生物质的应用范例(12篇)
时间：2024-04-08
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关键词化感作用；乙酸钙不动杆菌；生物有机肥；番茄；自毒作用
中图分类号S641.2文献标识码A文章编号1007-5739（2016）22-0068-02
AbstractProducedbilogicalorganicfertilizerwithfunctionmicroorganismasAcinetobactercalcoaceticus，andstudiedtheeffectofthisfertilizersonprotectedtomatogrowthanddevelopment.Theresultssuggestedthattomatohight，panellongth，stemdiameter，chlorophyllcontents，spikesoffruits，fruitsperplantandaverageweightofsimplefruit，TheirtotalallelopathyindexRI>0，theresultsshowedthatthisbiologicalorganicfertilizerscouldpromotetomatogrowthanddevelopment，improveyield，enhance，itissuitableforpromotionandapplicationinmajortomatoproducingareas.
Keywordsallelopathy；Acinetobactercalcoaceticus；biologicalorganicfertilizer；tomato；autotoxicity
番茄是世界上栽培面积最大的蔬菜之一，在我国蔬菜生产中占有重要地位。番茄的生产方式有露地栽培（包括地膜覆盖）和设施栽培，已实现了周年生产、周年供应。在我国，番茄生产通常存在“一村一品”“一乡一业”的现象，番茄主产区连作重茬现象十分突出。
植物化感作用是指植物植株向环境中释放某些化学物质，影响周围其他植株生理生化代谢反应及生长过程的现象[1]。番茄生长过程中，根系不断产生并向根外释放一些化感物质，如苯甲酸、苯丙烯酸、邻苯二甲酸、肉桂酸等，这些物质通常抑制番茄生长，也会对土壤养分造成一定的影响[2]。番茄化感物质不仅对番茄产生自毒危害，而且其水浸提液对黄瓜幼苗生长有着明显的抑制作用[3]。此外，化感物质还对生菜、萝卜、菜心、豆角等蔬菜也有抑制生长的作用[4]。
本研究将能够降解化感物质的有益微生物接种到生物有机肥中，制备成预防番茄自毒的专用生物有机肥，用于番茄生产，防止番茄自毒等生理性连作障碍的危害，以期对番茄可持续发展提供技术支持。
1材料与方法
1.1试验地概况
试验于2015年9月至2016年7月在山东省潍坊市昌乐县营丘镇进行。试验地连续3年种植番茄。番茄品种为瑞克斯旺美利（73-584）F1。试验前进行土壤检测：有机质18.76g/kg，碱解氮82.6mg/kg，有效磷12.4mg/kg，速效钾96.5mg/kg，pH值6.5。番茄栽培密度3株/m2，一般栽植3万株/hm2。
1.2供试材料
力力惠生物有机肥，执行NY884-2012标准。其主要原料如下：①生物质材料：有机质≥65%。②酵素菌种：由山东潍坊岛本微生物技术研究所提供，含有细菌、酵母菌和丝状真菌三大类24种微生物组成。菌种以米糠为载体，呈黄褐色，粉状，有浓烈酵母香味。③煤炭腐植酸：风化煤购买于山西省交口县，其腐植酸（HA）含量55%。黑色，粉状。草炭来自黑龙江省鸡西市，有机质50%左右，腐植酸36%左右，pH值5.2。④化感物质降解菌：系从中国普通微生物菌种保藏管理中心购买的乙酸钙不动杆菌[Acinetobactercalcoaceticus（Beijerinck）Baumannetal.]，该菌对苯甲酸或邻苯二甲酸二丁酯等[5]有降解作用；上述菌株通过plackett-Burman设计和响应面分析法，优化培养基和发酵工艺条件，进行扩大培养，保证菌种活力和效能，最终实现规模化生产应用。
其生产方法如下：发酵试验采用条垛式固态堆肥发酵方式[6]进行。将生物质材料、风化煤、草炭按照2∶1∶1的比例混合均匀后，添加1%的微生物起爆剂，加水至含水量55%，接种0.1%酵素菌种。原料混合物堆成长条形的堆或条垛，在好氧条件下进行高温发酵。垛的纵切面呈三角形。每个发酵堆底部宽2m、高1m、长3m，发酵料堆体积约3m3。经过4次翻堆和充分后熟后，进行低温干燥，在包装前接种乙酸钙不动杆菌作为功能菌，使之符合技术标准要求，制备成生物有机肥。
乙酸钙不动杆菌以干燥菌粉或液体菌种形式添加，保证生物有机肥中有效活菌数（乙酸钙不动杆菌）≥0.5亿cfu/g。
1.3试验设计
试验按照《微生物肥料田间试验技术规程及肥效评价指南》（NY/T1536-2007）规定的方法进行。共设5个理，分别为处理1：生物有机肥（接种乙酸钙不动杆菌）3000kg/hm2+干鸡粪30000kg/hm2+硫酸钾复合肥750kg/hm2；处理2：基质（菌种灭活）3000kg/hm2+干鸡粪30000kg/hm2+硫酸钾复合肥750kg/hm2；处理3：生物有机肥（未接种乙酸钙不动杆菌）3000kg/hm2+干鸡粪30000kg/hm2+硫酸钾复合肥750kg/hm2；处理4：干鸡粪45000kg/hm2+硫酸钾复合肥1125kg/hm2；以空白作对照（CK）。3次重复，随机区组排列，小区面积15m2。
1.4调查内容及方法
叶绿素含量的测定，采用SPAD-502叶绿素仪测定。土壤理化性状的测定，采用常规土壤农化分析方法[7]。化感效应指数（RI）采用Williamson等[8]的方法：RI=1-C/T（当T≥C时）或RI=T/C-1（当T0时，表示促进作用；当RI
1.5数据处理
试验数据采用SAS软件和Excel2013进行方差分析。
2结果与分析
2.1不同处理对番茄生长发育及产量效益的影响
2.1.1不同处理对番茄产量的影响。从表1可以看出，不同处理对美利番茄的产量影响较大，接种乙酸钙不动杆菌的生物有机肥并减量化肥（处理1）产量表现最佳，比常规栽培（处理4）稍有增产，增产率0.39%，同CK相比增产效果显著，增产率66.94%。未添加降解菌的生物有机肥和减量化肥（处理3）产量水平与处理1和处理4相当，处理间差异不显著，但与等基质和减量化肥比较（处理2），差异达显著水平。因此，化感物质降解生物有机肥用作美利番茄种植的基肥比较理想。
2.1.2不同处理对番茄叶绿素的影响。从表2可以看出，不同处理间美利番茄功能叶中叶绿素含量存在一定差异。施用生物有机肥可不同程度增加叶绿素含量，为光合作用打下了物质基础。对光合强度、净光合速率等的影响有待于进一步研究。
2.1.3不同处理对番茄抗病性的影响。从表3可以看出，与习惯性施肥（处理4）和空白对照（CK）比较，施用生物有机肥的番茄抗病性显著提高，接种乙酸钙不动杆菌的生物有机肥7种番茄病害均未发生，未接种降解菌的生物有机肥（处理3）在生育后期发生了晚疫病，但危害程度不大。说明化感物质降解生物有机肥具有明显的预防番茄病害效果，尤其是土传病害的预防上效果明显。
2.1.4不同处理对番茄经济效益的影响。从表4可以看出，处理1的毛收入、肥料成本、纯收入最高，比CK增收54.43万元/hm2，仅基肥增加的肥料一项，其投入产出比达1.0∶24.3。处理1与处理4结果相近。处理2中由于基质采用灭菌处理，其有益微生物的作用优势未充分表达，表现在产量上呈现降低趋势。
2.2化感物质降解菌肥对番茄自毒的影响
从表5可以看出，化感物质对番茄营养性状（株高、节间长度、茎粗和叶绿素）和生殖性状（果穗数、单株结果数和平均单果重）均有不同程度的影响。接种化感物质降解菌的生物有机肥的番茄株高、节间长度、茎粗和叶绿素含量，以及果穗数、单株结果数和平均单果重，其RI值均大于0，表现为促进作用，表明该生物菌肥对番茄具有促进生长发育的作用。而灭活菌（处理2）均表现为抑制生长发育的作用。未接种化感物质降解菌（处理3）尽管在株高、节间长度、茎粗和单株结果数上表现为抑制作用，但在叶绿素含量、果穗数和平均单果重上则表现为促进作用。初步判定，生物有机肥对于防止番茄自毒具有一定作用，而接种化感物质降解菌的生物有机肥对促进番茄营养生长和生殖生长的效果最佳，在有效减轻番茄自毒作用方面具有一定的效果。
3结论与讨论
针对设施番茄连作障碍进行试验，结果表明，施用化感物质降解生物有机肥的番茄株高、节间长度、茎粗和叶绿素含量以及果穗数、单株结果数和平均单果重的化感反应指数RI值均大于0，说明该生物有机肥能够促进番茄生长发育，提高产量，增加经济效益。
番茄化感作用和化感物质生物降解的研究对农业生产有重要的指导意义。生产上，既要充分考虑化感物质对同种蔬菜的影响，以便合理安排轮换倒茬，又要考虑化感物质对不同种类蔬菜间的影响，防止两者间作或混作对彼此间造成影响，还要考虑化感作用是促进作用还是抑制作用，以便扬长避短，找出最适宜的作物间作套种、轮换倒茬栽培方式。
化感物质降解菌肥的研究现已成为预防植物自毒作用的一种重要措施。赵东岳[9]发现争论贪噬菌（Variovoraxpara-doxus）能降解邻苯二甲酸二异丁酯，鲍氏不动杆菌（Acineto-bacterbaumannii）可降解棕榈酸，伯克氏菌（Pandoraeapno-menusa）可作为2，2-（4-羟基苯基）丙烷降解菌。由于自然界中化感物质种类多，成分差异大，仅仅通过降解1种或几种化感物质难以从根本上消除植物自毒作用等连作重茬障碍的危害，研究探索“一菌多用”或复合菌的综合作用将有广阔的发展空间[10]。
本研究通过在生物有机肥中添加化感物质降解菌，提高了生物有机肥效果，对生产具有一定的指导作用。针对乙酸钙不动杆菌在土壤中的存在状态，该菌对化感物质的作用机理以及该菌和酵素菌及土壤中微生物群之间的相互作用关系等方面的研究有待进一步进行。
4参考文献
[1]孔垂华，胡飞.植物化感作用及其应用[M].北京：中国农业出版社，2001：2-3.
[2]张恩平，衣宁宁，李亮亮，等.番茄自毒物质对土壤养分的影响[J].西南农业学报，2010，23（3）：820-823.
[3]邓天福，王建华，高扬帆，等.番茄化感物质对几种蔬菜幼苗生长的影响[J].贵州农业科学，2010，38（8）：43-44.
[4]李志宏，秦勇，彭思健，等.加工番茄植株残体腐解物化感作用的研究[J].中国农学通报，2008，24（6）：306-309.
[5]高亮，谭德星.中国酵素菌技术[M].北京：中国农业出版社，2016：46-54.
[6]段星春，易筱筠，党志，等.乙酸钙不动杆菌TS2H对DBP降解特性的研究[J].生B环境，2007，16（3）：846-849.
[7]鲁剑巍，曹卫东.肥料使用技术手册[M].北京：金盾出版社，2010：326-335.
[8]WILLIAMSONGB，RICHARDSOND.Bioassayforallelopathy：Meas-uringtreatmentresponseswithindependentcontrols[J].JournalofChem-icalEcoloty，1988，14（1）：181-187.
