引論：我們?yōu)槟砹?3篇生物技術(shù)進展范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。

篇1

主辦單位：中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所;中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所

出版周期：月刊

出版地址：浙江省杭州市

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種：中文

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發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行

創(chuàng)刊時間：2011

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篇2

一、生物技術(shù)在糧食生產(chǎn)中的應(yīng)用

生物技術(shù)在糧食生產(chǎn)中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：可以利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得產(chǎn)量更高，并有一定的抵御蟲害的作物品種，獲得營養(yǎng)價值更高的作物品種，此外，還可以利用細胞工程技術(shù)對植物進行無性繁殖，從而獲得高產(chǎn)量的作物，利用生物技術(shù)可以制造出無毒生物農(nóng)藥從生產(chǎn)出更多的綠色產(chǎn)品。生物技術(shù)培育出的作物主要有三代，第一代是通過培育轉(zhuǎn)基因作物可以提高農(nóng)作物抗蟲害的能力，目前種植面積比較多的是抗除草劑的農(nóng)作物。第二代是通過轉(zhuǎn)基因來提高農(nóng)作物的營養(yǎng)價值為主要特征。第三代是通過轉(zhuǎn)基因作物提高食品的免疫功能，即可以利用轉(zhuǎn)基因的作物來生產(chǎn)一些具有新功能的食品以及藥物。

二、生物技術(shù)在糧油加工中的應(yīng)用

我國的糧油加工產(chǎn)品主要以初級產(chǎn)品為主，而在食品的精深加工方面比較落后，資源的深層次利用率比較低，而利用生物技術(shù)可以將產(chǎn)品原料加工成產(chǎn)品并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，通過對農(nóng)產(chǎn)品的二次開發(fā)以此形成新的產(chǎn)品。利用生物技術(shù)可以快速的提高糧油加工的能力并提升水平，使我國的糧油加工生產(chǎn)能力能夠得到跨越式的發(fā)展。

三、生物技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

生物技術(shù)已經(jīng)滲透到了食品加工的各個方面，利用基因工程可以有效的改良發(fā)酵工業(yè)中的微生物菌種，對食品加工原料進行改造，提高氨基酸在食品加工中的含量，此外，利用基因工程還可以改進其生產(chǎn)工藝，進一步提高食品的營養(yǎng)價值。利用蛋白質(zhì)工程可以創(chuàng)造出人類需求的不同功能的蛋白質(zhì)新產(chǎn)品，可以更改酶的特性。在食品工程中酶技術(shù)的應(yīng)用比較成熟，在糧油食品加工中應(yīng)用比較廣泛的是酶制劑的應(yīng)用，主要有釀造酶、蛋白酶、果品酶等。這些酶主要應(yīng)用在果蔬加工，乳制品加工等方面。

四、生物技術(shù)與食品安全

生物技術(shù)在食品安全中的應(yīng)用主要是轉(zhuǎn)基因食品安全問題。任何物種在進化過程中都會經(jīng)歷自然選擇或者是人工選擇，他們能夠幸存的物種都是這兩種選擇的結(jié)果，不過是自然選擇還是人工選擇其實質(zhì)都是遺傳變異選擇，在物種進化中遺傳是基礎(chǔ)，變異一定會存在。任何物種都是在遺傳的基礎(chǔ)上經(jīng)過進化發(fā)展而來的，對遺傳變異進行人工選擇就是常規(guī)育種，而轉(zhuǎn)基因育種在本質(zhì)上和常規(guī)育種并沒有本質(zhì)的區(qū)別，轉(zhuǎn)基因的食品安全問題和其它新出現(xiàn)的技術(shù)一樣，只是在人類科學進步進程中新出現(xiàn)的科學問題而已，應(yīng)該對以抱有正確的態(tài)度，深入的對其進行研究和探討。轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為發(fā)展最快的新技術(shù)，正對人們生活的各個方面產(chǎn)生巨大的影響。

五、生物技術(shù)與食品安全檢測

食品安全越來越受到人們的關(guān)注，日常食品安全已成為人們生活的焦點，為了讓人們吃到更為安全的食品，對食品安全檢測技術(shù)的研究已經(jīng)提上日程，而生物技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用，發(fā)揮了較大的推動作用，并取得了不錯的效果。在當前的食品安全檢測中比較廣泛應(yīng)用的生物技術(shù)有生物芯片、免疫技術(shù)等生物技術(shù)，通過這些生物技術(shù)的應(yīng)用使得食品安全的檢測更加方便快捷而且靈敏度也比較高，人們對食品安全也更加放心。

六、糧油深加工生物技術(shù)的進展

在糧油深加工方面，美國主要利用酶以及發(fā)酵工程來進行糧油資源的開發(fā)，同時還利用基因工程等生物技術(shù)來改良農(nóng)作物的性能，改善農(nóng)作物所含的營養(yǎng)價值。生物技術(shù)在糧油加工中的應(yīng)用主要有以下幾個方面，首先是利用生物技術(shù)進一步提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，并為農(nóng)作物的生產(chǎn)尋找更好地的農(nóng)業(yè)技術(shù)。通過新的生物技術(shù)的應(yīng)用進一步改良農(nóng)作物的品種，另外，還有利用農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)廢棄物和加工副產(chǎn)物生產(chǎn)工業(yè)制品，包括生物能源、生物材料等。

七、結(jié)語

生物技術(shù)在食品糧油領(lǐng)域，在食品生產(chǎn)、糧油食品加工以及副產(chǎn)品利用等方面都有重要的應(yīng)用，隨著基因組技術(shù)在農(nóng)作物的成功實施以及深入開展，新一輪的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命將會展開。為此，要認識在糧油食品安全領(lǐng)域生物技術(shù)應(yīng)用的重要性，并不斷在糧油食品加工中引入生物技術(shù)，以更好的促進糧油食品加工行業(yè)的發(fā)展。

篇3

環(huán)境生物技術(shù)已不單純是一種污染治理技術(shù)，而已開始影響到包括其他行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策，促進各工業(yè)部門逐步以生物過程替代傳統(tǒng)的化工過程，如利用生物酶制劑在造紙行業(yè)中，進行生物漂白，減少甚至徹底替代化學漂白，并最終在造紙工業(yè)中實現(xiàn)完全的生物制漿和生物漂白，徹底解決嚴重污染我國水環(huán)境的造紙黑液問題，使許多污染行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)真正進入無污染的清潔生產(chǎn)的軌道。

1 環(huán)境生物技術(shù)的特點

生物是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的要素，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)主要是依靠生物過程來完成的。科技的發(fā)展也充分證明生物技術(shù)是環(huán)境保護的理想武器，這一技術(shù)在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點，加之其技術(shù)開發(fā)所預示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。

目前生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環(huán)境污染控制的生物。生物技術(shù)已是環(huán)境保護中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、污染環(huán)境的修復和污染嚴重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護的各個方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮氣。利用生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。大部分有機污染物適于作為底物，一些有機污染物經(jīng)生物過程處理后可轉(zhuǎn)化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質(zhì)，因此，生物處理方法也常是有機廢物資源化的首選技術(shù)。生物過程是以酶促反應(yīng)為基礎(chǔ)的，酶是一種活性蛋白，生物反應(yīng)過程通常是在常溫、常壓下進行的，因而投資省、費用少、消耗低、效果好、過程穩(wěn)定、操作簡便，同時，它還可和其他技術(shù)結(jié)合使用。生物過程代替化學過程可以降低生產(chǎn)活動的污染水平，有利于實現(xiàn)工藝過程生態(tài)化或無廢生產(chǎn)，真正實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標。另外，生物技術(shù)的產(chǎn)品或副產(chǎn)品基本上都是可以較快生物降解的，且都可以作為一種營養(yǎng)源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化學藥物、化石能源、人工合成物等，有助于把人類活動產(chǎn)生的環(huán)境污染降至最低程度，使經(jīng)濟發(fā)展進入可持續(xù)發(fā)展的軌道。利用環(huán)境生物技術(shù)可治理用其他方法難以處理的環(huán)境介質(zhì)，即用生物修復技術(shù)凈化環(huán)境，使受污染的寶貴資源如水資源、土壤等得以重新利用，同時還可進一步強化環(huán)境的自凈能力。

2 環(huán)境生物技術(shù)的重要進展

環(huán)境污染不但影響了國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，甚至已威脅到人類的健康、智力乃至生存，因此全球各國近幾年都在尋找新的途徑和方法，以治理和解決環(huán)境污染問題。我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟水平和科技總體水平離國際發(fā)展水平仍有相當差距，這就要求我國在科技發(fā)展特別是環(huán)保高科技發(fā)展上，需跟蹤國際前沿，與國際同步開發(fā)未來可能應(yīng)用的高新技術(shù)。以下介紹幾項已接近產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境生物技術(shù)。

2.1 高硫煤微生物脫硫技術(shù)

我國是一個發(fā)展中國家，開發(fā)廉價的、操作簡便的煤脫硫技術(shù)，將具有深遠的經(jīng)濟和環(huán)境保護意義。與現(xiàn)有的物理、化學法相比，微生物潔凈技術(shù)具有投資低、操作簡便、反應(yīng)條件溫和、不產(chǎn)生新污染，并可和現(xiàn)有的物理洗煤過程相結(jié)合，脫除其中的灰分，而煤基本無損失，且可提高煤的燃值等優(yōu)勢。

煤的微生物潔凈技術(shù)主要是脫硫、脫塵。煤炭中的硫分主要包括有機硫和無機硫、無機黃鐵礦硫以及少量的硫酸鹽硫。其中，有機硫分、黃鐵礦硫FeS2較易去除，早期的研究主要利用一些自養(yǎng)菌在幾天時間里將黃鐵礦氧化分解成鐵離子和硫酸，硫酸溶于水中而排出。雖然該方法脫硫效率較高，可去除90%的無機硫，使某些煤的含硫量降至1%以下，但處理的時間較長，并要求較大的反應(yīng)器容積和較細的煤炭粒徑。

為提高脫硫效率，近年來研究人員把選煤技術(shù)之一的浮選法和微生物處理相結(jié)合，即把煤粉碎成微粒與水混合，并將微生物加入溶液中，讓微生物附著在黃鐵礦表面，使其表面變成親水性，能溶于水。在浮選中其難以附著在氣泡上，下沉至底部，從而把煤和黃鐵礦分開。由于它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時間只需數(shù)分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時間，可脫除無機硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時，灰分也可同時沉底，所以也具有脫去灰分的優(yōu)點。目前，浮選法微生物脫硫已成為國際上潔凈煤技術(shù)開發(fā)的熱點。

2.2 造紙工業(yè)生物制漿和生物漂白技術(shù)

造紙工業(yè)中的制漿和漂白工序是污染物產(chǎn)生的主要工序。與化學法相比，雖然機械法制漿紙漿得率高，可節(jié)省大量林木資源，但能耗很大，成品紙強度等質(zhì)量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項技術(shù)的發(fā)展。生物技術(shù)可以幫助解決這問題，其中以生物制漿與生物漂白為最具優(yōu)勢，采用生物制漿與生物漂白可以有效減少蒸煮黑液和漂白廢液的產(chǎn)生。利用微生物與微生物酶類進行生物制漿與生物漂白具有很大的優(yōu)勢和潛力，因為微生物極易生長繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無污染。

木質(zhì)素是造紙工業(yè)中有效利用纖維素的最大障礙。傳統(tǒng)的化學漂白法是采用多段的氯/二氧化氯漂白及堿提取來去掉木質(zhì)素，在廢水中會有大量含氯的、致癌致畸的物質(zhì)，如呋喃、二惡英等，造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。將生物預漂白技術(shù)引入制漿造紙工業(yè)中，用木聚糖酶對紙漿進行預漂白，至今，用于生物預漂白的木聚糖酶已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展。目前，對第三代木聚糖酶的研究與應(yīng)用正進入高峰期，采用基因工程與蛋白質(zhì)工程手段獲得性質(zhì)優(yōu)良的耐熱耐堿木聚糖酶已成為各相關(guān)實驗室的研究熱點，期望不久的將來重組酶會更有效地應(yīng)用于漂白工藝中。未來生物制漿和生物漂白的技術(shù)突破將使造紙工業(yè)擺脫污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

2.3 污染土壤的生物修復

人類的生產(chǎn)活動，當代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的人造化學物質(zhì)排放入環(huán)境中，對資源和環(huán)境構(gòu)成越來越嚴重的破壞。化石燃料的開采和使用，工業(yè)三廢的排放，給我們賴以生存的環(huán)境造成難以估量的污染，不僅制約了經(jīng)濟的發(fā)展，而且影響到人類的健康和生存。

針對嚴重污染的土壤，我國尚未采取大規(guī)模的治理措施，僅在少數(shù)地區(qū)開展了治理，并以物理化學方法(如洗脫、吸附)為主，不僅投資成本高，而且也造成了二次污染。對全國范圍的污染環(huán)境進行修復，若采用傳統(tǒng)方法，即使考慮勞動力相對便宜的因素，其投資規(guī)模將仍然非常龐大，如采用生物修復技術(shù)，不僅其投資規(guī)模大為縮小，而且還沒有二次污染。綜上所述，環(huán)境污染的生物修復技術(shù)是我國今后治理環(huán)境污染必須發(fā)展的生物技術(shù)，更具有廣闊的市場和發(fā)展前景。可預見，在21世紀，生物修復技術(shù)將成為我國生態(tài)環(huán)境保護領(lǐng)域最具有價值和最具有生命力的大面積污染的優(yōu)選生物工程技術(shù)。

生物修復技術(shù)是80年代以來出現(xiàn)和發(fā)展的清除和治理環(huán)境污染的生物工程技術(shù)，其主要利用生物特有的分解有毒有害物質(zhì)的能力，去除污染環(huán)境如土壤中的污染物，達到清除環(huán)境污染的目的。實踐結(jié)果表明生物修復技術(shù)是可行的、有效的和優(yōu)越的，此后該技術(shù)被不斷擴大應(yīng)用于環(huán)境中其他污染類型的治理。生物修復是采用諸如提高通氣效率、補充營養(yǎng)，投加優(yōu)良菌種、改善環(huán)境條件等辦法來提高微生物的代謝作用和降解活性水平，以促進對污染物的降解速度，從而達到治理污染環(huán)境的目的。

結(jié)束語

目前，我國的環(huán)境生物技術(shù)處于剛剛起步階段，該技術(shù)的進一步開發(fā)需要得到社會、同行及主管部門的廣泛支持，大力開展以污染控制生物技術(shù)為主體的環(huán)境生物技術(shù)的研究，將大力推進生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用，并將通過生物高技術(shù)的發(fā)展帶動整個環(huán)保科技的發(fā)展，解決我國目前和未來面臨的嚴峻的環(huán)境保護問題，并為環(huán)保市場提供高品質(zhì)的環(huán)境保護高技術(shù)，應(yīng)該充分認識到環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)對我國環(huán)境保護和社會、經(jīng)濟發(fā)展的重大意義。

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1.1基因工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

