第一篇：代謝組學在微生物領域的應用

代謝組學及其在微生物領域的研究進展

【摘要】代謝組學、基因組學和蛋白質組學是系統生物學研究的重要組成部分。本文在文獻和作者本人研究的基礎上，對代謝組學的產生和技術平臺及其在環境微生物領域的研究進展進行了評述。

【關鍵詞】代謝物 代謝組學 環境微生物 生物降解 評述

1引言

代謝組學(metabolomics)誕生至今不到10年，但發展非常迅速（圖1），現已成為系統生物學研究的一個重要組成部分［１］，在診斷及功能基因組研究中發揮出日益重要的作用[2]。隨著基因組學研究的深入，至2005年底，以metabolome, metabolomic, etabolomics, metabonome, metabonomic以及metabonomics為關鍵詞，或出現在文提或摘要內，檢索Web of Science以及Pubmed。所得文獻經整理刪除重復數據(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、轉錄組以及蛋白組的數據與表型之間的關系；而細胞內的全部代謝物最接近于表型，從而產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志著代謝組學成為功能基因組研究的一個重要組成部分[4]。

目前，代謝組學的研究可分為以下３個層次［１，５～７］：（１）目標代謝物分析(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)。對一系列預先設定的目標代謝物（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）進行定量研究；（３）代謝組學。定性和定量特定條件下生物樣品內的全部代謝物。然而，由于代謝物組成復雜、含量不一，樣品制備過程的偏差，以及檢測設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，在現階段代謝組學更多地被視為“非目標性”代謝物研究［７］。與代謝組學相關的概念還有代謝指紋分析(metabolic fingerprinting)，即對粗提代謝物進行高通量的定性分析，通過譜型比較將樣品進行快速分類，或者尋找差異峰從而揭示生物對疾病或有毒物應答的生物標記物。另一個重要的概念是代謝產物組學(metabonomics)［８］，多指以核磁共振（NMR）手段研究與疾病相關的代謝物。Nicholson等認為代謝產物組學是綜合地研究某一時間點對細胞內全部代謝物的影響［８，９］。不過，上述有關代謝組學的各種概念仍在發展和完善中。代謝組學會也將代謝組學的定義視為學會亟待解決的重要問題［９］。

代謝組學與其它組學的研究對象的最大區別是其研究代謝組的變化。代謝組的變化是生物對遺傳變異、疾病以及環境影響的最終應答［６］。代謝組學受進化的影響較小，在不同物種間其檢測方法比其它組學方法更為通用。以果糖二磷酸化酶檢測為例，基因組或蛋白組研究需要掌握不同物種內該酶的編碼基因或蛋白序列，并根據該信息設計相應芯片或質譜檢測技術；代謝組則不管在何種生物內，該酶的底物和產物（1,6二磷酸果糖和6磷酸果糖）

都是一致的，因而其檢測方法可適用于所有物種 ［７］。

與其它“組學”研究類似，代謝組學的突破在于將傳統的代謝途徑擴展為代謝網絡的研究。通過“非目標性”地識別全部代謝物，定量它們在生物體系內的動力學變化，從而揭示傳統方法無法觀測到的代謝網絡中不同途徑之間的關系［１］。因而，代謝組學成為系統生物學研究的重要組成部分［１０］。

２代謝組學的技術平臺及進展

由于代謝物的多樣性，許多分析技術得到廣泛應用[11]。圖2所示為各種代謝組學研究中常用的技術平臺［７］。根據樣品的屬性和研究目的來選擇并綜合利用多種技術平臺。例如研究植物與微生物常使用質譜檢測代謝物，而在動物樣品的研究中則更多地采用了核磁共振（NMR）技術［１２］。目前，應用最廣泛、最有效的技術是氣相色譜質譜（GCMS）和液相色譜質譜（LCMS）［３］。這兩種技術可以檢測包括糖、糖醇、有機酸、氨基酸、脂肪酸以及大量次級代謝物在內的數百種化合物。GCMS具有較高的分辨率和靈敏度。因此，與GCMS相關技術的發展很快，如采用GCGCMS技術增加單次分析可分離代謝物的種類［１４］；利用GC與飛行時間質譜（TOFMS）聯用可以進行高通量分析：由于TOF檢測時間短，一個月可分析1000個以上樣品；而且，利用升級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物質，同時熱不穩定性物質在GC條件下容易分解。盡管衍生化過程會降低樣品的通量，將樣品衍生化后再進行GC分離，仍然是解決上述問題的一條有效途徑。

