微生物學專業(yè)-《微生物工程》課程考試試卷-副本

江西農(nóng)業(yè)大學《微生物工程》課程考試試卷姓名：學號：學院及專業(yè)：考試日期：2015.01.15試卷所需時間：120分鐘開卷試卷總分：100分加強對生物質(zhì)能的利用已經(jīng)成為各國解決目前所面臨的能源危機和環(huán)境污染問題的一項重要的解決辦法。請你論述下發(fā)展生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略地位，以及目前國內(nèi)外生物能源技術的研究進展和利用現(xiàn)狀，并進一步分析生物能源技術面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢。（25分）掠奪性的資源開發(fā)利用，肆無忌憚的環(huán)境影響破壞，最終會導致資源能源的消耗殆盡，氣候的變化無常。能源問題己經(jīng)上升到了國家安全的角度，“能源危機”促使眾多發(fā)達國家把目光轉(zhuǎn)向可再生能源的開發(fā)和利用方面，海洋能、風能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源產(chǎn)業(yè)得到了更多的關注。但在可再生能源中，由于核能、太陽能、地熱、風能，或因技術限制、或因區(qū)域性資源限制等原因發(fā)展緩慢；生物質(zhì)能卻以資源豐富、生態(tài)環(huán)境友好受到重視，其中又以生物柴油作為最直接替代化石能源的生物質(zhì)能為代表。因此生物質(zhì)能源的大力發(fā)展，對我球能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。自然界的生物質(zhì)包括種類豐富的物質(zhì)資源和基因資源，以及數(shù)量可觀的可回收利用資源。各國根據(jù)本地區(qū)不同的生物質(zhì)資源和技術優(yōu)勢，選擇了不同的生物質(zhì)資源研究重點，并處于不同的技術發(fā)展水平。國外生物質(zhì)資源研究情況：AngeloBressan和Elisiocontini對巴西甘蔗、食糖和乙醇的生產(chǎn)、出口和消費進行了探究。Keijiohga和TatsujiKoizumi選取中國的生物乙醇項目、馬來西亞的生物柴油項目、日本的生物乙醇項目，建立經(jīng)濟學模型分析了中國燃料乙醇項目對世界玉米市場的影響、日本生物燃料乙醇進口對巴西和世界食糖市場的影響，闡述了“亞洲生物燃料政策對世界農(nóng)業(yè)和生物燃料貿(mào)易的影響”。英國森林研究所的JimLynch從整體上分析了2005年世界生物質(zhì)燃料生產(chǎn)情況，從環(huán)境成本和收益角度分析生物質(zhì)能源政策。2007年6月，為了推進生物質(zhì)能的研究與發(fā)展，美國能源部建立了三個新的生物質(zhì)能研究中心，重點開展生物燃料的基礎研究，包括專用能源植物白楊和柳枝翟等的研究，面向生物質(zhì)改良和轉(zhuǎn)化的基因組學基礎研究，新型生物質(zhì)降解酶或微生物的研究等。國內(nèi)生物質(zhì)資源研究情況：1、生物質(zhì)氣化利用，我國從發(fā)展生物質(zhì)氣態(tài)利用一開始，就立足于我國資源的特色，發(fā)展“四位一體”模式、西北“五配套”、南方的“豬一沼一果”模式等,實現(xiàn)了以生物質(zhì)能氣化技術為核心的生物質(zhì)能綜合利用；利用秸稈氣化制沼氣項目也取得突破進展；另外,隨著沼氣技術不斷進步,沼氣工程和零部件生產(chǎn)基本實現(xiàn)了標準化，沼氣利用和開發(fā)也正在走向產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化，并進行了鄉(xiāng)村沼氣服務網(wǎng)點建設。2、生物質(zhì)液體燃料，生物質(zhì)液化應用主要產(chǎn)生用作汽油、柴油替代燃料，如燃料乙醇和生物柴油，是生物質(zhì)能源開發(fā)利用的重要方向，我國生物質(zhì)液化制燃料應用還處于初級階段。3、生物質(zhì)固體成型，直接燃燒、壓縮成型燃料。綜上可以發(fā)現(xiàn)，盡管我國在政策上采取了多種生物質(zhì)能源的推進措施。在技術上掌握了多種生物質(zhì)能源的利用方法，但無論是政策!技術還是產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上，我國生物質(zhì)能源與國外相比存在較大的差距。匡廷云(2005)等在《生物質(zhì)能研發(fā)展望》中，強調(diào)基礎研究的重要性，建議充分利用生物的多樣性篩選優(yōu)良能源植物樹種、草種；重視生物質(zhì)能源基地海洋的開發(fā)，發(fā)展水生微藻光合生物制氫等的研究。陳鵬,蔣衛(wèi)東等(2007.4)在《三種植物油及其生物柴油中脂肪酸組成的比較研究》中,通過對麻瘋樹，青刺果及烏柏三種產(chǎn)于西南的油料植物油分的理化性質(zhì)及它們的生物柴油進行GC/Ms分析，以麻瘋樹油為參照油分，對比青刺果油和烏柏油，找出適合作生物柴油油料植物油分的特點，為生物柴油油料一植物的選擇提供了依據(jù)。