关键词：几丁质酶;生物防治;植物病害;应用
几丁质酶广泛存在于各种植物、动物及微生物细胞和组织中,参与多种生理过程[1]。几丁质酶可以有效降解几丁质,在自然界的物质循环中起着不可替代的作用。几丁质是构成大多数真菌细胞壁的主要成分,在自然界中存在数量巨大,它能在几丁质酶系作用下被分解成N-乙酰氨基葡萄单糖(NAG)。在环境保护、医药、食品和基础生命科学研究中具有巨大的潜在应用价值[1]。在目前的研究中,将细菌及植物几丁质酶基因转入烟草、番茄、大豆、马铃薯、莴苣和甜菜等植物中,获得的转基因植物高效表达几丁质酶的生物活性,可显著抵抗真菌病害[2],此外将几丁质酶基因转入生防真菌中,也能显著提高生防真菌拮抗植物病害的能力[3]。
1几丁质酶性质与特点
自从1905年Benecke首次分离报导了几丁质芽孢杆菌(Bacilluschitinovirous)能生产几丁质酶以来,已发现了许多产几丁质酶的微生物,包括细菌、放线菌、真菌等,其中以Serratiumarcescens和Trichodermaharzianum的几丁质酶基因研究最多[4]。
几丁质酶可划分为内切几丁质酶、外切几丁质酶和壳二糖酶。依据酶反应的最终产物将几丁质酶分为3类:一是内切几丁质酶,该类酶可随意裂解几丁质和几丁质寡聚物并释放出可溶性低分子量混合物,(GlcNAc)2即双乙酰几丁二糖是主要成分;二是壳二糖酶,可从非还原端裂解几丁质和几丁质寡聚物((GlcNAc)n),释放的最终产物主要是(GlcNAc)2;三是β-N-乙酰氨基己糖苷酶,同壳二糖酶一样可从非还原端裂解几丁质和几丁质寡聚物,释放N-乙酰葡糖胺单体(GlcNAc),它也是唯一可水解(GlcNAc)2的酶。
几丁质酶具有以下特点:一是多样性,不同微生物所产生的几丁质酶的类别、组分、性质不尽相同,已发现的产生胞外几丁质酶的微生物约有46属70种。不同几丁质酶的最适温度、分子量、等电点、影响酶活性的金属离子等均存在明显差异。二是诱导性,多数微生物只有在含有几丁质等诱导物的培养基中才能产生几丁质酶,也有些微生物在没有诱导物的情况下产生几丁质酶。几丁质、脱乙酞几丁质、部分水解的几丁质均可以诱导几丁质酶的产生,但几丁单糖(NAG)则不能。各种诱导物对不同微生物的诱导作用亦有所不同,并且几丁质酶的诱导可被过量的可溶性代谢物所阻遏。三是分泌性,微生物所产的几丁质酶多是分泌型的,即在诱导物存在的条件下,微生物可以产生并向胞外分泌几丁质酶。该酶先在微生物的体外将几丁质分解,生成几丁单糖(NAG)或寡糖,然后这些糖再被微生物吸收和利用。
几丁质酶的分子结构主要包括信号肽序列、几丁质酶催化区、几丁质结合区域、C端区域。其中几丁质酶催化区(具2个高度保守区,Glu(E)和Asp(D)残基高度保守)、几丁质结合区域(植物几丁质酶的几丁质结合区主要含有半胱氨酸残基,微生物几丁质酶的几丁质结合区主要含有色氨酸残基)催化区域相似的几丁质酶,它们的几丁质结合区域并不相类似,但是来源于同一菌株的酶的几丁质结合区域具有相似性,即与菌株的亲缘关系有联系[5]。
2几丁质酶在植物病害生物防治中的作用
微生物几丁质酶能够水解植物病原真菌细胞壁的成分几丁质,参与菌寄生菌对寄主真菌的侵染过程,消解寄主真菌细胞壁和杀死寄主真菌,从而获得营养。一般几丁质酶只对真菌新生细胞如芽管和菌丝顶端细胞壁具有破坏作用。大多数丝状真菌在生长过程中,菌丝顶端同时合成几丁质和β-1,3-葡聚糖,交联形成几丁质、葡聚糖或其他多糖,菌丝顶端暴露的几丁质链会被几丁质酶所水解。微生物几丁质酶可通过分解几丁质来抑制真菌菌丝生长,使顶端细胞壁变薄,继而形成球状突起,最后细胞壁降解、原生质膜破裂;几丁质酶破坏菌丝端部生长,使真菌孢子萌发、芽管伸长和菌丝生长受阻,芽管和附着胞解体。
几丁质酶酶解几丁质的产物几丁寡糖,具有抗菌、抑菌性能,可以直接杀死病原真菌,还可以作为植物功能调节剂,促进植物生长发育。几丁寡糖在调节植物细胞代谢活动、提高植物防御能力等方面具有很好的作用,并且具有较强的抑菌、抗菌作用,能够抑制病原物的侵入或扩展;特别是聚合度较高的几丁寡糖,能够阻碍病原物生长。几丁寡糖可以作为植物功能调节剂,促进植物蛋白质合成,活化植物细胞,调节植物基因表达,刺激植物生长。
几丁质酶作为激发子启动植物防御反应,使植物产生更多的防御蛋白,增强植物对病原物的抗性。几丁质酶在植物中也许不是直接参与防御反应,而是通过水解侵入的真菌菌丝细胞壁产生信号因子,启动植物的防御反应,导致植物产生和积累抗病性物质。几丁寡糖可以作为激发子,在植物防御反应中充当信号因子,迅速启动植物的防御反应,诱导植物细胞对病原菌入侵作出反应,调节与抗病性有关的过氧化物酶(PO)、多酚氧化酶(PPO)、超氧化物歧化酶(SOD)及苯丙氨酸解氨酶(PAL)等酶活性变化,产生植保素、酚类化合物等抗菌物质,使植物体内发病相关蛋白(PR蛋白,PathogenesisRelatedProtein)含量升高。几丁寡糖在植物体内可以作为激活植物几丁质酶的诱导物。
关键词：生物技术；食品质量；应用；
一、概述
对食品质量而言，生物技术就是应用生物程序、生产细胞或其代谢物质来制造食品，改进传统生产过程以提高人类生活质量的科学技术。生物技术很早就被应用于食品加工。传统的食品生物技术侧重于对生物体的利用，比如啤酒业对啤酒酵母、糖化酶的利用，而现代食品生物技术侧重于对改造后的生物体的利用，即是以生命科学为基础，利用生物体的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种和新品系，再与工程原理相结合进行配套加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性体系。
二、生物技术在食品质量中的作用
1.基因工程技术的应用
基因工程又称DNA重组技术，是指按人的意志，将某一生物体（供体）的遗传信息在体外经人工与载体相接（重组），构成重组DNA分子，然后转入另一生物体（受体）细胞中，使被引进的外源DN段在后者内部得以表达和遗传.将这项技术应用于动植物或微生物上即产生基因工程食品。
近年来，国内外的食品科学家和生物学家已开始注重研究开发改善食品功能的新品种.如开发不含产生豆腥味的酶（无脂氧化酶）的大豆；在肠内不会产生气体的碳水化合物以及结晶胰蛋白酶的活性阻碍物质的大豆新品种。通过基因工程还可以改变酶的性质，生产食品结构改良剂。另外，通过遗传的修饰技术，可将脂酶基因导入受体而强化其分解脂肪的能力，从而可加工低脂和低胆固醇的食品，如奶酶、油、脂肪牛奶等.利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株，用以改进传统的酿酒工艺，并使之多样化.目前，已成功地选育出分解β―葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、杀啤酒酵母菌株，提高生香物质含量的啤酒酵母菌株.基因工程技术应用于氨基酸的生产已取得较大成绩，迄今为止，世界上已克隆和表达了十几种氨基酸的基因，已有5种用重组技术生产的氨基酸达到工业化水平，它们为苏氨酸（60g/L）、组氨酸（42g/L）、脯氨酸（75g/L）、氨酸（40g/L）和苯丙氨酸（60g/L），我国谷氨酸等氨基酸已投入工业化生产.目前，天然食品防腐剂的研究开发成为当前国际食品界中一个研究热点，它们也可利用基因工程技术进行异种大量生产。
此外，基因工程技术还可用于食品质量中新型蛋白质、细胞蛋白、生素、制剂、生物多糖、粉糖的生产.并且基因工程技术还可以和食品卫生分析检测结合，采用核酸探针和单克隆抗体法检查，敏感性高，大大提高食品卫检准确性和实用性。
目前转基因食品涉及的领域主要有：改善粮油食品的产量、食品品质和加工功能特性，延长果蔬产品的储藏期，提高农作物的抗病虫害性能，改善动物性食品的成分比例和食用品质，改善发酵食品的风味和品质、提高产量等。
2.酶技术的应用
酶是细胞原生质合成的一类具有高度催化活性的特殊蛋白质，是生物催化剂。酶普遍存在于动、植物和微生物中，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯度标准的生化制品，称为酶制剂。
近年来在果蔬加工上，还开发出酶浸渍法处理果蔬以改变表面及内部组织的特性，增加风味及其它感官香味及口感。现在此技术已广泛应用于柑桔的去皮、去苦及保持桃子的硬度等，所生产的产品有更好的新鲜度和组织外观。目前欧美各地的食品厂已使用此技术制造罐头类食品、玻璃瓶装制品及新鲜冷藏水果。
现代水果汁加工技术（AFP技术）在80年代开发的新一代果浆处理酶制剂，用于生产澄清汁，不仅用于贮藏过的难榨汁的水果，还可用于新鲜水果的加工，并形成了新的工艺，即所谓“最佳果浆酶解工艺”（OME工艺），其优点是明显提高榨汁率，分别为鲜果（8/9月）5%～6%，贮藏水果（10月起）15%～18%，使压榨机生产能力提高30%～100%，果渣量减少30%～50%。
AFP技术采用了全果液化工艺，大大提高了生产能力，如一次榨汁进行液化，BucherHP5000压榨机的能力几乎可达原来的3倍，汁液可溶性固形物的利用率可达100%，出汁率达92%～95%（体积比），果渣体积最多只有原料体积的2%～5%，且可以转为纤维物质用于疗效食品，减少了果汁工厂废物来源，缩短压榨时间，降低了能耗，而且还可以明显提高液化终点的可溶性固形物含量和含酸量（生成半乳糖醛酸），改善果汁口感。
3.生物传感器和生物反应器的应用
生物传感器是利用生命物质如酶、抗体等作敏感材料，与电子技术相结合，通过换能器件构成自动化分析系统，用以从多种化合物的复杂样品中选样地测定某一特定成分。其特点是精确、快速、灵敏。其方法包括核酸探针、聚合酶链反应、免疫分析等，在食品上应用于成分分析、病菌毒素检测、残留农药检测等品质管理。
模拟生命过程的生物反应器在生产酶制剂和发酵产品中应用广泛。生物反应器如同一根能进行生物体内反应的大试管，将生物细胞或酶等加入其中，设置一定的环境条件，使之发生某些生化反应而大量产生我们所需的产物。生物反应器较之发酵器有着生化反应简单明确，可控程度高，生物性材料可重复使用的特点。
4.细胞工程在食品质量中的应用
细胞工程就是应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地保存、变和创造遗传物质的技术.近年来细胞工程的开发和应用主要集中在细胞杂交，快速无性繁殖和细胞育种等方面.利用细胞杂交和细胞培养可生产独特的食品香味和风味的添加剂，如香草素、可香素、}风味剂以及高级的天然色素.细胞工程技术应用于食品质量是随着细胞培养和细胞融合技术的发展而发展起来的.在细胞培养方面最典型的例子是人参细胞培养成功，还有香料与色素的生产.
当今，白酒、酒、类等食品发酵行业以使用酵母为主，曲菌也适于酒类和酱油生产.这些行业的微生物育种目标是培养出耐乙醇酵母、盐酵母、高糖酵母、泡酵母、温酵母及谷酰胺酶与蛋白质分解酶活性高的曲菌.具有重要意义的成就是嗜杀其它菌类活性的嗜杀酵母新菌株的培育成功，日本协和发酵公司已完全使用嗜杀性葡萄酒酵母配制新酒，目前，正研究运用细胞融合技术取得其它菌株，应用于食品发酵工业之中.总之细胞工程在新技术革命的浪潮中对食品质量革新方面有着很大的潜力.
对于这道练习题，有些老师并没有太在意，更不会引导学生去思考，觉得这道题没有什么可利用的价值，所以一跳而过。实际上老师若能充分挖掘这道练习题的信息，它是一道有关化学平衡图像计算及等效平衡学习的很好的例题。对于这道题，本人进行了如下处理，设计了如下问题：
1.要正确的写出有关反应化学方程式需要知道什么？学生思考讨论后得出结论：反应物、生成物、各物质的计量数。
2.反应物、生成物在反应过程中的量（包括质量、物质的量、浓度等）是如何变化的？学生思考讨论后得出结论：在反应过程中反应物的量逐渐减小，生成物的量逐渐增大。
3.化学方程式计量数的确定有几种方法？学生思考讨论后得出结论：有三种方法，①各物质的计量数之比＝各物质的速率比；②各物质的计量数之比＝各物质的物质的量的变化量之比；③各物质的计量数之比＝各物质的浓度变化量之比。用哪种方法确定各物质的计量数要根据题目给出的具体条件来确定。
4.撇开该题目所给的题干条件，直接根据容器中各物质的物质的量浓度C的变化与时间t的关系示意图所给的信息，分别写出它们对应的有关反应化学方程式。学生思考讨论计算后写出：（1）示意图的反应化学方程式为H2＋I22HI；（2）示意图的反应化学方程式为2HIH2＋I2。
5.根据示意图分别在这两个化学方程式中写出对应各物质的起始浓度和平衡时的浓度。
（1）示意图的反应化学方程式中对应各物质的起始浓度和平衡时的浓度如下：
H2＋I22HI
起始（mol/L）1.001.000.00
平衡（mol/L）0.210.211.58
（2）示意图的反应化学方程式中对应各物质的起始浓度和平衡时的浓度如下：
2HIH2＋I2
起始（mol/L）2.000.000.00
平衡（mol/L）1.580.210.21
6.观察反应（1）和反应（2）平衡时相同物质的物质的量浓度，由此得出什么结论？学生思考讨论后得出结论：反应（1）和反应（2）平衡时相同物质的物质的量浓度相同，说明两个反应到达平衡状态时是同一个平衡状态。
7.相同条件下，同一个可逆反应，不管从正反应方向开始还是从逆反应方向开始，如果要使反应达到平衡状态时是同一个平衡状态，对反应物的用量有何要求？学生思考讨论后得出结论：只要把起始时反应物的用量用极限法转化为同种物质的用量，同种物质的用量相同，则反应达到平衡状态时是同一个平衡状态。
8.趁热打铁，让学生做如下等效平衡题，并总结出完全等效平衡的规律。练习：在一个固定体积的密闭容器中，向容器中充入2molA和1molB，发生如下反应：2A(g)+B(g)3C(g)+D(g)，反应达到平衡时C的浓度为1.2mol/L。若维持容器的体积和温度不变，按下列方法加入起始物质，达到平衡时C的浓度仍为1.2mol/L的是（）。
A.4molA+2molB
B.3molC+1molD
C.1.8molA+0.8molB+0.3molC+0.1molD
