生物质的应用范文

导语：如何才能写好一篇生物质的应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】 生物质燃料 估算低位热值 收购燃料 合理定价 燃料有效利用

随着世界能源结构多元化、高效化、清洁化的开发和利用，生物质以其低碳、可再生的特点受到人们的重视，以生物质能源为燃料的锅炉也应运而生。

燃料的发热量是燃料的一个很重要的特性，它是单位质量的燃料完全燃烧时所能释放出的最大发热量，发热量的高低取决于其化学组成以及可燃成分的多少，并与燃烧条件有关，发热量是衡定燃料质量的重要指标。

生物质是由纤维素、粗纤维素、木质素的碳水化合物、粗蛋白、蛋白酶、以及与微量元素等共同组成多种复杂 高分子有机化合物的复合体。自然环境下生物质燃料都含有一定量的水分，因种类的不同而变化。生物质中的水分以不同的形态存在， 即化合结晶水、内在水分和外在水分。化合结晶水用于生物质的合成。内在水分以物理化学结合力被吸附在 生物质内部的毛细管中，其含量比较稳定，一般5%左右；由于内在水分所处的位置结构其水分的蒸汽压力小于同温度下纯水的蒸汽压力，所以在常温下很难除去，必须在105℃至110℃下用加热干燥设备才能除去，是一个较为恒定值。生物质的外在水分以机械吸附携带方式存在于生物质的表面、结构间隙以及较大毛细孔中，与其运输和储存紧密相关。外在水分可用自然干燥法除去，在自然环境条件下，生物质燃料的外在水分不断蒸发，直到外在水分的蒸汽压力与空气的水蒸汽压力相同时，达到气液两相平衡，此时失去的水分是外在 水分，但失去水分的多少决定于相伴空气的 温度和空气的相对湿度，随自然环境的变化是一个相对的变量，所以外在水分是一个相对值而不是一个绝对值。一般来讲，水分是生物质燃料中的杂质，它即增加了运输和设备运行与检修中的费用、又降低生物质燃料的热值等。

燃料热值的高低取决于燃料中含有可燃成分的多少，但是，燃料的发热量（热值）并不等于可燃组成的C、H、S发热量的代数和。因为它们是在生长过程中通过光合作用等有机合成的产物，并于生物质的种属，植物的部位、生长地域、环境条件等有关。对于生物质燃料高位热值的测定通过常用的元素分析法不仅十分繁琐而且设备复杂，必须有专业的化学实验室来完成。在实际操作中，对于工厂技术人员，用门捷列夫经验公式估算和氧弹量热器来测定燃料热值并不实用，又没有较为成熟的经验公式。

燃料的热值分为高位热值HHVdaf由专业化实验室测得和低位热值（净热值）LHV。HHVdaf是燃料实际最大可能发热量，它是挥发份和固定碳的燃烧反应热之和。燃料燃烧后烟气中的水蒸汽包含了燃料中元素H在燃烧时与氧气反应生成的水蒸汽、燃烧过程中燃料的内在水分和外在水分形成气相的水蒸汽、冷空气中的过热水蒸汽。实际应用中燃料在燃烧设备燃烧后产生的高温烟气，通过尾部换热面时的温度仍相当高，一般都在100℃以上，，而且水蒸汽在烟气中的分压力又比大气压力低，所以此时燃烧反应产物中的水和燃料中携带的全水份仍然都是气相的饱和蒸汽或过热蒸汽，不能凝结成液相的水。为了有效地防止低温腐蚀，这部分汽化潜热就无法利用，而被排入大气，燃料的实际可利用热值就减小，所以从燃料高位热值HHVdaf中扣除掉这部分水蒸汽的汽化潜热，再减去灰渣热焓（无冷渣系统）后，就得到所能利用的净热值LHV。

由于生物质各种属燃料的有机物物质成分变化范围较小，工业分析中只要查出专业实验室对各种生物质燃料的高位热值HHVdaf（见表）的测定值，再测定出生物质燃料的全水分、全灰分、知道灰分的比热容，就可较准确地估算出单位质量的生物质燃料可利用的低位热值LHV，生物质的低位热值可以用以下公式进行估算：

LHV=HHVdaf（100%-Mar-Aar）-25M`ar-Am×C×Δt

式中：HHVdaf―生物质燃料的高位热值 kJ/kg

Mar―水分收到基质量分数%、

Aar―灰分收到基质量分数%

Am―每公斤生物质燃料含灰分质量 Kg

C ―灰分的比热容 kJ/kg℃

Δt―灰渣温度与环境温度的温差 ℃

M`ar―水分收到基百分数 %

25M'ar-1大气压下水分收到基转化蒸汽热焓KJ/Kg燃料

几种主要生物质燃料的高位热值 单位KJ/Kg（如表1）

灰分的比热容 C

干泥土 0.879 kJ/kg℃ 砂石0.921kJ/kg℃

影响生物质的燃烧特性因素.有挥发份V固定碳C水分M

灰分A等；燃料的（燃烧热）热值来源于挥发份、固定碳的燃烧反应热；其燃烧机理基本与煤相同，不同之处生物质固定碳燃烧多为剥落性燃烧。灰分视为生物质中不能燃烧的矿物杂质，它可分为两种即生物质自身结构的矿物质和在采取、运输、储存过程中的生物质所携带的外部杂质。灰渣是在生物质燃烧或在空气中经过一系列的分解，化合等复杂反应后所剩余的残渣。在生物质的燃烧过程中，少量的飞灰对燃烧有催化作用（石英砂除外），有助于加强有焰燃烧与相间的能量传输；但随着灰分含量的增大，使单位质量的可燃物质的含量相对减少很多，相应燃料的热值减少就越多，并降低燃烧温度，阻碍燃烧过程中的辐射传热，降低燃烧速度，包裹焦炭颗粒，阻碍氧气向焦炭内部扩散，增大机械不完全燃烧热损失；并在燃烧过程中的热泳、惯性碰撞、以及烟道、尾部换热面的凝结，化学反应过程中，增加受热面与换热面的积灰、磨损和腐蚀，使排烟飞灰热焓增大等。所以一般视灰分为生物质燃料中的渣质，增加运行费用。

在生物质燃烧的热解过程中分为水分析出阶段、分子断链热分解阶段和缩聚阶段（焦炭降解阶段）三个阶段。由于高分子有机化合物的失水，化学键断裂，自由基的形成以及重组反应，形成挥发分而完成相变过程，后期缩聚阶段形成残碳。在整个燃烧过程中伴随着同相燃烧和异相燃烧，在挥发分开始燃烧时，按照链式反应的机理，H和水蒸气对CO的燃烧反应具有触媒作用，少量2%（空气干燥后的燃料中所含内在水分的质量百分数远远超过此临界值）的水蒸气可以减小生物质燃烧的活化能、降低可燃质燃烧着火点、便于低温燃烧，改善生物质燃烧后期焦碳燃烧的温度场，加快燃烧速度，并影响烟气中NOx的排放量。但随着内外在水分的增加，在层燃锅炉中，质地较软的生物质燃料会在加热过程中出现软化黏结以及布风不均现象，这种现象产生了一定的后果，例如：造成燃料的料层与通风间隙不均和单位质量可燃质的燃烧面积缩减，降低炉膛内燃料反应温度与化学反应速度，延长固态可燃质在推动或转动机械式燃烧设备上的停留时间，增加物理不完全燃烧热损失，削弱炉膛火焰充满度，减少炉膛的容积热强度、壁面热强度、截面热强度，加大烟气过剩空气系数，降低锅炉出力。在燃料燃烧的过程中因水分蒸发汽化以及过热要消耗大量的热量，（无论是层燃或流化燃烧，水蒸气导致可燃物质与氧气的浓度场减弱、炉膛燃烧温度场的温度降低，影响化学反应速度），烟气体积增大，随之烟气带走的热量损失增多，伴随引风机电耗加大，厂用电率增高等，经济效率下降。化学燃烧反应虽然是放热反应，然而水分子蒸发与过热却要吸收热量，因此大多数生物质燃烧自维持燃烧时，要求其水分不大于65%，超过此数值则需加入辅助燃料来助燃。

为了确保证生物质燃料的经济价值、发挥其潜力，在生物质的采获、晾晒、运输、储存的过程中应避免外在水分和机械携带水分的混入。根据盖斯定律可知，防止微生物发酵、腐烂是保证生物质燃烧热值不致降低的有效措施。因此对生物质燃料的低位热值进行估算，控制水分、灰分，为收购燃料、合理定价以及生物质燃料的有效利用，使之发挥较好的经济效益而提供参考。

参考文献：

[1]杨勇平，董长青，张俊娇 编著.《生物质发电技术》.

[2]西北农学院编.《饲料与营养》教材.

[3]张全国，张百良，黄德仁 编.《燃烧学》河南农业大学工程系.

[4]范从振，编著.《锅炉原理》东南大学.

[5]沈维道，郑佩芝，蒋淡安，编.《工程热力学》（第二版）.

Reference data：

[1]The biomass power generation technology "YangYongPing DongChangQing handsome， charming.

[2]The feed and nutrition of northwest agricultural college textbooks compiled.

[3]"combustion" henan agricultural university department of electrical engineering ZhangQuanGuo ZhangBaiLiang HuangDeRen knitting.

篇2

生物质能是人类用火以来，最早直接应用的能源。随着人类文明的发展，生物质能的应用研究开发几经波折，最终人们深刻认识到，石油、煤、天然气等化石能源的有限性，同时无节制地使用化石能源，大量增加CO2、粉尘、SO2等废弃物的排放，污染了环境，给人类赖以生存的星球，造成十分严重的后果。而使用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的重要作用，是理想的可再生能源之一。生物质能的应用技术开发，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及农林剩余物如秸杆、麦草等原料通过物理或化学化工的加工方法，使之成为高品位的能源，提高使用热效率，减少化石能源使用量，保护环境，走可持续发展的道路。

七十年代，由于中东战争引发的能源危机以来，生物质的开发利用研究，进一步引起了人们的重视。美国、瑞典、奥地利、加拿大、日本、英国、新西兰等发达国家，以及印度、菲律宾巴西等发展国家都分别修定了各自的能源，投入大量的人力和资金从事生物质能的研究开发。

我国生物质能研究开发工作，起步较晚。随着经济的发展，开始重视生物质能利用研究工作，从八十年代起，将生物质能研究开发列入国家攻关计划，并投入大量的财力和人力。已经建立起一支专业研究开发队伍，并取得了一批高水平的研究成果，初步形成了我国的生物质能产业。

2、生物质能应用技术的研究开发现状

2.1国外研究开发简介

在发达国家中，生物质能研究开发工作主要集中于气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。

生物质能气化是在高温条件下，利用部份氧化法，使有机物转化成可燃气体的过程。产生的气体可直接作为燃料，用于发动机、锅炉、民用炉灶等场合。气化技术应用在二战期间达到高峰。随着人们对生物质能源开发利用的关注，对气化技术应用研究重又引起人们的重视。目前研究主要用途是利用气化发电和合成甲醇以及产生蒸汽。奥地利成功地推行建立燃烧木材剩余物的区域供电计划，目前已有容量为1000~2000kw的80~90个区域供热站，年供应10×109MJ能量。加拿大有12个实验室和大学开展了生物质的气化技术研究。1998年8月了由Freel，BarryA.申请的生物质循环流化床快速热解技术和设备。瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在提供高品位电能的同时满足供热的要求。1999年，瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中，26是生物质。

美国在利用生物质能方面，处于世界领先地位，据报道，目前美国有350多座生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加工厂，这些工厂大都位于郊区。装机容量达7000MW，提供了大约66000个工作岗位，根据有关科学家预测，到2010年，生物质发电将达到13000MW装机容量，届时有4000000英亩的能源农作物和生物质剩余物用作气化发电的原料，同时，可按排170000个以上的就业人员，对繁荣乡村经济起到积极的推动作用。

