第一篇：代謝組學(xué)在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用

代謝組學(xué)及其在微生物領(lǐng)域的研究進(jìn)展

【摘要】代謝組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要組成部分。本文在文獻(xiàn)和作者本人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)代謝組學(xué)的產(chǎn)生和技術(shù)平臺(tái)及其在環(huán)境微生物領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述。

【關(guān)鍵詞】代謝物 代謝組學(xué) 環(huán)境微生物 生物降解 評(píng)述

1引言

代謝組學(xué)(metabolomics)誕生至今不到10年，但發(fā)展非常迅速（圖1），現(xiàn)已成為系統(tǒng)生物學(xué)研究的一個(gè)重要組成部分［１］，在診斷及功能基因組研究中發(fā)揮出日益重要的作用[2]。隨著基因組學(xué)研究的深入，至2005年底，以metabolome, metabolomic, etabolomics, metabonome, metabonomic以及metabonomics為關(guān)鍵詞，或出現(xiàn)在文提或摘要內(nèi)，檢索Web of Science以及Pubmed。所得文獻(xiàn)經(jīng)整理刪除重復(fù)數(shù)據(jù)(to the end of 2005, by searching titles/abstracts/keywords of Web of Knowledge and Pubmed using ?etabolome? or ?metabolomic? or ?metabolomics? or ?metabonome? or ?metabonomic? or ?metabonomics? as the search term）。功能基因組開始研究基因組、轉(zhuǎn)錄組以及蛋白組的數(shù)據(jù)與表型之間的關(guān)系；而細(xì)胞內(nèi)的全部代謝物最接近于表型，從而產(chǎn)生了研究全部代謝物的要求，代謝組(metabolome)的概念由此誕生 [3]。Fiehn等在2000年以擬南芥葉為模型的工作標(biāo)志著代謝組學(xué)成為功能基因組研究的一個(gè)重要組成部分[4]。

目前，代謝組學(xué)的研究可分為以下３個(gè)層次［１，５～７］：（１）目標(biāo)代謝物分析(metabolite target analysis)。利用特定方法研究難分析化合物(difficult analytes)，如植物激素等；（２）代謝譜分析(metabolite profiling)。對(duì)一系列預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)代謝物（如某特定代謝途徑中所有代謝物，或者一組由多條代謝途徑共享的代謝物）進(jìn)行定量研究；（３）代謝組學(xué)。定性和定量特定條件下生物樣品內(nèi)的全部代謝物。然而，由于代謝物組成復(fù)雜、含量不一，樣品制備過程的偏差，以及檢測(cè)設(shè)備的量程及通量等問題，目前還難以分析全部的代謝物。因此，在現(xiàn)階段代謝組學(xué)更多地被視為“非目標(biāo)性”代謝物研究［７］。與代謝組學(xué)相關(guān)的概念還有代謝指紋分析(metabolic fingerprinting)，即對(duì)粗提代謝物進(jìn)行高通量的定性分析，通過譜型比較將樣品進(jìn)行快速分類，或者尋找差異峰從而揭示生物對(duì)疾病或有毒物應(yīng)答的生物標(biāo)記物。另一個(gè)重要的概念是代謝產(chǎn)物組學(xué)(metabonomics)［８］，多指以核磁共振（NMR）手段研究與疾病相關(guān)的代謝物。Nicholson等認(rèn)為代謝產(chǎn)物組學(xué)是綜合地研究某一時(shí)間點(diǎn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)全部代謝物的影響［８，９］。不過，上述有關(guān)代謝組學(xué)的各種概念仍在發(fā)展和完善中。代謝組學(xué)會(huì)也將代謝組學(xué)的定義視為學(xué)會(huì)亟待解決的重要問題［９］。

代謝組學(xué)與其它組學(xué)的研究對(duì)象的最大區(qū)別是其研究代謝組的變化。代謝組的變化是生物對(duì)遺傳變異、疾病以及環(huán)境影響的最終應(yīng)答［６］。代謝組學(xué)受進(jìn)化的影響較小，在不同物種間其檢測(cè)方法比其它組學(xué)方法更為通用。以果糖二磷酸化酶檢測(cè)為例，基因組或蛋白組研究需要掌握不同物種內(nèi)該酶的編碼基因或蛋白序列，并根據(jù)該信息設(shè)計(jì)相應(yīng)芯片或質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)；代謝組則不管在何種生物內(nèi)，該酶的底物和產(chǎn)物（1,6二磷酸果糖和6磷酸果糖）

都是一致的，因而其檢測(cè)方法可適用于所有物種 ［７］。

與其它“組學(xué)”研究類似，代謝組學(xué)的突破在于將傳統(tǒng)的代謝途徑擴(kuò)展為代謝網(wǎng)絡(luò)的研究。通過“非目標(biāo)性”地識(shí)別全部代謝物，定量它們?cè)谏矬w系內(nèi)的動(dòng)力學(xué)變化，從而揭示傳統(tǒng)方法無法觀測(cè)到的代謝網(wǎng)絡(luò)中不同途徑之間的關(guān)系［１］。因而，代謝組學(xué)成為系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要組成部分［１０］。

２代謝組學(xué)的技術(shù)平臺(tái)及進(jìn)展

由于代謝物的多樣性，許多分析技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[11]。圖2所示為各種代謝組學(xué)研究中常用的技術(shù)平臺(tái)［７］。根據(jù)樣品的屬性和研究目的來選擇并綜合利用多種技術(shù)平臺(tái)。例如研究植物與微生物常使用質(zhì)譜檢測(cè)代謝物，而在動(dòng)物樣品的研究中則更多地采用了核磁共振（NMR）技術(shù)［１２］。目前，應(yīng)用最廣泛、最有效的技術(shù)是氣相色譜質(zhì)譜（GCMS）和液相色譜質(zhì)譜（LCMS）［３］。這兩種技術(shù)可以檢測(cè)包括糖、糖醇、有機(jī)酸、氨基酸、脂肪酸以及大量次級(jí)代謝物在內(nèi)的數(shù)百種化合物。GCMS具有較高的分辨率和靈敏度。因此，與GCMS相關(guān)技術(shù)的發(fā)展很快，如采用GCGCMS技術(shù)增加單次分析可分離代謝物的種類［１４］；利用GC與飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOFMS）聯(lián)用可以進(jìn)行高通量分析：由于TOF檢測(cè)時(shí)間短，一個(gè)月可分析1000個(gè)以上樣品；而且，利用升級(jí)的解析方法可以從植物葉片提取物的GCTOF圖譜中一次解析出1000種以上化合物［１５］。但是GC分離樣品分子量范圍有限，不能分離大分子及難揮發(fā)物質(zhì)，同時(shí)熱不穩(wěn)定性物質(zhì)在GC條件下容易分解。盡管衍生化過程會(huì)降低樣品的通量，將樣品衍生化后再進(jìn)行GC分離，仍然是解決上述問題的一條有效途徑。

LCMS具有強(qiáng)大的分離能力，廣泛應(yīng)用于難揮發(fā)性物質(zhì)的分析。目前，反相LC技術(shù)應(yīng)用較普遍，但常規(guī)LC在分離極性較強(qiáng)物質(zhì)時(shí)仍然具有重要作用。Tolstikov等［１３］開發(fā)出一種親水作用色譜技術(shù)(hydrophilic interaction chromatography ,HILIC)，采用

