糧食問題及化學(xué)對策

1、糧食問題及化學(xué)對策糧食問題及化學(xué)對策生命科學(xué)與醫(yī)藥化工學(xué)院：梁華定本章內(nèi)容 一、一、糧食危機(jī)糧食危機(jī) 二、二、化學(xué)對策化學(xué)對策第一節(jié)第一節(jié) 糧食危機(jī)糧食危機(jī) 1、人口大量增加，分布不均勻人口大量增加，分布不均勻 A、世界： 1650 1800 1930 1960 1975 1988 1996 1999 2050人口數(shù)億：5 10 20 30 40 50 58 60 （ 80）每增加10 億時(shí)間： 130 30 15 13 11 1990年統(tǒng)計(jì)人口密度：亞洲人口占58.8（土地占20.8）人口密度114人Km( 其中新加坡4464人Km 、馬爾他1103人Km 、蒙古、澳大利亞、加拿大13人Km

2、 ） 1990年統(tǒng)計(jì)人口超過1 億的國家有：中國11.19、印度8.53、前蘇聯(lián)2.89、美國2.49、印度尼西亞1.84、巴西1.50、日本1.23、巴基斯坦1.23、孟加拉國1.16、尼日利亞1.09. B、中國：1651 1685 1790 1840 1911 1949 1987 1995人口數(shù)億：0.53 1.1 3 4 3.4 5.4 10.8 12 東南部土地占42.9，人口占94.5，全國人口密度122人Km ，其中上海2000人Km，西藏1 . 7人Km 中國人口普查 年份1953 1964 1982 1990 1998（抽樣）人口577856141 691220104 100

3、3913927 1130510638 123526萬自然增長率1.006%,出生率1.657%,死亡率0.651%1983年大約有2千萬（占世界人口的0.5）因饑餓而死亡，還有5億左右處于嚴(yán)重營養(yǎng)不良，至今達(dá)65億 馬爾薩斯預(yù)言：開始 第一步 第二步 第三步 第四步 相對人口： 1 2 4 8 16 （幾何級數(shù)）相對糧食產(chǎn)量： 1 2 3 4 5（算術(shù)級數(shù)） 2、耕地減少、耕地減少。地球上陸地面積1.49億米2，除南極封地外，實(shí)際面積1.31億米2，其中適用耕地僅占11.3、230億畝；草地占25.3%；林地占31.2%。 A、城市建設(shè)：我國19571976年凈減1 .8億，相當(dāng)于四川、廣東、

4、廣西三省耕地面積總和。 B、土地荒漠化：19451990年，人為造成土壤退化面積達(dá)19 .6公頃，占全球有植被土地面積的17，相當(dāng)于中國、印度兩國土地面積總和。每年有600萬公頃土地變成荒漠。 原因：a、過度放牧和過度耕種；b、土壤鹽堿化（每澆水1萬米3，相當(dāng)于加鹽堿25噸，長期結(jié)累）c、森林砍伐。 C、洪水暴風(fēng)：1984年10月預(yù)測：每年損失肥沃土地254億噸，占全球耕地表土層0.7.3、 害蟲雜蟲之患害蟲雜蟲之患 僅蝗蟲老鼠使糧食損失13。 每只老鼠吃46斤，全世界一年達(dá)500億斤，相當(dāng)于吃掉一億人口一年的口糧 1、化學(xué)支撐其它學(xué)科的發(fā)展、化學(xué)支撐其它學(xué)科的發(fā)展 生物領(lǐng)域：生物領(lǐng)域：優(yōu)良種

