引論：我們為您整理了13篇生物技術進展范文，供您借鑒以豐富您的創作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發您的創作靈感，讓您的文章更具深度。

篇1

主辦單位：中國農業科學院茶葉研究所;中國農業科學院生物技術研究所

出版周期：月刊

出版地址：浙江省杭州市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：

國內刊號：

郵發代號：

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：2011

期刊收錄：

核心期刊：

期刊榮譽：

聯系方式

篇2

一、生物技術在糧食生產中的應用

生物技術在糧食生產中的應用主要有以下幾個方面：可以利用轉基因技術獲得產量更高，并有一定的抵御蟲害的作物品種，獲得營養價值更高的作物品種，此外，還可以利用細胞工程技術對植物進行無性繁殖，從而獲得高產量的作物，利用生物技術可以制造出無毒生物農藥從生產出更多的綠色產品。生物技術培育出的作物主要有三代，第一代是通過培育轉基因作物可以提高農作物抗蟲害的能力，目前種植面積比較多的是抗除草劑的農作物。第二代是通過轉基因來提高農作物的營養價值為主要特征。第三代是通過轉基因作物提高食品的免疫功能，即可以利用轉基因的作物來生產一些具有新功能的食品以及藥物。

二、生物技術在糧油加工中的應用

我國的糧油加工產品主要以初級產品為主，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，而利用生物技術可以將產品原料加工成產品并實現產業化，通過對農產品的二次開發以此形成新的產品。利用生物技術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能力能夠得到跨越式的發展。

三、生物技術在食品加工中的應用

生物技術已經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酵工業中的微生物菌種，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工藝，進一步提高食品的營養價值。利用蛋白質工程可以創造出人類需求的不同功能的蛋白質新產品，可以更改酶的特性。在食品工程中酶技術的應用比較成熟，在糧油食品加工中應用比較廣泛的是酶制劑的應用，主要有釀造酶、蛋白酶、果品酶等。這些酶主要應用在果蔬加工，乳制品加工等方面。

四、生物技術與食品安全

生物技術在食品安全中的應用主要是轉基因食品安全問題。任何物種在進化過程中都會經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果，不過是自然選擇還是人工選擇其實質都是遺傳變異選擇，在物種進化中遺傳是基礎，變異一定會存在。任何物種都是在遺傳的基礎上經過進化發展而來的，對遺傳變異進行人工選擇就是常規育種，而轉基因育種在本質上和常規育種并沒有本質的區別，轉基因的食品安全問題和其它新出現的技術一樣，只是在人類科學進步進程中新出現的科學問題而已，應該對以抱有正確的態度，深入的對其進行研究和探討。轉基因技術作為發展最快的新技術，正對人們生活的各個方面產生巨大的影響。

五、生物技術與食品安全檢測

食品安全越來越受到人們的關注，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的研究已經提上日程，而生物技術在食品安全檢測中的應用，發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用的生物技術有生物芯片、免疫技術等生物技術，通過這些生物技術的應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的進展

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

七、結語

生物技術在食品糧油領域，在食品生產、糧油食品加工以及副產品利用等方面都有重要的應用，隨著基因組技術在農作物的成功實施以及深入開展，新一輪的農業技術革命將會展開。為此，要認識在糧油食品安全領域生物技術應用的重要性，并不斷在糧油食品加工中引入生物技術，以更好的促進糧油食品加工行業的發展。

篇3

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

1 環境生物技術的特點

生物是構成生態系統的要素，生態系統內物質循環主要是依靠生物過程來完成的。科技的發展也充分證明生物技術是環境保護的理想武器，這一技術在解決環境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優越性充分體現在它是一個純生態過程，從根本上體現了可持續發展的戰略思想。生物技術在處理環境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等顯著優點，加之其技術開發所預示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業家的高度重視。

目前生物技術應用于環境保護中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環境污染控制的生物。生物技術已是環境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各個方面，發揮著極為重要的作用。應用環境生物技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害的、穩定的物質，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，一些有機污染物經生物過程處理后可轉化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質，因此，生物處理方法也常是有機廢物資源化的首選技術。生物過程是以酶促反應為基礎的，酶是一種活性蛋白，生物反應過程通常是在常溫、常壓下進行的，因而投資省、費用少、消耗低、效果好、過程穩定、操作簡便，同時，它還可和其他技術結合使用。生物過程代替化學過程可以降低生產活動的污染水平，有利于實現工藝過程生態化或無廢生產，真正實現清潔生產的目標。另外，生物技術的產品或副產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生的環境污染降至最低程度，使經濟發展進入可持續發展的軌道。利用環境生物技術可治理用其他方法難以處理的環境介質，即用生物修復技術凈化環境，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境的自凈能力。

2 環境生物技術的重要進展

環境污染不但影響了國民經濟的可持續發展，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，以治理和解決環境污染問題。我國是一個發展中國家，經濟水平和科技總體水平離國際發展水平仍有相當差距，這就要求我國在科技發展特別是環保高科技發展上，需跟蹤國際前沿，與國際同步開發未來可能應用的高新技術。以下介紹幾項已接近產業化的環境生物技術。

2.1 高硫煤微生物脫硫技術

我國是一個發展中國家，開發廉價的、操作簡便的煤脫硫技術，將具有深遠的經濟和環境保護意義。與現有的物理、化學法相比，微生物潔凈技術具有投資低、操作簡便、反應條件溫和、不產生新污染，并可和現有的物理洗煤過程相結合，脫除其中的灰分，而煤基本無損失，且可提高煤的燃值等優勢。

煤的微生物潔凈技術主要是脫硫、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之一的浮選法和微生物處理相結合，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點。目前，浮選法微生物脫硫已成為國際上潔凈煤技術開發的熱點。

2.2 造紙工業生物制漿和生物漂白技術

造紙工業中的制漿和漂白工序是污染物產生的主要工序。與化學法相比，雖然機械法制漿紙漿得率高，可節省大量林木資源，但能耗很大，成品紙強度等質量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項技術的發展。生物技術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勢和潛力，因為微生物極易生長繁殖，酶催化反應具有高度專一性，反應條件溫和，并且高效無污染。

木質素是造紙工業中有效利用纖維素的最大障礙。傳統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素，在廢水中會有大量含氯的、致癌致畸的物質，如呋喃、二惡英等，造成嚴重的環境污染和生態破壞。將生物預漂白技術引入制漿造紙工業中，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經歷了三代的發展。目前，對第三代木聚糖酶的研究與應用正進入高峰期，采用基因工程與蛋白質工程手段獲得性質優良的耐熱耐堿木聚糖酶已成為各相關實驗室的研究熱點，期望不久的將來重組酶會更有效地應用于漂白工藝中。未來生物制漿和生物漂白的技術突破將使造紙工業擺脫污染，實現清潔生產。

2.3 污染土壤的生物修復

人類的生產活動，當代工業的迅速發展，大量的人造化學物質排放入環境中，對資源和環境構成越來越嚴重的破壞。化石燃料的開采和使用，工業三廢的排放，給我們賴以生存的環境造成難以估量的污染，不僅制約了經濟的發展，而且影響到人類的健康和生存。

針對嚴重污染的土壤，我國尚未采取大規模的治理措施，僅在少數地區開展了治理，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境進行修復，若采用傳統方法，即使考慮勞動力相對便宜的因素，其投資規模將仍然非常龐大，如采用生物修復技術，不僅其投資規模大為縮小，而且還沒有二次污染。綜上所述，環境污染的生物修復技術是我國今后治理環境污染必須發展的生物技術，更具有廣闊的市場和發展前景。可預見，在21世紀，生物修復技術將成為我國生態環境保護領域最具有價值和最具有生命力的大面積污染的優選生物工程技術。

生物修復技術是80年代以來出現和發展的清除和治理環境污染的生物工程技術，其主要利用生物特有的分解有毒有害物質的能力，去除污染環境如土壤中的污染物，達到清除環境污染的目的。實踐結果表明生物修復技術是可行的、有效的和優越的，此后該技術被不斷擴大應用于環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，投加優良菌種、改善環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境的目的。

結束語

目前，我國的環境生物技術處于剛剛起步階段，該技術的進一步開發需要得到社會、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為主體的環境生物技術的研究，將大力推進生物技術在環境保護中的應用，并將通過生物高技術的發展帶動整個環保科技的發展，解決我國目前和未來面臨的嚴峻的環境保護問題，并為環保市場提供高品質的環境保護高技術，應該充分認識到環境生物技術開發對我國環境保護和社會、經濟發展的重大意義。

