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一、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于微生物肥料的應(yīng)用
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于微生物肥料的應(yīng)用,可以取得較好的效果。通過應(yīng)用微生物肥,可以使得農(nóng)作物的產(chǎn)量得到顯著的提升,而且?能過大幅改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì),并且降低病蟲對(duì)于農(nóng)作物生長的影響,同時(shí)還能夠調(diào)整土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),通過對(duì)微生物肥料的長期使用,能過恢復(fù)原本因?yàn)檫^度使用化學(xué)肥料而被破壞的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),解決一直存在的土壤板結(jié)問題,使得土壤更加適合農(nóng)作物的生長。
二、當(dāng)前微生物肥料所存在的問題
(一)基礎(chǔ)研究不夠先進(jìn)。
當(dāng)前微生物菌株選育以及大田實(shí)驗(yàn)增產(chǎn)原因分析依然是我國微生物肥料領(lǐng)域的主要研究目標(biāo),并且尚未能夠明確了解微生物肥料的肥效時(shí)長、微生物自身的生物學(xué)特性、微生物對(duì)植物的作用、阻礙微生物肥料產(chǎn)生作用的原因。
(二)缺乏完善的配套體系。
當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)施肥體系與微生物肥料的應(yīng)用需求之間并不匹配。對(duì)于發(fā)達(dá)國家而言,以加拿大和美國為例,其在根瘤菌接種方面掌握先進(jìn)技術(shù),并且在大豆種植方面已經(jīng)將根瘤菌接種作為常規(guī)的耕種措施,但是我國大豆根瘤菌的接種率卻少于10%。而且在水稻及玉米方面過度使用化學(xué)肥料,忽略使用有機(jī)肥料和微生物肥料,可見當(dāng)前相關(guān)配套體系依然需要予以完善。
(三)微生物菌種純度較低,且沒有足夠針對(duì)性。
不同的地區(qū)、不同的作物種類以及不同的耕作方式對(duì)于微生物肥料的施用方式和施用量都存在著一定的差異,所以只有按照對(duì)應(yīng)的情況確定最適應(yīng)的功能菌種,才能夠達(dá)到最合適的作用效果。但是就目前而言,幾乎所有的微生物肥料企業(yè)對(duì)于菌種的選育依然是使用傳統(tǒng)育種和分離篩選相關(guān)技術(shù),導(dǎo)致其無法獲得適應(yīng)性強(qiáng)、針對(duì)性強(qiáng)的微生物肥料,嚴(yán)重影響微生物肥料的實(shí)際效果。
(四)微生物肥料很難保證穩(wěn)定的肥效。
由于微生物肥料本身含有大量的活性菌株,所以菌種的種類、活性、含量等都屬于影響肥效的因素。而且土壤酸堿度、土壤溫度及濕度、微生物肥料的底物濃度等也都是影響微生物肥料肥效的重要因素。并且,由于微生物菌株本身存在一定壽命,所以在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié),微生物含量會(huì)明顯下降,進(jìn)而導(dǎo)致肥效不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。
三、針對(duì)微生物肥料存在問題的應(yīng)對(duì)措施
(一)注重對(duì)微生物肥料相關(guān)理論的研究。
在微生物肥料的研究開發(fā)方面,要積極增加立項(xiàng),引導(dǎo)相關(guān)科學(xué)技術(shù)人員深入研究微生物肥料的基本情況和應(yīng)用技術(shù),弄清微生物與土壤和植物之間的相互作用機(jī)理,促進(jìn)微生物肥料在未來健康穩(wěn)定發(fā)展。
(二)微生物肥料科學(xué)技術(shù)成果向?qū)嶓w轉(zhuǎn)化的主體就是企業(yè),所以在我國微生物肥料產(chǎn)業(yè),其發(fā)展的關(guān)鍵之處就是提高行業(yè)對(duì)于微生物肥料的自主創(chuàng)新以及轉(zhuǎn)化科學(xué)技術(shù)成果。所以微生物肥料企業(yè)需要加強(qiáng)與行業(yè)內(nèi)其他企業(yè)以及科研所與高校的合作工作,并且積極結(jié)合目標(biāo)銷售地區(qū)的氣候條件、主要栽培作物以及土壤類型等培養(yǎng)篩選最為合適的微生物品種,確定最合適的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。所以對(duì)于我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)而言,未來發(fā)展的工作重心是加強(qiáng)創(chuàng)新工作和加快對(duì)科研成果的轉(zhuǎn)化。
(三)從法律層面加強(qiáng)對(duì)微生物肥料行業(yè)得管理工作,加強(qiáng)對(duì)農(nóng)民開展相關(guān)內(nèi)容的宣傳工作。
當(dāng)前微生物肥料行業(yè)良莠不齊,所以需要從法律層面加強(qiáng)執(zhí)法力度,在提高生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量意識(shí)的同時(shí),還加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量以及市場(chǎng)流通的監(jiān)管工作,通過完善的微生物肥料質(zhì)量監(jiān)督體系,對(duì)假冒偽劣產(chǎn)品嚴(yán)格控制管理,確保進(jìn)入市場(chǎng)的微生物肥料都是優(yōu)質(zhì)肥料。而且還需要向農(nóng)民加強(qiáng)微生物肥料方面知識(shí)的普及工作,幫助農(nóng)民客觀了解微生物肥料對(duì)于農(nóng)作物及土壤與環(huán)境的好處,但是在宣傳的過程中需要確保實(shí)事求是,而不是進(jìn)行夸大宣傳,例如對(duì)農(nóng)民宣稱微生物肥料能夠完全替代有機(jī)肥和化肥等錯(cuò)誤理論,以免讓農(nóng)民面臨不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
(四)注重微生物肥料行業(yè)的創(chuàng)新和推廣工作。
要加強(qiáng)對(duì)微生物肥料的創(chuàng)新研發(fā)工作,確保培養(yǎng)出優(yōu)秀的菌株,生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。除創(chuàng)新技術(shù)之外,還需要在推廣體系、營銷措施、營銷渠道、信息管理等方面進(jìn)行創(chuàng)新,充分結(jié)合當(dāng)前的大數(shù)據(jù)以及互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì),加強(qiáng)對(duì)微生物肥料的推廣工作。微生物肥料的產(chǎn)品質(zhì)量是決定其使用范圍的重要因素之一,此外,作為微生物肥料企業(yè),還需要提高產(chǎn)品自身的適應(yīng)性與針對(duì)性,要積極集合微生物肥料的使用地區(qū)的氣候狀況、作物種類、耕作方式、施用方法、土壤類型以及施用量等確定最為合適的劑型與菌種,確定不同階段的微生物肥料施用方法,盡可能實(shí)現(xiàn)最佳的肥效,進(jìn)而逐漸增加微生物肥料的使用面積。微生物肥料對(duì)于我國土壤品質(zhì)的改良和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起著非常重要的作用。當(dāng)前我國對(duì)于糧食安全以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)工作正在不斷加強(qiáng),所以在此情形下,需要注重提高菌種的純度、有效性和針對(duì)性,深入研發(fā)新的復(fù)配技術(shù),生產(chǎn)多功能復(fù)合型微生物肥料,增加肥料的作用與能力。并且注重微生物肥料與有機(jī)肥和化肥的結(jié)合,加強(qiáng)開發(fā)有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥料,使得化肥、有機(jī)肥、微生物肥料的特點(diǎn)得到充分的發(fā)揮。
微生物肥料又稱生物肥料、菌肥、接種劑,是一類以微生物生命活動(dòng)及其產(chǎn)物導(dǎo)致農(nóng)作物得到特定肥料效應(yīng)的微生物活體制品。它本身并不含有植物生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)元素,而是含有大量的有益微生物,在土壤中或植物體上通過微生物的生命活動(dòng),改善作物的營養(yǎng)條件、固定大氣中的氮素或者活化土壤中某些無效態(tài)的營養(yǎng)元素,從而促進(jìn)作物生長并使環(huán)境中的養(yǎng)分潛力得以充分發(fā)揮,為作物生長創(chuàng)造一個(gè)良好的土壤微生態(tài)環(huán)境。
1.微生物肥料的主要種類 ①根據(jù)其作用不同,微生物肥料可分為五類:固氮作用的微生物肥料、分解土壤有機(jī)物的微生物肥料、分解土壤中難溶性礦物的微生物肥料、促進(jìn)作物對(duì)土壤養(yǎng)分利用的微生物肥料、抗病及刺激作物生長的微生物肥料;②根據(jù)組成微生物種類不同,微生物肥料又可分為五類:根瘤菌肥料、固氮菌肥料、磷細(xì)菌肥料、硅酸鹽細(xì)菌肥料、復(fù)合微生物肥料。
2.微生物肥料的作用 ①改良土壤,增加土壤肥力。通過有益菌的大量繁殖,大量有益菌在植物的根系周圍形成了優(yōu)勢(shì)種群,抑制了其他有害菌的生命活動(dòng);快速分解土壤有機(jī)物質(zhì),促進(jìn)土壤團(tuán)粒的形成,且通過有益菌的活動(dòng)能夠疏松土壤,土壤的保肥、供肥、保水、供水及透氣性都得到很好的調(diào)節(jié);分解土壤中的農(nóng)藥殘留,并對(duì)植物生長過程通過根系排放的有害物質(zhì)進(jìn)行分解。通過這些有益微生物的生命活動(dòng),固定轉(zhuǎn)化空氣中不能利用的分子態(tài)氮為化合態(tài)氮,解析土壤中不能利用的化合態(tài)磷、鉀為可利用態(tài)的磷、鉀,并可解析土壤中的10多種中、微量元素。②提高作物品質(zhì)。許多研究證明,能促使土壤中微量元素的釋放,被作物所利用,使用微生物肥料后能提高農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)在含量,如蛋白質(zhì)、糖、維生素等物質(zhì)的含量均有所提高。③增強(qiáng)植物抗病蟲能力。微生物在生長代謝過程中能產(chǎn)生許多促進(jìn)生長的物質(zhì)、多種抗生素、胞外溶解酶和氰化氫等,抑制有害微生物生長,減少病蟲害對(duì)作物的侵害,從而增強(qiáng)植物抵抗病蟲害的能力。④減少環(huán)境污染。微生物肥料不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒副作用。微生物肥料本身無毒、無殘留,且能分解殘留土壤中的化肥、農(nóng)藥,凈化環(huán)境。