5、子建設(shè)國家雜交稻工程技術(shù)中心袁隆平院士主持超級雜交稻選育課題，1996年提出了提高光能利用率的優(yōu)良株葉形態(tài)和強(qiáng)大的遠(yuǎn)緣雜交優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合在一起的新思路，1997年度試種3.6畝，畝產(chǎn)884公斤，比汕瀧63增產(chǎn)225公斤；“兩優(yōu)培九”在江蘇、湖南共有14個(gè)百畝片和3個(gè)千畝片實(shí)收畝產(chǎn)超過700公斤，獲大面積推廣，被評為2000年中國十大科技進(jìn)展新聞之首。 基因工程的進(jìn)展，把高產(chǎn)植物的基因轉(zhuǎn)入到糧食作物的種子中去，同時(shí)提供轉(zhuǎn)基因生物。 醫(yī)藥領(lǐng)域：醫(yī)藥領(lǐng)域：末來食物要在提高人類生存質(zhì)量、提高健康水平和身體素質(zhì)方面起作用。利用化學(xué)方法可以增加動植物食品的防病有效成分，提供安全食物和食物添加劑，改進(jìn)食品儲存

6、加工方法，保持有益成分。第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)對化學(xué)對策策2、大力發(fā)展肥料化學(xué)研制長效復(fù)合化肥的生產(chǎn)、大力發(fā)展肥料化學(xué)研制長效復(fù)合化肥的生產(chǎn) （1）合成氨工業(yè)）合成氨工業(yè) 世界年產(chǎn)量約5億噸，中國2000萬噸（第二位） 1909年德國哈伯成功地建立了合成氨裝置，并取得了專利（條件：鋨催化劑、300500atm、500600C,生產(chǎn)能力：80g/h),是20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展中的一個(gè)重大突破,榮獲1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；德國巴登苯胺純堿公司購買了專利，由C.Bosch擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施工業(yè)化（條件：鐵催化劑、150300atm、400500C，*生產(chǎn)能力：45萬t/a ) C.Bosch榮獲1931年諾貝爾

7、化學(xué)獎(jiǎng)。 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：豆科植物的根瘤菌能在常溫下把氮?dú)廪D(zhuǎn)化為化合態(tài)氮肥，每年約固定17.5億噸是人工合成的3倍。 目標(biāo)是如何模擬固氮酶，在常溫常壓下，利用空氣中氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物能吸收的氮肥。 1、固氮酶的優(yōu)點(diǎn)：（1）能在常溫常壓下將氮分子催化還原成氨；（2）催化效率高。 2、固氮酶的結(jié)構(gòu)組成：固氮酶由鐵蛋白、鐵鉬蛋白及鐵鉬蛋白中的鐵鉬輔因子組成，ATP、電子供體參與。且摩爾比為1：1時(shí)固氮活性最佳。 3、固氮系統(tǒng)電子傳遞序列：電子供體鐵蛋白鐵鉬蛋白底物 A、ATP起還原去磷酸化作用，提供電子傳遞的能量； B、鐵蛋白為電子傳遞體；C、電子最后傳遞給鐵鉬蛋白，同時(shí)發(fā)生氮分子的配位還原作用。 4、固氮

8、酶的結(jié)構(gòu)分析： 鐵蛋白：分子量5.77.3萬，有4個(gè)Fe,4個(gè)S*: 鐵鉬蛋白：分子量2.22.4萬，有2個(gè)Mo,24-26個(gè)Fe,24-34個(gè)S*:鐵蛋白、鐵鉬蛋白對氧不穩(wěn)定，無法進(jìn)行X射線結(jié)構(gòu)分析； 1977年Shah和Brill采用溶劑萃取法分離出了固氮酶的活動中心Fe Mo輔基：分子量為2000， Mo： Fe：S*1：8：6; 1978年Hodgson應(yīng)用外延X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)法推斷出Fe Mo輔基中Mo原子的微觀結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)參數(shù)）?；瘜W(xué)模擬生物固氮化學(xué)模擬生物固氮5、提出固氮酶模型：1973年我國盧嘉錫提出孿合網(wǎng)兜模型 6、1975年Chatt合成了順M(N2)2(PMe2Ph)4