D.1.6molA+0.8molB+0.6molC+0.2molD
生物质直接燃烧发电技术是目前世界上仅次于风力发电的可再生能源发电技术。其燃料为多种农作物秸秆（棉花秸秆、麦秸秆、玉米秸秆等多种农业废弃物。
1.主设备情况及“全厂一体化”控制范围
锅炉采用了蒸发量为48t/h的高温高压生物质燃料锅炉：水冷振动炉排、自然循环汽包炉；锅炉效率可达到91%以上。汽机采用了青汽公司的高温高压、凝汽式12MW汽轮机，发电机采用了济南发电设备厂生产的空冷发电机：额定功率为12MW、额定电压为6.3kV，自并励静止励磁。
控制系统对于秸秆发电厂至关重要，公司经过分析比较，选择了杭州和利时自动化有限公司提供的最新一代DCS―MACS系统来实现“全厂一体化”控制。“全厂一体化”控制范围包括：炉、机、电的集中控制以及全厂重要辅机系统的集中控制。其中包括：化学水处理系统、锅炉吹灰系统、循环水泵房、公用水泵房、空压机房和秸秆输送系统等。下文对几个重要控制系统作一个简单介绍。
2.DCS系统对于秸秆锅炉燃烧给料系统的控制
公司提供的生物质燃料（秸秆）锅炉源于丹麦BWE公司的技术，比较先进。但是，国外的生物质发电厂大都使用单一的生物质燃料发电，没有广泛地使用多种生物质燃料混合燃烧的经验，因此，不少进口机组“水土不服”，经常发生给料系统的堵塞，导致锅炉不得不停炉检修。为此，公司在本项目中，对给料系统，结合当地的实际情况，做了重大改进：
为适应多种秸秆混合燃烧的要求，某公司完全取消了传统的皮带输送系统。在储料棚中，设置有带称重装置的秸秆抓斗起重机2台（1用1备），起重量一般为3--6m3/次。秸秆抓斗起重机可以把各种秸秆或各种农业废弃物按照一定的比例搭配好，直接抓进炉前的大料仓内。大料仓入口采用工业电视进行监控。
炉前的大料仓容积约144，底部设置有4台螺旋给料机（2用2备）；它们在和利时公司新一代DCS--MACS系统的控制下，按照一定的速率，把各种秸秆和农业废弃物混合而成的生物质燃料源源不断地送进炉膛焚烧。为防止松散杂乱的秸秆和农业废弃物的混合物在大料仓或小取料仓内发生堵塞，MACS系统的应用软件设计得比较灵活方便：
（1）大料仓内的4台螺旋给料机设置有连锁：一旦一台运行中的螺旋给料机堵塞跳闸，备用的螺旋给料机立即自动投运。并在LCD上显示报警。
（2）小取料仓下方带变频装置的双螺旋给料机和大料仓内的4台螺旋给料机，MACS系统的软件设计中有专门的考虑：燃料的给料量基本上可以由大料仓内的螺旋给料机控制；但是和小取料仓下方的双螺旋给料机有非常密切的连锁逻辑关系：在MACS系统的控制下，小取料仓内基本上不能有燃料的堆积。
（3）根据运行人员积累的经验，必要时，小取料仓下方带变频装置的双螺旋给料机，在MACS系统控制下，也可以改为单螺旋给料方式运行。实践证明，这样做可以避免杂乱的秸秆在双螺旋给料机中的堵塞问题。
2.2DCS系统对于秸秆锅炉风烟系统的控制
锅炉采用平衡通风系统。设置有一台额定风量为70560m3/h的送风机，一台额定风量为108000/H的引风机，根据MACS系统给出的总风量指令信号，通过配套的送风机及引风机的液力偶合器进行调速，从而可以保证总的送风量充分满足秸秆锅炉燃料燃烧时对风量的需求。
MACS系统在引风机控制回路设置有前馈控制通道，以保证总的送风量和总的引风量同步增加或者同步减少，确保炉膛负压的稳定。在炉膛负压测量回路，MACS系统设置有特殊的滤波模块和逻辑判断软件，从而可以避免引风机的执行机构频繁动作。
本项目布袋除尘器是由丹麦的SIMATEK公司设计的旋转喷吹型袋式除尘器，由西门子S7-300PLC控制的，，旋转喷吹型袋式除尘器工作过程如下：当烟气气流穿过滤袋同时粉尘被滤袋外侧阻挡吸附，粉尘的厚度不断增大又可以阻挡住后面的粉尘，过滤后的干净气流从滤袋向上到上筒体净气室，最终排入大气中。由于MACS系统采用了国际标准的ProfibusDP总线，因此可以和西门子的PLC实现“无缝连接”，直接与和利时公司的MACS系统通讯，从而可以灵活方便地对布袋除尘器系统进行远程监控。
3.0DCS系统对于秸秆锅炉给水、主汽温度系统的控制
本期给水系统设置有两台55t/h的电动调速给水泵，1用1备。系统采用单母管制，为了保证减温水的压力，MACS系统根据给水母管和汽包之间的差压来控制给水泵的转速。对于汽包水位的控制，MACS系统采用了成熟的三冲量控制方案。启动时，对于汽包水位和主蒸汽流量，MACS系统都设置了温度、压力补偿。对于主汽温度，MACS系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量等参数组成的串级系统来进行控制的。
4.0DCS系统对于秸秆发电厂电气系统的控制
由于MACS系统有成熟完善的软件，因此可以对秸秆发电厂发变组及厂用电源系统实现全面的监控。其中包括：发电机变压器组、发电机励磁系统、发电机电压母线系统、高压厂用电源系统、低压厂用变压器主厂房及辅助车间动力中心电源进线以及需要由MACS系统来控制的高低压电动机等等。
5.0DCS和DEH的一体化解决方案
在电厂，锅炉和汽机有密切而不可分割的关系，因此，公司认为，DCS和DEH实现一体化控制十分必要。即DCS和DEH需要采用同一套分散控制系统。这样成功地用一套DCS系统全面实现了DCS和DEH的一体化控制，DCS和DEH相互之间就不再需要另外加“网关”来进行通讯，全面实现了单元机组炉机电的集中控制和全厂重要辅机的集中控制。实现的功能包括：数据采集功能（DAS）、模拟量控制功能（MCS）、辅机顺序控制功能（SCS）、炉膛安全监控功能（FSSS）和全厂电气系统控制功能（ECS）。
6.0秸秆发电厂的I/O规模和DCS的系统配置
公司采用了“全厂一体化”控制方案，尽量减少PLC的数量，PLC的维修量也大大减少。目前，在公司，采用反渗透技术的化水系统、秸秆输送系统、锅炉吹灰系统、循环水泵房、公用水泵房、空压机房以及电气控制系统等全部纳入DCS的控制范围之中，详细的I/O统计见下表1。
1．1酶应用的现状
20世纪90年代以前，酶在纺织上的工业化应用仅局限在淀粉酶退浆［1］和真丝脱胶［2］等少数加工，从世界范围看也基本如此。然而，这之后酶在纺织上的应用却如火如荼在全球开展起来，如牛仔服装的酶洗［3］（或称返旧整理）取代了传统的石磨洗，氧漂生物净化加工大量替代了传统的漂后水洗处理［4］，真丝织物的酶法砂洗取代了化学法砂洗，以果胶酶为主体的棉织物酶精练加工开始出现并得到快速发展，生物抛光整理［5］赋予棉织物传统化学加工无法获得的良好品质等等。生化工程技术的发展、纺织绿色加工要求的提高以及对更高的产品品质的追求无疑是上述酶加工技术发展的巨大推动力。目前，纺织酶加工工艺已经涉及到了几乎所有的纺织湿加工领域。酶制剂的种类已经从传统的水解酶制剂扩展到了裂解酶、氧化还原酶等（表1），出现了一系列的高性能纺织专用酶产品。纺织酶加工理论、酶加工设备和工艺也都有了很大发展。目前可以进行酶加工并获得工业化应用的工艺还只是纺织加工的很小一部分；在纤维原料的品种适用性上也有很大限制（主要用于天然纤维）；同时，普遍较低的酶制剂国产化水平，使得国内企业难以与国外大公司竞争，极大地制约了我国纺织酶加工技术的研究与应用，但也提供了巨大的发展空间。纺织酶处理工艺因其具有以下3个方面的突出优势，势必在今后获得更大发展，前景广阔：a．生产综合成本方面可节约大量的生产时间、工艺用水量、能耗、化工原料等，同时减少对废水的处理费用，因而生产综合成本不高于传统工艺。b．生态环境方面大幅度减少了废水排放量及排放废水中盐、AOX、染料、化学药剂等的含量，废水COD显著降低。绿色环保是酶处理工艺将来获得更广泛应用的最强有力的保证，如棉织物退浆、精练加工中不再使用烧碱，羊毛防毡缩整理不再采用产生AOX的含氯氧化剂，棉织物酶法前处理及羊毛酶改性可提高染料利用率等。c．产品品质方面由于避免了强碱、氧化剂等化学药剂对纤维的损伤，使得织物具有良好手感、外观、物理机械性能及染色性能等，产品品质明显提高。
1．2酶应用存在的主要问题
虽然酶的种类很多，但在印染中应用的主要是水解酶，如淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶等；还有少量的氧化还原酶，如过氧化氢酶、漆酶和转移酶（如谷氨酰胺转胺酶）等。酶在印染中的应用主要在前处理，主要是去除纤维上的天然杂质和附加杂质，其次是用于后整理，主要是对纤维表面的处理。酶在印染中的应用有些方面非常成熟，如淀粉酶退浆、纤维素织物生物抛光、牛仔服酶洗、真丝脱胶等；有些方面尽管研究了很多年，但不很成熟，还需做大量工作，如棉织物的煮练、漂白等；有些方面还未开发或很不成熟，而且近期内难以突破。另外，目前酶的应用主要集中在对天然纤维（包括再生纤维素纤维）的处理上，而对合成纤维的处理还刚刚开始。主要原因在于：天然纤维，包括天然纤维上的各类杂质已在自然界中长期存在，已有相应的酶能对其作用。而合成聚合物，如合成纤维、聚乙烯醇等在自然界出现的时间不长，以及其本身结构等原因，还没有相应的、合适的酶能对其作用。酶具有很强的专一性，一般来说，一种酶只能分解一种或一类物质，而天然纤维除了纤维本身外，还含有多种杂质，只靠一种酶是不能将其全部分解的，必须要多种酶配合起来。但不同的酶的共适条件不同，这样会影响酶的协同作用效果。目前，商品化的酶的品种还不多，纤维上的许多杂质还缺乏相应的商品酶对其进行分解，如分解聚乙烯醇的PVA酶、木质素酶、半纤维素酶都还没有商品化。另外，有些成分的杂质如棉蜡（主要成分是高碳数的碳氢化合物），到目前还没有相应的酶能对其进行分解。酶与纤维的作用属于液－固相作用，另外酶属于高分子物质，分子量很高，很难渗透到纤维内，只能在纤维表面起作用，这样会影响到其作用效率。本文重点介绍几种具有较好应用潜力的纺织工业清洁生产用新型酶制剂。
2PVA降解酶
聚乙烯醇（简称PVA）是一种人工合成的乙烯类聚合物，因具有良好的黏附性、成膜性和水溶性，是目前经纱上浆中应用十分广泛的一种主浆料。但在目前阶段，印染加工退浆工序中去除的PVA浆料因其对酸、碱和一些微生物都很稳定，不易被分解，因此存在较大的环保问题。
2．1PVA的生物降解机理
事实上，PVA是可以生物降解的。但是，在自然环境中，可降解PVA的微生物非常少，通常只出现在被PVA污染的环境中。目前，已正式报道的PVA降解酶主要有三种：PVA氧化酶（仲醇氧化酶）、PVA脱氢酶和氧化型PVA水解酶（β－双酮水解酶）［6］。a．PVA氧化酶在以O2为电子受体的条件下，或由PVA脱氢酶以吡咯并喹啉醌为电子受体的情况下，将PVA链上的羟基脱氢氧化成羰基，生成PVAβ－双酮结构类物质。b．随后氧化型PVA水解酶对PVAβ－双酮结构类物质进行催化水解，生成以羧酸和甲基酮为端点的PVA断链，使PVA长链断裂，PVA溶液黏度下降。也有观点认为，氧化型PVA的水解反应是自发进行的，水解反应自发进行主要是由于其分子结构不稳定造成的，氧化型PVA水解酶能加速这种水解反应。
2．2造成PVA降解酶难以商业化的原因对PVA生物降解研究较多的是日本和意大利。日本1973年开始研究PVA的生物降解［7］，但到目前为止，采用PVA降解酶对PVA进行降解还只停留在实验室水平。诺维信、杰能科等大型酶制剂公司至今未推出PVA降解酶的商品酶，该市场尚处于真空状态。造成PVA降解酶难以商业化的原因主要有以下几点：a．能够降解PVA的微生物在自然界中的分布并不广泛，一般仅存在于被PVA污染的环境中，在筛选过程中必须以PVA作为筛选培养基的唯一碳源，以形成一个PVA胁迫的环境，才能筛选到PVA降解微生物；b．靠单一微生物实现对PVA的彻底降解非常困难，经过长时间的培养仍难以达到彻底降解PVA的目的，只有通过驯化混合菌群才能达到对这种高聚物的彻底降解；c．PVA的不彻底降解会造成PVA降解酶的提取困难，因为在提取过程中PVA和蛋白质会形成一种乳白色的凝胶状物质使PVA降解酶无法提取；d．共生细菌产生的PVA脱氢酶位于细胞膜上，不易提取，而且在其降解PVA的过程中必须外加生长因子吡咯并喹啉醌，使用成本昂贵；e．PVA降解酶的酶活较低。
2．3PVA降解酶的纺织应用潜力
PVA降解酶在纺织工业中可用于酶退浆和退浆废水生化处理。传统碱法退浆中烧碱可通过促进PVA溶胀、增大PVA溶解度去除织物上PVA，但不能降解PVA；酶法退浆采用的淀粉酶，只适用于淀粉浆料的去除，也不能降解PVA；PVA是一种COD很高、难以生物降解的物质（每克PVA的CODCr为1600mg/L，而BOD5为16mg/L），退浆废水中存在大量PVA，加大了废水处理难度和成本。目前，棉及其混纺织物以及合纤织物织造过程中均在经纱上浆中采用相当比例的PVA浆料。这是因为PVA浆料具有优异的上浆性能，尽管由于其环保问题国内外提倡少用、不用PVA上浆，但目前尚无性能过硬的替代品。因此，如果能够开发出具有较高活力的PVA降解酶，不仅可以实现含高比例PVA浆料的织物的酶法退浆（可以与目前工业化应用的淀粉酶退浆同时进行），而且因PVA在退浆中已有一定程度降解，因此废水处理也将会变得相对容易。PVA降解酶对于纺织品的清洁生产具有十分重要的现实意义。Morita等［8］用分离纯化得到的PVA降解酶在30℃进行棉织物的退浆，与常规70～90℃热水退浆相比，酶反应条件温和，棉织物的品质得到了保持，同时退浆废水的生物可降解性得到了提高，降低了废水处理的负担。钱鼎等［9］研究了由青霉菌Penicillumsp．WSH02－21所产PVA降解酶的酶学性质，并确定了酶最适反应pH值、温度，酶的pH值、温度的稳定性，以及金属离子对酶活力的影响。在此基础上，将Penicillumsp．WSH02－21所产的PVA降解酶应用于棉织物退浆的小试研究，比较了酶退浆与热水退浆的效果，结果表明：在退浆速率上酶法不如热水退浆，但由于酶法退浆是将PVA进行降解，从而提高退浆废水的生物可降解性，减少了环境污染。张颖等［10］从不同环境中筛选得到多株能产生PVA降解酶的微生物及一个混合体系，并对它们降解PVA的过程进行了分析。研究结果表明：筛选得到的单一微生物及其酶都不能彻底降解高聚合度的PVAl799，只有混合体系能彻底降解。采用PVA降解酶进行棉织物的退浆目前还不成熟，仅仅停留在实验室研究阶段。