3.施用微生物肥料應(yīng)注意以下幾點(diǎn) ①避免開袋后長期不用。微生物肥料不宜久放,拆包后要及時(shí)施用,如開袋后長期不用,其他菌就可能侵入袋內(nèi),使微生物菌群發(fā)生改變,影響其使用效果。②避免在高溫干旱條件下使用。微生物肥料最適施用時(shí)間是凌晨和黃昏或無雨陰天,并結(jié)合蓋土、蓋糞、澆水等措施,能夠避免微生物肥料受陽光直射或因水分不足而難以發(fā)揮作用。③避免與未腐熟的農(nóng)家肥和農(nóng)藥同時(shí)使用。這類肥料與未腐熟的有機(jī)肥混用,會(huì)因高溫殺死微生物,影響微生物肥料的發(fā)揮;與農(nóng)藥同時(shí)使用,化學(xué)農(nóng)藥都會(huì)不同程度地抑制微生物的生長和繁殖,甚至殺死微生物。若需要使用農(nóng)藥,也應(yīng)將使用時(shí)間錯(cuò)開。④配合使用農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。改善土壤環(huán)境條件對(duì)微生物的活動(dòng)和繁殖有著重要的作用。因此,土壤要采取深耕翻措施,搞好中耕,做好排澇防旱工作;還要抓好秸稈還田,增施有機(jī)肥等措施,始終保持耕作層的碳源充足和疏松、濕潤環(huán)境,從而發(fā)揮微生物肥增產(chǎn)增效的肥力作用。⑤微生物肥料施入到土壤后,有一個(gè)適應(yīng)、生長、供養(yǎng)、滋生進(jìn)程,通常15天后才能夠發(fā)揮作用,見到效果,而且長期、均衡地供給植物營養(yǎng)。⑥微生物肥料可獨(dú)自施用,但不能取代化肥,與其他肥料混合使用效果更好。
4.微生物肥料應(yīng)用研究展望 加快微生物肥料的發(fā)展是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要,在微生物肥料作用機(jī)制方面還有很多問題尚待研究探討,如菌肥在植物根部繁殖聚集的進(jìn)程;與土壤微生物的競(jìng)爭(zhēng)狀況;對(duì)土壤物理化學(xué)性狀的效應(yīng)等問題都有待進(jìn)一步研究?,F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)多功能、綜合性肥料的迫切需求,使復(fù)合微生物肥料的開發(fā)研究具有很大的潛力,同時(shí)還要進(jìn)一步加強(qiáng)微生物肥料行業(yè)管理,進(jìn)一步規(guī)范微生物肥料市場(chǎng),加強(qiáng)微生物肥料的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),重視和加強(qiáng)微生物肥料的質(zhì)檢體系建設(shè)。利用微生物技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)的微生物肥料是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)的需要,符合農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,相信隨著科學(xué)的進(jìn)步,研究、生產(chǎn)發(fā)展的需要及監(jiān)督制度的完善,微生物肥料一定能健康有序地發(fā)展,為農(nóng)業(yè)增收發(fā)揮其應(yīng)有的作用,前景將是非常廣闊的。
【關(guān)鍵詞】微生物傳感器;納米技術(shù);污染檢測(cè);環(huán)境
0 引言
由于人們?cè)谧非蠼?jīng)濟(jì)效益的同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不夠,環(huán)境污染變得突出,但傳統(tǒng)的檢測(cè)方法通常需要一定的分析技術(shù),專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室,人們需要找到一種簡(jiǎn)單,快速,便攜的方法來檢測(cè)各種有機(jī)和無機(jī)化學(xué)污染物,生物傳感器可很好的解決這個(gè)問題。根據(jù)生物傳感器中所用分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)不同,可以將生物傳感器分為:酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器。其中酶?jìng)鞲衅骱臀⑸飩鞲衅餮芯康米疃?,?yīng)用也最為廣泛。本文主要介紹微生物傳感器的發(fā)展及其在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用。
1 微生物傳感器的發(fā)展過程
微生物傳感器是指利用一定的固定化方法將生物敏感元件(對(duì)特定污染物有感應(yīng)能力的微生物菌株)與具有信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的介質(zhì)相連,并借助一定的設(shè)備將信號(hào)放大輸出。由于微生物傳感器的核心部分是具有生物活性的微生物細(xì)胞,而微生物在其數(shù)量、大小、繁殖、遺傳改造等方面均具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),因此可以滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)中快速簡(jiǎn)單、原位、低成本的要求。
1975年Devis[1]制成了第一支微生物傳感器。在微生物傳感器研制中最關(guān)鍵的是微生物的固定技術(shù),固定后的微生物應(yīng)盡可能保證細(xì)胞活性和避免細(xì)胞從膜中流失,以延長微生物傳感器的使用壽命,傳統(tǒng)的生物材料固定方法包括物理吸附、共價(jià)鍵合、交聯(lián)到一定的載體基質(zhì)上或包埋于有機(jī)聚合物的基質(zhì)中,然而這些方法都存在穩(wěn)定期短和固定時(shí)引起微生物的損傷等缺陷。
納米技術(shù)的出現(xiàn)提供另一種更好的固定方法,納米管與聚合物復(fù)合材料用于電化學(xué)傳感具有很多優(yōu)點(diǎn),如制備簡(jiǎn)單,易于制成同一厚度的膜等,可以有效地提高生物傳感器的重現(xiàn)性。導(dǎo)電聚合物(如聚吡咯、聚苯胺、聚嚷吩等)制成的導(dǎo)電聚合物膜具有良好的導(dǎo)電性,易于電子在生物活性物質(zhì)與電極之間傳遞,可用于制作第三代生物傳感器。10年前已經(jīng)出現(xiàn)的微生物燃料電池((Microbial FuelCell,MFC))技術(shù)正進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,這些進(jìn)步均有助于促進(jìn)了微生物傳感技術(shù)的發(fā)展。
2 在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
2.1 大氣檢測(cè)
SO2是酸雨酸霧形成的主要原因,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很復(fù)雜。 Sasaki(1997)將一種氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)制成微生物傳感器,可以監(jiān)測(cè)酸雨中的硫酸鹽。王曉輝等[2]分別以氧化硫硫桿菌和多功能硫桿菌為分子識(shí)別元件,制備了硫化物和亞硫酸鹽微生物電極,實(shí)驗(yàn)證明,電極的響應(yīng)時(shí)間為3~6分鐘,以氧化硫硫桿菌為分子識(shí)別元件的電極選擇性好,它對(duì)S2-的線性范圍為0.06~3.0mg/L,對(duì)SO32-的線性范圍為0.7~32mg/L。但對(duì)于此類傳感器后續(xù)報(bào)道不多。此外還有用于NO2檢測(cè)的微生物傳感器[3]。
2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)
2.2.1 BOD檢測(cè)
生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand)簡(jiǎn)稱BOD,是水體中微生物分解有機(jī)物的過程中消耗水中溶解氧的量,以mg/L表示。BOD的測(cè)定對(duì)控制水體污染具有更重要的意義,傳統(tǒng)測(cè)定BOD的方法需要5天,用傳感器測(cè)定只需十幾至幾十分鐘,胡磊等[4]采用接枝二茂鐵為介體的微生物傳感器測(cè)量污水的BOD。結(jié)果表明,傳感器的線性范圍為2~300mg/L,連續(xù)測(cè)量20個(gè)樣品的精密度為4.2%,能連續(xù)工作35天。通過對(duì)實(shí)際水樣的測(cè)試表明,測(cè)得的BOD與BOD5,具有良好的相關(guān)性。
雖然微生物電極法可縮短測(cè)定時(shí)間,但微生物固定化膜的制作工藝復(fù)雜且容易污染,同時(shí)單一菌種底物利用范圍有限,在一定程度上限制了微生物電極的使用。近年來,人們利用從污水和活性淤泥中富集的電化學(xué)活性微生物,構(gòu)建了多種有介體或無介體微生物燃料電池,同時(shí)發(fā)現(xiàn)電流(電壓)或電子庫侖量與電子供體的含量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此微生物燃料電池能用于某些底物含量的測(cè)定,如廢水BOD[5]以及有毒物質(zhì)[6]等,其中用于廢水中BOD測(cè)定的研究最為成熟。
2.2.2 重金屬檢測(cè)
重金屬污染廣泛存在于環(huán)境中,它能通過生物富集作用對(duì)動(dòng)植物及人類產(chǎn)生危害。利用分析化學(xué)方法檢測(cè)重金屬離子對(duì)其生物危害缺乏直接檢定,生物傳感器檢測(cè)重金屬離子吸引了越來越多的研究興趣。
發(fā)光微生物傳感器是目前生物毒性測(cè)試中研究最多的微生物傳感器之一。最常用的生物發(fā)光系統(tǒng)是用于水體毒性實(shí)驗(yàn)的Microtox法評(píng)價(jià)。早在1995年國家環(huán)境保護(hù)總局就頒布了水質(zhì)急性毒性的測(cè)定發(fā)光細(xì)菌法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。李書鉞[7]以明亮發(fā)光桿菌作為指示生物,研制的傳感器將可同時(shí)分析Pb2+、Cr6+、Cd2+、Hg2+、Cu2+對(duì)發(fā)光細(xì)菌的毒性作用,該傳感器與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法具有較高的相關(guān)性。
Wang等[8]采用嗜冷桿菌(Psychrobacter sp.)微生物傳感器毒性分析系統(tǒng),對(duì)Hg2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Cd2+、Pb2+、Co2+等重金屬和鄰氯苯酚(2-CP)、2,4-二氯酚(2,4-DCP)、鄰硝基酚(2-NP)、對(duì)硝基酚(4-NP)、四環(huán)素、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)等有機(jī)物的生物急性毒性進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于對(duì)數(shù)生長后期和穩(wěn)定期的嗜冷桿菌微生物傳感器具有良好的毒性分析性能。Amaro等[9]則以四膜蟲(Tetrahymena thermophila MTT1、MTT5)金屬硫蛋白激活子的真核生物熒光素蛋白基因作為信號(hào)載體,開發(fā)全細(xì)胞生物傳感器,其檢測(cè)重金屬離子的靈敏性可與原核生物相當(dāng)。
