生物技术研究进展精选(九篇)

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第1篇：生物技术研究进展范文

关键词：土壤微生物；多样性；DNA；提取技术

中图分类号：S154.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5253-06

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

土壤微生物多样性是生物多样性研究的一个重要领域，是指其在遗传、种类、结构与生态功能方面的变化，对指示土壤微生物群落的稳定性，在保持土壤质量和生态系统稳定性等方面具有重要意义[1]，是当今国内外关注和研究的热点问题之一。

长期以来，由于研究方法的限制，传统的分离纯化培养技术仅能获得土壤中微生物总种群数的1%左右，而绝大部分微生物目前还不能获得纯培养[2]，未能获得纯培养的微生物才是土壤微生物的主体，因此，有关微生物多样性研究进展不大。

近年来，随着分子生物学技术的发展和研究手段的更新，基于土壤微生物群落总DNA的现代微生物分子生态学研究方法避免了传统分离培养方法的缺点，被广泛应用于土壤微生物群落结构、功能以及动态监测研究[3]。因此作为微生物群落分子分析方法的基础，最重要的一步就是从土壤样品中尽量毫无偏差地提取出高质量的、具有代表性的微生物总基因组DNA。关于土壤微生物DNA提取方法的报道很多[4，5]，然而这些方法主要侧重于土壤中的细菌群落，很少关注土壤中真菌群落总基因组DNA的提取方法及其提取效果。另外，细胞裂解不完全、DNA分子吸附在样品基质颗粒的表面、从样品中同时提取了某些重要酶的活性抑制剂、DNA分子的损耗、降解和破坏等因素也影响着土壤微生物DNA提取的质量，因而提取土壤微生物总DNA在研究中尤为重要[6]。本文主要对DNA提取过程中的主要影响因素、现行各方法的优缺点以及存在的问题作一综述。

1 基于DNA方法的土壤微生物多样性研究现状

传统微生物学研究方法主要依赖于纯培养技术和显微镜技术，对土壤微生物多样性的描述与研究存在一定的局限性。20世纪中后期，随着土壤微生物多样性研究向多方面发展，人们尝试着利用分析微生物细胞中某种指示成分，如磷脂脂肪酸（PLFA）来研究土壤微生物的种群组成，但是这些方法的缺陷是无法保证细胞中某种指示成分在土壤中的稳定性，并且如果某种微生物的PLFA是未知的，则该不可培养微生物仍难以鉴别[7，8]。

1980年，Torsvik等[9]首次建立了从土壤样品中直接提取细菌DNA的方法，并于1990年将其成功应用于DNA杂交技术，研究发现1 g土壤中有4 000个以上不同的细菌种类，说明土壤中微生物多样性是极其丰富的。后来研究者发现16S rDNA在原核微生物中普遍存在，并且含有相对保守和可变区域，在不同的个体间16S rDNA基因序列也不会进行基因交换，因此，每一种生物都有自己的独特序列。1986年，Pace[3]第一次以16S rDNA为基础确定环境样品中的微生物，使人们对大量不可培养微生物群体有了全新的认识。此后，基于16S rDNA基因的指纹图谱分析的现代分子生物学技术得到迅速发展，包括限制性片段长度多态性分析（RFLP）、随机扩增DNA多态性分析（RAPD）、单链构象多态性分析（SSCP）、基因芯片（Microarray）、PCR-DGGE/TGGE 等，为全面揭示土壤微生物种群结构和遗传多样性提供了重要手段。其总的技术路线：分离微生物基因组DNA，用特异性引物扩增16S rRNA基因片段，再将该PCR扩增产物进行更深一步分析，从而可在种、属的水平上研究不同生境中的微生物种群结构及其动态变化[10]。

2 土壤微生物总DNA的提取

从土壤样品中提取DNA的方法大致可分为2类，即间接提取法和直接提取法。间接提取法首先是对土壤样品进行反复悬浮和离心，去除土壤等杂质，提取土壤微生物细胞，再采用酶裂解细胞提取微生物总DNA。直接裂解法是不去除土壤等杂质，而是通过物理的、化学的、酶解等手段相结合，直接裂解土壤中的微生物细胞，使其释放DNA，再进行提取和纯化。但不论采用何种方法，都存在一定的缺陷，要想提取较完整的DNA需要具备以下几个条件： ①土壤微生物能从土壤中充分释放，尤其是那些紧紧吸附在土壤颗粒，甚至深藏于土壤微穴中的细菌等相对比较难分离的微生物。②对一些比较顽固的微生物，如革兰氏阳性菌、孢子和小细菌的裂解，需要更剧烈的处理，而这又会造成对裂解敏感的细菌DNA折断。③采集土壤样品后应尽快提取DNA，因为土壤在4 ℃储藏几周就会造成大分子DNA的降解。

2.1 间接提取土壤微生物总DNA

Torsvik等[11]最先报道了从土壤中提取微生物DNA的间接法，包括以下4个步骤：①分散土壤；②土壤微生物的提取（分离细胞与土壤）；③土壤微生物的纯化；④细胞裂解及DNA纯化。

2.1.1 土壤分散 土壤微生物一般与土壤颗粒结合，包藏在土壤团聚体内，因此，最大限度地分散土壤是从土壤中分离提取微生物的关键。通常采用物理或化学法，或是二者相结合以达到微生物与土粒分离的目的。常用的物理分散技术是使用玻璃珠与土壤悬液一起振荡，或是使用韦林氏搅拌器（匀浆器、转子混合器）搅拌分散，或是使用超声波分散土壤团聚体等。而化学分散法是通过加入化学分散剂以达到促进微生物与土粒分离的目的。最常用的分散剂为0.2%焦磷酸钠，其他还有Winogradsky盐溶液、Tris缓冲液、生理盐水、六偏磷酸钠、胆酸钠、脱氧胆酸钠、纯水等[26]。值得注意的是，为有效地分散土壤，分散剂的种类、浓度、加入量、机械作用（振荡、搅拌和超声波等）的方式、时间以及容器的大小等均应加以考虑。还可以将化学试剂与机械方法结合来悬浮土壤颗粒。研究发现Chelex100就是一种有效的土壤颗粒悬浮剂。各种分散方法分散效果不同，采用何种分散方法效果最佳目前尚无一致结论，而且防止细胞因物理、化学作用导致破裂提前释放DNA很重要，处理不当会使DNA降解。常用分离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离心分离法，既要使微生物与土壤颗粒分离，又要保证基本不破坏微生物细胞。由于土壤中细菌的平均密度（1.1 μg/cm3）远小于土壤矿物质的平均密度（2.6 μg/cm3），因此采用离心或淘选法可使细菌与土壤颗粒得到较好的分离。Hopkins等[17]采用密度逐级离心法分离出60%以上的土壤细菌。此外，也有学者提出用过滤法，即将土壤样品分散处理后，经20 μm或30 μm微孔筛真空抽滤，其滤液中即可能含有绝大多数土壤细菌，此过程操作简便，提取液中土壤残留物少，易于纯化。

由于土壤中的真菌、放线菌主要以菌丝的形态与土壤颗粒缠绕在一起以及细胞壁结构的特殊性，从土壤样品中分离提取真菌放线菌要比提取单细胞的细菌相对困难。迄今为止，国内外有关分离提取真菌的研究文献极少，且这些报道方法所提取的真菌菌丝只占真菌总生物量的极少部分。Vilarino等[21]在前人研究的基础上提出了分离土壤真菌的原理：新鲜土壤经分散后，土壤悬浮液中的菌丝可附着在慢速转动的铜丝（直径150 μm）框上，洗脱后即得提取的土壤真菌。潘力等[22]以曲霉菌为例，采用微波处理菌丝并置于10× TE Buffer中即可得到DNA，建立了一种快速提取丝状真菌DNA的实验方法，为高通量快速筛选丝状真菌转化子奠定了基础。吴敏娜等[23]以传统土壤总DNA提取方法及纯菌DNA提取方法为基础，分别与蜗牛酶、纤维素酶进行组合、优化，得到7种不同的土壤真菌基因组DNA提取方法。分离提取土壤细菌和真菌的流程如图1所示。

2.1.3 土壤微生物的纯化 目前常用两相分离技术对上述土壤微生物提取液进行纯化。两相分离技术最早为德国化学家Albertsson于20世纪50年代所建立，当时主要用于生物大分子的分离。近些年该技术广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物工程等领域，是一种分离、纯化生物大分子、细胞、病毒的方法，该技术也逐步发展成为一种温和的生物分离方法，相对于原始的纯化手段具有过程简单、纯化时间较短等特点，应用领域广泛[24]。关于其分离机制目前尚不完全清楚，有人认为其分离的原理主要取决于不同组分的亲水性差异，也有人认为还与不同组分的电荷性质差异有关。当两种互不相溶的聚合物以一定浓度溶于水中时，便可形成体积不同的两相，被分离组分由于其与两相的亲和力不同，分别进入不同相从而达到分离的目的。目前应用最为广泛的是PEG（聚乙二醇）/Dextran（葡聚糖）系统和PEG/无机盐（磷酸盐或硫酸盐）系统。对于不同的两相组分，分离时间不尽相同[25]。Smith等[19]研究了应用两相分离技术从土壤中分离纯化非菌丝体微生物的效果，发现经充分混合静置一定时间后，即可形成上下两层体积比约为4∶1的两相分离系统，其中细菌主要富集在上层PEG相，土壤残存颗粒将进入下层Dextran相，经4次提取纯化，富集在上层PEG相的细菌总量约达加入两相分离系统细菌总量的60%，而上层PEG相中的土壤矿质颗粒总量仅占总加入量的4%以下。李妍等[26]用2%PEG+6%Dextran两相分离技术（A2PP）纯化细菌，测定细菌生物量，研究两相分离技术在土壤微生物研究领域的可应用性，结果表明采用0.1%胆酸钠、钠型离子交换树脂、玻璃珠与土壤一起在4 ℃下振荡2 h，能较好地分散、纯化土壤细菌。研究表明，两相分离技术同样有可能用于分离纯化土壤真菌。