(monolithic C18 silica)長(zhǎng)柱提高了分離效率，并且更易于與MS對(duì)接，檢測(cè)到許多極性物質(zhì)。此外，HPLCMS、毛細(xì)管HPLCMS、UPLCMS以及多維色譜等技術(shù)逐漸應(yīng)用到代謝物組學(xué)研究，明顯提高了分辨率、靈敏度和通量［１６］。毛細(xì)管電泳在代謝物分離方面是一個(gè)新的發(fā)展方向，其效率優(yōu)于LC和GC［７］。

檢測(cè)器是代謝物組分析關(guān)鍵因素之一。傅里葉變換離子回旋加速器質(zhì)譜(FTMS)技術(shù)在代謝物組領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。借助高分辨率質(zhì)譜(>106)，F(xiàn)TMS可以進(jìn)行精確的質(zhì)量分析，并根據(jù)同位素間分布直接得出經(jīng)驗(yàn)分子式［１８］。核磁共振NMR技術(shù)多用于代謝物指紋圖譜分析和尋找樣品間的顯著差異代謝物，更多地用于哺乳動(dòng)物樣品的檢測(cè)。NMR技術(shù)是代謝產(chǎn)物組(metabonomics)研究最有力的工具，具有較好的重復(fù)性[１９]。拉曼以及傅里葉紅外等振動(dòng)光譜的靈敏度雖然相對(duì)較低，但是，傅里葉紅外在生物樣品的高通量篩選分類方面非常有效。Ellis等［２０］利用該方法研究了肉類在變質(zhì)過程中的代謝譜，發(fā)現(xiàn)該過程的主要生化指標(biāo)為蛋白質(zhì)降解。一種新的發(fā)展趨勢(shì)是樣品不經(jīng)色譜分離直接進(jìn)樣，采用低分辨率電噴霧質(zhì)譜分析，根據(jù)獲得的指紋圖譜進(jìn)行高通量篩選［２１］。Allen等［２２］采用該方法成功地區(qū)分開僅僅一個(gè)基因差異的釀酒酵母。

生物體內(nèi)的代謝物隨時(shí)間和空間的變化而不斷地發(fā)生變化，所以時(shí)間動(dòng)力學(xué)與空間分布的變化是代謝物組學(xué)研究的重要課題。雖然可以通過連續(xù)取樣的方法來研究時(shí)間動(dòng)力學(xué)，但是該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。利用NMR及FTIR等技術(shù)進(jìn)行非介入性研究是一個(gè)新的發(fā)展方向。此外，利用分子生物學(xué)手段的研究也有新的進(jìn)展。Fehr等利用GFP融合葡萄糖結(jié)合蛋白，通過熒光強(qiáng)度來監(jiān)測(cè)胞內(nèi)的葡萄糖濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在COS7細(xì)胞胞漿內(nèi)的葡萄糖濃度的變化范圍高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)［２３］。

一個(gè)普通的細(xì)胞內(nèi)可能含有或產(chǎn)生的代謝物種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們最初的預(yù)想。Fiehn等［１２］從擬南芥葉片中鑒定出326種代謝物，通過對(duì)數(shù)據(jù)深入分析，發(fā)現(xiàn)最初的圖譜能夠解析出1000種以上的代謝物。因此，隨著硬件平臺(tái)的發(fā)展，代謝組學(xué)研究將獲得海量的數(shù)據(jù)；而如何解析、儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)并從中提取有用的信息則非常重要。因此，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)成為生物信息學(xué)的一個(gè)新的重要分支［２４］。

代謝組學(xué)原始數(shù)據(jù)的解析可分為如下３個(gè)基本步驟：（1）提取出色譜分離（如GCMS）后未能有效分開的代謝物峰并得出其相應(yīng)濃度；（2）根據(jù)其保留時(shí)間及質(zhì)譜圖等信息鑒別有效峰所代表的化合物；（3）根據(jù)代謝數(shù)據(jù)建立代謝網(wǎng)絡(luò)模型［１２］。目前已經(jīng)開發(fā)出界面友好的公開軟件，如Sumner等［２５］開發(fā)的MSFACTS(metabolomics spectral formatting, alignment and conversion tools)，可以輸入如GCMS原始數(shù)據(jù)，輸出代謝物清單。Johnson等［２６］設(shè)計(jì)了一種新的算法，可進(jìn)行圖譜的快速比對(duì)。

根據(jù)圖譜鑒別結(jié)構(gòu)問題相對(duì)進(jìn)展較慢。不能識(shí)別圖譜中的大多數(shù)代謝物峰成為代謝組學(xué)研究的瓶頸之一。在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，多數(shù)數(shù)據(jù)都來源于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而天然代謝物的結(jié)構(gòu)信息相對(duì)較少。以植物為例，80%以上的代謝物在標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)中找不到對(duì)應(yīng)的化合物。解決該問題應(yīng)該更多地依賴于一些新的算法進(jìn)行自動(dòng)推算，而不是尋找相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參照物。目前，關(guān)于NMR的自動(dòng)化譜圖結(jié)構(gòu)推測(cè)有一定的進(jìn)展［２７］，而關(guān)于MS圖譜的分析相對(duì)落后。關(guān)于代謝數(shù)據(jù)的可視化及建模，不少文獻(xiàn)中都有介紹［５，８，２８］，在此不再贅述。與其它組學(xué)研究類似，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化及存儲(chǔ)也是一個(gè)重要的問題。目前，一些相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)建立，例如擬南芥代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)以及包含各種代謝途徑的KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)等等［２４，２９］。但是，類似基因組研究中Genbank作用的代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)尚未建立，未來的發(fā)展方向是建立綜合、關(guān)聯(lián)基因組、蛋白組及代謝組數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)［２４］。３代謝組學(xué)在微生物領(lǐng)域的研究進(jìn)展

目前，代謝組學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為以下６個(gè)方面：（1）植物功能基因組研究，主要以擬南芥為研究模型，也包括一些轉(zhuǎn)基因作物的研究［４，３０，３１］；（2）疾病診斷，根據(jù)代謝物指紋圖譜診斷腫瘤、糖尿病等疾病［９，３２］；（3）制藥業(yè)，主要通過高通量比對(duì)預(yù)測(cè)藥物的毒性和有效性，通過全面分析來發(fā)現(xiàn)新的生物指示劑［３３］；（4）微生物領(lǐng)域；（5）毒理學(xué)研究，包括利用代謝組學(xué)平臺(tái)研究環(huán)境毒理及藥物毒理［１９，３４］；（6）食品及營(yíng)養(yǎng)學(xué)，即研究食品中進(jìn)入體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)成分及其與體內(nèi)代謝物的相互作用［３５］。以下著重介紹在微生物領(lǐng)域的代謝組學(xué)研究及其最新進(jìn)展。

3.1微生物分類，突變體篩選以及功能基因研究

經(jīng)典的微生物分類方法多根據(jù)微生物形態(tài)學(xué)以及對(duì)不同底物的代謝情況進(jìn)行表型分類。最近，隨著分子生物學(xué)的突飛猛進(jìn)，基因型分類方法如16S rDNA測(cè)序，DNA雜交以及PCR