基因工程微生物在重金屬離子檢測(cè)方面也發(fā)揮了作用。Ravikumar等[10]通過生物技術(shù)手段將對(duì)Zn2+、Cu2+敏感的兩種啟動(dòng)子融合為雙標(biāo)記報(bào)告蛋白,開發(fā)出檢測(cè)Zn2+、Cu2+的微生物傳感器,最低檢出濃度分別為16μM和26μM。Liu等[11]從惡臭假單胞菌篩選出對(duì)Zn2+的特異性啟動(dòng)子czcR3融合到增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(egfp),研制出用于特異性的檢測(cè)Zn2+含量的生物傳感器。Singh等[12]固定小球藻于玻璃碳電極膜上研制微生物傳感器監(jiān)測(cè)Hg2+。具有良好的響應(yīng)時(shí)間、和持久性,電極響應(yīng)的線性Hg2+濃度范圍為10-14M~10-6M,可保持14天使用期。
用死去的生物被動(dòng)吸收重金屬是一種更有效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方法。死細(xì)胞與活細(xì)胞相比,不需要營養(yǎng),易于處理和儲(chǔ)存,耐高毒性的反應(yīng)環(huán)境。將銅綠假單胞菌烘干后構(gòu)建微生物傳感器檢測(cè)重金屬Pb2+,得出其對(duì)Pb2+的線性響應(yīng)范圍從1.0μM到2.0μM,最低檢測(cè)量為0.6μM[13]。
2.3 農(nóng)藥污染監(jiān)測(cè)
我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中十分重要的生產(chǎn)資料,而有機(jī)磷農(nóng)藥(organophosphates, OPs)是目前應(yīng)用范圍最廣,使用量最大的農(nóng)藥之一。由于過度使用OPs引發(fā)的環(huán)境問題日益嚴(yán)重,與此同時(shí)人們對(duì)于食品安全問題也日益關(guān)注。OPs可以與人體內(nèi)的膽堿酯酶(cholinesterase, ChE)迅速結(jié)合,形成磷?;憠A酯酶,使酶失去活力,引發(fā)中毒、致畸等癥狀。要預(yù)防和處理OPs引起的環(huán)境和食品污染等問題,使用快速、高效、靈敏、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法是十分重要的。
Tang等[14]制備的微生物電化學(xué)傳感器,可迅速檢測(cè)對(duì)硫磷、對(duì)氧磷、甲基對(duì)硫磷濃度。Anu Prathap等[15]利用重組大腸桿菌制備測(cè)定有機(jī)氯農(nóng)藥(俗稱林丹)的檢測(cè)的微生物傳感器,其測(cè)定的線性范圍為2~45ppt,且具有高度特異性。Liu等[16]開發(fā)一種利用熒光假單胞菌檢測(cè)苯酚和硝基酚的微生物傳感器
2.4 其他監(jiān)測(cè)
三氯乙烯(TCE)用作有機(jī)溶劑和工業(yè)脫脂劑,可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害。TCE可被惡臭假單胞菌產(chǎn)生的甲苯雙加氧酶酶降解為為乙醛酸和甲酸離子,可用儀器檢測(cè)。基于這種反應(yīng)機(jī)理開發(fā)的微生物傳感器可檢測(cè)出20μg L-1~150μg L-1含量的TCE[17]。
郭等[18]從沼氣池中分離得到一株能以甲醇為唯一碳源和能源生長的菌株M211,經(jīng)鑒定為嗜有機(jī)甲基桿菌(Methylobacterium organophilium),傳感系統(tǒng)在0.02%~1% (V/V)甲醇含量范圍內(nèi)測(cè)定,響應(yīng)時(shí)間小于20min,檢出限為0.27mg/L,溶氧消耗量同甲醇含量呈線性關(guān)系,該測(cè)定體系不易受其它干擾物質(zhì)影響,檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際樣品濃度一致,該測(cè)定體系具有較強(qiáng)的選擇性,及良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,具有較好的應(yīng)用前景。
甲醛含量已成為當(dāng)今居室、食品、紡織品中污染監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要安全指標(biāo)。湯鴻雁等[19]以枯草芽孢桿菌為固定化菌株研制出甲醛微生物傳感器,經(jīng)測(cè)試,與乙酰丙酮分光光度法的測(cè)定結(jié)果有很好的一致性。
3 結(jié)語
相對(duì)于酶?jìng)鞲衅鳎⑸飩鞲衅髯畲蟮膬?yōu)點(diǎn)就是成本低、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單,所以應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大,但它自身也存在了一定的的缺陷,比如反應(yīng)時(shí)間比酶?jìng)鞲衅饕L,由于多酶體系的存在,有可能對(duì)復(fù)雜樣品產(chǎn)生非特異性響應(yīng)等。有待我們進(jìn)一步完善。開發(fā)新的固定化技術(shù),利用微生物育種、基因工程和細(xì)胞融合技術(shù)研制出新型、高效耐毒性的微生物傳感器是該領(lǐng)域科研人員面臨的課題。相信微生物傳感器作為一個(gè)具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?。定?huì)隨著生物技術(shù)、材料科學(xué)、微電子技術(shù)等的發(fā)展取得更大的進(jìn)步,并逐步趨向微型化、集成化、智能化。最后,檢測(cè)不是目的,美好的環(huán)境需要人們共同呵護(hù)。
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關(guān)鍵詞: 硫污染物;電極反應(yīng);廢水處理;微生物燃料電池;能源;評(píng)述
1 引 言
硫是地球上所有生命的基本元素硫循環(huán)對(duì)環(huán)境有著重要作用硫物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的途徑如圖1所示硫的化合價(jià)范圍是從
ymbolm@@ 到+6這一特殊的價(jià)態(tài)致使地球上的硫物質(zhì)處于動(dòng)態(tài)的循環(huán)過程大量含硫污水排放到地表徑流最終流入大海硫污染物融入硫循環(huán)的各個(gè)方面對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和生物健康帶來負(fù)面影響高濃度的硫物質(zhì)會(huì)危害環(huán)境中的生物這些硫污染物通常出現(xiàn)在采礦、畜牧業(yè)、食品加工、紙漿和皮革、染料和洗滌等行業(yè)中大部分可溶性的硫物質(zhì)隨著地表徑流進(jìn)入海洋硫污染物對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響:其氧化產(chǎn)物揮發(fā)到大氣中產(chǎn)生酸雨會(huì)給生物體帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)且會(huì)腐蝕材料基于這些負(fù)面的影響人們花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力來處理這些污染物目前處理含硫廢水的技術(shù)主要包括汽提3、氧化和生物化學(xué)方法盡管這些技術(shù)可以有效去除硫污染物但是它們都有高能耗高運(yùn)行成本的缺陷學(xué)者不斷尋求高效、低耗和少排放的新技術(shù)處理含硫廢水
微生物燃料電池(MicrobialfuelcellsMCs)利用微生物降解廢水中的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)并產(chǎn)生電能1991年abermann等提出用MC處理硫酸鹽的一種可能機(jī)理隨后一些學(xué)者為這一領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)然而硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程很復(fù)雜在涉及到包含諸多電化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)的機(jī)理方面還存在一些爭(zhēng)議盡管abermann等提出了用MCs處理硫酸鹽但其假設(shè)的機(jī)理并沒有后續(xù)學(xué)者的試驗(yàn)支持且他們報(bào)道的電流密度超過了0mA/cm這一數(shù)值甚至于高于目前學(xué)者報(bào)道的數(shù)據(jù)影響因素和機(jī)理方面知識(shí)的欠缺導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用方面缺乏有效的理論指導(dǎo)0世紀(jì)80~90年代汪爾康研究組在生物膜電化學(xué)方面做了很多基礎(chǔ)性的研究用多種電分析化學(xué)技術(shù)研究了仿生膜的離子傳輸作用和電子轉(zhuǎn)移過程這些理論方法對(duì)于研究硫污染物的處理具有重要的指導(dǎo)作用
為了正確認(rèn)識(shí)MCs處理含硫廢水過程中的瓶頸及提高處理性能本文闡述了MCs處理硫污染物過程中電化學(xué)和微生物的作用總結(jié)了所涉及到的構(gòu)型和材料并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的成本進(jìn)行了評(píng)估
關(guān)鍵詞:微生物絮凝劑;水處理;應(yīng)用
中圖分類號(hào):Q93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
前言
水污染問題和水源危機(jī)越來越嚴(yán)重,水處理問題也變得日趨嚴(yán)峻。在當(dāng)今環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中,水處理藥劑與材料是當(dāng)前水工業(yè)、污染治理與節(jié)水回用凈化處理工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛,用量最大的特殊產(chǎn)品。主要包括3大類藥劑產(chǎn)品:即各類型絮凝劑、蝕阻垢劑與消毒殺生劑。目前,廢水處理的方法有很多,如化學(xué)氧化法、絮凝沉淀法、生化法、吸附法、離子交換法、電滲析法等等。
其中,絮凝沉淀法因其工藝簡(jiǎn)單、效率高、費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。絮凝沉淀法的核心和關(guān)鍵是絮凝劑的選擇,絮凝劑性質(zhì)直接影響絮凝效果的好壞。開發(fā)無毒、無二次污染、處理效率高的絮凝劑已引起國內(nèi)外環(huán)保工作者的高度重視。
1 微生物絮凝劑
微生物絮凝劑(MBF)是某些種類的細(xì)菌、放線菌、霉菌、酵母等在特定培養(yǎng)條件下,其生長代謝至一定階段產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物。其主要活性成分是具有兩性多聚電解質(zhì)特性的蛋白質(zhì)、多塘、核酸類生物高分子化合物,以及有絮凝活性的菌體等。它們通過其電荷性質(zhì)和高分子特性在液體介質(zhì)中起電荷中和、吸附、橋聯(lián)、網(wǎng)捕等作用,使膠體脫穩(wěn)、絮凝沉淀、固液分離