篇4

1.1基因工程在農業領域的應用

基因工程即利用分子生物學和微生物學技術，設計好不同來源的基因順序，在體外成功構建雜交DNA分子后導入受體細胞，使受體細胞表現出人們需要的表現型，產生出人們需要的物質。在農業領域應用基因工程技術，獲得的農作物優質、高產、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，經過7年的努力攻關，2011年勝利突破了大面積示范（即6.67hm2示范）平均產量為13500kg/hm2的超級雜交稻第3期目標，達到了13899kg/hm2[1]；運用轉基因技術將相應的基因導入油菜中有望培育出轉基因抗病油菜新品種[2]；運用基因工程技術可將抗除草劑基因導入農作物中，使農作物能夠不受除草劑的影響，目前已生產出多種抗除草劑作物品種，應用廣泛[3]。

1.2細胞工程在農業領域的應用

細胞工程是指在體外培養細胞，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，以獲得優良品種或新品種及某些具有特殊作用的物質的一門技術[4]。細胞工程技術在植物快速繁殖、植物新品種選育等方面發揮著重要作用。目前植物體細胞雜交應用較多，如可以將馬鈴薯細胞和番茄細胞進行雜交，可獲得上結番茄下結馬鈴薯的“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價值的“向日豆”[5]。

1.3發酵工程在農業領域的應用

發酵工程即利用微生物具有的特殊作用生產出對人類生產有用的產品，或直接將微生物應用到工業生產過程的一門新的技術。發酵工程主要可應用在農業領域的2個方面，一是生產傳統的發酵產品，如果酒、茯磚茶、食醋等；二是生產一些食品添加劑。如茯磚茶的制作過程中就運用到了發酵工程技術，通過調控渥堆時間、使用接種劑、發酵劑等方法可以改進茯磚茶的加工工藝，進而可生產出“金花”飽滿、品質優良的茯磚茶。

1.4酶工程在農業領域的應用

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的原料轉化成有用物質。酶工程可應用在農業領域中的制酒、制醬等方面。例如，隨著我國糧食的不斷增產，一些地區出現了粗糧過剩的問題，需要解決粗糧的淀粉利用。解決辦法之一是生產葡萄糖，但由于葡萄糖甜度不大，難以在市場上應用。最有效的辦法還是運用酶工程技術的手段，將葡萄糖轉變為甜度大的果糖，果糖不僅比葡萄糖甜度大，其比蔗糖的甜度還高50%以上。

2微生物肥料在農業領域的應用

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，在農業生產中應用該種肥料可獲得特定的肥料效應[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酵產生的，活性高。施入該種肥料能夠產生活性物質，能夠增加作物的固氮作用，改善土壤的理化性質，使作物的生長環境變得更好，使作物生長更優、產量更高。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的轉化物等，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生物肥料的應用優勢

篇5

（一）概述

生物處理技術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，使有機污染物質轉化為穩定的無害物質，最終完全無機化。近來較普遍應用且相對成熟的生物處理工藝包括好氧生物處理技術和厭氧生物處理技術兩大類。顧名思義，所謂好氧生物處理技術，是指利用好氧微生物代謝作用處理含油廢水的技術，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，則是利用厭氧微生物作用進行含油廢水處理的技術，按處理設備，分為厭氧接觸法、厭氧生物濾池、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧生物轉盤等處理方法。這兩類生物處理技術在有機物負荷、污泥產率，能耗、營養物需要量、應用范圍，對水溫適應性、啟動時間以及處理效果各方面作用不同，相對來說，好氧生物技術在處理效果上較厭氧處理技術好，但兩者各有其優缺點，單純采用一種技術難以達到理想效果。因此，結合使用兩種處理技術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，以確定合理的技術過程。

（二）實例

學者對含油廢水處理技術的綜合研究表明，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生二次污染。相比之下，生物處理技術的經濟性、適用性最強，對于大規模污水處理收到較好效果。在國內許多油田得到應用，以下對應用該技術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，該站點建成投產于2002年，利用美國公司菌種，由油田自行設計完成占廢水總量約為70%的含油廢水處理工程。其技術處理過程為：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。該站經過生物處理技術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。經處理后的廢水符合國家要求排放標準。3.冀東油田高一聯廢水處理站；該站同樣建成并投產于2002年，該工程采用石油大學技術每天實際處理的廢水量約3600m3，僅小于設計處理能力400m3，其廢水處理技術過程為：兩級大罐沉降—過濾—緩沖罐—泵提升—冷卻塔—均質池—厭氧池—中沉池—接觸氧化池—二沉池—緩沖池—提升—排放。對外排水質的驗收報告平均數據進行處理，表明廢水排放符合國家標準。

二、含油廢水生物處理技術方法

隨著油田開采力度加大，采油技術也在不斷發展，前后經歷了天然能量動力、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，因此，選取生物處理技術對廢水進行處理，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，耐沖擊性等優點。包括：1）膜生物反應器—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，具有成本小、能耗低以及處理效果好等優點。2）超聲氣浮—BAF法，在羥基自由基氧化、氣泡內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，但單獨應用時去除廢水中有毒物質的能力不高。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的一種污水處理工藝，它是在傳統活性污泥法的基礎上進行改造生成的，污水和活性污泥的混合液可在溝渠形的曝氣池中循環流動。其技術過程簡單，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。經過發展，演變為利用基質、微生物和植物，在生態系統的物理、化學和生物協調作用下，通過過濾、吸附、吸收和分解等一些列過程來凈化廢水，實現廢水無害化處理目標。同時通過生物地球化學循環，有利于綠色植物生長。它在出水水質、營養物質去除能力、成本費用、技術含量、綜合管理方便等方面具有明顯優勢。4.氧化塘，將各類微生物和藻類置于氧化塘中，發生氧化反應后，去除有機污染物，使其轉變為無機物。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，這些菌類經過分離、培養后，對有機物處理有良好效果。

三、生物處理技術的主要問題及趨勢

目前采用高效降解菌的生物深度處理技術在含油廢水深度處理領域的研究已取得很大進展，但未來發展中仍存在以下問題，需要重視。體現在：1.由于含油廢水所含有機物復雜、繁多的特性，需要結合各種方法，優化各步處理技術，再找出一套綜合工藝，滿足深度處理技術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上，分離、培養各篩選優勢菌種，監測該菌的最佳降解條件。根據反饋信息，提高凈化效率。3.基于生物工程技術的處理效果，創新技術。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已經由單一利用一種方法轉變為多種方法結合使用，出現了物理化學方法與生物技術綜合運用，提高了廢水處理效率和達標度。而國內多利用二次、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，生物深度處理技術成為國內油田采油廢水處理技術的發展趨勢。

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展起來的一種現場處理土壤環境污染的技術，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越性，操作簡單、處理費用低、效果好，對環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有密切的關系。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、移動或轉化，改變它們在土壤中的環境化學行為，可促進有毒、有害物質解毒或降低毒性，從而達到生物修復的目的。

1.1 微生物的轉化作用

微生物對重金屬的轉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合配位降解。土壤中的一些重金屬元素可以多種價態和形態存在，不同價態和形態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和形態，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，使重金屬化合價發生變化，改變重金屬的穩定性。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。微生物能氧化土壤中多種重金屬元素，某些自養細菌如硫-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化作用常見的有對鉻、汞、硒和砷等的轉化。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境效應。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，使其揮發而降低硒的毒性，此生物技術已在美國西部灌溉農業中用于清除硒污染[5]。有些真菌和細菌能使無機As轉化為揮發性有機As，從而降低其毒性[6]。

1.1.3 重金屬溶解或配位絡合作用

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：可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態。前3種形態穩定性差，后2種形態穩定性強。重金屬污染物的危害主要來自前3種不穩定的重金屬形態[6]。微生物固定作用可將重金屬離子轉化為后兩種形態或積累在微生物體內，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合蛋白；④鐵載體；⑤真菌來源物質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物或細胞壁表面的一些基團通過絡合、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合的過程[2]。許多研究表明細菌及其代謝產物對溶解態的金屬離子有很強的絡合能力，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合物。

1.2.2 胞外沉淀作用

胞外沉淀作用指微生物產生的某些代謝產物與重金屬結合形成沉淀的過程。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]。某些微生物產生的草酸與重金屬形成不溶性草酸鹽沉淀。

1.2.3 胞內積累作用

胞內積累作用是指重金屬被微生物吸收到細胞內而富集的過程。重金屬進入細胞后，通過區域化作用分布在細胞內的不同部位，微生物可將有毒金屬離子封閉或轉變成為低毒的形式[12]。微生物細胞內可合成金屬硫蛋白，金屬硫蛋白與Hg、Zn、Cd、Cu、Ag 等重金屬有強烈的親合性，結合形成無毒或低毒絡合物。如真菌木霉、小刺青霉和深黃被包霉通過區域化作用對Cd、Hg都有很強的胞內積累作用[13]。研究表明，微生物的重金屬抗性與MT積累呈正相關，這使細菌質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]發現在重金屬污染土壤中加入抗重金屬產堿菌可使得土壤水懸浮液得以凈化。可見，微生物生物技術在凈化污染土壤環境方面具有廣泛的應用前景。