指紋圖譜等方法得到了廣泛應(yīng)用。然而，某些菌株按照基因型與表型兩類方法分類會(huì)得出不同的結(jié)果。因此，根據(jù)不同的分類目的聯(lián)合應(yīng)用這兩類方法已成為一種趨勢(shì)。BIOLOG等方法在表型分類中應(yīng)用較為廣泛，但是，代謝譜分析方法(metabolic profiling)異軍突起，逐漸成為一種快速、高通量，全面的表型分類方法。采用代謝組分類時(shí)，可以通過檢測(cè)胞外代謝物來加以鑒別。常用的胞外代謝物檢測(cè)方法為樣品衍生化后進(jìn)行GCMS分析、薄層層析或HPLCMS分析，最后通過特征峰比對(duì)進(jìn)行分類［３６，３７］。Bundy等［３８］采用NMR分析代謝譜成功地區(qū)分開臨床病理來源以及實(shí)驗(yàn)室來源的不同桿菌(bacillus cereus)。除了表型分類外，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于突變體的篩選。在傳統(tǒng)研究中的沉默突變體（即未發(fā)生明顯的表型變化的突變體）內(nèi)，突變基因可能導(dǎo)致了某些代謝途徑發(fā)生變化，通過代謝快照(metabolic snapshot)可以發(fā)現(xiàn)該突變體并研究相應(yīng)基因的功能［３９］。Soga等用CEMS系統(tǒng)研究了枯草桿菌在芽孢發(fā)生過程中的代謝譜的變化過程，識(shí)別出胞1692種代謝物，并鑒別出其中的150種［１７］。

3.2發(fā)酵工藝的監(jiān)控和優(yōu)化

發(fā)酵工藝的監(jiān)控和優(yōu)化需要檢測(cè)大量的參數(shù)，利用代謝組學(xué)研究工具可以減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量，提高檢測(cè)通量，并有助于揭示發(fā)酵過程的生化網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，從而有利于理性優(yōu)化工藝過程 ［１０］。Buchholz等［４０］采用連續(xù)采樣的方法研究了大腸桿菌在發(fā)酵過程中的代謝網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)變化。他們?cè)谄咸烟侨狈Φ呐囵B(yǎng)液培養(yǎng)的大腸桿菌中加入葡萄糖，并迅速混勻，按每秒4～5次的頻率連續(xù)取樣。利用酶學(xué)分析、HPLC/LCMS等手段監(jiān)測(cè)樣品中多達(dá)30種以上的代謝物、核苷以及輔酶，從而解析了葡萄糖以及甘油的代謝途徑和底物攝取體系。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析建模，發(fā)現(xiàn)在接觸葡萄糖底物后的15～25 s范圍內(nèi),大腸桿菌體內(nèi)發(fā)生的葡萄糖代謝物變化與經(jīng)典生化途徑相符，但隨后的過程則與經(jīng)典途徑不符，推測(cè)可能存在新的未知調(diào)控步驟。Takors認(rèn)為，通過上述代謝動(dòng)力學(xué)研究，掌握代謝途徑及網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵參數(shù)，將直接有利于代謝工程的優(yōu)化，包括菌株的理性優(yōu)化以及發(fā)酵參數(shù)的調(diào)控。Dalluge等利用LCMSMS方法監(jiān)控發(fā)酵過程中的氨基酸譜紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的高通量快速監(jiān)控；而接下來的研究將考慮縮小氨基酸監(jiān)測(cè)范圍，通過少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)狀況的監(jiān)控［４１］。

3.3環(huán)境微生物研究

微生物降解是環(huán)境中去除污染物的主要途徑。深入了解污染物在微生物內(nèi)的代謝途徑，將有助于人們優(yōu)化生物降解的條件，從而實(shí)現(xiàn)快速的生物修復(fù)。這些代謝中間體大都通過萃取、分析方法進(jìn)行逐個(gè)研究，并借助專家經(jīng)驗(yàn)擬合出代謝途徑，其動(dòng)力學(xué)過程亦很少觸及。代謝組學(xué)方法的采用有可能改變這一現(xiàn)狀。Boersma等［４２］采用代謝組學(xué)方法研究氟代酚的微生物降解途徑。氟代化合物具有特殊的19F核磁共振屬性，19F的核磁共振靈敏度與1H核相近；由于生物體內(nèi)無內(nèi)源性19F核磁信號(hào)，因而無本底干擾。所有19F核磁信號(hào)均可歸結(jié)于異生素及其代謝物。19F核的化學(xué)位移值寬，約為700ppm（1H為15ppm，13C為250ppm）。較寬的化學(xué)位移導(dǎo)致19F在不同取代物的峰圖不易產(chǎn)生重疊。因此，借助核磁共振技術(shù)可以更方便地研究含氟化合物的代謝中間體。Boersma等根據(jù)總代謝物的核磁共振圖譜，推測(cè)出紅球菌內(nèi)羥化酶在不同的取代位（1，2，3三種不同的取代數(shù)量）

羥基化氟代酚，然后再通過兒茶酚內(nèi)位雙加氧酶開環(huán)形成氟代粘糠酸的代謝過程。此外，他們還首次檢測(cè)到開環(huán)后的下游代謝物，即通過氯粘糠酸異構(gòu)酶生成氟代粘糠酸內(nèi)酯以及氟代馬來酸等中間代謝物。

根際(rhizosphere)空間在植物微生物相互作用中發(fā)揮著重要的作用。Narasimhan等

[43 ]利用根際代謝物組(rhizosphere metabolomics)方法，闡釋了植物分泌物對(duì)根際微生物降解多氯代酚(PCB)的作用機(jī)制。采用HPLCESI/MS法分離鑒定擬南芥根際代謝物，發(fā)現(xiàn)野生型擬南芥根際次級(jí)代謝物中84%以上均為phenylpropanoids。因此能利用

phenylpropanoids生長(zhǎng)的PCB降解假單孢菌能夠快速在根際區(qū)域增殖（比相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株高100倍以上），并且在兩周內(nèi)去除超過90%的PCB。然而，在采用擬南芥突變體（產(chǎn)生較少的phenylpropanoids）的對(duì)照組中，降解菌的數(shù)量較低，降解率也僅達(dá)50%。結(jié)果表明植物根際分泌的次級(jí)代謝物促進(jìn)降解菌的繁衍增殖，從而促進(jìn)了污染物的降解。本課題組在近期的工作中建立固相微萃取衍生化技術(shù)與GCMS聯(lián)用同時(shí)測(cè)定多種多環(huán)芳烴（PAHs）代謝產(chǎn)物的分析方法，開展了細(xì)菌和微藻降解PAHs的降解機(jī)理和代謝物動(dòng)力學(xué)變化等研究[44～47]。從單一菌和混合菌液培養(yǎng)基中及細(xì)胞體內(nèi)，同時(shí)檢測(cè)到PAHs多種單氧化和雙氧化及其開環(huán)代謝物產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)多種PAHs降解過程中存在復(fù)雜的代謝物動(dòng)力學(xué)過程；通過研究標(biāo)志性代高等物組成力學(xué)變化，揭示代謝物水平上的微生物共代謝PAHs的降解機(jī)制［４４～４６］。共代謝過程中的代謝物動(dòng)力學(xué)過程有非常獨(dú)特的特點(diǎn)，一方面它屬于胸內(nèi)生命合成過程，因?yàn)槲⑸锝到馍L(zhǎng)基質(zhì)ＰＡＨs時(shí)提供能源和碳源促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)；另一方面它又屬于胞外代謝處程,非生長(zhǎng)基質(zhì)PAHs對(duì)于微生物是一種環(huán)境脅迫，微生物分泌降解酶通過在胞外降解非生長(zhǎng)基質(zhì)PAHs以減弱其對(duì)自身的危害。因此,共代謝過程是胞內(nèi)外代謝相互作用的過程。