LCMS具有強大的分離能力，廣泛應用于難揮發性物質的分析。目前，反相LC技術應用較普遍，但常規LC在分離極性較強物質時仍然具有重要作用。Tolstikov等［１３］開發出一種親水作用色譜技術(hydrophilic interaction chromatography ,HILIC)，采用

(monolithic C18 silica)長柱提高了分離效率，并且更易于與MS對接，檢測到許多極性物質。此外，HPLCMS、毛細管HPLCMS、UPLCMS以及多維色譜等技術逐漸應用到代謝物組學研究，明顯提高了分辨率、靈敏度和通量［１６］。毛細管電泳在代謝物分離方面是一個新的發展方向，其效率優于LC和GC［７］。

檢測器是代謝物組分析關鍵因素之一。傅里葉變換離子回旋加速器質譜(FTMS)技術在代謝物組領域具有良好的應用前景。借助高分辨率質譜(>106)，FTMS可以進行精確的質量分析，并根據同位素間分布直接得出經驗分子式［１８］。核磁共振NMR技術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，更多地用于哺乳動物樣品的檢測。NMR技術是代謝產物組(metabonomics)研究最有力的工具，具有較好的重復性[１９]。拉曼以及傅里葉紅外等振動光譜的靈敏度雖然相對較低，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過程中的代謝譜，發現該過程的主要生化指標為蛋白質降解。一種新的發展趨勢是樣品不經色譜分離直接進樣，采用低分辨率電噴霧質譜分析，根據獲得的指紋圖譜進行高通量篩選［２１］。Allen等［２２］采用該方法成功地區分開僅僅一個基因差異的釀酒酵母。

生物體內的代謝物隨時間和空間的變化而不斷地發生變化，所以時間動力學與空間分布的變化是代謝物組學研究的重要課題。雖然可以通過連續取樣的方法來研究時間動力學，但是該方法費時費力。利用NMR及FTIR等技術進行非介入性研究是一個新的發展方向。此外，利用分子生物學手段的研究也有新的進展。Fehr等利用GFP融合葡萄糖結合蛋白，通過熒光強度來監測胞內的葡萄糖濃度。結果發現，在COS7細胞胞漿內的葡萄糖濃度的變化范圍高達兩個數量級［２３］。

一個普通的細胞內可能含有或產生的代謝物種類遠遠超出人們最初的預想。Fiehn等［１２］從擬南芥葉片中鑒定出326種代謝物，通過對數據深入分析，發現最初的圖譜能夠解析出1000種以上的代謝物。因此，隨著硬件平臺的發展，代謝組學研究將獲得海量的數據；而如何解析、儲存這些數據并從中提取有用的信息則非常重要。因此，代謝組學數據的處理已經成為生物信息學的一個新的重要分支［２４］。

代謝組學原始數據的解析可分為如下３個基本步驟：（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濃度；（2）根據其保留時間及質譜圖等信息鑒別有效峰所代表的化合物；（3）根據代謝數據建立代謝網絡模型［１２］。目前已經開發出界面友好的公開軟件，如Sumner等［２５］開發的MSFACTS(metabolomics spectral formatting, alignment and conversion tools)，可以輸入如GCMS原始數據，輸出代謝物清單。Johnson等［２６］設計了一種新的算法，可進行圖譜的快速比對。

根據圖譜鑒別結構問題相對進展較慢。不能識別圖譜中的大多數代謝物峰成為代謝組學研究的瓶頸之一。在標準數據庫中，多數數據都來源于有機化學領域，而天然代謝物的結構信息相對較少。以植物為例，80%以上的代謝物在標準譜庫中找不到對應的化合物。解決該問題應該更多地依賴于一些新的算法進行自動推算，而不是尋找相應的標準參照物。目前，關于NMR的自動化譜圖結構推測有一定的進展［２７］，而關于MS圖譜的分析相對落后。關于代謝數據的可視化及建模，不少文獻中都有介紹［５，８，２８］，在此不再贅述。與其它組學研究類似，代謝組學數據的標準化及存儲也是一個重要的問題。目前，一些相關的數據庫已經建立，例如擬南芥代謝組數據庫以及包含各種代謝途徑的KEGG數據庫等等［２４，２９］。但是，類似基因組研究中Genbank作用的代謝物數據庫尚未建立，未來的發展方向是建立綜合、關聯基因組、蛋白組及代謝組數據的大型數據庫［２４］。３代謝組學在微生物領域的研究進展

