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技术与社会

STSE

STSE 教育理念是科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society）和环境（Environment）的英文缩写。科学、技术、社会与环境（STSE）教育起源于科学教育领域的科学技术与社会（STS）运动。这种科学教育理念强调在文化、经济、社会和政治背景下教授科学技术发展。在这种科学教育观下，学生被鼓励参与到与科学对日常生活的影响相关的问题中，并就如何解决这些问题做出负责任的决定。

借助解决实际问题、开展活动、进行调查以及分析等方式，引导学生在 STSE 情境里运用学科知识。激励学生针对那些关乎社会与环境的重要议题积极发表评价，进而做出合理决策，以此帮助学生塑造正确的价值观，并促使其养成良好的行为准则。STSE 教育理念注重培养学生的综合素养，使其能够理解科学技术在社会发展中的应用以及对环境的影响。

转基因产品的安全性

生物技术的伦理问题：在人类社会中，伦，是指人与人之间的关系；理，是道德和规则。伦理特指人与人之间的道德准则。

转基因生物即基因修饰型生物体（genetically modified organism，GMO），是指利用现代分子生物技术，将一种或几种外源基因转移到某种特定的生物体中，改造生物的遗传物质，使其营养与消费品质等方面更加符合人们的需要。作为转基因产品的主要类别——转基因食品，又称基因修饰型食品（genetically modified food，GMF），是指从转基因生物获得的食品，目前主要为植物和植物制品（图 4-1）。

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1983 年，世界上最早的转基因作物——抗除草剂转基因烟草诞生于美国。1994 年，第一个转基因食品——延熟保鲜番茄在美国获批上市。从此以后，转基因作物的研究发展迅速。大豆、棉花、玉米和油菜是世界上种植面积最大的四种转基因作物，转基因抗病毒番木瓜等水果也已大范围推广种植并食用。还有许多转基因蔬菜，如茄子、马铃薯、花菜、南瓜等，已进入实验田阶段。除了植物外，2015 年，美国批准了转帝王鲑生长激素基因的三文鱼上市。

转基因微生物在实际生产应用中也取得了明显的成效，如化工行业的丙酮和丁醇，食品行业的柠檬酸和味精，医药行业的氨基酸和抗生素等，大都通过转基因微生物规模化生产。转基因疫苗和转基因药物是重组 DNA 技术应用最为成功的两大类产品。转基因疫苗和药物成本低、效率高且安全可靠。若没有转基因技术，很多疾病将缺少防治药物，医药费用也会变得昂贵。不知不觉，转基因产品已随处可见，往往我们可能还未意识到，却已经在接触和使用转基因产品，享受着转基因产品带来的好处（图 4-2）。

转基因作物具有众多优势：延熟作物可提高农产品耐贮性，转基因大豆可提高榨油的出油率，抗虫作物可减少杀虫剂的使用，抗除草剂作物可在喷洒了除草剂的农田中生长，抗逆境作物可降低农作物对种植环境的要求等。抗虫、抗逆境、抗感染等改造都可增加作物产量，减少杀虫剂、化肥等的使用量，降低生产成本，同时又保护土壤，对缓解资源限制、保护生态环境起到重要作用。随着人口、能源和环境之间矛盾的日益突出，培育高产、优质且多抗的转基因作物被认为是解决这些矛盾的最具有潜力的途径之一。

从生物学原理角度看，转基因食品的外源基因及其表达的蛋白质产物同普通食品中所含有的基因及蛋白质一样，都会被人体消化为小分子物质，因此并不会因食用转基因食品而改变人的遗传特性。但是，鉴于我们人类对生命科学的认识仍然十分有限，社会公众及业内人士对转基因食品的安全性仍存在不同见解。因此，目前转基因作物的构建倾向于采取相同或相似植物物种的天然基因与调控元件相组合，以提高转基因作物的安全性。除了食品安全外，种植转基因作物是否会对环境造成破坏？尽管转基因作物的种植都是在可控制的范围内进行，但人们仍担心转基因作物可能会成为自然界的“外来品种”，对生物多样性构成威胁。此外，一些抗除草剂转基因作物的种植反而增加了除草剂的消耗，对环境造成更大污染。

