂实验课之前几天，把预习大纲及问题发给学生，让学生有针对性的进行实验前预习。在设计预习大纲过程中，启发学生对实验方案的判别，引导学生用最佳的实验手段进行实验，强调实验过程中的绿色化操作方法及技术。如蛋白质含量测定实验中，可选择的方法有考马斯亮蓝法、福林酚法、双缩脲法、紫外吸收法等，从绿色化学的角度，应该采取哪种方法？如在ＤＮＡ检测实验中采用１％琼脂糖凝胶电泳，可提出问题“你采取什么方法，既能保证该实验效果，又能减少试剂用量节约成本”；另外，如实验中要用到有毒试剂，或者生成的产物有毒，让学生查阅文献，设置如下问题：“能否找到无毒试剂替代？对于有毒生成物该如何处理？按照常规实验要求能否将剂量一致减小也能达到实验目的？”等。诸如此类的问题可让学生开动脑筋，带着思考去预习，同时可适当选择一些实验项目让学生根据预习结果去试验，是否能够达到替代效果或减少剂量后是否实验效果依然理想，是否能够有效减轻或消除有毒生产物。通过有针对性和问题性的预习，充分激发学生的实验兴趣、求知欲和创新欲，同时培养学生绿色化学意识和绿色化实验习惯，培养学生运用生物化学原理和实验技能来防治环境污染的能力。

其次，在充分预习、熟悉及理解实验的基础上，严格执行实验操作规程。规范的实验操作是节约试剂、减少实验失败的重要环节。在生物化学实验中，基本的实验操作如取用及称量药品、量取和转移液体、洗涤玻璃仪器、过滤液体、加热物质等要求动作准确、操作熟练、运用灵活。在实验过程中引导学生时刻注意节约药品，要求掌握三个一定：“能少用试剂的一定少用；能回收的一定回收，能循环使用的一定循环使用”。如在配制试剂时，要精确计算称量，减少实验误差，同时避免不必要的试剂浪费；要求现配现用的溶液不要配制过多，以免过期产生浪费；为了避免实验失败而重新配制试剂，可以事先配制浓度较高的母液，根据需要随时稀释使用，保证了效率，也节约了药品。

第三，是实验末端废弃物的回收处理绿色化。在生物化学实验中，不可避免地会产生废弃物，这些实验废液中依然存在大量的有毒有害物质，如何妥善处理依然是一个急需解决的严重问题。据余录等人调查发现，长江沿岸６２％的高校实验废液不经任何处理就直接排放，这些污染物经过长时间富集，给周边生态环境和人民身体健康造成严重的影响。因此，实验末端废弃物处理，也是渗透绿色化学理念，实现生物化学实验绿色化的重要途径之一。生物化学实验中产生的废弃物处理一般遵循“分类收集、存放，分别集中处理”原则。对于废气处理，可经活性炭与分子筛等方法吸附、吸收、氧化或分解等方法处理后排放；至于废液处理，体现绿色化学的处理可采用吸附、中和、沉降活性污泥或是生物隔膜等方法。固体废弃物根据其可燃性情况进行相应处理，如可燃性废弃物可分类收集后及时焚烧；而固体非可燃性废物分类收集后加入漂白粉进行氯化消毒处理。生物类废物的处理应据其病源特性及物理特点选择合适的容器和地点，专人分类收集后进行消毒与烧毁处理，如微生物检验接种培养过的琼脂平板应在高压灭菌锅中灭菌３０ｍｉｎ，趁热将琼脂倒弃处理；对可能含有致病菌的血清及血滤液等废液，要及时、彻底地高压灭菌后再排放，有效防止致病菌的传播。