此外，微生物代謝組學(xué)還應(yīng)研究如何改進(jìn)樣品的制備方法。例如，在代謝組研究中，為了中止細(xì)胞代謝反應(yīng)采用冷淬火(cold quenching)方法，將細(xì)胞樣品迅速置于低溫（液氮或-70℃甲醇中），這會(huì)導(dǎo)致許多微生物發(fā)生冷休克(coldshock)，釋放出大量的胞內(nèi)物質(zhì)，引起代謝組學(xué)定量研究發(fā)生偏差[48, 49]。

4展望

代謝組學(xué)尚處在萌芽期, 它綜合了分析化學(xué)、基因組學(xué)以及信息科學(xué)的最新進(jìn)展，在功能基因組研究中居于核心地位[12]。未來主要發(fā)展方向包括發(fā)展更為靈敏的、廣譜的、通用的檢測(cè)方法，鑒定各種譜峰對(duì)映的化合物結(jié)構(gòu)，以及與其它虛擬模型的整合。這將更有助于全面闡釋各種細(xì)胞功能的分子基礎(chǔ)。

此外，代謝物組學(xué)方法應(yīng)用于環(huán)境微生物領(lǐng)域，將開拓出新的研究方法和方向。微生物胞外污染物降解和胞內(nèi)代謝物利用構(gòu)成了微生物代謝污染物的復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。研究細(xì)胞內(nèi)外整合的代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝途徑的相互作用與影響將全面、深入地揭示微生物降解污染物的能力和途徑，從而有效地預(yù)測(cè)有毒代謝物在環(huán)境中的積累和去除。而代謝途徑的代謝物組分析對(duì)于闡釋代謝物動(dòng)力學(xué)過程以及微生物降解機(jī)理、分析和評(píng)價(jià)微生物在各種污染物的生物修復(fù)中的潛力都具有重要作用。

第二篇：微生物的代謝教學(xué)反思

《微生物的代謝》教學(xué)反思

金 柘

在微生物代謝這一內(nèi)容的教學(xué)過程中，針對(duì)知識(shí)特點(diǎn)采用了提供問題情境、探索目標(biāo)，由學(xué)生通過閱讀課本相關(guān)內(nèi)容，自己確定知識(shí)清單，然后同學(xué)間進(jìn)行知識(shí)交流、相互補(bǔ)充，最后教師點(diǎn)撥歸納，通過這些嘗試以改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

對(duì)于微生物代謝非常旺盛的原因要利用課本中的一些數(shù)據(jù)加以說明。代謝產(chǎn)物分為初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物，代謝調(diào)節(jié)的方式分為酶合成的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)，微生物體內(nèi)的酶又可以分為組成酶和誘導(dǎo)酶，這些知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生通過自學(xué)進(jìn)行比較，脈絡(luò)清晰，學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度也比較理想。

而微生物代謝的調(diào)節(jié)是重點(diǎn)。教學(xué)中除多結(jié)合實(shí)例講解外，還要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這兩種調(diào)節(jié)方式進(jìn)行比較，如比較調(diào)節(jié)的對(duì)象、結(jié)果、特點(diǎn)、機(jī)制、意義等，有利于學(xué)生形成良好的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

覺得可以改進(jìn)的地方有，可以先講完微生物代謝的調(diào)節(jié)后再來講人工控制微生物的代謝，這樣，重點(diǎn)突出，幫助學(xué)生更好的理解課本內(nèi)容，還有一點(diǎn)，就是要注意知識(shí)點(diǎn)的拓展和加深，適時(shí)的幫助學(xué)生鞏固舊的知識(shí)。

第三篇：碳化硅在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅材料的研究在近20年中取得了令人注目的成就,在各種先進(jìn)設(shè)備與工藝技術(shù)的推動(dòng)下,材料的性能得到了充分的發(fā)掘與應(yīng)用,制成了能夠滿足各種極端工況條件的陶瓷構(gòu)件,為高新技術(shù)的發(fā)展以及工程陶瓷在未來技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).雖然與其它工程結(jié)構(gòu)陶瓷一樣,使用過程的可靠性、性能可重復(fù)性等方面存在的問題仍然是影響碳化硅材料得到廣泛應(yīng)用的主要障礙

由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強(qiáng)度，使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。主要有以下幾個(gè)方面：

密封環(huán)碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，且耐高溫，因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對(duì)時(shí)，其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的工況中使用。

研磨介質(zhì)（磨介）碳化硅陶瓷,由于其高硬度的特點(diǎn)而廣泛用于耐磨機(jī)械零件中，特別是球磨機(jī)中的研磨介質(zhì)（磨介）。球磨機(jī)中所用的磨介對(duì)研磨效率有著重要的影響，其基本要求是硬度高、韌性好，以保證研磨效率高、摻雜少的要求。SIC-1型碳化硅陶瓷磨介適合于普通球磨機(jī)中使用，它具有硬度高、強(qiáng)度高、價(jià)格適中的特點(diǎn)。而SIC-2型碳化硅陶瓷磨介則由于強(qiáng)度高、韌性好，適合于振動(dòng)球磨機(jī)和攪動(dòng)球磨機(jī)中使用。合理地選擇磨介可保證你以最低的成本獲得較高的研磨效率和最少的摻雜。

防彈板碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、彈道性能較好、價(jià)格較低，而廣泛用于防彈裝甲中，如車輛、艦船的防護(hù)以及民用保險(xiǎn)柜、運(yùn)鈔車的防護(hù)等。碳化硅陶瓷的彈道性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷，約為碳化硼陶瓷的70-80%，但由于價(jià)格較低，特別適合用于用量大，且防護(hù)裝甲不能過厚、過重的場(chǎng)合。

噴嘴用作噴嘴的陶瓷材料有多種，常用的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴的價(jià)格低，但由于硬度低，其耐磨性較差，多用于噴砂工作量不大的場(chǎng)合。

碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的３－５倍，與硬質(zhì)合金相當(dāng)，多用于硬質(zhì)合金的替代品，特別是在手持噴槍的工況中使用。SIC-２型碳化硅陶瓷的韌性好，可用于有沖擊和振動(dòng)的噴砂的工況。

研磨盤是半導(dǎo)體行業(yè)中超大規(guī)模集成電路用硅片生產(chǎn)的重要工藝裝備。通常使用的鑄鐵或碳鋼研磨盤其使用壽命低，熱膨脹系數(shù)大。在加工硅片過程中，特別是高速研磨或拋光時(shí)，由于研磨盤的磨損和熱變形，使硅片的平面度和平行度難以保證。采用碳化硅陶瓷的研磨盤由于硬度高研磨盤的磨損小，且熱膨脹系數(shù)與硅片基本相同因而可以高速研磨、拋光。特別是近幾年來的硅片尺寸越來越大，對(duì)硅片研磨的質(zhì)量和效率提出了更高的要求。碳化硅陶瓷研磨盤的使用將使硅片研磨的質(zhì)量和效率有很大的提高。同時(shí)碳化硅陶瓷研磨盤還可用于研磨、拋光其它材料的片狀或塊狀物體的平面。