流化床气化技术由于具有床内气固接触均匀、反应面积大、反应温度均匀、单位截面积气化强度大。反应温度较固定床低等优点，从1975年以来一直是科学家们关注的热点。包括循环流化床、加压流化床和常规流化床。印度Anna大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化农业剩余物如稻壳、甘蔗渣等，建立了一个中试规模的流化床系统，气体用于柴油发电机发电。1995年美国Hawaii大学和Vermont大学在国家能源部的资助下开展了流化床气化发电的工作。Hawaii大学建立了处理生物质量为100T/d的工化压力气化系统，1997年已经完成了设计，建造和试运行达到预定生产能力。Vermont大学建立了气化工业装置，其生产能力达200T/d，发电能力为50MW。目前已进入正常运行阶段。

生物质的直接燃烧和固化成型技术的研究开发，主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。目前，已开发的技术有：林产品加工厂的废料（如造纸厂的树皮、家具厂的边角料等）的专用燃烧蒸汽锅炉，国外造纸厂几乎都有专门的设备，用来处理废弃物。由于生物质形状各异，堆积密度小较松散，给运输和贮存以及使用带来了较大困难，影响生物质的使用。因此，从四十年代开始了生物质的成型技术研究开发。现已成功开发的成型技术按成型物形状分主要有三大类：以日本为代表开发的螺旋挤压生产棒状成型物技术，欧洲各国开发的活塞式挤压制得园柱块状成型技术，以及美国开发研究的内压滚筒颗粒状成型技术和设备。美国颗粒成型燃料年产量达80万吨。

成型燃料应用于二个方面：其一：进一步炭化加工制成木炭棒或木炭块，作为民用烧栲木炭或工业用木炭原料；其次是作为燃料直接燃烧，用于家庭或暧房取暧用燃料。日本、美国、加拿大等国家，开发了专用炉灶。在北美有50万户以上家庭使用这种专用炉灶作为取暧炉。

将生物质能进行正常化学加工，制取液体燃料如乙醇、甲醇、液化油等；是一个热门的研究领域。利用生物发酵或酸水解技术，在一定条件下，将生物质转化加工成乙醇，供汽车和其它工业使用。加拿大用木质原料生产的乙醇上产量为17万吨。比利时每年用甘蔗为原料，制取乙醇量达3.2万吨以上，美国每年用农林生物质和玉米为原料大约生产450万吨乙醇，计划到2010年，可再生的生物质可提供约5300万吨乙醇。

生物质能的另一种液化转换技术，是将生物质经粉碎预处理后在反应设备中，添加催化剂或无催化剂，经化学反应转化成液化油。美国、新西兰、日本、德国、加拿大国家都先后开展了研究开发工作，液化油的发热量达3.5×104KJ/kg左右，用木质原料液化的得率为绝干原料的50以上。欧盟组织资助了三个项目，以生物质为原料，利用快速热解技术制取液化油，已经完成100kg/hr的试验规模，并拟进一步扩大至生产应用。该技术制得的液化油得率达70，液化油低热值为1.7×104KJ/kg。

生物质能催化气化研究，旨在降低气化反应活化能，改变生物质热处理过程，分解气化副产物焦油成为小分子的可燃气体，增加煤气产量，提高气体热解；同时降低气化温度，提高气化速度和调整生物质气体组成，以便进一步加工制取甲醇或合成氨。欧美等发达国家科研人员在催化气化方面已经作了大量的研究开发，研究范围涉及到催化剂的选择，气化条件的优化和气化反应装置的适应性等方面，并且已经在工业生产装置中得到了应用。

2.2国内研究开发

我国生物质能的应用技术研究，从八十年代以来一直受到政府和科技人员的重视。主要在气化、固化、热解和液化开展研究开发工作。

生物质气化技术的研究在我国发展较快，应用于集中供气、供热、发电方面。中国林科院林产化学工业研究所，从八十年代开始研究开发了集中供热、供气的上吸式气化炉，并且先后在黑龙江、福建得到工业化应用，气化炉的最大生产能力达6.3×106kJ/hr。建成了用枝桠材削片处理，气化制取民用煤气，供居民使用的气化系统。最近在江苏省又研究开发以稻草、麦草为原料，应用内循环流化床气化系统，产生接近中热值的煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值约8000KJ/NM3。气化热效率达70/以上。山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉。主要用于秸杆等农业废弃物的气化。在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用，并已形成产业化规模。广州能源所开发的以木屑和木粉为原料，应用外循环流化床气化技术，制取木煤气作为干燥热源和发电，并已完成发电能力为180KW的气化发电系统。另外北京农机院、浙江大学等单位也先后开展了生物质气化技术的研究开发工作。

我国生物质的固化技术在八十年代中期开始，现已达到工业化规模生产。目前国内有数十家工厂，用木屑为原料生产棒状成型物木炭。螺旋挤压成型机有单头和双头二种，单头机生产能力为120Kg/hr，双头机生产能力达200Kg/hr。1990年中国林科院林化所与江苏省东海粮机厂合作，研究开发生产了单头和双头二种型号的棒状成型机，1998年又与江苏正昌集团合作，共同开发了内压滚筒式颗粒成型机，机器生产能力为250~300kg/hr，生产的颗粒成型燃料尤其适用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亚取暖器材有限公司，从美国引进适用于家庭使用的取暖炉，通过国内消化吸收，现已形成生产规模。

生物发酵制气技术，在我国已经形成工业化，技术亦趋成熟，利用的原料主要是动物粪便和高浓度的有机废水。在上海亦已建成沼气集中供气系统。

沈阳农业大学从国外引进一套流化床快速热解试验装置，研究开发液化油的技术，和利用发酵技术制取乙醇试验。另外，中国林科院林化所进行了生物质催化气化技术研究。华东理工大学还开展了生物质酸水解制取乙醇的试验研究，但尚未达到工业化生产。

3、我国生物质能应用技术的展望

生物质能是一个重要的能源，预计到下世纪，世界能源消费的40来自生物质能，我国农村能源的70是生物质，我国有丰富的生物质能资源，仅农村秸杆每年总量达6亿多吨。随着经济的发展，人们生活水平的提高，环境保护意识的加强，对生物质能的合理、高效开发利用，必然愈来愈受到人们的重视。因此，科学地利用生物质能，加强其应用技术的研究，具有十分重要的意义。

目前，我国已有一批长期从事生物质转换技术研究开发的科技人员，已经初步形成具有中国特色的生物质能研究开发体系，对生物质转化利用技术从理论上和实践上进行了广泛的研究，完成一批具有较高水平的研究成果，部分技术已形成产业化，为今后进一步研究开发，打下了良好的基础。

从国外生物质能利用技术的研究开发现状结合我国现有技术水平和实际情况来看，本人认为我国生物质能应用技术将主要在以下几方面发展。

3.1高效直接燃烧技术和设备

我国有12亿多人口，绝大多数居住在广大的乡村和小城镇。其生活用能的主要方式仍然是直接燃烧。剩余物秸杆、稻草松散型物料，是农村居民的主要能源，开发研究高效的燃烧炉，提高使用热效率，仍将是应予解决的重要问题。乡镇企业的快速兴起，不仅带动农村经济的发展，而且加速化石能源，尤其是煤的消费，因此开发改造乡镇企业用煤设备（如锅炉等），用生物质替代燃煤在今后的研究开发中应占有一席之地。把松散的农林剩余物进行粉碎分级处理后，加工成型为定型的燃料，结合专用技术和设备的开发，在我国将会有较大的市场前景，家庭和暧房取暧用的颗粒成型燃料，推广应用工作，将会是生物质成型燃料的研究开发之热点。

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关键词：微透析；植物；质外体；HPLC；GC；CE

中图分类号：O652 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）12-2733-04

Application of Microdialysis Technique in Physiology and Biochemistry of Plant Research

MA Jin-long1，2b，JIANG Guo-bin2a，YAO Shan-jing1，JIN Hua2a，DENG Shao-li2a

（1.Department of Chemical and Biological Engineering， Zhejiang University，Hangzhou 310027，China； 2a. Environment and Resources College； 2b.Life Science College， Dalian Nationalities University， Dalian 116600，Liaoning，China）

Abstract： Microdialysis is a sampling technique that can be employed to monitor biological events both in vivo and in vitro， it can be coupled with a variety of analytical instruments， can provide monitoring information for biological active substances changed with time and concentration in other aqueous environment or outside the cells dynamically in realtime. It is advantageous in fast， selective and sensitive analysis while preserving temporal information without affecting the growth of organisms. At the same time， the changes of analyte can be detected immediately in external environment. Furthermore， microdialysis samples without pretreatment， which are coupled with high-precise analytical systems， will realize truly real-time， online and cheap tracking detection.Although microdialysis sampling focusing on intercellular matrix has been applied in animals and human， it has not been extensively employed to detect various material changes in plant apoplast. So microdialysis sampling technique can overcome the bottleneck of previous research on plants. An overview of microdialysis system about principle， probe， membrane and parameters， furthermore sampling for plants and analytical methods employed for online analysis， including gas chromatography （GC）， high performance liquid chromatography （HPLC）， capillary electrophoresis （CE）， and so on， were reviewed.

Key words： microdialysis；plant；apoplast； high performance liquid chromatography （HPLC）； gas chromatography （GC）； capillary electrophoresis （CE）

生物体作为一个活的个体，每时每刻都在进行着各种生物、物理、化学的变化，只有极少数具有时间上的高分辨率的仪器可以连续监测生物体发生的变化。微透析仪就是很有力的一种采样仪器，无论在体内还是体外都可以实现连续监测生物活性分子等物质的浓度。自从1996年Bito等[1]首次提出微透析仪器，微透析仪器得到了广泛应用。目前，绝大多数的应用领域为人体、神经学科、组织药代动力学和药物区域代谢等方面，可以说主要集中在动物方面。遍及动物体各部位器官包括肝脏、心脏、皮肤、胎盘血、胃和耳朵等。在植物方面的应用较少，主要用于监测欧洲云杉中乙烯含量[2]， 以及欧洲云杉生长区中乙烯和玉米素核苷含量变化[3]， 还有植物中Cu2+和Ni+含量的监测[4]。

有学者将微透析技术应用于鹅掌柴和杨树上取得了一定的进展，实现了植物质外体内含物的实时、在线监测[5]，本文主要介绍微透析与多种传统分析仪器联用，在植物生理生化研究中实现实时、在线、无损监测，从而深入研究植物的抗逆机理。

1 微透析系统

1.1 微透析基本原理

微透析（Microdialysis）起源于20世纪50年代末期，用来描述一种类似于透析的萃取技术[6]。微透析技术的基本原理与透析原理相同，即小分子物质顺着浓度梯度通过半透膜进行扩散，只是装置更精巧，采用一种新型同心圆探针，膜区采用具有不同截留分子量的半透膜材料制成，埋入待测的生物组织区域内，再以恒定的速率向探针内灌注等渗灌流液，微透析探针如图1，当灌流液流经探针前端透析膜时，探针膜外侧组织内可透过半透膜的相对分子质量较小的生物活性物质，依浓度梯度从膜外扩散进入透析管内，并被透析管内连续流动的灌流液不断带出，从而达到活体组织取样的目的。

微透析样品中待测物质浓度不能确切代表组织中该物质的实际浓度，而且试验过程中使用空白灌流液不间断透析，因此不会达到平衡状态，微透析样品浓度只是该组织部位真实浓度的“片段”，实际浓度应恒定地大于透析液中浓度，二者的比率即为相对回收率。