王莉(2009.2)在《生物能源的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景》中，闡述了燃料乙醇、沼氣、生物柴油原材料的種類，來源及生產(chǎn)工藝。楊蓓蘭(2009.5)在《替代燃料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》中，對諸如生物柴油!燃料乙醇等替代燃料的種類和特點進行分析。等國內(nèi)外生物質(zhì)能技術研究情況：1.生物質(zhì)發(fā)電技術，利用現(xiàn)代化的鍋爐技術將生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電,具有低成本、低風險、低污染、較高能效等優(yōu)越性。2.生物質(zhì)氣化技術，目前氣化技術已進入應用階段，特別是生物質(zhì)氣化集中供氣技術和中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術，由于投資較少，比較適合農(nóng)村地區(qū)分散利用，具有較好的經(jīng)濟性和社會效益。3.生物質(zhì)液化技術，目前國外在燃料乙醇生產(chǎn)技術產(chǎn)業(yè)化方面進展較快的單位主要有fogen公司、BCI公司、Arkenol公司，國內(nèi)有華東理工大學和河南天冠集團。4.生物質(zhì)固化技術，是指在高壓下通過生物質(zhì)中木素的塑化粘合把疏松的生物質(zhì)壓成密度極高的成型材料，以便利用、運輸、貯藏和高效率燃燒。5.生物質(zhì)工程技術，在生物質(zhì)工程領域，各國正在積極開展木質(zhì)纖維素分子對生物轉(zhuǎn)化的抗性一由多糖降解為可發(fā)酵糖，通過微生物代謝工程和基因工程研究利用可發(fā)酵糖生物轉(zhuǎn)化、產(chǎn)物分離三大技術。請你從過程工藝控制以及發(fā)酵設備的角度，論述下國內(nèi)外有關“工業(yè)微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大”的研究進展。（25分）在發(fā)酵過程中，要補充的營養(yǎng)劑主要是碳源和氮源。氮源是通過控制發(fā)酵液的pH值流加氨水補充，碳源則是采用流加基質(zhì)糖的方法來控制。通過流加氨水來控制pH值的技術現(xiàn)在已比較成熟；然而由于發(fā)酵過程是動態(tài)的非線性、時變性、不確定性的生化過程，發(fā)酵過程中的重要生物參數(shù)（如菌體濃度、產(chǎn)物濃度、基質(zhì)濃度）因缺乏可靠的生物傳感器而無法在線測量，缺乏精確的發(fā)酵狀態(tài)預估模型，導致實現(xiàn)流加基質(zhì)糖的在線優(yōu)化控制難度比較大。補料分配發(fā)酵過程補料流加率的優(yōu)化控制廣為人們關注，補料優(yōu)化已成為很多發(fā)酵過程的優(yōu)化控制的關鍵問題。最優(yōu)控制理論是現(xiàn)代控制理論中的核心內(nèi)容之一。其實質(zhì)是：在滿足一定約束條件下，尋求最優(yōu)控制規(guī)律(或控制策略)，使系統(tǒng)在規(guī)定的性能指標(目標函數(shù))下獲得最優(yōu)值，即尋找一個容許的控制規(guī)律使動態(tài)系統(tǒng)（受控對象）從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到某種要求的終端狀態(tài)，保證所規(guī)定的性能指標達到最小(大)值。一些學者基于發(fā)酵過程動力學原理、物料平衡原理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法建立模型，采用最大值或最小值原理、動態(tài)規(guī)劃理論以及序列二次規(guī)劃算法（SequentialQuadraticProgramming,SQP）、模糊控制理論和遺傳算法等方法進行優(yōu)化控制，取得了一定的成績。近年來，優(yōu)化算法得到了迅速的發(fā)展，許多性能優(yōu)越的算法被廣泛地應用于工業(yè)過程的在線優(yōu)化。其中利用神經(jīng)網(wǎng)絡得到過程的模型，再通過優(yōu)化算法對其進行優(yōu)化求解，是解決那些工藝流程復雜，機理不甚清楚或者物性參數(shù)難以獲得對象的過程系統(tǒng)在線優(yōu)化問題的可行之路。發(fā)酵過程優(yōu)化過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)多個相互之間具有競爭性的最優(yōu)指標，此時，單目標優(yōu)化無法實現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)，為解決這一問題，多目標優(yōu)化策略被引入發(fā)酵過程優(yōu)化控制。目前，智能優(yōu)化算法的研究成果相當分散，國內(nèi)外在相關方面的研究工作主要是根據(jù)進化的原理設計新算法，或者將現(xiàn)有算法進行部分改進，以期對特定的實際問題取得好的優(yōu)化效果。