2.2 直接提取土壤微生物总DNA

现今的土壤细菌DNA直接提取法是在Ogram等[27]建立的方法基础上发展起来的，主要包括两个步骤：①原位细胞裂解；②DNA提取和纯化。

2.2.1 原位细胞裂解 直接裂解土壤微生物细胞的方法包括：机械破碎法、化学法、酶解法及3种手段相结合。机械破碎法常用的有冻融法、微波、超声波法和玻璃微珠震荡法；化学法常用表面活性剂SDS和SarkosyI、热酚、高盐、异硫氰酸胍等；酶解法：裂解酶、溶菌酶、蛋白酶K、链霉蛋白酶等。其中溶菌酶不仅可处理革兰氏阳性菌细胞壁，还可水解糖苷键和腐殖酸。2种或多种方法相结合对DNA的提取效果较好。王啸波等[28]采用PBS缓冲液洗涤土壤样品，结合SDS裂解微生物细胞的方法，同时提取2种土壤样品的微生物DNA和RNA，结果表明该法提取的核酸不需要进一步处理，其纯度就可以满足后续的分子生物学试验，从而避免了由于纯化导致的核酸量的降低。熊开容等[29]采用冻融+玻璃珠+溶菌酶+SDS方法提取了活性污泥中微生物DNA，结果表明获得的DNA适合于酶解和PCR扩增要求。

值得关注的是，土壤中微生物种类繁多，生理状态不同，革兰氏阳性和阴性细菌以及细菌与真菌的细胞壁结构和组成亦不相同。为了使提取的DNA具有代表性，就必须保证土壤样品中所有微生物细胞裂解释放出核酸，因此必须根据试验的性质、要求选择适当裂解方法。研究表明，基于SDS的高盐提取法会对一些革兰氏阳性细菌效果不好。张瑞福等[30]采用冻融+溶菌酶+SDS方法提取3种芽孢杆菌（G+）DNA，结果表明经冻融处理的霉状芽孢杆菌均提取到了DNA，未经冻融处理的霉状芽孢杆菌未提取到DNA，且冻融处理未对DNA造成大的剪切，提取的DN段还大于23.1 kb。张颖慧等[31]使用优化的CTAB法提取真菌基因组DNA。使用液氮冻融以及玻璃珠振荡的方法代替了传统的液氮研磨，实验结果表明该方法所需菌体量少，且得到的基因组DNA比用传统的CTAB法得到的基因组DNA产率高、纯度好且步骤简单，适用于一次微量提取多个样品的基因组DNA，可用于大部分分子生物学基本实验如PCR和DNA的酶切等。

2.2.2 DNA提取和纯化 在已报道的DNA提取和纯化方法中，通常采用饱和酚或氯仿和蛋白酶处理，去除DNA样品中的蛋白质和部分RNA，然后对DNA进行抽提，再用乙醇、异丙醇或聚乙二醇（PEG）沉淀后，经羟基磷灰石柱或氯化铯密度梯度超速离心等进一步纯化。其他纯化方法有聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）法、色谱法、电泳法、透析和过滤法、试剂盒法等。

Lamontagne等[32]研究结果表明PVP能够与腐殖酸结合，起到有效去除提取的DNA中腐殖酸杂质、提高DNA纯度的作用。李靖宇等[33]采用氯化钙-SDS-酶法对湿地土壤微生物DNA进行提取，结果表明该方法能高效去除湿地土壤腐殖酸，纯度较高，能直接满足PCR扩增。李钧敏等[34]用含PVPP的缓冲液预洗DNA样品，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质量，并证实这是一种简便有效可直接应用于PCR分析的土壤微生物总DNA的提取方法。蔡刘体等[35]采用 SDS-CTAB法提取烟草病圃土壤微生物总DNA，该方法既可达到裂解效果，还有助于去除腐殖酸，有利于提高所提取DNA 的质量。吴红萍等[36]采用酚氯仿和柱式腐殖酸去除剂对粗提取的土壤微生物DNA进行纯化后，可用于PCR扩增，并以细菌16S rDNA基因引物可扩增到相应的片段。朱立成等[37]采用直接法提取土壤微生物总DNA，然后用Sephadex G-200凝胶离心层析法纯化，可得到纯度较高的DNA。段学军等[38]采用稀释模板及巢式PCR法很好地解决了在DNA提取纯化过程中不能完全去除腐殖质的问题。滕应等[39]将BIO101 Systems公司研制的FastPrep多试管核酸提取系统与相应的Fast DNA SPINKit for Soil试剂盒联用，有效地提取了重金属复合污染的农田土壤微生物总DNA。

没有哪种单一的纯化步骤可以除去所有污染物，故许多研究者已经将几种纯化步骤结合起来以期获得最好的纯化效果。Smalla等[40]将粗提的DNA进行3步纯化：①氯化铯密度梯度超速离心纯化；②醋酸钾沉淀；③Geneclean纯化。发现经前2步纯化的DNA通过稀释即可部分被限制性酶切和扩增，但如不经稀释而进行限制酶切和扩增，则必需进行最后一步纯化。

2.2.3 直接法和间接法的比较 研究表明，直接法获得的DNA较多，但不易去除抑制剂，间接法提取的DNA只占直接法的1/10，但分离的DNA纯度较高，而且间接法得到的细菌量只占总菌群的25%～50%，直接法提得的DNA却可以超过细菌总DNA的60%。因此，要想获得大量DNA，选择直接法较好，当所需DNA量不大，而且要排除真核或胞外DNA污染时，可用间接提取法。

直接提取对某些特定样品用特定的操作方法能获得较高的提取效率，但是对有些生物量不高的样品则很难得到足够的环境总DNA用于后续操作，适合在样品生物量较大但采样量不大的情况下采用。间接提取在提取效率上远小于直接提取，但用间接提取法所得到的环境总DNA纯度较高，所有样品能直接用于PCR扩增，并且能更好地体现样品中微生物的多样性，适用于有大量样品的情况。

2.3 DNA的纯度和浓度测定

DNA在260 nm处有吸收峰，腐殖酸在230 nm处有吸收峰，计算OD230/OD260（腐殖酸/DNA）的比值可以确定所提DNA中腐殖酸的污染程度。一般情况下OD230/OD260比值应在0.4～0.5之间为好， OD230/OD260比值越高，腐殖酸污染越严重。蛋白质在280 nm处有吸收峰，因此OD260/OD280比值经常被用来指示DNA中蛋白质的污染程度，当OD260/OD280比值为1.8～2.2时，DNA较纯，当受蛋白质或其他杂质污染时，OD260/OD280值则较低[41]。此外，还可采用PCR扩增检测DNA的纯化质量，所用扩增引物见文献[42]。

提取的DNA浓度也可根据测定的OD260值计算，根据公式[dsDNA]=50×OD260×稀释倍数，计算DNA的浓度（μg/mL），换算出每克干土提取DNA的量[43]；还可采用DyNA Quant 200荧光仪对纯化后DNA的浓度进行测定[28]。

3 影响土壤微生物总DNA提取的因子

土壤成分复杂，含有大量的有机及无机等多种生物活性抑制物，如腐殖酸、多酚类化合物、重金属等，它们的存在可能影响土壤DNA的提取质量，抑制DNA聚合酶的活性从而影响土壤微生物多样性的分析。研究发现，腐殖酸是土壤DNA提取过程中极难去除的污染物，由于它的分子大小和理化性质与DNA相似，过分注重腐殖酸的去除，势必会造成DNA的大量损失，因此腐殖酸的有效去除是土壤DNA提取的难点所在。

各种土壤类型、质地和成分的差异，都会影响土壤微生物DNA的提取效果。Zhou等[44]用SDS-CTAB法从8种土壤（包括沃土、沙沃土和沙黏土，其中黏土含量为5%～31%不等）中提取DNA，平均获得DNA的量为0.5～26.9 μg/g，并发现获得的DNA量与土壤的有机磷含量有明显的正相关关系。另外，研究也发现，土壤中细菌的裂解效率与其中黏粒的含量呈明显的负相关。土壤中各粒级颗粒对细菌的吸附量从大到小的顺序为：黏粒、粉粒、细沙粒、粗沙粒，其中黏粒是粉粒的3.7～4.9倍、细沙粒的44.3～89.2倍、粗沙粒的262.0～799.0倍，细菌在粒径不同的土壤颗粒表面的最大与最小吸附量分别相差389.0和857.0倍，去有机质土壤颗粒对细菌吸附亲和力较含有机质土壤颗粒的大[45]。因此，不同的土壤适合于不同的DNA提取方法，在土壤DNA提取过程中，应针对土壤类别选取合适的提取方法，以便进行后续研究。

4 小结

从土壤微生物群体基因组的角度研究其多样性及功能是可行的方法，并受到广泛的关注[46]。因而越过分离培养的步骤，直接从土壤中获得总DNA以分析土壤微生态群落结构，关键是如何尽可能全面地提取土壤中微生物的总DNA。土壤本身成分复杂，有许多物质难以预料，对提取较好质量的DNA提出了很高的要求。因此建立一种简单有效的提取方法显得非常重要。

间接法提取的微生物DNA纯度较高，提取的种类和数量较少；直接提取法直接在土壤中裂解细胞，使其中内含物尽可能地释放，能够代表大部分的土壤微生物，但土壤中所含物质种类较复杂，所以提取的DNA质量受到很大的影响，需要进一步纯化，而这些处理往往造成部分DNA的丧失，可能使在土壤中本身存在量较少的种类丧失或检测不到，影响到土壤微生物多样性的分析。最近，Milko等[47]发现一种Taq DNA聚合酶基因突变型可增加对腐殖酸等PCR抑制物的抗性，不需要对基因组DNA进行纯化就可以进行后续的分子生物学分析，因此具有广泛的应用前景。

绝大多数直接提取法提取的DN段长度不会超过23 kb，而DNA的某些用途如宏基因组文库构建，需要大片段的DNA，直接提取法对此几乎无能为力。

在DNA提取产率高即表示其所代表的微生物多样性高的前提下，DNA直接提取法被认为是较好的方法并被广泛应用[48]。但近年来有研究表明DNA提取的产率高不等同于微生物的多样性高，间接提取法又再次被提出并用于相关研究[49]。这就要求在选择提取方法时不仅要试用直接提取和间接提取这两类方法，而且在每类方法中也要试用不同的处理组合方式，以使后续操作能顺利进行，并得到准确可信的研究结果。

评价一种土壤微生物DNA提取方法是否有效，除了通常要求的提取片段无降解且比较完整外，还需要能够有效去除土壤中大量存在的影响后续实验的物质，如腐殖酸、腐殖酸似物、酚类化合物、重金属离子等；能在单位样本量中比较彻底地提取出微生物DNA；提取方法应具有普适性，对土壤中大多数微生物能够有效等[50]，且提取的DNA能更好地代表土壤微生物的真实性和异质性。