基因工程即利用分子生物學和微生物學技術(shù)，設(shè)計好不同來源的基因順序，在體外成功構(gòu)建雜交DNA分子后導入受體細胞，使受體細胞表現(xiàn)出人們需要的表現(xiàn)型，產(chǎn)生出人們需要的物質(zhì)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用基因工程技術(shù)，獲得的農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性強，還可獲得畜、禽新品種及具有特殊作用的動、植物。例如，經(jīng)過7年的努力攻關(guān)，2011年勝利突破了大面積示范（即6.67hm2示范）平均產(chǎn)量為13500kg/hm2的超級雜交稻第3期目標，達到了13899kg/hm2[1]；運用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將相應(yīng)的基因?qū)胗筒酥杏型嘤鲛D(zhuǎn)基因抗病油菜新品種[2]；運用基因工程技術(shù)可將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中，使農(nóng)作物能夠不受除草劑的影響，目前已生產(chǎn)出多種抗除草劑作物品種，應(yīng)用廣泛[3]。

1.2細胞工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

細胞工程是指在體外培養(yǎng)細胞，以改變細胞某些生物學特性為目的將不同作物或動物進行細胞雜交，使植物或動物個體繁殖速度加快，以獲得優(yōu)良品種或新品種及某些具有特殊作用的物質(zhì)的一門技術(shù)[4]。細胞工程技術(shù)在植物快速繁殖、植物新品種選育等方面發(fā)揮著重要作用。目前植物體細胞雜交應(yīng)用較多，如可以將馬鈴薯細胞和番茄細胞進行雜交，可獲得上結(jié)番茄下結(jié)馬鈴薯的“番茄馬鈴薯”；將豆科植物與向日葵進行細胞雜交，可培育出具有高營養(yǎng)價值的“向日豆”[5]。

1.3發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)酵工程即利用微生物具有的特殊作用生產(chǎn)出對人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接將微生物應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程的一門新的技術(shù)。發(fā)酵工程主要可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的2個方面，一是生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如果酒、茯磚茶、食醋等；二是生產(chǎn)一些食品添加劑。如茯磚茶的制作過程中就運用到了發(fā)酵工程技術(shù)，通過調(diào)控渥堆時間、使用接種劑、發(fā)酵劑等方法可以改進茯磚茶的加工工藝，進而可生產(chǎn)出“金花”飽滿、品質(zhì)優(yōu)良的茯磚茶。

1.4酶工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

酶工程，簡單來說就是利用酶的生物催化功能，借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)。酶工程可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的制酒、制醬等方面。例如，隨著我國糧食的不斷增產(chǎn)，一些地區(qū)出現(xiàn)了粗糧過剩的問題，需要解決粗糧的淀粉利用。解決辦法之一是生產(chǎn)葡萄糖，但由于葡萄糖甜度不大，難以在市場上應(yīng)用。最有效的辦法還是運用酶工程技術(shù)的手段，將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)樘鸲却蟮墓牵遣粌H比葡萄糖甜度大，其比蔗糖的甜度還高50%以上。

2微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1微生物肥料的特點

微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用該種肥料可獲得特定的肥料效應(yīng)[6]。生物肥料的定義分為2個方面，從狹義上講，生物肥料就是指微生物肥料，是由具有特殊作用的大量有益微生物發(fā)酵產(chǎn)生的，活性高。施入該種肥料能夠產(chǎn)生活性物質(zhì)，能夠增加作物的固氮作用，改善土壤的理化性質(zhì)，使作物的生長環(huán)境變得更好，使作物生長更優(yōu)、產(chǎn)量更高。從廣義上講，生物肥料泛指各種具有特定肥效的生物制劑，包括特定的活的生物體、生物體的代謝物或基質(zhì)的轉(zhuǎn)化物等，此種生物體不限定，既可以是微生物，也可以是動、植物組織和細胞[7-8]。

2.2生物肥料的應(yīng)用優(yōu)勢

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（一）概述

生物處理技術(shù)處理含油廢水指的是利用在微生物代謝作用下，將分散到水中的原油、有機污染物進行降解處理，使有機污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無害物質(zhì)，最終完全無機化。近來較普遍應(yīng)用且相對成熟的生物處理工藝包括好氧生物處理技術(shù)和厭氧生物處理技術(shù)兩大類。顧名思義，所謂好氧生物處理技術(shù)，是指利用好氧微生物代謝作用處理含油廢水的技術(shù)，按所選材料，分為活性污泥法、SBR法、生物膜法、氧化塘法、AB處理法等形式；而厭氧生物處理技術(shù)，則是利用厭氧微生物作用進行含油廢水處理的技術(shù)，按處理設(shè)備，分為厭氧接觸法、厭氧生物濾池、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等處理方法。這兩類生物處理技術(shù)在有機物負荷、污泥產(chǎn)率，能耗、營養(yǎng)物需要量、應(yīng)用范圍，對水溫適應(yīng)性、啟動時間以及處理效果各方面作用不同，相對來說，好氧生物技術(shù)在處理效果上較厭氧處理技術(shù)好，但兩者各有其優(yōu)缺點，單純采用一種技術(shù)難以達到理想效果。因此，結(jié)合使用兩種處理技術(shù)進行含有廢水處理變得較為普遍，遵照分級處理程序，先采用厭氧技術(shù)進行初步處理，利用好氧工藝進行處理檢驗和再處理，以確定合理的技術(shù)過程。

（二）實例

學者對含油廢水處理技術(shù)的綜合研究表明，油田污水的處理方法很多，如物理法、化學法等，這兩種方法都能夠獲得一定的處理效果，但存在較多劣勢，前者成本高，后者由于投入了化學藥劑極易產(chǎn)生二次污染。相比之下，生物處理技術(shù)的經(jīng)濟性、適用性最強，對于大規(guī)模污水處理收到較好效果。在國內(nèi)許多油田得到應(yīng)用，以下對應(yīng)用該技術(shù)的油田及其廢水處理工藝作基本介紹：1.勝利油田王家崗廢水處理站，該站點建成投產(chǎn)于2002年，利用美國公司菌種，由油田自行設(shè)計完成占廢水總量約為70%的含油廢水處理工程。其技術(shù)處理過程為：含油廢水—接收罐—兩級大罐沉降—溶氣浮選—混合池—接觸氧化池—沉淀池—計量排放。該站經(jīng)過生物處理技術(shù)的廢水指標滿足國家廢水排放標準。2.大港油田東二廢水處理站，該站用美國公司RBC菌種，借助容積為2700m3的接觸氧化池每天處理上萬立方的廢水。其廢水處理技術(shù)過程為：兩級沉降—過濾—隔油—接觸氧化池—緩沖池—氧化塘—排放。經(jīng)處理后的廢水符合國家要求排放標準。3.冀東油田高一聯(lián)廢水處理站；該站同樣建成并投產(chǎn)于2002年，該工程采用石油大學技術(shù)每天實際處理的廢水量約3600m3，僅小于設(shè)計處理能力400m3，其廢水處理技術(shù)過程為：兩級大罐沉降—過濾—緩沖罐—泵提升—冷卻塔—均質(zhì)池—厭氧池—中沉池—接觸氧化池—二沉池—緩沖池—提升—排放。對外排水質(zhì)的驗收報告平均數(shù)據(jù)進行處理，表明廢水排放符合國家標準。

二、含油廢水生物處理技術(shù)方法

隨著油田開采力度加大，采油技術(shù)也在不斷發(fā)展，前后經(jīng)歷了天然能量動力、人工注水方式、改變注入水特性這三次采油變化。目前較普遍采用以人工注水方式保持地層壓力，以及通過改變注入水的特性提高采油率的后兩種采油方式。由于經(jīng)電脫水、分離出來的“油田污水”成分復雜，除含原油以外，還溶有各種有害雜質(zhì)，因此，選取生物處理技術(shù)對廢水進行處理，方法有：1.曝氣生物濾池組合工藝法，該方法是在微生物氧化分解作用，填料及生物膜的吸附阻留作用和食物鏈分級捕食作用以及反硝化作用下共同完成的。相比傳統(tǒng)的活性污泥法，具有生物濃度、有機負荷高，占地面積小，過程簡單，成本投入低，抗溫性好，菌群組成合理，耐沖擊性等優(yōu)點。包括：1）膜生物反應(yīng)器—曝氣生物濾池法，它能夠高效快速過濾超濾膜，同時有效降解高濃度活性污泥生物，且不借助二沉池和污泥回流系統(tǒng)，具有成本小、能耗低以及處理效果好等優(yōu)點。2）超聲氣浮—BAF法，在羥基自由基氧化、氣泡內(nèi)高溫熱解和超臨界水氧化三種因素作用下，利用聲化學這一邊緣科學，在大于20Hz的超聲波條件下，提高化學反應(yīng)速率，超聲波有促進有機污染物降解和提高廢水的可生化性的功能，但單獨應(yīng)用時去除廢水中有毒物質(zhì)的能力不高。3）A/O—BAF法，此方法模式是“隔油/氣浮/二級生化”，處理效果不甚理想。2.氧化溝，氧化溝是在20世紀中期由荷蘭開發(fā)的一種污水處理工藝，它是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上進行改造生成的，污水和活性污泥的混合液可在溝渠形的曝氣池中循環(huán)流動。其技術(shù)過程簡單，處理效果良好，排放水達標。3.人工濕地，該方法處理污水最初是借助蘆葦之類的人工濕地凈化污水，去除其中大量有機和無機物。經(jīng)過發(fā)展，演變?yōu)槔没|(zhì)、微生物和植物，在生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物協(xié)調(diào)作用下，通過過濾、吸附、吸收和分解等一些列過程來凈化廢水，實現(xiàn)廢水無害化處理目標。同時通過生物地球化學循環(huán)，有利于綠色植物生長。它在出水水質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)去除能力、成本費用、技術(shù)含量、綜合管理方便等方面具有明顯優(yōu)勢。4.氧化塘，將各類微生物和藻類置于氧化塘中，發(fā)生氧化反應(yīng)后，去除有機污染物，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機物。研究表明，它對油、酚類有機物、硫化物等的去除效果都較好。5.特種菌類處理，在污水生物處理中，很多細菌具有特殊功能，這些菌類經(jīng)過分離、培養(yǎng)后，對有機物處理有良好效果。

三、生物處理技術(shù)的主要問題及趨勢

目前采用高效降解菌的生物深度處理技術(shù)在含油廢水深度處理領(lǐng)域的研究已取得很大進展，但未來發(fā)展中仍存在以下問題，需要重視。體現(xiàn)在：1.由于含油廢水所含有機物復雜、繁多的特性，需要結(jié)合各種方法，優(yōu)化各步處理技術(shù)，再找出一套綜合工藝，滿足深度處理技術(shù)高效處理廢水的要求。2.提高含油廢水深度處理器殊菌的濃度與活性。在了解含油廢水成分組成的基礎(chǔ)上，分離、培養(yǎng)各篩選優(yōu)勢菌種，監(jiān)測該菌的最佳降解條件。根據(jù)反饋信息，提高凈化效率。3.基于生物工程技術(shù)的處理效果，創(chuàng)新技術(shù)。提高更有效處理含油廢水的可能性。

國外處理采油廢水的技術(shù)已經(jīng)由單一利用一種方法轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N方法結(jié)合使用，出現(xiàn)了物理化學方法與生物技術(shù)綜合運用，提高了廢水處理效率和達標度。而國內(nèi)多利用二次、三次采油工藝處理廢水，相對較落后，不能達到理想的處理效果，為對油田中這種難降解含油廢水進行處理，生物深度處理技術(shù)成為國內(nèi)油田采油廢水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

參考文獻

篇6

目前，用于土壤重金屬污染治理的方法包括物理修復、化學修復和生物修復。物理修復、化學修復雖能達到一定的效果，但是能耗大、二次污染等問題也限制了其應(yīng)用[1]，尤其對于大面積有害的低濃度重金屬污染，更是難以處理。重金屬污染土壤的原位生物修復是利用各種天然生物過程而發(fā)展起來的一種現(xiàn)場處理土壤環(huán)境污染的技術(shù)，可利用生物削減土壤中重金屬含量或降低重金屬毒性[2]。根據(jù)修復主體的不同，它主要分為微生物修復、植物修復和植物-微生物聯(lián)合修復。微生物修復較物理修復、化學修復有著無可比擬的優(yōu)越性，操作簡單、處理費用低、效果好，對環(huán)境不會造成二次污染，可以就地進行處理等，具有很大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

1.微生物修復機理

重金屬對人的毒性作用常與它的存在狀態(tài)有密切的關(guān)系。一般地說，金屬存在形式不同，其毒性作用也不同。微生物不能降解和破壞重金屬，但可以對土壤中的重金屬進行固定、移動或轉(zhuǎn)化，改變它們在土壤中的環(huán)境化學行為，可促進有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性，從而達到生物修復的目的。

1.1 微生物的轉(zhuǎn)化作用

微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化作用包括氧化還原作用、甲基化與去甲基化作用以及重金屬的溶解和有機絡(luò)合配位降解。土壤中的一些重金屬元素可以多種價態(tài)和形態(tài)存在，不同價態(tài)和形態(tài)的溶解性和毒性不同，可通過微生物的氧化還原作用和去甲基化作用改變其價態(tài)和形態(tài)，從而改變其毒性和移動性。

1.1.1 氧化還原作用

微生物可通過改變重金屬的氧化還原狀態(tài)，使重金屬化合價發(fā)生變化，改變重金屬的穩(wěn)定性。Silver等[3]提出，在細菌作用下氧化還原是最有希望的有毒廢物生物修復系統(tǒng)。微生物能氧化土壤中多種重金屬元素，某些自養(yǎng)細菌如硫-鐵桿菌類 （Thiobacillus ferrobacillus）能氧化As、Cu、Mo和Fe等，假單孢桿菌屬 （Pseudomonas）能使As、Fe和Mn等發(fā)生生物氧化，降低這些重金屬元素的活性。微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化作用常見的有對鉻、汞、硒和砷等的轉(zhuǎn)化。如假單胞菌（ Pseudomonadsp.） 可以把六價鉻還原為三價鉻，從而降低其毒性[4]。

1.1.2 甲基化與去甲基化作用

微生物可通過改變重金屬的甲基化和去甲基化作用改變重金屬的環(huán)境效應(yīng)。Fwukowa從土壤中得到假單胞桿菌K-62，它能分解無機汞和有機汞而形成元素汞，元素汞的生物毒性比無機汞和有機汞低得多。Frankenber等通過耕作、優(yōu)化管理、施加添加劑等來加速硒的原位生物甲基化，使其揮發(fā)而降低硒的毒性，此生物技術(shù)已在美國西部灌溉農(nóng)業(yè)中用于清除硒污染[5]。有些真菌和細菌能使無機As轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機As，從而降低其毒性[6]。

1.1.3 重金屬溶解或配位絡(luò)合作用

一些微生物，如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，能夠產(chǎn)生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團，與重金屬離子形成絡(luò)合物。如Bargagli在Hg礦附近土壤中分離得到很多高級真菌，一些菌根種和所有腐殖質(zhì)分解菌都能積累Hg達到100 mg/kg土壤干重[7]。

1.2 微生物的積累和吸著作用

土壤中重金屬離子有5種形態(tài)：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)。前3種形態(tài)穩(wěn)定性差，后2種形態(tài)穩(wěn)定性強。重金屬污染物的危害主要來自前3種不穩(wěn)定的重金屬形態(tài)[6]。微生物固定作用可將重金屬離子轉(zhuǎn)化為后兩種形態(tài)或積累在微生物體內(nèi)，從而使土壤中重金屬的濃度降低或毒性減小。微生物固定作用有胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞內(nèi)積累作用3種形式。其作用方式有以下幾種：①金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；②細菌胞外多聚體；③金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他金屬結(jié)合蛋白；④鐵載體；⑤真菌來源物質(zhì)及其分泌物對重金屬的去除[8]。