磁力泵泵件隨著工業(yè)化的發(fā)展，特別是ISO14000國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，對(duì)不利于環(huán)境保護(hù)液體的輸運(yùn)提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機(jī)械密封、填料密封等動(dòng)密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長(zhǎng)。對(duì)于磁力泵一般要求免維護(hù)的時(shí)間為八年，即要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)八年不得拆卸，因而對(duì)磁力泵件的選材提出了極為苛刻的要求。如泵中的泵軸、止推盤、軸套等，必須耐磨損、耐腐蝕。而目前能滿足上述條件的材料只有碳化硅陶瓷最適合。

高溫耐蝕部件碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高溫強(qiáng)度，即在1600°C時(shí)強(qiáng)度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高溫結(jié)構(gòu)件中使用。如高溫爐的頂板、支架，以及高溫實(shí)驗(yàn)用的卡具等。

碳化硅制品的用途

一、有色金屬冶煉工業(yè)的應(yīng)用：利用碳化硅具有耐高溫、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊、作高溫間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅融化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧形板、熱電偶保護(hù)管等。常規(guī)的鋅粉冶煉需要的塔盤型號(hào)有：

一、塔式爐：600、990、1088、1260、1350；

二、臥式爐：1300、1160、928。

二、鋼鐵行業(yè)方面的應(yīng)用：利用碳化硅的耐腐蝕、抗熱沖擊、耐磨損、導(dǎo)熱好的特點(diǎn)，用于大型高爐內(nèi)襯提高了使用壽命。

三、冶金選礦行業(yè)的應(yīng)用

碳化硅硬度僅次于金剛石，具有較強(qiáng)的耐磨性能，是耐磨管道、葉輪、泵室、旋流器、礦斗內(nèi)襯的理想材料，其耐磨性能是鑄鐵、橡膠使用壽命的5-20倍，也是航空飛行跑道的理想材料之一。

四、建材陶砂輪工業(yè)方面的應(yīng)用：

利用其導(dǎo)熱系數(shù)、熱輻射、高溫強(qiáng)度大的特性，制造薄板窯具，還提高了窯爐的裝容量和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，是陶瓷、搪瓷釉面烘烤燒結(jié)理想的間接材料。

五、節(jié)能方面的應(yīng)用

利用其良好的導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性，作熱交流器，燃耗減少20%，節(jié)約燃料35%，使生產(chǎn)率提高20%-30%

摘要：用涂層和其他表面改性處理方法制取的碳化硅／碳復(fù)合材料兼有碳化硅的硬度高、耐熱性、抗磨損、耐腐蝕和碳素材料可加工性等優(yōu)良特性，在滑動(dòng)摩擦材料，電子元件熱處理用夾具、單晶硅提拉用加熱器、坩堝硅片外延生長(zhǎng)用感受器、高溫材料等方面獲得廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，被雀為劃時(shí)代的新材料。由無機(jī)材料和有機(jī)高分子所組成的有機(jī)-無機(jī)雜化材料是近年來國(guó)內(nèi)外研究較多的一種新型復(fù)合材料，它同時(shí)具有有機(jī)高分子和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)。SiC陶瓷具有硬度高、高溫強(qiáng)度大、抗蠕變性能好、耐化學(xué)腐蝕、抗氧化性能好、熱膨脹系數(shù)小及高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，是一種在高溫和高能條件下極具應(yīng)用前景的材料。SiC用于制備金屬基、陶瓷基和聚合物基復(fù)合材料，已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，SiC在隱身吸波材料方面也有重要的應(yīng)用。本文綜述了SiC在聚合物中的應(yīng)用。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，聚合物基復(fù)合材料用少量堅(jiān)硬的無機(jī)物改性就可以顯著地提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能。SiC有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料就是一類用SiC陶瓷改性的聚合物基復(fù)合材料。現(xiàn)在這類復(fù)合材料被廠泛地應(yīng)用在包裝工業(yè)、涂料工業(yè)電子工業(yè)、汽車工業(yè)及舫空航天等工業(yè)。相信在不久的將來，隨著SiC有機(jī)－無機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬改性研究的不斷深人,SiC陶瓷將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

碳化硅半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

碳化硅優(yōu)越的半導(dǎo)體特性將為眾多的期間所采用，利用其高熱導(dǎo)，高絕緣性目前在電子工業(yè)中做大規(guī)模集成電路的基片和封裝材料，在冶金工業(yè)中做高溫?zé)峤粨Q材料和脫氧劑，碳化硅的用途主要有：

(1)作為磨料，可用來做磨具，如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。(2)作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。碳化硅主要有四大應(yīng)用領(lǐng)域,即: 功能陶瓷、高級(jí)耐火材料、磨料及冶金原料。目前碳化硅粗料已能大量供應(yīng), 不能算高新技術(shù)產(chǎn)品,而技術(shù)含量極高 的納米級(jí)碳化硅粉體的應(yīng)用短時(shí)間不可能形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

(3)高純度的單晶，可用于制造半導(dǎo)體、制造碳化硅纖維。

主要用途：用于3—12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。磨料磨具

主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產(chǎn)品中單晶硅、多晶硅和電子行業(yè)的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。化工

可用做煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織的改良劑，可用做制造四氯化硅的原料，是硅樹脂工業(yè)的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強(qiáng)復(fù)合脫氧劑，取代了傳統(tǒng)的硅粉碳粉進(jìn)行脫氧，和原工藝相比各項(xiàng)理化性能更加穩(wěn)定，脫氧效果好，使脫氧時(shí)間縮短，節(jié)約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質(zhì)量，降低原輔材料消耗，減少環(huán)境污染，改善勞動(dòng)條件，提高電爐的綜合經(jīng)濟(jì)效益都具有重要價(jià)值。耐磨、耐火和耐腐蝕材料

利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊等特性，碳化硅一方面可用于各種冶煉爐襯、高溫爐窯構(gòu)件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。另一方面可用于有色金屬冶煉工業(yè)的高溫間接加熱材料,如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護(hù)管等；用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級(jí)碳化硅陶瓷材料；還可以制做火箭噴管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機(jī)跑道太陽(yáng)能熱水器等的理想材料之一。有色金屬

利用碳化硅具有耐高溫&def強(qiáng)度大&def導(dǎo)熱性能良好&def抗沖擊&def作高溫間接加熱材料&def如堅(jiān)罐蒸餾爐&def精餾爐塔盤&def鋁電解槽&def銅熔化爐內(nèi)襯&def鋅粉爐用弧型板&def熱電偶保護(hù)管等.鋼鐵

利用碳化硅的耐腐蝕&def抗熱沖擊耐磨損&def導(dǎo)熱好的特點(diǎn)&def用于大型高爐內(nèi)襯提高了使用壽命.冶金選礦

碳化硅硬度僅次于金剛石&def具有較強(qiáng)的耐磨性能&def是耐磨管道&def葉輪.泵室.旋流器&def礦斗內(nèi)襯的理想材料&def其耐磨性能是鑄鐵.橡膠使用壽命的5--20倍&def也是航空飛行跑道的理想材料之一.建材陶瓷砂輪工業(yè)

利用其導(dǎo)熱系數(shù).熱輻射&def高熱強(qiáng)度大的特性&def制造薄板窯具&def不僅能減少窯具容量&def還提高了窯爐的裝容量和產(chǎn)品質(zhì)量&def縮短了生產(chǎn)周期&def是陶瓷釉面烘烤燒結(jié)理想的間接材料.節(jié)能