5 展望

目前，国内外对土壤微生物总DNA提取方法的报道很多，但每一种方法都存在一定的缺陷。因此，从土壤样品中提取DNA还没有通用的最佳方案，需要根据具体的土壤特点、实验室条件和实验目的而定。在提取过程中还要兼顾实验操作是否简便，方法是否经济以及样品量是否充足。另外，将现代分子生物学技术与传统微生物研究方法结合起来，才能更全面地认识和理解土壤微生物群落多样性及其相应的生态功能。

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第2篇：生物技术研究进展范文

关键词：生物脱氮 短程硝化一反硝化 生物电极脱氮工艺 好氧脱氨工艺

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-124-02

1 引言

近些年来，随着科学技术的发展，生物脱氮在技术和工艺上取得了长足进步，发展出了：(1)同步硝化反硝化；(2)短程硝化反硝化；(3)厌氧氨氧化工艺；(4)全程自养脱氮工艺；(5)其它生物脱氮新工艺（好氧脱氨工艺和Sharon-Anammox联合工艺）等新技术和工艺。

本文主要系统介绍上述新技术和工艺的机理及发展进度，并对其可能存在的问题进行了分析。

2 生物脱氮传统工艺及存在的问题

废水生物脱氮传统工艺原理是硝化和反硝化反应，硝化反应是指在好氧硝化菌的作用下把氨氮转化为硝态氮，反硝化反应是指反硝化菌在缺氧条件下将硝态氮转化为氮气，通过硝化和反硝化反应将氨氮转化为氮气从而从废水中去除。具体工艺例如：A／O、A2／O、UCT、JBH、AAA等，都是典型的传统硝化反硝化工艺。

这些工艺在废水脱氮的实际应用中发挥了一定的作用，但仍存在以下问题：(1)硝化过程需要曝气；(2)由于曝气使废水中的COD大部分被去除，而反硝化程需要一定的碳源，因此往往需要另外加入碳源；(3)在低温条件下硝化菌群的增殖速度慢，而且难以维持较高生物浓度。因而必须延长总水力停留时间(HRT)，造成了基础建设投资的增加；(4)高浓度的氨氮和亚硝酸盐废水会抑制硝化菌的生长；(5)为了中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和；(6)为了获得良好的脱氮效果及维持较高生物浓度，必须同时进行污泥和硝化液的回流，增加了动力消耗。

3 新型生物脱氮工艺

3.1 同步硝化反硝化

同步硝化-反硝化工艺是利用了：(1)硝化过程的产物是反硝化的反应物；(2)反硝化过程产生硝化所需的碱。从而使脱氮过程在同一反应器内实现。

和传统硝化-反硝化脱氮工艺相比，同步硝化-反硝化工艺有明显的优点，主要表现为：(1)缩小反应器体积，缩短反应时间；(2)无需酸碱中和；(3)降低了曝气要求，增加了设备的处理负荷并节省能耗，简化了系统的设计和操作；(4)完全脱氮。目前，同步硝化-反硝化生物脱氮工艺的研究主要集中在氧化沟、生物转盘、生物流化床等系统。但是在同步硝化-反硝化工艺中有机碳源的可生化利用性对反硝化速率的影响以及同时硝化反硝化过程中除氮特性的研究都是有待深化的问题。

3.2 短程硝化反硝化

短程硝化-反硝化是通过抑制硝化菌的活性，使硝化的产物停留在N02-阶段，然后在进入反硝化阶段将N02--N还原为N2。与传统的硝化-反硝化相比，短程硝化-反硝化具有：(1)硝化阶段需氧量减少25％；(2)反硝化阶段所需碳源减少40％，反硝化率提高63％；(3)厌氧反硝化阶段剩余污泥量减少30％；(4)水力停留时间较短，反应器的容积可减少30％一40％；(5)减少了投碱量；(6)缩短了反应历程，增加了脱氮效率等优点。

实现短程硝化-反硝化的关键在于将NH4+的氧化有效控制在N02-阶段，然后直接进行反硝化。但是到目前为止，将硝化反应有效控制在N02-阶段的报道并不多见，具代表性的有荷兰Delft工业大学于1997年开发的Sharon工艺，但是Sharon工艺也有明显缺点：(1)较高的温度条件限制其在低温地区和季节的应用；(2)反应器生态系统中NO2-的累积具有致癌风险等。

3.3 厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化工艺由荷兰Delft工业大学于20世纪末开始研究，并于21世纪初成功开发出的一种新型的生物脱氮工艺。厌氧氨氧化是以亚硝酸盐作为氧化剂取代氧气将氨氧化成氮气，或以氨作为电子供体取代有机物将亚硝酸盐还原成氮气。厌氧氨氧化反应是一个全新的生物反应，发生厌氧氨氧化的前提是氨和亚硝酸或硝酸盐同时存在，且不存在氧。

厌氧氨氧化有如下优点：(1)反应过程在厌氧条件下进行，供氧能耗大幅度下降；(2)不再需要外加有机物，可节省费用；(3)反应过程一步完成，产酸量下降，减少加碱量。和上述工艺相比厌氧氨氧化工艺完全脱离了硝化-反硝化的范畴，为处理高氨氮、低 BOD的废水开辟了一条最优途径，同时也为生物脱氮技术开拓了新思路。

3.4 全程自养脱氮工艺

3.4.1 两阶段限氧自养硝化反硝化工艺(OLAND)

两阶段限氧自养硝化反硝化工艺，是硝化反应和厌氧氨氧化相结合的一种新型生物脱氮工艺。该工艺分为两个部分进行：第一步是将废水中的一半氨氮氧化为亚硝酸盐；第二步是亚硝酸盐与剩余另一半氨氮发生厌氧氨氧化反应，从而达到脱氮的目的。实现两阶段限氧自养硝化反硝化工艺的关键在于亚硝化阶段严格控制废水溶解氧水平，将近50％的氨氮转化为亚硝酸盐，从而实现硝化阶段稳定的出水比例NH4+／N02-：(1．2．2)，为厌氧氨氧化阶段提供理想进水，提高整个工艺的脱氮效率。

和传统生物脱氮工艺相比，Oland工艺有如下特点：(1)理论上只需将一半的氨氮氧化；(2)不需外加有机碳源；(3)污泥量产生少。这些特点都将有效降低其运行成本。目前OLAND工艺还停留于实验室探索阶段。

3.4.2 一体化完全自养脱氮系统(CANON)

Canon工艺是2002年首先由荷兰Delft工业大学提出的新型工艺生物脱氮工艺。在Canon工艺中，亚硝酸细菌把氨氧化成亚硝酸盐；厌氧氨氧化菌则把氨和亚硝酸盐转化成氮气。整个脱氮过程在亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌的协作下完成。亚硝酸菌的基质是氨和氧气，厌氧氨氧化细菌的基质是氨和亚硝酸盐，在没有外源亚硝酸盐的情况下，厌氧氨氧化菌有赖于亚硝酸菌提供基质。由于厌氧氨氧化菌和亚硝酸菌都是自养型细菌，因此Canon工艺无需外源有机物，能够在完全无机的条件下进行。

Sliekers AO等分别选用批式反应器和气提式反应器，对Canon工艺进行了运试，效果令人满意。目前，Canon工艺还处于实验室探索阶段。

3.5 其它生物脱氮新工艺

3.5.1 好氧脱氨工艺

1997年首先由德国Hannover大学提出的新型生物脱氮工艺。在传统的生物脱氮中，氨在氧化过程中和消耗的氧之间存在一定的当量关系；在去除的硝酸盐与消耗的有机物之间也存在一定的当量关系。然而，在许多实际的生物脱氮系统内，经常会出现氨的超量去除。Hippen等把这个氨和硝酸盐的超量去除现象称为好氧脱氮。目前，好氧脱氨工艺还处于实验室探索阶段。

Siegrist等认为，可采用两种方式来开发好氧脱氨工艺。其一是通过设计和操作控制，使反应器交替产生好氧和缺氧条件，从而使亚硝酸盐和厌氧氨氧化菌轮流作用，以实现氨至氮气的转化；其二通过通过设计和操作控制，使反应器内的微生物形成生物膜，让亚硝酸菌分布于好氧表层，厌氧氨氧化分布于缺氧内层，并利用基质扩散实现氨至氮气的转化。

3.5.2 Sharon-Anammox联合工艺

虽然Sharon工艺处理富氨废水的效果比较好，但在反硝化过程中需要消耗碳源，因此有人利用其作为亚硝化反应器，将近50％氨氮转化为亚硝酸盐，再利用Anammox工艺将剩余的氨氮和产生的亚硝酸盐经自养菌作用生成N2。形成一个新型的生物脱氮联合工艺。

和传统生物脱氮工艺相比，Sharon-Anammox联合工艺具备以下优点：(1)耗氧量少；(2)污泥产生量少；(3)不需外加碳源。虽然各国学者对Sharon-Anammox联合工艺进行了宏观和微观的研究，但对其反应的途径及微生物生理特性的研究还不够深入，需进一步加强研究。

4 生物脱氮新技术发展和展望

与传统脱氮技术相比，生物脱氮新技术处理氨氮废水时具有明显的优势，但脱氮机理的研究大多数仍处在实验阶段，工艺有待进一步深入研究，在实际应用中应重点考虑各个反应关联问题如：溶解氧、泥龄、碳源和硝酸盐等，这是生物脱氮系统运行好坏的关键。由于脱氮理论研究的深入，新工艺层出不穷，各种工艺有机组合使用以达到更好的处理效果；新的填料和新的硝化细菌等的探索和研究。随着生物学机理的深入揭示和相关学科的发展与渗透，生物脱氮技术已不仅仅是单一追求较高的NH4+-N去除率，而是向着这一简洁、高效、经济的方向发展，这是现在脱氮技术发展的趋势。

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第3篇：生物技术研究进展范文

关键词:医药生物技术;产业化;措施

近年来，医药生物产业的飞速发展，为各行各业带来了较为广阔的发展空间，将生物技术应用于医药产业，不仅使得医药生物产业发展迅速，也使得其成为相对活跃的产业之一。虽然医药生物产业目前发展的态势良好，但仍然存在着大大小小的问题，需要我们去探索和解决，才能使得医药生物技术产业跨向一个更高的台阶。

1医药生物技术发展的总趋势

从全球医药生物技术发展的状况来看，生物技术在医药行业的运用，正在引发着医药产业的重大变革。在2000年，全球生物技术产业的销售额高达500多亿美元，而医药生物技术产业的销售额就占去了60%，实际上自90年代以后，全球生物技术药品的销售额以年均30%的速度增长着。

2我国医药生物技术产业的发展状况

我国的医药生物技术产业的发展，相较国外的发展情况而言起步相对较晚，但是随着国家在医药生物技术产业的支持力度的加大，使得医药生物技术产业有了较快的发展，缩短了与西方先进国家的差距，在全球医药生物技术产业中占有了一席之地。