1.2.1 胞外吸附作用

胞外吸附作用主要是指重金屬離子與微生物的產(chǎn)物或細胞壁表面的一些基團通過絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價吸附等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過程[2]。許多研究表明細菌及其代謝產(chǎn)物對溶解態(tài)的金屬離子有很強的絡(luò)合能力，這主要因為細菌表面有獨特的化學組成。細胞壁帶有負電荷而使整個細菌表面帶負電荷，而細菌的產(chǎn)物或細胞壁表面的一些基團如-COOH、-NH2、-SH、-OH等陰離子可以增加金屬離子的絡(luò)合作用[9]。研究表明，許多微生物，包括細菌、真菌和藻類可以生物積累（bioaccumulation）和生物吸著 （biosorption）環(huán)境中多種重金屬和核素[10]。一些微生物如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，能夠產(chǎn)生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團，與重金屬離子形成絡(luò)合物。

1.2.2 胞外沉淀作用

胞外沉淀作用指微生物產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物與重金屬結(jié)合形成沉淀的過程。在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌中的脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）和腸狀菌屬（Desulfotomaculum）可還原硫酸鹽生成硫化氫，硫化氫與Hg2+形成HgS沉淀，抑制了Hg2+的活性[11]。某些微生物產(chǎn)生的草酸與重金屬形成不溶性草酸鹽沉淀。

1.2.3 胞內(nèi)積累作用

胞內(nèi)積累作用是指重金屬被微生物吸收到細胞內(nèi)而富集的過程。重金屬進入細胞后，通過區(qū)域化作用分布在細胞內(nèi)的不同部位，微生物可將有毒金屬離子封閉或轉(zhuǎn)變成為低毒的形式[12]。微生物細胞內(nèi)可合成金屬硫蛋白，金屬硫蛋白與Hg、Zn、Cd、Cu、Ag 等重金屬有強烈的親合性，結(jié)合形成無毒或低毒絡(luò)合物。如真菌木霉、小刺青霉和深黃被包霉通過區(qū)域化作用對Cd、Hg都有很強的胞內(nèi)積累作用[13]。研究表明，微生物的重金屬抗性與MT積累呈正相關(guān)，這使細菌質(zhì)粒可能有抗重金屬的基因，如丁香假單胞菌和大腸桿菌均含抗 Cu基因，芽孢桿菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn基因，產(chǎn)堿菌含抗Cd、抗 Ni及抗Co基因，革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌中含抗As和抗Sb基因。Hiroki[14]發(fā)現(xiàn)在重金屬污染土壤中加入抗重金屬產(chǎn)堿菌可使得土壤水懸浮液得以凈化。可見，微生物生物技術(shù)在凈化污染土壤環(huán)境方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.重金屬污染土壤微生物修復技術(shù)及其研究進展

微生物修復重金屬污染的技術(shù)主要為原位修復和異位修復。微生物原位修復技術(shù)是指不需要將污染土壤搬離現(xiàn)場，直接向污染土壤投放N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和供氧，促進土壤中土著微物或特異功能微生物的代謝活性，降解污染物主要包括：生物通風法（bioventing）、生物強化法（enhanced-bioremediation）、土地耕作法（1and farming）和化學活性柵修復法（chemical activated bar）等幾種。異位微生物修復是把污染土壤挖出，進行集中生物降解的方法。主要包括預制床法（preparedbed）、堆制法（composting biorernediation）及泥漿生物反應(yīng)器法（bioslutrybioreactor）。

2.1 生物刺激技術(shù)

生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生長所需的氮、磷等營養(yǎng)元素以及電子受體，刺激土著微生物的生長來增加土壤中微生物的數(shù)量和活性。關(guān)于這方面的研究國外文獻已有報道。Reddy KR，Cutright T J對鉻污染土壤的微生物修復進行的研究表明，限制鉻污染場地修復進程的一個共同因素是污染場地通常缺乏足夠的營養(yǎng)以供引進的外來微生物或土著微生物生長，以至這些微生物自身具備的還原Cr6+的潛力得不到充分發(fā)揮；為使其潛力得到充分發(fā)揮，需向其生活的環(huán)境中投加營養(yǎng)物質(zhì)來刺激鉻還原菌的新陳代謝和繁殖，促進鉻污染土壤的修復[15]。HigginsT E將堆肥、鮮肥、牛糞、泥炭加入鉻污染土壤進行原位修復，提高了修復效果[16]。

2.2 生物強化技術(shù)

生物強化技術(shù)即向重金屬污染土壤中加入一種高效修復菌株或由幾種菌株組成的高效微生物組群來增強土壤修復能力的技術(shù)。所加入的高效菌株可通過篩選培育或通過基因工程構(gòu)建，也可以通過微生物表面展示技術(shù)表達重金屬高效結(jié)合肽，從而得到高效菌株。

2.2.1 高效菌株篩選

高效菌株有2個來源：一是從重金屬污染土壤中篩選；二是從其他重金屬污染環(huán)境中篩選。從重金屬污染土壤中篩選分離出土著微生物，將其富集培養(yǎng)后再投入到原污染的土壤，這是本土生物強化技術(shù)（本土生物強化技術(shù)是由日本科學家Ueno A等人于2007年首次提出的[17]）。篩選、富集的土著微生物更能適應(yīng)土壤的生態(tài)條件，進而更好地發(fā)揮其修復功能。目前已從Cr（VI）、Zn、Pb污染土壤中篩選分離出菌種Pseudo-monasmesophillca和maltophiliaP，Barton等對這2種菌株去除Se、Pb毒性的可能性進行了研究，發(fā)現(xiàn)上述菌種均能將硒酸鹽、亞硒酸鹽和二價鉛轉(zhuǎn)化為不具毒性且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠態(tài)硒與膠態(tài)鉛。Robinson等研究了從土壤中篩選的4種熒光假單胞菌對Cd的富集與吸收效果，發(fā)現(xiàn)這4種細菌對Cd的富集達到環(huán)境中的100倍以上[1]。

2.2.2 基因工程菌構(gòu)建

基因工程可以打破種屬的界限，把重金屬抗性基因或編碼重金屬結(jié)合肽的基因轉(zhuǎn)移到對污染土壤適應(yīng)性強的微生物體內(nèi)，構(gòu)建高效菌株。由于大多數(shù)微生物對重金屬的抗性系統(tǒng)主要由質(zhì)粒上的基因編碼，且抗性基因亦可在質(zhì)粒與染色體間相互轉(zhuǎn)移，許多研究工作開始采用質(zhì)粒來提高細菌對重金屬的累積作用，并取得了良好的應(yīng)用效果[18]。

2.2.3 微生物表面展示技術(shù)

微生物表面展示技術(shù)是將編碼目的肽的DN段通過基因重組的方法構(gòu)建和表達在噬菌體表面、細菌表面（如外膜蛋白、菌毛及鞭毛）或酵母菌表面（如糖蛋白），從而使每個顆粒或細胞只展示一種多肽[19]。微生物表面展示技術(shù)可以把編碼重金屬離子高效結(jié)合肽的基因通過基因重組的方法與編碼細菌表面蛋白的基因相連，重金屬離子高效結(jié)合肽以融合蛋白的形式表達在細菌表面，可以明顯增強微生物的重金屬結(jié)合能力，這為重金屬污染的防治提供了一條嶄新的途徑。

LamB、冰晶蛋白、凝集素、a-凝集素和葡萄球菌蛋白A都是表面蛋白，在微生物表面展示技術(shù)中用來定位、錨定外源多肽[20-21]。Sousa C等將六聚組氨酸多肽展示在E.coliLamB蛋白表面，可以吸附大量的金屬離子，重組菌株對Cd2+的吸附和富集比E.coli大11倍[22]；Xu Z、Lee S Y將多聚組氨酸（162個氨基酸） 與Omp C融合，重組菌株吸附Cd的能力達32 mol/ g干菌[23]；Schembri M A等將隨機肽庫構(gòu)建于E.coli 的表面菌毛蛋白FimH粘附素上，經(jīng)數(shù)輪篩選和富集，獲得對PbO2、CoO、MnO2、Cr2O3具有高親和力的多肽[24]；KurodaK、UedM將酵母金屬硫蛋白（YMT） 串聯(lián)體在酵母表面展示表達后，四聚體對重金屬吸附能力提高5.9倍，八聚體提高8.7倍[25]。表面展示技術(shù)用于重金屬污染土壤原位修復的研究雖然取得了許多成果，但離實際應(yīng)用尚有一段距離。其主要原因是用于展示金屬結(jié)合肽的受體微生物種類及適應(yīng)性有限，并且缺乏選擇金屬結(jié)合肽的有效方法[19]。

3. 結(jié)論與展望

從目前來看，微生物修復是最具發(fā)展和應(yīng)用前景的生物修復技術(shù)，人們在微生物材料、降解途徑以及修復技術(shù)研發(fā)等方面取得了一定的研究進展，并展示了一些成功的修復案例。但重金屬污染土壤原位微生物修復技術(shù)目前還存在以下幾個方面的問題：（1）修復效率低，不能修復重污染土壤。（2）加入到修復現(xiàn)場中的微生物會與土著菌株競爭，可能因其競爭不過土著微生物，而導致目標微生物數(shù)量減少或其代謝活性喪失。（3）重金屬污染土壤原位微生物修復技術(shù)大多還處于研究階段和田間試驗與示范階段，還存在大規(guī)模實際應(yīng)用的問題。（4）微生物個體微小，難以從土壤中分離；重金屬回收困難。

污染場地應(yīng)用是各種生物修復技術(shù)研發(fā)的最終目的。一般說來，實驗室的微生物修復研究，因修復條件較為理想化，擾因素極少，其修復可能很好。如一旦將室內(nèi)的微生物修復技術(shù)放大到現(xiàn)場條件下，干擾因素復雜，一系列的新問題可能會出現(xiàn)，甚至可能會遭致完全否定等現(xiàn)象。因此，微生物修復技術(shù)的場地應(yīng)用是一項復雜的系統(tǒng)工程，必須融合環(huán)境工程、水利學、環(huán)境化學及土壤學等多學科知識，創(chuàng)造現(xiàn)場的修復條件，如土地翻耕、農(nóng)藝措施、添加物質(zhì)、高效微生物、植物修復，季節(jié)更替等，構(gòu)建出一套因地因時的污染土壤田間修復工程技術(shù)。

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篇7

合成生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷更新發(fā)展為人類社會所存在的一些較為難以突破的問題尋求到解決的方案，并且起到實質(zhì)性的作用。合成生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)簡而言之就是利用合成生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，合成生物技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)就是基因、細胞這些微小單位，在此基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的研究，主要研究方向就是生物產(chǎn)業(yè)的設(shè)計化、工程化，將基因與計算機編程、網(wǎng)絡(luò)等相結(jié)合，進行各種傳感性研究以及細胞編程的定向進化等，其對于社會的進一步發(fā)展有較為重要的導向作用。但其發(fā)展中的問題層出不窮，對于社會倫理、社會環(huán)境而言都是巨大的挑戰(zhàn)。我國對于合成生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展制定了一套合理科學的戰(zhàn)略方針，針對其出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的政策進行限制。

1 合成生物學技術(shù)

合成生物學技術(shù)主要包括生物能源、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥等方面，合成生物學技術(shù)的發(fā)展可以促進我國生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展。現(xiàn)階段合成生物學技術(shù)在發(fā)展過程中存在很多問題，對其快速發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響。目前，合成生物學技術(shù)在發(fā)展過程中產(chǎn)生了一套適合其發(fā)展的模式，本文主要對以下三個方面進行分析：

1.1 發(fā)展合成生物學技術(shù)發(fā)展的原因

合成生物學技術(shù)需要快速發(fā)展的原因是為了有效地滿足人們的精神及物質(zhì)需求，就是在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的現(xiàn)階段有效地增強人們的壽命及身體健康和對精神的需求有所提高；采用或者引用新技術(shù)有效的改善現(xiàn)階段環(huán)境的嚴重污染。在這樣的背景下，合成生物學技術(shù)就必須快速發(fā)展，成為我國現(xiàn)階段發(fā)展的重要領(lǐng)域，加上人們對動植物及人類本身的研究不斷深入，合成生物學技術(shù)在研究過程中也在不斷提升，使其研究范圍也在不斷擴大。在研究過程中可以發(fā)展各種生物的作用及意義，并且可以有效地發(fā)現(xiàn)其生理及生長原理，使合成生物學技術(shù)在我國發(fā)展過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1.2 合成生物學技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的前提

在我國現(xiàn)階段，合成生物學技術(shù)發(fā)展的主要目標就是解決其在發(fā)展過程中存在的許多問題，其中存在問題的主要原因就是因為合成生物學技術(shù)嚴重影響了現(xiàn)階段自然進化的絕對性，對生物進化產(chǎn)生了人為的影響。物種出現(xiàn)變異或者其發(fā)展方向出現(xiàn)偏差的主要原因就是因為人工生物體及生物實驗等的出現(xiàn)，合成生物學技術(shù)的出現(xiàn)嚴重地違背了生命的進化法則及生物的自然生長規(guī)律，對目前環(huán)境的自然化發(fā)展產(chǎn)生了嚴重的影響。因為人們對自然生長規(guī)律進行了過度的改造，就會嚴重破壞生態(tài)平衡，所以必須對自然生長規(guī)律的研究方向及研究范圍設(shè)置一定的方案，并且進行一定的限制，提出適應(yīng)現(xiàn)階段社會發(fā)展的戰(zhàn)略目標。

1.3 我國合成生物學技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略

現(xiàn)階段，合成生物學技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標制定的基礎(chǔ)就是自然繁衍規(guī)律、自然生長法則及我國環(huán)境的發(fā)展詳情等情況，對產(chǎn)生制定發(fā)展目標的主要原因就是促進該產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使該產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中存在的問題得到有效的解決，并具有促進該產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的作用。我國在發(fā)展該產(chǎn)業(yè)的過程中應(yīng)該遵循的主要原則就是尊重自然、尊重科學、尊重資源的有效利用及人類發(fā)展規(guī)律等原則，在這些原則的制約下可以制定有效的發(fā)展戰(zhàn)略目標，可以有效地促進我國現(xiàn)階段能源、農(nóng)業(yè)及工業(yè)的快速發(fā)展，有效地減少環(huán)境的污染，促進合成生物學技術(shù)的快速發(fā)展。

2 生物功能元件

2.1 生物功能元件的設(shè)計、合成和功能表征

眾所周知，生命的形態(tài)呈現(xiàn)多樣性，其可以合成現(xiàn)有的有機化合物為新的生命系統(tǒng)。目前，所謂的遺傳信息具有編輯性的特點，為創(chuàng)造新的生命系統(tǒng)提供可靠的保證，合成生物學的基礎(chǔ)就是生物功能元件，是一種最小的生物元件，并且具有特定的功能，是氨基酸與核苷酸序列進行不同組合，形成一種復雜的系統(tǒng)。在理論上，任何有機化合物和新種的合成可以通過生物功能組件的設(shè)計和組合來實現(xiàn)。另外，使用新核酸及非天然氨基酸的開發(fā)，對遺傳密碼子表進行不斷擴張，可以有效地擴大新品種的合成及化合物的使用范圍。伴隨著現(xiàn)階段DNA合成技術(shù)的商業(yè)化及不斷發(fā)展，基因原件的保真性及質(zhì)量的不斷提高，同時其成本也在不斷降低，為合成大量的基因原件提供便利，而且通過使用高通量篩選技術(shù)可以有效地加強人員對基因原件的選擇。