1.2 微透析探针

微透析探针是一段管式半透膜与石英、不锈钢或者塑料材质的管相连，常规使用的探针外径一般为200～500 μm，半透膜的截留分子量（MWCO）范围为5 000～100 000 Da。根据使用对象的不同，常规的微透析探针分为两种4个式样，即并联和串联2种，并联探针根据使用材质不同分为刚性和柔性2个式样；串联探针根据使用部位不同，分为线性和环行2个式样。在植物中广泛使用的共3种（图2），即圆柱型套管探针、线型探针和柔韧型探针。

目前国际上生产微透析探针和系统的公司主要有瑞典CMA和Agnthos公司、美国BAS公司、荷兰Brainlink BV公司、日本EICOM公司和德国Enka Glantzoff公司，由于微透析一直以来主要应用在动物和人体当中，因此还没有生产专门用于植物的微透析探针的公司，现在绝大多数研究植物微透析都采用动物探针或者自制探针。

1.3 微透析膜

微透析膜主要有如下几种：亲水性透析膜、纳米孔透析膜、均质膜和离子交换膜。微孔膜的结构类似于一个传统的过滤装置，且基本操作原理也相同。孔径大小通常在1～10 nm，比传统的过滤装置小得多。通常制作透析膜的材料是聚四氟乙烯，还有纤维素酯、聚碳酸酯、聚砜、丙烯腈共聚物、聚缩醛、聚丙烯酸酯、聚电解质复合物、交联聚乙烯醇和丙烯酸共聚物如全氟磺酸等，这些材料制作的微透析膜得到广泛的应用。均质膜是由均匀的薄膜平均分布在整个界面上。在膜的周围通过分子扩散进行传质过程，透析效率取决于溶解度和目标物在膜的界面扩散程度。离子交换膜没有常规的大孔径，全部是微孔径，但在成膜聚合物里包含有正电荷或负电荷离子吸附在孔隙壁上[9]。

影响膜分离效果的因素主要在分离模式或者是探针种类上：膜表面（特殊功能的膜材料）；膜路径长度（长度越长效果越好）；膜的孔隙率（最重要的影响因素）；膜厚度（考虑传质效率和膜的寿命，选取最适区间）；膜的几何形状（决定接触面积大小）。

在透析过程中一个重要但容易被忽视的参数，就是截留分子量（MWCO），这个参数是由孔径尺寸决定的。为了在目标组分和大分子基质之间保证最佳分离效果并且保证时间相对较短，就需要选择一个最佳的孔径。这需要在高通量分析和充分去除干扰物之间需求一个平衡。膜厚度和孔隙率（即每单位膜面积的孔隙数量）往往不出现在科学文献中，尽管这些参数对透析效率影响很大，但是为了获得样品高通量分析，很明显需要使用薄且高度多孔膜[10]。

随着纳米技术如采用原位影印多孔聚合物集成芯片级微透析膜，使得微透析技术获得长足进步，纳米孔径微透析膜芯片可以使用相分离聚合技术即通过一固定形状的紫外激光束快速而廉价地制作出来。控制相分离过程可以定制不同MWCO的工程膜应用到相关领域。采用两个不同MWCO的膜，进行反向流动模式微透析从样品中分离出低分子量的目标物；第一步采用低的MWCO进行蛋白脱盐，第二步采用较高的MWCO以目标物大小为基础分离蛋白质。几次测试证明了膜均一性、重复性和低分子量组分通过膜可以快速扩散等特性[11]。

1.4 微透析相关参数

在微透析技术中，涉及到如下几个参数，需要在试验操作过程中优化和注意：灌流速度；可用于分析的透析液体积；透析液中目标物的浓度范围；分析方法的敏感度和检测限；灌流液种类；得到有效结果的测试频率（有时间限制样品）。

2 微透析在植物研究方面的优缺点

2.1 优点

对于生物组织和液体取样，微透析有几个明显的优点，特别是与分离分析方法联用的时候。透析液通常是含盐水溶液，其中只含有小分子量物质，而细胞和大分子量物质被排除在外，这样在分析之前则无需离心或者蛋白沉淀的步骤。此外，透析液是通过透析膜扩散，流动相没有去除，因此可以不断检测细胞外液中的物质持续几个月[12]。这在动物方面可以节省试验动物数量，在植物方面也同样如此，可以利用少量样本进行长时间检测，得到可靠的数据用以统计分析。由于微透析技术的微创性，对目标生物损害微小，在一株植物上也可放置多个探针，因此可以同时在嫩茎、根部、厚实叶片上同时检测，并且不影响植株生长，其他检测植物生理的技术也可以同时开展，比如叶绿素荧光检测、气孔检测、外观变化等，尤其在研究胁迫下植物生理变化时有着得天独厚的优势。

2.2 局限性

首先，微透析探针的插入需要熟练的技巧，操作不同对检测结果会有不同，尤其在植物表面硬度高的部位需要导引针，并且需要采用生物相容性较好且对结果影响小的高分子物质封闭探针与植物结合处，保证密封性的同时还方便探针的摘取。其次，微透析灌流液通常都是水溶液，因此分析物被局限于水溶性物质。一些检测高疏水性物质的尝试或多或少有些失败，但是也有一些报道成功地测量了疏水性物质，为了能够成功地检测疏水性物质，体外试验表明灌流液采用脂质分散剂代替水溶液会起到很好效果。再有，微透析对生物体是一种微创检测，组织部位不同恢复情况不同，且需要一定时间。最后，微透析技术的瓶颈就是传统分析方法的低灵敏性，因微透析样品体积少单位以微升记，目标物浓度极低。随着分析检测技术的发展，与HPLC、CE、MS等联用可以克服这个困难[13]。

3 微透析与现代分析仪器联用的效果

3.1 微透析与气相色谱（GC）联用

在植物生理生化研究中，乙烯是重要的信号分子，因此检测乙烯含量也是植物生理研究的重点，微透析可以用于植物不同部位，通过与气相色谱（GC）联用，可以检测乙烯气体含量的变化。

3.2 微透析与高效液相色谱（HPLC）联用

高效液相色谱（HPLC）是微透析样品分析中比较传统的检测分离方法之一。同样也分为在线和离线两种联用方式，HPLC进样量一般要求在20 μL左右，因此在传统植物微透析试验中，灌流液速度为1 μL/min，需要30 min取样1次进行HPLC检测。HPLC具有高压、高效、高速的特点，适合于生化样品的高效分离分析，且操作简便。微透析样品的最大优点是进样前不需要进行任何预处理，因此也可以在线与HPLC联用进行检测。透析液通常属于亲水性溶液，因此HPLC中反相色谱和离子交换色谱适合于微透析样品的直接分析[14]。

3.3 微透析与毛细管电泳（CE）联用

毛细管电泳（Capillary electrophoresis，CE）是近年发展起来的一种痕量、高效、快速的分析方法，分析只需要纳升或皮升数量级体积的样品，并使时间分辨率提高10 s以上[15]。分析速度和分离效率与场强成正比，因此微透析样品可采用短的毛细管和高的场强就可达到非常快速和高效的分离，电泳分析时间从几秒钟到几分钟即可完毕，这就使得微透析样品取样和分析同步进行，是分析微透析样品的理想方法。与HPLC相比，虽然分离效率略差一些，但进样量少，在一定试验条件下灵敏度强于HPLC。同样微透析与毛细管电泳联用分为离线和在线两种。因CE系统仅需几纳升样品，因此在植物微透析中以1 μL/min速度灌流，通常以5 min为单位收集样品用于分析，可以检测快速变化的物质，也能采用更低的灌流速度，以增加透析效果，使微透析取样中得到较高的相对回收率，这是其他分析仪器所无法比拟的。常用的检测仪器有UV、LIF、ECD和MS等。微透析与CE联用最大的优势就是可以实现在线分析，首先样品不需要纯化，CE的即时高分辨率可在短时间内同时测定透析液中多种分析物，因而能捕捉植物体内瞬间的变化，尤其植物在外界非生物胁迫时，某些信号物质浓度变化可精确捕捉。

4 展望

微透析作为一种取样技术已被广泛应用到各个领域，是一门多学科相结合的取样技术，尤其是在体内各种内源活性生化物质的检测中使用优势更为突出，有着广阔的应用前景。微透析过程可以明显减少取样时对生物体的伤害和正常状态的影响，使得取样结果最大限度地接近所测物质在生物体内的真实状态，可以实现实时、在线取样和检测，更可以明确某种活性物质在同一生物个体体内的随时间的变化过程，最大可能地消除各种复杂操作的影响，避免样本的浪费，而且微透析还有包括成本低廉、分析快速和装置简单且易操作等优点[6]。尤其在分析技术突飞猛进的今天，与多种精密分析仪器的联用，更加显示出其无可比拟的优越性。目前微透析技术还主要集中在动物、人体试验当中，在植物研究中鲜有报道，植物质外体一直是植物生理生化研究的热点和难点，微透析可以很好地解决这一问题，未来可以优化微透析装置设计，以及和多种分析仪器偶联在线使用，可以发展植入式或外挂式微透析装置，以方便各种情况下生物体的取样分析。在植物生理研究中，不仅可以检测质外体各种物质的变化，还可以与其他传统检测同时进行，将各种指标全方位进行综合检测对比分析，可以为生理生化研究提供更为立体的研究数据，揭示出更多信号转导的生理生化机制。

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篇4

关键词：环境生物技术,微生物,生物净化,生物修复,生物降解,反应器

环境生物技术(environmental biotechnology)是利用生物的生理活动，高效净化污染环境以及将污染物转化为资源的人工技术系统。作为一门新型的边缘学科，主要涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科，不仅包含了生物技术所有的特点，还融合了环境污染防治以及其他工程技术, 其核心是微生物学过程［1］。它是近20年来产生的一门多学科相互渗透的新兴边缘学科,环境生物技术可以按技术难易划分为三类［2］ 第一类是指以分子生物学技术为主体,以基因工程为主导的污染控制与监测技术,包括构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌,创造抗污染型转基因植物等。第二类是以目前大量应用的经过改革与创新的生物处理技术,如生物流化床法、上流式厌氧甲烷发酵法和变形活性污泥法等等。 第三类包括：生物稳定塘、人工湿地和污染控制资源化生态工程等自然净化系统。 本文仅讨论后两种环境生物技术。

1.环境生物技术的特点

作为高新技术之一的生物技术用于污染治理已有悠久的历史。但是,由现代生物技术和环境工程技术相结合的环境生物技术,是20世纪 80年代才诞生于欧美地区［3］。 环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点领域,它将在环境治理上发挥着重要的作用。环境生物技术产生、发展及演变与一系列的环境污染问题有着密切的联系。 近年来,随着细胞融合技术、基因工程技术、分子生物技术等的发展,环境生物技术得到了进一步的发展。生物与环境之间既有对立的一面,又有统一的一面,生物体靠体内调节和变异来适应环境变化,同时通过自身来影响和改变环境。 环境生物技术拥有许多其他方法不可比拟的优势,如微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性,并可将其作为代谢底物降解和转化,具有效果好、运行费用低、无二次污染等优势。用生物方法处理污染物的最终产物大都是无毒无害、稳定的物质,如二氧化碳、水、氮气和甲烷等,通常可一步到位,避免了污染物的多次转移,因此它又是一种消除污染安全而彻底的手段。另外,生物处理技术的产物或副产品,大多可以较快生物降解的,并可作为资源加以利用,有助于把人类活动产生的环境污染减到最小程度。生物技术还易于进行大规模操作,一些生物曝气池、生物滤池的容积之大,也是其他工艺望尘莫及的。 生物方法还可以就地利用天然水塘或土壤层作为污染物处理场所,这可大大降低处理费用。因此生物技术在环境领域的应用将是势不可挡的。 环境生物技术具有深远的发展前景,特别是对于寻求用低成本解决环境问题的发展中国家具有极大潜力。