2.重金屬污染土壤微生物修復技術及其研究進展

微生物修復重金屬污染的技術主要為原位修復和異位修復。微生物原位修復技術是指不需要將污染土壤搬離現場，直接向污染土壤投放N、P等營養物質和供氧，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）及泥漿生物反應器法（bioslutrybioreactor）。

2.1 生物刺激技術

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量和活性。關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揮；為使其潛力得到充分發揮，需向其生活的環境中投加營養物質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

生物強化技術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。所加入的高效菌株可通過篩選培育或通過基因工程構建，也可以通過微生物表面展示技術表達重金屬高效結合肽，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，將其富集培養后再投入到原污染的土壤，這是本土生物強化技術（本土生物強化技術是由日本科學家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土壤的生態條件，進而更好地發揮其修復功能。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，發現上述菌種均能將硒酸鹽、亞硒酸鹽和二價鉛轉化為不具毒性且結構穩定的膠態硒與膠態鉛。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，發現這4種細菌對Cd的富集達到環境中的100倍以上[1]。

2.2.2 基因工程菌構建

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合肽的基因轉移到對污染土壤適應性強的微生物體內，構建高效菌株。由于大多數微生物對重金屬的抗性系統主要由質粒上的基因編碼，且抗性基因亦可在質粒與染色體間相互轉移，許多研究工作開始采用質粒來提高細菌對重金屬的累積作用，并取得了良好的應用效果[18]。

2.2.3 微生物表面展示技術

微生物表面展示技術是將編碼目的肽的DN段通過基因重組的方法構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可以把編碼重金屬離子高效結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等將隨機肽庫構建于E.coli 的表面菌毛蛋白FimH粘附素上，經數輪篩選和富集，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，但離實際應用尚有一段距離。其主要原因是用于展示金屬結合肽的受體微生物種類及適應性有限，并且缺乏選擇金屬結合肽的有效方法[19]。

3. 結論與展望

從目前來看，微生物修復是最具發展和應用前景的生物修復技術，人們在微生物材料、降解途徑以及修復技術研發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大多還處于研究階段和田間試驗與示范階段，還存在大規模實際應用的問題。（4）微生物個體微小，難以從土壤中分離；重金屬回收困難。

污染場地應用是各種生物修復技術研發的最終目的。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。如一旦將室內的微生物修復技術放大到現場條件下，干擾因素復雜，一系列的新問題可能會出現，甚至可能會遭致完全否定等現象。因此，微生物修復技術的場地應用是一項復雜的系統工程，必須融合環境工程、水利學、環境化學及土壤學等多學科知識，創造現場的修復條件，如土地翻耕、農藝措施、添加物質、高效微生物、植物修復，季節更替等，構建出一套因地因時的污染土壤田間修復工程技術。

參考文獻：

[1] 牛之欣，孫麗娜，孫鐵珩.重金屬污染土壤的植物-微生物聯合修復研究進展[J].生態學雜志，2009，28（11）：2366-2373.

[2] 林春梅.重金屬污染土壤生物修復技術研究現狀[J].環境與健康雜志，2009，25（3）：273- 275.

[3] Silver， S. Bioteclmol Briding[J]. Res Appl.， 1991： 265-289.

[4] McLean J.， Beveridge T.J. Chormate Reduction by a Pseudomonad Isolated from a Site Contaminated with Chromated Copper Arsenate[J]. Appl. Environ. Microbiol.， 2001， 67：1076- 1084.

[5] 滕應，黃昌勇.重金屬污染土壤的微生物生態效應及其修復研究進展[J].土壤與環境，2002，11（ 1）：85-89.

[6] 宋志海.漳州市農田土壤重金屬污染現狀與生物修復防治對策[J].福建熱作科技，2008，33（3）：34-36.

[7] Bargagli R.， Baldi F. Mercury and methyl mercury in higher fungi and their relation with the substrata in a cinnabar mining area[J]. Chemosphere， 1984， 13（9）： 1059-1071.

[8] 滕應，羅永明，李振高.污染土壤的微生物修復原理與技術進展[J].土壤，2007，39（4）：497-502.

[9] 王保軍.微生物與重金屬的相互作用[J].重慶環境科學，1996，18（1）：35-38.

[10] 沈德中.污染環境的生物修復[M].北京：化學工業出版社，2002.

[11] 劉俊平.山西省農田重金屬污染生物防治研究[J].山西農業科學，2008，36（6）：16-17.

[12] 王海峰，趙保衛，徐瑾，等.重金屬污染土壤修復技術及其研究進展[J].環境科學與管理，2009，34（11）：15-20.

[13] Ledin M.， Krantz Rulcker C.， Allard B. Zn， Cd and Hg Accumulation by Microorganisms， Organic and Inorganic Soil Components in Mult-compartment Systems[J]. Soil Biochem.， 1996， 28（6）： 791-799.

[14] Hiroki M. Effects of heavy metal contamination on soil microbial population[J]. Soil Sci. plant Nutr.， 1992， 38：141-147.

[15] Reddy K.R.， Cutright T.J. Nutrient Amendment for the Bioremediation of a Chromium-contaminated Soil by Electrokinetics[J]. Energy Sources， Part A： Recovery， Utilization and Environmental Effects， 2003， 25（9）： 931-943.

[16] Higgins T.E. In Situ Reduction of Hexavalent Chromiumin Alkaline Soils Enriched with Chromite Ore Processing Residue[J]. Air and Waste Manage. Assoc.， 1998， 48： 1100-1106.

[17] Ueno A.， Ito Y.， Yamamoto I.， et al. Isolation and Characterization of Bacteria from Soil Contaminated with Diesel Oil and the Possible Use of These in Autochthonous Bioaugmentation[J]. Microbiol Biotechnol.， 2007， 23：1739-1745.

[18] 陳范燕.重金屬污染的微生物修復技術[J].現代農業科技，2008，24： 296-299.

[19] 泉薛，沿寧，王會信.微生物展示技術在重金屬污染生物修復中的研究進展[J].生物工程進展，2001，21（5）：48-51.

[20] 高藍，李浩明.表面展示技術在污染環境生物修復中的應用[J].應用與環境生物學報， 2005，11（2）：256-259.

[21] Gadd G.M. Bioremedial Potential of Microbial Mechanisms of M metal Mobilization and Immobilization[J]. Curr Opin Biotech-nol.， 2000， 11（3）： 271-279.

[22] Sousa C.， Cebolla A.， De Lorenzo V. Enhanced Metal Load Sorption of Bacterial Cells Displaying Poly-HisPeptides[J]. Nature Biotechnology， 1996， 14： 1017-1020.

篇7

合成生物技術產業的不斷更新發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，并且起到實質性的作用。合成生物技術產業簡而言之就是利用合成生物技術的產業化發展，合成生物技術的發展基礎就是基因、細胞這些微小單位，在此基礎上進行相應的研究，主要研究方向就是生物產業的設計化、工程化，將基因與計算機編程、網絡等相結合，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展有較為重要的導向作用。但其發展中的問題層出不窮，對于社會倫理、社會環境而言都是巨大的挑戰。我國對于合成生物技術產業發展制定了一套合理科學的戰略方針，針對其出現的問題提出了相應的政策進行限制。

1 合成生物學技術

合成生物學技術主要包括生物能源、農業及醫藥等方面，合成生物學技術的發展可以促進我國生產技術的快速發展。現階段合成生物學技術在發展過程中存在很多問題，對其快速發展產生了極大的影響。目前，合成生物學技術在發展過程中產生了一套適合其發展的模式，本文主要對以下三個方面進行分析：

1.1 發展合成生物學技術發展的原因

合成生物學技術需要快速發展的原因是為了有效地滿足人們的精神及物質需求，就是在社會經濟快速發展的現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有效的改善現階段環境的嚴重污染。在這樣的背景下，合成生物學技術就必須快速發展，成為我國現階段發展的重要領域，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展各種生物的作用及意義，并且可以有效地發現其生理及生長原理，使合成生物學技術在我國發展過程中發揮著至關重要的作用。

1.2 合成生物學技術產業發展戰略的前提

在我國現階段，合成生物學技術發展的主要目標就是解決其在發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嚴重影響了現階段自然進化的絕對性，對生物進化產生了人為的影響。物種出現變異或者其發展方向出現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，合成生物學技術的出現嚴重地違背了生命的進化法則及生物的自然生長規律，對目前環境的自然化發展產生了嚴重的影響。因為人們對自然生長規律進行了過度的改造，就會嚴重破壞生態平衡，所以必須對自然生長規律的研究方向及研究范圍設置一定的方案，并且進行一定的限制，提出適應現階段社會發展的戰略目標。