2.2 生物功能元件的標準化

目前，伴隨著合成生物學的快速發(fā)展，人們需要對生物學的功能原件進行規(guī)劃。1996年，Rebatchouk等通過克隆的方式有效地建立了基因元件庫，但是當時這項工程并沒有引起行業(yè)人員的注意。2003年，Kight在麻省理工學院提出了“生物磚”概念。現(xiàn)階段，許多科研院也在開始使用規(guī)范的基因元件庫進行生物系統(tǒng)和生物裝置的監(jiān)理。所謂的生物磚就是對生物功能組件的標準化進行不斷嘗試，簡單而言就是單個的積木通過不同的方式進行排列組合，可以組成許多不同結(jié)構(gòu)的形態(tài)，通常情況下，生物磚的基礎(chǔ)元件主要包括調(diào)節(jié)序和編碼序列，如核糖體結(jié)合位點、終止子及啟動子。2003年，通過麻省理工學院建立了標準生物元件庫，現(xiàn)階段應(yīng)該收集了3400多件基因元件有效的應(yīng)用與組裝生物系統(tǒng)和生物裝置。這些標準化元件一般都來自于每年參加國際遺傳工程機器設(shè)計競賽、科學家個人和學術(shù)研究機構(gòu)等團隊。每個單獨的元件都有自己的編碼，其中還有建造者、使用者、序列及功能等資料，這些資料都是公開的，可以免費使用。

2.3 生物功能元件的組裝

合成生物學技術(shù)的主要特點就是對基礎(chǔ)元件進行重新的排列組合，得到不同的系統(tǒng)及相關(guān)的裝置，但是因為人們發(fā)展研究的限制及生命系統(tǒng)的復雜性，合成生物學技術(shù)不能像建筑工程及其他學科的項目一樣，對具有特定功能的元件進行排列組合，就可以得到應(yīng)有的效果及功能，同時需要對各個元件、裝置及設(shè)備之間進行不斷優(yōu)化及調(diào)試；同時最為主要的影響因素還有底盤、裝置及元件，而在這個過程中，使用系統(tǒng)生物學分析方法和高通量的測試方法對其進行優(yōu)化和試配。通過使用計算機輔助動態(tài)仿真技術(shù)，對構(gòu)建的模型進行不斷的預測，并對其進行優(yōu)化，這樣可以有效地降低模型的測試工作量，有效地加快模型的構(gòu)建進度，對構(gòu)建模型的過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行重新組合、預測其功能，可以有效地構(gòu)建出接近自然生物系統(tǒng)的模型，最終得到最佳的施工方案。

3 DNA合成與組裝技術(shù)

3.1 DNA合成

DNA化學合成的主要成分就是基因合成和寡核苷酸合成。寡核苷酸合成通常情況下是使用固相亞磷酸胺三酯法，原料為核苷酸單體，經(jīng)過脫保護、偶聯(lián)、封閉與氧化四個循環(huán)反應(yīng)的過程進而得到的。這種方法通過一定的優(yōu)化措施，以1/200的錯誤率最多可以有效地合成200～300nt的寡核苷酸序列。在20世紀90年代初期，促使實現(xiàn)寡核苷酸的高通量合成的主要因素就是芯片技術(shù)。但是因為“邊緣效應(yīng)”及“脫嘌呤”現(xiàn)象的出現(xiàn)，對合成序列的正確性產(chǎn)生了一定的影響。由于CustomArray開發(fā)的通過半導體電化學酸合成與Agilent開發(fā)的通過噴墨打印技術(shù)的芯片合成后，有效地改善了出錯率，與柱式的合成相當。但是這種方式的單次合成數(shù)量是柱式合成數(shù)量的100～10000倍，所以可以有效地降低DNA的合成成本。

3.2 不同尺度的DNA組裝方法

為了對合成基因序列的可靠性進行控制，通常情況下DNA的合成長度不能超過5kb，而更大尺度的DNA分子可以通過最新的DNA組裝方法實現(xiàn)。除了傳統(tǒng)的克隆分類的方法，現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了體外DNA組裝、聚合、連接或同源重組原理等多種體內(nèi)的新方法。這些方法被大量使用，促使DNA組裝不管是效率還是尺度都得到了快速的

發(fā)展。

2008年，Venter研究組有效地完成了580kb生殖道支原體的人工建立，并在2010年實現(xiàn)了人造生命的重頭合成方式，有效地促進了現(xiàn)階段合成生物學的快速發(fā)展。在這一發(fā)展過程中，除了依靠低成本及高通量的基因合成方法外，主要使用酵母體內(nèi)拼接及Gibson組裝的方法進行開發(fā)，通過這種方法，有效地實現(xiàn)多個片段的一次性無痕拼接，其現(xiàn)階段組裝尺度最大為580kb。

綜上所述，現(xiàn)階段，合成生物學技術(shù)出現(xiàn)及快速發(fā)展與人類認知及自然科學方法息息相關(guān)。自然科學方法主要是從細胞、個體、分子到群體等多個方面指導人們對自然的認識，有效地揭示規(guī)律、生命及機制，隨著人們對自然認知的不斷深入，人類的認知不能滿足自然的傳統(tǒng)描述，所以合成生物學就會逐漸出現(xiàn)。同時，合成生物學是工程實踐的前提，是理解和分析自然生命系統(tǒng)的關(guān)鍵，對生物系統(tǒng)、裝置的特征進行分析，從而出現(xiàn)簡單的生物裝置及元件的設(shè)計、組成標準化的規(guī)律及原則，然后指導人工生命生命系統(tǒng)的設(shè)計和施工。另外，屬性合成生物學的設(shè)計和建設(shè)的“自下而上”的正向工程理念和“標準化”“復雜的系統(tǒng)脫鉤”和“抽象”的理念，這與傳統(tǒng)的生命科學研究存在一定的差異，而且合成生物學家的指導，導致設(shè)計和建造的城市標志性建筑的路標。同時組件、系統(tǒng)和壽命設(shè)計與施工可以系統(tǒng)地深入和了解生命的本質(zhì)規(guī)律，從而可以有效地指導應(yīng)用性及工程化的設(shè)計及建造，這是合成生物學的一個重要理論。

參考文獻

篇8

中圖分類號：X793 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行業(yè)工業(yè)廢水的排放量也在逐漸增加。其中，造紙工業(yè)排放的廢水對水環(huán)境造成了嚴重的污染。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國10000多家的大中小型造紙企業(yè)，每年就會排出40多億t的污水，占到了全國廢水排放總量的十分之一[1]。2010年，造紙廢水CODCr排放95.2萬t約占輕工行業(yè)CODCr排放總量47%[2]，對生態(tài)環(huán)境造成難以想象的破壞后果。對此，對新型的有效治理造紙廢水污染的方法以及途徑進行探索和研究，是非常具有研究意義和現(xiàn)實意義的。

1 造紙廢水的來源和特點

其生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生廢水，但主要來自于中段水、紙機白水以及蒸煮液[3]。提取黑液后漿料在洗滌、篩選、漂白的過程中排出來的廢水，就是中段水，這種廢水成分復雜，且富含對環(huán)境危害較大的有機氯化物。紙機白水中主要有細小纖維、填料和膠料（松香等）。酸法制漿的紅液或堿法制漿的黑液叫蒸煮液，在整個造紙工業(yè)污染中占90%。堿法制漿是我國造紙業(yè)普遍采用的，其主要成分是纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、單糖、有機酸和碳水化合物的降解產(chǎn)物等。

2.造紙廢水生物處理技術(shù)

化學方法、物理方法、生物法、物化方法等，是目前國內(nèi)外造紙污水處理的主要方法。近幾年，得到人們重視的膜分離、超臨界分離、磁分離、超聲波分離等物化處理法因比較昂貴，處理效率不高，應(yīng)用比較有限。而操作方便、運行費用相對較低、沒有二次污染等優(yōu)點的生物處理法，則越來越受重視。

2.1好氧處理技術(shù)

指借助于好氧或兼性厭氧微生物在有溶解氧的情況下來分解、吸收有機物，使之被氧化成簡單的無機物，污水得到凈化。當前，活性污泥法和生物膜法等好氧生物法是國內(nèi)外用來處理造紙廢水的方法。

處理效果較好且成本低的活性污泥法既能去除部分色度，還能分解大量有機物質(zhì)，易于管理是我國最常用的好氧處理方法。崔延瑞等[4]采用序批式活性污泥法處理堿法草漿造紙廢水，COD的去除率高達80%。張述林[5]等采用混凝與低氧―好氧兩段活性污泥法來處理某造紙廠COD為6230mg/L的綜合廢水，可達93.8%的COD去除率。

生物膜法是指微生物附著在介質(zhì)表面上形成生物膜，且在不斷繁殖生長的同時，還能對污水中的有機污染物進行降解吸收，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機物和原生質(zhì)，從而達到凈化污水的作用。此方法剩余污泥量少且不會產(chǎn)生污泥膨脹，占地少，運行管理方便。Chandler等[6]通過塑料填料，利用兩級生物膜反應(yīng)器中試處理造紙廠廢水。結(jié)果顯示，水力有3h的停留時間，可減少93%的BOD5，出水BOD5達到7.83mg/L的平均濃度。張苗等[7]采用混凝沉淀協(xié)同好氧生物膜技術(shù)深度處理造紙廢水，結(jié)果顯示，效果最為顯著的就是以FeCl3為混凝劑的協(xié)同好氧生物膜技術(shù)，最高可達69.30%的色度去除率，比單獨的混凝沉淀高了3.72 %的去除率。

2.2厭氧處理技術(shù)

在專性與兼性厭氧菌的條件下，通過發(fā)酵和分解對有機物進行降解的處理技術(shù)稱為厭氧處理技術(shù)。與好氧處理技術(shù)相比，其污泥產(chǎn)量小、節(jié)省動力能耗、對營養(yǎng)物質(zhì)需求不高，且能更好地降解某些難降解有機物。殷承啟等[8]采用上流式厭氧污泥床（ UASB）處理二次纖維造紙廢水。UASB 穩(wěn)定運行時對COD的去除率可達90%以上，總硬度在50%以上以及硫酸根離子80% 以上。劉峰等[9]研究了預酸析―多孔高分子載體固定化微生物厭氧流化床（AFB）處理堿法草漿黑液的效能，結(jié)果證明，AFB對黑液進行直接處理時，發(fā)揮了其活性生物量濃度大、傳質(zhì)能力強的特點，可有效地去除COD，色度亦有所下降。采用酸析預處理利用AFB的厭氧消化功能，可去除黑液中大部分難生化降解的高分子物質(zhì)。

2.3 厭氧-好氧處理技術(shù)

造紙廢水因難降解有機物成分多、污染物濃度高、廢水流量和負荷波動大、有較差的可生化性能等，用好氧處理效果不好且能耗大。因此，利用厭氧-好氧組合處理工藝進行處理。首先，能使厭氧處理技術(shù)的優(yōu)勢充分發(fā)揮，水解、酸化廢水中生化性很差的高分子物質(zhì)，成為易于進行好氧處理的較小分子或分子結(jié)構(gòu)。同時，也可對回流到厭氧池的好氧階段污泥進行較為徹底的厭氧消化，減少整個系統(tǒng)的污泥排放。該工藝結(jié)合了厭氧與好氧處理技術(shù)的優(yōu)點，具有占地面積少、處理效果好、能耗低、節(jié)省藥劑以及運轉(zhuǎn)、管理方便等優(yōu)點。

丁志芬[10]對某造紙廠應(yīng)用厭氧-好氧組合技術(shù)處理廢水的情況進行了介紹，且和好氧工藝作了比較。結(jié)果證明，厭氧-氧工藝運行電費可降低50%，且運行穩(wěn)定，其COD有機物85%都轉(zhuǎn)化為甲烷氣體了，剩余污泥量也減少了60%以上。李巡案等[11]分析了萬隆造紙廠廢水處理工程改建為厭氧-好氧工藝以及實行清潔生產(chǎn)后，污染物質(zhì)排放總量明顯減少，水質(zhì)可達到GB18918- 2002一級A標準，與原有的好氧生物處理工藝相比可節(jié)省動力約55%。

3 生物處理造紙廢水技術(shù)的研究進展

3.1 應(yīng)用白腐真菌對造紙廢水進行降解

造紙工業(yè)排放黑液COD和色度形成主要是因為木質(zhì)素，其異質(zhì)多晶三維多聚體結(jié)構(gòu)是由甲氧基取代的對-羥基肉桂酸聚合而成，分子間的醚鍵、C-C鍵很穩(wěn)定，是當前公認的微生物難降解芳香化合物之一[12]。目前，國內(nèi)大部分工廠處理造紙廢水采用傳統(tǒng)生物法應(yīng)用的微生物主要以細菌為主，并不能有效去除造紙廢水中的木素衍生物以及漂白過程中產(chǎn)生的氯酚類物質(zhì)，這便成為造紙廢水達標排放的主要障礙。

白腐真菌是目前所發(fā)現(xiàn)的對木質(zhì)素及其衍生物降解最有效的微生物。多數(shù)白腐真菌屬于擔子菌綱，少數(shù)為子囊菌綱。其中，黃飽原毛平革菌（Phanerochaete Chrysosporium）是已被廣泛研究的典型白腐真菌。

3.1.1 白腐真菌的降解機制及優(yōu)勢

白腐菌降解木質(zhì)素通常分兩步進行[13]：第一，菌體利用菌絲吸附木質(zhì)素；第二，白腐菌分泌出的酶催化氧化木質(zhì)素等污染物，主要分為細胞內(nèi)和細胞外兩過程，整個降解系統(tǒng)在主要營養(yǎng)物質(zhì)（ 碳、氮、硫） 限制條件下才得以啟動形成[14～16]。錳過氧化物酶（ Mnp）、漆酶（La）、木質(zhì)素過氧化物酶（ Lip） 均合成于細胞內(nèi)，通過分泌到細胞外對污染物進行降解。前兩者均須以H2O2為底物，漆酶以氧氣作電子受體催化形成醌及自由基。故降解污染物時，白腐菌需借助H2O2激活，由酶觸發(fā)啟動自由基鏈反應(yīng)，產(chǎn)生具有超常的氧化能力的細胞外?OH，對芳香化合物有很好的降解作用。

故白腐菌在降解污染物上所有具有的優(yōu)點是其他生物系統(tǒng)尤其是細菌沒有的[14]：（1）特定污染物不需要預條件化：處理系統(tǒng)以細菌為主的，誘導合成所需的降解酶須預先置于一定有效濃度的污染物。白腐真菌降解酶的誘導與降解底物的有無多少無關(guān)。（2）動力學優(yōu)勢：細菌對化學物的降解多為酶促轉(zhuǎn)化，遵循米氏動力學。初始氧化反應(yīng)的酶經(jīng)白腐真菌催化啟動對底物沒有真正意義上的Km值，對氧化產(chǎn)物的形成有利。（3）產(chǎn)生氧化能力極強的?OH （4）有毒污染物不必進入細胞內(nèi)代謝而在其細胞外即可有效降解。可忍受高濃度有毒污染物的同時，避免有毒污染物對細胞的毒害。（5）非專一性降解的特性：能降解大量結(jié)構(gòu)不同的化學物質(zhì)。（6）對營養(yǎng)物的要求低。