目前，环境生物技术在废水处理、废气处理、环境监测、污染检测和补救、毒性鉴别等诸多领域的应用研究已经开始进行［4］ ,有些也已取得了初步成果，但是环境生物技术的潜在优势还远没有引起人们的重视。

2 环境生物技术的应用

生物技术在环境方面的应用主要有：用植物和微生物清除环境污染物、毒物；用生物传感器监测污染；用微生物杀虫剂代替化学杀虫剂等。运用环境生物技术进行水污染治理，是目前采用的主要技术措施，它具有以下优点： ①生物既具有很强的吸附力，又具有良好的沉降性,处理效果好； ②生物具有很强的降解能力，处理效率高； ③可处理水量大,方法成熟； ④成本低,无二次污染。 生物法在处理污水时所起的重要作用已受到关注,它在环保领域中的应用还有待于进一步研究和拓展，以下几点是环境生物技术在环境污染治理方面的具体应用。

2.1生物修复

有毒化学品尤其是石油、有机氯化物、化学聚合物等造成的污染已成为世界性问题,在各种清除污染物的技术中，生物修复是最有前途的技术之一。 生物修复即生物除污，是指生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染的环境、消除环境中的污染物或修复由于对生态系统管理不善造成的损害的一个受控或自发进行的过程。不同类型的生物都有不同的生物除污作用。例如：利用植物吸收污染物(植物除污) 是一个正在兴起的研究领域。 植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种和某些化学元素的理论为基础,利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术［5］ 。

2.2 生物监测

传统的环境监测以化学分析用成熟的仪器为主,当代生物技术发展了生物监测为主的新手段,如通过测定微生物的酶和细胞基因等监测环境的变化。 目前研究较多的有生物发光菌、卤素呼吸菌、苯乙烯降解菌等,主要监测水体中的有害物质和海水中藻类的爆发。

2.3 微生物降解技术

微生物对污染物质的代谢、转化及降解作用,是当今环境污染控制研究中最活跃的领域之一。 许多微生物和原生动物可以净化废水，传统的生物处理技术大多是对自然生长的微生物群体加以驯化、繁殖利用，对污染物的降解水平较低。 20世纪70年代以来，针对一些特定的有毒废水或成分单一的高浓度有机废水,已选育出具有较高降解活性的菌种,并进行纯培养后用于废水处理，已初步显示出一定的优越性，成为近年来利用生物处理废水的一种常用方法。微生物在废水处理中的特殊作用将不断得到挖潜,而且用微生物来处理环境污染物是一种安全、经济的方法。

2.4 生物发酵技术

生物发酵工程涉及最早的领域是废水生物处理。目前关注的生物发酵技术主要有： ①水解- 好氧生物处理法( H/ O 法) ,其特点是将厌氧过程控制在水解和酸化阶段。用H/ O 法处理表面活性剂废水、焦化废水和印染废水等难降解工业废水,其效果十分显著,COD 去除率较常规法提高20 %～30 %；处理城市污水时,其出水COD 浓度

2.5 生物强化处理技术

为了提高废水处理的效果,而向废水中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种,以去除某一种或某一类有害物质的方法. 主要强化方法有:

①高浓度活性污泥法,以高污泥浓度和长泥龄来促进对难分解物质的处理,加快反应速度。 日本用该法处理难分解的聚乙烯醇和粪便污水取得显著效果［6］ 。 ②生物- 铁法,是在普通活性污泥中加入无机盐如铁、钙、镁等,多用铁盐(氢氧化铁或氧化铁粉) ,形成生物铁絮凝体活性污泥,具有高浓度活性污泥法的特点,主要用来提高去除污水磷的效果。 ③生物- 活性炭法,综合利用微生物氧化能力和活性炭良好的吸附能力,使二者产生协同增效作用。在该系统中,每克活性炭去除1～3gCOD ,分解废水毒性能力增强,同时还显著提高了脱氮水平 。

2.6 生物反应器技术

生物反应器技术,是现代生物技术发展的一个主要方向。该法主要应用于制药、食品、精细化工等行业。其特点是：容量大,连续运行,自动化控制,操作简便。 美、英、德、日本等现大量生产现代化的新型生物膜反应器,其共同特点是反应器内装有比表面大的载体,有利于微生物附着生长形成生物膜；供气或供给的其他反应条件优越,污染物具有充分的时间与微生物接触,有利于增强微生物的分解代谢能力。我国的北京、上海等地也在积极开发研制。目前,2000m3的反应容器已经问世。 虽然其处理能力较低,造价较高，但其管理方便,运行费用低，所以欧美地区约有70 %的污水处理厂采用该技术⑸ 。

2.7 微生物絮凝剂的应用

微生物絮凝剂是利用生物技术,通过微生物发酵,抽提精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂，这些都是目前使用的无机或有机合成高分子絮凝剂等所不具备的。 通过细菌、真菌等微生物生产出的生物絮凝剂由于具有降解性能好,使用成本低,不会导致二次污染等优点已广泛应用于工业废水处理中。目前,已筛选出19 种具有絮凝能力的微生物,其中,霉菌8种,细菌5种,放线菌5种,酵母菌1种［3］。 随着生物技术的发展,生物絮凝剂的开发与应用具有良好的发展前景。

2.8 生物净化技术

生物净化处理包括稳定塘和土地处理系统。 稳定塘是污水处理技术中最简单的一种,其特点是结构简单,工作可靠,不需要什么特殊技术就可连续处理污水。 一般停留时间较长,需占用较大的土地面积。 可用于污水的一级、二级处理。 土地处理系统是利用土壤及其微生物、植物根系的净化能力处理污水,同时利用污水中的营养元素和水分促进农作物、牧草或树木生长,具有一定的生态效益和经济效益。 其特点是投资少,能耗低,易管理和净化效果好。 若这两个系统有机结合,可实现污水的二级、三级处理。 由于稳定塘系统比正规污水处理厂更能有效的去除有机化合物及N、P 等,由厌氧塘、兼性塘、好氧塘串连而成的稳定塘系统已成为二级处理的有效替代方法［7］。

2.9固定化微生物技术

它是生物工程领域中的一项新技术。 进入20 世纪80 年代以后,国内外开始应用这种具有独特优点的新技术来处理工业废水和分解难生物降解的有机物质,并取得了令人瞩目的成果。 随着现代生物工程技术的不断发展,一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或创造,将这些高效专性菌脱色菌、脱氮、脱磷菌等进行固定化后,菌体密度提高,大大提高了处理效率,尤其是对难降解有毒物质的治理有明显的优势。

3 环境生物技术的发展趋势

环境生物技术是我国的一个重要发展领域,也是解决环境问题的根本措施。应结合我国国情进行急需的环境生物技术研究, 从国内外的研究与应用现状可知,目前环境生物技术最有应用前景的领域是高效的废物生物处理技术、污染事故的现场补救、污染场地的现场修复技术以及可降解材料的生物合成技术。

3.1 生物反应器的研究与发展

厌氧与好氧工艺相结合,生物膜与活性污泥相结合的反应器将成为废水处理反应器的主要发展方向。 其技术发展的总趋势是在活性污泥中加入载体,发展既有固定载体又有流动载体,既有好氧又有厌氧固定膜的反应器,最大限度的增加反应体系中的生物量和生物类群,最高水平地发挥微生物降解污染物的生物活性,同时兼顾便于管理和降低运行费用。 高质量传感器,信息传输与数据处理等构成的自动化控制系统,将在多种反应器中发挥作用,提高生物处理的效率,节约大量的人力,简化操作程序。

3.2 利用生物技术实施资源化战略

采用生物技术方法建立无害化生产工艺过程,实现废水循环利用,同时将部分无毒有机污染物转化为副产品,开发利用废物生产甲烷,氢气和燃料乙醇的多层次生物技术,增加由生物发酵处理有机废物的资源化工程的种类和产品,充分实现废物资源化。

3.3 建立各种生物监测手段

在环境中低浓度污染和沉积物中的污染物的研究方面,除继续应用指示种、耐污种、敏感种以外,还应利用各种形态、生理、生化、遗传的异常改变和群落多样性指数,建立各种生物监测手段,其中生物传感器技术具有广阔的应用前景。

3.4 利用微生物进行生态环境修复

一些生态工程,如污水稳定处理、土地处理、固体废弃物处理技术和方法在环境污染处理方面起到很重要的作用。 近年来人们更加重视土地、湿地、湖泊、河流的生态修复与重建工作,并发展用于环境修复的多种微生物制剂。 这方面的研究方向主要是对环境污染具有抗性的生物种类的筛选和培养。

另外,一些新的应用领域也引起了注意［8］，如超级工程菌的构建,从环境中分离筛选出的菌种，其降解污染物的酶活性水平有限，需要对这些菌株进行遗传学改造。因此使近期的研究热点从一般的筛选工作转入到降解代谢途径、降解酶系组成以及其遗传控制机制上来。在此基础上就可能实现用质粒

转移、分子育种和基因重组技术构建有特殊功能的超级工程菌。人工构建的能够生物降解污染物的基因工程菌，具有生长繁殖迅速，絮凝性能好和对难生物降解污染物的较高降解活性。

篇5

生物技术（biotechnology），也被人们称作为生物工程，以现代生命科学为核心基础，结合其他类别的基础科学，并采用极为先进的科学技术手段，根据计划，对生物体进行改造或者是加工生物原料，进而生产人们所需要的产品。生物技术（biotechnology），利用动植物体以及微生物对物质原料进行加工，并生产处相关产品，为社会服务。其主要分成现代生物技术以及发酵技术两大类别。生物技术可以说是，现代生物学的发展以及和相关科学融合的产物，以DNA重组技术为根本，并包括了细胞工程、生化工程以及微生物工程和生物制品等。

2生物技术在制药中的应用

2.1细胞工程制药

就目前我国的生物技术（biotechnology）来讲，有关于细胞工程还没有一个统一的定义以及范围，通常认为，细胞工程就是根据分子生物学和细胞生物学的原理，并采用细胞的培养技术，对细胞进行水平的遗传操作。细胞工程大致上可以分为细胞质工程以及染色体工程和细胞融合工程这三种。而归根结底，细胞工程就是利用动物以及植物的细胞培养进而生产药物的技术。例如，利用动物细胞培养可身缠人类生理活性因子以及疫苗和单克隆抗体等产品；再如利用植物细胞培养可以大量的生产经济价值极高的植物有效成分，提取药材精华，也可以生产人类活性因子以及疫苗等重新组合DNA产品。值得注意的是植物细胞培养并不会受到客观的地理以及环境的影响，次级代谢的产物在产量上比较高。例如，人身皂苷在该组织培养中含量占干重的27%，而全株只有可怜的1.5%。现在不少药用植物，如三七和人参等的培养已经有了系统化的研究，并且充分优化了培养条件。值得庆贺的是人参细胞培养物的化学成分以及药理活性，相比于种植人参并没有明显的差异。关于细胞工程制药技术，在国外一些相关的细胞工程制药已经达到了商业化的生产水平，例如美国的Phyto公司的紫杉醇的生产商已经达到了75000L的生产规模，而日本植物细胞培养反应器的规模达到了4000L~20000L的惊人地步。除却大规模的细胞培养技术，不定根组织与毛状根的培养也特别成功。例如培养的黄芪毛状根的药效与药用黄芪不分上下，而在丹参毛状根的培养上，其含有的丹参碱，能在分泌中得到培养。例如，希腊毛地黄细胞，在褐藻酸盐的固定化培养中，可以将其中有毒物质的毛地黄苷转化成为地高辛，在利用紫草细胞培养技术生产出紫草宁等。而根据野生新疆雪莲的辐射以及抗炎等作用，贾景明等相关技术人员进行了天然新疆雪莲镇痛以及抗炎和抗辐射与细胞培养的药理实验，而实验表明，新疆雪莲细胞的培养物完全可以称为野生新疆雪莲的替代品，其药效与野生新疆雪莲几乎相同，而该实验也取得了深入开发应用的极高价值。而细胞培养技术甚至可以进行如犀角等极为昂贵的药用动物器官的培养，在解决资源的短缺同时，有效的保护了稀有动物的生存。