微生物發(fā)酵過程是極其復雜的生化反應過程，由于涉及到細胞的生長繁殖和產(chǎn)物代謝，其機理十分復雜，所得的數(shù)學模型常常存在比較嚴重的非線性、時變性和不確定性，給辨識和參數(shù)估計帶來了較大的困難。同時由于缺乏可靠的傳感器用于發(fā)酵過程變量的在線檢測，妨礙了數(shù)據(jù)的及時獲得。因而影響和限制了發(fā)酵過程的優(yōu)化控制，以至于現(xiàn)有的發(fā)酵過程控制系統(tǒng)大多只是采用常規(guī)的控制方法，如定值控制、伺服控制等，其目的只是穩(wěn)定操作條件，遠不能通過對過程變量如溫度、pH、溶氧和補料速率等進行優(yōu)化，以確定控制變量的最優(yōu)時間序列，使目標函數(shù)最大。隨著組學技術的發(fā)展,將各組學和系統(tǒng)生物學理論整合應用并模型化,將是獲得菌株改造、過程優(yōu)化控制和放大新策略的重要途徑,對微生物工業(yè)化生產(chǎn)也具有重要意義。三、甲醛（Formaldehyde）是重要的化工原材料，但常造成空氣和水體污染，給人們的身體健康帶來很大的威脅。因此，分離篩選出高效降解甲醛的菌株具有重要的應用價值，例如SaeedMirdamadi[WorldJournalofMicrobiologyandBiotechnology,2005,21:1299-1301.]就成功地分離到19種能以甲醛為唯一碳源的菌株。有研究發(fā)現(xiàn)，甲醛降解菌利用甲醛的途徑如下圖。如果你的導師要求你分離篩選具分解和代謝甲醛能力的菌株，并對甲醛利用過程中的代謝特征變化進行研究，請簡要敘述下你碩士論文可能的實驗思路？（25分）材料與方法1.1試驗材料1.1.11）基本培養(yǎng)基（g/L）：KH2PO40.7，K2HPO40.85，(NH4)2SO41.2，MgSO4·7H2O0.1，CaCl20.01，F(xiàn)eSO4·7H2O0.001，微量元素母液0.1mL，pH7.0，115℃滅菌30min。1.1.2土壤樣品試驗材料取自海南儋州某家具廠廢水排放口淤泥。1.2試驗方法1.2.1將少量土壤樣品置于100mL無菌生理鹽水中，加入玻璃珠震蕩15min后靜置。取15mL的上清液用針筒加濾膜過濾，將濾膜取出后置于無菌基本培養(yǎng)基中，并加入終濃度約為0.1g/L的甲醛溶液。將錐形瓶置于180rpm、30℃搖床中恒溫震蕩培養(yǎng)。將1mL菌液加入9mL無菌生理鹽水中，搖勻，制成10-1梯度的稀釋液，按梯度稀釋至10-2～10-5，從10-2～10-5梯度稀釋懸浮液中吸取0.1mL于以甲醛作為唯一碳源的基本培養(yǎng)基平板上均勻涂布，空白組加入無菌水為對照。將平板置于30℃下倒置培養(yǎng)，對單菌落進行純化培養(yǎng)，觀察平板上單菌落形態(tài)：菌落的大小、顏色、形狀、邊緣形狀等。1.4.2降解溶液中甲醛性能的測試：參照國標GB/T13197-1991的乙酰丙酮分光光度法測定，取適量待測樣品加入25mL具塞刻度試管，加ddH2O稀釋至刻度線，加入2.5mL乙酰丙酮溶液，顛倒數(shù)次混勻，60°C水浴15min，室溫冷卻1h，測波長414nm處的吸光度。根據(jù)測量降解前后甲醛OD值，考察菌株降解溶液中甲醛的性能，以水為對照。降解率(%)=(1?OD1/OD0)×100式中：OD0與OD1分別為降解前后的OD值。1.2.2菌株鑒定1.2.2.1菌株初步鑒定采用平板觀察和顯微觀察法對分離獲得的菌株進行初步鑒定。挑取少量純化后的耐受菌孢子點植于平板中央，置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)8d，觀察菌落特征；將滅菌蓋玻片插于平板上，置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4d，待菌絲鋪滿并已蔓延到玻片上后，將玻片取出于顯微鏡下觀察其菌絲和孢子特征。1.2.2.2基因組DNA提取CTAB法提取基因組DNA（吳發(fā)紅等，2009），采用rDNA-ITS序列通用擴增引物ITS1、ITS4（張志華和洪葵，2006）：5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGC-3'和5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3'。PCR反應體系25.0μL，其中，10×TaqPlusRe-actionBuffer2.5μL，dNTPs（10μmol/L）0.5μL，引物（25μmol/L）1.0μL，模板DNA2.0μL，TaqDNA聚合酶（2.5U/μL）0.3μL，純水18.7μL。擴增程序：94℃預變性5min；94℃1min，56℃1min，72℃1min，進行35個循環(huán)；72℃延伸10min。1.2.2.3DNA序列測定和系統(tǒng)發(fā)生學分析ITS序列擴增產(chǎn)物經(jīng)PCR產(chǎn)物純化試劑盒純化后進行測序分析，測序結(jié)果與NCBI的