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转基因技术还涉及一些伦理方面的问题。例如，素食主义者也许不愿意食用和接受含有动物基因的产品；将人类基因转入食用动物或动物饲料中，以及将转基因动物器官移植给人体，也存在伦理学上的异议。再如，部分公司有意在转基因植物种子中设计了阻止传代的基因序列，使种子不能传代，转基因植物不能留种。这种从保护专利角度的做法已被禁止，因为如果是大面积推广种植的主粮，很可能在某时刻产生无粮可种的被动局面，使国家粮食安全与人民生存受到威胁。

人们对转基因生物安全性的关注，随着转基因成果的不断涌现而与日俱增。对微生物的基因改造是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域，这是因为微生物具有生理结构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感和容易进行遗传物质操作等优点。例如，转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰（一种啤酒发酵过程中的产物，它的浓度过高会影响啤酒的风味和口感）的生成，缩短啤酒的发酵周期；用基因工程技术构建高产、优质的基因工程菌来生产氨基酸，是目前工业化生产氨基酸的重要途径；用基因工程菌生产药物同样引人注目，开发成功的基因工程药物已经几乎涉及各种类型疾病的治疗。

转基因动物也有很多成功的例子。科学家将生长激素基因、生长激素释放激素基因等转入动物体内，培育了一批生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜；将某些抗病毒的基因导入动物体内，培育了抵抗相应病毒的动物新品种；建立了某些人类疾病的转基因动物模型，模拟疾病的发生和发展过程，为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供依据，如转基因小鼠 1 型糖尿病模型、转基因小鼠原发性高血压模型等。转基因植物的研究成果同样令人兴奋。目前，科学家已经培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物。

科学家在培育转基因植物时，常通过农杆菌的转化作用使目的基因进入受体细胞。据报道，有科学家检测了 291 种没有经过人工转基因操作的栽培番薯，发现这些番薯都含有农杆菌的部分基因，并且在番薯的根、茎、叶等器官中都检测到了相关基因的表达。但是，科学家在番薯的近缘野生种中却没有发现这些基因，于是他们推测，在人类驯化番薯的过程中，这些“天然”转入的农杆菌基因促进了一些性状的产生。

1918 年暴发的流感使至少 2 000 万人丧生。研究人员从保存的受感染的人体中分离了该病毒，测得它的基因组序列，然后进行了重新构建。重构病毒的传染性是现在流感病毒的 39 000 倍。了解重构病毒的致病机制能够帮助我们更好地抵御流感。但是，也有人担心：该病毒一旦泄漏，可能会造成新的流感大流行；公布的病毒基因组序列和制造病毒的方法可能被某些不法分子用于犯罪。

在转基因研究工作中，科学家会采取很多方法防止基因污染。例如，我国科学家将来自玉米的 \alpha-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中，由于 \alpha-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏使花粉失去活性，因而可以防止转基因花粉的传播。转基因作为一项技术本身是中性的，由这项技术研发出来的产品需要经过一系列的安全性评价，符合相应标准后才能上市。理性看待转基因技术不是人云亦云，更不是诋毁科学创新、造谣惑众，而是需要以完备的相关科学知识为基础，即清晰地了解转基因技术的原理和操作规程；还应该看到人们的观点受到许多复杂的政治、经济和文化等因素的影响；最重要的是，要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论。社会舆论导向正确了，往往有利于决策者作出正确的决策，从而促进科学技术的发展；相反，社会舆论导向不正确，将可能阻碍科学技术的发展。