1.3 我國合成生物學技術發展戰略

現階段，合成生物學技術發展的戰略目標制定的基礎就是自然繁衍規律、自然生長法則及我國環境的發展詳情等情況，對產生制定發展目標的主要原因就是促進該產業的快速發展，使該產業在發展過程中存在的問題得到有效的解決，并具有促進該產業快速發展的作用。我國在發展該產業的過程中應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展規律等原則，在這些原則的制約下可以制定有效的發展戰略目標，可以有效地促進我國現階段能源、農業及工業的快速發展，有效地減少環境的污染，促進合成生物學技術的快速發展。

2 生物功能元件

2.1 生物功能元件的設計、合成和功能表征

眾所周知，生命的形態呈現多樣性，其可以合成現有的有機化合物為新的生命系統。目前，所謂的遺傳信息具有編輯性的特點，為創造新的生命系統提供可靠的保證，合成生物學的基礎就是生物功能元件，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。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計和組合來實現。另外，使用新核酸及非天然氨基酸的開發，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。伴隨著現階段DNA合成技術的商業化及不斷發展，基因原件的保真性及質量的不斷提高，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展，人們需要對生物學的功能原件進行規劃。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人員的注意。2003年，Kight在麻省理工學院提出了“生物磚”概念。現階段，許多科研院也在開始使用規范的基因元件庫進行生物系統和生物裝置的監理。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構的形態，通常情況下，生物磚的基礎元件主要包括調節序和編碼序列，如核糖體結合位點、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，現階段應該收集了3400多件基因元件有效的應用與組裝生物系統和生物裝置。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計競賽、科學家個人和學術研究機構等團隊。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

合成生物學技術的主要特點就是對基礎元件進行重新的排列組合，得到不同的系統及相關的裝置，但是因為人們發展研究的限制及生命系統的復雜性，合成生物學技術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，就可以得到應有的效果及功能，同時需要對各個元件、裝置及設備之間進行不斷優化及調試；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，使用系統生物學分析方法和高通量的測試方法對其進行優化和試配。通過使用計算機輔助動態仿真技術，對構建的模型進行不斷的預測，并對其進行優化，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建進度，對構建模型的過程中所產生的數據進行重新組合、預測其功能，可以有效地構建出接近自然生物系統的模型，最終得到最佳的施工方案。

3 DNA合成與組裝技術

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，經過脫保護、偶聯、封閉與氧化四個循環反應的過程進而得到的。這種方法通過一定的優化措施，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，促使實現寡核苷酸的高通量合成的主要因素就是芯片技術。但是因為“邊緣效應”及“脫嘌呤”現象的出現，對合成序列的正確性產生了一定的影響。由于CustomArray開發的通過半導體電化學酸合成與Agilent開發的通過噴墨打印技術的芯片合成后，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量是柱式合成數量的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。除了傳統的克隆分類的方法，現階段已經出現了體外DNA組裝、聚合、連接或同源重組原理等多種體內的新方法。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年實現了人造生命的重頭合成方式，有效地促進了現階段合成生物學的快速發展。在這一發展過程中，除了依靠低成本及高通量的基因合成方法外，主要使用酵母體內拼接及Gibson組裝的方法進行開發，通過這種方法，有效地實現多個片段的一次性無痕拼接，其現階段組裝尺度最大為580kb。

綜上所述，現階段，合成生物學技術出現及快速發展與人類認知及自然科學方法息息相關。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描述，所以合成生物學就會逐漸出現。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的關鍵，對生物系統、裝置的特征進行分析，從而出現簡單的生物裝置及元件的設計、組成標準化的規律及原則，然后指導人工生命生命系統的設計和施工。另外，屬性合成生物學的設計和建設的“自下而上”的正向工程理念和“標準化”“復雜的系統脫鉤”和“抽象”的理念，這與傳統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，導致設計和建造的城市標志性建筑的路標。同時組件、系統和壽命設計與施工可以系統地深入和了解生命的本質規律，從而可以有效地指導應用性及工程化的設計及建造，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

隨著國民經濟的不斷發展，各行業工業廢水的排放量也在逐漸增加。其中，造紙工業排放的廢水對水環境造成了嚴重的污染。統計數據顯示，我國10000多家的大中小型造紙企業，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CODCr排放總量47%[2]，對生態環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實意義的。

1 造紙廢水的來源和特點

其生產的各個環節都會產生廢水，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，在整個造紙工業污染中占90%。堿法制漿是我國造紙業普遍采用的，其主要成分是纖維素、木質素、半纖維素、單糖、有機酸和碳水化合物的降解產物等。

2.造紙廢水生物處理技術

化學方法、物理方法、生物法、物化方法等，是目前國內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、沒有二次污染等優點的生物處理法，則越來越受重視。

2.1好氧處理技術

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，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，將其轉化為穩定的無機物和原生質，從而達到凈化污水的作用。此方法剩余污泥量少且不會產生污泥膨脹，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器中試處理造紙廠廢水。結果顯示，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]采用混凝沉淀協同好氧生物膜技術深度處理造紙廢水，結果顯示，效果最為顯著的就是以FeCl3為混凝劑的協同好氧生物膜技術，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

在專性與兼性厭氧菌的條件下，通過發酵和分解對有機物進行降解的處理技術稱為厭氧處理技術。與好氧處理技術相比，其污泥產量小、節省動力能耗、對營養物質需求不高，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，結果證明，AFB對黑液進行直接處理時，發揮了其活性生物量濃度大、傳質能力強的特點，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。

2.3 厭氧-好氧處理技術

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，能使厭氧處理技術的優勢充分發揮，水解、酸化廢水中生化性很差的高分子物質，成為易于進行好氧處理的較小分子或分子結構。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，減少整個系統的污泥排放。該工藝結合了厭氧與好氧處理技術的優點，具有占地面積少、處理效果好、能耗低、節省藥劑以及運轉、管理方便等優點。

丁志芬[10]對某造紙廠應用厭氧-好氧組合技術處理廢水的情況進行了介紹，且和好氧工藝作了比較。結果證明，厭氧-氧工藝運行電費可降低50%，且運行穩定，其COD有機物85%都轉化為甲烷氣體了，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后，污染物質排放總量明顯減少，水質可達到GB18918- 2002一級A標準，與原有的好氧生物處理工藝相比可節省動力約55%。

3 生物處理造紙廢水技術的研究進展

3.1 應用白腐真菌對造紙廢水進行降解

造紙工業排放黑液COD和色度形成主要是因為木質素，其異質多晶三維多聚體結構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，國內大部分工廠處理造紙廢水采用傳統生物法應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生的氯酚類物質，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現的對木質素及其衍生物降解最有效的微生物。多數白腐真菌屬于擔子菌綱，少數為子囊菌綱。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勢

白腐菌降解木質素通常分兩步進行[13]：第一，菌體利用菌絲吸附木質素；第二，白腐菌分泌出的酶催化氧化木質素等污染物，主要分為細胞內和細胞外兩過程，整個降解系統在主要營養物質（ 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）、木質素過氧化物酶（ Lip） 均合成于細胞內，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，由酶觸發啟動自由基鏈反應，產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點是其他生物系統尤其是細菌沒有的[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。（2）動力學優勢：細菌對化學物的降解多為酶促轉化，遵循米氏動力學。初始氧化反應的酶經白腐真菌催化啟動對底物沒有真正意義上的Km值，對氧化產物的形成有利。（3）產生氧化能力極強的?OH （4）有毒污染物不必進入細胞內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：能降解大量結構不同的化學物質。（6）對營養物的要求低。

3.1.2 白腐菌在造紙廢水中的應用

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，且對木質素有顯著的降解作用，有很強的適應廢水的能力。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素的造紙廢水。結果表明，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

白腐菌降解木質素，是通過其分泌的酶的作用來實現。相較于錳過氧化物酶、木質素過氧化酶，在白腐菌木質素降解酶系統中，漆酶的實際應用價值更大一些。首先，木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶產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，木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶只在系統存在H2O2時，才可降解有機污染物，這在現實情況下很難實現的。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和其它次級代謝產物時，有機污染物的氧化也能夠被催化。所以，在環境保護和生物技術方面，漆酶的應用潛力是非常巨大的。

據林鹿等人[21]研究通過漆酶進行去除桉木硫酸鹽漿CEH漂白廢水時發現，它可以把廢水中有毒物質去除掉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，反應條件溫和，對反應設備和反應條件要求也不高。謝益民等[22]采用雜色云芝發酵產生的漆酶液深度處理造紙廠二沉池出水，結果表明，經催化氧化作用，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]，相對于傳統的氯氣漂白法所產生的有毒的氯酚類化合物而言，其避免了對環境的污染。

3.3 生物固定化技術

微生物固定化技術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域內，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。Messner等[24]利用生物滴濾器原理而開發的MYCOPOR反應器，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白腐菌，在不同接種量下降解造紙廢水。結果顯示，白腐菌在不同的兩種狀態下均能對造紙廢水進行降解，不過在代謝穩定性和降解木質素能力等方面，固定化白腐菌比懸浮態白腐菌明顯要強。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，固定漆酶的優點在于達到最佳效果的反應時間短， 酶的穩定性高， 溫度耐受性強，pH適應性顯著增強。

4 結語

作為一種處理難、成分復雜的工業廢水，通過傳統的處理技術造紙廢水已很難滿足如今的排放要求。因此，要實現極大減少造紙廢水的排放或者實現零排放，需大力發展微生物處理技術。使微生物與處理技術相結合，為造紙業的綠色發展鋪平道路。

參考文獻

[1] 王暉，付斌.造紙廢水處理方法現狀及展望[J].中國資源綜合利用，2005（2）：21- 24.