3谷氨酰胺转氨酶
3．1谷氨酰胺转胺酶概述
谷氨酰胺转胺酶（蛋白质－谷氨酸－γ－谷氨酰胺转胺酶，简称TG），又称转谷氨酰胺酶或γ－谷氨酰胺酰基转胺酶，它能够催化蛋白质分子内、分子间发生交联，催化含谷氨酰胺剩基的蛋白质类物质接枝含伯胺基的蛋白质、氨基酸和其他功能性单体，从而进一步改善蛋白质类物质的功能性质，在食品、纺织等领域具有较好的应用前景［11］。谷氨酰胺转胺酶存在于动物、植物和微生物中，包括来源于动物体的谷氨酰胺转胺酶（简称GTG）以及来源于微生物的谷氨酰胺转胺酶（简称MTG）［12］。
3．2谷氨酰胺转胺酶的作用机理
谷氨酰胺转胺酶是一种催化酰基转移反应的转移酶，其典型反应如图2所示［13］。利用这些催化反应，在各种蛋白质分子之间或者之内引起共价交联，从而对蛋白质进行改性。谷氨酰胺转胺酶以肽链中谷氨酰胺残基的γ－羧酰胺基作为酰基供体，而酰基受体可以是：a．多肽链中赖氨酸残基的ε－氨基形成蛋白质分子内或分子间的ε－（γ－谷氨酰）赖氨酸异肽键，见式（1）。使蛋白质分子发生交联，从而改变织物的质地和结构，改善蛋白质的溶解性、起泡性、乳化性等许多物理性质。b．伯胺基形成蛋白质分子和小分子伯胺之间的连接，见式（2）。利用该反应可以将一些限制性氨基酸引入蛋白质以提高其营养价值。c．水当不存在伯胺时，水会成为酰基受体，其结果是谷氨酰胺残基脱去氨基生成谷氨酸残基，见式（3）。该反应可用于改变蛋白质的等电点及溶解度。
3．3谷氨酰胺转胺酶的纺织应用潜力
鉴于TG的独特功能以及羊毛、蚕丝的蛋白质纤维属性，目前国内外已经把TG引入羊毛、蚕丝的染整加工中，取得了一定的效果。TG应用于羊毛的改性处理初期主要是改善纤维的物理机械性能。研究者利用TG的催化特性和羊毛的化学结构特征（含有谷氨酰胺和赖氨酸剩基），实现了羊毛纤维蛋白质大分子间的交联。这种改性处理不仅能够提高羊毛纱线和织物的强力，有效弥补酶处理前各种化学预处理和蛋白酶处理（水解）造成的纤维损伤，还可以减轻洗涤时羊毛制品的褪色和损伤（来自于洗涤液的偏碱性条件和蛋白酶对纤维的降解）。江南大学在国内较早开展了这方面的研究。崔莉等［14］以微生物发酵生产的谷氨酰胺转胺酶（MTG）作为羊毛织物的酶整理剂，探讨了MTG在羊毛织物防毡缩和强力损伤回复中的作用。MTG可使蛋白酶处理后织物强力提高30％，毡缩率从处理前的9．35％下降至2．30％。此外，通过纤维的氨基酸分析、红外、电镜和原子力显微镜分析，揭示了MTG酶对羊毛纤维的作用机制。
4角质酶
4．1角质酶概述
角质酶（cutinase）是一种可以降解植物角质的水解酶，属于丝氨酸酯酶。角质酶可被看作是酯酶和脂肪酶之间的过渡物质，既可催化水解不溶性多聚体角质的酯键，也可以作用于其他长链、短链脂肪酸酯、乳化的甘油三酯等［18］。除了水解反应外，角质酶还能参与酸与醇的酯化、一些脂肪酸盐与醇的转酯化。角质酶作为一种多功能裂解酶，在纺织工业、食品工业以及化工工业等诸多领域都有着广泛的应用。角质酶对角质等聚酯的水解机制反应方程式见式（4）。
4．2角质酶的纺织应用潜力
用于纺织工业是角质酶近年来的新的应用方向。Degani等［19］考察了细菌角质酶在棉织物精练中的应用，发现该酶能水解棉纤维角质层中的高分子量脂肪酸酯，从而提高棉织物的润湿性能，且与果胶裂解酶具有较好的协同作用。毕凤珍等［20］对国产角质酶研究结果表明，角质酶对棉纤维最外层的角质结构具有高度的可及性，可以提高棉纤维吸水性和着色效果，和果胶酶协同作用可更好地缩短吸水时间。王平等［21］系统研究了羊毛织物角质酶预处理对蛋白酶防毡缩整理的促进作用，建立了弱氧化／角质酶预处理与蛋白酶处理相结合的加工模式，获得了较好的防毡缩整理效果，为角质酶的纺织应用提供了新的方向。此外，角质酶可用于酶法水解环状低聚物（聚对苯二甲酸亚乙酯），这一低聚物是纺织工业中聚酯的主要组成部分，沉积于织物表面时会使纤维呈现浅灰色的外观，用传统的碱法处理不易去除，这一低聚物的去除有利于改善织物品质。
【关键词】水生植物；污水处理；水质改善；应用；分析
日益严峻的水污染使得水体的使用功效大大降低，不仅影响水体污染当地居民的安全饮水以及身体健康，还使得水资源的紧缺形势进一步恶化，影响了我国当前正在实行的可持续利用资源战略。当然我国也寻求了一些较为有效的处理污染水资源的技术，如较为传统的生化二级处理，达到了理想的处理水污染效果，但由于使用成本过高，使得可供利用性大大降低。基于此，提出使用生物学处理法进行处理污水，取得了不错的效果。
一、以藻类为代表的低等植物在污水处理以及水质的改善中的运用
利用藻类处理水污染和改善水质有着较为显著的功效。使用藻类对被污染的水源进行处理后产生的一些死藻类沉积物在进行干燥后还能够用来制作鱼饲料，是鱼饲料的良好的添加剂，还可以作为肥料加以利用。与此同时，藻类在进行污水处理中会产生大量的氧气，这些氧气能够极大地减轻水体缺氧现象，并减少由于水体缺氧而出现的恶臭气味，进而起到改善水质的作用。由此可知藻类在污水处理中具有使用成本降低、净化效率较高的优点，被广泛运用于处理水污染现象和改善水质中，取得了不错的效果。
1、常见的运用类型
（1）固定化藻。固定化藻就是利用人工调控方式为藻类提供最佳的生长环境条件。固定化藻通过化学或者物理方式利用载体固定藻类细胞，进而形成较为固定的藻类高效生物反应器系统，使得藻类生长更加迅速，具有高浓度的藻细胞，更加容易收获，并克服了传统的藻类处理系统处理效率不高、占地面积较大以及停留时间过于长的缺陷。我国近年来研究固定化藻取得了较为显著的成绩。固定化藻的固定分为包埋法和吸附法，通常使用聚乙烯、多孔硅胶、聚丙烯酰胺、琼脂、角叉菜聚糖以及褐藻酸钙等载体。
（2）活性藻。活性藻是通过人工手段尽量缩短处理时间，培育浓度较高的藻类。由于活性藻良好的沉降性，容易收获，且出水澄清，在处理水污染现象和改善水质中得到了较为广泛的运用。
（3）藻类塘。利用藻菌共生系统研究氧化塘，利用藻类分解营养物实现处理污水的目的。藻类单元在中等城镇的污水综合处理中起到了相当重要的作用，综合生物塘技术的运用使得综合处理污水成为了可能。
2、低等藻类的运用范围以及去除的污染物的种类
（1）运用范围。运用藻类不仅可以进行处理生活类污水，还可以进行处理其它类型的污水，运用范围较为广泛。举例子来说明，在德兰士瓦以及纳米比亚等多地的多家制革厂都在采用螺旋藻处理大部分的生产废水；在南非的开普敦旁边的一个处理污水场利用一个充满螺旋藻、面积约为一千平方米的水池在处理着约为一千人产生的生活废水。
（2）去除的污染物的种类。藻类能够去除污水中含有的营养物如氮、磷等，同时还能够富集并去除其它的重金属以及有机物。藻类能够去除营养物，Wong和Tam将栅藻和小球藻分别于一级处理出水与二级处理出水中培育，结果显示，栅藻和小球藻的长势在一级处理出水中较好，在培育约七天之后对氮、磷等营养物的去除率达到了70%左右。Covindam在使用藻类进行混合污水的处理时发现，藻类不仅去除了大量的氮、磷营养物，同时还去除了约为90%左右的化学需氧量（COD）以及生物需氧量（BOD）；藻类能够去除有机物。Hosetti认为原生动物以及单种细菌对BOD的去除效果不及单种藻类的去除效果高，当中一些比较普通的小球藻能够达到83%左右的BOD去除率。从Maguuire研究有机物的净化实验中可以明白，纤维藻能够于25ug/mL的三丁锡中生长，同时能够对三丁锡进行降解作用，能够降解为无机锡、单丁锡以及二丁锡。林毅雄利用普通小球藻、策哈衣藻以及斜生栅藻对丙体-666有机农药的去除进行了实验，实验结果显示，当污水中含有浓度为1mg/L的丙体-666时，藻类的处理时间为0.5小时至96小时，处理后丙体-666的残留量大概为0.49至0.32ug/mL，而藻类体内的富集量大约为34.64至33.72ug/mL。刘厚田等人的实验也都表明，藻类在藻菌共生系统中能够单独对偶氮染料进行降解。从邓星明等采用藻菌类生物膜对炼油废水进行净化实验表明，坑行席藻对正十四烷有着较为明显的去除效果；藻类能够去除重金属。王焕校和杨红玉认为，绿藻能够在浓度不高于0.5mg/L的镉溶液中有效吸收镉，这个时候的富集系数达到最大。Soeder认为空星藻在温度为30摄氏度左右时，仅仅需要1.5小时就可以从溶液中吸取约为90%的铅，但吸收的镉量较少，效率较低，在24小时于40mg/L的镉溶液中才能吸收仅仅约为60%的镉。在温度为23摄氏度时，经过20个小时后能够从含铅为1mg/L的溶液中吸取100%的铅。
二、以水生维管束植物为主的高等植物在污水处理以及水质的改善中的运用
1、常见的应用方式
（1）湿地系统。大型水生植物在湿地系统中起着相当重要的作用，降低污染负荷，吸取部分营养物质；改善生物地化循环系统；形成一定的隔离层，防止冬季雪霜直接冻结湿地的地面；使得湿地床表面更加牢固等。
（2）综合生物塘系统。将多种水生植物进行有机组合，在污水稳定塘的基础上形成综合生物塘。大型水生植物在这个系统里面仍旧占据着相当重要的地位。
2、运用范围
这些高等植物不仅可以处理生活废水，还可以处理工业、生产废水。吴振斌使用香蒲床和芦苇在草毒素水体的处理中取得了良好的效果；胡焕斌选用芦苇床对铁矿炸药污水进行了处理，取得了不错的效果；曾健等使用浮萍、水葫芦以及水浮莲对高能液体废水进行了净化处理，取得了很好的净化效果。
3、在改善水质中的应用
高等植物的生长需要氮磷等营养物质，这些藻类对污水中的营养物质的去除与藻类细胞内部的营养物质的浓度、营养物的利用度、污水中氮磷的比例以及营养物的浓度有着直接性的影响作用。藻类长势较好，对营养物质的去除效果也就较好。高等植物同样也能够去除污水中的有机物以及重金属。有机物能够为藻类提供生长所需要的重要的碳源，藻类通过富集和降解进行去除有机物。去除重金属则分为吸附与转移两个阶段。
结语：
利用水生植物进行污水处理以及水质改善不仅符合我国的基本国情，同时还具有绿色、环保、投资较少、成效较高的优势。水生植物在处理污水中的一些营养物质以及其它污染物质时操作方法较为简便，对环境等的破坏较少，具有较高的美化环境的价值，能够回收再利用植物资源，有较高的环境效益、生态效益以及经济效益，在社会中正在被越来越多的人认可和接受，使用范围越来越广泛，使用可靠性较高。
参考文献：
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[2]侯亚明.水生植物在污水净化中的应用研究进展[J].现代园林，2009（01）
[3]林鸿，吴晓花，丁自立.水生植物净化水质的机理及其应用方式研究进展[J].长江大学学报（自科版）农学卷，2009（04）
关键词：微生物菌剂；基质；发酵指标；育苗；栽培；前景
中图分类号：S476.1文献标识码：A文章编号：1001-3547（2016）14-0036-05
我国农业、食品、制药、乙醇提取等行业每年产生数量巨大的秸秆、菇渣、醋渣、酒渣、药渣、木薯渣等固体有机废弃物，其利用率不高，大多数都作为垃圾处理，不仅污染环境且造成资源浪费。近年来，将这些固体有机废弃物通过堆肥发酵腐熟后进行无土栽培基质的生产，用于基质育苗、栽培等。而常规发酵主要采用自然堆积发酵的方法，不仅堆制时间长、效率低、腐熟不均匀，且养分大量流失。
微生物菌剂是一类经过生产扩繁后，制成溶液、粉状、固体的活性制剂，它含有大量的有益活菌物质及多种天然发酵活性物质[1]。按其含有的微生物种类分为固氮菌菌剂、光合细菌菌剂、促生菌剂、细菌菌剂、真菌菌剂、放线菌菌剂等；按其含有的微生物种类可分为单一微生物菌剂、复混微生物菌剂。研究表明，在有机废弃物发酵过程中加入微生物菌剂，可促进堆体快速升温和腐殖化过程，加快物料C/N下降的速率，大大缩短腐熟时间，提高基质发酵效率和质量[2，3]。在含有微生物菌剂的基质中进行蔬菜育苗或栽培，能够在根际繁殖形成有利于作物生长的微生物优势菌群，提高蔬菜作物对基质养分的有效吸收，增强土传病害抗性。
1微生物菌剂对基质发酵关键指标的影响
1.1温度
温度高低反映基质发酵腐熟的快慢。基质发酵温度不仅与有机物料的特性有关，还与物料中微生物的活动有关。研究表明，添加满园春和金宝贝2种菌剂均能快速促进稻壳堆料的升温，其中，满园春菌剂可使堆体中45℃以上高温持续时间达6d左右，且营养释放量最高[4]。在鸡粪堆肥中接种微生物菌剂，可以使堆肥发酵初期温度明显提高5～14℃，达到55℃以上的高温提早5～10d，且堆肥腐熟提早5d以上[5]。在橄榄油废渣、污泥和家禽粪便堆肥中接种变色栓菌后，3周后堆体温度即达到53℃，并在第5周达到最高温度71℃，且在5～13周一直维持在65～71℃，显著优于未接种微生物的堆体[6]。将纤维素分解复合菌剂和枯草芽孢杆菌复合菌剂接种到玉米秸秆堆体中，堆体前期发酵升温速度显著加快，升至55℃比对照缩短10～12d，且在整个发酵过程中，微生物菌剂使堆体温度保持在60℃以上的时间最长[7]。在枸杞枝条中接种粗纤维复合益菌、锯末专用复合菌和纤维素类复合酶后，堆体升温速度明显加快，且高温持续时间较长，与未接种的对照相比，高于55℃的天数分别达9、5、5d[8]。烟草废弃物高温堆肥腐熟体系中，在添加合适比例猪粪的基础上加入微生物菌剂，使高温分解阶段的时间缩短了5d，而高温持续时间延长，加快了烟草废弃物堆肥腐熟进程[9]。在初始堆肥条件相同的情况下，接种微生物菌剂可使有机废弃物堆肥发酵起温加快，达到理想温度50～65℃只需1～2d[10]。
1.2pH值