3我国医药生物技术与产业发展所面临的问题

随着我国社会的不断向前发展，医药生物技术及其产业取得了很大的进步，但是其发展过程中，不断的涌现出了许多问题，如在医药生物技术领域的资金投入不足;生物医药产品的自主创新不足，产品的研发能力有限等问题，这些问题在很大程度上阻碍了我国医药生物技术及其产业的更好发展。

3．1自主研发产品能力有限，创新性不足

在我国现有的生物技术药物中，只有少数部分是自主研发，拥有产品的自主产权，而绝大部分则是依靠国外的医药生物技术进行产品的仿制，真正的自主创新其实很少，以至于出现药品研制上的重复，药品生产的过量等多种问题，再加上国内缺乏对医药生物技术知识产权保护的意识，使得部分的医药生物技术及产业的发展停滞不前，导致药品生产企业之间的竞争压力增大，企业的利润不断减少，严重的出现亏损现象，最终血本无归。有的药品生产商为了避免出现这种情况，选择企业着重于仿制药品的生产，因为仿制药品可以减少自主研发的资金投入，相对来说费用较少，而且盈利较快，风险也就相对较低，这种思想的循环使得我国的医药生物技术难以实现突破性的创新。

3．2医药生物技术的研究成果难以转化为医药产品

这些年经过医药生物技术研究方面专业人才的努力，我国的医药生物技术在研究方面较以前取得了很大的进展，但现实是很难将这种研究上的成果转化为医药产品。

3．3在医药生物技术及产业的投资不足

从我国在医药技术研究中的投入资金来看，是远少于国外在医药领域的资金投入的，这也是为什么我国的医药生物技术的研究难有创新性的发展。医药生物技术产业本就是高风险、高投资、高回报的产业，医药生物产业得不到充足的资金支持，势必会阻碍其研发过程的进展，从而影响我国医药生物技术产业的健康发展。

3．4我国医药企业规模相对较小，竞争力较弱

随着近些年我国医药生物技术产业的不断发展，涌现出了较多的生物制药企业，但是这些企业普遍的特点就是规模较小，经济实力较弱，自主研发新产品的能力较低，因此在医药行业的国际竞争中的竞争能力较差，抗风险能力弱，这显然对我国的医药生物技术产业的发展十分不利。

4解决我国医药生物技术及其产业发展问题的措施

随着经济、政治、文化、科技全球化趋势的不断增强，每个国家、各个行业都面临着机遇与挑战，对医药生物技术产业来说也不例外。在竞争如此激烈的大环境中，要加快我国医药生物技术的自主研究与产业发展，可以采取以下措施:

4．1端正态度，客观认识到我国医药生物技术的发展与世界先进国家的水平。

在摆正态度的同时，总结我国医药生物技术发展过程中的经验教训，同时加强与先进国家的交流，积极吸取、引进国外的先进医药生物技术，自主研发创新医药产品，形成我们自己的国际竞争优势。

4．2加大在医药生物技术产业的资金投入。

从医药生物技术产业的性质可以看出，想要实现我国医药生物技术及产业的发展，就需要我们集中人力、物力、财力，加大在医药生物技术产业的投入，有重点、有针对性的扶持医药生物技术项目，提高我们的医药生物技术水平。同时，还应该注重培养医药生物技术方面的专业人才，提高医药生物技术人才的专业素养，为我国医药生物技术的研究与发展注入新生力量。

4．3注重医药生物技术研究成果向产品的转化，实现上下游技术的完美衔接。

在加强医药生物技术的研究的同时，注重研究成果的转化，建立好高校的医药生物技术研究和药品生产企业的沟通、合作桥梁，实现双方的完美衔接。

5结语

综上所述，我国的医药生物技术的研究与产业发展取得了很大的进步，虽然在这一过程中仍有些许问题有待解决，但是我国医药生物技术产业的发展仍然势不可挡，相信在其未来的发展过程中，必将实现创新性飞跃。

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第4篇：生物技术研究进展范文

【关键词】 生物淋滤 污水污泥 重金属

1 引言

随着我国城市污水处理率的逐年提高，污水处理厂的污泥产量也急剧增加。污水污泥通常经过机械脱水后再进行后期处置，传统的处置方法主要有卫生填理、焚烧、海洋处理和土地利用。其中土地利用是最常用、最具备经济性的方法[1]。污水污泥中含有占其干重0.5-2%的重金属[2]，因此在污泥土地利用之前必须进行处理以避免二次污染。污水污泥中重金属的处理基本思路是重金属稳定化（控制重金属的生物活性）和减量化。但污泥稳定化后，随着土壤pH、氧化还原电位等环境条件的改变，重金属有可能重新溶出或其生物毒性增加而造成污染。因此，高效且经济的生物淋滤方法成为了研究的热点[3]。

2 主要微生物种类及特征

可用来进行生物淋滤的细菌有硫杆菌属、氧化亚铁钩端螺旋菌属、硫化杆菌属、酸菌属、嗜酸菌属以及其它与硫杆菌联合生长的兼性嗜酸异养菌。其中，应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌，其次是氧化硫硫杆菌和铁氧化钩端螺旋菌[4]。一般说来，应用于淋滤重金属的微生物以其生长的温度可以大致分为中温菌和嗜高温菌。

2.1 中温菌

中温菌主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、器官硫杆菌、嗜酸硫杆菌、温浴硫杆菌和氧化亚铁钩端螺旋菌。其中氧化亚铁硫杆菌的最适温度在30-35℃之间，其最适pH为2-3。氧化亚铁硫杆菌的生物膜由外膜、肽聚糖、周质区和内膜构成。周质区存在铁氧化酶，从外界培养液跨膜运输到周质区的Fe2+在铁氧化酶催化下失去一个电子，这个电子传递给分子氧并伴随H+和能量的吸收，这一能量使细胞内ADP（二磷酸腺苷）和Pi（无机磷）结合成ATP（三磷酸腺苷）使细菌得以生长繁殖[5]。氧化硫硫杆菌是普遍存在于污水污泥中的微生物，它通过氧化还原性硫来获得能量，其最适温度在28-30℃之间，最适pH为1.5-2.0。

2.2 嗜高温菌

在较高温度的条件下，古菌成为了重金属淋滤的优势菌种[6]。Sulfobacillus thermosulfidoxidans及其相近的菌种可以在较高温度条件下实现较快的淋滤速率。极端嗜高温菌可以在70℃时生长，并利用硫或硫代硫酸盐作为能源，主要包括Sulfolobous viz.S. ambivalens、S. brierleyi和Thiobacter subterraneus。

3 生物淋滤机理

污泥厌氧消化是国内外污泥消化的主要形式，厌氧消化污泥中重金属70%以难溶性的硫化物（Cr主要以Cr（OH）3形式）形式存在[7]，在氧化亚铁硫杆菌等细菌的作用下，金属硫化物变成可溶性的金属硫酸盐，通过固液分离可达到去除污泥中重金属的目的。

一般认为生物淋滤污泥中重金属有两种作用机理[8-9]：

3.1 直接机理

细菌通过其分泌的胞外多聚物直接吸附在污泥中金属硫化物（MS）表面，通过细胞内特有的氧化酶系统直接氧化金属硫化物，生成可溶性的硫酸盐，见式：

M表示重金属 （1）

通常，污水污泥中的金属硫化物如NiS，CuS和ZnS等可以通过上式所示的机理被溶解。

3.2 间接机理

在以硫为基础的淋滤过程中，污水污泥中的元素硫或还原性硫化物通过氧化硫硫杆菌氧化成硫酸，进而污泥中的pH来提高重金属的溶解[10]。

（2）

（3）

Me为二价金属。

在以铁为基础的淋滤过程中，细菌在液相中先将Fe2+氧化到Fe3+，Fe3+随后再通过与重金属硫化物的反应而淋滤出来。在这个过程中，细菌不需要接触到矿物的表面[11]。

（4）

（5）

反应式（4）和（5）构成了一个循环，使得越来越多的重金属被淋滤出来，在反应式（5）中产生的硫酸还可以促进以硫为基础的间接淋滤过程。

4 淋滤模式

4.1 序批淋滤模式

目前，关于污水污泥重金属淋滤的实验室研究大多都是在序批式反应器中进行。Wong和Henry[12]报道了在序批实验中使用氧化亚铁硫杆菌淋滤厌氧消化污泥的研究。在以FeSO4为能源时，8d内对Cu、Ni、Zn、Cd和Pb的去除率分别为65%、78%、87%、86%和0%。淋滤的最佳起始pH是4，最佳的温度范围是25-30℃。与纯培养的氧化亚铁硫杆菌淋滤序批实验相比，氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌混合菌种对重金属的淋滤效果要高10%。10 d内混合菌种对厌氧消化污泥中Zn、Cu、Cd和Pb的去除率分别为95%、75%、50%和55%。针对23种市政污水污泥的序批淋滤实验结果表明，氧化硫硫杆菌对重金属的平均溶解率为62.5%，要高于氧化亚铁硫杆菌的49.5%[13]。不同菌种的淋滤效率的差异主要是由于系统间pH的不同所致，一般认为较低的pH会导致污泥中重金属较高的溶解率。对与大多数的污泥中的重金属来说，高效淋滤所需的pH范围是2-3之间。在淋滤序批实验中，虽然大部分的研究针对的都是厌氧消化污泥，但是Couillard等[14]报道了使用氧化亚铁硫杆菌淋滤好氧污泥的研究。在提前将污泥酸化至pH为4，假如FeS作为能源的条件下，污泥中的重金属能在1-2d内实现高效的溶出。由于氧化亚铁硫杆菌对简单的有机物，如有机酸、低分子量糖类、氨基酸等特别敏感，所以污泥中含有较高浓度的有机物会抑制其序批淋滤效果[15]。

4.2 连续淋滤模式

连续淋滤模式可以提高污泥处理量，适合于大规模的应用，但是目前对此的研究很少。连续模式的淋滤研究一般均在连续搅拌反应釜（CSTR）中进行。Couillard和Mercier[16]报道了使用氧化亚铁硫杆菌在CSTR和带污泥回流的CSTR（CSTRWR）系统中的淋滤研究结果。在HRT为1、2、3和4d，以1g/L的FeSO4·7H2O为能源时，CSTR与CSTRWR有基本一致的淋滤效率，对Ni和Cd的去除率分别为82.4-83%和83.3-85%。Tyagi等[17]研究了使用纯培养氧化亚铁硫杆菌的连续淋滤反应器中HRT、污泥回流比的影响。研究结果表明在HRT为0.75d，回流比为20%的情况下，超过90%的Cu和Zn能被淋滤出来。而Seth等[18]的研究发现当连续式淋滤工艺的HRT为14d，使用1.5g/L的S作为能源时，Cd、Cu、Ni和Zn的去除率分别为50、33、48和74%。