目前，代謝組學應用領域大致可以分為以下６個方面：（1）植物功能基因組研究，主要以擬南芥為研究模型，也包括一些轉基因作物的研究［４，３０，３１］；（2）疾病診斷，根據代謝物指紋圖譜診斷腫瘤、糖尿病等疾病［９，３２］；（3）制藥業，主要通過高通量比對預測藥物的毒性和有效性，通過全面分析來發現新的生物指示劑［３３］；（4）微生物領域；（5）毒理學研究，包括利用代謝組學平臺研究環境毒理及藥物毒理［１９，３４］；（6）食品及營養學，即研究食品中進入體內的營養成分及其與體內代謝物的相互作用［３５］。以下著重介紹在微生物領域的代謝組學研究及其最新進展。

3.1微生物分類，突變體篩選以及功能基因研究

經典的微生物分類方法多根據微生物形態學以及對不同底物的代謝情況進行表型分類。最近，隨著分子生物學的突飛猛進，基因型分類方法如16S rDNA測序，DNA雜交以及PCR

指紋圖譜等方法得到了廣泛應用。然而，某些菌株按照基因型與表型兩類方法分類會得出不同的結果。因此，根據不同的分類目的聯合應用這兩類方法已成為一種趨勢。BIOLOG等方法在表型分類中應用較為廣泛，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，可以通過檢測胞外代謝物來加以鑒別。常用的胞外代謝物檢測方法為樣品衍生化后進行GCMS分析、薄層層析或HPLCMS分析，最后通過特征峰比對進行分類［３６，３７］。Bundy等［３８］采用NMR分析代謝譜成功地區分開臨床病理來源以及實驗室來源的不同桿菌(bacillus cereus)。除了表型分類外，代謝組學數據可以應用于突變體的篩選。在傳統研究中的沉默突變體（即未發生明顯的表型變化的突變體）內，突變基因可能導致了某些代謝途徑發生變化，通過代謝快照(metabolic snapshot)可以發現該突變體并研究相應基因的功能［３９］。Soga等用CEMS系統研究了枯草桿菌在芽孢發生過程中的代謝譜的變化過程，識別出胞1692種代謝物，并鑒別出其中的150種［１７］。

3.2發酵工藝的監控和優化

發酵工藝的監控和優化需要檢測大量的參數，利用代謝組學研究工具可以減少實驗數量，提高檢測通量，并有助于揭示發酵過程的生化網絡機制，從而有利于理性優化工藝過程 ［１０］。Buchholz等［４０］采用連續采樣的方法研究了大腸桿菌在發酵過程中的代謝網絡的動力學變化。他們在葡萄糖缺乏的培養液培養的大腸桿菌中加入葡萄糖，并迅速混勻，按每秒4～5次的頻率連續取樣。利用酶學分析、HPLC/LCMS等手段監測樣品中多達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。通過統計學分析建模，發現在接觸葡萄糖底物后的15～25 s范圍內,大腸桿菌體內發生的葡萄糖代謝物變化與經典生化途徑相符，但隨后的過程則與經典途徑不符，推測可能存在新的未知調控步驟。Takors認為，通過上述代謝動力學研究，掌握代謝途徑及網絡中的關鍵參數，將直接有利于代謝工程的優化，包括菌株的理性優化以及發酵參數的調控。Dalluge等利用LCMSMS方法監控發酵過程中的氨基酸譜紋，實現對整個發酵系統的高通量快速監控；而接下來的研究將考慮縮小氨基酸監測范圍，通過少數幾個關鍵氨基酸的監測實現對整個發酵系統狀況的監控［４１］。

3.3環境微生物研究

微生物降解是環境中去除污染物的主要途徑。深入了解污染物在微生物內的代謝途徑，將有助于人們優化生物降解的條件，從而實現快速的生物修復。這些代謝中間體大都通過萃取、分析方法進行逐個研究，并借助專家經驗擬合出代謝途徑，其動力學過程亦很少觸及。代謝組學方法的采用有可能改變這一現狀。Boersma等［４２］采用代謝組學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；由于生物體內無內源性19F核磁信號，因而無本底干擾。所有19F核磁信號均可歸結于異生素及其代謝物。19F核的化學位移值寬，約為700ppm（1H為15ppm，13C為250ppm）。較寬的化學位移導致19F在不同取代物的峰圖不易產生重疊。因此，借助核磁共振技術可以更方便地研究含氟化合物的代謝中間體。Boersma等根據總代謝物的核磁共振圖譜，推測出紅球菌內羥化酶在不同的取代位（1，2，3三種不同的取代數量）