[2] 洪衛，劉勃，等.制漿造紙廢水深度處理技術解析[J].中華紙業，2009，30（7）：76-81.

[3] 閆一野，喬麗潔.新型分離方法在造紙污水處理中的應用[J].環保與節能，2012 （2）：30-33.

[4] 崔延瑞，胡蘭群，等.序批式活性污泥法處理堿法草漿造紙廢水的研究[J].河南師范大學學報（自然科學版），2003，31（4）：61-64.

[5] 張述林，羅啟芳，趙金輝，等.混凝與低氧―好氧兩段活性污泥法處理造紙廢水的研究[J].同濟醫科大學學報，1998，27（3）：196- 198.

[6] Chandler H， Cornelis D. Treatment of recycle paper mill wastewater in moving bed biofilm reactors[C].TAPPI Proceedings Environmental Conference & Exhibition v 2.TAPPI Press， 1997.

[7] 張苗，黃少斌.混凝協同好氧生物膜技術深度處理造紙廢水的實驗研究[J].造紙科學與技術，2010，29（1）：84-88.

[8] 殷承啟，洪建國.上流式厭氧污泥床處理造紙工業廢水的研究[J].南京林業大學學報（自然科學版），2004，28（5）：41-44

[9] 劉峰，楊平，方治華等.預酸析-厭氧流化床處理堿法草漿黑液的研究[J].環境科學學報.1999，19（2）：214-217

[10] 丁志芬.厭氧-好氧組合生物技術在廢水處理中的應用[J].化工設計.2003，13（5）： 26-28.

[11] 李巡案，賀延齡，等.厭氧-好氧工藝處理造紙廢水工程實例及清潔生產[J].環境工程學報.2012，6（8）：2595-2599.

[12] 王海磊，李宗義.三種重要木質素降解酶研究進展[J].生物學雜志，2003，20（5）：9-

11.

[13] 黃丹蓮，曾光明，等.白腐菌的研究現狀及其在堆肥中的應用展望[J].微生物學通報，2004，31（2）：112-116.

[14] 李慧蓉.白腐真菌的研究進展[J].環境科學進展，1996，4（6）：69-77.

[15] Andre F， Jaime R， Juani ta F， et al. Biodegradation of Pinus radiate softwood by white- and brownrot fungi[J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology2001， 17： 31-34.

[16] Pavel K， Alena K， J aroslav V， et al. Degradation of polychlorinated biphenyls by extracellular enzymes of Phanerochaete chrysosporium produced in a perforated plate bioreactor[J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology1999， 15： 269-276.

[17] 吳涓，肖亞中，等.掛膜生長的白腐真菌處理草漿造紙黑液廢水[J].應用與環境生物學報.2004，10（3）：370～374.

[18] 李雪芝，趙健，等.白腐菌處理草漿造紙廢水研究[J].中國造紙學報，2005，20（1）：

88-91.

[19] 路忻，等.木質素真菌降解造紙廢水的試驗研究[J].河南科學，2008，26（12）：

1550-1554.

[20] Munoc C. Laccase isoenzymes of Pleurotus eryngii：characterization，catalytic properties，and participation in activation of molecular oxygen and Mn2+oxidation [J].Appl Environ microbiol，1997，63：2166-2174.

[21] 林鹿，陳嘉翔，等.白腐菌對紙漿CEH漂白廢水的脫色、消除毒性和芳香化合物的降解[J].中國造紙學報，1996，11：69

[22] 謝益民，瞿方，等.制漿造紙廢水深度處理新技術與應用進展[J].中國造紙學報，2012，27（3）：56-61.

[23] 宋美靜.紙漿氯漂廢水的處理[J].纖維素科學與技術，1999，（2）：22- 25.

篇9

據國家相關部門統計，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任何處理直接排入自然水體，對環境造成嚴重的危害。同時，由于淡水資源的缺乏，人們越來越關注生活污水回用技術的發展，在節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, 是人們日常生活中產生的污染, 主要來自家庭, 商業,學校旅游服務業及其他城市功用設施, 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, 在厭氧狀態下,厭氧菌分解有機物產生硫化氫, 使水體黑臭, 魚蝦絕跡。據世界衛生組織報告, 全世界80%的疾病與水有關系, 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, 磷營養物質排放到水體中, 特別是湖泊, 水庫, 將引起水體富營養化, 使水體在一定時間處于嚴重的缺氧狀態, 使魚類大量死亡。

二、城鎮生活污水處理技術研究

1、膜- 生物反應器處理生活污水

鑒于膜分離技術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勢，人們對膜分離技術應用于給水和污水處理方面進行了多途徑的開發和應用。膜分離技術（如微濾、超濾）在城市生活污水處理應用方面也有了較大進展，已經部分商業化用作回用水。

膜生物反應器技術, 是將膜分離技術與廢水生物處理技術組合而成的新系MBR(Membrance Biological Reactor) , 該系統以膜分離技術替代傳統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, 內裝彈性立體填料, 主要性能: 絲條與中心繩材質均為聚酰胺材料; 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, 系統運行穩定, 排泥很少。另外, 考慮到膜- 生物反應器的生物特性, 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- 生物反應器處理生活污水工藝流程圖

2、活性泥技術

簡單來說活性泥技術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，回流至曝氣池，另一部分將從系統出中排出。活性泥技術的主要設備為曝氣池和二次沉淀池。由活性泥技術，還衍生出了很多更先進的方法，例如AB 法和SBR 法。在SBR 法的基礎上，又發展出了CAST 法，即循環式活性污泥技術。作為目前比較先進的污水處理技術，CAST 法具有以下幾點優勢：1）生物選擇區的設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。4）抗沖擊負荷功效顯著。但是由于這種技術正處于起步階段，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展與完善，是目前亟待解決的問題。但作為新興技術的代表，CAST 法無疑還是有很好的發展前景的，而作為其根源的活性泥法，無論從實用性還是發展潛力來說，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安裝一定數量的填料，為了使污水達到凈化的目的，通過填料上的生物膜和供應的氧氣發生生物氧化作用，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點。該方法不但適用于處理生活污水，還適用于工業污水和養殖污水等，并且已經取得了較好的處理效果和經濟效益。生物接觸氧化法具有高效節能、耐沖擊負荷等優點，并且被廣泛應用于污水處理系統中。

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

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，通過微生物和供應的氧氣發生生物氧化作用，凈化廢水。一般來說，在氧化池內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，區別在于填料的應用，也就是微生物在氧化池內的狀態不同。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，由于填料的存在，使絲狀菌呈立體結構，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，并且適應負荷變化較大的水質，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）具有膜法的優點，剩余污泥量少；3）具有活性污泥法的優點，輔以機械設備供氧，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；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，隨著未來技術水平的不斷研究與發展，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點和缺點, 通過科學設計、優化組合，可望在實際應用中獲得技術與功能上一定程度的互補, 有效降低城鎮生活污水的處理與運轉費用, 從而推進城鎮生活污水處理的技術革命。

參考文獻：

[1] 李閆,何景蘋.生活污水處理技術特點與工藝分析[J]. 黑龍江科技信息. 2011(05)

[2] 徐馳.淺談城市生活污水處理發展現狀和工藝[J]. 江西農業學報. 2010(01)

[3] 黃海峰,楊開,王暉.厭氧生物處理技術及其在城市污水處理中的應用[J]. 中國資源綜合利用. 2005(06)

[4] 李志江,張芳,李姜維,鄭天凌.環境微生物技術在處理醫院污水中的應用[J]. 廈門大學學報(自然科學版). 2008(S2)

[5] 王利,買文寧,馬新輝.廢紙造紙廢水生物處理方式的分析與選擇[J]. 河南科技. 2006(02)

篇10

1.1膜分離技術的簡介

膜分離技術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和溶劑進行分離，分級， 提純和富集。根據膜材質和孔徑大小的不同，我們可以將膜分離技術分為一般微濾（MF），超濾（UF），反滲透（RO），納濾（NF）等等。