2.2发酵工程制药

生物技术中的发酵工程，又称为微生物工程，是指利用现代生物工程的技术，利用微生物的相关特定功能，生产出对人类有用的产品，或者直接把微生物应用于工业生产中。发酵工程制药是利用微生物的代谢过程，所生产药物的生物技术。例如人们普遍认知的抗生素、氨基酸以及维生素等。而发酵工程的制药在研究也主要在微生物菌种的筛选和改良上，还有极为重要的产品后处理也就是分离纯化。在现如今的社会中，DNA的重组技术在微生物菌种改良上起到了举足轻重的作用。在上世纪七十年代，细胞融合以及基因重组技术的飞速发展的情况下，发酵工程进入了现代化的发酵工程阶段。不仅仅是酒精类饮料以及醋酸和面包，并且猪脚生产了生长激素以及胰岛素等多种医疗保健药物。周晓燕等相关研究人员用精良选育的猪芩PU-99菌做生产菌株，在1t灌中生产，菌丝体重达2.3%，含粗多糖31%；该实验充分的利用了发酵工程，并在当时得到了广大的认可。利用微生物成长代谢来炮制中药，比一般的物理或化学炮制手段更为优越，能较大幅度的改变中药的药性，并且提高疗效的同时，大大减轻毒副作用，使得中药活性成分结构提供了新的途径。

2.3酶工程制药

酶工程是利用酶、细胞或者细胞器具有特殊催化功能，并使用生物反应相关装置以及通过一定的技术手段生产出的人类所需要的产品。这是一种酶学理论与化工技术两相结合而形成的新型技术，现如今依旧有数十个国家采用了固定化酶以及固定化细胞，进行药品的生产。酶工程可以说是现代生物技术组成的重要部分，酶工程制药也是将酶用于药品生产的技术。固定化酶可以全程合成药物的分子，并且还能用于药物的转化。而我国就是充分的利用了微生物并使用两步转换法生产出了维生素C。就我国的酶工程制药来讲，其主要研究方向在，各种酶（细胞）的固定化以及产药酶的来源和酶反应器还有相关的操作条件等。可以说酶工程应用具有极其广阔的发展前景，该技术将使得整个发酵工业和化学合成工业发生巨大的变革。

2.4基因工程制药

基因工程是在基因的水平上，按照人类的需求，有针对性的涉及，并且按照设计的方案，生产出具有某种新的形状的生物产品，并且使得其可以稳定的遗传给后代。基因工程的设计与与工程设计有些类似，既显示出理学的特性，也具有工程学的特点。工程制药也是通过将DNA重组技术应用到疾病的治疗中，例如蛋白质、酶以及肽类激素和其他药物的基因转移到宿主体内，使得细胞繁殖，最终获得相关的药物。如苯丙氨酸以及丝氨酸和次生代谢的产物所制成的抗生素，通常是一些人体内的活性因子，例如白细胞介素-2和胰岛素以及干扰素等。而目前我国基因工程的研究方向，主要在基因的鉴定以及克隆和基因载体构建的产物的表达以及分离纯化等。人类掌握基因工程技术在时间上虽说不是很长，但已经获得了很多具有实际应用价值极高的成果，而基因工程为现代生物技术组成的重要部分，在未来相当长的一段时间里，都会在制药中发挥出极大的作用。

3结束语

篇6

关键词：植物根围促生细菌；林木容器育苗；生物肥料；生物农药

近30年来，我国一直是世界农药和化肥生产和消费大国，为满足粮食和林木生产需要，农用化学品的施用量已经达到了相当高的比例。农药和化肥过量施用，给土壤、环境和食品安全带来很大威胁。随着科技的进步和发展，绿色种植，低碳种植的环保型种植越来越受到人们重视。寻找一种不仅能降低农药和化肥的使用量，同时还能够不影响甚至促进植物生长的可持续种植方式，已经成为迫切需要。近年来’植物根围促生细菌（简称PGPR）以其促进植物生长防治病虫害的优势越来越受到关注。目前该类菌剂菌肥在国内外农业、园艺业等种植业已经有广泛应用，增产增收效果显著。在林业实践中，利用植物根围细菌制剂通过拌种飞播造林、沾根造林、培育壮苗、喷涂植株等方式有效地起到了抑制病害，持续增产的效果。在杜仲环剥烂皮病（由野生细菌污染诱发）、泡桐苗期炭疽病、松赤枯病、松赤落叶病、杉木炭疽病以及马尾松毛虫等防治试验中取得良好防治效果。在林木容器育苗方面，PGPR的应用还刚刚起步，目前在部分林木育苗中已经取得良好效果并具有广泛应用潜力。本文主要综述PGPR促生机理的国内外研究概况，及其在林木容器育苗中的促生效果和应用价值。

1.PGPR的促植物生长机制研究

PGPR泛指生存在植物根围区域，对植物生长有促进作用或对病原菌有拮抗作用的有益细菌。这类细菌种类繁多，在假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、荧光假单胞菌属fPseudomonasfluorescens）等20多个属中都有分布。其中，芽孢杆菌属和假单胞杆菌属的分布最多。这类细菌促进植物生长的机制大致可分为直接与间接2种方式。直接的促进作用包括产生植物生长激素、固氮作用、加强对营养物质的吸收利用（例如，对铁离子的利用和固态磷的溶解）等。间接的作用方式则是通过抑制植物根际病原微生物菌、线虫、病原原生动物等的生长，达到促进植物生长的目的。

1.1PGPR对植物生长的直接影响

PGPR一方面能产生植物生长激素使植物更快生长，一方面能加强植物对营养物质的吸收利用（例如，对铁离子的利用和固态磷的溶解）等，有的细菌还能加环境中的无机氮转变成有机氮供植物使用。PGPR在代谢过程中会分泌植物生长素（IAA）、乙烯、细胞分裂素、脱落酸、赤霉素等生长因子来促进植物生长。土壤中不同类型的PGPR产生的生长激素的种类与数量是多种多样的，在复杂情况下往往是以低的浓度从生理与形态上调节，以一种为主，并结合其它的几种调节植物生长。植物激素对植物生长发育的影响，以IAA的作用最为明显。IAA在一定浓度时可使细胞伸长，是刺激植物生长的主要激素。据估计土壤细菌中约有80%的细菌产生IAA，并对植物内源IAA库产生影响。

在加强植物对营养物质的吸收利用和固氮方面，PGPR也有很大贡献。自然土壤中有大量的磷，但这些磷属于不溶性的，植物不能利用。PGPR可生产大量的有机酸，使不溶性的磷溶解从而加速土壤中无效磷的有效化增加土壤中磷对作物的供应。与此同时，植物促生菌也通过产生嗜铁素向植物提供铁，在低铁环境下，PGPR能通过非核糖体途径合成并分泌一种或几种嗜铁素，嗜铁素可与植物根际病原微生物争夺有限的铁营养，这些铁以嗜铁素螯合物的形式供给植物利用阿。此外，大部分PGPR可产生固氮酶，可将根围植物不能利用的无机氮转化为有机氮供给植物。随着基因技术对植物根围细菌自身固氮能力的改造，人们将会选育出具有更强固氮能力的促生菌。

1.2PGPR的生物防治作用

PGPR的生物防治机制多种多样，已知的机制主要有抗生作用、营养和空间竞争、产生抗真菌酶类以及诱导植物系统抗性等几个方面。

大多数PGPR能分泌抗生素，其种类多种多样，例如，吩嗪（phenazine）及其衍生物、土壤杆菌素（agrocin）及其衍生物、2，4-二乙酰间苯三酚、phenazines、pyduteorin等。这些物质都可在很大程度上抑制各种真菌病原。在分泌抗生素的同时，PGPR可通过与根际表面病原微生物竞争有限的营养与空间，达到抑制病原的目的。营养的竞争。植物根系分泌物、植物残体、根系脱落物等是根围微生物的主要营养来源，这些物质中有微生物生存所需的碳水化合物、氨基酸、无机盐、维生素和次生代谢产物等，PGPR可以通过占有植物根际营养物质来抑制病原菌。其中最典型的是铁竞争。环境中的根际可供微生物合成代谢所用的铁是非常有限的，几乎所有生物的生长都需要铁，而PGPR大多能合成并分泌嗜铁素，嗜铁素可与植物根际病原微生物争夺有限的铁营养，从而抑制病原微生物生长繁殖，起到生物防治作用[圳。抗真菌酶是自然环境中植物自身合成用来分解真菌的细胞壁的抗生物质，某些根围促生菌类亦可通过合成一些酶类（如几丁质酶、B-1，3-葡聚酶、蛋白酶、脂肪酶等）来消灭或抑制真菌。此外，PGPR还具有诱导植物系统抗性使植物增强抵抗病害的能力。

综上所述，PGPR的这些优良特性，使其在生物农药和生物肥料的领域有巨大应用潜力。为缓解我国农业“三高”带来的环境和健康压力，大力推广PGPR在种植业的应用实在迫在眉睫。

2.PGPR在林木容器育苗中的应用

林木容器育苗造林具有种子省、苗期短、节约圃地，苗木抗逆性强、造林季节长、成活率高，造林后苗木生长快、林分质量好等优点。尤其对于造林成活率低、种子昂贵的造林树种，必须采用容器育苗。在现代林业育种中应用十分广泛。在种植业中，PGPR一般是制成菌肥和菌剂作为生物农药和生物肥料使用。虽然目前国内外在林木容器育苗上的研究还比较少，但也取得良好效果并有广泛的应用前景。以下综述PGPR在林木容器育苗的促生效果和应用前景。

2.1PGPR制剂在林木容器育苗中的促生效果

PGPR制剂具有改良土壤、改善作物品质、减少化肥和农药施用量、降低植物病害、提高作物产量等优良特性，在林木容器育苗中取得良好的促生效果。例如，在香榧、山核桃、杨梅等容器育苗中选用固氮菌、解磷菌及其混合菌进行的试验中，施菌肥3天后，香榧容器苗解磷菌、混合菌处理苗高生长量比对照分别增加18.26%和18.06%；山核桃容器苗固氮菌、混合菌处理高生长量比对照分别增加46.25%和47.23%；杨梅容器苗混合菌处理苗高生长量与对照相比差异也极显著；此外，不同菌肥对香榧等3种苗木地径生长也有一定的促进作用。在美国白蜡树（Fraxinusamericana）容器育苗试验中，PGPR和肥料共施用，能够增加植物根茎叶干重并且提高氮磷钾肥料的利用率。

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[关键词]生物技术　现代畜牧业　影响　应用情况

现代生物技术作为高新技术，已广泛渗透到现代畜牧业的各个领域，为解决现代畜牧业生产领域所面临的许多重大问题开辟了新的途径。为优秀畜禽品种资源的保护与利用，良种的快速繁育，动物营养与饲料资源的开发利用，疾病的预防和诊断治疗，以及生物药品的开发提供了更加广阔的途径，促进了优质高效现代畜牧业的发展。