3.1.2 白腐菌在造紙廢水中的應(yīng)用

從上述可知白腐真菌在治理造紙廢水方面有極大的研究價值。吳涓等[17]比較了幾株白腐真菌在造紙黑液廢水中的掛膜生長狀況及其對黑液廢水的處理效果。黃孢原毛平革菌、側(cè)耳菌和S22菌都可以在較強堿性的廢水中生長掛膜，且對木質(zhì)素有顯著的降解作用，有很強的適應(yīng)廢水的能力。李雪芝等[18]用8株不同的白腐菌對造紙廢水進行處理，選出的白腐菌L02處理效果是最好的。該菌株可直接應(yīng)用于造紙廢水的處理，大幅度降低廢水CODCr含量（降低84%以上）、廢水的色度（降低93%以上）以及廢水的pH值。路忻[19]采用序列間歇式活性污泥法（SBR）法利用白腐菌共代謝理論分析及處理試驗研究含木質(zhì)素的造紙廢水。結(jié)果表明，相同進水COD濃度和水力停留時間，與單純好氧生物處理相比，共代謝作用下好氧處理的COD去除率要高得多，有約30%的提高率。

3.2 生物酶技術(shù)

白腐菌降解木質(zhì)素，是通過其分泌的酶的作用來實現(xiàn)。相較于錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化酶，在白腐菌木質(zhì)素降解酶系統(tǒng)中，漆酶的實際應(yīng)用價值更大一些。首先，木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶產(chǎn)生的條件是限碳和氮的。而漆酶可在碳和/或氮存在條件下由菌體分泌[20]。其次，木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶只在系統(tǒng)存在H2O2時，才可降解有機污染物，這在現(xiàn)實情況下很難實現(xiàn)的。最后，重要的還在于漆酶具有780 mV氧化還原電位，在不存在H2O2和其它次級代謝產(chǎn)物時，有機污染物的氧化也能夠被催化。所以，在環(huán)境保護和生物技術(shù)方面，漆酶的應(yīng)用潛力是非常巨大的。

據(jù)林鹿等人[21]研究通過漆酶進行去除桉木硫酸鹽漿CEH漂白廢水時發(fā)現(xiàn)，它可以把廢水中有毒物質(zhì)去除掉40%以上。造紙廢液中有機氯化物用漆酶處理，具有高效能的催化作用，反應(yīng)條件溫和，對反應(yīng)設(shè)備和反應(yīng)條件要求也不高。謝益民等[22]采用雜色云芝發(fā)酵產(chǎn)生的漆酶液深度處理造紙廠二沉池出水，結(jié)果表明，經(jīng)催化氧化作用，漆酶及其介體體系可氧化聚合廢水中的大部分殘余木素。在最佳實驗處理條件下，木素、CODCr和色度的去除率分別達到82. 0%、76. 9% 和84. 9%。同時，紙漿生物漂白上的研究熱點也包括漆酶。通過酶法漂白紙漿，脫氯效果更好[23]，相對于傳統(tǒng)的氯氣漂白法所產(chǎn)生的有毒的氯酚類化合物而言，其避免了對環(huán)境的污染。

3.3 生物固定化技術(shù)

微生物固定化技術(shù)是通過化學或物理的方法，把游離酶或細胞限定在一定的空間區(qū)域內(nèi)，使其能反復利用且保持活性，利于除去高濃度有機物或某些難降解物質(zhì)。Messner等[24]利用生物滴濾器原理而開發(fā)的MYCOPOR反應(yīng)器，在多孔的載體填料上把白腐菌固定好，廢水由從頂部到載體的這個過程就能夠得到凈化了。處理6～12h，87%、80%和40%的色度、AOX和COD可去除。李朝霞等[25]采用一種新型海藻酸鈉/殼聚糖/活性炭生物微膠囊固定化白腐菌和懸浮態(tài)白腐菌，在不同接種量下降解造紙廢水。結(jié)果顯示，白腐菌在不同的兩種狀態(tài)下均能對造紙廢水進行降解，不過在代謝穩(wěn)定性和降解木質(zhì)素能力等方面，固定化白腐菌比懸浮態(tài)白腐菌明顯要強。劉帥等[26] 用固定漆酶和游離漆酶對造紙廢水進行深度處理。通過對廢水處理的效果對比，固定漆酶的優(yōu)點在于達到最佳效果的反應(yīng)時間短， 酶的穩(wěn)定性高， 溫度耐受性強，pH適應(yīng)性顯著增強。

4 結(jié)語

作為一種處理難、成分復雜的工業(yè)廢水，通過傳統(tǒng)的處理技術(shù)造紙廢水已很難滿足如今的排放要求。因此，要實現(xiàn)極大減少造紙廢水的排放或者實現(xiàn)零排放，需大力發(fā)展微生物處理技術(shù)。使微生物與處理技術(shù)相結(jié)合，為造紙業(yè)的綠色發(fā)展鋪平道路。

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篇9

據(jù)國家相關(guān)部門統(tǒng)計，我國城市生活污水的排放量在逐年增加，但處理能力卻十分有限，大部分生活污水未經(jīng)任何處理直接排入自然水體，對環(huán)境造成嚴重的危害。同時，由于淡水資源的缺乏，人們越來越關(guān)注生活污水回用技術(shù)的發(fā)展，在節(jié)約用水的同時積極使用生活污水作為第二水資源。因此，加強生活污水處理技術(shù)的研究具有重要的意義。

我國生活污水屬于點污染源, 是人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的污染, 主要來自家庭, 商業(yè),學校旅游服務(wù)業(yè)及其他城市功用設(shè)施, 包括廁所沖洗水, 廚房洗滌水, 洗衣機排水, 沐浴排水及其它排水等。

一、生活污水的危害性

生活污水排入水體或滲入地下水將造成污染, 微生物在分解有機物時消耗水中的氧, 當溶解氧低于3~4mg/L, 就會影響魚類的生活。當溶解氧耗盡后, 在厭氧狀態(tài)下,厭氧菌分解有機物產(chǎn)生硫化氫, 使水體黑臭, 魚蝦絕跡。據(jù)世界衛(wèi)生組織報告, 全世界80%的疾病與水有關(guān)系, 世界上每天大約有2.5 萬人因水污染引起的疾病死亡; 生活污水中的氮, 磷營養(yǎng)物質(zhì)排放到水體中, 特別是湖泊, 水庫, 將引起水體富營養(yǎng)化, 使水體在一定時間處于嚴重的缺氧狀態(tài), 使魚類大量死亡。

二、城鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù)研究

1、膜- 生物反應(yīng)器處理生活污水

鑒于膜分離技術(shù)在污水處理中通過固液分離機制去除污染物和細菌方法有獨到的優(yōu)勢，人們對膜分離技術(shù)應(yīng)用于給水和污水處理方面進行了多途徑的開發(fā)和應(yīng)用。膜分離技術(shù)（如微濾、超濾）在城市生活污水處理應(yīng)用方面也有了較大進展，已經(jīng)部分商業(yè)化用作回用水。

膜生物反應(yīng)器技術(shù), 是將膜分離技術(shù)與廢水生物處理技術(shù)組合而成的新系MBR(Membrance Biological Reactor) , 該系統(tǒng)以膜分離技術(shù)替代傳統(tǒng)二級生物處理工藝中的二沉池, 具有工藝流程簡單, 占地少, 管理方便, 處理效率高, 出水率可直接回用等特點。工藝流程如圖2:其中, 生物處理單元為接觸氧化工藝。試驗裝置為折流式水槽, 有效體積27L, 內(nèi)裝彈性立體填料, 主要性能: 絲條與中心繩材質(zhì)均為聚酰胺材料; 單元直徑為173mm; 耐熱溫膜分離單元為超濾膜分離工藝, 試驗采用外壓式中空纖維組件,膜材料為PS, 膜面積為1.1m2; 膜切割分子量30000; 工作壓力為0~0.294Mpa 。生物接觸氧化是處理生活污水的有效工藝, 可較好地對水中的非溶解性的物質(zhì)進行分離, 確保處理后的生活污水能夠達到中水回用標準, 系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 排泥很少。另外, 考慮到膜- 生物反應(yīng)器的生物特性, 可以采用無泡供氧[8]的新工藝以達到更好的去污和經(jīng)濟效果, 同時在生物處理池中也可以同時加入鐵鹽, 混凝除磷效果也很理想。

圖1 膜- 生物反應(yīng)器處理生活污水工藝流程圖

2、活性泥技術(shù)

簡單來說活性泥技術(shù)就是利用活性污泥去除水中的有機物。首先是回流的活性污泥和污水同時進入曝氣池，并將空氣打入曝氣池，使污水和活性污泥充分混合，曝氣池中微生物吸附、混合液進入二次沉淀池進行分離操作。最后就可以向外排放凈化后的水，分離出一部分活性污泥通過回流系統(tǒng)，回流至曝氣池，另一部分將從系統(tǒng)出中排出。活性泥技術(shù)的主要設(shè)備為曝氣池和二次沉淀池。由活性泥技術(shù)，還衍生出了很多更先進的方法，例如AB 法和SBR 法。在SBR 法的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了CAST 法，即循環(huán)式活性污泥技術(shù)。作為目前比較先進的污水處理技術(shù)，CAST 法具有以下幾點優(yōu)勢：1）生物選擇區(qū)的設(shè)置有助于抑制污泥膨脹。2）高效的同步硝化與反硝化。3）健全完善的生物除磷系統(tǒng)。4）抗沖擊負荷功效顯著。但是由于這種技術(shù)正處于起步階段，各方面的性能于功效還不夠完善，以此對其進行更為深入的分析研究使其在原理、操作等各方面得到不斷的發(fā)展與完善，是目前亟待解決的問題。但作為新興技術(shù)的代表，CAST 法無疑還是有很好的發(fā)展前景的，而作為其根源的活性泥法，無論從實用性還是發(fā)展?jié)摿碚f，都是目前的佼佼者。

3、生物接觸氧化法

生物接觸氧化法就是在生物接觸氧化池內(nèi)安裝一定數(shù)量的填料，為了使污水達到凈化的目的，通過填料上的生物膜和供應(yīng)的氧氣發(fā)生生物氧化作用，以此來將氧化分解廢水中的有機物。生物接觸氧化法是生物法處理廢水中的一種重要方法。生物接觸氧化法是一種高效凈化有機廢水的處理工藝。其不但具有生物膜法的特點，還具有活性泥法的優(yōu)點。該方法不但適用于處理生活污水，還適用于工業(yè)污水和養(yǎng)殖污水等，并且已經(jīng)取得了較好的處理效果和經(jīng)濟效益。生物接觸氧化法具有高效節(jié)能、耐沖擊負荷等優(yōu)點，并且被廣泛應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)中。

生物接觸氧化法是生活廢水經(jīng)過物理處理后的重要環(huán)節(jié)，也是整個處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)過生物接觸氧化法的處理，亞硝酸和硫化氰等有害物質(zhì)都可以被有效的除去，對后續(xù)的處理工藝起到重要的關(guān)鍵作用。

同一般的生物膜相比，生物接觸氧化法是以生物膜吸附廢水中的有機物，通過微生物和供應(yīng)的氧氣發(fā)生生物氧化作用，凈化廢水。一般來說，在氧化池內(nèi)的生物膜主要是由菌膠團、絲狀菌和真菌等微生物組成。生物接觸氧化法同和普通生物膜法相比，區(qū)別在于填料的應(yīng)用，也就是微生物在氧化池內(nèi)的狀態(tài)不同。例如：對于活性污泥法中的絲狀菌，是會影響生物凈化作用的因素。但是在生物接觸氧化池內(nèi)，由于填料的存在，使絲狀菌呈立體結(jié)構(gòu)，增加了與廢水接觸的表面面積，而且絲狀菌對有機物，具有氧化能力，并且適應(yīng)負荷變化較大的水質(zhì)，可以極大地提高凈化的能力。

生物接觸氧化法具有以下幾個特點：1）容積負荷高，耐沖擊負荷能力強；2）具有膜法的優(yōu)點，剩余污泥量少；3）具有活性污泥法的優(yōu)點，輔以機械設(shè)備供氧，生物活性高，泥齡短；4）能分解其它生物處理難以處理分解的物質(zhì)；5）容易管理，消除污泥上浮和膨脹等弊端。生物接觸氧化法優(yōu)點眾多，但也有幾處弊端，首先是濾料間水流緩慢，水力沖擊力小。并且生物膜只能自行脫落，剩余污泥不易排走，滯留在濾料之間容易引起水質(zhì)的惡化，影響處理效果。同時，濾料的更換和建筑物的維修比較困難。但是，隨著未來技術(shù)水平的不斷研究與發(fā)展，以上幾個問題必將得到很好的解決。

總之，這些方法由于各自具有不同的優(yōu)點和缺點, 通過科學設(shè)計、優(yōu)化組合，可望在實際應(yīng)用中獲得技術(shù)與功能上一定程度的互補, 有效降低城鎮(zhèn)生活污水的處理與運轉(zhuǎn)費用, 從而推進城鎮(zhèn)生活污水處理的技術(shù)革命。

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篇10

1.1膜分離技術(shù)的簡介

膜分離技術(shù)是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學位差的推動作用下對混合物中溶質(zhì)和溶劑進行分離，分級， 提純和富集。根據(jù)膜材質(zhì)和孔徑大小的不同，我們可以將膜分離技術(shù)分為一般微濾（MF），超濾（UF），反滲透（RO），納濾（NF）等等。

膜分離技術(shù)自從20 世紀60年代被用于工業(yè)生產(chǎn)以來，經(jīng)歷了膜材質(zhì)從大孔徑到小孔徑，推動力從重力場到多種電化學作用共同作用的發(fā)展模式。自從上世紀90年到之后TFC膜（低壓聚酰胺復合膜）的成功研制之后，膜分離技術(shù)在現(xiàn)代化工和生物工程的各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2膜分離技術(shù)的獨特優(yōu)勢

而在這些現(xiàn)代分離技術(shù)中，膜分離技術(shù)的基本原理是利用高分子薄膜的選擇透過性為分離的基本原理，以壓力差，電勢差，電滲差等為動力，以達到物質(zhì)在薄膜間的傳質(zhì)而達到分離的目的。因此在經(jīng)歷了：微孔過濾，滲析，電滲析，反滲透，超濾，氣體分離，滲透氣化等發(fā)展過程后[1]，現(xiàn)代膜分離技術(shù)具有反應(yīng)條件要求低（常溫下即可發(fā)生）；是一個物理過程，不發(fā)生化學變化所以損耗較小；膜分離過程中多以壓力差為動力（滲透壓也包括在內(nèi)）；膜的性質(zhì)穩(wěn)定的情況下膜分離系統(tǒng)可以有極大的分離范圍；膜分離過程的研究比較透徹，分離的流程控制比較容易控制從而得到更高純度的分離產(chǎn)物[2]。這些優(yōu)點都使得它在實際運用中都具有很高的價值，而被廣泛使用在工業(yè)和科研中。