膜分離技術自從20 世紀60年代被用于工業生產以來，經歷了膜材質從大孔徑到小孔徑，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，膜分離技術在現代化工和生物工程的各個方面都得到了廣泛的應用。

1.2膜分離技術的獨特優勢

而在這些現代分離技術中，膜分離技術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，以達到物質在薄膜間的傳質而達到分離的目的。因此在經歷了：微孔過濾，滲析，電滲析，反滲透，超濾，氣體分離，滲透氣化等發展過程后[1]，現代膜分離技術具有反應條件要求低（常溫下即可發生）；是一個物理過程，不發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）；膜的性質穩定的情況下膜分離系統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物[2]。這些優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和科研中。

1.3膜分離技術與生命科學的結合

近些年來生物領域飛速發展，一系列系統理論的建立使得生物科學向更精細更嚴謹的方向發展，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。而隨著分子生物學的發展，它對與物質的分離與鑒定的要求也越來越高，傳統的分離手段已經無法滿足，但膜分離技術等為代表的現代分離技術（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過程中。

2現代膜分離技術的基本過程與原理詳細

2.1膜分離技術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）。根據待分離樣品的性質以及分離所選用薄膜的性質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，以達到分離預期結果[3]。

2.2膜分離技術的不同操作模式

膜分離技術原理簡單，因此它的工藝流程也便于標準化。由于待分離物質中我們想要的目的產物的分子量各有不同，我們的目標產物最終出現的位置也不同：小分子物質一般會通過薄膜最終在濾過液中富集。而大分子物質會在膜的另一側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一同穿過薄膜從而加速小分子物質過膜速率，使大分子與小分子物質的分離加速，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，在過膜速率出現了明顯下降的時候轉化為滲濾模式，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

膜分離的傳質原理有兩個主流理論：雙模理論和溶質穿透理論。

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阻力，溶質分子在這兩個膜層內梯度擴散，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，dC/dX為濃度梯度。

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

其中C為濃度，t為時間，D為傳質系數，x為離界面的間距。其中D與濃度無關，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，濃差極化，壓密，膜污染速率等系數。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：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濃度除以小分子物質濃度，可以用來表示小分子物質的去除效果。

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分別表示經過膜前后溶液中小分子物質的濃度。

3膜分離技術在生物科技領域使用的具體實例

3.1膜分離技術在小分子有機物分離過程中的應用

常常使用膜分離技術進行分離的小分子物質包括：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，有自己的等電點，因此我們在分離氨基酸時往往還會調節料液的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。關有人用ZrO2膜表面接枝交聯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值可以分離大多數的氨基酸[5]。

3. 2膜分離技術在蛋白質分離中的應用

蛋白質是一類以復雜的混合物形式存在的生物大分子，傳統的蛋白質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、蛋白質易變質，且產品的回收率低、二次污染嚴重。膜分離技術則可以很好地克服傳統蛋白質分離技術的缺點，有效改善產品質量，還可以大大提高蛋白質的回收率，實現蛋白質的分離和純化。一般蛋白質的膜分離會用兩張膜：一個膜孔較小，能使需要的蛋白質全部截住，而讓小的蛋白質透出，然后再將截留在第一張膜內的蛋白質轉移到孔徑較大的膜內，截住較大的蛋白質使所需的蛋白質流過微孔透出，這樣使蛋白質得到了提純，如果還有雜蛋白還可以再接著進行類似流程。比如說美國農業部利用膜技術分離精制了霍霍巴榨油后殘渣中的蛋白質、纖維素等成分，分離后各組分分別作為動物飼料及調節劑；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量[6]。

3. 3膜分離技術與膜生物反應器

膜生物反應器是一種近些年來膜技術與生物技術結合研究應用于生產的熱門方向，主要是將微生物與膜結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而且可以得到并分離產物的目的。現階段主要運用于污水高效處理，已經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器與萃取膜生物反應器[7]。

3.3.1無泡曝氣膜生物反應器。

生物反應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用的主要原因。而無泡膜生物反應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在膜的內腔里流動，在濃差作用下向膜外側的活性污泥傳遞。氣體進入污水中不產生氣泡，而且氧的傳遞效率高達100%，可以滿足各種微生物生化反應的需氧要求。

3.3.2萃取膜生物反應器。

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。

而萃取膜生物反應器能很好處理這些廢水。萃取膜生物反應器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內流動，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，再以氣態形式離開膜進入膜另側的混合液中，在混合液中由專性菌分解成CO2、H2O等無機小分子[8]。

3.4膜分離技術在醫藥有效成分提取中的應用

3.5膜分離技術在釀酒中的應用

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

有人研究發現，超濾和微濾是有效的分離此類雜質的手段。在低酒精度下進行膜分離，可以有效的延長產品的保質期，改善口感，卻對其其他理化指標并不產生太大的不良影響（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，渾濁等現象，同時降低苦味辛辣味，和蒸餾產生的蒸煮味。

除此之外，在啤酒的發酵過程中由于采用了代謝控制發酵的方法，往往會有較高的殘糖，而使用反滲透過濾之后，也將將有效降低殘糖，達到改良口感的效果。

3.6其他

膜分離技術還廣泛的運用于其他產業：高品質飲用水的過濾，發酵廢液的再利用。

4總結

膜分離技術從產生到現在已獲得巨大的成功，但仍屬于一門發展中的年輕綜合性學科。理論和應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，工藝經驗不足等等 [3]。

總的來說膜分離技術與生物技術的結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的前景將會多么誘人。

【參考文獻】

[1]呂慧，溫哲.膜分離技術的發展狀況及工業應用[J].科技傳播，2010（15）：185+191.

[2]李繼香.膜分離技術在生物化工領域的應用[J].上海化工，2012（3）：28-30.

[3] 王華， 劉艷飛， 彭東明. 膜分離技術研究進展及應用展望[J]. 應用化工， 2013， 42（3）：532-534.

[4]姚紅娟，王曉琳.膜分離技術在低分子量生物產品分離純化中的應用[J].化工進展，2003（2）：43-49.

[5]岳志新，馬東祝，趙麗娜，等.膜分離技術的應用及發展趨勢[J].云南地理環境研究，2006（5）：54-59.

篇11

1 微生物發酵概述

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

微生物發酵過程的優化控制可以分為過程模型和控制策略。發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展，而優化控制策略方面的研究內容與成果有：基于線性化近似的經典優化控制、基于非線性系統理論的優化控制以及基于人工智能技術的優化控制等。微生物發酵過程控制技術的優化決定著發酵工程的質量與效益。傳統的發酵工程過程為了快速提高發酵生產率與發酵水平，發酵過程更側重于菌種的篩選和改造上。隨著生物科學技術的發展，基因工程與代謝工程研究領域都出現了長足的進步與發展，利用基因重組與誘發等技術可以實現高產菌株普遍生產。但只有通過發酵過程的優化控制，才能實現產品質量最高、生產力最大、成本消耗最低的生產過程，因此對微生物發酵過程的優化控制成為發酵工程中研究人員日益關注的焦點。

2 存在的現狀

現階段，微生物發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，首先應對微生物的不同特點有充足的了解。在科學技術快速發展的背景下，人們了解微生物的方式已經發生了改變，已經由原來的借助微生物形態進行表面認識，轉變為對復雜生物學與細胞調節等方面。然而，微生物細胞較復雜，這使得生物發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酵過程進行分析，而根據檢測得到的過程參數對生化發酵過程進行詳細分析。一般來說，檢測的過程參數主要包括物理參數、生物參數與化學參數這幾類。

3 生物發酵過程的在線檢測與控制技術進展分析

微生物發酵過程屬于一種生化反應過程，主要是為了促進最終產物利用率的提升，確保微生物生長環境的舒適度。在舒適、適宜的環境中，有利于微生物進行有效的生長代謝，并能實現對微生物發酵過程的在線檢測與控制，從而提升微生物發酵產品的利用率，發揮其最大作用。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、微生物發酵熱等因素，均可能影響發酵的溫度。此外，發酵罐體積大小，也會在一定程度上影響發酵溫度的控制。如果發酵罐的體積較大，往往會采用冷卻水或發酵溫度為主回路的串級控制方式；如果是體積較小的發酵罐，多采用冷卻水流量、發酵溫度為主的簡單回路控制方式。

（2）在微生物發酵過程中，生物發酵也會受溶解氧濃度的控制情況影響。然而，現階段國內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、發酵罐本身的壓力、攪拌槳的轉速及形狀。

（3）在微生物發酵過程，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生變化，故必須保證酸堿度值得合適。若發酵液的酸堿度為強酸性，可通過加氧水的方法弱化其酸性；若發酵液濃度為強堿性，可通過加糖的方式弱化其堿性，調節發酵液的酸堿度，直至合適。