羥基化氟代酚，然后再通過兒茶酚內位雙加氧酶開環形成氟代粘糠酸的代謝過程。此外，他們還首次檢測到開環后的下游代謝物，即通過氯粘糠酸異構酶生成氟代粘糠酸內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根際微生物降解多氯代酚(PCB)的作用機制。采用HPLCESI/MS法分離鑒定擬南芥根際代謝物，發現野生型擬南芥根際次級代謝物中84%以上均為phenylpropanoids。因此能利用

phenylpropanoids生長的PCB降解假單孢菌能夠快速在根際區域增殖（比相應營養缺陷型突變菌株高100倍以上），并且在兩周內去除超過90%的PCB。然而，在采用擬南芥突變體（產生較少的phenylpropanoids）的對照組中，降解菌的數量較低，降解率也僅達50%。結果表明植物根際分泌的次級代謝物促進降解菌的繁衍增殖，從而促進了污染物的降解。本課題組在近期的工作中建立固相微萃取衍生化技術與GCMS聯用同時測定多種多環芳烴（PAHs）代謝產物的分析方法，開展了細菌和微藻降解PAHs的降解機理和代謝物動力學變化等研究[44～47]。從單一菌和混合菌液培養基中及細胞體內，同時檢測到PAHs多種單氧化和雙氧化及其開環代謝物產物，發現多種PAHs降解過程中存在復雜的代謝物動力學過程；通過研究標志性代高等物組成力學變化，揭示代謝物水平上的微生物共代謝PAHs的降解機制［４４～４６］。共代謝過程中的代謝物動力學過程有非常獨特的特點，一方面它屬于胸內生命合成過程，因為微生物降解生長基質ＰＡＨs時提供能源和碳源促進微生物的生長；另一方面它又屬于胞外代謝處程,非生長基質PAHs對于微生物是一種環境脅迫，微生物分泌降解酶通過在胞外降解非生長基質PAHs以減弱其對自身的危害。因此,共代謝過程是胞內外代謝相互作用的過程。

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

4展望

代謝組學尚處在萌芽期, 它綜合了分析化學、基因組學以及信息科學的最新進展，在功能基因組研究中居于核心地位[12]。未來主要發展方向包括發展更為靈敏的、廣譜的、通用的檢測方法，鑒定各種譜峰對映的化合物結構，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胞功能的分子基礎。

此外，代謝物組學方法應用于環境微生物領域，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代謝物利用構成了微生物代謝污染物的復雜的代謝網絡。研究細胞內外整合的代謝網絡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，從而有效地預測有毒代謝物在環境中的積累和去除。而代謝途徑的代謝物組分析對于闡釋代謝物動力學過程以及微生物降解機理、分析和評價微生物在各種污染物的生物修復中的潛力都具有重要作用。

第二篇：微生物的代謝教學反思

《微生物的代謝》教學反思

金 柘

在微生物代謝這一內容的教學過程中，針對知識特點采用了提供問題情境、探索目標，由學生通過閱讀課本相關內容，自己確定知識清單，然后同學間進行知識交流、相互補充，最后教師點撥歸納，通過這些嘗試以改變學生的學習方式。

對于微生物代謝非常旺盛的原因要利用課本中的一些數據加以說明。代謝產物分為初級代謝產物和次級代謝產物，代謝調節的方式分為酶合成的調節和酶活性的調節，微生物體內的酶又可以分為組成酶和誘導酶，這些知識點讓學生通過自學進行比較，脈絡清晰，學生對有關知識點的掌握程度也比較理想。

而微生物代謝的調節是重點。教學中除多結合實例講解外，還要引導學生對這兩種調節方式進行比較，如比較調節的對象、結果、特點、機制、意義等，有利于學生形成良好的知識結構。

覺得可以改進的地方有，可以先講完微生物代謝的調節后再來講人工控制微生物的代謝，這樣，重點突出，幫助學生更好的理解課本內容，還有一點，就是要注意知識點的拓展和加深，適時的幫助學生鞏固舊的知識。

第三篇：碳化硅在其他領域的應用

碳化硅材料的研究在近20年中取得了令人注目的成就,在各種先進設備與工藝技術的推動下,材料的性能得到了充分的發掘與應用,制成了能夠滿足各種極端工況條件的陶瓷構件,為高新技術的發展以及工程陶瓷在未來技術領域的應用打下了堅實的基礎.雖然與其它工程結構陶瓷一樣,使用過程的可靠性、性能可重復性等方面存在的問題仍然是影響碳化硅材料得到廣泛應用的主要障礙

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度，使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應用。主要有以下幾個方面：

密封環碳化硅陶瓷的耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數小，且耐高溫，因而是制造密封環的理想材料。它與石墨材料組合配對時，其摩擦系數比氧化鋁陶瓷和硬質合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強酸、強堿的工況中使用。