一、生物技术在畜禽品种方面的应用

以生物技术保存畜禽品种资源主要有2种途径。一是利用胚胎和生殖细胞的冷冻技术，这是静态保种技术，早在20世纪70年代就有一些国家以冷冻配子（、卵子）和胚胎进行畜禽遗传资源保存的研究。这种方法保存的优点是基因和基因型频率的变化降到了最低水平，抽样误差小，容易控制疫病，保存时间长，保种经费少，解冻后种群恢复快。育种中冷冻配子和活体保种相结合，可以减轻自然选择、近交和遗传漂变对基因、基因型频率带来的影响。二是利用分子生物技术建立畜群、禽群的基因文库。基因文库的建立就是利用DNA重组技术将决定畜禽重要经济性状的主基因或全部基因整合到某些特殊的基因载体上，然后用这些载体感染宿主细胞，通过宿主细胞的大量增殖构建各基因DN段的无性繁殖系（克隆），制备的克隆总体就是该畜禽品种的基因文库，保存该基因文库就等于保存了该畜禽品种，通过生物技术保存了畜禽优良品种的性状，保护濒临灭绝的动物。目前，许多发达国家已建有家畜冷冻库和胚胎库，低温冷冻保存家畜的研究和应用在50多年中有很快进展。

利用生物技术可简化良种引进方法，胚胎移植与胚胎冷冻技术相结合，良种的引进可简化为冷冻胚胎的引进，不仅运输方便、检疫程序简单、成本低廉，而且后代对引种地生态环境适应性和抗病力增强。目前，牛羊胚胎移植与冷冻技术已成为国际、地区间良种遗传资源交流廉价而简便的方式。

二、生物技术在动物遗传育种方面的应用

1.利用基因导入技术育种

哺乳动物转基因技术（transgenic　technique）是基因工程与胚胎工程结合的一门新兴生物技术。科学家利用基因工程通过一定方法把人工重组的外源DNA导入性细胞或胚胎细胞受体动物的基因组中，或把受体基因组中的一段DNA切除，从而使受体动物的遗传信息发生人为改变，生产出带有外源DN段的动物，并且这种改变能遗传给后代。它打破种的界限使育种工作可以充分利用所有遗传变异，有目的、有计划和有预见地改变动物遗传物质的组成，生产出优良品种的动物。体细胞核移植（somatic　cell　nuclear　transplantation）技术又称体细胞克隆，它是利用分化程度较高的体细胞移入去核卵子中，构建新合子的生物技术。在畜牧生产中，运用核移植技术可以从一枚优良胚胎出发，将其培养到多细胞时，通过酶使其分成许多单细胞卵裂球，再把每一个卵裂球的细胞核作为核供体，再将它们移植到去核的受体卵细胞中，使其发育成一个胚胎，由于所有胚胎的细胞核来自同一枚优良胚胎，他们都具有优良的潜质。通过核移植，可生产许多同质胚胎，实现优良家畜的无限扩增，最大限度地利用优秀母畜的遗传潜力。

2.提高动物产品的生产性能和质量

近年来，各国对家畜生产性能的改良目的是提高家畜肉、奶、毛及其它产品综合遗传力。在畜牧业中，利用转基因手段可以达到改善动物生产性能的目的。在namlner等获得转基因猪以后，转基因技术已取得了很大成果。把生长激素或促生长因子基因导入家畜基因组中，加速生长速度，提高饲料报酬。1985年，科学家第1次将人的生长激素基因导入猪的受精卵获得成功，转基因猪与同窝非转基因猪比较，生长速度和饲料利用率显著提高，胴体脂肪率也明显降低。表达牛生长激素的转基因猪生长速度比对照组快10-15％，饲料报酬提高16-18％，胴体中脂肪下降80％。

3.培育抗病品种

家畜疾病，尤其是传染性疾病是畜牧生产的大敌，由疾病造成的经济损失约占畜牧业产值的12％-15％。抗病性能是当前畜禽育种的重要目标性状，抗病育种的目标是培育出整体免疫力高的品种。目前，已发现的与免疫相关的综合抗病力候选基因为数不多，主要有MHC和NRAMPl，其中NRAMPl蛋白可抵抗分枝杆菌、沙门氏菌等多种胞内寄生病原菌的侵染而发挥重要免疫功能，对畜禽机体抗病力影响较大，目前已克隆了多种生物的NRAMPl基因。猪瘟是危害养猪业最严重的疾病之一，如果能培育出抗猪瘟病毒的新品种，将对养猪业做出巨大的贡献。谢庆阁等设计合成了阻断猪瘟病毒复制的核酸基因，研究了其抗病毒感染的功能，认为该途径是可行的。此外，对一些种属特异性的疾病，如果可以从抗该病的动物体中克隆出有关的基因，并将其转移给易感动物品种，就有希望培育出抗该病的品系。而在对畜禽类病原体基因组结构进行深入研究的基础上，将病原体致病基因的反义基因导入畜禽细胞，使侵入畜禽机体的病原体所产生的mRNA不能表达，从而起到抗病作用。

三、生物技术在动物繁殖方面的应用

1.人工授精技术

自20世纪40年代以来，人工授精技术蓬勃发展，已成为家畜品种改良的重要手段。人工授精在奶牛业的发展最快，目前多数国家已普及了对奶牛的冷冻人工授精，把人工授精技术作为家畜育种和扩繁的有力手段。法国经过后裔测定，优良种公牛遗传力的改进每年进展达20％。人工授精与胚胎移植相配合，提高了奶牛的产奶量，减少了饲养头数，人工授精大大提高了优秀种公畜的利用价值。绵羊人工授精仅次于牛、猪的人工授精，近20年来在很多国家也受到了重视。

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广西南宁市马山县马山中学530600

【摘要】当今社会化学的发展已成为众多学科的重要基础，文章从化学与生活、社会间的联系、新旧知识的交叉，利用新闻的信息结合知识的特点来创设情景，培养学生学习化学的情趣，提高学生的科学素养。

关键词 培养学习化学兴趣 化学与社会 化学与生活

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础自然科学，其特征是研究分子和创造分子。迅猛发展的化学已成为生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学等领域的重要基础，它在解决人类社会发展过程中面临的有关问题、提高人类的生活质量、促使人与自然和谐相处等方面发挥着重要的作用。

高中化学课程是科学教育的重要组成部分，它对提高学生的科学素养、促进学生全面发展有着不可替代的作用。兴趣是最好的老师，当学生对化学有强烈的兴趣时，就会自觉主动进行自主式、探究式及合作式学习，在学习中提高创新能力和实践能力，从而提高学习效率。那么，在新课标下，怎样培养学生的学习兴趣呢？在此我主要谈谈如何利用物质用途来培养学生学习化学的兴趣。

1.从化学与生活的结合点入手，创设情景

教学过程中，学生们往往对某些化学物质的用途产生浓厚的兴趣。教师要加强化学物质用途方面的教学，引导学生走进课本，走进生活，走进社会，促成教材、教师和学生的互动。例如，在学习乙烯的用途时，学生了解到：乙烯是一种植物生长的调节剂，用它可以催熟果实。我可以感觉到这知识深深吸引了学生的注意力，为拓展学生的视野，培养学生的创新思维，我组织学生阅读有关的课外资料，并要求学生完成教材里的家庭小实验：用熟苹果催熟未完全成熟的青香蕉。学生们兴趣很高，有些学生把这个家庭小实验带到学校里做。如：讲述"铁的性质"时，从家中的钢铁制品很容易生锈(像防盗网的生锈等)讲起，引导学生展开"钢铁制品锈蚀条件的探究"(学生们饶有兴趣的开展家庭小实验)，从而让学生自主的去发挥、去挖掘、去探索、去实践，使其潜能得到充分发挥，能力得到极大的培养。 因此，加强化学物质用途方面的教学，可以较好地丰富学生的知识，拓展了学生的思路，有利于老师组织开展研究性学习。

我们还开设"从海水中获得的化学物质"专题，以自然资源丰富的海水作为研究对象，引出海水中储量较多的化学物质的提取、性质和应用。在探究典型非金属氯、溴、碘及其化合物和典型金属钠、镁及其化合物的性质的同时，揭示氧化还原反应、离子反应的本质，了解重要化学物质的工业制法。这样处理，既简化了无机元素及其化合物的知识，同时将物质的性质与应用较好地统一起来，让学生认识到化学知识对开发自然资源的重要作用，从而激发学生学习化学的兴趣。在"从矿物到基础材料"专题以矿物资源中获得的重要无机基础材料为主线，重点介绍基础无机材料中包含的铝、铁、铜、硅等常见元素单质的冶炼原理，单质及其化合物的性质和用途，金属材料的防腐等内容。让学生通过对铝、铁、铜、硅等元素及其化合物的提取、性质的探究，进一步体验科学探究的过程和方法，深刻认识化学科学在合理利用自然资源造福人类方面所起的作用，养成从化学的角度观察、分析化学现象，了解物质知识学习的思维特点。本专题的内容与学生生活联系比较紧密，教师在教学过程中要善于创设贴近学生生活的教学情景如合金材料的应用等，激发学生的学习热情和兴趣，同时要联系前两个专题已学的有关物质间的相互转化、氧化还原反应、离子反应等规律，及时应用和巩固，加强学生对规律的再认识。

2.从化学与社会的结合点入手，创设情景

社会，离不开化学，化学与社会紧密相连。它跟社会生产及生命、环境等问题有着广泛而密切的联系。所以，可以利用与化学紧密相关的社会问题，如能源问题，环境问题等为素材，设计成相应的教学情景。如在经过对水的比较系统的学习后，我们组织了学生到明污水处理厂参观，实地考察了污水状况及污水处理方法。这又更增加了他们的学习兴趣，纷纷想知道课堂所学的知识从理论到实践是怎样一个过程，与工厂生产是否有相一致的地方?这样，学生的兴趣得到不断的升华和发展。从而对水有了全方位的认识，懂得了水的珍贵，并自觉地为地球上的一方净水约束自己的行为。如化学在文物保护上的应用，运用化学来研究和保护问户主要是通过分析文物的化学成分、结构，探索文物的裂变机理，为文物的科学保护提供技术依据和有效的防护措施，以提高文物抵御自然因素的损害能力。如甘肃省天水市的麦积山石窟的壁画受油烟污染极为严重，而使壁画上的色彩不易看到。经取样分析，根据油烟的成分，可才用弱酸（醋酸）固色，弱减（氨水）清洗的方法来清除。

3.利用新旧认识之间的矛盾创设情景

人们有一些日常观念是错误的，教师可以引导学生分析其错误原因，引发学生认知心理上的矛盾与冲突，产生学习的欲望，形成积极的认知氛围和情感氛围。 如在上到氯气性质的时候，做氢气在氯气中燃烧的演示实验完之后，可以设问"燃烧一定需要有氧气的参与吗？"，很自然的提出问题，学生也容易、清楚的知道答案，接着再指出初中学的燃烧定义不完善，重新解释、强调燃烧的定义。这样也体现了学生的认识规律：有浅入深。

4.利用新闻中的化学信息，开阔学生的视野

利用新闻中的化学信息，开阔学生的视野。化学老师可将世界上最新的化学科学成就如绿色化学、碳管储氢、具有胰岛素功能的简单天然化合物、SOD的模拟催化剂等知识介绍给学生。

利用新闻中的化学问题，设置研究性课题，培养学生的实践能力。新闻，无疑是绝好的信息源。随着人们生活水平的提高，人们对周围生活的世界越来越关心，新闻中利用化学药品来欺骗消费者的问题也越来越多。这些新闻中就隐含着很多值得高中生研究的课题。例如，我们在学"铁及其化合物"时，报纸上有报道"利用化学品制臭干子"的问题，于是我设计一个 "臭干子之研究" 的课题，让学生对自己爱吃的的小吃"臭干子"做一次研究。其中包包括"臭干子的制作原理"、"臭干子为和会臭"、"不法商人是如何仿制的"、"如何鉴别用化学制品制得的臭干子"，按课题分组让学生利用周末时间去市场调查，返校后做实验交流。由于这次的研究性学习与学生自己生活较接近，学生兴趣很浓，参与积极性很高。通过这次的研究性学习，学生不仅加深了对FeS性质的了解，还同生物中的有关知识联系起来，同时培养了学生解决问题的能力和化学意识，增强了他们的化学责任感。

参考文献

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关键词 植物调节剂；微藻生长；代谢产物

中图分类号 S482.8 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）04-0133-03

Research Progress of Plant Growth Regulators in Microalgae Breeding

XIN Rong

（Marine Engineering Department，Rizhao Polytechnic，Rizhao Shandong 276826）

Abstract In this paper，the current status of plant growth regulator in the application of microalgae breeding were introduced，including the category and effects on microalgae growth and secondary metabolic products.The toxicity and residue problems must be paid attention，making the effectiveness and safety evaluation after application was indispensable.