（4）消泡控制也是影響生物發酵工程的一個重要因素。發酵前，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，很容易導致發酵液上浮的現象，最終發生逃液現象。若發生該類情況，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）在生物發酵過程中，補料控制也是影響發酵的一個重要因素。在發酵的進行狀態中，微生物生成代謝也會在半連續式發酵過程的變化情況下發生相應的改變。所以，在這過程中，應該連續不斷地為生物補充營養成分，保證微生物能夠按優生物軌跡生長，才能促進微生物代謝產物產量的提升。

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

4 微生物發酵過程的優化控制策略

4.1 基于線性化近似的經典優化控制

基于“極大值原理”經典的優化控制方法在早期發酵過程優化控制中應用較為廣泛。在發酵過程狀態空間描述中利用極大值原理以及迭代法可以實現發酵的最優實施效果。極大值原理方法適用于比較復雜的發酵過程控制對象，但極大值原理只能得到開環控制，當發酵過程中的計算量較大時，僅能對少數過程制定出優化曲線，忽視了環境因素對系統的干擾。相關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；發酵過程的建模質量對經典優化控制的發展產生了很大程度的影響。

4.2 基于人工智能技術的優化控制

利用計算機科學技術結合人工智能理論對發酵過程進行優化控制成為近幾年的發酵過程研究的熱點，人工智能技術能突破很多復雜的系統問題，主要包括專家控制、神經網絡控制等。利用智能方法對發酵過程進行優化控制，在研究與仿真中呈現出優良的效果。研究人員建立了基于乙醇生產的專家系統，實現了乙醇發酵過程的發酵單元的檢測，系統的誤差非常小，系統的穩定性也得到了提高。但智能控制方法在模擬活動時仍存在局限性，神經網絡控制對于網格結構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酵控制的技術問題。

5 結論

隨著科技的不斷進步以及生物技術水平的持續提升，微生物發酵技術已經得到了非常廣泛的發展，除了在農業與工業方面獲得了廣泛的應用外，其在醫藥領域的應用更加值得期待。利用微生物發酵技術可以有效地解決許多正常生產不能夠解決的難題。合理運用微生物發酵技術，并對發酵工藝進行持續地優化與改進，可以有效地提升生產效率，推動發酵工程技術不斷前進與健康發展，從而擴大微生物發酵在各領域的應用價值。？

參考文獻

[1] 張文芝，郭堅華.微生物發酵工藝優化研究進展[J].？廣東農業科學，2013，（6）.

篇12

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

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域，是指其在遺傳、種類、結構與生態功能方面的變化，對指示土壤微生物群落的穩定性，在保持土壤質量和生態系統穩定性等方面具有重要意義[1]，是當今國內外關注和研究的熱點問題之一。

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

近年來，隨著分子生物學技術的發展和研究手段的更新，基于土壤微生物群落總DNA的現代微生物分子生態學研究方法避免了傳統分離培養方法的缺點，被廣泛應用于土壤微生物群落結構、功能以及動態監測研究[3]。因此作為微生物群落分子分析方法的基礎，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量的、具有代表性的微生物總基因組DNA。關于土壤微生物DNA提取方法的報道很多[4，5]，然而這些方法主要側重于土壤中的細菌群落，很少關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、現行各方法的優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狀

傳統微生物學研究方法主要依賴于純培養技術和顯微鏡技術，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定性，并且如果某種微生物的PLFA是未知的，則該不可培養微生物仍難以鑒別[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年將其成功應用于DNA雜交技術，研究發現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。后來研究者發現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為基礎確定環境樣品中的微生物，使人們對大量不可培養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代分子生物學技術得到迅速發展，包括限制性片段長度多態性分析（RFLP）、隨機擴增DNA多態性分析（RAPD）、單鏈構象多態性分析（SSCP）、基因芯片（Microarray）、PCR-DGGE/TGGE 等，為全面揭示土壤微生物種群結構和遺傳多樣性提供了重要手段。其總的技術路線：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構及其動態變化[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，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，而是通過物理的、化學的、酶解等手段相結合，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合，包藏在土壤團聚體內，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鍵。通常采用物理或化學法，或是二者相結合以達到微生物與土粒分離的目的。常用的物理分散技術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加以考慮。還可以將化學試劑與機械方法結合來懸浮土壤顆粒。研究發現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與土壤顆粒纏繞在一起以及細胞壁結構的特殊性，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，國內外有關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]在前人研究的基礎上提出了分離土壤真菌的原理：新鮮土壤經分散后，土壤懸浮液中的菌絲可附著在慢速轉動的銅絲（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化子奠定了基礎。吳敏娜等[23]以傳統土壤總DNA提取方法及純菌DNA提取方法為基礎，分別與蝸牛酶、纖維素酶進行組合、優化，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對上述土壤微生物提取液進行純化。兩相分離技術最早為德國化學家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。近些年該技術廣泛應用于生物化學、細胞生物學和生物工程等領域，是一種分離、純化生物大分子、細胞、病毒的方法，該技術也逐步發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，應用領域廣泛[24]。關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差異有關。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。目前應用最為廣泛的是PEG（聚乙二醇）/Dextran（葡聚糖）系統和PEG/無機鹽（磷酸鹽或硫酸鹽）系統。對于不同的兩相組分，分離時間不盡相同[25]。Smith等[19]研究了應用兩相分離技術從土壤中分離純化非菌絲體微生物的效果，發現經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，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細菌總量的60%，而上層PEG相中的土壤礦質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（A2PP）純化細菌，測定細菌生物量，研究兩相分離技術在土壤微生物研究領域的可應用性，結果表明采用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

現今的土壤細菌DNA直接提取法是在Ogram等[27]建立的方法基礎上發展起來的，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，結果表明獲得的DNA適合于酶解和PCR擴增要求。

值得關注的是，土壤中微生物種類繁多，生理狀態不同，革蘭氏陽性和陰性細菌以及細菌與真菌的細胞壁結構和組成亦不相同。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，因此必須根據試驗的性質、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，結果表明經凍融處理的霉狀芽孢桿菌均提取到了DNA，未經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的液氮研磨，實驗結果表明該方法所需菌體量少，且得到的基因組DNA比用傳統的CTAB法得到的基因組DNA產率高、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]研究結果表明PVP能夠與腐殖酸結合，起到有效去除提取的DNA中腐殖酸雜質、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質量，并證實這是一種簡便有效可直接應用于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的問題。滕應等[39]將BIO101 Systems公司研制的FastPrep多試管核酸提取系統與相應的Fast DNA SPINKit for Soil試劑盒聯用，有效地提取了重金屬復合污染的農田土壤微生物總DNA。

沒有哪種單一的純化步驟可以除去所有污染物，故許多研究者已經將幾種純化步驟結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。發現經前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境總DNA用于后續操作，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。蛋白質在280 nm處有吸收峰，因此OD260/OD280比值經常被用來指示DNA中蛋白質的污染程度，當OD260/OD280比值為1.8～2.2時，DNA較純，當受蛋白質或其他雜質污染時，OD260/OD280值則較低[41]。此外，還可采用PCR擴增檢測DNA的純化質量，所用擴增引物見文獻[42]。

提取的DNA濃度也可根據測定的OD260值計算，根據公式[dsDNA]=50×OD260×稀釋倍數，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。研究發現，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，并發現獲得的DNA量與土壤的有機磷含量有明顯的正相關關系。另外，研究也發現，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。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，去有機質土壤顆粒對細菌吸附親和力較含有機質土壤顆粒的大[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，應針對土壤類別選取合適的提取方法，以便進行后續研究。

4 小結

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，并受到廣泛的關注[46]。因而越過分離培養的步驟，直接從土壤中獲得總DNA以分析土壤微生態群落結構，關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，有許多物質難以預料，對提取較好質量的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，提取的種類和數量較少；直接提取法直接在土壤中裂解細胞，使其中內含物盡可能地釋放，能夠代表大部分的土壤微生物，但土壤中所含物質種類較復雜，所以提取的DNA質量受到很大的影響，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]發現一種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的分子生物學分析，因此具有廣泛的應用前景。

絕大多數直接提取法提取的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用[48]。但近年來有研究表明DNA提取的產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，以使后續操作能順利進行，并得到準確可信的研究結果。

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實驗的物質，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；提取方法應具有普適性，對土壤中大多數微生物能夠有效等[50]，且提取的DNA能更好地代表土壤微生物的真實性和異質性。

5 展望

目前，國內外對土壤微生物總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，需要根據具體的土壤特點、實驗室條件和實驗目的而定。在提取過程中還要兼顧實驗操作是否簡便，方法是否經濟以及樣品量是否充足。另外，將現代分子生物學技術與傳統微生物研究方法結合起來，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的生態功能。

參考文獻：

[1] 肖艾和，張洪霞，譚周進，等.土壤微生物多樣性研究的DGGE/TGGE技術進展[J].核農學報，2009（4）：721-727.