9、反M(N2)2(PMePh2)4（M Mo，W） 打破了配位了的氮分子比游離的氮分子更穩(wěn)定的誤斷。（1）在20無氧條件下，H2SO4/CH3OH中處理 順順-M(N2)2(PMe2Ph)4 N2 + NH3 +HPMe2PhHSO4(M=W 產(chǎn)率90， M= Mo產(chǎn)率30； 在CH3OH中、沸騰3小時(shí)，M=W 產(chǎn)率80， ）(2) (C5H5)2Ti2(N2) NH3 (HCl/Et2O, 213K, 產(chǎn)率30) (C5H5)2Ti2(N2) N2H4 (HCl/CH3OH, 213K, 產(chǎn)率100) (C2Me5)2Zr(N2)2 N2 N2H4 (HCl/CH3OH, 產(chǎn)率86) 1995

10、年MIT化學(xué)家Laplaza和Commins最近發(fā)現(xiàn)簡單無機(jī)配合物能使配位氮分子的三重鍵斷裂并轉(zhuǎn)化為N3配位配合物。這一成果將三十年來化學(xué)界關(guān)于固氮機(jī)理研究推向新階段。 發(fā)現(xiàn)偶然性：目的是在N2氣氛中通過重晶提純?nèi)湮慌浜衔颩o(NRAr)3結(jié)果得到琥珀色的(ArRN)3Mo N (R=C(CD3)3CH3, , Ar=3.5-C6H3(CH3)2)(2)人工模擬光合作用人工模擬光合作用 植物：CO2H2O 糖糖O O2 2（可供植物細(xì)胞使用的原料） 每年地球上的光合作用把1011噸的碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)化合物，并把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。 目標(biāo)：人工模擬光合作用。 難點(diǎn)：闡明光合作用的機(jī)理。（1）美國M

11、.Cdvin找到了CO2通過光合作用轉(zhuǎn)化為糖和其它重要化合物如氨基酸等的變化，其核心化合物是葉綠素，1961年諾貝爾獎(jiǎng)。 （2）美國H.Michel,J.Diesenhofer,R.Huber用X射線單晶測定了葉綠素的結(jié)構(gòu)， 1988年諾貝爾獎(jiǎng)。3、大力發(fā)展農(nóng)藥化學(xué)殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、大力發(fā)展農(nóng)藥化學(xué)殺蟲劑、除草劑、殺菌劑 （1）、發(fā)展史）、發(fā)展史 第一代農(nóng)藥：直接來自植物礦物如硫磺、除蟲菊粉； 第二代農(nóng)藥：有機(jī)合成農(nóng)藥如溴氰菊酯殺蟲劑、，見乃痛殺菌劑、24D除草劑；（環(huán)境污染、生態(tài)平衡、昆蟲產(chǎn)生抗藥能力； 第三代農(nóng)藥：高效、低毒、不污染環(huán)境、具專一性。 （2）除草劑）除草劑 例如亞細(xì)亞綱

12、毛草 （3）植物激素生長調(diào)節(jié)劑：植物體內(nèi)具有調(diào)節(jié)作用的內(nèi)源性物質(zhì)，包括生長因子（植物生長素類）、生長抑制劑。如乙烯：促進(jìn)水果成熟；吲哚乙酸（IAA）：促進(jìn)植物生長，無受精結(jié)實(shí)；赤霉酸（GA）：誘發(fā)開花，無籽葡萄；細(xì)胞分裂素：促進(jìn)種子萌發(fā)，增進(jìn)開花，抑制衰老； （4）昆蟲激素。如蛻皮激素：引起昆蟲蛻皮；保幼激素：延長幼蟲期（不發(fā)育成成蟲，提高蠶絲產(chǎn)量）；抗幼激素：引起早熟使其過早發(fā)育成不育的小型成蟲。（5）昆蟲信息素）昆蟲信息素 如美國蟑螂性信息引誘素：干擾昆蟲正常交尾，停止其繁殖目的。 4、開展節(jié)育化學(xué)研究、開展節(jié)育化學(xué)研究 （1）生產(chǎn)更有效、簡便、安全的避孕藥。 口服避孕藥現(xiàn)有兩類：雌激素、孕酮素，包括天然的雌二醇