4.3 污泥消化与同步生物淋滤

污泥消化与同步生物淋滤（SSDML）是污泥消化过程和生物淋滤过程在同一个反应器中进行，实现病原体、污泥挥发性固体和重金属的同步去除。SSDML可以在序批或连续式曝气搅拌槽反应器中得以实现。通常，以硫为基础的生物淋滤过程在中性pH的条件下开始反应，所以可以与好氧污泥的消化过程组合在一起。Tyagi等[19]的研究结果表明污泥固体含量对SSDML工艺有明显影响，重金属的溶解率随着污泥固体含量从8.7提高到29.6g/L而降低。氧气浓度对SSDML工艺也有明显影响，当氧气浓度从2提高到7 mg/L时，氧化还原电位、酸化率和总挥发性固体的降解率都得到了提高[20]。

5 规模化应用存在的问题

尽管生物淋滤技术可以高效的去除污水污泥中的重金属，但是目前还没有实现规模化应用。目前主要存在的技术问题如下：

5.1 污泥肥料成分含量的损失

污泥生物淋滤过程中存在一个主要的关注热点是可能的肥料成分含量的损失。污泥中75%的营养元素可以在淋滤的过程中损失掉。在淋滤过程中，pH通常都降至2以下，在降低的pH和较高的氧化还原电位条件下使得污泥中的有机物被氧化，进而使得污泥中的营养元素被溶解出来。N的损失也可能是因为污泥中微生物的蛋白质结构被破坏所致。淋滤的时间越长，损失的营养元素含量将会越多。Shanableh和Ginige[21]发现在生物淋滤污泥过程中有76%的P和38%的N被损失了。Wong等[22]发现在较低的起始pH时，以氧化亚铁硫杆菌淋滤污泥会有39%N和45%P的损失，但是在pH为6时N和P的损失基本可以忽略。Blais等[23]也发现在污泥起始pH为1.5时，淋滤过程会有44%的P损失，而起始pH为2.5时P的损失只有6%。

5.2 污泥调理和脱水性能

在生物淋滤技术规模化应用前另一个需要注意的是污泥的调理和脱水性能。淋滤过程完成后，污泥需要在絮凝剂的帮助下进行脱水，脱水后的污泥中和后才能作为肥料使用。然后，在pH小于2的情况下，高分子聚合物产生的絮体很小并且易碎，使得污泥调理和脱水变的非常困难。因而只能将pH调高至2-3之间或加入双氧水提高氧化还原电位来克服这个问题。保持污泥的脱水性能对于淋滤后高效的固液分离具有重要意义[24]。

5.3 经济性问题

与传统的污泥中重金属去除方法相比，生物淋滤工艺被认为是高效经济的，它只需要传统化学法1/5的成本。通常，生物淋滤过程需要16-20d，在此期间需要足够的曝气和搅拌。去除重金属的成本除了包括化学药剂、搅拌、曝气、基建和运行费用外，还应包括污泥调理、脱水以及从酸性滤出水中回收重金属的费用。Sreekrishnan和Tyagi[25]发现生物淋滤工艺（氧化硫硫杆菌）仅在较低处理容量和高固体浓度时具有吸引力。

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第5篇：生物技术研究进展范文

关键词：生物检测技术 重要性 检测方法 应用

随着科学技术的不断发展，也推动了生物技术的发展，特别是在全球一体化的当前，生物技术的研究成果很快就能转化为生产力。在此基础上，生物检测技术在食品检验中的应用也日趋完善，由于该技术在检测方式上没有毒副作用，结果准确，在食品检测领域中得到了广泛的应用。但是由于目前我国在部分条件下尚不能达到技术要求，生物检测技术在食品检验中还需要进一步的完善。

1、食品检验中的生物检测技术

为了保障食品的安全以及促进食品生产水平的提高，食品检验检测有着重要的作用。传统的检验检测方式主要是通过仪器进行物理、化学方面的检测，但由于其在某些方面存在局限性，已经满足不了当前食品检验的需求，随着生物技术的不断发展，食品检验中也有了新的检验方法的选择。生活中的各类食物都是来源于自然界中的动植物，生物技术主要是针对食品的原材料，二者有相通之处，基于此，在食品检验中，生物检测技术能达到安全、准确、灵敏的检验效果，在成本方面也比较低，对环境也不会造成污染。与传统的检测方法进行对比，生物检测技术具有明显的优势，因此在食品检验的各个方面都得到了广泛的应用，深入到了食品的生产过程、质量监督、质量控制、品质评价及视频科学研究等领域。

2、生物检测技术的内容

随着科技的发展，生物科技的发展速度非常快，很多领域内都取得了较为突出的成绩。现代科技条件下，生物检测技术的规模不断加大，内容不断增多，本文主要针对以下几种生物检测技术进行简单的介绍。

2.1酶检测法

利用适量的酶对食品中的化学成分含量进行检测的方法就是酶检测法，该方面具有极强的特异性，尤其是对食品中的生物污染或农药残留进行检测时的效果非常好，且操作简单，检测的成本低廉。但是需要注意的是，酶需要一定的温度及催化条件，以此来提高检测的效率。在检测中，主要要用到动力学测定法、终点测定法、利用辅酶作用、多酶偶联测定法、抑制剂测定法、酶标免疫检测法、酶反应循环高灵敏度测定法及放射性同位素测定法等。此外，在实际检测中，常会与免疫法结合使用，形成酶联免疫分析检测技术，在食品安全检验中比较常用，尤其是水果或蔬菜中存在杀菌剂噻菌灵的检测时，表现出的灵敏度非常高。

2.2免疫法

在生物检测方法中，免疫法的灵敏度是最高的，特异性也非常强。免疫法的操作简单，具有良好的再现性，应用前景比较广阔。采用免疫法可以对蛋白质进行检测，因为不同蛋白质的物理、化学性质差别不大，因此对不同蛋白质进行区别的时候只能采用免疫法或者是标记探针法。实际检测汇总，免疫法主要包含放射免疫法、沉淀免疫法、荧光抗体法、酶联免疫吸附法、免疫扩散法、凝集免疫法及免疫电泳法等几种方法。

2.3基因芯片技术

该技术主要是实现了将大量探针固定在支持物上，能够一次性的针对样品大量序列进行分析与检测，该技术主要是针对传统的核酸印迹杂交技术存在的操作复杂、操作序列数量少、自动化程度低、检测效率不高等缺陷而出现的，是一种新生的生物检测技术，该技术的发展前景非常广阔。对该技术的应用主要是对植物中是否含有外来基因序列进行鉴定，判断该植物是否是生物技术作物。

2.4免疫传感器

根据生物内的抗原-抗体特异性合并，导致的化学变化而设计的生物传感器，即免疫传感器，其构成主要包含感受器、转换器、放大器。免疫传感器主要有电化学免疫传感器、酶免疫传感器、压电晶体免疫传感器、光化学免疫传感器以及免疫芯片等，在食品检测中，免疫传感器的作用主要是针对生物性危害进行的检测。例如可以针对农药、致病菌、兽药、生物毒素等的检测。

3、食品检验中生物检测技术的应用

3.1残留农药检测

随着农药的普遍使用，人们所食用的蔬菜中，表面残留农药的成分越来越多，部分农药残留含有对人体有害的物质，长期食用就会导致多种疾病的出现，严重威胁到人体健康。所以，人们也越来越多的关注到食品中的农药残留问题，在检测方法上尤为重视。现阶段，用于农药残留检测的最佳生物检测技术有酶技术及生物传感器技术，也是目前最主要的生物检测方法。

3.2有害微生物检测

食品中含有的有害微生物如果进入人体后，会对人体产生较大的为好，对食品的品质也有着严重的影响。所以，对有害微生物的传播进行控制的主要方式是采取有效直接的食品检测方法。在此方面，生物检测技术的优势较为明显，检测的效果也比较突出。截至目前，对食品中的有害微生物检测主要采用生物传感器、酶联免疫法、PCR等检测技术，取得了较大的成果。

3.3食品成分及品质检测

生物感应器是最早应用与食品成分及品质检测的生物检测技术，而葡萄糖传感器由于最早的生物传感器技术，在食品含糖量的检测中最早得到应用。除此以外，在对转基因食品检测中，该技术也比较常用。目前，转基因食品对人体健康及生态环境可能存在不利的影响，因此应该避免食用。对转基因食品的检测也十分必要，主要采取的方法是酶活性检测、酶检测、蛋白质检测等。

结束语

随着人们物质生活水平的不断提高，食品的种类也不断丰富，对食品检测技术的要求越高越高，在操作简单性、检测灵敏度、准确性方面，生物检测技术的发展满足了这一要求。在科技的不断发展中，对生物检测技术中的不足还要进一步改进，不断完善食品检测中生物检测技术的应用。

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第6篇：生物技术研究进展范文

【摘要】

综述了微乳液的形成机理、结构、微乳液膜传质机理，研究现状和其在医药生物上的应用，并对微乳系统的应用进行了展望。

【关键词】 微乳液 机理 应用

Abstract:The formation mechanism of microemulsion as well as its structure，mass transfer mechanism and its present situation of research and medical application was summarized in this review. In addition，industrialization prospect of microemulsion liquid membrane technology was also prospected ．

Key words:Microemulsion liquid membrane; Mechanism; Application

1943 年Hoar 和Schulman 用油、水和乳化剂以及醇共同配制得到一透明均一体系并将该体系命名为微乳液以来［1，2］，微乳液的研究受到广泛关注。微乳液真正作为液膜体系是近十多年来出现的一项新技术，其在石油、环境、水处理、制药、医药、食品、牛奶、饮料、造纸、纺织、电子等领域的广泛用途，使其在近些年成了一个非常热门的研究课题，本文对微乳液的形成理论、结构、微乳液膜传质机理和近些年来微乳液膜作为一种分离技术的国内外研究状况和其在医药生物上的应用进行综述。