酸碱度（pH值）指标变化可反映基质堆体的发酵程度，适宜的pH值是微生物发挥有效作用的关键[11]。在发酵过程中，使微生物保持较高活性的pH值范围是6.7～9.0。不同的基质原料发酵结束后pH值的变化趋势不尽相同，这主要与物料的性质和不同成分间的配比有一定的关系。在含有猪粪的堆体中，通过添加复合微生物菌剂对基质发酵初期pH值影响不大，而在中期pH值呈下降趋势，且接种微生物菌剂处理组的下降幅度快于对照组，发酵完全后最终呈酸性[12]。而以枸杞枝条为材料进行发酵试验，发现堆体pH值呈先升后降的趋势，发酵40d后堆体pH值升高，而添加微生物菌剂对堆体pH值提高的幅度更为明显，这与微生物菌剂调节堆体发酵中有机酸大量分解和有机氮矿化有关[8]。复合菌剂的添加直接为堆体带进了大量外源微生物，在微生物的作用下，大量的有机酸被分解、中和，从而使堆体pH值不断升高[13]。在园林绿化废弃物堆肥化处理过程中，加入有机废物发酵菌曲，发现堆体中pH值随时间变化呈先升后降再升的趋势，完全腐熟后pH值超过8.0，可能与废弃物中的氮被分解有关[14]。而在以菇渣为发酵主料的堆体中添加发酵菌曲，其pH值呈先降后升再降的趋势，微生物菌剂可使堆体pH值较早地达到7.5，并将较长时间保持在7.5～8.5[15]。在玉米秸秆中接种纤维素菌和降解淀粉芽孢杆菌，使堆体pH值在整个发酵过程中升高和降低所需的时间缩短，且腐熟后基质pH值稳定在8.1左右[7]。通过添加粗纤维降解菌和EM发酵菌到玉米芯和菇渣混合物中，经发酵后的基质比对照组的pH值要低，且基质固持作用能力明显改善，从而提高了基质质量[16]。
1.3养分含量
研究表明，接种微生物菌剂可使稻壳发酵过程中的全氮含量先下降后上升，而速效氮含量先上升后下降，全磷、速效磷、全钾、速效钾含量均呈上升趋势，且发酵结束后营养元素含量高于未接种的对照组，说明接种外源微生物可以加速稻壳发酵过程中的速效营养释放[4]。在玉米秸秆发酵过程中，发酵中期的速效氮含量高于发酵末期，发酵末期各处理的速效磷、速效钾含量均高于发酵中期，添加EM发酵菌可有效提高有机废弃物发酵速度和速效氮、磷、钾的含量[17]。双孢蘑菇土堆肥发酵效果研究表明，添加发酵菌曲使得E4/E6值低于无菌剂处理，表明添加菌剂能促进腐殖质的缩合和芳构化，并可提高堆体中NH4+-N和P、K含量[15]。在以落叶为主的园林绿化废弃物堆肥中加入发酵菌曲，可促进废弃物中大量元素和有机质转化为堆肥中的养分，从而减少养分损失[14]。田S等[18]研究发现，发酵菌曲可加速园林废弃物堆体中氮素的损失，但增加了P、K、Fe和S含量。添加微生物菌剂可以显著增加烟草废弃物堆肥产品的N、P和K含量，降低堆肥容重，提高堆肥总孔隙度和持水孔隙度，改善了堆肥产品质量[9]。在以牛粪和玉米秸秆为堆肥原料中，添加微生物菌剂促进了NH4+-N向NO3--N的转化，减少了总氮的损失，同时提高了全磷和全钾的含量，提高了基质堆肥质量[19]。在以鸡粪和稻草为主要原料的堆体中，添加酵素菌可使氨挥发时间缩短6d，并减少NH4+-N的产生与挥发，起到保氮除臭的效果[20]。益生菌处理可有效加速玉米秸秆的发酵腐熟效果，并且增加堆体中蛋白质、有机酸、粗纤维的含量以及有益菌的数量[21]。由此可以表明，接种微生物菌剂对加快基质发酵进程和提高产品质量具有重要作用。
1.4C/N
碳氮比（C/N）是影响基质发酵进程和质量的重要因素，碳是微生物利用的能量来源，氮是控制生物合成的主要因素，也是堆体腐熟度的重要指标，堆肥过程的理想碳氮比为15～25[22]。烟草废弃物堆肥前初始C/N为37左右，添加物生物菌剂较自然发酵提前使堆体C/N达到20以下，并且达到腐熟标准[9]。接种粗纤维降解菌和纤维素类酶制剂可以显著加快苦参堆体总有机碳和碳氮比的降低，且降解速度均快于不接种的对照组，这主要是由于堆体中微生物活性的增强，导致堆料中的有机碳不断分解为CO2，挥发损失相应增加[8]。而在以蔬菜废弃物的堆体中添加微生物菌剂，前3d内堆体中C/N呈快速下降的趋势，之后直至堆肥结束表现出非常缓慢的下降趋势，但总体上与不接种堆体中的C/N差异不显著[23]。在园林废弃物堆肥中添加有机废物发酵菌曲，可使堆体C/N从最初的35～40降到18～20的时间大大缩短，且使堆体达到的腐熟、稳定状态优于对照组[14]。复合微生物菌剂促进玉米秸秆堆体中碳水化合物大量的消耗和全氮含量的增加，导致堆体C/N逐渐下降，在33d时复合菌剂处理的堆体C/N在22左右，相比于对照组的43，基质堆体较早地达到了稳定和腐熟状态[24]。以新鲜猪粪和稻壳粉为研究堆体，发酵初期原始堆料中C/N不足15，明显低于理想范围，在堆体中添加微生物菌剂，随着时间的变化，C/N呈增大的趋势，一次发酵后期C/N为22左右，与理论碳氮比下降相反，这可能是氮在堆肥过程中挥发损失导致的[10]。
2微生物菌剂在蔬菜基质上的应用
2.1在蔬菜育苗基质上的应用
在育苗基质中，微生物不仅参与植物的生长与代谢，还参与基质中各种物质的转化过程，并能降低有害物质含量，维持基质适宜的理化性状。同时，微生物又是基质中物质间生理生化过程的主要调节者[25]。基质微生物种群中，细菌数量最多，可分解动植物残体，进行固氮，为植物提供氮素营养，稳定根系微生态环境[26]。
①活性基质配方研发、培育壮苗在筛选出适合黄瓜育苗基质配比（草炭∶腐熟羊粪∶蛭石=6∶3∶1）的基础上，通过添加一定量的微生物菌剂进行黄瓜育苗，不仅可以有效地提高黄瓜秧苗质量，培育壮苗，还可以减少商品育苗基质草炭的用量，从而降低育苗成本，提高黄瓜穴盘育苗的经济效益[27]。以黄瓜和生菜为供试作物进行适用育苗基质的筛选研究中，陶粒和草炭基质配比为4：1时，非常适合丛枝菌根真菌的侵染，并且添加菌根的育苗基质可有效促进黄瓜和生菜幼苗的生长[28]。在草炭和蛭石为1∶1的配比基质中，添加25kg/m3菌肥，育出的辣椒和番茄幼苗壮苗指数较高，且株高、茎粗、茎叶干、鲜质量和根干质量均较大，且秧苗质量最好[29]。
②抗病促生长研究表明，在商品育苗基质中（配方为等体积草炭和醋糟）添加微生物菌剂，能够提高黄瓜叶绿素含量，促进幼苗生长，并可显著提高根围和根际放线菌数量，降低真菌数量，有效抑制病原菌，从而降低枯萎病的发病率[30，31]。将从辣椒根际筛选出的优势菌株（NJAU-G10）添加至普通育苗基质中，发现含有5%NJAU-G10的生物活性基质，较不添加的普通基质表现出更突出的根际定殖能力，且促进辣椒幼苗的生长[26]。通过在复配基质中（醋糟∶草炭∶蛭石=6∶3∶1）添加微生物菌剂，可以促进黄瓜幼苗植株生长，并且通过提高次生代谢物质关键酶的活性，诱导抗病病程相关蛋白及其编码基因的表达，进而增强黄瓜植株对枯萎病的抗性[32]。在以醋糟∶草炭为1∶1的混配基质中，添加2%微生物菌剂（BOF）进行西瓜和黄瓜育苗，可显著促进幼苗的生长[33]。将植物根际功能促生菌菌株（SQR9）添加到蔬菜育苗基质中，制成的生物育苗基质对黄瓜和茄子均具有一定的促进生长效果，且功能菌能有效地在植株根际定殖。
2.2在蔬菜栽培基质上的应用
微生物菌剂，由一种或多种有益微生物、培养基和添加剂配制而成，其中所含微生物的生命活动，能增加基质栽培蔬菜作物养分的供应量，促进生长，提高作物抗病性，改善农产品品质及农业生态环境[30]。研究表明，在发酵废渣基质中接种微生物菌剂（By）显著增加土壤酸性磷酸酶和脲酶活性，改善黄瓜植株根际周围肥力状况，提高了黄瓜产量、品质和经济效益[34]。在泥炭、椰糠和珍珠岩的复配基质中，添加解淀粉芽孢杆菌，增加了空心菜干质量、鲜质量、株高、茎粗及VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量，并可显著降低空心菜叶片中硝酸盐含量的积累，说明微生物菌剂明显地促进生长和改善空心菜的品质[35]。微生物菌剂BOF可有效预防西瓜和黄瓜枯萎病的发生，降低了植株根际基质中的尖孢镰刀菌和真菌数量，提高了根际基质中的细菌和放线菌数量，但对根围基质中的微生物数量无显著影响[33]。然而，高浓度的BOF则抑制了植株的生长，这可能是醋糟基质与土壤在理化性状上的差异所造成的。在4L的商品栽培基质中，添加创博微生物菌剂10mL（稀释600倍液）或爸爱我（Bio）生物有机肥30g，对黄瓜促长防病效果较好，定植后植株的抗病能力明显高于不添加微生物菌剂的处理组，相对防治病害效果分别达到14.5%和27.4%[31]。将10%功能菌株SQR9添加到基质中，形成具有生物活性的栽培基质，该活性基质对黄瓜植株后期生长仍具有明显的促生效果，功能菌在黄瓜根际的定殖效果显著优于茄子，与对照相比，对黄瓜枯萎病防控效果达到40.39%。通过在育苗基质中添加微生物菌剂（芽孢杆菌、菌根菌、丛枝菌根菌和安克菌剂），可以调节辣椒叶片的气孔开放程度，提高光合电子传递效率和植株净光合效率，优化了根围微生物区系，促进辣椒生长[1]。
3微生物菌剂的作用机制
3.1改善根际矿质元素有效性，促进养分吸收
微生物菌剂形成的菌根能够提高植物对根际矿质元素的吸收，改善植物的营养状况，促进作物生长。基质中添加微生物菌剂后，一些有益微生物可改善基质物理性状，提高基质酶活性，增加微生物数量和腐殖质含量，从而提高基质肥力水平[27]。植物体内各种自生、联合或共生的固氮微生物，能够固定空气中的氮素，增加植物氮素营养。有许多不溶性或者有机类的养分存在于栽培基质中，如有机磷、磷酸铁、磷酸铝等，而这些养分难以直接被植物所吸收利用，微生物菌剂可通过分泌一些有机酸（富里酸和胡敏酸）和酶类，或通过对钙吸附和铵的同化来分解不溶性无机磷、钾以及有机磷，从而提高育苗或栽培基质中有效磷、钾的含量。
3.2调节根际次生代谢物质产生，促进植株生长
微生物菌剂作用于植物可以产生一些生长调节物质，如细胞分裂素、生长素、赤霉素、乙烯、脱落酸等植物激素。如生长素对植物生长有显著地促进作用，刺激形成层细胞活动和新根的形成；芽孢杆菌类细菌可以产生1-羧基-1-氨基环丙烷，减少植物体内乙烯的形成，保证植物正常的生长发育。此外，一些有益根际微生物的大量繁殖，还能产生有益于作物生长的次生代谢产物，如烟酸、生物素、泛酸、VB12等以及水杨酸、核酸、酚类化合物及其衍生物类，均能使植物根际周围有机物质含量增加，从而不同程度地调节植物生长，增加作物产量，并提高产品品质。
3.3提高根际微生物定殖能力，增强对病虫害抗性
微生物菌剂能够诱导或激活有益微生物在植物根际或植物体内定殖的能力，抑制植物病原菌和根际有害微生物及促进植物生长，从而增加作物产量[36]。究其具体机制，可能存在以下几种原因：一是营养与位点竞争，微生物菌剂通过诱导根际有益微生物的快速定殖和大量繁殖，占据较多营养和侵染位点，降低有害病原菌的定殖入侵；二是拮抗作用，即微生物能够产生一种或者多种拮抗物质来抑制病原菌的生长或者直接杀死病原菌的作用；三是诱导系统抗性，微生物菌剂可通过诱导植物对细菌、真菌和病毒引起的病害乃至对昆虫和线虫为害的系统抗性，从而提高植物整体的抗病能力。
4前景展望
我国工农业生产中每年产生数量巨大的有机固体废弃物，通过发酵将其转化为轻型基质，既能实现废弃物资源化再利用，又能减轻环境污染。添加微生物菌剂可有效促进基质堆肥发酵进程和提升基质质量，并且在蔬菜基质育苗和栽培上表现出较好的效果。但目前我国微生物菌剂在基质开发和应用上的价值，还未得到充分发展，今后应从以下几个方面加以研究。一是微生物菌剂生产条件和工艺较为落后，致使真正高活力和高效的菌株较少，应在发酵条件、工艺流程以及菌株寄主保质等方面开展深入研究；二是微生物菌剂接种于固体有机废弃物中发酵条件仍需要进一步探索，接种量与基质生产成本、接种时间与菌种数量和活性的保持、基质生产的标准化和质量检测等方面都需要深入研究；三是注重含有微生物的功能型基质的研发，开发出促进蔬菜作物生长、提高产量和品质且兼具抗土传病害能力的功能型育苗或栽培基质。总之，对工农业固体有机废弃物进行基质化堆肥利用，是实现资源的高效循环再利用和可持续发展的重要途径，而微生物菌剂必将在我国未来基质开发和应用上，发挥重要的经济效益和社会效益。
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1994年3月25日国务院第16次常务会议通过的“中国21世纪议程”--中国21世纪人口、环境与发展白皮书中写道：“开发利用新能源和可再生能源。把开发可再生能源放在优先地位，加快水能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能的开发，提高可再生能源在能源结构中的比例”。这是我国政府对联合国作出的政治承诺，也是各级政府和经济管理部门一项重要工作。
1、实施小康家庭能源工程，推进沼气的集约化经营，促进生物良性循环，建立生态农业。
生态农业的基本特点：充分合理利用自然资源，依靠生物之间的多种物资循环，在良性循环中保持相对平衡，系统内部的物质可以多次重复利用；从时间上和空间上不断提高太阳能的利用率和生物能的转化率，求得投入少产出多，达到生产水平较高，土地利用率较高、经济效益和生态环境质量较好的目的。
生态农业本身就是一种多元能源的农业发展道路，开发农村能源是建设生态农业的战略措施。以多级循环为主的生态农业，有各种各样不同模式和类型，其中以沼气为纽带的生态模式堪称是一枝独秀。沼气生产过程不仅可以最大限度地利用太阳能，并在沼渣沼液中保持原有的n、p、k等元素和有机质成为生态系统第二循环过程中的优质有机肥料和饲料，大大提高生态系中能流和物流的质量，这就是沼气生产在生态农业中的起的突出作用。
现在全国已有60%以上的沼气户（约300万农户）发展以沼气为纽带的庭院经济，农民增加收入9亿元以上。湖北省开展沼气、沼液、沼渣的综合利用的农户已超过20万户，年增收4000多万元。“九五”期间，随着农村产业结构的调整，为农村沼气发展提供良好机遇，湖北省将新增20-25万户农村家用沼气池用户，开展“三沼”综合利用农户将达到35万户以上，种植业、养殖业与沼气三结合或种植业、养殖业、加工业、沼气四结合利用类型的模式将进一步推广普及。为使这种模式在湖北省农村大量发展实施，应该注重选择各种养殖、种植业专业户大力举办沼气，以期获取最好的能源、生态经济效益，同时提高农民用能质量和水平，充实小康内涵。
2、实施能源--环保工程，推进城乡有机废水的厌氧消化处理，获得环保能源双效益。
目前，我国工农业有机废物废水排放量相当大，据统计，1990年轻工系统仅制糖、食品发酵、皮革等行业排放的高浓度有机废水就达60亿吨，占全国工业废水排放总量的22%，废水中含有机物排放量的50%，若利用其中的50%，即125万吨来制取沼气，年产沼气可达12.5亿m3，相当于原煤125万吨，标准煤90万吨，可发电17.86亿kw·h。同时，全国“菜篮子工程”的全面建设，集约化畜禽场的粪便排放量迅猛增加，给环境造成越来越大的压力。解决这一问题的最优化方案是采用生物质能的厌氧消化技术。以有机废物废水和禽粪粪便为原料，兴建大中型的沼气工程，既可以有效地治理环境污染，又能为当地职工和居民提供优质气体燃料，还可以利用发酵后的沼渣，生产养鱼喂猪的颗粒饲料。