转基因产品与人体健康、环境安全、生物伦理甚至国家安全均密切相关，科学家们一直在对转基因产品的安全性问题进行全方位的系统研究，各个国家对转基因技术都制定了符合本国利益的政策和法规。1993 年，我国制定了《基因工程安全管理办法》。1996 年，我国农业部颁布了《农业生物基因工程安全管理实施办法》，并据此成立管理转基因作物的农业生物基因工程安全委员会和农业生物基因工程安全管理办公室。2002 年，农业部颁布了《农业转基因生物标识管理办法》，加强对农业转基因生物的标识管理（图 4-4），规范农业转基因生物的销售行为，引导农业转基因生物的生产和消费，保护消费者的知情权。这些法规的制定都是为了最大限度地保证转基因技术和产品的安全性，符合“知情同意”的伦理学原则，让消费者自行决定是否食用转基因食品。我国提出加强转基因技术及其安全性的研究，慎重对待转基因主粮的种植，也符合不伤害和有利原则。再有，根据公平原则，在不同人群的转基因食品供应上不应区别对待。

禁止生殖性克隆人

很多生物学家认为，克隆技术还不成熟，当年做克隆羊研究时，科学家用数百枚卵构建重构胚，才成功地孕育出一只克隆羊。而用其他哺乳动物做克隆实验时，也同样出现了构建重构胚成功率低，胚胎移植到母体子宫后着床率低、流产率高、胎儿畸形率高和出生后死亡率高等问题，正常的个体极少。即使有个体活过了幼年期，它们也有可能较早死亡。多莉在 7 岁时就因患有严重的肺部疾病被研究人员实施了安乐死，而在正常情况下，一只绵羊的寿命为 10 \sim 15 年。可以预见，生殖性克隆人同样会面临所有的这些问题：流产、死胎和畸形儿等，这显然与人类传统的伦理道德是背道而驰的。

近些年来，干细胞研究取得了一系列重要进展。继外国科学家用 4 种转录因子诱导人的成纤维细胞转变成 iPS 细胞之后，我国科学家又用 4 种小分子化合物诱导小鼠的成纤维细胞转变成了 iPS 细胞（这种细胞又被称为化学诱导多能干细胞）。这一技术在一定程度上避免了用特定的转录因子诱导 iPS 细胞可能带来的致癌风险。目前，科学家已经成功用 iPS 细胞克隆出了活体小鼠，试想一下：如果将小鼠的 iPS 细胞换成人的 iPS 细胞，不就可以克隆人了吗？

生殖性克隆人问题带来了巨大的伦理挑战。要知道，现在生物技术革命的浪潮席卷全球，与这些技术相关的伦理问题还有很多，如从 20 世纪 90 年代开始一直讨论的“设计试管婴儿”的伦理问题。

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目前，大多数国家对生殖性克隆人的态度是不支持的，并以法律形式加以严格限定。“多莉”羊的诞生地——英国最早制定了相关规定。2001 年 6 月，英国立法禁止生殖性克隆人。2002 年 2 月，联合国举行的关于拟定《反对生殖性克隆人国际公约》会议上，我国代表表明了立场：反对克隆人，不赞成、不允许、不支持、不接受任何克隆人实验，但主张对治疗性克隆和生殖性克隆加以区别。2003 年，我国卫生部公布的《人类辅助生殖技术规范》对实施辅助生殖技术人员的行为准则作了规定，其中第 15 项规定：“禁止克隆人”。科技部、卫生部公布的《人胚胎干细胞研究伦理指导原则》第 4 条规定：“禁止进行生殖性克隆人的任何研究。”

对于治疗性克隆，中国政府持不反对态度。早期的治疗性克隆采用的是胚胎干细胞，这必然要毁坏人类胚胎。因此，该技术从一开始就存在伦理争议。现今，由日本科学家发明的诱导性多能干细胞技术已成功培养出肝、肾、胃、皮肤等器官或组织，避免了采用胚胎干细胞对胚胎的毁损。但该项技术也还存在肿瘤发生率升高等弊病。如果上述问题能得以解决，必将使治疗性克隆得到更好的发展。

20 世纪 90 年代中期，有一名 19 岁的姑娘患了白血病，需要进行骨髓移植。然而，她唯一的哥哥的骨髓配型并不适合她，在骨髓库中也找不到合适配型的骨髓。她的父母通过“设计试管婴儿”（植入前对胚胎进行遗传学诊断）生下了一个配型适合她的婴儿。在婴儿出生 2 个月后，医生就抽取婴儿骨髓中的造血干细胞移植给她，她得救了。后来，又有一些父母用这种方法挽救了自己患致命血液病的孩子。