與無機(jī)或有機(jī)高分子絮凝劑相比,微生物絮凝劑具有高效、無毒、無二次污染、應(yīng)用范圍廣泛、價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì);不足之處是,微生物絮凝劑的效果容易受到有毒物質(zhì)的干擾,因此被處理的廢液中必須無妨害菌體生長的因素。
2 微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理
微生物絮凝劑是帶有電荷的生物大分子,關(guān)于它的絮凝機(jī)理主要有以下四種,其中以橋聯(lián)作用機(jī)理最為人們接受[1-3]。
2.1 橋聯(lián)作用機(jī)理
該機(jī)理認(rèn)為絮凝劑借助離子鍵、氫鍵和范德華力,同時(shí)吸附多個(gè)膠體顆粒,因而在顆粒間產(chǎn)生“架橋”作用,把這些顆粒連接在一起,從而使之形成網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)而沉淀下來。有實(shí)驗(yàn)表明,絮凝劑絮凝膨潤土過程時(shí),通過測(cè)定等溫線和Zeta電位發(fā)現(xiàn)絮凝劑確實(shí)是以“橋聯(lián)方式”絮凝的[3]。
2.2 電性中和機(jī)理
該機(jī)理認(rèn)為水中膠體粒子的表面一般帶有負(fù)電荷,當(dāng)帶有一定正電荷的鏈狀生物大分子絮凝劑或其水解產(chǎn)物靠近這種膠粒時(shí),將中和其表面的部分電荷,使靜電斥力減少,從而使膠粒之間、膠粒與絮凝劑分子之間易產(chǎn)生互相碰撞,通過分子間作用力凝聚而沉降下來[1,4]。許多加入金屬離子或調(diào)節(jié)pH值既可影響其絮凝效果實(shí)驗(yàn),主要是通過影響其帶電性而起作用的。
2.3 卷掃作用機(jī)理[5]
該機(jī)理認(rèn)為當(dāng)微生物絮凝劑的投加到一定量且形成小顆粒絮體時(shí),可以在重力作用下,迅速網(wǎng)捕,卷掃水中一些膠粒,從而產(chǎn)生沉淀。這種作用基本上是一種機(jī)械作用,所需絮凝劑量與原水雜質(zhì)含量成反比。原水膠體雜質(zhì)含量少時(shí),所需絮凝劑量大,反之亦然。
2.4 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理
該機(jī)理認(rèn)為生物大分子中某些活性基團(tuán)與被絮凝物質(zhì)相應(yīng)的基團(tuán)發(fā)生化學(xué)變化,聚集成較大分子而沉淀下來。通過對(duì)生物大分子改性、處理,使其添加或喪失某些活性基團(tuán),其絮凝活性就大受影響。有些學(xué)者認(rèn)為這些絮凝劑絮凝活性大部分依賴于活性基團(tuán)。溫度影響絮凝效果,主要通過影響其化學(xué)基團(tuán)活性從而影響其化學(xué)反應(yīng)[1,2]。
絮凝的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程,單一的某種機(jī)理并不能解釋所有的現(xiàn)象,絮凝作用是多種作用的共同結(jié)果。
3 微生物絮凝劑絮凝活性的影響因素
3.1 絮凝劑的分子量、分子結(jié)構(gòu)
絮凝劑分子量大小對(duì)其絮凝效果的影響很大,分子量越大,絮凝活性越高。當(dāng)絮凝劑的蛋白質(zhì)成分降解后,分子量減小,絮凝活性明顯下降。一般線性結(jié)構(gòu)的分子比非線性結(jié)構(gòu)的分子的絮凝效果好,分子結(jié)構(gòu)交鏈越多或支鏈越多,其絮凝效果則越差[6]。
3.2 絮凝劑的投加劑量
對(duì)于某種微生物絮凝劑,要取得最佳絮凝效果,均有一個(gè)最佳投量。隨著絮凝劑的加入,開始時(shí),絮凝活性逐漸增強(qiáng),當(dāng)絮凝劑濃度值達(dá)到一定范圍時(shí),絮凝活性達(dá)到最佳,當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí),絮凝活性急劇下降,造成水的濃度增大,膠體的顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)減弱,碰撞機(jī)會(huì)減少,不利于膠粒脫穩(wěn)凝聚,絮凝惡化。
3.3 溫度
適當(dāng)提高溫度可促進(jìn)絮凝,使絮凝效率提高。然而高溫會(huì)嚴(yán)重影響某些微生物絮凝劑的效率。這主要是因?yàn)樾跄镔|(zhì)結(jié)構(gòu)上含有蛋白質(zhì)或肽鏈的絮凝劑一般都是熱不穩(wěn)定的,高溫可使這些高分子物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變,導(dǎo)致變性,某些活性基團(tuán)不再與懸浮顆粒結(jié)合,從而表現(xiàn)出絮凝活性的下降。然而由糖類構(gòu)成的絮凝劑則是熱穩(wěn)定的,它們對(duì)溫度不敏感,絮凝劑活性不隨溫度的改變而改變,或者改變較少。
3.4 pH值
pH值對(duì)微生物絮凝劑絮凝活性的影響主要是通過酸堿度的變化,影響微生物絮凝劑及懸浮顆粒表面的電荷的性質(zhì)、數(shù)量及中和電荷的能力。不同的絮凝劑對(duì)pH值變化的靈敏度不一樣,同一種絮凝劑對(duì)各種的廢水有不同的初始pH值要求。如真菌Paecilomyces sp.產(chǎn)生的絮凝劑聚半乳糖胺,在pH為4~7.5范圍內(nèi), 絮凝能力最強(qiáng),但當(dāng)溶液pH小于3或大于8時(shí),絮凝能力會(huì)急劇下降至0[7]。
4 微生物絮凝劑在水處理中的應(yīng)用
微生物絮凝劑具有高效、安全、不污染環(huán)境等特點(diǎn),因此在給水處理,城市污水處理,食品加工、發(fā)酵、化工、畜牧等行業(yè)廢水處理等方面的應(yīng)用前景是非常廣泛的。
4.1 在廢水處理中的應(yīng)用
4.1.1 城市生活污水
用從城市生活污水中分離出的具有絮凝、降解作用的高效混合菌群對(duì)生活污水進(jìn)行處理,可使污水的COD和BOD5的去除率達(dá)到100%[8]。用絮凝劑TH6處理生活污水,其COD和SS的去除率分別達(dá)到68%和91%[9]。
4.1.2 畜產(chǎn)廢水
畜禽廢水的COD較高,是屬于較難處理的一類高濃度有機(jī)廢水。采用合成有機(jī)絮凝劑雖然有較好的效果,但存在二次污染。微生物絮凝劑可以有效去除畜牧廢水中的TOC和TN。R. Kurane在80 mL畜牧廢水中加入l00 mL Ca2+溶液(1%的濃度)和5 mI 紅平紅球菌(Rhodocoddus erythropolis)培養(yǎng)物,可以使TOC從1420mg/L下降到425mg/L,使TN從420 mg/L降為215 mg/L,去除率分別為70%和40%[5]。
4.1.3 食品工業(yè)廢水
由于微生物絮凝劑具有安全、無毒的特性,逐漸在食品廢水處理中被采用,并達(dá)到了滿意的效果。如用微生物絮凝劑普魯蘭處理味精廢水,其COD和SS的去除率可達(dá)到40%左右,其濁度去除率可達(dá)99%[11]。鄧述波等用MBFA-9處理淀粉廠的黃漿廢水,無論是懸浮物還是COD的去除率均高于傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑PAM,且可回收蛋白質(zhì)成分作飼料[7]。
4.2 其他方面的應(yīng)用
4.2.1發(fā)酵產(chǎn)品的固液分離
利用絮凝劑對(duì)細(xì)胞具有優(yōu)良的沉降性能來去除發(fā)酵液中的菌體,可大大減少能耗、降低成本,且操作簡(jiǎn)單、管理方便。如在釀酒工業(yè)中[12],用有絮凝性能的酵母替代沒有絮凝性能的酵母可以釀出質(zhì)量更好的啤酒;另外,在生物乙醇和面包發(fā)酵酵母的生產(chǎn)中也應(yīng)用了這種絮凝劑。用絮凝方法可以提高去除固體物的效率,減少處理時(shí)間,有助于降解不穩(wěn)定生物物質(zhì)以及節(jié)省成本。
4.2.2 膨脹活性污泥的處理
污泥膨脹主要是由于絲狀菌過量生長,致使沉降性能變差,活性污泥處理系統(tǒng)的效率常因此而降低,微生物絮凝劑能夠有效地改善污泥的沉降性能,防止污泥解絮,提高整個(gè)處理系統(tǒng)的效率。
5 結(jié)語
微生物絮凝劑具有高效、無毒、無二次污染、來源廣等特點(diǎn),被人們認(rèn)為最有發(fā)展前景的環(huán)境友好型絮凝劑。目前,微生物絮凝劑還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,離工業(yè)化生產(chǎn)還有很大的距離。因此,微生物絮凝劑具有廣闊的發(fā)展前景。今后的工作重點(diǎn)主要集中于:高產(chǎn)菌核的篩選、培養(yǎng)條件的優(yōu)化、生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化、微生物絮凝劑的化學(xué)組成和理化性質(zhì)及絮凝機(jī)理等方面的研究。
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編者按:太湖藍(lán)藻暴發(fā),無錫飲用水危機(jī)引起廣泛關(guān)注。據(jù)了解,在太湖總氮總磷污染源中,工業(yè)污染的比重趨于下降,農(nóng)業(yè)面源污染和城市生活污染的比重趨于增加。目前城市生活垃圾成為環(huán)境污染的重要源頭,而其中餐廚垃圾就占了一半多。因此,根治太湖污染,就要從源頭上治理城市生活垃圾包括餐廚垃圾,而生物治污技術(shù)正是這方面安全綠色的方法之一。推廣生物治污有三個(gè)關(guān)鍵:一是選擇適用的先進(jìn)技術(shù),二是設(shè)計(jì)有效的商業(yè)運(yùn)作模式,三是政府配套政策支持。這份報(bào)告在對(duì)宜興環(huán)科園國豪公司調(diào)查的基礎(chǔ)上,提出通過政府配套政策支持,積極推行TMC模式,促進(jìn)餐廚垃圾和其他有機(jī)垃圾生物處理技術(shù)加快推廣應(yīng)用。這是利國利民的好事,也是迫在眉睫的大事。
餐廚垃圾,指的是食品加工、餐飲服務(wù)、單位供餐活動(dòng)中產(chǎn)生的食品殘余和加工廢料。我國餐廚垃圾數(shù)量十分巨大,并呈快速上升趨勢(shì)。一般的大城市每天產(chǎn)生生活垃圾3000噸以上,其中餐廚垃圾約占50%。如何高效快捷地處置餐廚垃圾,一直是政府和社會(huì)普遍關(guān)切的問題。近年來,微生物處理餐廚垃圾逐漸成為熱門話題。帶著如何推廣這項(xiàng)新技術(shù)的問題,我們對(duì)宜興環(huán)保科技園國豪生物環(huán)保有限公司進(jìn)行了專題調(diào)研??偟母械?,利用微生物技術(shù)處理餐廚垃圾,方向正確,技術(shù)成熟,可操作性強(qiáng),具有廣泛的社會(huì)效益和較大的市場(chǎng)前景,但也存在近期內(nèi)使用成本高、推廣難度大等問題,迫切需要政策和資金等方面的扶持。
一、微生物處理餐廚垃圾――明顯的優(yōu)勢(shì)
利用微生物處理餐廚垃圾,是近年來國內(nèi)外逐漸興起的新型垃圾處理技術(shù)。日韓等國有相當(dāng)一部分餐廚垃圾靠微生物技術(shù)處理,我國北京、上海、大連、廈門等城市也在逐步推廣應(yīng)用。
微生物處理餐廚垃圾的核心技術(shù)是對(duì)菌種的選擇與控制?,F(xiàn)在國內(nèi)同類產(chǎn)品所采用的菌種也是多種多樣。宜興國豪公司生產(chǎn)的宜豪牌餐廚垃圾處理機(jī),引進(jìn)日本“BIO-TECH21”微生物菌群,采用好氧工作原理,通過加熱、機(jī)械攪拌和強(qiáng)制通風(fēng)等手段,在60℃~80℃的高溫下,經(jīng)過24~48小時(shí)的快速發(fā)酵和干燥、脫水、除臭、排毒,有效降解餐廚垃圾中的鹽分、脂肪,將動(dòng)物蛋白、植物蛋白轉(zhuǎn)化為菌體蛋白。根據(jù)不同的需要,每臺(tái)設(shè)備日處理能力通常為2.5~500公斤。經(jīng)中國科學(xué)院微生物研究所鑒定,這種復(fù)合菌種對(duì)人體、群體、環(huán)境無影響,無毒性,遺傳穩(wěn)定性好,具有理想的市場(chǎng)適用價(jià)值。