近十年来，湖北省的厌氧消化技术经多学科、多部门的科研攻关，取得了较大的进展。在禽畜粪便的处理方面，先后兴建了容积分别为200-800立方米的沼气工程，采用上流式厌氧污泥床处理工艺，中温发酵，平均产气率0.5-0.8m3/m3·d。特别是1994年由武汉市能源所负责设计建造的荆门出口猪场能源环保工程，采用上流式厌氧污泥床加固液分离器，后期为射流曝气好氧处理，使得最后出水达到国家二级排放标准，在工业有机废水处理方面，共兴建了九处工程，首先在淀粉废水的中试研究上取得成功。为全国淀粉废水处理首开先河。紧接其后，酒厂的废水处理进入高潮，先后在七个酒厂兴建了沼气工程，总容积3250立方米，采用中高温发酵，滞留期4-5天，产气率3-3.5m3/m3·d。湖北省这些大中型沼气工程实现了工厂化产气，商品化供气，使能源建设上了一个新的台阶。它们有效地处理了酒厂的有机废水和集约化禽畜场厂的粪便，改善了环境卫生，对保护生态，促进生产，都具有明显的效益。“九五”期间，湖北省将按照国家制定的计划，重点在大中城市郊区、“菜篮子”工程基地，实施采用厌氧消化技术，以保护环境，兼取能源回收的能源--环保工程10-20处。近期首先在松滋、天门等地，兴建一批发酵工程总容量在1000m3以上的大型工程，实现集中供气，同时治理环境污染。
大中型沼气工程，作为一项新兴能源--环保工程，具有与其他能源工程（如城市煤气）不同的优越性的特点；
a、在工程目标上，煤气工程单纯制气，而沼气工程除制气外，又治理污染，并可获取有机肥料，而且不同的工程有不同的侧重点。
b、在制气原料上，煤气工程使用煤炭，这些煤炭还需经长途转运，而沼气工程使用就地可取的可再生生物质如禽畜粪便、食品、酿造、制药等企业排放的有机废水，全部是污染环境的废弃物。
c、从规模讲，煤气工程一般规模较大，沼气工程则可因地制宜，大中小并举，国家计委、农业部曾组织城市生物资源调查，不少中小城市的日排放高浓度有机废水上万吨。如按每吨cod5万毫克/升浓度的废水计算可产沼气20立方计算，每天排放1500吨有机废水所产的沼气即可供近2万户居民使用。如将这些工厂和郊区畜牧场统一规划，联片供气，将对城镇煤气化不足起到补充作用。
d、从建设周期来说，新建一个煤气气源厂，至少3-5年，而沼气工程，从动工到产气不到一年。
e、从投资上看，“六五”期间，平均每户1500元，政府还要对用户每人补贴煤气费4元，现在每增加一个煤气用户至少投资2000元。如河北唐山市煤焦制气厂每增加一个用户需增加投资1250元，而河北华北制药厂的沼气工程，每户仅需投资563元，还可节约排污罚款每吨1.27元。上海浦东煤气厂平均每户基建投资1500元，每千卡煤气成本3.8×10-5元，而上海前进农场的沼气站平均每个沼气用户投资709元（为浦东煤气厂的47.3%），制气成本为每千卡3×10-5元（比浦东煤气厂低21%）。
目前湖北省的大中型沼气工程无论其规模，其范围，其投资额均是远远不够的。一方面大量的粪便，工业有机废水的排放污染了环境，另一方面，处处在呼吁能源短缺，广大城镇居民迫切要求使用优质气体炊事燃料。这两大矛盾的最优化解决的办法就是积极、慎重地兴建大中型沼气集中供气工程，实践已反复证明只有这种对生物质能集约化应用的方式可同时做到治理环境污染，回收优质能源的双重效益。
3、开展生物质固化和气化的研究与试验，为农村小康化提供商品性能源。
为适应农村小康发展对用有质量的需求，我们在开展对生物质能利用技术的研究中，应转变过去那种单纯以解决缺烧为目标的观点，而应以实现小康为目的，把农村的低级能源转化为高级能源。因此，我们应立即着手进行生物质能固化和气化的转化技术研究与试验，并开展气化配套设施及用途的研制。如在木材、秸秆较为富余的地区，以这些原料或其它农业废弃物生产出成型燃料，以供给严重缺柴区使用（比烧煤便宜）；同时，湖北省也应对国内生物能利用中极有前途的炭、油、气综合转换技术尽早进行研究及应用试验，使常规生物质转化为高品位能源，供农村生产和生活用。湖北省可用作气化炉原料的生物质资源，除按通常方法所统计的2678万吨（薪柴799万吨，秸秆1879万吨）外，还有大量的农业废弃物，如木屑、木片、棉壳、稻壳等，据不完全统计，全省可收集的棉壳有26万吨，稻壳140万吨。若用这些废弃物作气化炉的原料，则所得产品的成本将大幅度下降，产品的市场竞争力也得到提高。从炭、油、气这三种产品的社会需求来看，潜力是很大的。仅原沙市市，一年的生活用炭和工业用炭量就在5000吨以上，武汉市仅工业用炭量一年就需4700吨；此外，农民也迫切需要以秸秆变为木炭解决冬季取暖，至于木焦油、木质气、其用途更广，既可作优质燃料，也可作化工原料（木焦油）。使用炭、油、气综合转换设备主要以产炭为主，在调节炉内热解温度后，也能成为以油、气为主要产品的生产过程。而在以产气为主的气化炉中，利用稻壳经气化后即可得到优质燃气，据国内外研究试验表明，用稻壳气化、发电具有很高的经济效益，整套设施（包括土建、设备和稻壳灰利用）的投资，在两年内即可收回。江苏昆山有我国最大的稻壳发电系统，7套机组共1560千瓦，其发电量已成为粮食工业的主要能源。综上所述可见湖北省尽早开展生物固化与气化研究有百利而无一害，有原料、有市场、更有技术，湖北省科技力量雄厚、门类齐全，科技攻关势在必行。按照全国21世纪议程的规划，对于生物质的高层次利用技术要在2000年取得突破性进展，湖北省若不立即着手进行必将落伍。因此，湖北省要充分利用自己技术、原料、市场三大优势对生物固体气化转换技术作高起点研究。
关于加快开展我省生物质能集约化应用的建议
综上所述，既然开发生物质能在湖北省具有重大的战略意义，是发展生态农业的根本有效措施，而湖北省又具有开发利用生物质能的良好自然资源条件，对生物质能的集约化应用也具有一定的基础，那么制定规划，采取措施，加速湖北省生物质能利用技术的发展则是当然之举。建议如下：
1、将生物质能的应用纳入湖北省国民经济和社会发展“九五”计划和2010年规划。
国家十分关心包括生物质能在内的新能源和可再生能源发展，1995年1月5日，国家计委、科委、经贸委办公厅联合印发《新能源和可再生能源发展纲要》，提出的今后15年发展总目标是：“提高转换效率，降低生产成本，增大在能源结构中所占的比例。新技术、新工艺有大的突破，国内外已成熟的技术要实现大规模、现代化生产，形成比较完善的生产体系和服务体系；实际使用数量要达到39000万吨标准以上（包括生物质能传统利用方式的利用量），为保护环境和国民经济持续发展做出贡献”。根据国家《纲要》精神，结合湖北省实际情况，相应地编制湖北省生物质能“九五”计划和2010年规划，并做为湖北省生态农业和能源发展的相关内容，纳入湖北省国民经济和社会发展“九五”计划和2010年规划，使这一关系广大农民切身利益和农村工作重要内容的生物质能发展列上党和国家重要议事日程，并纳入法制轨道。
2、制订切实可行的优惠政策和支持措施。
生物质能转换技术是着眼于未来替代能源的、正在研究、探索、发展中的一项高新技术，许多技术的社会效益显著而经济效益却一时难以体现。许多项目是为贫困落实地区广大人民造福的扶贫事业，是改善生态环境、保障生态平衡的公益事业。为了促进这项战略措施的发展，建议我国政府也和世界各国一样，对于新能源的研究开发和推广应用给予积极的鼓励和支持，实行免税、减税、补贴、无息或低息贷款等优惠政策。比如对于大中型沼气工程的投资除了政策的部分拨款外，可将所要使用的技术改造贷款等优惠政策。比如对于大中型沼气工程的投资除了政策的部分拨款外，可将所要使用的技术改造贷款纳入政策性银行，由于大中型沼气工程同时也是一项环保工程，应采取行政、法制和经济手段鼓励甚至强制推广应用，从环保罚款中还可提留一定的比例作为投资来源之一。还可考虑从各种渠道筹集资金建立湖北省的生物质能研究开发基金，作为有关部门和科研人员从事专题项目的研究经费。
3、抓好示范项目，推选产业建设。
由于生物质能集约化应用，目前主要是面向广大农村和中小城镇，因此应以点带面，抓好示范项目，然后推而广之，使之形成气候，推进产业建设，示范项目的选取须注意：技术先进而又成熟，工艺不甚复杂，成本不是很高，能源利用率较高，经济和社会效益明显等，近期可以考虑围绕省柴节煤灶、生物质炭化有条件的地方可将固化气体裂解等技术综合使用和沼气工程等示范项目推进产业建设。
1981年起，国家提倡农村使用省柴节煤灶，注重节约、实用、方便的统一，经过十年努力，便迅速控制了过量燃用生物质资源的严峻局面，新型高效炉灶成为农民欢迎的厨具，现在全国有1.2亿农户使用热效率超过20%的炉灶，较旧式炉灶节些30-50%，1994年我省普及省柴灶已达1000万户，目前是，省柴节煤灶正向多功能、商品化方向发展，是农村能源一宗主要产业。
近年来湖北、河北、江苏、山东、安徽等省将秸秆开发为“生物煤块”，直接替代煤炭，供乡镇企业锅炉使用，或者进一步炭化，供乡镇企业锅炉使用，或者进一步炭化，制成生物炭，出售给冶金行业或提供出口，这样每亩秸秆可增值40-50元，压块机和生物煤已成为新产业。
另外，大型的沼气工程集中供气站在抓沼渣沼液的综合利用中，也呆派生出饲料、肥料等加工企业，小型户用沼气工程也可带动发展预制模块，家庭沼气--养殖等产业。
4、加强技术科研工作并突出重点。
新能源技术是世界新技术革命的支柱技术之一，高效率的利用生物质属于高科技领域，正在迅速发展，有许多技术难关须要攻克，有许多新产品有待开发研制，有许多成功的新技术要很好地消化吸收和推广应用，因此，科研工作至关重要，应大力加强，增加投资。
由于小柴炉灶和沼气工程已基本定型，只是巩固推广应用的问题，湖北省在“九五”期间可将生物质的气化、固化技术列为近期重点科研攻关项目，随着农村小康目标实现，农民用能水平、质量和设备现代化将成为评价小康内涵的重要内容，可以预见，炊事和采暖用能及其设备最具市场活力，可再生能源产品从研制经中试到商业利润回收，不同阶段应形成自身的梯度构架，即①成熟技术向市场投入一批，商业利润回收一批；②向市场过渡中试示范投入一批；③重点科技攻关项目起动一批。
“九五”期间逐步开展以下工作；
①进一步研究完善生物质气化装置，并扩大功能，开拓市场，进入食品、中药材、养殖、种植业的烘干供热领域。
②对生物质固化成型技术，建议两个面向，即一是制炭，一是制“生物煤”，制炭市场效益高，但对压制成型技术要求高：比重1.35-1.45，机械弯曲强度38kg/cm2，抗压强度320kg/cm2，关键技术是磨损件的使用寿命和可靠性，低压成型产品“生物煤”压制强度低，比重0.5-0.6，做到易燃，可运储，取代煤和柴。
③生物质热解液化技术难度较高，但应安排少量科技人员跟踪国内外动向，做些技术储备，为下一世纪生物质高品位产品进入市场打下基础。
以下项目对湖北省农村的现实虽然是较长期的，投资是巨大的，但2010年可能是被接受的产品：
a、热值达到（9350-450）×4.1868j/m3的可管道输送的甲烷化煤气和热解水煤气；
b、生物质注氧/蒸汽气化甲烷化，生产液体燃料替代矿物燃料油；
c、生物质制氢技术。
④重视生物质能软课的研究，为制定正确研究开发方针，少走弯路，减少失误，做好工程技术项目的前期准备，提供依据的佐证。
1我国能源生物质供应体系及物流管理存在的问题
基于相关科研基金的支持,我们(课题组)自2007以来,针对国内的能源生物质供应物流管理问题,进行了较为深入的调研。所涉及的企业(样本企业)分布全国各地,包括广东、福建、江西、河南、湖北、黑龙江、吉林、四川、重庆、青海、内蒙古、新疆等省区。生物质能类型的样本涉及:沼气综合工程(银鹭集团、江西国鸿集团、福建银翔集团等),生物质制沼气发电(蒙牛乳业、内蒙古赛飞亚、四川菊乐、佳宝乳业等),甘蔗渣发电(广东金岭、丰收、华海等糖业),稻壳发电(北大荒米业、金佳谷物等),鸡粪直燃发电(圣农集团等),燃料乙醇(华润酒精、广东中能酒精、吉林燃料乙醇等),生物质成型燃料(宜宾烟草),生物柴油(新赛油脂、金娇集团、重庆顺顺达石油等)。综合实地调研和文献研究,当前我国的能源生物质供应体系及物流管理存在着四个层面的问题:①战略与决策层面存在的问题:企业目标扭曲,动机不纯;在一些重大问题上静态机械的预测;前期调研中忽视人均指标;过于乐观的估计;对黑色化涉农(食品)供应链的威胁性认识不足。②物流运作与竞争层面存在的问题:实际运作中企业缺乏对生物质物流的战略性考虑;生物质原料替代用途广泛,供应稳定性差;物流成本失控,严重侵蚀利润;生物质收购和供应管理整体上较为粗放。③物流环境与体制方面存在的问题:国家生物质物流政策的缺失;生物质物流装备问题;社会物流不发达,生物质供应物流运筹的空间有限;政府审批不合理导致的设施布置失控及风险。④供应链协同方面存在的问题:供应链源头创新不足;产业链不成熟,供应链整合度低。显然,需要从宏观政策和微观企业管理两大方面实施并行的改善和优化,以解决这些突出的问题。
2生物质能的审批机制、产业政策及配套措施的完善
生物质能产业是一种具有环境效益的弱势产业。目前,其技术、标准及行业运营经验等均不成熟,对供应体系的稳健性和效率也高度敏感和依赖(考虑到生物质补贴政策的调整的刚性)。生物质能产业的健康发展和供应体系的完善,需要综合多方的资源和支持,而政府行为则是这一幼稚产业发育初期的原始动力。
2.1监管者(审批者)自律,促进适度的排他性,避免供应体系的恶性竞争