利用良好的導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性&def作熱交換器&def燃耗減少20%&def節(jié)約燃料35%&def使生產(chǎn)率提高20-30%&def特別是礦山選廠用排放輸送管道的內(nèi)放&def其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍.②磨料粒度及其組成按GB/T2477--83。磨料粒度組成測(cè)定方法按GB/T2481--83。珠寶

合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化學(xué)成分SiC），色散0.104比鉆石(0.044)大，折射率2.65-2.69(鉆石2.42)，具有與鉆石相同的金剛光澤，“火彩”更強(qiáng)，比以往任何仿制品更接近鉆石。這是由美國(guó)北卡羅來那州的C3公司制造生產(chǎn)的，已擁有世界各國(guó)生產(chǎn)合成碳化硅的專利，正在向全世界推廣應(yīng)用。

第四篇：微生物在石油開采中的應(yīng)用

微生物在石油開采中的應(yīng)用

摘要：經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微生物采油技術(shù)（MEOR）已經(jīng)成為繼熱力學(xué)驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、聚合物驅(qū)之后的第4種提高采收率的新“三采”技術(shù)。已經(jīng)引起了石油工程技術(shù)人員的空前關(guān)注。本文闡明了微生物采油的方法及特點(diǎn)、作用機(jī)理及應(yīng)用，最后對(duì)微生物采油的前景做了展望。

關(guān)鍵詞：微生物采油；機(jī)理；作用機(jī)理；菌種篩選。

前言：MEOR應(yīng)用于三次采油、提高原油采收率的一項(xiàng)高新技術(shù)。主要特點(diǎn)是成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、不傷害地層、不污染環(huán)境。特別對(duì)于枯場(chǎng)或近枯場(chǎng)的油旅更顯示其強(qiáng)大的生命力。微生物在生物代謝作用下所產(chǎn)生的酶類，可以裂解重質(zhì)烴類和石蠟，使原油粘度、凝固點(diǎn)降低，從而降低原油的流動(dòng)阻力，改 善原油的流動(dòng)性能，提高原油產(chǎn)量和采收率。

1、微生物采油的背景、方法及特點(diǎn)

當(dāng)今石油工業(yè)面臨的一個(gè)重要問題是怎樣采出在開發(fā)成熟的油田和即將枯竭的油田中仍然留在地下未被開采出的很大百分比的原油可采儲(chǔ)量。新的技術(shù)必須通過經(jīng)濟(jì)方法處理現(xiàn)有生產(chǎn)井和扭轉(zhuǎn)井堵塞的加速度，從而延長(zhǎng)油田的生產(chǎn)壽命并且提高油藏的原油采收率。

我國(guó)稠油（高黏度重質(zhì)稠油，黏度在1000mPa·s以上）資源分布很廣，陸地稠油約占石油總資源的20%以上。稠油突出的特點(diǎn)是瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量比較高，具有高凝固點(diǎn)、難流動(dòng)、難開采、高成本等特點(diǎn)。在我國(guó)的準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地、渤海灣盆地和松遼盆地等盆地中有豐富的稠油資源，也發(fā)現(xiàn)了許多稠油大油田，如塔里木的塔河油田、渤海的PL193油田等，如果能尋找到一種經(jīng)濟(jì)有效的方法采出這些原油，對(duì)緩解我國(guó)石油進(jìn)口壓力具有重要意義。于是研究人員將目光轉(zhuǎn)到微生物上，希望借助于以原油為碳源的微生物能夠解決這些短板。

MEOR是指利用微生物提高石油采收率的各種技術(shù)總稱，凡是與微生物有關(guān)的采油技術(shù)均屬于MEOR。微生物提高石油采收率并不是一種單一的方法，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：① 成本低，微生物的主要營(yíng)養(yǎng)物之一是用通常手段難以采出的石油，微生物的繁殖能力和適應(yīng)性很強(qiáng)，作用效果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。這尤其對(duì)邊際油田吸引力大；② MEOR工序簡(jiǎn)單，利用常規(guī)注入設(shè)備即可實(shí)施，不必增添井場(chǎng)設(shè)備，比其他EOR技術(shù)實(shí)用且操作方便；③ 應(yīng)用范圍廣，不僅可開采各種類型的原油(重油、輕油、中質(zhì) 原油)，更適于開采重油；④ 注入的微生物和培養(yǎng)基原料來源廣，容易制取，且可根據(jù)具體油藏特點(diǎn)靈活調(diào)整微生物的配方；⑤ 易于控制，通過停止注入營(yíng)養(yǎng)液，即可終止微生物的活動(dòng)；⑥ 為生物細(xì)胞小且運(yùn)動(dòng)性強(qiáng)，能進(jìn)入其他驅(qū)油工藝的盲區(qū)如死油區(qū)或裂縫；⑦ 微生物只有在有油的地方繁殖并產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，避免了表面活性劑注入或降粘劑段塞的盲目性；⑧ MEOR產(chǎn)物均可生物降解，不損害底層，不會(huì)造成環(huán)境污染，且可以在同一井中重復(fù)使用多次。微生物采油機(jī)理

微生物提高原油采收率作用涉及到復(fù)雜的生物、化學(xué)和物理過程，除了具有化學(xué)驅(qū)提高采油率的機(jī)理外，微生物生命活動(dòng)本身也具有提高采油率機(jī)理。

2.1 微生物的產(chǎn)氣作用

在油井一采、二采之后，通常地下壓強(qiáng)會(huì)降低，油井下的石油不容易抽上地面，傳統(tǒng)做法是向油井注水，通過這種方式增大底下的壓強(qiáng)，達(dá)到將石油抽上來的目的，但是這種方法會(huì)使得抽上來的石油含水量高，品質(zhì)較差，增加后續(xù)的分離成本。而微生物在地下發(fā)酵過程中能產(chǎn)生各種氣體，如CH4、CO2、N2、H2等，這些氣體會(huì)增加油井下的壓強(qiáng)，相應(yīng)的可以減少注水量，從而提升原油的品質(zhì)，降低成本。

2.2 微生物代謝產(chǎn)生各種有機(jī)物質(zhì)

微生物在油井中以重鏈烴為碳源，會(huì)代謝產(chǎn)生許多化合物，如生物聚合物、生物表面活性劑、小分子有機(jī)酸、醇類等。這些物質(zhì)可以降低原油粘度，減小表面張力，使得原油的流動(dòng)性加強(qiáng)。

2.3 微生物代謝產(chǎn)生的酶類

微生物在生物代謝作用下所產(chǎn)生的酶類，可以裂解重質(zhì)烴類和石蠟，再綜合2.2中微生物代謝產(chǎn)生的各種化學(xué)物質(zhì)，可以使原油粘度、凝固點(diǎn)降低，從而降低原油的流動(dòng)阻力，改善原油的流動(dòng)性能，使得油井石縫中原油流出，能夠溶解巖石，增加巖石孔隙度和滲透率，將有助于提高原油產(chǎn)量和采收率。2.4 微生物發(fā)酵產(chǎn)生的生物聚合物

微生物在油井中發(fā)酵產(chǎn)生的生物聚合物能調(diào)整注水油層的吸水剖面，控制高滲地帶的流度比，改善地層滲透率。

2.5 微生物的封堵作用

微生物注入水驅(qū)油層后，生長(zhǎng)繁殖的菌體和代謝產(chǎn)物與重金屬形成沉淀物，具有高效堵水作用，封堵率可達(dá)到99%。這對(duì)于非均質(zhì)油藏的堵水調(diào)剖面效果較好，可提高原油產(chǎn)量和采收率。在地層中產(chǎn)生的生物聚合物，能夠在高滲透地帶控制流度比，調(diào)整注水油層的吸水剖面，增大掃油面積，提高采收率。微生物的篩選