随着基因组编辑技术的发展，科学家可以在体内和体外简单、低成本地对基因进行敲除、插入等，这样就可以有目的地改造特定基因。

禁止生物武器

生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等，例如，天花病毒、波特淋菌、霍乱弧菌和炭疽杆菌（图 4-5）都可以用来制造生物武器。生物武器的致病能力强、攻击范围广。它可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布，经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内，造成大规模伤亡，也能大量损害植物。生物武器由于致病性强，多数具有传染性，用量少且普遍易感；传播的手段简便多样，发病有潜伏期，导致不能及时发现并进行有效的预防和治疗；制备较容易、花费小等特点，是极具威胁的大规模杀伤性武器。因此，制止生物武器在全球的扩散是国际社会面临的重大挑战之一。

生物安全是指国家有效防范和应对危险生物因子及相关因素威胁，生物技术能够稳定健康发展，人民生命健康和生态系统相对处于没有危险和不受威胁的状态，生物领域具备维护国家安全和持续发展的能力。我国不断健全生物安全监管预警防控体系。例如，做好现代口岸核生化有害因子（核放射性物质、生物战剂、化学毒剂等）的防控工作，保障国门生物安全。

生物战是用微生物或生物毒素（包括自然的、改造过的或基因工程制备的）开展对敌方的人、畜、植物和生态环境进行攻击的战争。由用于生物战的微生物制剂（包括细菌、病毒、生物毒素、真菌等）和各种施放装置构成的用来杀伤人员、牲畜和毁坏农作物的特种武器，均属于生物武器。已知可以作为生物武器的致命微生物约有 160 种，它们一旦进入机体便能大量繁殖，破坏机体功能，导致机体发病甚至死亡。目前，公认的对人类危害最大、最易散播的被用于制造生物武器的细菌和病毒是炭疽杆菌、肉毒杆菌、鼠疫杆菌和天花病毒（图 4-7）。埃博拉、SARS、拉沙热等病毒也可能被用作生物武器。

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人类历史上第一次有明确记载的生物战发生于 1346 年，蒙古军队围攻卡法城（位于现克里米亚地区），将患鼠疫死亡的动物尸体投入敌方的水源中，以此来传染并击溃城内的守军。17 世纪，西方殖民者故意将己方天花病患者使用过的毛毯及衣物等散发或留弃给没有抵抗力的北美印第安人。在天花的肆虐下，几个原先有数百万人口的主要印第安部落衰减到只剩数千人或完全灭绝。第一次世界大战时期，德军曾使用炭疽、马鼻疽等对敌方的军民和战马进行攻击。在第二次世界大战中，侵华日军建立了从事细菌战的 731 部队，培养鼠疫、霍乱等传染性病菌，在战俘甚至平民身上试验，并在多地投放，造成我国军民众多 的伤亡。

2001 年“9·11”恐怖袭击后数日，恐怖分子又通过邮寄含干燥炭疽杆菌芽孢粉末的信件发动了生物恐怖袭击，共造成多人感染炭疽（图 4-8）。 随着分子生物学领域的不断开拓，人们不禁担心重组 DNA 技术也可能被用于制造毁灭性武器，即基因武器。基因武器不易被发现且难以防护，可能造成巨大伤亡。 生物恐怖和生物战使用的都是生物武器，只是使用的场合不同和目的有所差异，在战场上使用就称为生物战，被用于恐怖活动就称为生物恐怖。