Key words plant growth regulator；microalgae growing；secondary metabolic products

植物生长调节剂是人工合成的具有与天然激素同等效能甚至更为有效的化合物，能对植物的生长发育起到调节作用，如生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯和脱落酸[1]。植物生长调节剂在提高农作物的产量和改良品质方面应用广泛，为我国农业生产和发展做出了重要贡献。植物生长调节剂的应用具有成本低、收效快、效益高、节省劳动力等优点，已经成21世纪农业实现超产和提高商品性的主要措施之一[2]。

微藻是自然水体中最主要的初始生产者，因其个体小、生长周期短、营养丰富、容易培养、经济价值高而备受重视。目前，在水产养殖上贝类、虾蟹类和鱼类育苗中仍然作为重要的生物饵料，尤其贝类苗种早期培育几乎全部依赖于微藻生物饵料。20世纪80年代，随着生物工程技术在微藻上的应用，某些可以异养培养的种类可进行大规模的生产。除了在水产上作为生物饵料外，微藻在食品、饲料添加剂、生物活性物质提取及新能源等方面有着重要的经济价值[3-4]。因此，提高其生长速率、产量及活性物质的含量具有重要的意义，除基因工程外，外源激素的调剂也是一种方法。自20世纪80年代我国科研工作人员已开始探讨外源性植物生长调节剂在微藻培养中的应用，迄今已在多种经济微藻中进行过研究[5]。

1 微藻培养中主要植物生长调节剂类型

在作物农业上应用的调节剂按生化功效分主要有三大类：植物生长促进剂、植物生长抑制剂及延缓植物生长的延缓剂，共约100多种[2，6]。在微藻中常用的种类除脱落酸（ABA）外大都是促生长型的，如2，4一二氯苯氧乙酸（2，4-D）、6-苄嘌呤（6-BA）、奈乙酸（NAA）、赤霉素（GA3）、吲哚乙酸（IAA）、吲哚丁酸（IBA）、三十烷醇（TA）、乙烯利（2-氯乙基磷酸ETH）等[5，7-25]。其中6-苄基腺嘌呤（6-BA）是一种人工合成的细胞分素，有促进细胞分裂、延缓衰老等作用。萘乙酸（NAA）系萘类是有生长素类活性的植物生长调节剂，广泛分布于各种植物体内，具有促进生长点细胞的分裂和非生长点细胞的伸长等功能。吲哚丁酸、萘乙酸、2，4-D、6-苄基氨基嘌呤能促进生根，在农作物和园艺上可促进插枝生根，延缓或促进器官脱落，控制雌雄性别，诱导单性结实，促进发芽；促进茎叶生长，促进细胞扩大，延缓叶片衰老，破除休眠芽，抑制植株生长及矮化，促进果实成熟，促进器官脱落等作用。

2 在促进微藻增殖方面的作用

2.1 促进微藻细胞的增殖作用浓度

在研究微藻生长方面，通常采用测定生长率、叶绿素含量、藻细胞的干重、光合作用与呼吸作用强度、氮元素的消耗等方面来反映，试验证明：植物生长调节剂对近20种单胞藻的生长有明显的促进作用，适当添加可促进微藻的生长，缩短培养周期，增加生物量和次生代谢产物的积累，对于提高工业化生产的经济效益将具有重要意义。不同的植物生长调节剂对不同的微藻所起的作用亦不同，如2，4-D、6-BA在一定的浓度范围对绿藻、金藻类都有明显的生长促进作用，但对三角褐指藻和牟氏角毛藻促进作用不明显或有一定的抑制作用[7]，赤霉素（GA3）对雨生红球藻、扁藻、杜氏盐藻等有促进作用，却对绿色巴夫藻不起作用[8]，螺旋藻对GA3要比NAA、6-BA更敏感[10]。孟春晓等用赤霉素诱导培养的盐藻，相较于对照组，0.05 mg/L赤霉素处理藻细胞生物量提高60%左右，β-胡萝卜素含量提高16.8%[9]，脱落酸（ABA）加入盐藻SZ-05培养体系后，在盐胁迫条件下检测β-胡萝卜素和多糖发现，脱落酸能明显促进盐藻的生长，使盐藻SZ-05的生物量提高了16.94%，β-胡萝卜素含量提高了11.6%，多糖含量提高了22.31%[11]。

2.2 作用微藻细胞增长的时间

不同浓度的植物调节对藻增殖的起作用时间和持续时间也有所不同，TA、6-BA、IBA、2，4-D、IAA对绿色巴夫藻生长起促进作用，低浓度在第1天就开始影响藻的生长，最佳浓度从第2天开始对藻生长起调节作用，且持续性较长，可维持到第8天。高浓度在培养最初几天，对藻生长作用较弱，培养4 d后，对藻作用增大，比低浓度有相对较好的持续性。调节剂的使用通常可以缩短延缓期和延长指数生长期，如TA处理绿色巴夫藻，可以缩短延缓期，延长了指数生长期，使静止期延后，TA对绿色巴夫藻的增殖效果明显[8]。钝顶螺旋藻NAA激素的添加使对数期增加至9 d，而且每天的生物量均大于空白样，加入植物激素确实在一定程度上加速藻体细胞增殖分裂，并明显延长其对数期[11]。奈乙酸（NAA）、6-苄基嘌呤（6-BA）、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）、赤霉素（GA3）主要对雨生红球藻的细胞增殖在生长前期作用不明显，在对数生长期有明显的促进作用，质量（干）和虾青素含量有明显的增加[14]。

2.3 多种植物调节剂作用叠加效果

多种植物调节剂的叠加显示不同的激素间存在相互的叠加作用，生长素、 细胞分裂素及生长素与细胞分裂素的比值共同控制着细胞分裂与生长，在组织或细胞培养时，培养基中植物激素成分一般都是由生长素与细胞分裂素组合。如NAA、IAA和GA3具有相辅相成或相加的作用，对扁藻有增效作用，而GA3与6-BA的组合，对扁藻生长表现出抑制作用[5]。IBA与6-BA组合成双因子共同作用于小球藻，当IBA浓度为20 mg/L，6-BA高浓度时，更有助于小球藻的异养生长，而且IBA与6-BA对小球藻异养生长的作用并非简单的单因子加合效应[12]。同样，三十烷醇（TA）、吲噪乙酸（IAA）、赤霉素（GA3）培养2种底栖硅藻的的最佳质量浓度配比也不是最佳单因子浓度的的叠加量值[13]。

另外，不同的培养方式对植物调节剂的需求量也有所不同，例如异养培养的小球藻对IAA、IBA的最佳浓度高达20 mg/L[12]，通常要高于一般的自养培养的最佳浓度。其原因可能与小球藻异养培养密度比较高，抑或与其生理机制有关。

3 植物调节剂对次生代谢物积累的影响

微藻次生代谢产物包括蛋白质、维生素、生物活性多糖、高度不饱和脂肪酸、类胡萝卜素等，不同藻属不同品系的微藻所含有的代谢产物也有所不同，如某些品系的小球藻和雨生红球藻可以生产虾青素，盐藻可产胡萝卜素和甘油等。诸多植物生长调节剂在促进藻细胞增殖的情况下同样促进了其次生代谢产物的增加。雨生红球藻细胞内含有大量的虾青素，具有比较好的开发前景。为了获得更多的虾青素，通常采用二阶培养法，先利用红球藻最适条件促进红球藻的生长再改变培养条件使红球藻快速合成虾青素[15]。崔宝霞等通过添加0.5 mg/L的6-BA、0.1 mg/L的GA3、0.5 mg/L的NAA培养雨生红球藻，可促进虾青素的积累，2，4-D虽能显著提高细胞的干重，但对雨生红球藻的虾青素酯积累无明显促进作用[14]；高政权等在雨生红球藻对数生长期的藻液中分别加入一系列不同浓度的乙烯利溶液，水杨酸、九二（赤霉素）外源赤霉素、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）等胁迫培养，诱导细胞内虾青素的合成积累，可以促进雨生红球藻积累虾青素；2 mg/L的ABA处理对雨生红球藻，发现其对虾青素积累具显著的促进作用，使细胞完全变红的周期比对照缩短了36.4%，且虾青素产量比对照提高了40.4%，增产效果非常明显[16-21]。ABA能促进紫球藻胞外多糖的产生[22]。激素也可以显著地影响螺旋藻的代谢产物含量，对于钝顶螺旋藻和极大螺旋藻，GA能够使胞外和胞内总糖含量增加；6-BA使胞内蛋白含量提高；NAA使SOD酶比活力提高[11]。

虽然植物调节剂能促进细胞增长，提高生产量，但与促进代谢物增加的浓度并不完全一致[23]。添加10 μmol/L的IAA对藻株的生长有明显的促进作，其最大生物量比对照组增加了58.24%，但其油脂含量却比对照组降低了34.71%；而当增加IAA浓度为20 μmol/L时，对藻株的生长表现出明显的抑制作用，其最大生物量比对照组减少了53.60%，但其油脂含量与对照 组相比增加了95.46%。添加2 μmol/L，ABA对藻株生长的抑制作用极其明显，其生物量比对照组降低了57.52%，但其油脂含量与对照组相比显著提高，提高了121.49%[24]。

对外源基因表达上，适宜浓度的IBA、6-BA、赤霉酸和氯化胆碱均促进转基因鱼腥藻7120生长，提高其生物量，不影响外源基因表达，高浓度植物生长调节剂则抑制藻细胞生长，降低外源基因表达水平。植物生长调节剂混合施用促进转 基因鱼腥藻生长效果不如单一因子好，外源基因表达水平也略有下降[25]。

4 植物生长调节剂的机理与毒性

植物生长调节剂是合成的化合物，可以调控核酸、蛋白质、酶、糖等合成，其作用机理根据种类不同而不同，2，4-D和NAA促进质子分泌到细胞壁，使细胞松弛，加快延伸，并促进RNA和蛋白质的生物合成；细胞分裂素6-BA促进转录，加速翻译速度；GA能促进细胞分裂和细胞扩大等[26-27]，植物生长调节剂在应用时超过一定的浓度对微藻生长会起抑制作用。

植物调节剂虽然不是高毒产物但是大都属于农药类，在应用时必须注意其残毒。植物生长调节剂在植物体内通过酶作用或化学作用逐渐降解，药效也逐渐消失，其残留量的多少取决于用药浓度、数量多少、时间长短等，同时其也与光照、酸碱度等周围环境有关，应注意切实做到用药安全。

5 展望

植物生长调节剂在我国农业生产中已显示出巨大的增产潜力和可观的经济效益。它已成为提高植物生产力和实现农业现代化的先进科技手段，成为当今农业高产、高效、 优质栽培模式研究的热点之一。作为一种新兴的生物技术，植物生长调节剂正向着高效低毒、生物活性高、价廉、全方位应用方向发展[1]。但在微藻培养中在实际生产中并不常见，在试验研究中可见其能促进微藻的生长，缩短延缓期，提高产量，对其在水中及植物体内的残留及后期对以微藻为食的生物的次级毒性效应并不多见。但其使用方便，价格低廉，期望在保证安全的前提下，植物生长调节剂也能在微藻培养有所应用。

6 参考文献

[1] 杨秀荣，刘亦学，刘水芳，等.植物生长调节剂及其研究和应用[J].天津农业科学，2007，13（1）：23-35.