微生物處理餐廚垃圾與其他處理方法相比,具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)。露天堆放和堆肥處理投資少、操作簡(jiǎn)單,但產(chǎn)生的氣味和污水對(duì)周圍環(huán)境影響較大。填埋處理是大多數(shù)城市垃圾處理的主要方式,不僅占用土地,對(duì)環(huán)境特別是地下水資源也構(gòu)成嚴(yán)重威脅。焚燒處理可將垃圾減少約90%,但一次性投入大,運(yùn)行成本高,可回收資源浪費(fèi),大氣污染較為嚴(yán)重。焚燒法處理生活垃圾還存在“兩高一低”(含水量高、有機(jī)物含量高、熱值低)的問題,這主要是由餐廚垃圾引起的。如果將餐廚垃圾分離出來運(yùn)用微生物處理,就可以大大節(jié)約能耗,提高焚燒效率。
微生物降解技術(shù)將餐廚垃圾就地處理,一是處理徹底,安全性好,無臭味異味,無二次污染;二是處理后的垃圾總量減少90%,大大降低了運(yùn)輸成本;三是處理后的殘留物可以制成有機(jī)肥料,實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。如果這項(xiàng)技術(shù)得到普及,我國的城市將成為安全無害的有機(jī)肥料大工廠,農(nóng)業(yè)就能大大減少化肥施用量,走上循環(huán)經(jīng)濟(jì)的道路。這是一項(xiàng)帶有方向性的重大技術(shù)創(chuàng)新。
二、微生物處理餐廚垃圾――潛在的效益
微生物技術(shù)處理餐廚垃圾體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的要求,符合建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的需要,其自身也具有廣闊的市場(chǎng)空間、可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
減量化為城市垃圾瘦身。據(jù)統(tǒng)計(jì),北京日產(chǎn)垃圾1.2萬噸,年產(chǎn)400萬噸,其中89.5%填埋,其余以堆肥、焚燒等方式處理,不僅造成可再生資源的極大浪費(fèi),也增大了人力、資金和土地的耗費(fèi)。反觀日本,1989年起東京全面推廣生物降解處理技術(shù),十八年少產(chǎn)生垃圾2000多萬噸,節(jié)省各種處理費(fèi)用100多億美元。由于我國人口眾多,加上飲食文化特點(diǎn),餐廚垃圾的產(chǎn)生量和占生活垃圾的比重可以說是“世界之最”。大力推廣微生物餐廚垃圾處理技術(shù),有利于城市垃圾的大量減排,為城市生態(tài)化作出貢獻(xiàn)。據(jù)宜興國豪公司的調(diào)查,北京市即使全面配置快速發(fā)酵有機(jī)垃圾處理機(jī),也僅相當(dāng)于兩個(gè)日處理1500~2000噸焚燒處理廠的投資,可以大大降低政府對(duì)生活垃圾處理的成本。
無害化為人類健康造福。餐廚垃圾中的主要成分有糧食、蔬菜、油類、肉骨等,富含淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、無機(jī)鹽以及微量元素,是名副其實(shí)的“寶貝”。由于處理過程中監(jiān)管不力、方法不當(dāng),一些地方泔水進(jìn)入私人作坊回收體系,除了喂豬之外,還有部分被少數(shù)不法分子用來提煉食用油,流入食品市場(chǎng)?!袄i”和“地溝油”難以杜絕,給人類健康帶來極大威脅。通過微生物技術(shù)的有機(jī)處理,可以變有害為無害,保障食品安全,提升環(huán)境質(zhì)量。
資源化為循環(huán)經(jīng)濟(jì)增色。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)是生物經(jīng)濟(jì)。德、法、美等國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要增長點(diǎn),就體現(xiàn)在廢棄物循環(huán)利用上。西方資源再生產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)末產(chǎn)值已達(dá)2500億美元,本世紀(jì)初增加到6000億美元。據(jù)2002年行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),美國從事資源再生的企業(yè)有5.6萬家,提供110萬個(gè)就業(yè)崗位,行業(yè)規(guī)模與美國的汽車業(yè)相當(dāng)。據(jù)有關(guān)方面測(cè)算,我國有機(jī)垃圾處理的潛在市場(chǎng)規(guī)模超過1000億元,并可帶動(dòng)生物工程、機(jī)械制造、有機(jī)肥料等多項(xiàng)產(chǎn)業(yè),間接產(chǎn)出至少500~600億元。目前我國廢棄物循環(huán)利用尚未形成健康有效的運(yùn)行體系,特別是餐廚垃圾沒有被有效地再利用。微生物有機(jī)處理技術(shù)將餐廚垃圾資源化,可以改變垃圾處理由政府包辦的現(xiàn)狀,減輕政府負(fù)擔(dān),還能有力地推動(dòng)環(huán)保事業(yè)社會(huì)化、市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化,實(shí)現(xiàn)“有限資源、無限循環(huán)”的目標(biāo)。
三、微生物處理餐廚垃圾――現(xiàn)實(shí)的難題
微生物處理餐廚垃圾是一項(xiàng)利國利民、改善人民群眾生活環(huán)境的大事,但由于種種原因,目前大面積推廣還有一定困難。
一是前期投入大,規(guī)模效益難以顯現(xiàn)。從廠家的角度來看,新技術(shù)的推廣和應(yīng)用需要一個(gè)相對(duì)較長的過程,尤其是前期技術(shù)、人力和市場(chǎng)開拓需要大量投入,批量上不去,成本下不來,一臺(tái)日處理能力100公斤的設(shè)備售價(jià)高達(dá)20萬元,降價(jià)走進(jìn)千家萬戶尚待時(shí)日。從使用者的角度來看,囿于觀念束縛和經(jīng)濟(jì)利益考慮,一方面認(rèn)為垃圾處理是環(huán)衛(wèi)部門的事情,與己無關(guān);另一方面餐飲企業(yè)大都將餐廚垃圾賣泔水賺錢,現(xiàn)在要出資購置設(shè)備,還要花錢維持運(yùn)轉(zhuǎn),一時(shí)難以接受。
二是使用成本高,市場(chǎng)拓展難度較大。微生物處理餐廚垃圾設(shè)備的運(yùn)行成本相對(duì)較高。北京市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)計(jì)科學(xué)研究所對(duì)宜興國豪的設(shè)備跟蹤檢測(cè)結(jié)果表明,平均每百公斤餐廚垃圾每天耗電近30度。上海使用同類產(chǎn)品的單位測(cè)算,微生物處理餐廚垃圾每噸平均使用成本超過1000元,相對(duì)于填埋處理每噸20多元和焚燒處理每噸40多元的成本,代價(jià)過高。同時(shí),設(shè)備所采用的微生物菌種要定期更換,每年需要數(shù)千元的支出,長期使用也是一筆不小的開支。此外,垃圾處理產(chǎn)生的有機(jī)肥料,市場(chǎng)認(rèn)知度較低,推銷難度較大,形成規(guī)模生產(chǎn)還有很長的路要走。
三是單體規(guī)模小,近期難以完全替代傳統(tǒng)方法。以南京市為例,現(xiàn)有的三個(gè)填埋場(chǎng)日處理生活垃圾約4000噸,其中一半是餐廚垃圾。如果采用微生物降解法,按照目前最高日處理能力500公斤的設(shè)備計(jì)算,至少需要4000臺(tái)機(jī)器滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。加上目前生活垃圾分類尚未到位等因素,運(yùn)用微生物技術(shù)集中處理城市餐廚垃圾還比較困難。
四、微生物處理餐廚垃圾――推廣的模式
微生物處理餐廚垃圾技術(shù)的推廣應(yīng)用,涉及服務(wù)業(yè)、制造業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,產(chǎn)業(yè)鏈條長,其成功與否的關(guān)鍵,在于設(shè)計(jì)一個(gè)切合實(shí)際的商業(yè)運(yùn)作模式。針對(duì)目前微生物技術(shù)處理餐廚垃圾的困難,綜合國內(nèi)外在這方面的成功經(jīng)驗(yàn),我們建議采用“TMC”模式來推廣這項(xiàng)技術(shù)。所謂TMC模式,即Trash Manage Contract(垃圾處理合同管理模式)的縮寫。這是適合我國國情的集高科技、金融、財(cái)政、稅收政策為一體的有機(jī)垃圾處理平臺(tái)。
TMC的基本思路是:選擇優(yōu)秀的產(chǎn)品供應(yīng)商和服務(wù)商,銀行或基金提供資金,財(cái)政提供政策支持如補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠的激勵(lì),用戶只需投入少量資金或基本不出資金即可獲得生物有機(jī)垃圾處理設(shè)備,然后以垃圾處理費(fèi)和財(cái)政補(bǔ)貼分期支付設(shè)備款和服務(wù)費(fèi)。這樣,就可以加快推廣微生物處理餐廚垃圾的步伐。
五、微生物處理餐廚垃圾――應(yīng)對(duì)的舉措
垃圾是放錯(cuò)地方的資源,正確的處理方式是“變廢為寶”。微生物處理餐廚垃圾技術(shù)的推廣,既要充分尊重市場(chǎng)規(guī)律,也應(yīng)發(fā)揮政府“有形之手”的作用,促使其早日為廣大人民群眾造福。
一是加強(qiáng)宣傳,提高市民環(huán)保意識(shí)。餐廚垃圾處理事關(guān)百姓健康和環(huán)境保護(hù),必須高度重視,采取有力措施妥善解決。應(yīng)嚴(yán)禁使用泔水直接喂豬,嚴(yán)禁泔水私拉私運(yùn)。這就要求城市政府盡快制定相關(guān)政策法規(guī),對(duì)餐廚垃圾處理進(jìn)行規(guī)范,同時(shí)充分利用市場(chǎng)機(jī)制,從支持環(huán)保事業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高度,加強(qiáng)輿論宣傳和引導(dǎo),推廣微生物餐廚垃圾處理技術(shù),打破目前存在的餐廚垃圾處理利益鏈條,從根本上解決問題。
二是典型引路,堅(jiān)持由點(diǎn)到面推廣。微生物餐廚垃圾處理技術(shù)的運(yùn)行成本雖然偏高,但具有選址容易、基本不占用土地、安全度高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì),特別適合餐飲企業(yè)和學(xué)校、工廠的大型食堂以及居民生活小區(qū)使用??稍谑?nèi)選擇有條件的地方先行試點(diǎn),采取相應(yīng)鼓勵(lì)措施,在具有一定規(guī)模的餐飲企業(yè)、企事業(yè)單位食堂和高檔住宅小區(qū)先行推廣,發(fā)揮示范帶動(dòng)效應(yīng),努力把餐廚垃圾解決在源頭。
關(guān)鍵詞 蘇云金芽孢桿菌;研究現(xiàn)狀;存在問題;解決思路;前景