这一策略要求项目审批要以公平合理的竞标机制(竞标获取资格)的运行,来避免生物质原料供应体系的恶性竞争。策略的焦点是约束各级监管者,使其自律,以促进适度的排他性原则的树立。从宏观上看,制定合理的生物质发电厂布点规划是保证生物质发电厂燃料有序供应的基础。从国内发展生物质发电产业较早的省份情况看,一个突出的问题是生物质发电厂布点过于集中。燃料收购区域重叠造成电厂在燃料收购上无序的竞争,导致燃料供应量不足和燃料价格飙升,影响电厂的正常运行和收益。这是一个需要引起国家及省市主管部门高度重视的问题。我们建议:对生物质能项目的审批与规划,在地区一级或省级政府应先有一个整体布局指导,然后县一级政府采用公开招标的方式来引进投资。2010年7月23日,国家发改委《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》,将全国农林生物质发电执行的上网电价,全国统一调高为0.75元/kWh(含税)。但是,即使如此,也仅仅使一部分企业变得“微利”而已。在国家发改委2010年8月下发《关于生物质发电项目建设管理的通知》的政策指引性文件之前,重复建设、争夺燃料的问题已相当严重,但我们认为,后果并非不可逆转。为保障这个“幼稚”行业的健康发展,建议政府考虑关停一部分不合理的、不具实力的在建项目作为重要的调控选择。这是一种补救之策,否则在现有的原料价格、电价和补贴格局下,布点集中区的生物质发电企业,极可能陷入不死不活的尴尬境地。而且,考虑到生物质能发电今后的长远发展,必须将生物质能发电项目在空间布局上安排得更疏(注:现时规定150km范围内只应布局一个规模不超过30MW的生物质能发电厂),以形成原料充分供给的局面,抑制原料价格剧烈上涨。2010年10月,国电集团与黑龙江桦南县政府,就拟投资2.95亿元合作开发生物质热电联产项目(2台15MW机组)签订框架协议。国电集团要求桦南县政府承诺保证在项目建设所在地45km半径内不再引进第三方上相同或类似项目,这是一个可喜的改善。但此类做法需要以更制度化、正式化和契约化的形式小心进行,以避免“政府换届而继任班子不认账”等风险情况的出现。
2.2尽快出台生物质与化石能源混燃的政策
生物质发电主要有直燃、气化发电、与煤混燃等类型。采用“纯”生物质能模式,一度广受认可。而我们的案例研究显示,国内近4年间投产的生物质发电项目中,以生物质与煤混燃的项目总体表现最佳,运营稳定、效益较好。但是,国家对生物质掺混比例有限制。建议尽快出台生物质与化石能源混燃的明细政策。再就是混燃比例的监督、计量及确认问题。这也需细化,以防止变相恢复“脏、乱、差”的小火电。
2.3行政力量、舆论造势、农户觉醒与市场机制的四轮驱动
保障生物质原料的可供性,需要吸纳各方力量,通过综合治理和管理来达成。目前国内已投运生物质发电厂,其所在地的政府大多制定了禁止露天焚烧生物质秸秆的政策。但是,仅靠行政命令,堵而不疏,并非长久之计。要真正地解决此问题,必须是“政府助力、舆论塑造、农户觉醒与经济利益”的四轮驱动、协调互动,才能在社会理性的角度达到经济效益和社会效益的帕累托最优。以农作物秸秆发电为例。首先,政府应在秸秆转化利用上应发挥先导性作用,将其纳入发展循环经济和可持续发展的大局中全盘考虑,给予相应的资金补助,并给相关企业相应的政策支持和引导。其次,生物质发电企业自身也应大力进行宣传,提高广大农户的环保意识,并充分考虑农户的合理利益,引导和鼓励农户自觉地将秸秆出售,真正做到企业(电厂)、农户、政府和社会各方获利。总之,各个企业和各种经济组织是这项工作的主体,这个问题的解决最终依赖于市场机制的发挥,而只有能获得实际的效益,他们才有动力。
2.4资金流融通与生物质绿色通道政策
目前各省与生物质发电相关的用于运输和储存生物质农业机械并未被列入农机补贴;此外,以能源林、沙生灌木等林业剩余物为燃料的生物质电厂,难以按照目前的“秸秆综合利用项目”获得退税补贴。从资金流的角度看,目前,一方面要切实落实国家规定的有关生物质能的税收、信贷、市场准入等方面的政策措施;另一方面,应该因地制宜,由各部门协调出台旨在鼓励多方合作的政府补贴、税收减免、减息或无息贷款、专项发展基金等区域支持政策。王雅鹏等研究认为[2],不仅要给予生物柴油和燃料乙醇加工企业一定的政策补贴和税收优惠,更重要的是要给种植能源作物的农民以适当的补贴。同时,大力引导各种投资主体参与生物质能产业发展,发展资本构成多元化的生物质能创业投资。最终,减少生物质能的资本瓶颈和价格劣势,增强其长期竞争力。鉴于生物质大多分布于地域广大,或边远和经济落后的农牧业和中西部地区,其物流基础设施相对薄弱;可考虑将目前政府实施的针对农产品龙头企业的优惠政策,包括农产品“绿色通道”政策,运用于生物质收集储运环节;或者出台政策,补贴和奖励秸秆收购组织,以降低全社会的生物质物流成本。
3生物质能企业供应物流管理优化的策略与途径
3.1加强组织的战略视野和物流敏感度
生物质能企业要在日益不确定和动态的环境中求得成功,需要加强组织的战略视野,并能系统的考虑影响其供应稳定性的因素。
(1)战略监视功能。即监视区域内能源价格长期变动趋势和特点。在产品端,生物质能作为一种新能源,长期要与常规能源及其他可再生能源进行竞争。虽然常规能源价格不断上涨,但是与生物质能相比,仍具有低价竞争优势。在市场上的仍占有相当的地位,对生物质能的发展构成很大的冲击和威胁。而生物质能源技术还处在小规模生产阶段,产品成本要较矿物质煤的成本高,市场竞争力差。
(2)物流敏感性。对生物质原料的刚性的、均匀的需求与其季节性供给之间存在着矛盾。鉴于生物质原料除了能源用途以外的竞争性用途,生物质能企业需要对生物质市场(虽然是一个幼稚的不成熟的市场)保持高度的物流敏感性,密切监测和评估原料市场变化对供应数量、时间、质量及长期稳定性的影响,并采取竞争性应对措施。
(3)生物质能企业在前期要做好生物质资源的调查和评估工作,科学编制项目规划。既要认真分析在不同的收购价格、运输成本和储存成本等条件约束下,生物质原料的可供性;还应重视对社会资本(人伦资本)等软性优势的利用,以配合和促进生物质原料的供应管理。加拿大英属哥伦比亚大学(UniversityofBritishColumbia,Canada)的JamesD.Stephen,WarrenE.Mabee等(2010)的研究显示,通过良好的物流运筹,可以输送数量充足的林基木质纤维素(Lignocellulosic)生物质,从而使第二代生物燃料设施显着地比第一代设施更大。
(4)大力推进农业产业化经营。现代生物技术首次将能源业与农业联系在一起。美国加州大学柏克莱分校(Berkeley)的生物能源分析专家HeatherYoungs和CarolineTaylor(2011)指出,如果不考虑能源农业这一角色,那就无法准确地反映农业的未来[3]。今后,对于燃料乙醇和生物柴油等类型的规模化和产业化而言,更主要的是采取能源农业的形式来满足原料供应。实践中,特别对于那些由在位能源企业(石化、发电、电网企业)前向一体化发起,而形成的生物基型涉农供应链,企业不可避免的进入(或涉及)到一个原先陌生的领域———农业。鉴于我国国情,生物质能企业仍需要以农业产业化经营方式来维持和提升其能源农业的绩效。
3.2基于关系管理的可动态重组的经纪人队伍的构建
在我国,土地租赁规模及其他条件的限制多,也很复杂。我国大部分地区是以农户为农业生产单位,户均耕地面积很小,因而户均秸秆可获量仅为2~3t。据此推算,以一个2.5万kw的秸秆发电厂每年消耗秸秆20万t为例,需要从近10万农户中收购秸秆[4]。并且,在我国大部分地区农作物还分两季种植,这就意味着每年需要完成近20万笔秸秆收购交易,无论对收购组织还是收购成本控制都是大考验。由于生物质(特别是农林秸秆等)的种植区域分布广泛,其所有权分属千家万户,由企业直接向各农户采购需要投入大量的人力物力,且效率很难得到保证。根据国内已投运生物质发电厂的经验,在农作物秸秆燃料的收集方式上,较为有效的办法是采取燃料收购经纪人代购的方式:即由企业与相关企业或个人签订燃料代购协议,燃料代购企业或个人按照协议的约定,保质保量地按时向电厂提供燃料。这就要求加强供应商的培育,加强经纪人的筛选及关系管理,促进经纪人队伍的形成和结构的动态重组。当然,为规避原料收购的风险,在条件合适的地方,生物质发电企业可考虑采用第三方物流.第三方物流是由物流劳务的供方与需方以外的第三方通过整合物流提供商的各种已有的资源为物流需求方提供物流运作、管理、咨询策划等活动,从而达到降低物流成本、提高物流效率的目的。
3.3提前参与,并行操作与窗口期突击
在生物质能行业目前一般的运营理念中,生物质通常被看作成某一主产品系统的某种既定的、历史性的输出(产物)。这一理念加重了生物质管理的滞后性和被动性。而“提前参与”策略,意味着可以用主产品管理的视角,来看待生物质的生产,并从全生命周期的角度去理解和把握生物质的生成过程和结构,从而施加提前/早期干预,以提高生物质物流管理体系的效率。跟这一策略相关联的另一策略是“并行操作”,也即将主产品的收获(处理)与生物质的收集(或处理)并行进行。本项目组在广东调研发现,一些制糖企业实施生物质发电项目时,利用甘蔗叶的收购与甘蔗榨季周期的同步性,将燃料的收集与甘蔗砍运同步处理。利用已较为成熟的甘蔗收购系统来完成生物质的收购,这是一个重要的经验———特别对农业产业化龙头企业而言。对于生物质收获“窗口期”,可以界定为:在同一地域上前一批次主产品收获(或农事)与下一批次农作物播种(或农事)之间的时间间隔。理论上,在“这一时段”内随着主产品的收获,生物质的收集和处理可随之展开。实践中,不同的生物质,不同的生物质利用方式,所面临的“窗口期”是不同的,可谓长短不一。在我国大部分地区种植业是一年两季,在两季之间往往要进行抢收等工作。如在我国某些地区,小麦、油菜收获后,接下来就要栽种水稻,如果对麦秆等生物质采用机械耕翻,需增加成本,而人工收集的时间长,鉴于农事不等人,许多农户觉得不如一把火烧掉来得省事。而在另一些地区,收集时间存在的矛盾更难以解决:农业生产季节性、周期性强,换种期短,换季时茬口很紧;如果不把上一季的秸秆处理掉,就会误了下一季茬口;为了腾地换种,甚至要求生物质在10天左右时间完成收集和储存。较早前,有诸多学者曾考虑过现场/就地(On-field)储存生物质的方法[5]。表面上,这一方法有其低成本的优势。但是,生物质损失较大,水气和湿度难以控制和削减到一个期望的水平,并导致生物质电厂工艺装置潜在的损坏。此外,还存在健康和安全问题(孢子、真菌和自燃)[6]。最后,农民基于为下一轮作物种植而平整土地的考虑,可能并不允许这种储存方式[7]。综合起来看,On-field方法现实实用性的局限,更加凸显窗口期突击的紧迫性。从经济意义上,窗口期意味着最大的时长和约束;也意味着在这一时段内,如果生物质不能及时有效的收集,那么它将面临转移、灭失和价值减损、管理困难等后果。“窗口期突击”策略,意味着一种均衡考虑后的“并行”处理,还意味着劳动力和设备等收储资源的集中调度使用。就常态而言,需要企业的生物质原料管理组织在平常保持适量的人手和资源,而在旺季时却具有广泛的动员能力。
3.4消减信息不对称性的契约追加与契约绑定
在同一涉农供应链的多种业务中,如果主产品与生物质具有技术上和物质上的特定联系,也具有管理上的相关性,那么可以考虑实施契约追加与契约绑定策略。所谓契约追加,是指形式上,在签订完主产品契约的基础上,进一步追加签订生物质契约。所谓契约绑定,是指在内容上确定两类契约相互依存和制约关系。这一策略虽然有降低交易费用的功能,但其实质目的是通过双重契约来降低交易中的信息不对称性,并促进和保障契约的实施。这一策略有特定的适用范围,即那些由某些类型的涉农龙头企业发起和导入的生物质项目中,涉农龙头企业可以将两类业务所涉及的合同统一管理。通常,农业产业化涉农龙头企业的农产品供应管理中(特别是在“公司+农户”模式),会对供应链上游的农牧生产和种养情况、往年历史资料、农业结构等诸多问题进行认真的调研、核实和监控。而生物质能业务,建厂最大的风险在于燃料供应的稳定性;因而资源调查核实也是选厂最重要的条件之一。综合起来看,两类资源的管理间存在的密切联系,是实施这一策略的重要前提。
3.5生产系统面向供应物流体系适应性的改造
Mitchell等(2010)研究指出,在一个特定的区域,某一单一类型生物质原料在数量和供应可靠性通常不足以支撑生物质能企业经济地运行,因此,使用多种类型的原料就显得很必要了[8]。就中国的现实状况来看,那些在原先的规划中,仅侧重单一或少数几类生物质资源的生产系统,运营绩效大都很差。实际投产后,这些企业不仅大大突破了通常认可的最佳(经济合理)的收购半径,而且饥不择食的争夺各类生物质;但是,这种物流策略的被迫改变,在缓解/改善生物质原料供应稳定性和持续性的同时,却不可避免地损害了生产系统的稳定和效率,因为生产系统原先是对应单一生物质资源而设计的。在当前生物质收集复杂困难、价格波动极大的局面下,考虑到这种系统性的影响和联系,生物质能企业必须实施面向供应物流体系适应性的改造。
关键词：蛋白质-蛋白质对接；分子动力学模拟；蛋白质-蛋白质相互作用
Abstract：Proteinsthatplayacriticalroleinmanycellularprocessesoftenperformtheirfunctionsbyinteractingwithotherproteins.Therefore，thestudiesofprotein-proteininteractionsarevitaltoexploringtheessenceoflife，understandingthemechanismofdiseasesanddevelopingnewdrugstoimprovehumanhealth.Withthesustaineddevelopmentofbioinformatics，moreandmorecomputationalmethodshavebeenappliedtostructuralandfunctionalresearchofproteins.Protein-proteindockingandmoleculardynamicssimulationarebothwidelyappliedtothestudiesofprotein-proteininteractions.Thisarticlereviewsthetheoryofcomputationalmethods，softwaresandtheapplicationinprotein-proteininteractions.