[2] 张锋，潘康标，田子华.植物生长调节剂研究进展及应用对策[J].现代农业科技，2012（1）：193-195.

[3] 李国平.微藻生产有用物质的研究现状与前景[J].田学院学报，2002，9（3）：17-21.

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[关键词]生物分离；知识网络；教学改革

[中图分类号]G642.0　[文献标识码]A　[文章编号]1005-4634(2012)03-0062-03

0　引言

随着生物技术的蓬勃发展，利用生物工程手段改造传统产业，大力发展工业生物技术，实现低碳循环经济已经成为目前产业发展的前沿之一。由于产品分离纯化是生物产品加工的重要环节，其过程、质量和成本往往决定整个生物加工过程的成败。因此，生物分离在整个生物产品生产过程中占据重要地位，生物分离工程课程是生物工程、制药工程等相关专业的重要专业基础课程，该课程相关知识储备也为学生以后继续从事科学研究或工厂实践夯实了坚实的基础。

生物分离工程课程是一门理论和实践密切结合的多学科交叉课程，知识面涉及物理、化学、数学、化工及微生物等学科，内容相对分散，不仅包括生物工程产物的分离、提取、精制的基本原理和相关基础理论，也包括大量的分离单元操作及其工业实际应用。知识点涉及细胞破碎与分离、初级分离、膜分离、萃取、吸附、层析、电泳、结晶、干燥及蛋白体外复性等方面。笔者在教学过程中，深切感觉知识点分散对学生学习、理解和复习的难度。知识网络是人们在学习和实践中所获得的知识通过一定的方式联系起来所构成的开放性知识体系。如果在授课过程中能够将知识点归纳总结比较，由点到线，再到面成体，构建相关知识网络并将其灵活应用到课堂教学中，可收到较好的效果。

1　抓住本质化繁为简，重点内容主线贯穿

把厚书读薄，抓住本质，化繁为简，以简明扼要的文字或图表将所学内容凝练出来，是学习繁多知识的一种有效方法。例如色谱技术是现代生物分离技术的核心，色谱又分为凝胶过滤色谱、离子交换色谱、反相色谱、疏水色谱及亲和色谱等。授课过程中，学生普遍反映该章节内容分类繁多，不易理解和掌握。因此在理论课程讲解过程中，重点突出色谱分离的本质——根据混合物中的溶质在固定相和流动相之间分配行为的差别而进行分离的方法。抓住这一本质，上述色谱分类就是基于溶质分子和固定相之间的相互作用机理不同，而关键在于选用的固定相。一般而言，应用于生物产品分离纯化的固定相色谱介质共同特点是都具有良好的亲水性、化学稳定性和机械强度。而凝胶过滤色谱主要就是采用微孔凝胶介质为固定相，如Sepha-rose，主要起筛分作用，是根据溶质相对分子量的差别进行分离的一种方法；如果对凝胶介质活化并键合一定量的阴阳离子，就成为离子交换介质，如Sepharose-DEAE，主要是根据溶质与固定相间静电作用力的差别进行分离，即离子交换色谱；如果对介质表面偶联疏水基团就成为疏水介质，如Phe-nyl Sepharose，主要是根据蛋白分子与介质间弱疏水作用的差别而进行分离，即疏水色谱，是生物大分子常用的分离纯化方法；如果将介质表面完全非极性化，如ODS-C18介质，就是反相色谱，主要根据溶质问极性差别进行分离分析，常用于非极性小分子(分子量小于5000)的分析和纯化；如果将介质表面活化并偶联一定的亲和配基，即亲和色谱，如BSA-Sepharose介质，主要是根据生物物质间的特异性亲和作用而实现分离。由此可见，色谱分离的核心在于选用的介质，而决定分离原理的主要因素是介质表面的基团，据此可将上述内容归纳总结如图1所示。通过这样的一个图，在相应色谱章节课程讲授过程中，引导学生从本质出发理解不同色谱分离过程的区别和联系，不仅使学生加深了对色谱分离原理的理解，更为关键的是，学生对色谱分离的本质、分类、各种色谱方法的区别和联系均可熟练掌握。

再如，生物分离过程的一般流程如图2所示，该图概括了生物分离课程中涉及到的所有分离操作，因此在课程的讲解过程中应以其为主线，在各章引言、生物产品分离示例的课程讲授中重点突出此图，并在全部课程结束后重新复习该流程图。通过这样反复强调，可化繁为简，学生对各分离操作在生物产品分离中的地位一目了然，有利于学生加深对各个单元操作的认识，深入理解各分离操作在生物产品分离工艺中的作用和相互关系，从而扎实地掌握各分离操作并能够灵活运用。

2　以因素为切入点，注重分离过程的提炼总结

虽然生物分离过程涉及内容繁多，但在分离工艺中一些单因素对分离的影响存在相通之处。如果以每一个因素为切入点，将相关知识点归纳提炼总结，可使分散的知识点构建成网，从而使知识体系立体化，加深学生对生物分离操作的理解。例如，生物产品如蛋白质、有机酸及核酸等都是两性物质，在不同的pH条件下两性物质的带电性质会有所不同。而带电性质会影响其分离特性，因此pH控制在这些两性物质分离中起着非常重要的作用，在课堂上应有意引导学生总结和提炼。在初级分离沉淀分级中，控制pH在目的产物等电点附近可使其溶解度降低，便于沉淀析出；有机溶剂萃取分离过程中，控制体系pH可使目的产物保持分子或离子状态，可调节其在水相或有机相的分配，从而实现萃取或反萃取；离子交换吸附过程中，决定分离的主要因素是目的组分与介质间的静电引力，控制pH可改变目的产物的电离状态，进而实现选择性的吸附或洗脱；亲和色谱分离过程中，如果静电引力在亲和作用中占据主导地位，pH控制在亲和吸附或洗脱过程中也具有重要意义。课堂上引导学生以pH对生物分离的影响为导向，归纳总结成表，如表1所示，就形成了清晰的知识网络。

再如，表面活性剂在生物分离中也有广泛的应用。细胞破碎中，采用表面活性剂处理细胞，可增大细胞壁通透性，便于细胞破碎；初级分离中，加入表面活性剂利用表面吸附的原理对溶剂进行分级分离；膜分离过程中用表面活性剂作为清洗剂对污染膜进行清洗；液膜萃取过程中加入表面活性剂稳定液膜，反胶团萃取中加入表面活性剂形成反胶团溶解生物物质；SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳中加入表面活性剂使蛋白变性并消除其电荷差异，从而使其迁移率只与蛋白分子量有关。与之类似，过程强化技术等在生物分离中的应用有超声波破碎、超声波萃取、微波萃取、超临界萃取、超临界色谱等，以一个因素为切入点，将整个生物分离课程的内容提炼总结，并在课堂上及时引导学生思考，并以课堂提问和课后思考题的形式启发学生主动思考和查阅相关资料，由点到线再到面成体，构建相应的知识网络，以培养学生的独立思考和知识融会贯通能力。

3　加强知识点横向比较和联系

由于生物分离过程涉及分离操作较多，为加深同学们对所学概念的理解，课堂教学中可将各知识点进行横向联系和比较。如色谱和吸附这两个概念，色谱主要根据溶质和固定相之间各种相互作用——分子大小、静电引力、疏水性、特异性识别等的不同实现分离纯化；吸附是根据范德华力或静电引力实现从液体或气体中回收有用目的产物的过程。在分离单元操作过程中，色谱和吸附是两个互相并列的概念；但在色谱分离技术中，吸附色谱是根据固定相与溶质问吸附作用力不同的色谱操作，其本质是吸附原理在色谱上的应用，是和凝胶过滤色谱、疏水色谱等并列的概念。在实际讲课过程中，这两个概念学生非常容易混淆。类似的离子交换吸附和色谱也存在相似的区别和联系。

在同一章节相关的易混淆知识点也可以横向联系和比较，例如疏水色谱和反相色谱，都是根据目的组分疏水作用的差别进行分离纯化，但又有所不同。疏水色谱固定相表面偶联弱疏水性基团，疏水作用较弱，洗脱时主要采用降低离子强度、调节pH或者加入表面活性剂等方法降低疏水作用，可直接应用于盐析后蛋白分离纯化；而反相色谱固定相表面完全被非极性基团覆盖，表现强烈的疏水性，洗脱时主要采用降低流动相极性的梯度洗脱法，但应用于生物活性物质分离时存在使目的蛋白变性的危险。在讲授各自章节时将相关的知识点横向联系，比较其异同，通过知识网络的构建使得各知识点不再孤立分散，可以使学生总揽全局，加深学生对生物分离过程的理解，并提高学生的知识迁移能力。

4　重视考试的导向作用

考试的目的是为了鉴定教师的教学水平和学生的知识掌握情况，考试大纲和试题对于师生教学过程具有重要的导向作用。由此可见，考试仅仅是学习过程的一个阶段，考试中反馈出的信息有助于下一步更好的教和学的过程。考试结束决不意味着该门课程学习的结束，这一点对于当前大学教学而言尤其重要。因此，笔者在生物分离工程的教学实践中，积极拓展多种考试方式，采取了随机小考、课后小论文考察和期末考试相结合的方式。在课堂上随机小考，提问学生并引导学生总结提炼构建相关知识网络，知识点的消化吸收主要在课堂上完成；由于课堂时间有限，一门课程的学习不仅仅是课堂的45分钟，在课后集中选取一些具体的生物产品分离课题，安排学生主动去查阅相关知识，充分利用学校的图书馆资源，在课余时间完成知识面的拓展；期末考试试题的命制要灵活，重视知识点的比较、联系和总结，如前文所述，让学生列举pH控制、表面活性剂或者过程强化在生物分离中的应用。通过这三种考核方式，以课堂教学为基础，以课余时间为拓展，以期末考试为导向，学生的主动学习能力大大提高，不仅学习了知识，更重要的是提高了素质，这也是教育的根本目的所在。

5　结束语

综上所述，由于生物分离工程内容较多，构建知识网络可以将各知识点联系比较，可以抓住本质化繁为简，将所学知识串成一条线，突出各因素在分离操作中的作用，将不同单元操作相互比较并联系起来，并以考试为导向，引导学生主动学习，培养学生的学习兴趣，充分发挥学生的主观能动性，有助于加深学生对知识点的理解和认识，从而真正做到学有所用。通过这一教学实践，郑州大学生物工程系2008级生物工程班学生的生物分离工程理论课程平均成绩为79.4分，其中90分以上的占25.7％，不及格学生占1.4％。在郑州大学组织的网上教评中，笔者的评教成绩均在90分以上，为优秀等级。下一步应继续完善，探求更加符合当代教学特点的生物分离工程教学模式。

参考文献

[1]李华.生物分离工程课程的教学体会[J].化工高等教育，2007，(4)：34-36.

[2]胡永红，姚忠，刘洋，周华，韦萍.本科《生物分离工程》教学改革与实践[J].理工高教研究，2006，25(6)：124-126.