1 微乳液的形成

微乳液是在一定条件下可以自发形成的、宏观上是各向同性的热力学稳定体系，一般由表面活性剂、助表面活性剂、油和水（或水溶液）组成。较为成熟的微乳形成理论有3 种，即界面混合膜理论、溶解理论和热力学理论。Schulman提出了界面混合膜理论，即负界面张力理论，该理论认为微乳液之所以能自发形成与瞬时负界面张力的产生有关，在表面活性剂和助表面活性剂的共同作用下，使油/ 水界面产生瞬时负界面张力，形成由表面活性剂、助表面活性剂、油和水（或水溶液）组成的混合膜，体系自发扩张界面，形成微乳体系。该理论在解释微乳液的形成和稳定性上是合理的，但这种负界面张力难以测定，所以它在解释微乳的自动乳化现象时缺乏有力的实证，并且事实上一些双链离子型表面活性剂如AOT 和离子表面活性剂也能形成微乳而无需加入助表面活性剂，所以该理论存在一定的局限性。

溶解理论以Shinoda 和Friberg 等为代表，认为微乳的形成是油相和水相增溶于胶束或反胶束中而使胶束逐渐变大并溶胀到一定粒径范围内的结果，但此理论无法解释表面活性剂的浓度大于临界胶束浓度(CMC) 时即可产生增溶作用这一事实，而此时也并不一定形成微乳。

热力学理论以Ruckenstein 和Overbeek 等为代表，他们从热力学方面对微乳的形成进行了阐述，认为表面活性剂降低油水表面张力的程度和系统的熵变决定了微乳形成的自由能，公式:ΔG f =γΔA -TΔS ，其中ΔGf 表示微乳形成的自由能，γ表示油水表面的表面张力，ΔA 表示微乳化时表面积的变化，ΔS 表示系统的熵变， T 是热力学温度。值得注意的是，由于微乳形成时有大量非常小的液滴生成，ΔA是非常大的。Taha 等通过计算机辅助的分子建模、描述符计算及多重线性回归技术提出了统计学上具有重要意义的O/ W 和W/ O 微乳的模型，使人们对微乳的形成过程和性质有了更深更好的理解。

2 微乳液的结构

微乳液又称膨胀胶束，可以看成是胶束内核增溶非极性或极性物质后所形成的体系。而胶束是表面活性剂分子当浓度超过其临界胶束浓度后在水或有机溶剂中自发缔合形成的自组织系统（或聚集体），在水中形成的聚集体称为正常胶束（normal micelle），在有机溶剂中形成的聚集体称为反胶束(reversed micelle)。胶束内部的非极性环境使它可以增溶非极性物质水形成膨胀胶束，又称为水包油型微乳液（O/W）；同样，反胶束内部的极性环境使它可以增溶极性物质形成膨胀反胶束，或称为油包水型微乳液（W/O）。目前，胶束和微乳液的区分尚无严格界定，两者在拓扑学结构上极为相似，但还是有区别。对于反胶束和W/O型微乳液来说，两者的主要区别在于W/O型微乳液的水池内有自由水存在，反胶束则没有。胶束的大小一般在5 nm以下，而微乳液的大小则在5 nm以上［3］，但不超过40 nm［4］。根据表面活性剂分子极性端基电离性质的不同，微乳液可分为以下4 种类型：非离子型微乳液（如以OP-7［壬基酚聚氧乙烯（7）醚］和OP-4［壬基酚聚氧乙烯（4）醚］等非离子表面活性剂组成的微乳液），阳离子型微乳液（如以十六烷基三甲基溴化铵组成的微乳液），阴离子型微乳液［如以AOT［二-（2-乙基己基）磺化琥珀酸钠］和SDS（十二烷基硫酸钠）组成的微乳液，两性离子型微乳液（如以卵磷脂、甜菜碱类表面活性剂组成的微乳液）。图1是胶束、反胶束和微乳液的示意图。

3 微乳液的相行为

从连续相性质来分，微乳液有O/W(水包油)、W/O(油包水)和双连续型。而从相平衡观点来看，微乳液体系可分为WinsorⅠ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四个相平衡体系。如图2所示。

3.1 WinsorⅠ体系O/W型微乳液与过剩油相共存的两相平衡体系。

3.2 WinsorⅡ体系W/O型微乳液与过剩水相共存的两相平衡体系。

3.3 WinsorⅢ体系双连续型微乳液（中相微乳液）同时与过剩油相和过剩水相共存的三相平衡体系。

3.4 WinsorⅣ体系O/W 或W/O型微乳液的均相热力学稳定体系。

4 微乳液膜的传质机理

4.1 界面溶化传质机理用于水相萃取的体系是W/O型的反胶束或W/O微乳液，萃取过程在winsorⅡ体系(W/O型微乳液和水相的两相平衡体系) 中进行。在传质方面，Plucinski和Nitsch提出了萃取过程的界面溶化传质机理（又称“bud”胶束溶化机理或 “蓓蕾”状胶束溶化机理，该机理如图3所示。

其要点是：反胶束移动到油、水两相的液/液界面并发生黏性碰撞使反胶束发生开孔而形成“bud”反胶束（“蓓蕾”状反胶束），被萃溶质随后通过离子交换在“bud”反胶束的凹陷部分发生连续溶化（fusion），负载有溶化物的反胶束扩散进入有机相中。

4.2 基于液膜的界面传质机理Tondore等［4］最早将阴离子型微乳液作为液膜使用，研究了亲油化合物，如：芘、蒽在液膜中的传质。之后他们又拓展到W/O型微乳液萃取金属离子Ni2+，Co2+，Cu2+等。对Ni2+，Co2+，Cu2+的萃取分离所用的体系是含萃取剂8-羟基奎啉或改性物Kelex 100的SDS-异丁醇（戊醇）-水-十二烷的阴离子型W/O微乳液。Tondre等通过用一个U-型管进行的大量传质实验研究基础上提出了W/O微乳液萃取的两种液膜界面传质机理，一种是通过有机相的传质（transfer via the organic phase）：溶质首先转移到有机相，然后再转移到反胶束或W/O微乳液滴内并通过该聚集体扩散到第2个液/液界面；另一种是直接传质(direct transfer)：通过两亲分子膜的开裂-愈合方式使溶质直接从料液相转移到反胶束或W/O微乳液滴，然后该液滴离开第1个界面扩散到第2个界面。这两种界面传质机理可用图4表示(其中S表示溶质，a表示水相，o表示有机相)：显然，Tondore等提出的直接传质机理（b）与Plucinski和Nitsch提出“蓓蕾”状胶束溶化机理是相似的。

4.3 液膜促进传质机理用非离子型微乳液萃取分离金属离子时常常加入萃取剂（在液膜体系中称为流动载体），萃取机理与传统液膜萃取中的Ⅱ型促进迁移机理相同［5，6］，萃取过程一般包括金属离子从料液相扩散到料液/微乳液界面，金属离子在该界面与流动载体发生反应生成可溶于油相的络合物并扩散到微乳液/接收内水相界面，络合物在内相解络剂作用下发生解络释放出金属离子等四个步骤，通过被萃物和内相解络剂在膜内外两相的偶合传质，最后可以使被萃物在膜内相富集，其实质是流动载体在液膜内外两个界面之间来回穿梭地传递被迁移的物质。如图5所示。非离子型微乳液萃取研究以Wiencek等为主，他们主要研究了用非离子型表面活性剂DNP-8［双壬基酚聚氧乙烯（8）醚］代替阴离子表面活性剂并加入流动载体制成微乳液，用于从水相中分离富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等， 并与普通乳状液膜体系作了对比。结果表明，非离子型微乳液膜比传统粗乳状液膜具有更高的效率。

5 微乳液体系的研究概况

微乳液体系用于蛋白质的分离、浓缩、纯化和金属萃取的文献不多，1982年后才有少量的相关报道，1990年后略有增加。用反胶束、微乳液进行萃取分离研究主要是以德国munchen技术大学的Nitsch和Plucinski，法国Nancy大学C.Tondre教授及其合作者和美国Rutgers大学J.Wiencek 教授等人的工作为主，近年来在其他的实验室也开展了一些研究。如K.Osseo-Asare、 Ovejero-Escudero F.G， Angelino H， Casamatta G等［7］ 、C. S. Vijayalakshmi.， A. V. Annapragada， E. Gulari［8］，Tondore等［9］、P. Plucinski and W.Nitsch［10］、Wiencek等［11，12］，他们分别用离子型或非离子型微乳液作为分离介质进行了金属离子的萃取研究。非离子型微乳液萃取研究以Wiencek等为主，他主要研究了非离子型W/O微乳液作为液膜的传质，用非离子型表面活性剂DNP-8 ［双壬基酚聚氧乙烯（8）醚］代替阴离子表面活性剂并加入流动载体制成微乳液，用于从水相中分离富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等， 并与普通乳状液膜体系作了对比。结果表明，非离子型微乳液膜比传统粗乳状液膜具有更高的效率，而传质机理与传统粗乳状液膜相同。用微乳液膜萃取完成时间短，并在较长时间内检测无H+泄漏。而用普通乳状液，萃取所需时间长。

在国内，著名化学家徐光宪、袁承业等早在20世纪70年代开创性地进行稀土串级萃取理论和工艺的研究时就发现液液萃取体系中微乳液的形成对萃取有增效作用［13］。韩立新等［14］、朱霞石等［15］、分别用W/O阴离子型和O/W非离子型微乳液萃取痕量金属离子如Cd3+，Cr3+，Fe3+的萃取，然后用浓酸或浓盐水进行反萃，其工作仅限于对痕量金属离子Cd3+，Cr3+的分析。曾平等［16］研究了皂化P204/煤油体系微乳液对V（Ⅳ）萃取。近年来，龚福忠等［17，18］进行了W/O非离子型微乳液萃取钕的研究，效果良好。

6 微乳液在生物医药领域中的应用

6.1 微乳液在生物工程中的应用微乳萃取是一项新出现的膜萃取技术， 最早用于具有经济价值的蛋白质、多肽、氨基酸的分离［19］。在传统的液膜萃取中， 由于液膜本身的稳定性和机械性能较差， 不可避免地出现液膜破裂， 从而造成已被萃取的溶质返回到料液相， 大大降低了萃取效率; 另外， 萃取完毕后，还需对液膜进行破乳， 以分离出萃取的溶质， 因此根据液膜的不同， 破乳设备也复杂多样。研究发现，反胶团W/ O 型微乳体系可以用于生物活性物质的萃取［20］，由于微乳体系中的微环境和生物细胞的环境类似，所萃蛋白质不易变性。另外，反胶团微乳液作为细胞的模拟膜，还可以用来制备生物分子的超微颗粒［21，22］。