Keywords：Protein-proteindocking；Moleculardynamicssimulation；Protein-proteininteractions
众所周知，蛋白质在生物进程中扮演着重要的角色。蛋白质通过与其他生物大分子（如蛋白质，DNA和RNA）相互作用介导细胞内各种重要的生理过程，如基因的复制、转录、翻译以及细胞周期调控、信号转导、免疫反应等，其中，蛋白质-蛋白质相互作用尤为常见。因此蛋白质-蛋白质相互作用的研究有助于人们探明其细胞内功能，从而了解各种疾病发生机制，为进一步的新药研发提供帮助。目前为止，研究蛋白质-蛋白质相互作用主要有酵母双杂交、免疫共沉淀、亲和色谱、质谱、核磁共振等多种实验方法，这些技术为蛋白质相互作用研究做出了重要贡献，积累了宝贵的数据资源。
随着计算机处理能力的不断提升，生物信息学的理论模拟方法得到迅速发展和广泛应用。生物信息学整合数学，物理，化学，信息学等众多学科的优势，以计算模拟手段进行生物学相关研究。自Janin和同事们[1]首次运用自动化对接算法预测牛胰蛋白酶抑制剂-胰蛋白酶复合物3D结构至今，蛋白质-蛋白质对接领域已取得很大进步。该方法常用于蛋白质结构及功能研究，分析配体与蛋白质间或者蛋白质-蛋白质间的相互作用模式，便于研究者从原子水平探究受体-配体间作用机制。分子动力学模拟在诞生至今的几十年中不断随着计算机软硬件技术的快速提升而愈加发展完善，已经成为研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构和动力学特性的重要工具。本文将对蛋白质-蛋白质对接和分子动力学模拟的基本原理及其在蛋白质间相互作用研究中的应用进行简要概述。
1蛋白质-蛋白质对接
准确的蛋白质-蛋白质复合物结构是进行蛋白质-蛋白质相互作用研究的基础。然而，通过实验方法测定蛋白质-蛋白质复合物结构比测定单个蛋白质更加困难。随着计算机水平的不断发展，人们开始希望用计算模拟手段来预测蛋白质复合物的真实结构，并希望从原子层面来分析蛋白质-蛋白质相互作用的内部机制。蛋白质-蛋白质分子对接是一种常用的方法。它是指利用两个单体蛋白质的三维空间结构，来预测蛋白质-蛋白质复合物结构。解决蛋白质对接问题有两个关键因素：打分函数和搜索算法[2]。打分函数应能够区分出正确的或近似正确的蛋白质对接复合物，而且搜索算法需严格地探索由相互作用的蛋白质形成的巨大构象空间。
1.1打分函数蛋白质-蛋白质对接可以被归类为一个全局最优化问题，其主要目的是找到蛋白质分子间最稳定关联结构。使用打分函数是准确评估结合蛋白间的相互作用所必需的。打分函数有两个作用：构象采集和母板选择及精制。打分函数的根本目的是从错误的对接取向中区分出正确或近似正确的对接取向。打分函数主要有两种类型：基于物理原理的函数和基于实验知识的函数。通常，基于物理原理的能量函数用分子力场如CHARMM[3]和AMBER[4]描述蛋白质-蛋白质相互作用。
打分函数可能包括几何学与化学的互补，静电力、范德华力和氢键的相互作用以及解相关能量项。最常用的打分函数是形状互补。经常将形状互补与FFT算法联合应用于详尽的全局搜索。静电场在带电粒子或极性分子间的相互作用中扮演着重要角色。泊松-玻尔兹曼方程常被用来解决从原子水平获得溶剂化生物分子系统的静电电位问题。打分函数包括了极其重要的离散和核心相互作用，通常用范德华力相互作用来描述。
1.2搜索算法搜索算法的主要目的就是在势能图上定位最稳定的状态。对接复合物可能解的构象搜索可通过两种不同的方案执行。第一种方案是进行全空间搜索，第二种是随机地或按一定顺序只搜索局部空间。快速傅里叶变换是最为著名的用于全空间的搜索算法之一。Katchalski-Katzi[5]和助手首次将快速傅里叶变换法用于蛋白质对接，确定受体配体间几何契合。该方法被应用于许多程序，如GRAMM[6]，FTDock[7]，3D-Dock[8]以及ZDock[9]。局部搜索算法包括模拟退火，蒙特卡洛法及遗传算法等。Vieth和助手们[10]发现分子动力学法最适于进行大空间搜索，而遗传算法比其他算法更适合进行小空间搜索。大多数情况下，蒙特卡洛算法和分子动力学算法都用来进行蛋白质柔性处理。
1.3对接过程蛋白质-蛋白质对接一般通用的过程包括：①尽可能多的从全局或局部搜索中生成对接复合物；②筛选和评估复合物；③精制和重排。这三步可被细分为更多步。第一步完成刚体的全局搜索，尽可能多的生成对接蛋白质-蛋白质构象。在第二步中，采用生物或实验信息和打分函数来扫描并评估第一步得到的对接复合物。错误对接复合物的得分比接近X射线结构复合物的得分高是很常见的，许多得分高的结构并不实际存在。应过滤掉这些不实际存在的结构，将剩下的对接复合物进行评估。第三步涉及到侧链及可能骨架的柔性。柔性处理时主要进行重排侧链。
2分子动力学模拟
分子动力学模拟是一门利用经典力学来模拟大分子体系运动的方法，它综合了数学、统计物理、化学、计算机等多门学科的内容。分子力场是分子动力学模拟的基础。它采用简单的函数来描述分子能量与结构之间的关系。分子力场的基本函数形式包括了原子之间的成键相互作用与非键相互作用。非键相互作用主要包含了范德华力与长程静电力。
2.1分子动力学模拟过程分子动力学模拟的步骤主要包括了四步：第一步是确定初始构象，初始构象尽量选越接近模拟系统的结构越好，通常是能量较低的构象。通常采用分子力学方法对其构象进行优化；第二步平衡相过程，在前一步中已经确定的模拟体系将进行平衡相过程。在构建平衡相的过程中，须对其构象以及温度等参数进行调控并加以监控，还要判断体系是否已经达到平衡；第三步生产相过程，模拟体系中的分子以及构成分子的原子开始根据初始速度运动，此时根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算，并从这个过程中抽取计算分析时所需要的数据和样本；第四步将对计算结果进行深入分析处理。
2.2研究进展及常用软件Tajkhorshid等成功的模拟了水分子通过不同通道亚型的过程[11]。Xu等在水溶液和磷脂双层中对β淀粉样多肽进行了多次长时间分子动力学模拟，发现在生物膜和有机溶剂中以α螺旋为主，在水溶液中则以无规则卷曲为主[12]。京都大学医学研究科的岩田想[13]成功分析了存在于细胞的，负责将物质运送到细胞内的一种蛋白Mhp1的构造，运用该结果通过在计算机上模拟，在分子层次上弄清了Mhp1将物质运往细胞内的机制。
目前，用于分子动力学模拟的软件越来越成熟。较为常用的主要有：GROMACS，NAMD，AMBER，CHARMM，TINKER、LAMMPS等。GROMACS[14]是用户界面友好的分子动力学模拟软件，模拟中的参数条件和基本功能已经趋于成熟，里面包含多种力场，非常适用于模拟生物大分子这种复杂体系。同时由于其速度快，在非生物体系统中也得到了广泛的应用。AMBER[15]不仅是一个程序，而是包含了从体系准备到动力学模拟，再到轨迹分析等一系列程序的集合。同时，AMBER还是一系列力场的名称，这些力场涵盖了蛋白质、核酸、糖类、脂类等众多生物大分子。NAMD同样适用于模拟计算蛋白质、核酸等生物大分子体系，而且并行计算效率非常高。
3展望
目前，蛋白质分子对接及分子动力学模拟等计算手段虽然已广泛用于蛋白质-蛋白质间相互作用的相关研究，但还是存在一些值得改进的地方。例如，蛋白质-蛋白质对接过程中，蛋白质柔性的相关处理，构象搜索的合理性及打分函数的准确度；分子动力学模拟中力场的种类和所研究体系的匹配度等。随着计算机技术不断的发展，这些生物信息学方法有待进一步优化和相关软件需要进一步完善，从而使其更适用于蛋白质等生物大分子的模拟研究。总之，将生物信息学方法与传统实验手段相结合来进行蛋白质间相互作用等生物大分子体系研究，是一条有待进一步发展的有效途径。
参考文献：
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[关键词]生物质废弃物；固态发酵；发酵工业
中图分类号：TQ920.5文献标识码：A文章编号：1009-914X（2017）13-0216-01
自20世纪末开始，环境恶化变得愈发严重，利用可回收再利用的资源加以技术手段，将具有再利用价值的生物质废弃物进行发酵处理，可以生产富含有益菌的发酵饲料或酵母培养物饲料，重新生产出的新型饲料能够替代精饲料，这种富含有益菌的生物活性饲料同时具备抑制或消灭细菌病毒的作用，缩减了抗生素饲料的生产及应用。当前进行发酵生产所采用的酒糟、豆粕、棉粕等也是其他轻工业生产活动所产生的废弃物，这类废弃物的处理也令相关产业十分头疼。为求进一步的降低多生产环节之间的成本，充分提高废料再利用的价值，提高资源的利用效率等等要求，推动着生物质废弃物发酵生产技术不断发展。
我国是农业大国，粮食生产工艺有着深远的历史，酿酒行业及粮食油脂压榨都具备相当完善的工艺及生产规模。生产产生的酒糟、豆粕、棉粕生物质难以长久保存，并且对储存h境的要求极高，非常容易发生腐烂变质，一旦发生腐败会对周边的环境造成污染。对此类生物质废弃物进行发酵处理，能够生产新型饲料，不仅解决了此类废弃物的处理问题，还提高了生物质原料的附加值。
一、固态发酵法
固态发酵这一技术伴随着人类的发展，也是人类利用微生物进行生产加工的历史证明。而固态发酵所指的常规环境要求培养基为固态，并且水分含量较充足，但不能够存在流动水，在这种环境中微生物会产生并促进发酵发展。在这一过程中，微生物的生成、发育伴随着分泌酶、分解固态底物的全过程。随着这一过程的发展，固态底物的物理性质、化学性质还会影响微生物的生长。微生物在特定条件下分解固态底物，影响分解效率因素主要有以下几点：（1）主要微生物产生的分泌酶种类；（2）微生物的生长效率及利用酶分解固态底物的效率；（3）酶与固态底物、水解产物的消耗效率；（4）酶扩散的效率；（5）固态底物与酶的反应面积；（6）固态底物的表面均匀程度；（7）最终产物的反馈抑制；（8）酶动力学等。
二、固态发酵反应器
时至今日，固态发酵反应设备，已经出现了多种形式（转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式等）。通过对发酵基质的运动形式能够粗略的划分为：（1）动态固态发酵反应器；（2）静态固态发酵反应器两种。
当前的动态固态发酵反应器应用较为广泛，大多为设备具备机械搅拌功能的容器式反应器。以转鼓式的固态发酵反应器为例，多采用圆柱形的封闭容器安置于机械转动系统之上，此类转鼓式的发酵器其转动系统的转动效率通常为1～16或188rpm，因为发酵作用常常会产生一些易燃易爆气体，这类气体多伴随膨胀物理变化，所以在固态发酵反应器上基本都设置了进出气系统。因为发酵反应对水分的要求较为严格，所以为了避免容器外富含杂菌的水气进入装置内，导致发酵变质，常常利用浓硫酸对进入罐体的空气除水。而静态固态发酵反应器多应用在实验室中，大多是将反应器容器放在恒温箱中，通入饱和空气，为固态发酵提供特定的空气、温度条件，在这种环境之下，科研人员能够方便地测控相应的影响因素进而分析并优化发酵过程。
三、固态反应器的创新
传统的化工设备对于固态发酵反应的传质、传热过程采用的主要手段为机械辅助传动，这种传统物理传动模式不会带动发酵反应气相的改变，操作相对稳定且具有连续性。进行机械传动是为了进一步的促进生物质基质颗粒与菌种、空气能够充分的混合，一定程上的提高了发酵效率，但这种机械发酵翻动常常会破坏发酵过程中生长出的菌丝，菌丝发生断裂会影响菌类的发酵作用。随着技术的发展，由固相翻动逐渐转为气相翻动的新发酵工艺设备方案已经成为了新的发展方向。
利用带压气体分子的侵入性及脉动特性能够改变颗粒的扩散形式转变成对流扩散，这就能够令菌体在设备周转环境下稳定地生长，并且在精准控制温度、湿度的基础上提供保证适量氧气的供给和二氧化碳的排出优化固态发酵反应过程，并且通过改变气体供应的速度调节生物质堆积状况，籍此松动固态颗粒。压力脉动固态发酵反应器的构造非常简单，并且便于密封，在发酵的过程中能够尽可能的避免杂菌污染，改变气相所采用的风机动力需求也很小，利用压力脉动的固态发酵反应器功耗较传统机械运作反应器更小，发酵过程的控制也更严密。这种新型的固态发酵设备能够产生更多的发酵产物，就生物质废弃物的固态发酵而言，该固态发酵反应器就能够提供更多的生物活性物质，效率高，且能耗也更低，能够满足新时代、新时期的新要求。
四、总结
传统的固态发酵技术普及程度高，工艺及装备粗糙，发酵过程相对难以把控。随着技术、装备的发展，传统固态发酵反应器已经显露出疲态，利用新技术改进优化后的生物质废弃物固态发酵工艺及设备，综合性价比更高。在新时期，为求充分利用废弃物，科研工作者在充分了解发酵原理的情况下，利用固态发酵反应器生产更多的生物活性的同时也要注重降低生化过程的成本，才能够实现并促进固体废弃物资源化利用健康并和谐发展。
参考文献
[1]海，孙君社，张东，石坚，刘萍.生物反应器操作参数对秸秆固态发酵酒精的影响[J].中国酿造，2005，05：18-20.
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