研磨介質（磨介）碳化硅陶瓷,由于其高硬度的特點而廣泛用于耐磨機械零件中，特別是球磨機中的研磨介質（磨介）。球磨機中所用的磨介對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中使用，它具有硬度高、強度高、價格適中的特點。而SIC-2型碳化硅陶瓷磨介則由于強度高、韌性好，適合于振動球磨機和攪動球磨機中使用。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、價格較低，而廣泛用于防彈裝甲中，如車輛、艦船的防護以及民用保險柜、運鈔車的防護等。碳化硅陶瓷的彈道性能優于氧化鋁陶瓷，約為碳化硼陶瓷的70-80%，但由于價格較低，特別適合用于用量大，且防護裝甲不能過厚、過重的場合。

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合。

碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的３－５倍，與硬質合金相當，多用于硬質合金的替代品，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的噴砂的工況。

研磨盤是半導體行業中超大規模集成電路用硅片生產的重要工藝裝備。通常使用的鑄鐵或碳鋼研磨盤其使用壽命低，熱膨脹系數大。在加工硅片過程中，特別是高速研磨或拋光時，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，對硅片研磨的質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量和效率有很大的提高。同時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化的發展，特別是ISO14000國際標準的貫徹執行，對不利于環境保護液體的輸運提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機械密封、填料密封等動密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長。對于磁力泵一般要求免維護的時間為八年，即要求連續運轉八年不得拆卸，因而對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度，即在1600°C時強度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高溫結構件中使用。如高溫爐的頂板、支架，以及高溫實驗用的卡具等。

碳化硅制品的用途

一、有色金屬冶煉工業的應用：利用碳化硅具有耐高溫、強度大、導熱性能良好、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、銅融化爐內襯、鋅粉爐用弧形板、熱電偶保護管等。常規的鋅粉冶煉需要的塔盤型號有：

一、塔式爐：600、990、1088、1260、1350；

二、臥式爐：1300、1160、928。

二、鋼鐵行業方面的應用：利用碳化硅的耐腐蝕、抗熱沖擊、耐磨損、導熱好的特點，用于大型高爐內襯提高了使用壽命。

三、冶金選礦行業的應用

碳化硅硬度僅次于金剛石，具有較強的耐磨性能，是耐磨管道、葉輪、泵室、旋流器、礦斗內襯的理想材料，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、建材陶砂輪工業方面的應用：

利用其導熱系數、熱輻射、高溫強度大的特性，制造薄板窯具，還提高了窯爐的裝容量和產品質量，縮短了生產周期，是陶瓷、搪瓷釉面烘烤燒結理想的間接材料。

五、節能方面的應用

利用其良好的導熱和熱穩定性，作熱交流器，燃耗減少20%，節約燃料35%，使生產率提高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良特性，在滑動摩擦材料，電子元件熱處理用夾具、單晶硅提拉用加熱器、坩堝硅片外延生長用感受器、高溫材料等方面獲得廣泛應用。其應用范圍不斷擴大，被雀為劃時代的新材料。由無機材料和有機高分子所組成的有機-無機雜化材料是近年來國內外研究較多的一種新型復合材料，它同時具有有機高分子和無機材料的優點。SiC陶瓷具有硬度高、高溫強度大、抗蠕變性能好、耐化學腐蝕、抗氧化性能好、熱膨脹系數小及高熱導率等優異性能，是一種在高溫和高能條件下極具應用前景的材料。SiC用于制備金屬基、陶瓷基和聚合物基復合材料，已經表現出優異的性能。此外，SiC在隱身吸波材料方面也有重要的應用。本文綜述了SiC在聚合物中的應用。

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

碳化硅半導體材料的應用

碳化硅優越的半導體特性將為眾多的期間所采用，利用其高熱導，高絕緣性目前在電子工業中做大規模集成電路的基片和封裝材料，在冶金工業中做高溫熱交換材料和脫氧劑，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用領域,即: 功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。目前碳化硅粗料已能大量供應, 不能算高新技術產品,而技術含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。

(3)高純度的單晶，可用于制造半導體、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。太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。磨料磨具

主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產品中單晶硅、多晶硅和電子行業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，是硅樹脂工業的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強復合脫氧劑，取代了傳統的硅粉碳粉進行脫氧，和原工藝相比各項理化性能更加穩定，脫氧效果好，使脫氧時間縮短，節約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質量，降低原輔材料消耗，減少環境污染，改善勞動條件，提高電爐的綜合經濟效益都具有重要價值。耐磨、耐火和耐腐蝕材料