油井中的環(huán)境都是非常苛刻的，通常都具有高溫、高壓、高鹽的特點(diǎn)，為了發(fā)揮微生物采油的優(yōu)點(diǎn)，需要選用生存能力強(qiáng)、代謝活性高的菌株，才能實(shí)現(xiàn)利用微生物來提高原油品質(zhì)和采油率的目的。

一般以利用原油中的重質(zhì)鏈烴為碳源的微生物都是生長(zhǎng)在含油量豐富的地方，所以將從油田污水、污泥以及煉油廠污水中獲得微生物樣品作為篩選對(duì)象，應(yīng)用微生物室內(nèi)富集培養(yǎng)與分離純化技術(shù)，篩選出具有應(yīng)用潛力的菌株。當(dāng)然，也可以將菌株的篩選與細(xì)胞工程、基因工程等技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行培育，也可以在很大程度上獲得高產(chǎn)高效的菌株。應(yīng)用

近年來，為了探索提高采收率的新途徑，已先后在我國(guó)華北、新疆、吉林、河南、勝利、長(zhǎng)慶、遼河、大慶、中原等14個(gè)油田開展了微生物采油現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)，并且在一些油田取得了較好的增產(chǎn)效果。

4.1 微生物水驅(qū)

該技術(shù)是將菌種和營(yíng)養(yǎng)液混合而成的微生物處理液注入目的層，使微生物作用于油層，當(dāng)處理液被注入水推進(jìn)并通過油層時(shí)，微生物通過代謝作用產(chǎn)生生物表面活性劑、氣體、酸、醇等代謝產(chǎn)物的同時(shí)，還不斷增殖。代謝產(chǎn)物通過物理、化學(xué)作用將巖石表面黏附的原油和巖石孔隙中的原油釋放出來，使原來不能流動(dòng)的原油以油水乳狀的形式被注入到水驅(qū)生產(chǎn)井中，在生產(chǎn)井中被采出。4.2 周期性微生物處理（微生物吞吐法）

該技術(shù)是將微生物發(fā)酵液及營(yíng)養(yǎng)液注入生產(chǎn)井內(nèi)，關(guān)井一段時(shí)間（從數(shù)天到數(shù)周不等），讓微生物進(jìn)行發(fā)酵，然后開井生產(chǎn)，周而復(fù)始。

4.3 微生物選擇性封堵地層（微生物調(diào)剖法）

該技術(shù)是把能夠生產(chǎn)聚合物的微生物注入地層，使其在高滲透層內(nèi)大量繁殖，從而可以起到封堵高滲透帶的作用。改種方法比注入人工合成的有機(jī)聚合物或凝膠更為有效，而且不會(huì)造成底層的永久性破壞。

4.4 微生物清蠟和降低重油粘度

微生物清蠟技術(shù)可以取代溶劑和分散劑的使用，并能基本上取代熱油處理法。微生物清蠟和降黏機(jī)理在于微生物對(duì)石蠟和仲有得代謝作用。通常，大多數(shù)微生物對(duì)蠟類芳香烴的代謝速度大于對(duì)對(duì)芳香烴的代謝速度。微生物代謝產(chǎn)生的溶劑對(duì)近井區(qū)域能起到很好的清洗作用。展望

微生物采油技術(shù)具有其他三次采油技術(shù)無可比擬的有點(diǎn)——多功能性，近些年來，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)開始應(yīng)用一些在極端環(huán)境下能夠生存、繁殖的微生物、但是MEOR技術(shù)也有自己的局限性：微生物在溫度較高、鹽度較大、重金屬離子含量較高的的油藏條件下易于遭到破壞，微生物產(chǎn)生的表面活性劑和生物聚合物有造成沉淀的危險(xiǎn)，裴炎微生物的條件不易把握，微生物采油甲護(hù)身在冬季不易施工。為了克服這些局限性，在現(xiàn)有的菌種基礎(chǔ)上，通過基因工程手段獲取基因工程菌，使其性能更加優(yōu)良，同時(shí)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、基因檢測(cè)技術(shù)等新技術(shù)用于為生物鐘。

參考文獻(xiàn)

[1] 娜掛玉，黃民生；生物采油技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]。能源環(huán)境保護(hù)2004,18（2）：8-16.[2] 謝明杰，謝正，鄒翠霞，曹文偉；微生物降解原油提高原油采收率的研究[J]；撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)；1999年02期

[3] 杜宜娟，王曉梅，劉如林，梁鳳；微生物采油技術(shù)的研究[J]；內(nèi)蒙古石油化工；1998年02期

[4] 汪衛(wèi)東；我國(guó)微生物采油技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]；石油勘探與開發(fā)；2002年06期

第五篇：納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

納米11

陳美齡

41136025

納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

學(xué) 院：姓 名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：

——《納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿》論文

材料科學(xué)與工程學(xué)院 陳美齡 41136025 納米11班 2014.7.30 納米11

陳美齡

41136025

一、摘要：

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技技術(shù)更新速度日益加快。納米材料早已滲透到我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷妫谖覀兊娜粘Ｉ钪邪l(fā)揮著不可替代的作用。

目前，納米材料材料研究領(lǐng)域，已經(jīng)由原來如何方便人類生活、如何開發(fā)新型材料，逐步向減少環(huán)境負(fù)擔(dān)、材料可循環(huán)利用、低能高效的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，納米材料材料同樣發(fā)揮著不可替代的作用。在未來的研究方面，將會(huì)是向低碳環(huán)保和科技技術(shù)方面發(fā)展。

本文主要介紹在航天領(lǐng)域方面的熱門兩種納米材料。

二、無機(jī)抗菌納米材料

（1）簡(jiǎn)介

細(xì)菌、霉菌、酵竹苗、凜類等_仃害微牛物小僅對(duì)人類生活作業(yè)境造成污染，而且時(shí)人體健康和生命造成嚴(yán)幣損害。即使在遠(yuǎn)離地球的找人航天E行器艙內(nèi)環(huán)境中同樣不能豐免。美國(guó)載人航無器E行史中，因細(xì)菌感染而導(dǎo)致乘員患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，潰瘍的病例就打多起。如阿波羅7、8 q曾發(fā)生呼吸道感染，9、1I、12、14發(fā)生中耳炎，其他E行任務(wù)中也牲牛過皮疹等皮膚感染性疾病，P號(hào)宅川站乘員留軌期問也有因細(xì)菌感染患疵，從而不得不提返航的病例。納米11

陳美齡

41136025

（2）機(jī)抗菌納米材料材料簡(jiǎn)介

無機(jī)抗菌納米材料材料就是含有無機(jī)抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的納米材料材料。無機(jī)抗菌劑是一種新的、含有銀、鋅、銅等金屬離子成分和無機(jī)載體的接觸型抗菌制劑，其所含金屬離子具有超強(qiáng)抗菌能力。