新型微生物農(nóng)藥作為無公害農(nóng)林生產(chǎn)資料,在未來的農(nóng)作物病蟲害防治方面將有巨大的市場(chǎng)需求。進(jìn)一步加快微生物農(nóng)藥的研制、產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用進(jìn)程,降低農(nóng)藥在農(nóng)副產(chǎn)品中的殘留和對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物重大病蟲害的可持續(xù)控制,必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。
1蘇云金芽孢桿菌(bt)的發(fā)現(xiàn)及殺蟲機(jī)理
1.1蘇云金芽孢桿菌(bt)的發(fā)現(xiàn)
1901年日本學(xué)者石度繁從患猝倒病的家蠶幼蟲中分離到第1個(gè)產(chǎn)生晶體的芽孢桿菌。10年后berliner從德國蘇云金地方一家面粉廠染病的地中海粉螟中分離到一個(gè)相似的菌株,并正式定名為蘇云金芽孢桿菌(bt)。4年后,一個(gè)叫克林諾的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在這種細(xì)菌的細(xì)胞中可以形成方形或菱形的晶體,可惜這個(gè)發(fā)現(xiàn)并未被重視。直到40年后的1953年,一位叫漢納的生物學(xué)家證明了這種晶體是有毒的蛋白質(zhì)晶體,才揭示了粉螟死亡的原因。在1920~1930年間,bt作為微生物殺蟲劑主要用來防治玉米螟。1938年第1個(gè)商品制劑sporeine在法國問世,從此拉開了生物殺蟲劑的序幕。以后相繼發(fā)現(xiàn)了對(duì)鞘翅目、螨類、同翅目、膜翅目、直翅目昆蟲、動(dòng)植物寄生線蟲、鞭毛蟲、變形蟲、吸蟲、絳蟲有毒殺作用的bt菌株。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),bt是革蘭氏陽性菌,另外,它可寄生在一些蛾類和蝶類的幼蟲上,甚至是植物表面。
蘇云金芽孢桿菌分泌出的由cry基因編碼的、有殺蟲活性的δ-毒素(或被稱為殺蟲晶體蛋白)的蛋白結(jié)晶構(gòu)成了內(nèi)孢子。cry蛋白對(duì)鱗翅目(如蛾與蝶)、雙翅目(如蒼蠅、蚊子)和鞘翅目(甲蟲)有很大殺傷力。因此,可將蘇云金芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)制成高效生物殺蟲劑,或用cry基因制成防蟲害的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。
1.2蘇云金芽孢桿菌(bt)的殺蟲機(jī)理
蘇云金芽孢桿菌(bt)之所以能夠殺蟲,是由于它們的細(xì)胞內(nèi)存在著一種有毒的蛋白質(zhì),叫做伴孢晶體,昆蟲吞食后就會(huì)中毒而死。而這種活細(xì)胞及伴孢晶體對(duì)環(huán)境無毒無害。因?yàn)樵趧?dòng)物的胃腸道內(nèi),酸性環(huán)境下蛋白質(zhì)晶體不能溶解,從而對(duì)人畜無害。所以它是一種高效安全的生物殺蟲劑,可用來殺滅多種農(nóng)作物害蟲。蘇云金芽孢桿菌(bt)殺蟲機(jī)理主要是:昆蟲取食蘇云金芽孢桿菌后,桿菌在其胃腸道內(nèi)產(chǎn)生蛋白質(zhì)晶體內(nèi)毒素(δ-內(nèi)毒素)、熱穩(wěn)定毒素(β-外毒素)、葉蜂毒素(α-外毒素)及bt-γ外毒素。這些毒素能侵蝕昆蟲腸道細(xì)胞,破壞腸道內(nèi)膜,并進(jìn)入血淋巴組織,使害蟲因饑餓而出現(xiàn)敗血癥最后死亡。蘇云金芽孢桿菌的防治對(duì)象是鱗翅目、膜翅目、雙翅目、鞘翅目等多種害蟲,其藥性的持效期可達(dá)7~10d左右。需要特別注意的是:蘇云金芽孢桿菌(bt)及其制劑對(duì)蠶具有很高的毒性,桑園必須禁用。另外,勿與堿性殺菌劑混合施用,晴天的傍晚或陰天施藥效果最佳。
2蘇云金芽孢桿菌(bt)的研究現(xiàn)狀
2.1蘇云金芽孢桿菌(bt)的研究主要集中在分子水平上
過去bt是作為一種制劑應(yīng)用于農(nóng)林害蟲的防治,隨著生物技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已對(duì)蘇云金芽孢桿菌的殺蟲蛋白質(zhì)和相關(guān)基因作了深入而透徹的研究,也就是說在基因的水平上對(duì)它有了更多的了解。研究發(fā)現(xiàn),在其體內(nèi)具有一種cry基因,正是這種基因編碼產(chǎn)生的蛋白質(zhì)對(duì)上述昆蟲具有極大的毒性,所以這種基因的結(jié)構(gòu)和特性就影響到它本身,也影響到它的殺蟲范圍。當(dāng)然某一基因的長期應(yīng)用會(huì)刺激昆蟲產(chǎn)生抗體。因此,現(xiàn)在對(duì)蘇云金芽孢桿菌的研究更多地集中在分子水平上。
2.2國內(nèi)主要研究成果
中國現(xiàn)在在蘇云金芽孢桿菌殺蟲劑的商品化生產(chǎn)和防治農(nóng)林害蟲的系統(tǒng)工作方面,取得的主要成果有:研制和生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的bt懸浮劑和高效價(jià)的粉劑,實(shí)現(xiàn)了中國bt殺蟲劑的商品化生產(chǎn);建立了以生物測(cè)定為基礎(chǔ)的產(chǎn)品毒力效價(jià)測(cè)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)化系統(tǒng);研究了助劑及貯存條件對(duì)bt的影響,為助劑的篩選和有效存貯提供了可靠的依據(jù);大規(guī)模推廣應(yīng)用bt殺蟲劑以防治棉、糧、果疏及林業(yè)害蟲,并取得了良好的效果。該研
究中研制和生產(chǎn)的適合中國的優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的bt懸浮劑,已在農(nóng)林害蟲防治中得到廣泛應(yīng)用;bt粉劑的毒力效價(jià)和防蟲效果,已達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平;以棉鈴蟲和小菜蛾為標(biāo)準(zhǔn)昆蟲,建立了中國bt產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定技術(shù)系統(tǒng),為國產(chǎn)bt殺蟲劑的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定了良好基礎(chǔ),為與bt殺蟲劑國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)接軌提供了保障。
3研究中存在的問題及解決的思路
3.1主要問題
蘇菌基因的表達(dá)會(huì)發(fā)生變化。例如,如果溫度不理想,就可能降低毒素的產(chǎn)生,使植物易受侵蝕。更加嚴(yán)重的是,試驗(yàn)證明毒素減少的晚季植物會(huì)形成啟動(dòng)子的dna甲基化。 另外,毒素的持續(xù)使用會(huì)使普通害蟲演化為抗性蟲。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),小菜蛾對(duì)蘇菌毒素的噴霧形式就已產(chǎn)生抗性。
蘇菌毒素的運(yùn)用還有一些可能的危險(xiǎn),如:如果轉(zhuǎn)基因玉米與變異野草雜交,蘇菌基因的抗性就有可能因食物鏈來到食草動(dòng)物群落中,蜂群衰竭失調(diào)(ccd),也可能跟蘇菌轉(zhuǎn)基因作物有關(guān)。
3.2解決的思路
(1)有抗植株與無抗植株間種。減少害蟲抗藥性的一個(gè)有效方法就是將有抗植株與無抗植株間種,目的是減少抗性基因頻率,犧牲少量無抗植株保證產(chǎn)量。美國和歐洲的某些區(qū)域已經(jīng)立法要求使用上述方法種植。這種方法的理論依據(jù)是假設(shè)抗性基因是隱性的。依目前來看,這種方法應(yīng)該可以延遲害蟲對(duì)蘇菌的抗性;另一方面,假如產(chǎn)生了多種蘇菌毒素的農(nóng)作物可以完全滅絕害蟲,抗性基因的存在也就不可能了。不過,至今為止,害蟲滅絕的情況還未出現(xiàn)。
(2)通過接合構(gòu)建新菌株。蘇云金芽孢桿菌菌株的特定質(zhì)??梢宰孕修D(zhuǎn)移,這些質(zhì)粒可以通過接合來構(gòu)建新菌株。例如,科羅拉多馬鈴薯甲蟲(鞘翅目)是北美最具破壞性的馬鈴薯害蟲,歐洲玉米螟和土豆塊莖蠕蟲,對(duì)馬鈴薯也有很大的破壞作用。從自然界中分離的蘇云金芽孢桿菌菌株,沒有一個(gè)菌株對(duì)所有這些昆蟲都具毒性。然而,通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)移雜交,現(xiàn)在已經(jīng)構(gòu)建出對(duì)3種害蟲都有效的新菌株,田間試驗(yàn)表明,該菌株作為廣譜的馬鈴薯殺蟲劑很有前途。
4蘇云金芽孢桿菌(bt)的應(yīng)用前景
微生物農(nóng)藥是21世紀(jì)農(nóng)藥工業(yè)的新產(chǎn)業(yè),代表著植物保護(hù)的方向,其最大的優(yōu)勢(shì)在于能克服化學(xué)農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染,并減少農(nóng)藥在農(nóng)副產(chǎn)品中的殘留量。同時(shí),在推廣微生物農(nóng)藥應(yīng)用過程中,農(nóng)副產(chǎn)品的品質(zhì)和價(jià)格將大幅度上升,有力地促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長和農(nóng)民增收,社會(huì)效益不可估量。
我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)的發(fā)展事關(guān)重大。為了更好地落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,建立環(huán)保型、節(jié)約型農(nóng)業(yè),微生物農(nóng)藥將為農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)和降低有毒物質(zhì)殘留提供技術(shù)和物質(zhì)保證。微生物農(nóng)藥研究與發(fā)展,將有效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn),提升農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)附加值,擴(kuò)大我國農(nóng)副產(chǎn)品外銷市場(chǎng),推進(jìn)綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所有這些均對(duì)發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入、促進(jìn)農(nóng)村繁榮具有重要的推進(jìn)作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 喻子牛.蘇云金芽孢桿菌[m].北京:科學(xué)出版社,1990.
論文關(guān)鍵詞:資源微生物學(xué);實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革
論文摘要:資源微生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科,為了提高該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和綜合素質(zhì),從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段3個(gè)方面入手,對(duì)資源微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探討。