利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、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、銅熔化爐內襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等；用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級碳化硅陶瓷材料；還可以制做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽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強度大&def導熱性能良好&def抗沖擊&def作高溫間接加熱材料&def如堅罐蒸餾爐&def精餾爐塔盤&def鋁電解槽&def銅熔化爐內襯&def鋅粉爐用弧型板&def熱電偶保護管等.鋼鐵

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

碳化硅硬度僅次于金剛石&def具有較強的耐磨性能&def是耐磨管道&def葉輪.泵室.旋流器&def礦斗內襯的理想材料&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

利用其導熱系數.熱輻射&def高熱強度大的特性&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品質量&def縮短了生產周期&def是陶瓷釉面烘烤燒結理想的間接材料.節能

利用良好的導熱和熱穩定性&def作熱交換器&def燃耗減少20%&def節約燃料35%&def使生產率提高20-30%&def特別是礦山選廠用排放輸送管道的內放&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，比以往任何仿制品更接近鉆石。這是由美國北卡羅來那州的C3公司制造生產的，已擁有世界各國生產合成碳化硅的專利，正在向全世界推廣應用。

第四篇：微生物在石油開采中的應用

微生物在石油開采中的應用

摘要：經過幾十年的發展，微生物采油技術（MEOR）已經成為繼熱力學驅、化學驅、聚合物驅之后的第4種提高采收率的新“三采”技術。已經引起了石油工程技術人員的空前關注。本文闡明了微生物采油的方法及特點、作用機理及應用，最后對微生物采油的前景做了展望。

關鍵詞：微生物采油；機理；作用機理；菌種篩選。

前言：MEOR應用于三次采油、提高原油采收率的一項高新技術。主要特點是成本低、適應性強、施工方便、不傷害地層、不污染環境。特別對于枯場或近枯場的油旅更顯示其強大的生命力。微生物在生物代謝作用下所產生的酶類，可以裂解重質烴類和石蠟，使原油粘度、凝固點降低，從而降低原油的流動阻力，改 善原油的流動性能，提高原油產量和采收率。

1、微生物采油的背景、方法及特點

當今石油工業面臨的一個重要問題是怎樣采出在開發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量。新的技術必須通過經濟方法處理現有生產井和扭轉井堵塞的加速度，從而延長油田的生產壽命并且提高油藏的原油采收率。

我國稠油（高黏度重質稠油，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。稠油突出的特點是瀝青質、膠質的含量比較高，具有高凝固點、難流動、難開采、高成本等特點。在我國的準噶爾盆地、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，也發現了許多稠油大油田，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濟有效的方法采出這些原油，對緩解我國石油進口壓力具有重要意義。于是研究人員將目光轉到微生物上，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總稱，凡是與微生物有關的采油技術均屬于MEOR。微生物提高石油采收率并不是一種單一的方法，具有明顯的優點：① 成本低，微生物的主要營養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性很強，作用效果持續時間長。這尤其對邊際油田吸引力大；② MEOR工序簡單，利用常規注入設備即可實施，不必增添井場設備，比其他EOR技術實用且操作方便；③ 應用范圍廣，不僅可開采各種類型的原油(重油、輕油、中質 原油)，更適于開采重油；④ 注入的微生物和培養基原料來源廣，容易制取，且可根據具體油藏特點靈活調整微生物的配方；⑤ 易于控制，通過停止注入營養液，即可終止微生物的活動；⑥ 為生物細胞小且運動性強，能進入其他驅油工藝的盲區如死油區或裂縫；⑦ 微生物只有在有油的地方繁殖并產生代謝產物，避免了表面活性劑注入或降粘劑段塞的盲目性；⑧ MEOR產物均可生物降解，不損害底層，不會造成環境污染，且可以在同一井中重復使用多次。微生物采油機理

微生物提高原油采收率作用涉及到復雜的生物、化學和物理過程，除了具有化學驅提高采油率的機理外，微生物生命活動本身也具有提高采油率機理。

2.1 微生物的產氣作用

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

2.2 微生物代謝產生各種有機物質

微生物在油井中以重鏈烴為碳源，會代謝產生許多化合物，如生物聚合物、生物表面活性劑、小分子有機酸、醇類等。這些物質可以降低原油粘度，減小表面張力，使得原油的流動性加強。

2.3 微生物代謝產生的酶類

微生物在生物代謝作用下所產生的酶類，可以裂解重質烴類和石蠟，再綜合2.2中微生物代謝產生的各種化學物質，可以使原油粘度、凝固點降低，從而降低原油的流動阻力，改善原油的流動性能，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量和采收率。2.4 微生物發酵產生的生物聚合物