1.3膜分離技術(shù)與生命科學的結(jié)合

近些年來生物領(lǐng)域飛速發(fā)展，一系列系統(tǒng)理論的建立使得生物科學向更精細更嚴謹?shù)姆较虬l(fā)展，人們對于生物制品需求擴大的同時對其的安全性可靠性的要求也越來越高。尤其是分子生物學的建立使得生命科學的范疇更加靠近生命的本質(zhì)。而隨著分子生物學的發(fā)展，它對與物質(zhì)的分離與鑒定的要求也越來越高，傳統(tǒng)的分離手段已經(jīng)無法滿足，但膜分離技術(shù)等為代表的現(xiàn)代分離技術(shù)（其特點前文已述）卻很好的迎合了他的需求，因此被廣泛的運用于科研與實際生產(chǎn)過程中。

2現(xiàn)代膜分離技術(shù)的基本過程與原理詳細

2.1膜分離技術(shù)的基本原理以及其分類

以壓力差為推動力的液體膜分離過程通常可根據(jù)分離對象的大小和膜的不同分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）。根據(jù)待分離樣品的性質(zhì)以及分離所選用薄膜的性質(zhì)尤其是薄膜的孔徑的大小還有分離純度，分離時間，分離速率等方面的要求可以有針對性的選取合適的分離方法，以達到分離預期結(jié)果[3]。

2.2膜分離技術(shù)的不同操作模式

膜分離技術(shù)原理簡單，因此它的工藝流程也便于標準化。由于待分離物質(zhì)中我們想要的目的產(chǎn)物的分子量各有不同，我們的目標產(chǎn)物最終出現(xiàn)的位置也不同：小分子物質(zhì)一般會通過薄膜最終在濾過液中富集。而大分子物質(zhì)會在膜的另一側(cè)由于無法濾過被截留在濃縮液中。為了使膜分離過程中的損耗盡可能的小，時間盡可能的短，我們會在料液中添加滲濾溶劑，它可以和小分子組分互相作用和小分子物質(zhì)一同穿過薄膜從而加速小分子物質(zhì)過膜速率，使大分子與小分子物質(zhì)的分離加速，從而解決了高濃度的溶液過膜速率過慢的問題。收集濃縮液得到其中被截留的大分子稱為濃縮。與此不同，利用滲濾溶劑進行的膜分離過程稱為滲濾。

在實際工作中二者往往搭配使用，操作過程由預濃縮、恒容滲濾和后濃縮三個階段組成：利用濃縮模式使料液的濃度上升，在過膜速率出現(xiàn)了明顯下降的時候轉(zhuǎn)化為滲濾模式，從而達到克服高濃度料液透過速率低，減少濃差極化與膜污染的目的，加快分離速率以免影響物質(zhì)活性的目的。有時為使純度達到要求還可以采用多級分離的方法從而使物質(zhì)分離的更加徹底。

在選擇具體的膜分離方式時，我們要考慮的因素有：與上下操作間的銜接，對于膜使用壽命的影響，分離效果的好壞等等。

2.3膜分離的計算模型以及效果衡量

膜分離的傳質(zhì)原理有兩個主流理論：雙模理論和溶質(zhì)穿透理論。

雙模理論認為，氣液界面間存在的氣膜和液膜集中了主要的傳質(zhì)阻力，溶質(zhì)分子在這兩個膜層內(nèi)梯度擴散，按照Fick第一定律進行計算。

其中，J為擴散速率，D為擴散系數(shù)，dC/dX為濃度梯度。

溶質(zhì)穿透理論認為，氣液兩相在接觸前都是均一的，接觸后開始互相擴散。靠近界面處溶質(zhì)濃度大。在一定時間后，液體達到均一飽和狀態(tài)，此時兩相處于動態(tài)平衡狀態(tài)。可以按照Fick第二定率計算。

其中C為濃度，t為時間，D為傳質(zhì)系數(shù)，x為離界面的間距。其中D與濃度無關(guān)，否則要修正為：

衡量膜的好壞時主要看膜的分離性能與透過性能，主要是指截留率，分離系數(shù)，濃差極化，壓密，膜污染速率等系數(shù)。但是在工藝上來說膜分離效果的衡量主要包括兩個主要參數(shù)：分離時間與分離效果（主要用小分子去除效果來衡量）。

2.3.1分離效果，以小分子去除效果為例：

公式右端是大分子物質(zhì)濃度除以小分子物質(zhì)濃度，可以用來表示小分子物質(zhì)的去除效果。

公式左端表示的過程是料液稀釋后，再濃縮至原體積，重復n次。S1與S2分別表示經(jīng)過膜前后溶液中小分子物質(zhì)的濃度。

3膜分離技術(shù)在生物科技領(lǐng)域使用的具體實例

3.1膜分離技術(shù)在小分子有機物分離過程中的應(yīng)用

常常使用膜分離技術(shù)進行分離的小分子物質(zhì)包括：多肽，氨基酸，抗生素，乳酸，低聚糖等。此處以氨基酸為例進行分析。

氨基酸的膜分離：由于氨基酸本身是兩性物質(zhì)，有自己的等電點，因此我們在分離氨基酸時往往還會調(diào)節(jié)料液的PH值，而且大多采用納濾膜以利用納濾膜的帶電性質(zhì)以達到最大分離截留效果[4]。對氨基酸分離用納濾膜分為高分子復合膜和無機陶瓷膜，其分離性能與氨基酸混合體系和操作條件有。關(guān)有人用ZrO2膜表面接枝交聯(lián)PEI的有機-無機復合納濾膜（膜的等電點為1018），進行了9種氨基酸（其中酸性2種，堿性3種，中性4種）混合物的膜分離實驗。在pH=2時，帶正電的堿性氨基酸被膜截留（透過率小于25%），而中性和酸性氨基酸的膜透過率大于85%；在pH=12時，帶負電的酸性氨基酸被膜截留（透過率小于30%），而中性和堿性氨基酸的膜透過率大于80%，由此可以看出通過改變膜電性與料液的PH值可以分離大多數(shù)的氨基酸[5]。

3. 2膜分離技術(shù)在蛋白質(zhì)分離中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是一類以復雜的混合物形式存在的生物大分子，傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)分離方法主要有萃取法、沉淀法等，這些工藝往往操作繁雜、耗時長、蛋白質(zhì)易變質(zhì)，且產(chǎn)品的回收率低、二次污染嚴重。膜分離技術(shù)則可以很好地克服傳統(tǒng)蛋白質(zhì)分離技術(shù)的缺點，有效改善產(chǎn)品質(zhì)量，還可以大大提高蛋白質(zhì)的回收率，實現(xiàn)蛋白質(zhì)的分離和純化。一般蛋白質(zhì)的膜分離會用兩張膜：一個膜孔較小，能使需要的蛋白質(zhì)全部截住，而讓小的蛋白質(zhì)透出，然后再將截留在第一張膜內(nèi)的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到孔徑較大的膜內(nèi)，截住較大的蛋白質(zhì)使所需的蛋白質(zhì)流過微孔透出，這樣使蛋白質(zhì)得到了提純，如果還有雜蛋白還可以再接著進行類似流程。比如說美國農(nóng)業(yè)部利用膜技術(shù)分離精制了霍霍巴榨油后殘渣中的蛋白質(zhì)、纖維素等成分，分離后各組分分別作為動物飼料及調(diào)節(jié)劑；還有Muller等采用 ZrO2/Al2O3無機超濾膜從酸性酪蛋白乳清中分離α-乳清蛋白，顯著提高了α-乳清蛋白的純度和產(chǎn)量[6]。

3. 3膜分離技術(shù)與膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器是一種近些年來膜技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合研究應(yīng)用于生產(chǎn)的熱門方向，主要是將微生物與膜結(jié)合控制料液在膜中的流動利用微生物的各類生化作用來起到去除料液中某些雜質(zhì)而且可以得到并分離產(chǎn)物的目的。現(xiàn)階段主要運用于污水高效處理，已經(jīng)有部分進入工廠使用。這里選擇性介紹無泡曝氣膜生物反應(yīng)器與萃取膜生物反應(yīng)器[7]。

3.3.1無泡曝氣膜生物反應(yīng)器。

生物反應(yīng)器在作用中由于大量污泥（就是大量具有強分解作用的微生物的載體）的存在其過大的需氧量一直是限制其應(yīng)用的主要原因。而無泡膜生物反應(yīng)器能很好地解決這一問題。它一般采用的是中空纖維膜，膜的一端封住，空氣或O2在膜的內(nèi)腔里流動，在濃差作用下向膜外側(cè)的活性污泥傳遞。氣體進入污水中不產(chǎn)生氣泡，而且氧的傳遞效率高達100%，可以滿足各種微生物生化反應(yīng)的需氧要求。

3.3.2萃取膜生物反應(yīng)器。

當廢水中含有對微生物有毒害作用的成分（很高濃度的鹽、很大的酸堿度或者是生物難降解的有毒有機物等）時，直接用生化法是不適宜的。

而萃取膜生物反應(yīng)器能很好處理這些廢水。萃取膜生物反應(yīng)器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內(nèi)流動，而活性污泥則在膜外流動。活性污泥中的微生物一般是針對廢水培養(yǎng)出來的專性細菌。采用的膜一般是疏水性的硅橡膠膜，且有選擇透過性，能允許揮發(fā)性有機物透過而水及無機成分則無法透過。首先污染物在膜中溶解擴散，再以氣態(tài)形式離開膜進入膜另側(cè)的混合液中，在混合液中由專性菌分解成CO2、H2O等無機小分子[8]。

3.4膜分離技術(shù)在醫(yī)藥有效成分提取中的應(yīng)用

3.5膜分離技術(shù)在釀酒中的應(yīng)用

白酒釀造過程中，如果使用傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵方法，不可避免的會產(chǎn)生甲醇，油性脂肪酸，醇油等雜質(zhì)，它們會影響產(chǎn)品口感，外觀，其中甲醇對人體有極大危害。因此這些物質(zhì)的分離會對白酒品質(zhì)產(chǎn)生極大影響。

有人研究發(fā)現(xiàn)，超濾和微濾是有效的分離此類雜質(zhì)的手段。在低酒精度下進行膜分離，可以有效的延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，改善口感，卻對其其他理化指標并不產(chǎn)生太大的不良影響（總酸總酯會有所下降）。對于清香型白酒，一般稀釋到28到30度之間過非對稱的活性炭吸附膜，之后再于低溫下保存（18攝氏度），可以有效避免失光，渾濁等現(xiàn)象，同時降低苦味辛辣味，和蒸餾產(chǎn)生的蒸煮味。

除此之外，在啤酒的發(fā)酵過程中由于采用了代謝控制發(fā)酵的方法，往往會有較高的殘?zhí)牵褂梅礉B透過濾之后，也將將有效降低殘?zhí)牵_到改良口感的效果。

3.6其他

膜分離技術(shù)還廣泛的運用于其他產(chǎn)業(yè)：高品質(zhì)飲用水的過濾，發(fā)酵廢液的再利用。

4總結(jié)

膜分離技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在已獲得巨大的成功，但仍屬于一門發(fā)展中的年輕綜合性學科。理論和應(yīng)用上都有大量的問題有待解決。比如說：膜壽命過短，易污染；料液粘度大，往往流動性較差；料液固體含量高，膜通量衰減快；膜類型不足，工藝經(jīng)驗不足等等 [3]。

總的來說膜分離技術(shù)與生物技術(shù)的結(jié)合無疑是成功的而且還是潛力巨大的，可以想象在解決了這些問題后這項技術(shù)的前景將會多么誘人。

【參考文獻】

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篇11

1 微生物發(fā)酵概述

生物發(fā)酵工程的概念較多，現(xiàn)代意義上關(guān)于生物發(fā)酵工程的理解為：在合適的pH酸堿度值、陽光照射度、培養(yǎng)基等條件上，利用微生物的一些特點，并借助一些現(xiàn)代工程技術(shù)對微生物進行生產(chǎn)，從而培育出一些能夠滿足人類進行生產(chǎn)活動的物質(zhì)，或是將微生物用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系。

微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制可以分為過程模型和控制策略。發(fā)酵過程建模如機理分析建模、黑箱建模和混合建模近年來都得到了快速的發(fā)展，而優(yōu)化控制策略方面的研究內(nèi)容與成果有：基于線性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制、基于非線性系統(tǒng)理論的優(yōu)化控制以及基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制等。微生物發(fā)酵過程控制技術(shù)的優(yōu)化決定著發(fā)酵工程的質(zhì)量與效益。傳統(tǒng)的發(fā)酵工程過程為了快速提高發(fā)酵生產(chǎn)率與發(fā)酵水平，發(fā)酵過程更側(cè)重于菌種的篩選和改造上。隨著生物科學技術(shù)的發(fā)展，基因工程與代謝工程研究領(lǐng)域都出現(xiàn)了長足的進步與發(fā)展，利用基因重組與誘發(fā)等技術(shù)可以實現(xiàn)高產(chǎn)菌株普遍生產(chǎn)。但只有通過發(fā)酵過程的優(yōu)化控制，才能實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量最高、生產(chǎn)力最大、成本消耗最低的生產(chǎn)過程，因此對微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制成為發(fā)酵工程中研究人員日益關(guān)注的焦點。

2 存在的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，微生物發(fā)酵工程面臨的一大問題是自動化控制問題。為了順利解決該難題，首先應(yīng)對微生物的不同特點有充足的了解。在科學技術(shù)快速發(fā)展的背景下，人們了解微生物的方式已經(jīng)發(fā)生了改變，已經(jīng)由原來的借助微生物形態(tài)進行表面認識，轉(zhuǎn)變?yōu)閷碗s生物學與細胞調(diào)節(jié)等方面。然而，微生物細胞較復雜，這使得生物發(fā)酵工程也變成了一類重復性差、高度非線性、慢性變、復雜的生化過程。因此，在研究過程中，不可僅從表面對生物發(fā)酵過程進行分析，而根據(jù)檢測得到的過程參數(shù)對生化發(fā)酵過程進行詳細分析。一般來說，檢測的過程參數(shù)主要包括物理參數(shù)、生物參數(shù)與化學參數(shù)這幾類。

3 生物發(fā)酵過程的在線檢測與控制技術(shù)進展分析

微生物發(fā)酵過程屬于一種生化反應(yīng)過程，主要是為了促進最終產(chǎn)物利用率的提升，確保微生物生長環(huán)境的舒適度。在舒適、適宜的環(huán)境中，有利于微生物進行有效的生長代謝，并能實現(xiàn)對微生物發(fā)酵過程的在線檢測與控制，從而提升微生物發(fā)酵產(chǎn)品的利用率，發(fā)揮其最大作用。具體來說，主要包括以下幾個方面。

（1）電機攪拌熱、冷卻水溫度、微生物發(fā)酵熱等因素，均可能影響發(fā)酵的溫度。此外，發(fā)酵罐體積大小，也會在一定程度上影響發(fā)酵溫度的控制。如果發(fā)酵罐的體積較大，往往會采用冷卻水或發(fā)酵溫度為主回路的串級控制方式；如果是體積較小的發(fā)酵罐，多采用冷卻水流量、發(fā)酵溫度為主的簡單回路控制方式。