４利用计算机辅助与多媒体仿真教学提升实验技术水平和绿色化程度

采用计算机辅助与多媒体仿真教学是实现生物化学实验绿色化的另一条重要途径。近年来，以多媒体为代表的计算机辅助教学技术，因其具有图文声像于一体、形象生动、信息量大、互动性强等特点而广泛应用于教学领域，在改变传统教学观念、优化课堂教学方法与提高教学质量中扮演了十分重要的角色。生物化学是一门飞速发展的学科，新技术、新方法日新月异，而目前的生物化学实验指导教材中的实验项目并没有涉及到这些新技术与新方法。而且受设备的限制，一般的高校难以把新技术与新方法引入到传统的实验或综合性与创新性实验中来。而利用多媒体技术完全可以解决这些问题。利用多媒体技术既可以充分展示现代生物化学研究设备，了解新技术与新方法；也可以通过演示实验为学生后面进行的实验操作及结果分析提供非常重要的信息；还可以实现由于实验条件的限制学生无法直接接触的实验操作过程；同时污染较大的传统经典实验也可通过计算机编程制作互动模拟实验动画，使操作者在计算机上就可进行实验的全过程。这就是我们通常所说的虚拟实验（或仿真实验），既可达到同样实验目的，又可最大程度减少实验成本，并且实现化学实验的零污染。如在经典的氨基酸层析实验中，利用多媒体教学可以让学生总体了解２０种氨基酸的迁移率大小，根据不同氨基酸的双向层析图来判别后面实验中的氨基酸泳动速率和推测该氨基酸层析斑点的位置，使学生从本质上认识不同氨基酸结构和极性大小与Ｒｆ值的关系。又如生物化学实验中的蛋白质盐析沉淀、Ｗｅｓｔｅｒｎ杂交和Ｎｏｒｔｈｅｒｎ杂交、液相和气相色谱技术、免疫化学技术等实验由于教学时间的限制不能进行，就可采用多媒体教学方式开展演示实验，让学生拓宽知识面，充分了解这些实验操作流程，把握实验当中的关键技术及技巧，增强学生对实验的兴趣和主动性，使学生更加深刻理解生化技术的内涵。

５建立绿色化生物化学实验考核方法

建立生物化学绿色考核方法，是学生树立绿色化学理念、养成绿色化实验习惯及建立绿色化思维方式成果的全面检验。考核的根本原则就是实验本身的过程、结果以及实验后垃圾处理，是否符合绿色化标准。同时，生物化学绿色考核方法要注意考核标准的客观性和可操作性，注意考核过程和结果的严谨性、综合性、公正性和真实性。本文建立的绿色生物化学考核评价体系，考虑了实验前、实验中和实验后的整个生物化学实验教学环节，按照不同的权重系数进行配置，如生物化学实验成绩以１００分计算，实验前的基本实践理论、基本实验技术和实验预习各占５％，而考勤占１０％，注重培养学生良好的实验态度；实验中的操作技能占１５％，注重学生实验技术操作的规范性，培养学生绿色化实验习惯，强调实验中学生之间的协作能力；实验后的实验报告占３０％，注重学生规范撰写实验报告，培养学生科研素质，同时实验后废弃物的处理占１０％，强调了实验后废弃物的妥善处理方法，培养学生牢固树立绿色化实验意识和绿色化实验习惯。具体的考核评价体系如表２所示。

６小结

近年来，高校化学实验室所产生的废弃物对生态和环境造成的污染问题受到广泛关注。在生物化学实验过程中不可避免会产生有毒及有害废弃物，直接排放后会对环境造成严重污染。如何减少或消除生物化学实验中产生的有毒有害污染物，降低环境污染，保护师生身体健康是摆在每一个生物化学实验工作者面前的一个重要课题。因此，在生物化学实验中渗透绿色化学理念，培养学生绿色化学意识，养成学生绿色化实验习惯、建立绿色化思维方式是当前深化教学改革形势和生态文明建设所急需。在生物化学实验教学中，要特别注重更新与优化生物化学实验教学内容，改进实验条件和优化实验操作方法，建立良好的实验教学环境，从实验前、实验中和实验后优化生物化学实验各个环节，采用计算机辅助与多媒体仿真教学方法，建立生物化学绿色考核评价体系等。通过这些措施的实施，必定能最大程度地控制生物化学实验中废弃物对环境造成的污染，促进生态环境的可持续发展和我国生态文明的建设。

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