转基因技术出现后，使得利用这一技术制造各种新型的致病菌成为可能。这些人类从来没有接触过的致病菌，可能让大批受感染者突然发病，而又无药可医，这样施放者便可以造成敌方公众的极度恐慌，致使受害国一切活动瘫痪，轻而易举地达到不战而胜的目的。例如，有报道称，有的国家已经研制出新型的鼠痘病毒，由于人类目前还没有找到相应的有效治疗药物来对抗这种病毒，因此感染者必死无疑；在实验室里，有人通过转基因技术把蜡样芽孢杆菌改造成像炭疽杆菌一样的致病菌；有人将生物毒素分子的基因与流感病毒的基因拼接在一起，然后再用基因工程的方法进行批量生产。

1972 年 4 月 10 日，苏联、美国和英国分别签署了《禁止试制、生产和储存并销毁细菌（生物）和毒剂武器公约》（简称《禁止生物武器公约》），于 1975 年 3 月 26 日生效。1984 年 11 月 15 日，我国也加入了这一公约。截至 2017 年 2 月，该公约共有 178 个缔约国（图 4-10）。《禁止生物武器公约》主要内容是：缔约国在任何情况下不发展、不生产、不储存、不取得除和平用途外的微生物制剂、毒素及其武器；不协助、不鼓励、不引导他国取得这类制剂、毒素及其武器；缔约国在公约生效后 9 个月内销毁一切这类制剂、毒素及其武器；缔约国可向联合国安理会控告其他国家违反该公约的行为。该公约对于禁止和销毁生物武器、防止生物武器扩散发挥了不可替代的重要作用。

环境与资源利用

海水的综合利用

  1. 海水淡化：

    • 蒸馏法：加热汽化后冷凝。
    • 电渗析法：利用离子交换膜在电场作用下除盐。
    • 离子交换法：用树脂除去阴阳离子。

    注意：必须先通过阳离子交换树脂，再通过阴离子交换树脂。若顺序相反，\ce{OH-} 会与海水中的金属离子形成沉淀堵塞树脂。

  2. 环境保护：

    • 酸雨：\pH \le 5.6。成因是 \ce{SO2} 和 \ce{NO_x}。
      • 硫酸型：\ce{SO2 -> H2SO3 -> H2SO4}。
      • 硝酸型：\ce{NO -> NO2 -> HNO3}。
      • 防治：燃煤脱硫（\ce{CaO + SO2 + O2 -> CaSO4}）、汽车尾气净化。
    • 水体富营养化：氮、磷含量过高，导致“水华”或“赤潮”。

化学与健康生活

食品添加剂

  1. 类型：

    • 着色剂/增味剂：如 \beta-胡萝卜素、谷氨酸钠（味精）。
    • 膨松剂/凝固剂：如 \ce{NaHCO3}、硫酸钙（点豆腐）。
    • 防腐剂/抗氧化剂：如苯甲酸钠、山梨酸钾、维生素 C。
    • 营养强化剂：如碘酸钾（食盐）、硫酸亚铁。

  2. 使用建议：

    思考：食品添加剂并非“洪水猛兽”，在合法合规的剂量内，它们能有效提升食品的保质期和风味。重点在于不应以掩盖质量缺陷或掺假为目的。

化学与工业、农业及能源

农业化学

  1. 肥料分类：

    • 氮肥：\ce{NH4HCO3}、尿素 \ce{CO(NH2)2}（叶）。
    • 磷肥：\ce{Ca(H2PO4)2}（果）。
    • 钾肥：\ce{K2CO3}、\ce{KCl}（茎）。

    注意：铵态氮肥不可与碱性肥料（如灰肥）混合施用，会发生反应：\ce{NH4+ + OH- -> NH3 ^ + H2O}。

  2. 农药：波尔多液（\ce{CuSO4} \cdot \ce{Ca(OH)2}）。

干燥剂

  • 无机类：硅胶（半透明颗粒）、生石灰 \ce{CaO}、无水 \ce{CaCl2}、五氧化二磷 \ce{P2O5}、浓硫酸 \ce{H2SO4}。
  • 指示剂：二苯甲酮（常与钠配合，呈现蓝色表示无水）。

能源与材料

  • 理想能源：氢气 \ce{H2}（最清洁）。
  • 材料鉴别：
    • 合成纤维：刺激性气味，结块。
    • 动物蛋白（羊毛、蚕丝）：烧焦羽毛气味。
    • 植物纤维（棉、麻）：烧纸气味。