（2）在微生物發(fā)酵過程中，生物發(fā)酵也會受溶解氧濃度的控制情況影響。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)對該方面的研究較少，僅限于了解到哪些因素會對溶解氧濃度產(chǎn)生影響。目前，影響溶解氧濃度的因素主要有：供給的空氣量、發(fā)酵罐本身的壓力、攪拌槳的轉(zhuǎn)速及形狀。

（3）在微生物發(fā)酵過程，pH酸堿度值也是影響在線檢測與控制的一個重要因素[4]。若pH酸堿度值過高或過低，微生物的生成及代謝過程都會發(fā)生變化，故必須保證酸堿度值得合適。若發(fā)酵液的酸堿度為強酸性，可通過加氧水的方法弱化其酸性；若發(fā)酵液濃度為強堿性，可通過加糖的方式弱化其堿性，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的酸堿度，直至合適。

（4）消泡控制也是影響生物發(fā)酵工程的一個重要因素。發(fā)酵前，微生物的生長往往較旺盛，而此時若加滿液料，并將攪拌槳馬達最大速度啟動，空氣通入量也加到最大，很容易導致發(fā)酵液上浮的現(xiàn)象，最終發(fā)生逃液現(xiàn)象。若發(fā)生該類情況，一般會采用雙位式控制方法進行處理，可取得較好的效果。

（5）在生物發(fā)酵過程中，補料控制也是影響發(fā)酵的一個重要因素。在發(fā)酵的進行狀態(tài)中，微生物生成代謝也會在半連續(xù)式發(fā)酵過程的變化情況下發(fā)生相應(yīng)的改變。所以，在這過程中，應(yīng)該連續(xù)不斷地為生物補充營養(yǎng)成分，保證微生物能夠按優(yōu)生物軌跡生長，才能促進微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的提升。

不同于物理、化學反應(yīng)，生物過程反應(yīng)速度相對較慢，反應(yīng)物質(zhì)、產(chǎn)物濃度等的轉(zhuǎn)化率也不高。若要解決上述問題，工業(yè)微生物學通常是從兩個方面入手：（1）正確選育或改良菌種，提高發(fā)酵菌種的優(yōu)良性；（2）對培養(yǎng)條件進行合理控制，為生產(chǎn)出更好的目標產(chǎn)物創(chuàng)造條件。從某種程度上看，通過控制與優(yōu)化發(fā)酵過程，能夠?qū)⑸镞^程較好地控制在一種優(yōu)化的操作環(huán)境或條件下，被認為是促進生產(chǎn)力提升的有效措施或捷徑之一，具有非常重要的意義。因此，在發(fā)酵過程中，相關(guān)人員必須重視對發(fā)酵過程的線檢測與控制，力將發(fā)酵環(huán)境或操作條件控制在一個較理想的狀態(tài)下，為進一步提升生產(chǎn)水平提供強大的技術(shù)支持。

4 微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制策略

4.1 基于線性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制

基于“極大值原理”經(jīng)典的優(yōu)化控制方法在早期發(fā)酵過程優(yōu)化控制中應(yīng)用較為廣泛。在發(fā)酵過程狀態(tài)空間描述中利用極大值原理以及迭代法可以實現(xiàn)發(fā)酵的最優(yōu)實施效果。極大值原理方法適用于比較復雜的發(fā)酵過程控制對象，但極大值原理只能得到開環(huán)控制，當發(fā)酵過程中的計算量較大時，僅能對少數(shù)過程制定出優(yōu)化曲線，忽視了環(huán)境因素對系統(tǒng)的干擾。相關(guān)研究人員后來將極大值原方法融入理變量方法，得到最佳的變量優(yōu)化曲線，控制效果較好，但是還沒有達到理想的實驗精度與簡便性；發(fā)酵過程的建模質(zhì)量對經(jīng)典優(yōu)化控制的發(fā)展產(chǎn)生了很大程度的影響。

4.2 基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制

利用計算機科學技術(shù)結(jié)合人工智能理論對發(fā)酵過程進行優(yōu)化控制成為近幾年的發(fā)酵過程研究的熱點，人工智能技術(shù)能突破很多復雜的系統(tǒng)問題，主要包括專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。利用智能方法對發(fā)酵過程進行優(yōu)化控制，在研究與仿真中呈現(xiàn)出優(yōu)良的效果。研究人員建立了基于乙醇生產(chǎn)的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了乙醇發(fā)酵過程的發(fā)酵單元的檢測，系統(tǒng)的誤差非常小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了提高。但智能控制方法在模擬活動時仍存在局限性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的確定具有不可控性，因此智能方法交叉成為目前急需研究的發(fā)酵控制的技術(shù)問題。

5 結(jié)論

隨著科技的不斷進步以及生物技術(shù)水平的持續(xù)提升，微生物發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)得到了非常廣泛的發(fā)展，除了在農(nóng)業(yè)與工業(yè)方面獲得了廣泛的應(yīng)用外，其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用更加值得期待。利用微生物發(fā)酵技術(shù)可以有效地解決許多正常生產(chǎn)不能夠解決的難題。合理運用微生物發(fā)酵技術(shù)，并對發(fā)酵工藝進行持續(xù)地優(yōu)化與改進，可以有效地提升生產(chǎn)效率，推動發(fā)酵工程技術(shù)不斷前進與健康發(fā)展，從而擴大微生物發(fā)酵在各領(lǐng)域的應(yīng)用價值。？

參考文獻

[1] 張文芝，郭堅華.微生物發(fā)酵工藝優(yōu)化研究進展[J].？廣東農(nóng)業(yè)科學，2013，（6）.

篇12

很多國外企業(yè)想到中國來找市場，同時又有很多中國企業(yè)想走出去，如何才能實現(xiàn)雙方的互利共贏？以色列TBN集團總裁Sigal女士給出的答案是“合作”。Sigal女士圍繞“國家商業(yè)發(fā)展與中國創(chuàng)新”這一主題，介紹如何建立成功的全球合資企業(yè)，創(chuàng)造合作共贏的平臺；如何利用獨特的中國創(chuàng)新方式進入新市場，以及如何利用國際孵化器資源培育生物技術(shù)和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)。她認為，國際孵化器資源對于中國市場，尤其是有想法、有創(chuàng)意的年輕人而言是一個很好的研發(fā)和創(chuàng)新平臺。

篇13

Advances of Total DNA Extraction Technology for Soil Microbial Diversity Research

XIAO Bin，JIANG Dai-hua，LIU Li-long，LIU Quan-dong

（College of Agronomy，Guangxi University，Nanning 530005，China）

Abstract： The influencing factors and application aspects， as well as the potentials and limitations of DNA extraction techniques for microbial diversity analysis were reviewed. Applying appropriate methods to extract microorganism DNA fragment that have right purity and appropriate size from soil were the precondition in soil microbial study on the molecular level， and the subsequent molecular biotechnology operations were all rely on these methods.

Key words： soil microorganism； diversity； DNA； extraction method

土壤微生物多樣性是生物多樣性研究的一個重要領(lǐng)域，是指其在遺傳、種類、結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能方面的變化，對指示土壤微生物群落的穩(wěn)定性，在保持土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有重要意義[1]，是當今國內(nèi)外關(guān)注和研究的熱點問題之一。

長期以來，由于研究方法的限制，傳統(tǒng)的分離純化培養(yǎng)技術(shù)僅能獲得土壤中微生物總種群數(shù)的1%左右，而絕大部分微生物目前還不能獲得純培養(yǎng)[2]，未能獲得純培養(yǎng)的微生物才是土壤微生物的主體，因此，有關(guān)微生物多樣性研究進展不大。

近年來，隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展和研究手段的更新，基于土壤微生物群落總DNA的現(xiàn)代微生物分子生態(tài)學研究方法避免了傳統(tǒng)分離培養(yǎng)方法的缺點，被廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能以及動態(tài)監(jiān)測研究[3]。因此作為微生物群落分子分析方法的基礎(chǔ)，最重要的一步就是從土壤樣品中盡量毫無偏差地提取出高質(zhì)量的、具有代表性的微生物總基因組DNA。關(guān)于土壤微生物DNA提取方法的報道很多[4，5]，然而這些方法主要側(cè)重于土壤中的細菌群落，很少關(guān)注土壤中真菌群落總基因組DNA的提取方法及其提取效果。另外，細胞裂解不完全、DNA分子吸附在樣品基質(zhì)顆粒的表面、從樣品中同時提取了某些重要酶的活性抑制劑、DNA分子的損耗、降解和破壞等因素也影響著土壤微生物DNA提取的質(zhì)量，因而提取土壤微生物總DNA在研究中尤為重要[6]。本文主要對DNA提取過程中的主要影響因素、現(xiàn)行各方法的優(yōu)缺點以及存在的問題作一綜述。

1 基于DNA方法的土壤微生物多樣性研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)微生物學研究方法主要依賴于純培養(yǎng)技術(shù)和顯微鏡技術(shù)，對土壤微生物多樣性的描述與研究存在一定的局限性。20世紀中后期，隨著土壤微生物多樣性研究向多方面發(fā)展，人們嘗試著利用分析微生物細胞中某種指示成分，如磷脂脂肪酸（PLFA）來研究土壤微生物的種群組成，但是這些方法的缺陷是無法保證細胞中某種指示成分在土壤中的穩(wěn)定性，并且如果某種微生物的PLFA是未知的，則該不可培養(yǎng)微生物仍難以鑒別[7，8]。

1980年，Torsvik等[9]首次建立了從土壤樣品中直接提取細菌DNA的方法，并于1990年將其成功應(yīng)用于DNA雜交技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)1 g土壤中有4 000個以上不同的細菌種類，說明土壤中微生物多樣性是極其豐富的。后來研究者發(fā)現(xiàn)16S rDNA在原核微生物中普遍存在，并且含有相對保守和可變區(qū)域，在不同的個體間16S rDNA基因序列也不會進行基因交換，因此，每一種生物都有自己的獨特序列。1986年，Pace[3]第一次以16S rDNA為基礎(chǔ)確定環(huán)境樣品中的微生物，使人們對大量不可培養(yǎng)微生物群體有了全新的認識。此后，基于16S rDNA基因的指紋圖譜分析的現(xiàn)代分子生物學技術(shù)得到迅速發(fā)展，包括限制性片段長度多態(tài)性分析（RFLP）、隨機擴增DNA多態(tài)性分析（RAPD）、單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析（SSCP）、基因芯片（Microarray）、PCR-DGGE/TGGE 等，為全面揭示土壤微生物種群結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性提供了重要手段。其總的技術(shù)路線：分離微生物基因組DNA，用特異性引物擴增16S rRNA基因片段，再將該PCR擴增產(chǎn)物進行更深一步分析，從而可在種、屬的水平上研究不同生境中的微生物種群結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化[10]。

2 土壤微生物總DNA的提取

從土壤樣品中提取DNA的方法大致可分為2類，即間接提取法和直接提取法。間接提取法首先是對土壤樣品進行反復懸浮和離心，去除土壤等雜質(zhì)，提取土壤微生物細胞，再采用酶裂解細胞提取微生物總DNA。直接裂解法是不去除土壤等雜質(zhì)，而是通過物理的、化學的、酶解等手段相結(jié)合，直接裂解土壤中的微生物細胞，使其釋放DNA，再進行提取和純化。但不論采用何種方法，都存在一定的缺陷，要想提取較完整的DNA需要具備以下幾個條件： ①土壤微生物能從土壤中充分釋放，尤其是那些緊緊吸附在土壤顆粒，甚至深藏于土壤微穴中的細菌等相對比較難分離的微生物。②對一些比較頑固的微生物，如革蘭氏陽性菌、孢子和小細菌的裂解，需要更劇烈的處理，而這又會造成對裂解敏感的細菌DNA折斷。③采集土壤樣品后應(yīng)盡快提取DNA，因為土壤在4 ℃儲藏幾周就會造成大分子DNA的降解。

2.1 間接提取土壤微生物總DNA

Torsvik等[11]最先報道了從土壤中提取微生物DNA的間接法，包括以下4個步驟：①分散土壤；②土壤微生物的提取（分離細胞與土壤）；③土壤微生物的純化；④細胞裂解及DNA純化。

2.1.1 土壤分散 土壤微生物一般與土壤顆粒結(jié)合，包藏在土壤團聚體內(nèi)，因此，最大限度地分散土壤是從土壤中分離提取微生物的關(guān)鍵。通常采用物理或化學法，或是二者相結(jié)合以達到微生物與土粒分離的目的。常用的物理分散技術(shù)是使用玻璃珠與土壤懸液一起振蕩，或是使用韋林氏攪拌器（勻漿器、轉(zhuǎn)子混合器）攪拌分散，或是使用超聲波分散土壤團聚體等。而化學分散法是通過加入化學分散劑以達到促進微生物與土粒分離的目的。最常用的分散劑為0.2%焦磷酸鈉，其他還有Winogradsky鹽溶液、Tris緩沖液、生理鹽水、六偏磷酸鈉、膽酸鈉、脫氧膽酸鈉、純水等[26]。值得注意的是，為有效地分散土壤，分散劑的種類、濃度、加入量、機械作用（振蕩、攪拌和超聲波等）的方式、時間以及容器的大小等均應(yīng)加以考慮。還可以將化學試劑與機械方法結(jié)合來懸浮土壤顆粒。研究發(fā)現(xiàn)Chelex100就是一種有效的土壤顆粒懸浮劑。各種分散方法分散效果不同，采用何種分散方法效果最佳目前尚無一致結(jié)論，而且防止細胞因物理、化學作用導致破裂提前釋放DNA很重要，處理不當會使DNA降解。常用分離提取土壤微生物的土壤分散方法列入表1。

2.1.2 土壤微生物的提取 土壤微生物的提取通常采用離心分離法，既要使微生物與土壤顆粒分離，又要保證基本不破壞微生物細胞。由于土壤中細菌的平均密度（1.1 μg/cm3）遠小于土壤礦物質(zhì)的平均密度（2.6 μg/cm3），因此采用離心或淘選法可使細菌與土壤顆粒得到較好的分離。Hopkins等[17]采用密度逐級離心法分離出60%以上的土壤細菌。此外，也有學者提出用過濾法，即將土壤樣品分散處理后，經(jīng)20 μm或30 μm微孔篩真空抽濾，其濾液中即可能含有絕大多數(shù)土壤細菌，此過程操作簡便，提取液中土壤殘留物少，易于純化。

由于土壤中的真菌、放線菌主要以菌絲的形態(tài)與土壤顆粒纏繞在一起以及細胞壁結(jié)構(gòu)的特殊性，從土壤樣品中分離提取真菌放線菌要比提取單細胞的細菌相對困難。迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)分離提取真菌的研究文獻極少，且這些報道方法所提取的真菌菌絲只占真菌總生物量的極少部分。Vilarino等[21]在前人研究的基礎(chǔ)上提出了分離土壤真菌的原理：新鮮土壤經(jīng)分散后，土壤懸浮液中的菌絲可附著在慢速轉(zhuǎn)動的銅絲（直徑150 μm）框上，洗脫后即得提取的土壤真菌。潘力等[22]以曲霉菌為例，采用微波處理菌絲并置于10× TE Buffer中即可得到DNA，建立了一種快速提取絲狀真菌DNA的實驗方法，為高通量快速篩選絲狀真菌轉(zhuǎn)化子奠定了基礎(chǔ)。吳敏娜等[23]以傳統(tǒng)土壤總DNA提取方法及純菌DNA提取方法為基礎(chǔ)，分別與蝸牛酶、纖維素酶進行組合、優(yōu)化，得到7種不同的土壤真菌基因組DNA提取方法。分離提取土壤細菌和真菌的流程如圖1所示。