微生物在油井中發酵產生的生物聚合物能調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

微生物注入水驅油層后，生長繁殖的菌體和代謝產物與重金屬形成沉淀物，具有高效堵水作用，封堵率可達到99%。這對于非均質油藏的堵水調剖面效果較好，可提高原油產量和采收率。在地層中產生的生物聚合物，能夠在高滲透地帶控制流度比，調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

油井中的環境都是非常苛刻的，通常都具有高溫、高壓、高鹽的特點，為了發揮微生物采油的優點，需要選用生存能力強、代謝活性高的菌株，才能實現利用微生物來提高原油品質和采油率的目的。

一般以利用原油中的重質鏈烴為碳源的微生物都是生長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象，應用微生物室內富集培養與分離純化技術，篩選出具有應用潛力的菌株。當然，也可以將菌株的篩選與細胞工程、基因工程等技術結合起來，進行培育，也可以在很大程度上獲得高產高效的菌株。應用

近年來，為了探索提高采收率的新途徑，已先后在我國華北、新疆、吉林、河南、勝利、長慶、遼河、大慶、中原等14個油田開展了微生物采油現場先導性試驗，并且在一些油田取得了較好的增產效果。

4.1 微生物水驅

該技術是將菌種和營養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，當處理液被注入水推進并通過油層時，微生物通過代謝作用產生生物表面活性劑、氣體、酸、醇等代謝產物的同時，還不斷增殖。代謝產物通過物理、化學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，使原來不能流動的原油以油水乳狀的形式被注入到水驅生產井中，在生產井中被采出。4.2 周期性微生物處理（微生物吞吐法）

該技術是將微生物發酵液及營養液注入生產井內，關井一段時間（從數天到數周不等），讓微生物進行發酵，然后開井生產，周而復始。

4.3 微生物選擇性封堵地層（微生物調剖法）

該技術是把能夠生產聚合物的微生物注入地層，使其在高滲透層內大量繁殖，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聚合物或凝膠更為有效，而且不會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理在于微生物對石蠟和仲有得代謝作用。通常，大多數微生物對蠟類芳香烴的代謝速度大于對對芳香烴的代謝速度。微生物代謝產生的溶劑對近井區域能起到很好的清洗作用。展望

微生物采油技術具有其他三次采油技術無可比擬的有點——多功能性，近些年來，隨著生物技術的不斷發展，目前，一經發現開始應用一些在極端環境下能夠生存、繁殖的微生物、但是MEOR技術也有自己的局限性：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，微生物產生的表面活性劑和生物聚合物有造成沉淀的危險，裴炎微生物的條件不易把握，微生物采油甲護身在冬季不易施工。為了克服這些局限性，在現有的菌種基礎上，通過基因工程手段獲取基因工程菌，使其性能更加優良，同時將計算機技術、基因檢測技術等新技術用于為生物鐘。

參考文獻

[1] 娜掛玉，黃民生；生物采油技術應用及發展動態[J]。能源環境保護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]；撫順石油學院學報；1999年02期

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

[4] 汪衛東；我國微生物采油技術現狀及發展前景[J]；石油勘探與開發；2002年06期

第五篇：納米材料在航空航天領域的應用

納米11

陳美齡

41136025

納米材料在航空航天領域的應用

學 院：姓 名：學 號：班 級：

——《納米材料科學與技術前沿》論文

材料科學與工程學院 陳美齡 41136025 納米11班 2014.7.30 納米11

陳美齡

41136025

一、摘要：

隨著我國社會經濟的快速發展，科技技術更新速度日益加快。納米材料早已滲透到我們人類生活的方方面面，在我們的日常生活中發揮著不可替代的作用。

目前，納米材料材料研究領域，已經由原來如何方便人類生活、如何開發新型材料，逐步向減少環境負擔、材料可循環利用、低能高效的方向發展。同時，隨著航天事業的發展，納米材料材料同樣發揮著不可替代的作用。在未來的研究方面，將會是向低碳環保和科技技術方面發展。

本文主要介紹在航天領域方面的熱門兩種納米材料。

二、無機抗菌納米材料

（1）簡介

細菌、霉菌、酵竹苗、凜類等_仃害微牛物小僅對人類生活作業境造成污染，而且時人體健康和生命造成嚴幣損害。即使在遠離地球的找人航天E行器艙內環境中同樣不能豐免。美國載人航無器E行史中，因細菌感染而導致乘員患感冒、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曾發生呼吸道感染，9、1I、12、14發生中耳炎，其他E行任務中也牲牛過皮疹等皮膚感染性疾病，P號宅川站乘員留軌期問也有因細菌感染患疵，從而不得不提返航的病例。納米11