工业流程优化

  1. 粉碎：增加接触面积，加快速率。
  2. 温控：防止物质分解（如 \ce{H2O2}）或水解。
  3. 气保护：通入惰性气体（如 \ce{N2}）防止氧化或排除装置内空气。

酸雨​

概念：\pH \le 5.6 的雨水

成因：主要是 \ce{SO2} 和 \ce{NO_x} 及它们在大气中发生反应后的生成物溶于水形成的

硫酸型酸雨：\ce{SO2 + H2O <=> H2SO3}，2\ce{H2SO3 + O2 = 2H2SO4}

硝酸型酸雨：2\ce{NO + O2 = 2NO2}，4\ce{NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3}

危害：损伤农作物、破坏森林和草原、酸化土壤和湖泊、腐蚀建筑物

防治：

$\ce{2CaO + 2SO2 + O2 ->[高温] 2CaSO4}$
$\ce{2NO + 2CO ->[催化剂] N2 + 2CO2}$（尾气净化）

光化学烟雾​

概念：汽车尾气中的 氮氧化物 与 碳氢化合物经紫外前照射发生反应形成的有毒烟雾

注意：汽车尾气基本不含二氧化硫

防治：尾气净化

水体富营养化​

概念：由于人类活动的影响，氮、磷 等营养物质含量过高导致的水质恶化现象 现象：水华、赤潮等

化学与食品

9、食品添加剂

  1. 着色剂、增味剂

天然色素常见的有红曲红、\beta-胡萝卜素、姜黄、叶绿素铜钠盐、焦糖色等。

合成色素常见的有苋菜红、柠檬黄、靛蓝等。

味精是一种常用的增味剂，其主要成分为谷氨酸钠：\rm{NaOOCCH_2CH_2CH(NH_2)COOH}。

  1. 膨松剂、凝固剂

膨松剂有碳酸氢铵、碳酸氢钠等。制作豆腐用的氯化镁、硫酸钙、葡萄糖酸-\delta-内酯。

  1. 防腐剂、抗氧化剂

苯甲酸及其钠盐（用于果汁、酱油、醋、酱、腌菜）、山梨酸及其钾盐（用于糕点、熟肉、半成水产品）是防腐剂。亚硝酸钠（用于腊肉、香肠）是一种防腐剂和护色剂。抗坏血酸（即维生素 C，用于果汁或水果）、丁基羟基茴香醚（用于油脂）是抗氧化剂。

  1. 营养强化剂

食盐中加碘酸钾，在奶粉中添加维生素、碳酸钙、硫酸亚铁、硫酸锌等。

10、食品添加剂使用时应符合以下基本要求：

① 不应对人体产生任何健康危害；

② 不应掩盖食品腐败变质；

③ 不应掩盖食品本身或加工过程中的质量缺陷，或以掺杂、掺假、伪造为目的而使用食品添加剂；

④ 不应降低食品本身的营养价值；

⑤ 在达到预期效果的前提下尽可能降低在食品中的使用量。

在下列情况下可使用食品添加剂：

① 保持或提高食品本身的营养价值；

② 作为某些特殊膳食用食品的必要配料或成分；

③ 提高食品的质量和稳定性，改进其感官特性；

④ 便于食品的生产、加工、包装、运输或者储藏。

膨松剂：

生物膨松剂：酵母。

化学膨松剂：

单一膨松剂：\ce{NaHCO3}

复合膨松剂：\ce{NaHCO3}、柠檬酸；\ce{NH4HCO3}、\ce{Na2H2P2O7}（焦磷酸二氢二钠）。

化学与药品

治疗胃酸过多：胃舒平（主要成分为氢氧化铝）。

亚硝酸盐有致癌性，大量复用亚硝酸钠，会导致血管舒张甚至心律失常，同时其具有氧化性，会使血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，导致缺氧。

甲醛溶于水为福尔马林，有致癌性，用于保存防腐、杀菌。

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