[2] AMANN R I， LCDWIGW， SCHLEIFER K H. Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation[J]. Microbiological Reviews，1995，59（1）：143-169.

[3] PACE N R.A molecular view of microbial diversity and the biosphere[J].Science，1997，276：734-740.

[4] 陳 邦，范代娣，王 琰.土壤微生物DNA提取方法的研究[J].西北大學學報（自然科學版），2009，39（5）：785-788.

[5] DELMONT T O， ROBE P， CLARK I， et al. Metagenomic comparison of direct and indirect soil DNA extraction approaches[J]. Journal of Microbiological Methods， 2011，86（3）：397-400.

[6] 孫海明，朱 梅，郭宇南，等.不同土壤微生物 DNA 提取方法比較[J].北華大學學報（自然科學版），2011（5）：550-552.

[7] SHINPEI YOSHITAKE， MASAKI UCHIDA ， TAKAYUKI NAKATSUBO.Characterization of soil microflora on a successional glacier foreland in the high Arctic on Ellesmere Island， Nunavut， Canada using phospholipids fatty acid analysis[J].Polar Bioscience，2006，19：73-84.

[8] PHILIP W R， MATTHIAS C R， KEVIN P F， et al. Choice of methods for soil microbial community analysis： PLFA maximizes power compared to CLPP and PCR-based approaches[J].Pedobiologia， 2006，50：275-280.

[9] TORSVIK V， GOKSOYR J， DAAE F L. High diversity in DNA of bacteria [J]. App1ied and Environmental Microbio1ogy，1990，56：782-787.

[10] JENNIFER L K， LEE A B， MIRANDA H， et al. Methods of studying soil microbial diversity[J]. Journal of Microbiological Methods，2004，58：169-188.

[11] TORSVIK V L， GOKSOYR J. Determination of bacterial DNA in soil[J]. Soil Biological and Biochemistry，1978，10（1）：7-12.

[12] 蘆曉飛，趙志祥，謝丙炎，等.米拉山高寒草甸土壤微生物DNA提取及宏基因組Fosmid文庫構建[J].應用與環境生物學報，2009，15（6）：824-829.

[13] 劉宏偉，彭 謙，李沁元，等.高溫環境樣品總DNA直接和間接提取方法的比較[J].微生物學報，2006，46（6）：1018-1002.

[14] GABOR E M， de VRIES E J， JANSSEN D B. Efficient recovery of environmental DNA for expression cloning by indirect extraction methods[J].FEMS Microbiol Ecology，2003，44：153-163.

[15] MACDONALD R M. Sampling soil microfloras： Optimization of density gradient centrifugation in percoll to separate microorganisms from soil suspensions[J]. Soil Biological and Biochemistry， 1986，18：407-410.

[16] HERRON P R，WELLINGTON E M H. New method for extraction of streptomycete spores from soil and application to the study of lysogeny in sterile amended and nonsterile soil[J].App1ied and Environmental Microbio1ogy，1990，56：1406-1412.

[17] HOPKINS D W， MACNAUGHTON S J， O’DONNELL A G. A dispersion and differential centrifugation technique for representatively sampling microorganisms from soil[J].Soil Biological and Biochemistry，1990，23：117-225.

[18] TUPIN P E， MAYCROFT K A， ROLANDS C L，et al. An ion-exchange based extraction method for the detection of salmonellas in soil[J]. Applied Bacteriology， 1993，53：860-863.

[19] SMITH N C， STRIBLEY D P. A new approach to direct extraction of microorganism from soil[A]//RITZ K， DIGHTON J， GILLER K E. Beyond the Biomass[M].London： British Society of Soil Science， 1994.

[20] LINDAHL V. Improved soil dispersion procedures for total bacterial counts，extraction of indigenous bacteria and cell survival[J]. Microbiol Methods， 1996，25：279-286.

[21] VILARINO A， ARINEL J， SCHUEPP H. Extraction of vesicular arbuscular mycorrhizal mycelium from sand samples[J].Soil Biology and Biochemistry，1993，25：99-110.

[22] 潘 力，崔 翠，王 斌.一種用于PCR擴增的絲狀真菌DNA快速提取方法[J].微生物學報，2010，37（3）：450-453.

[23] 吳敏娜，張惠文，李新宇，等.提取北方土壤真菌DNA的一種方法[J].生態學雜志，2007，26（4）：611-616.

[24] RAGHAVARAO K S M S， RANGANATHAN T V， SRINIVAS N D. Aqueous two phase extraction——An environmentally benign technique[J]. Clean Technical Environmental Policy， 2003，5：136-141.

[25] 向萬勝，吳金水，肖和艾，等.土壤微生物的分離、提取與純化研究進展[J].應用生態學報，2003，14（3）：453-456.

[26] 李 妍，倪德軍，胡紅青，等.應用兩相分離技術研究紅壤微生物組成的探討[J].土壤學報，2007，44（1）：152-158.

[27] OGRAM A， SAYLER G S， BARKAY T. The extraction and purification of microbial DNA from sediments[J]. Microbiol Methods， 1987，7（2-3）：57-66.

[28] 王嘯波，唐玉秋，王金華.環境樣品中DNA的分離純化和文庫構建[J].微生物學報，2001，41（2）：133-140.

[29] 熊開容，張智明，張 敏.活性污泥DNA提取方法的研究[J].生物技術，2005，15（4）：43-45.

[30] 張瑞福，崔中利，曹 慧，等.土壤微生物總DNA的提取和純化[J]. 微生物學報，2003，43（2）：276.

[31] 張穎慧，李明春，魏東盛，等.一種改進的絲狀真菌 DNA 提取方法[J]. 微生物學通報，2008，35（3）：466-469.

[32] LAMONTAGNE M G， MICHEL F C， HOLDEN P A， et al. Evaluation of extraction and purification methods for obtaining PCR-amplifiable DNA from compost for microbial community analysis[J]. Journal of Microbiological Methods，2002，49（3）：255-264.

[33] 李靖宇，趙 吉，邊 玉，等. 濕地土壤微生物 DNA 提取及其脫腐技術[J]. 微生物學通報，2010，37（8）：1130-1137.

[34] 李鈞敏，金則新.一種高效可直接用于PCR分析的土壤總微生物DNA抽提方法[J].應用生態學報，2006，17（11）：2107-2111.

[35] 蔡劉體，胡重怡，羅正友，等. SDS-CTAB法提取煙草病圃土壤微生物總DNA[J]. 江西農業學報，2011，23（2）：119-121.

[36] 吳紅萍，鄭服叢.不同環境中土壤微生物總DNA的提取與純化[J].廣西農業科學，2008，39（1）：21-61.

[37] 朱立成，鄒小明，蔡瑞玉.紅壤中微生物總DNA的分離與純化[J].井岡山學院學報（自然科學版），2007，28（12）：5-7.

[38] 段學軍，閔 航.鎘脅迫下稻田土壤微生物基因多樣性的DGGE分子指紋分析[J].環境科學，2004，25（6）：122-126.

[39] 滕 應，駱永明，趙祥偉.重金屬復合污染農田土壤DNA的快速提取及其PCR-DGGE分析[J].土壤學報，2004，41（3）：343-347.

[40] SMALLA K， CRESSWELL N， MENDOCA-HAGLER L C， et al. Rapid DNA extraction protocol from soil for polymerase chain reaction-mediated amplification[J]. J Applied Bacteriology，1993，74：78-85.

[41] YEATES C， GILLINGS M R， DAVISON A D， et al. Methods for microbial DNA extraction from soil for PCR amplification [J]. Biological Procedures Online，1998，1（1）：40-47.

[42] 張于光，李迪強，王慧敏.用于分子生態學研究的土壤微生物DNA提取方法[J].應用生態學報，2005，16（5）：956-960.

[43] 吳冠蕓，潘華珍.生物化學與分子生物學實驗常用數據手冊[M].北京：科學出版社，1999.249-250.

[44] ZHOU J Z， BRUNS M A， TIEDJE J M. DNA recovery from soils of diverse composition[J]. Applied and Environmental Microbiology，1996，62（2）：316-322.

[45] 蔣代華. 細菌在粘土礦物及土壤顆粒表面的吸附研究[D].武漢：華中農業大學，2009.

[46] TORSVIK V，OVREAS L. Microbial diversity and fuction in soil： from genes to ecosystems[J]. Ecology and Industrial Microbiology，2002，5：240-245.

[47] MILKO B K， LYUBKA I K， ERIKA E V， et al. Mutants of Taq DNA polymerase resistant to PCR inhibitors allow DNA amplification from whole blood and crude soil samples[J]. Nucleic Acids Research，2009，37（5）：2-14.