2.1.3 土壤微生物的純化 目前常用兩相分離技術(shù)對上述土壤微生物提取液進行純化。兩相分離技術(shù)最早為德國化學家Albertsson于20世紀50年代所建立，當時主要用于生物大分子的分離。近些年該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物化學、細胞生物學和生物工程等領(lǐng)域，是一種分離、純化生物大分子、細胞、病毒的方法，該技術(shù)也逐步發(fā)展成為一種溫和的生物分離方法，相對于原始的純化手段具有過程簡單、純化時間較短等特點，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[24]。關(guān)于其分離機制目前尚不完全清楚，有人認為其分離的原理主要取決于不同組分的親水性差異，也有人認為還與不同組分的電荷性質(zhì)差異有關(guān)。當兩種互不相溶的聚合物以一定濃度溶于水中時，便可形成體積不同的兩相，被分離組分由于其與兩相的親和力不同，分別進入不同相從而達到分離的目的。目前應(yīng)用最為廣泛的是PEG（聚乙二醇）/Dextran（葡聚糖）系統(tǒng)和PEG/無機鹽（磷酸鹽或硫酸鹽）系統(tǒng)。對于不同的兩相組分，分離時間不盡相同[25]。Smith等[19]研究了應(yīng)用兩相分離技術(shù)從土壤中分離純化非菌絲體微生物的效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)充分混合靜置一定時間后，即可形成上下兩層體積比約為4∶1的兩相分離系統(tǒng)，其中細菌主要富集在上層PEG相，土壤殘存顆粒將進入下層Dextran相，經(jīng)4次提取純化，富集在上層PEG相的細菌總量約達加入兩相分離系統(tǒng)細菌總量的60%，而上層PEG相中的土壤礦質(zhì)顆粒總量僅占總加入量的4%以下。李妍等[26]用2%PEG+6%Dextran兩相分離技術(shù)（A2PP）純化細菌，測定細菌生物量，研究兩相分離技術(shù)在土壤微生物研究領(lǐng)域的可應(yīng)用性，結(jié)果表明采用0.1%膽酸鈉、鈉型離子交換樹脂、玻璃珠與土壤一起在4 ℃下振蕩2 h，能較好地分散、純化土壤細菌。研究表明，兩相分離技術(shù)同樣有可能用于分離純化土壤真菌。

2.2 直接提取土壤微生物總DNA

現(xiàn)今的土壤細菌DNA直接提取法是在Ogram等[27]建立的方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括兩個步驟：①原位細胞裂解；②DNA提取和純化。

2.2.1 原位細胞裂解 直接裂解土壤微生物細胞的方法包括：機械破碎法、化學法、酶解法及3種手段相結(jié)合。機械破碎法常用的有凍融法、微波、超聲波法和玻璃微珠震蕩法；化學法常用表面活性劑SDS和SarkosyI、熱酚、高鹽、異硫氰酸胍等；酶解法：裂解酶、溶菌酶、蛋白酶K、鏈霉蛋白酶等。其中溶菌酶不僅可處理革蘭氏陽性菌細胞壁，還可水解糖苷鍵和腐殖酸。2種或多種方法相結(jié)合對DNA的提取效果較好。王嘯波等[28]采用PBS緩沖液洗滌土壤樣品，結(jié)合SDS裂解微生物細胞的方法，同時提取2種土壤樣品的微生物DNA和RNA，結(jié)果表明該法提取的核酸不需要進一步處理，其純度就可以滿足后續(xù)的分子生物學試驗，從而避免了由于純化導致的核酸量的降低。熊開容等[29]采用凍融+玻璃珠+溶菌酶+SDS方法提取了活性污泥中微生物DNA，結(jié)果表明獲得的DNA適合于酶解和PCR擴增要求。

值得關(guān)注的是，土壤中微生物種類繁多，生理狀態(tài)不同，革蘭氏陽性和陰性細菌以及細菌與真菌的細胞壁結(jié)構(gòu)和組成亦不相同。為了使提取的DNA具有代表性，就必須保證土壤樣品中所有微生物細胞裂解釋放出核酸，因此必須根據(jù)試驗的性質(zhì)、要求選擇適當裂解方法。研究表明，基于SDS的高鹽提取法會對一些革蘭氏陽性細菌效果不好。張瑞福等[30]采用凍融+溶菌酶+SDS方法提取3種芽孢桿菌（G+）DNA，結(jié)果表明經(jīng)凍融處理的霉狀芽孢桿菌均提取到了DNA，未經(jīng)凍融處理的霉狀芽孢桿菌未提取到DNA，且凍融處理未對DNA造成大的剪切，提取的DN段還大于23.1 kb。張穎慧等[31]使用優(yōu)化的CTAB法提取真菌基因組DNA。使用液氮凍融以及玻璃珠振蕩的方法代替了傳統(tǒng)的液氮研磨，實驗結(jié)果表明該方法所需菌體量少，且得到的基因組DNA比用傳統(tǒng)的CTAB法得到的基因組DNA產(chǎn)率高、純度好且步驟簡單，適用于一次微量提取多個樣品的基因組DNA，可用于大部分分子生物學基本實驗如PCR和DNA的酶切等。

2.2.2 DNA提取和純化 在已報道的DNA提取和純化方法中，通常采用飽和酚或氯仿和蛋白酶處理，去除DNA樣品中的蛋白質(zhì)和部分RNA，然后對DNA進行抽提，再用乙醇、異丙醇或聚乙二醇（PEG）沉淀后，經(jīng)羥基磷灰石柱或氯化銫密度梯度超速離心等進一步純化。其他純化方法有聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）法、色譜法、電泳法、透析和過濾法、試劑盒法等。

Lamontagne等[32]研究結(jié)果表明PVP能夠與腐殖酸結(jié)合，起到有效去除提取的DNA中腐殖酸雜質(zhì)、提高DNA純度的作用。李靖宇等[33]采用氯化鈣-SDS-酶法對濕地土壤微生物DNA進行提取，結(jié)果表明該方法能高效去除濕地土壤腐殖酸，純度較高，能直接滿足PCR擴增。李鈞敏等[34]用含PVPP的緩沖液預洗DNA樣品，然后添加CaCl2和牛血清白蛋白可去除其中的腐殖酸，用PEG8000沉淀DNA，可提高DNA質(zhì)量，并證實這是一種簡便有效可直接應(yīng)用于PCR分析的土壤微生物總DNA的提取方法。蔡劉體等[35]采用 SDS-CTAB法提取煙草病圃土壤微生物總DNA，該方法既可達到裂解效果，還有助于去除腐殖酸，有利于提高所提取DNA 的質(zhì)量。吳紅萍等[36]采用酚氯仿和柱式腐殖酸去除劑對粗提取的土壤微生物DNA進行純化后，可用于PCR擴增，并以細菌16S rDNA基因引物可擴增到相應(yīng)的片段。朱立成等[37]采用直接法提取土壤微生物總DNA，然后用Sephadex G-200凝膠離心層析法純化，可得到純度較高的DNA。段學軍等[38]采用稀釋模板及巢式PCR法很好地解決了在DNA提取純化過程中不能完全去除腐殖質(zhì)的問題。滕應(yīng)等[39]將BIO101 Systems公司研制的FastPrep多試管核酸提取系統(tǒng)與相應(yīng)的Fast DNA SPINKit for Soil試劑盒聯(lián)用，有效地提取了重金屬復合污染的農(nóng)田土壤微生物總DNA。

沒有哪種單一的純化步驟可以除去所有污染物，故許多研究者已經(jīng)將幾種純化步驟結(jié)合起來以期獲得最好的純化效果。Smalla等[40]將粗提的DNA進行3步純化：①氯化銫密度梯度超速離心純化；②醋酸鉀沉淀；③Geneclean純化。發(fā)現(xiàn)經(jīng)前2步純化的DNA通過稀釋即可部分被限制性酶切和擴增，但如不經(jīng)稀釋而進行限制酶切和擴增，則必需進行最后一步純化。

2.2.3 直接法和間接法的比較 研究表明，直接法獲得的DNA較多，但不易去除抑制劑，間接法提取的DNA只占直接法的1/10，但分離的DNA純度較高，而且間接法得到的細菌量只占總菌群的25%～50%，直接法提得的DNA卻可以超過細菌總DNA的60%。因此，要想獲得大量DNA，選擇直接法較好，當所需DNA量不大，而且要排除真核或胞外DNA污染時，可用間接提取法。

直接提取對某些特定樣品用特定的操作方法能獲得較高的提取效率，但是對有些生物量不高的樣品則很難得到足夠的環(huán)境總DNA用于后續(xù)操作，適合在樣品生物量較大但采樣量不大的情況下采用。間接提取在提取效率上遠小于直接提取，但用間接提取法所得到的環(huán)境總DNA純度較高，所有樣品能直接用于PCR擴增，并且能更好地體現(xiàn)樣品中微生物的多樣性，適用于有大量樣品的情況。

2.3 DNA的純度和濃度測定

DNA在260 nm處有吸收峰，腐殖酸在230 nm處有吸收峰，計算OD230/OD260（腐殖酸/DNA）的比值可以確定所提DNA中腐殖酸的污染程度。一般情況下OD230/OD260比值應(yīng)在0.4～0.5之間為好， OD230/OD260比值越高，腐殖酸污染越嚴重。蛋白質(zhì)在280 nm處有吸收峰，因此OD260/OD280比值經(jīng)常被用來指示DNA中蛋白質(zhì)的污染程度，當OD260/OD280比值為1.8～2.2時，DNA較純，當受蛋白質(zhì)或其他雜質(zhì)污染時，OD260/OD280值則較低[41]。此外，還可采用PCR擴增檢測DNA的純化質(zhì)量，所用擴增引物見文獻[42]。

提取的DNA濃度也可根據(jù)測定的OD260值計算，根據(jù)公式[dsDNA]=50×OD260×稀釋倍數(shù)，計算DNA的濃度（μg/mL），換算出每克干土提取DNA的量[43]；還可采用DyNA Quant 200熒光儀對純化后DNA的濃度進行測定[28]。

3 影響土壤微生物總DNA提取的因子

土壤成分復雜，含有大量的有機及無機等多種生物活性抑制物，如腐殖酸、多酚類化合物、重金屬等，它們的存在可能影響土壤DNA的提取質(zhì)量，抑制DNA聚合酶的活性從而影響土壤微生物多樣性的分析。研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸是土壤DNA提取過程中極難去除的污染物，由于它的分子大小和理化性質(zhì)與DNA相似，過分注重腐殖酸的去除，勢必會造成DNA的大量損失，因此腐殖酸的有效去除是土壤DNA提取的難點所在。

各種土壤類型、質(zhì)地和成分的差異，都會影響土壤微生物DNA的提取效果。Zhou等[44]用SDS-CTAB法從8種土壤（包括沃土、沙沃土和沙黏土，其中黏土含量為5%～31%不等）中提取DNA，平均獲得DNA的量為0.5～26.9 μg/g，并發(fā)現(xiàn)獲得的DNA量與土壤的有機磷含量有明顯的正相關(guān)關(guān)系。另外，研究也發(fā)現(xiàn)，土壤中細菌的裂解效率與其中黏粒的含量呈明顯的負相關(guān)。土壤中各粒級顆粒對細菌的吸附量從大到小的順序為：黏粒、粉粒、細沙粒、粗沙粒，其中黏粒是粉粒的3.7～4.9倍、細沙粒的44.3～89.2倍、粗沙粒的262.0～799.0倍，細菌在粒徑不同的土壤顆粒表面的最大與最小吸附量分別相差389.0和857.0倍，去有機質(zhì)土壤顆粒對細菌吸附親和力較含有機質(zhì)土壤顆粒的大[45]。因此，不同的土壤適合于不同的DNA提取方法，在土壤DNA提取過程中，應(yīng)針對土壤類別選取合適的提取方法，以便進行后續(xù)研究。

4 小結(jié)

從土壤微生物群體基因組的角度研究其多樣性及功能是可行的方法，并受到廣泛的關(guān)注[46]。因而越過分離培養(yǎng)的步驟，直接從土壤中獲得總DNA以分析土壤微生態(tài)群落結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是如何盡可能全面地提取土壤中微生物的總DNA。土壤本身成分復雜，有許多物質(zhì)難以預料，對提取較好質(zhì)量的DNA提出了很高的要求。因此建立一種簡單有效的提取方法顯得非常重要。

間接法提取的微生物DNA純度較高，提取的種類和數(shù)量較少；直接提取法直接在土壤中裂解細胞，使其中內(nèi)含物盡可能地釋放，能夠代表大部分的土壤微生物，但土壤中所含物質(zhì)種類較復雜，所以提取的DNA質(zhì)量受到很大的影響，需要進一步純化，而這些處理往往造成部分DNA的喪失，可能使在土壤中本身存在量較少的種類喪失或檢測不到，影響到土壤微生物多樣性的分析。最近，Milko等[47]發(fā)現(xiàn)一種Taq DNA聚合酶基因突變型可增加對腐殖酸等PCR抑制物的抗性，不需要對基因組DNA進行純化就可以進行后續(xù)的分子生物學分析，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

絕大多數(shù)直接提取法提取的DN段長度不會超過23 kb，而DNA的某些用途如宏基因組文庫構(gòu)建，需要大片段的DNA，直接提取法對此幾乎無能為力。

在DNA提取產(chǎn)率高即表示其所代表的微生物多樣性高的前提下，DNA直接提取法被認為是較好的方法并被廣泛應(yīng)用[48]。但近年來有研究表明DNA提取的產(chǎn)率高不等同于微生物的多樣性高，間接提取法又再次被提出并用于相關(guān)研究[49]。這就要求在選擇提取方法時不僅要試用直接提取和間接提取這兩類方法，而且在每類方法中也要試用不同的處理組合方式，以使后續(xù)操作能順利進行，并得到準確可信的研究結(jié)果。

評價一種土壤微生物DNA提取方法是否有效，除了通常要求的提取片段無降解且比較完整外，還需要能夠有效去除土壤中大量存在的影響后續(xù)實驗的物質(zhì)，如腐殖酸、腐殖酸似物、酚類化合物、重金屬離子等；能在單位樣本量中比較徹底地提取出微生物DNA；提取方法應(yīng)具有普適性，對土壤中大多數(shù)微生物能夠有效等[50]，且提取的DNA能更好地代表土壤微生物的真實性和異質(zhì)性。

5 展望

目前，國內(nèi)外對土壤微生物總DNA提取方法的報道很多，但每一種方法都存在一定的缺陷。因此，從土壤樣品中提取DNA還沒有通用的最佳方案，需要根據(jù)具體的土壤特點、實驗室條件和實驗?zāi)康亩āＴ谔崛∵^程中還要兼顧實驗操作是否簡便，方法是否經(jīng)濟以及樣品量是否充足。另外，將現(xiàn)代分子生物學技術(shù)與傳統(tǒng)微生物研究方法結(jié)合起來，才能更全面地認識和理解土壤微生物群落多樣性及其相應(yīng)的生態(tài)功能。

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