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（2）機抗菌納米材料材料簡介

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

當細菌、霉菌等微生物接觸到載體中游離態金屬離子后，帶正電荷的金屬離子與帶負電荷的微生物因庫侖引力相互吸附，并在微生物表面聚積，在金屬離子之正電荷達一定量時，就會有效擊穿細菌細胞壁，接觸細胞內部蛋白質和核酸，產生化學反應，使蛋白質變性，從而降低蛋白酶活性。蛋白質失活就會影響細胞的代謝和呼吸功能，使其無法進行分裂繁殖，直到死亡，從而達到滅菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天應用現狀

目前我國己試制和生產出硅、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工藝技術難題。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，經過進一步嚴格篩試，均可應用于載人航天技術領域。

為給乘員創建安全可靠工作條件和舒適方便的生活環境，納米材 納米11

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料聚合材料越來越多的運用于載人航天艙內設備。航天服就用到多種經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，通信用麥克和耳機材料，飛行程序控制用計算機殼體、操作鍵盤，各種連接導線和電纜，多種非金屬餐飲、復水器具，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，各種通用工具及設備的操作把手，各種通風排氣復合軟管材料，減震保溫用發泡材料，有時電熱設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建生活和工作便利的同時，同樣也會遭受有害菌侵蝕，不僅損害材料外觀，而且嚴重損害到材料質量，甚至通過交叉傳播殃及人體健康。據調查，105 f-1電話中46％的機子上有大腸桿菌，僅在塑料聽筒、話筒上就有480余種細菌和2400種病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在適宜條件下，一個大腸桿菌經9個小時可達1億個之多。

三、聚磷腈在航空航天中的應用

（1）簡介

在現代材料科學與技術發展歷程中，航空航天材料一直扮演著先導性角色，材料進步不僅推動了航空航天業本身的發展，也帶動了地面交通工具進步，航空航天材料反映了材料發展的前沿，代表一個國家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕、長壽命等。納米11

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（2）聚磷腈材料在航空航天領域中的應用

1、在織物阻燃中

航空航天領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)等詳細研究了TAP對織物阻燃性能的影響。當添加質量分數為l7％ 時，成率(燃燒分解后剩余質量占原來質量的分數)為39％，氧指數為47。5，手感好，強度損失小，水平點燃有自熄性。國外有人對TAP(日本曹達公司產品)的水合物和鹽酸鹽進行研究。經TAP化合物阻燃整理的棉纖維性能見表1。

由表1可知，經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，基于增質量率和不同條件下的極限氧指數(iO0最高達到39。TAP化合物與防火整理劑(丙烷一派羅伐特克斯，cp)進一步經熱分析對比，發現CP在受熱過程中發生放熱分解。TAP化合物在受熱過程中，由于放出HCI和NH 而發生吸熱，且TAP在纖維素中發生縮聚反應(如圖3所示)，在酸催化作用下，脫除NH，而發生縮聚，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化合物進行阻燃整理有如下優點：賦予棉纖維以持久阻燃性；不會游離出甲醛；經整理的布手感柔軟，強度保持率(經向)高達90％；不變色；由于不含鹵素，燃燒時不會產生鹵素氣體和鹵化氫氣體。此 外，TAP對人造纖維、棉針織物、絲綢有防縮整理效果。納米11

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2、在阻燃泡沫橡膠中

美聯邦航空局的Richard等人對高效阻燃聚磷腈泡沫材料進行了測試。聚磷腈材料與其他材料相Ii試數據見表2.前者的熱性能顯示了非常大的優勢，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越(表3)，與Pu相比，燃燒時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。6 納米11

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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一IIii(對金屬粘接剪切強度為200MPa以上)，并且其抗沖擊韌性比無機鹽膠黏劑好得多。聚磷腈膠黏劑主要用于高溫作業下如火箭、導彈、飛機等有關耐高溫部件的金屬、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

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四、結語

納米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千萬個小分子有化學鍵連接而成的大分子聚合物。我們生活中應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60年代，納米材料工業已基本完善，解決了人們的衣著、日用品、和工業材料等需求。因此，在未來的納米材料航空航天應用領域，納米材料材料功能化、納米納米材料材料復合技術以及可降解生物納米材料材料研發將是三個重要的研究領域。

五、參考文獻

（1）許勝國，魏民，趙成堅，謝瓊-中國宇航學會首屆學術年會論文集，無機抗菌納米材料材料在載人航天技術中的應用前景。（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域中的應用。