當(dāng)細(xì)菌、霉菌等微生物接觸到載體中游離態(tài)金屬離子后，帶正電荷的金屬離子與帶負(fù)電荷的微生物因庫(kù)侖引力相互吸附，并在微生物表面聚積，在金屬離子之正電荷達(dá)一定量時(shí)，就會(huì)有效擊穿細(xì)菌細(xì)胞壁，接觸細(xì)胞內(nèi)部蛋白質(zhì)和核酸，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性，從而降低蛋白酶活性。蛋白質(zhì)失活就會(huì)影響細(xì)胞的代謝和呼吸功能，使其無法進(jìn)行分裂繁殖，直到死亡，從而達(dá)到滅菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國(guó)己試制和生產(chǎn)出硅、鈣、鉀三大系列七大類多種抗菌劑，而且還為各種制劑選配了合適載體，較好的解決了部分抗菌納米材料制品的生產(chǎn)工藝技術(shù)難題。如抗菌尼龍絲、聚乙烯板，藥品包裝材料、食品包裝膜、聚丙編織絲料、無紡布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空氣清新劑等多種抗菌制品，經(jīng)過進(jìn)一步嚴(yán)格篩試，均可應(yīng)用于載人航天技術(shù)領(lǐng)域。

為給乘員創(chuàng)建安全可靠工作條件和舒適方便的生活環(huán)境，納米材 納米11

陳美齡

41136025

料聚合材料越來越多的運(yùn)用于載人航天艙內(nèi)設(shè)備。航天服就用到多種經(jīng)特殊處理的保溫耐壓納米材料材料。又如頭盔及其面窗材料，通信用麥克和耳機(jī)材料，飛行程序控制用計(jì)算機(jī)殼體、操作鍵盤，各種連接導(dǎo)線和電纜，多種非金屬餐飲、復(fù)水器具，食品、飲料及藥品包裝材料，廢物和大小便收集存貯裝置，尿液及航天廢水再生處理用過濾、透析膜材料,吸水材料，保溫材料，各種通用工具及設(shè)備的操作把手，各種通風(fēng)排氣復(fù)合軟管材料，減震保溫用發(fā)泡材料，有時(shí)電熱設(shè)備的絕緣隔熱層也不得不用納米材料材料制成。納米材料材料為人類創(chuàng)建生活和工作便利的同時(shí)，同樣也會(huì)遭受有害菌侵蝕，不僅損害材料外觀，而且嚴(yán)重?fù)p害到材料質(zhì)量，甚至通過交叉?zhèn)鞑パ昙叭梭w健康。據(jù)調(diào)查，105 f-1電話中46％的機(jī)子上有大腸桿菌，僅在塑料聽筒、話筒上就有480余種細(xì)菌和2400種病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在適宜條件下，一個(gè)大腸桿菌經(jīng)9個(gè)小時(shí)可達(dá)1億個(gè)之多。

三、聚磷腈在航空航天中的應(yīng)用

（1）簡(jiǎn)介

在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天材料一直扮演著先導(dǎo)性角色，材料進(jìn)步不僅推動(dòng)了航空航天業(yè)本身的發(fā)展，也帶動(dòng)了地面交通工具進(jìn)步，航空航天材料反映了材料發(fā)展的前沿，代表一個(gè)國(guó)家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命等。納米11

陳美齡

41136025

（2）聚磷腈材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、在織物阻燃中

航空航天領(lǐng)域織物包括降落傘和宇航服裝，要求材料具有高的阻燃和耐熱性能，以滿足特殊條件下的使用。

劉霞等人通過熱重分析(TGA)、差熱分析(DTA)，紅外光譜(IR)等詳細(xì)研究了TAP對(duì)織物阻燃性能的影響。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l7％ 時(shí)，成率(燃燒分解后剩余質(zhì)量占原來質(zhì)量的分?jǐn)?shù))為39％，氧指數(shù)為47。5，手感好，強(qiáng)度損失小，水平點(diǎn)燃有自熄性。國(guó)外有人對(duì)TAP(日本曹達(dá)公司產(chǎn)品)的水合物和鹽酸鹽進(jìn)行研究。經(jīng)TAP化合物阻燃整理的棉纖維性能見表1。

由表1可知，經(jīng)TAP化合物整理后，棉緞具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明顯，基于增質(zhì)量率和不同條件下的極限氧指數(shù)(iO0最高達(dá)到39。TAP化合物與防火整理劑(丙烷一派羅伐特克斯，cp)進(jìn)一步經(jīng)熱分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CP在受熱過程中發(fā)生放熱分解。TAP化合物在受熱過程中，由于放出HCI和NH 而發(fā)生吸熱，且TAP在纖維素中發(fā)生縮聚反應(yīng)(如圖3所示)，在酸催化作用下，脫除NH，而發(fā)生縮聚，生成不溶于水的聚合物，從而賦予纖維以持久的阻燃性。用TAP化合物進(jìn)行阻燃整理有如下優(yōu)點(diǎn)：賦予棉纖維以持久阻燃性；不會(huì)游離出甲醛；經(jīng)整理的布手感柔軟，強(qiáng)度保持率(經(jīng)向)高達(dá)90％；不變色；由于不含鹵素，燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生鹵素氣體和鹵化氫氣體。此 外，TAP對(duì)人造纖維、棉針織物、絲綢有防縮整理效果。納米11

陳美齡

41136025

2、在阻燃泡沫橡膠中

美聯(lián)邦航空局的Richard等人對(duì)高效阻燃聚磷腈泡沫材料進(jìn)行了測(cè)試。聚磷腈材料與其他材料相Ii試數(shù)據(jù)見表2.前者的熱性能顯示了非常大的優(yōu)勢(shì)，EYPEL—A熱釋放能力比航空用Pu橡膠降低了66．4％，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠的 更是降低了80．7％。從反應(yīng)材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡膠的成炭率提高9倍，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃燒性能更為優(yōu)越(表3)，與Pu相比，燃燒時(shí)聚磷腈材料最大熱釋放速率降低70％，平均有效燃燒熱量降低37．5％，顯著降低燃燒釋放出的熱量，減少燃燒造成的損失，石墨改性的聚磷腈性能則更優(yōu)。6 納米11

陳美齡

41136025

3、在膠黏劑中

聚磷腈膠黏劑[1 具有突出的耐熱性能，300度以上有較好的耐熱性和黏結(jié)一IIii(對(duì)金屬粘接剪切強(qiáng)度為200MPa以上)，并且其抗沖擊韌性比無機(jī)鹽膠黏劑好得多。聚磷腈膠黏劑主要用于高溫作業(yè)下如火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等有關(guān)耐高溫部件的金屬、陶瓷和玻璃鋼等工件的粘接。典型的聚磷腈膠黏劑合成見圖4。納米11

陳美齡

41136025

四、結(jié)語(yǔ)

納米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千萬個(gè)小分子有化學(xué)鍵連接而成的大分子聚合物。我們生活中應(yīng)用的納米材料材料就是指合成材料、合成橡膠、合成纖維等合成納米材料材料。然而20世紀(jì)60年代，納米材料工業(yè)已基本完善，解決了人們的衣著、日用品、和工業(yè)材料等需求。因此，在未來的納米材料航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，納米材料材料功能化、納米納米材料材料復(fù)合技術(shù)以及可降解生物納米材料材料研發(fā)將是三個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

五、參考文獻(xiàn)

（1）許勝國(guó)，魏民，趙成堅(jiān)，謝瓊-中國(guó)宇航學(xué)會(huì)首屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，無機(jī)抗菌納米材料材料在載人航天技術(shù)中的應(yīng)用前景。（2）李愛元，張慧波，陳亞東，王建-《膠體與聚合物》，聚磷腈納米材料材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。