最近研究还发现，在反胶团W/ O 型微乳体系及低含水介质中的酶体系中应用酶可以增加非极性试剂的溶解度，有利于反应进行，提高酶的热稳定性。在微乳体系中，酶催化应用于许多种反应，例如采用脂肪酶、磷脂酶、碱性磷酸脂酶、胰蛋白酶、溶菌酶、肽酶等催化应用于酯、肽、酰基糖的合成、酯交换、各种水解反应及生物碱的变换等。

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6.2 微乳液在医药中的应用在制药工业中，利用微乳粒径小的特性，将药物包裹在微乳小颗粒中制成液体状的药物，通过注射或者内服，使药物进入人体，微乳液的高稳定性可以使包裹的药物保质期延长，并且易于扩散和吸收［23］，例如微乳液膜包裹的口服胃蛋白酶，由于其粒度小，大大降低了病人的不良反应。另外，微乳作为药物释放体系， 已引起研究者的高度注意。通常O/W 型微乳可作为水难溶性药物载体;W /O 型微乳可使水溶性药物得以持续释放，增加药物的生物利用度［24］。微乳型药物的研究，国外相对较多， 且已有产品上市。Sandoz 公司生产的环孢霉素A口服微乳胶囊剂Neoral， 显著改善了药2时曲线的峰谷水平， 生物利用度比普通型药剂Sandimmun 提高了20%～ 30% ［25］。陈刚等［26］研究结果表明， 肝移植术后口服环孢霉素最好用环孢霉素微乳剂， 因肝移植患者术后多置T 管引流胆汁， 而Neoral 具有吸收快、稳定、不受胆汁及食物影响的优点。由于微乳剂具有分散性好，分散相颗粒小等特点，其在超声造影剂(U CA )技术方面能够大大增强超声检测信号，其应用也得到人们的重视，气液相变型超声造影剂利用微乳剂分散性好、分散相颗粒可以达到10～ 100 nm，并具有能被长期保存的特点。将一类沸点低于人体正常体温的物质制成微乳剂，当这类微乳剂注入人体后， 由于人体温度高于其沸点， 就会从非致声的小液滴转变为强致声的微泡。气液相变型超声造影剂是一类新型的超声造影剂， 具有稳定、强致声及能够通过外周静脉实现心肌灌注及脉管Doppler 增强效应。EchogenR是以十二氟戊烷(DDFP， 沸点为28. 5℃) 为主要组分制成的微乳液， 乳化剂采用非离子表面活性剂。、EchogenR已在人体内进行了心脏病学及放射学临床研究［27～29］。微乳剂的制备简单、条件温和、设备要求不复杂， 易实现工业化操作。目前的其它方法如声空化法等， 受设备等条件的影响， 难以实现大规模的生产。因此，微乳气液相变性超声造影剂是一种很有前途的超声造影剂［30］。

7 结论和展望

半个世纪以来，微乳系统的理论研究和应用开发取得了显著的成就，微乳液作为一种热力学稳定的体系， 制乳十分方便，黏度小，破乳容易，其所具有的超低界面张力和表面活性剂所具有的乳化、增溶、分散、起泡、和柔软性等性能使它不但在医药生物领域有实际的和潜在的应用价值，而且在其它领域包括石油、环境、水处理、制药、食品、牛奶、饮料、造纸、纺织、电子等领域也得到了广泛应用并取得了令人瞩目的成就。尽管液膜（包括微乳液膜）分离技术存在这样和那样的不足，但笔者有理由相信， 随着人们研究工作的不断深入，理论上的不断完善， 微乳液系统作为一种新型分离技术在今后的科技发展中将发挥越来越大的作用，应用领域和发展前景将更为广阔。

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第7篇：生物技术研究进展范文

关键词：钢带式钢丝绳断丝检测；检测技术；进展

钢丝绳是提升、运输设备的一种重要构件，在使用钢丝绳的过程中，由于受到锈蚀、磨损等原因可能会出现断丝问题，损伤严重甚至会对人员的生命安全造成不利影响。钢丝绳运行过程中断丝是影响其运行情况的主要因素，因此其检测工作显得尤为重要，有关钢丝绳断丝检测的研究近年来得到了快速发展。现阶段钢带式钢丝绳断丝检测方法有X射线检测、γ射线检测、漏磁检测以及超声波检测，其中漏磁检测是国内外普遍使用的一种检测方法。

1丝绳断丝检测原理

由于扁平结构，钢带容易在水平方向上发生偏离， 导致电梯走行震动、发生内部断丝现象 钢带需要经常性的定期清洗保养，带面不能存在垃圾 特殊开发的专用环保油脂具有优秀的防锈、能 或异物，如果不及时清理，会导致电梯走行震动和噪 力，安全、稳定，适合各种气候和复杂的环境 音，并快速缩短钢带寿命 钢带宣称设计寿命为20年，但根据日本等地的使用经 在电梯和其它各类工业产品上应用百余年，经过全球 验，在实际使用5年后就很容易发生表面橡胶老化、有部分钢丝断丝的情况 ，肉眼无法观察到钢带内部的断丝情况，因此依靠 ，以漏磁检测法为例，其传感器主要由励磁器和探头两部分构成，其中励磁器主要任务是对钢丝绳进行磁化，探头的主要任务是检测断丝漏磁场，励磁器的励磁源可以利用永磁材料制作，利用感应线圈和霍尔元件对断丝漏磁场进行检测，其中性能最佳的是以霍尔片为磁敏元件的检测器。

钢丝绳断丝产生的楼磁场共有两个分量，分别是轴向分量Bn和径向分量Br，利用两个分量均可以得到钢丝绳断丝的具体情况，其中工程中多数情况下会利用轴向分量进行漏磁检测，利用霍尔元件作为主要检测元件，在磁回路中强永久磁铁使得钢丝绳变得磁饱和化，一旦钢丝绳出现了断丝情况，由于受到磁介质变化的影响断口位置会产生漏磁场，这样就可以利用霍尔元件对漏磁场进行精确检测（检测原理如图1）。

利用电流I通过霍尔片两端，当钢丝绳磁化以后，断丝位置就会产生漏磁场B，霍尔片上的磁场作用会产生霍尔电势：

Vh=RhIBt=RhIBsinθ

式中，Rh为比例常数，I是控制电流，B为穿过霍尔片的磁场，θ是霍尔片和磁力线的夹角。轴向与径向两个分量均与钢丝绳轴线保持大致平行，在霍尔片和和钢丝绳轴线平行时，Bh不产生电势，径向分量Br产生电势，钢丝绳位置的漏磁场与径向分量Br和钢丝绳断口于绳上的位置、断口宽度直接相关，径向分量Br还和霍尔片与断口之间的径向距离直接相关，Br直接决定了霍尔电势的大小，所以，利用霍尔电势可以对断口位置的漏磁场进行检测，同时按照漏磁场对钢丝绳断丝的具体情况做出判断。

2钢带式钢丝绳断丝检测技术研究现状

2.1钢丝绳无损检测的研究历史

有关钢丝绳检测装置的研究工作始于本世纪初，1907年钢丝绳作为变压器芯最开始加入到无损检测的行列中，后来经过工作人员的不断摸索，这项技术也越来越成熟。钢丝绳无损检测技术研究进展基本上可以分成以下3个阶段。

2.1.1第一阶段，早期探索阶段

这一阶段钢丝绳检测设备都是在1907年出现的第一个钢丝绳无损检测装置为基础形成和发展的，交流电磁感应原理为其基本工作原理，然而从整体上来看，当时这些设备并不是很成熟，具体操作起来也非常复杂，可靠性比较差，因此并未得到全面推广。

2.1.2第二阶段，检测原理更新阶段

这一阶段主要是更新钢丝绳无损检测原理，该时期检测原理主要有红外线检测法、超声波检测法、透视检测法、放射性检测法、磁场测定法、电磁感应发及声发射检测法等。在多种因素的影响下，绝大部分采用电磁检测法使无损检测真正从实验室中走出来，形成产品以后投放到市场的检测装置之中。

2.1.3第三阶段，由定性检测向定量检测过渡的阶段

80年代初期钢丝绳定性无损检测技术基本上走向成熟，利用钢丝绳检测设备可以对钢丝绳上是否有缺陷存在检测准确判断，同时明确钢丝绳上缺陷处于的位置。后来随着钢丝绳使用要求不断提高，原有的检测装置不能满足其使用要求，这样就有了后来的定量检测，准确的判断出其破损程度。

2.2国外无损检测现状

当前英国、美国、日本、加拿大、意大利、法国等均在从事钢丝绳无损检测这项工作，其中性能较好的检测仪器以英国的LMA-LF系列无损检测仪和加拿大的Magnograph式无损检测仪为代表，其中Magnograph探伤仪可以对钢丝绳断丝的具置进行准确判断，但是还需要利用肉眼对断丝的具体根数进行检查，可以看出这种探测方式处于定性检测的范畴。LMA-LF系列则在Magnograph的基础上进行了相应改进，但是仍属于定性范畴。

2.3国内无损检测技术发展

我国从事钢丝绳无损检测的单位主要有华中理工大学、哈尔滨工业大学、煤炭部煤科院抚顺研究所等。我国对钢丝绳断丝检测技术的研究比较晚，上世纪60年代末，第一台钢丝绳探伤仪在抚顺研究所成功研制，在70年代正式开始批量生产，这种探伤仪被定型为TGS型探伤仪，其检测原理主要利用电磁检测法，后来再1987年抚顺研究所和华中理工大学合作，共同研制出了钢丝绳定量检测系统，该检测系统主要原理为磁场测定法，钢丝绳断丝定量检测自此得以实现，当前该检测系统尚处于不断完善之中，基本上可以将断丝定量准判率控制在71%以上。

3钢丝绳断丝检测实验研究

图2为钢丝绳断丝检测装置，磁敏元件为霍尔片，在钢丝绳周围均匀分布霍尔片，用来对钢丝绳不同位置上的断丝进行检测。由各个霍尔片上产生的霍尔电势分别检查各自所管辖区的断丝。同一位置上的集中断丝可以按照不同断丝形成的楼磁场所产生的霍尔电势进行准确判断，而同一横截面不同绳股上的断丝，是从接近该位置的霍尔片输出的，霍尔电势信号模数转换完成后，利用计算机进行处理，使其对断丝的分辨能力得到提高，将断丝数相加、存储、打印，就可以从检测数据中判断出断丝在位置上的分布情况，进而对钢丝绳上具置的最大断丝数是否已经超过了安全指标进行判断，确定该钢丝绳是否还可以正常使用。

如图3，小波位于频域、时域其局部化性质都比较好，从扰信号中可以提取出很多有用信息，从图中可以看出，突变信号起一点在同一位置的所有不同尺度上都会产生最大值点，所以利用小波变换以后不同尺度上最大值点数值、位置都能对信号奇异性进行确定，尤其是信号中噪声非常强的时候，利用小波变化可以对信号进行分解，一旦噪声与有用信号在不同频带之间分布，那么如果与噪声信号相对应的小波系数位置是零，就可以利用重构的方式达到将噪声消除的目的。

4结语

综上所述，随着社会生产力的快速发展，钢丝绳的用途也越来越广泛，近年来被应用于国民经济建设的很多领域之中，成为很多基础设施和机械设备的重要构件，钢带式钢丝绳是近几年开始投入研究的，随着钢丝绳检测手段的增加，对其生产、使用及维护发挥了至关重要的作用。然而很多使用单位对具体的检测知识并不十分了解，因此本文对相关内容进行了分析和论述，以期引领大家加深对钢带式钢丝绳断丝检测的认知。

参考文献

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第8篇：生物技术研究进展范文

关键词：体外循环术后肾损害；急性肾损害；早期诊断；生物标志物

急性肾损害（AKI）是体外循环（CPB）后的严重并发症之一，但既往缺乏统一的AKI诊断标准，不同研究报道的AKI发病率也相差甚远。虽然肾功能不全在CPB术后发生率不是很高，但患者一旦进入肾功能衰竭并需要血液透析治疗时，病死率就成倍上升至60%～80%；即使部分肾功能不全患者不需要血液透析治疗，这部分患者仍有高达30%的病死率[1]。近年来，研究发现心脏术后急性肾损害不仅可以引起短期死亡率的显著升高[2]，还会增加慢性肾脏病发病风险，显著影响患者的远期生存率[3]。由于AKI的早期诊断较为困难及诊断标准的不统一，使治疗效果与临床预后较差.因此本文对AKI的生物标志物进行综述，旨在为CPB术后AKI的早期诊断做参考。

1 体外循环术后急性肾损害（CPB-AKI）的诊断现状

体外循环术后急性肾损害（CPB-AKI）是一种CPB后突发的（48h内）、持续性的肾功能不全，具体表现为肾小球率过滤的降低。但介于既往缺乏统一的AKI诊断标准，文献报道的CPB-AKI的发病率介于0.3%～29.7%之间，而术后肾衰竭（ARF），需要行透析治疗的患者发病率为1.2～3.0%。2004年，急性透析质量倡议小组（ADQI）制订了ARF的RIFLE分级诊断标准[15]，依据血肌酐、肾小球滤过率（GFR）和尿量的变化对急性肾衰竭的诊断、监测、分期分级进行了细致的描述，被学界所广泛接受。随后在2005年，AKI网络（Acute Kidney Injury Network AKIN）在对于AKI的诊断，在RIFLE的基础上进行了进一步的修订，为目前最常用AKI诊断标准。AKIN将AKI定义为：48h内血清肌酐（Scr）上升≥26.4μmoL/L或较基础值（术前最低Scr值）增幅≥50%和（或）尿量

2 体外循环术后肾功能的监测

2.1中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL） NGAL是一种小分子量分泌性蛋白，属于lipocalin蛋白家族，在细胞内铁离子的转运、炎性反应、肿瘤的转移中发挥重要的作用。其最早被Mishra等发现在小鼠肾脏缺血模型中，NGAL基因早期即有存在表达；对CPB围手术期儿童尿液、血液标本进行检测，通过比较发现，NGAL在CPB 2h后，无论是血液、尿液中都有显著升高，并且通过多变量分析显示，CPB 2h后尿液中NGAL总量，是最有力的独立预测AKI因子。相较于传统的血清学指标血清肌酐，NGAL在对AKI的预测效能要强的多。近年来有研究指出，AKI时NGAL的增高比出现诊断性肌酐增高要早24～72h，同时该研究通过Meta分析进一步指出：血清、尿NGAL对CPB-AKI的早期诊断ROC曲线下面积为0.78。此外，术后12h血清NGAL水平跟平均住院时间、死亡率还有很强的关联[5]。尽管NGAL拥有以上种种优势，但在不同文献[6]报道的AKI诊断过程中的差异性表现尚缺乏充分解释，这使得NGAL在临床广泛应用，还有很长的路要走。

2.2肾损伤分子-1（Human kidney injury molecule-1，KIM-1） KIM-1是近年来研究发现的位于近端肾小管上皮细胞的跨膜蛋白质。在正常人的肾脏和尿液中，KIM-1的基因、蛋白表达不可被测得，而对急性肾小管坏死的患者进行尿液检测发现，尿KIM-1能在镜下发现任何管型之前被检出，且可持续到恢复阶段；糖尿病性肾病和系统性红斑狼疮肾病患者的尿KIM-1水平即使在出现明显尿蛋白之后也不增高；因此，尿KIM-1还可用于AFR的病因学诊断，使有效治疗能早期实施。已有动物试验证实，在缺血性和中毒性肾损伤时，近曲小管上皮细胞的KIM-1表达早期即急剧升高，其增高水平与肾小管损伤程度密切相关，是一种敏感性和特异性都较高的早期诊断肾损伤的标志物。目前已有报道国外学者将KIM-1应用于经皮冠状动脉介入治疗术后的肾前性肾损害的早期诊断[7]。相较于NGAL，KIM-1在健康人体不表达、定位准确以及分子结构稳定，不易受尿液中理化因素的影响等为其作为理想的肾损害生物标志物更添优势[8]。

2.3 尿N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶 （N-acetyl-b-D-glucosaminidase NAG） NAG是一种主要被发现在近端小管上皮细胞中高相对分子质量的溶酶体酶。尿NAG活性增高常提示肾小管细胞损伤，同时尿NAG也可被作为衡量肾小管上皮细胞功能的生物标志物。在正常情况下，NAG不能通过肾小球滤过膜，但在肾病活动期尿NAG可持续性增高；除此之外非细胞性损伤的溶酶体活性增高也能导致尿NAG增高。在AKI致尿NAG排泌增多的报道中，病因主要考虑以下三点：药物毒副作用、心血管术后以及肾移植术后，然而研究发现慢性肾小球疾病如糖尿病肾病也可导致尿NAG的增高，其特异性相对不佳，真正临床使用价值仍然有限。近年来，国内、外专家针对NAG的应用展开大量临床实验，1999年小范围临床研究发现CPB术后ARF组与未并发ARF组患者尿液中NAG含量虽有差异，但并不具有统计学意义，值得注意的是，Hama择的病例数只有22例，其样本量的欠缺是否导致错误结论尚值得探讨。国内孙龙报道利用NAG动态观察体外循环与非体外循环下患者搭桥术后肾功能的改变，发现术后第3d、第5d差异具有显著性，同时认为NAG可以作为CPB后观察肾功能的指标。2009年Liangos等[9]同时对CPB围手术期多个肾损伤指标进行比较，认为NAG在早期诊断AKI的敏感性上有欠缺。

2.4白细胞介素 18 （Interleukin-18，IL-18） IL-18是白细胞介素1家族的成员之一，是一种功能强大的前炎症细胞因子，其以前体形式表达于单核巨噬细胞、未成熟树突状细胞、T、B淋巴细胞等表面。在正常人类肾脏的肾小管上皮细胞是IL-18的重要来源，具体定位于远曲小管远端、连接小管、集合管。在动物模型中，已经证实IL-18与AKI的进展密切关联[10]，这预示着IL-18可能成为诊断AKI新的标志物，近年来已有多项研究验证其在临床方面的应用的可能：Endre等对入ICU的成年患者研究发现，经过尿肌酐浓度校正的IL-18对入ICU后48h内发生AKI患者的预测效能为AUC=0.55 （CI 0.47-0.62）[11]。Metzger等在针对早期AKI诊断的准确率方面研究，通过比较传统肾功标志物跟尿蛋白组学分析，发现IL-18的ROC曲线下面积仅为0.57，然而Siew等[12]的大样本（n =451）研究报道指出，IL-18对入ICU后24h内发生AKI患者的预测效能为AUC=0.62 （CI 0.54-0.69）。Liangos等通过多因素回归分析，显示IL-18在CPB术后2h上升2倍者，出现AKI的概率为对照组1.38倍（P=0.04），此时最佳的预测效能为AUC=0.66 （CI 0.49-0.83）。

2.5肝脏型脂肪酸结合蛋白 （Liver fatty acid binding protein，L-FABP） L-FABP属于脂肪酸结合蛋白家族，是一种分子量为14400 Mr 细胞质蛋白，正常生理条件下，各脂肪酸代谢旺盛的组织表达L-FABP，经肾小球过滤后在近曲小管被重吸收[13]。肾脏疾病状态下，小管间质性损害可减少近曲小管L-FABP的重吸收，导致尿中L-FABP升高[14]。Portilla等[15]对儿童心脏手术的前瞻性研究报道，AKI患者的尿L-FABP明显升高，并且尿L-FABP在心脏手术后的4h出现高峰，其中，需要注意L-FABP也在肝脏大量的表达，尿L-FABP可能会受到血 L-FABP的影响；但是在CPB术后的AKI的病例研究中发现，既有急性肝损伤又有AKI的一组患者，其血L-FABP水平是在术后12h出现高峰，而尿L-FABP在术后4h出现高峰，12h开始下降，由此可以推断尿L-FABP是由于近端肾小管分泌的，而不是来源于血清L-FABP的滤过。同时多项研究也提示[16-17]，尿L-FABP在多种病因导致的AKI早期即会短时间内显著增高，如急性肾小管坏死、脓毒血症、对比剂肾病、肾毒性物质接触、心脏大血管术后等。这些都证明尿L-FABP在多种类型的AKI早期评价中具有重要价值，尤其是作为近端小管损伤的敏感标记物。

3 结语

随着医学的发展，心脏病体外循环术日臻成熟，其并发症发生率明显降低，但急性肾损伤仍然是其术后较严重并发症之一，尚缺乏有效的治疗措施；因此，早期发现急性肾损害的意义重大，目前临床上诊断AKI主要依靠术后血清肌酐的变化，但是血清肌酐变化易受性别、年龄、进食、肌肉含量及药物等因素影响，特异度和敏感度均较低，通常在肾功能受损后数日才有明显升高，用作外循环术后AKI的早期诊断有一定局限性，会明显延误AKI的诊断。本文介绍的5种生物标志物灵敏度高、检测取材简便、快速，相较于肌酐在某些方面有着巨大优势，但是目前的研究尚处于初级阶段，这些新发现的AKI早期诊断生物学指标是否能够应用于临床，还需要进一步的大样本多中心的临床试验验证。

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第9篇：生物技术研究进展范文

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