自20世紀(jì)以來,自然資源的保護(hù)及有效利用引起了人們空前的重視。植物資源、動(dòng)物資源和微生物資源是自然資源的核心部分。其中,微生物資源擁有其他生物資源所不具備的、特有的生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)意義。其具有生產(chǎn)速率高、生物轉(zhuǎn)化活性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn),因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。微生物資源的開發(fā)利用已成為現(xiàn)代應(yīng)用生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用,并有效地服務(wù)于人類。資源微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程通過具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作使學(xué)生了解課程相關(guān)理論內(nèi)容,掌握基礎(chǔ)知識(shí)并將各類信息進(jìn)行新的組合,創(chuàng)造出新的方法、新的思路,從而提高學(xué)生的科學(xué)與實(shí)際動(dòng)手操作能力[1,2]。但是在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生只是嚴(yán)格按照事先設(shè)定好的實(shí)驗(yàn)步驟逐項(xiàng)進(jìn)行,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程缺少操作者自己的主觀能動(dòng)性。這種機(jī)械化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式容易導(dǎo)致學(xué)生的思維定勢(shì),不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能也得不到系統(tǒng)的訓(xùn)練和提高。為了提高資源微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)的質(zhì)量,提高學(xué)生各方面的綜合素質(zhì),筆者對(duì)資源微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探討。
1慎重選取實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
資源微生物學(xué)是以微生物學(xué)為核心,涉及生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)與無機(jī)化學(xué)等的交叉學(xué)科,其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的總體要求是熟練掌握資源微生物學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)操作技能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向生物工程專業(yè)的學(xué)生,開設(shè)資源微生物形態(tài)特征的識(shí)別、能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的微生物檢測(cè)、以農(nóng)作物下腳料為培養(yǎng)基的食用菌栽培以及與生物前沿技術(shù)相接軌的前瞻性實(shí)驗(yàn)等教學(xué)內(nèi)容。
資源微生物學(xué)的一項(xiàng)重要教學(xué)內(nèi)容就是要根據(jù)微生物的形態(tài)特征識(shí)別相關(guān)資源微生物,利用有益微生物的代謝活動(dòng)制造更多的生物農(nóng)藥、生物肥料、植物保健劑以及相關(guān)食品與藥品。因此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開設(shè)了微生物形態(tài)觀察實(shí)驗(yàn),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及醫(yī)藥、食品行業(yè)中常見的微生物,如根瘤菌、菌根菌、放線菌、酵母菌等進(jìn)行培養(yǎng)、觀察。通過具體的實(shí)驗(yàn)操作,培養(yǎng)學(xué)生識(shí)別和繪制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域常見菌類個(gè)體形態(tài)圖的能力,掌握不同微生物類群的菌落特征,使學(xué)生對(duì)資源微生物的特性有感性的認(rèn)識(shí),加深對(duì)理論內(nèi)容的理解,以提高課堂教學(xué)質(zhì)量。
目前,國內(nèi)能源短缺和環(huán)境污染問題形勢(shì)依然嚴(yán)峻。對(duì)于培養(yǎng)生物技術(shù)專業(yè)人才的院校來說,將開發(fā)利用微生物資源的實(shí)驗(yàn)作為重點(diǎn)內(nèi)容是理所當(dāng)然的。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)資源微生物的開發(fā)應(yīng)用能力,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)開設(shè)像微生物菌種培養(yǎng)與保存、食用菌栽培、微生物代謝調(diào)控及微生物代謝物生物活性分析等實(shí)用性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程。另外,在微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中,要適時(shí)向?qū)W生介紹培養(yǎng)條件對(duì)微生物生長和代謝的影響以及相關(guān)微生物檢驗(yàn)檢測(cè)方法,以拓寬學(xué)生的知識(shí)面,為將來從事微生物資源開發(fā)和利用工作打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)。
近年來,分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速,作為該學(xué)科基礎(chǔ)的微生物學(xué)只有與分子生物學(xué)相結(jié)合才能具有更大的發(fā)展?jié)摿?。為了使學(xué)生全面了解生物學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀,在設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)應(yīng)該考慮將一些簡(jiǎn)單的分子生物學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,如核酸的分離與純化等,作為提高實(shí)驗(yàn)并加入到資源微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中。
2改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法
對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改革是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法弊端的修正,改革后的教學(xué)方法應(yīng)該有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性,有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察、思考、分析和解決問題的能力,有利于學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)嚴(yán)肅的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)[3,4]。為了改善實(shí)驗(yàn)效果,激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性,可從以下幾個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。
2.1鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作繁多是資源微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)之一。以往每次實(shí)驗(yàn)前大量的洗刷、包扎、滅菌培養(yǎng)基的制備、溶劑配制等工作需要花費(fèi)教師大量的時(shí)間來完成,而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中坐享其成,雖然在較短的時(shí)間內(nèi)就可以完成實(shí)驗(yàn),但對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解并不深刻,效果不佳。鼓勵(lì)學(xué)生在教師的指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作,使他們有更多的機(jī)會(huì)參與到實(shí)驗(yàn)中,有利于他們系統(tǒng)地掌握實(shí)驗(yàn)方法和技能,也利于他們產(chǎn)生長時(shí)間自覺學(xué)習(xí)的動(dòng)力;同時(shí)也減輕了教師的實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)。
2.2嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)基本技能的訓(xùn)練
實(shí)驗(yàn)基本技能是實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量好壞的決定因素,也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾h(huán)節(jié)。因此,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中教師要經(jīng)常巡回檢查,隨時(shí)指出學(xué)生在操作中存在的問題。對(duì)于存在的問題教師要認(rèn)真分析,親自示范、及時(shí)糾正,不放過任何一個(gè)不規(guī)范的細(xì)節(jié)操作,嚴(yán)格要求實(shí)驗(yàn)紀(jì)律,培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、踏實(shí)規(guī)范的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。
2.3規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫
實(shí)驗(yàn)報(bào)告是教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況的一種書面評(píng)價(jià)方式。規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括預(yù)習(xí)報(bào)告、過程報(bào)告和結(jié)果分析報(bào)告幾個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)開始之前教師先對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行檢查;實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中教師應(yīng)該要求學(xué)生如實(shí)、客觀地記錄實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果;不管實(shí)驗(yàn)成敗與否,實(shí)驗(yàn)后都要認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)過程并總結(jié)實(shí)驗(yàn)中要注意的事項(xiàng)以加深記憶。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,教師要仔細(xì)批閱寫出評(píng)語。不規(guī)范的報(bào)告要指出問題所在,對(duì)于普遍存在的問題要在課堂上集中講解。
3充分運(yùn)用多媒體教學(xué)手段
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,教師為了加強(qiáng)教學(xué)效果均利用掛圖使學(xué)生客觀、感性地認(rèn)識(shí)微生物。但是資源微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)非常微小,非肉眼所能見,教師即使花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行描述、解釋也不能取得到好的效果,學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容難以掌握,甚至在觀察微生物形態(tài)時(shí)找不準(zhǔn)正確的觀察對(duì)象。
在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,隨著教學(xué)體制改革的不斷深入,多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段得到越來越廣泛的應(yīng)用。教師可以將這種教學(xué)手段充分運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,將文本、圖形、圖像、動(dòng)畫、聲音、視頻等融為一體,實(shí)驗(yàn)中教師可以邊播放多媒體資料邊講解,以解決傳統(tǒng)教學(xué)中解釋不清的教學(xué)難題,減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。另外,多媒體手段的應(yīng)用可以對(duì)學(xué)生的感官形成刺激,能夠使學(xué)生直接地明晰抽象的微生物世界,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,幫助學(xué)生準(zhǔn)確地掌握重、難點(diǎn),提高學(xué)習(xí)效率。
4結(jié)語
上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施的實(shí)施會(huì)很大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性,激發(fā)他們上好實(shí)驗(yàn)課的熱情,削弱其實(shí)驗(yàn)依賴性,使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中真正發(fā)揮主觀能動(dòng)性,確立其實(shí)驗(yàn)主體地位。通過改革后的實(shí)驗(yàn)課教學(xué),學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題的能力得到提高,嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度得到培養(yǎng),為學(xué)生將來從事微生物資源開發(fā)和利用及相關(guān)科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
5參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞 : 微生物檢驗(yàn);研究進(jìn)展;發(fā)展趨勢(shì);
在諸多領(lǐng)域的工作中都涉及微生物檢驗(yàn)環(huán)節(jié),如食品、藥品等的檢驗(yàn),對(duì)保障相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要作用。微生物檢驗(yàn)也是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的重要手段,根據(jù)檢測(cè)需要和實(shí)際情況采取相應(yīng)的微生物檢驗(yàn)手段能更好地提升微生物檢驗(yàn)效果與水平,這就需要相關(guān)人員不斷深入研究微生物檢驗(yàn)技術(shù),把握好微生物檢驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì),使其在相關(guān)工作中得到更好的應(yīng)用。
1、 微生物檢驗(yàn)技術(shù)概述
微生物檢驗(yàn)主要是對(duì)部分產(chǎn)品(一般是口服的食品、藥品)中的微生物污染開展定性或者定量檢驗(yàn)的技術(shù)。該技術(shù)涉及諸多領(lǐng)域與行業(yè),如食品、飲用水、外用或口服的藥品、需滅菌的產(chǎn)品和化妝品等,此類產(chǎn)品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)有明確的規(guī)定,通過微生物檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)其微生物污染實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制,避免各類有害病原微生物侵入人體而對(duì)廣大消費(fèi)者的健康造成危害。在微生物的常規(guī)檢驗(yàn)中,主要的測(cè)定內(nèi)容有需氧菌的總數(shù)、霉菌的總數(shù)、腸道的致病菌、化膿性的致病菌、食物的中毒菌、破傷風(fēng)的厭氧菌、活螨蟲和螨蟲卵以及大腸菌群等。在微生物檢驗(yàn)中,一定要嚴(yán)格執(zhí)行檢驗(yàn)的程序,在樣品檢驗(yàn)前一定要對(duì)操作的環(huán)境提前采取滅菌處理,操作期間謹(jǐn)防出現(xiàn)二次污染[1]。
在微生物檢驗(yàn)中,基本操作有接種、分離純化、培養(yǎng)、鑒定和保存等。在接種方面,常用的方法有劃線接種、三點(diǎn)接種、穿刺接種、澆混接種、涂布接種、液體接種、注射接種、活體接種等。對(duì)培養(yǎng)基完成高壓滅菌后,通過已滅菌處理的工具在無菌條件下進(jìn)行含菌材料向培養(yǎng)基上接種。在分離純化方面,若一個(gè)菌落內(nèi)的所有細(xì)胞都來自一個(gè)親代細(xì)胞,此菌落就被稱作純培養(yǎng)。在鑒定菌種時(shí),用到的微生物要求是純培養(yǎng)物,而純培養(yǎng)物的獲取就是分離純化的過程,方法也有很多,如傾注平板、涂布平板、平板劃線、富集培養(yǎng)、厭氧處理、單細(xì)胞分離等。在培養(yǎng)方面,以培養(yǎng)時(shí)對(duì)氧氣的需求情況為標(biāo)準(zhǔn),可以分為好氧培養(yǎng)、厭氧培養(yǎng);以培養(yǎng)基的物理狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn),可以分為固體培養(yǎng)、液體培養(yǎng)。在鑒定方面,主要涉及形態(tài)學(xué)的觀察、生理生化的試驗(yàn)、化學(xué)成分的分析、基因型的分析、系統(tǒng)發(fā)育的分析等內(nèi)容。在保存方面,基本原理是挑選優(yōu)良的純培養(yǎng)物,使其處于休眠狀態(tài),然后人為創(chuàng)造有利于其休眠的環(huán)境,使其在長期保存后依然具備菌種原有的優(yōu)良特性[2]。比較常用的方法有定期移植方法、液體石蠟方法、真空冷凍干燥法、低溫凍結(jié)方法等。
2、 基因檢測(cè)在微生物鑒定中的應(yīng)用進(jìn)展
在微生物鑒定中,基因檢測(cè)是一種新技術(shù),目前已經(jīng)研究出下一代測(cè)序(Next Generation Sequencing,NGS),此方法主要是對(duì)大量DNA的小片段進(jìn)行檢測(cè),通過特定算法對(duì)個(gè)體檢測(cè)的數(shù)據(jù)與參考基因的序列實(shí)施對(duì)比,發(fā)現(xiàn)可能存在的變異情況。以醫(yī)學(xué)臨床中的微生物檢驗(yàn)為例,NGS可以用于感染性疾病病原體的鑒定。對(duì)病原微生物的傳統(tǒng)鑒定方法主要包括涂片鏡檢處理、分離培養(yǎng)、質(zhì)譜和生化反應(yīng)等,但此類方法呈現(xiàn)出周期長、靈敏度低和過程復(fù)雜等缺點(diǎn),對(duì)分枝桿菌的菌種鑒定用時(shí)需30~40 d,對(duì)苛養(yǎng)菌、病毒等的培養(yǎng)條件也極為苛刻,大大增加了培養(yǎng)的難度。分子診斷基于聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction,PCR)有效解決了上述病原體的鑒定問題,但不能解決未知的微生物檢驗(yàn)難題,因?yàn)槲粗奈⑸锖怂嵝蛄幸参粗?,無法設(shè)計(jì)引物,這也成為該技術(shù)最大的難題[3]。在NGS檢測(cè)中,不需要對(duì)病原體實(shí)施分離培養(yǎng)處理,也不依賴已知的核酸序列,能直接實(shí)現(xiàn)標(biāo)本的測(cè)序、鑒別,有效節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間、提升了診斷效率,在對(duì)未知物種和難培養(yǎng)病原體的鑒定中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)病原體的鑒定中,NGS的應(yīng)用主要包括兩種方法,分別是r RNA基因測(cè)序、全基因組測(cè)序(Whole Genome Sequencing,WGS)。其中,r RNA基因測(cè)序法在臨床上主要用于細(xì)菌和真菌等鑒定,也是菌群分析環(huán)節(jié)的基礎(chǔ);WGS和r RNA基因測(cè)序方法相比,WGS能獲取更加全面的信息,適合在病毒的鑒定中使用。大部分的病毒是不可培養(yǎng)的,且存在高度變異的情況,NGS和基因芯片、Sanger測(cè)序法等相比,NGS具有更高的效率,也不需要設(shè)計(jì)特定探針,適用于復(fù)雜的臨床標(biāo)本病毒鑒定。
3 、微生物鑒定技術(shù)的研究進(jìn)展
微生物鑒定的定義是以現(xiàn)有的分類系統(tǒng)對(duì)未知微生物的特征實(shí)施測(cè)定,以對(duì)其實(shí)施細(xì)菌、霉菌和酵母菌等大類區(qū)分,或?qū)佟⒎N和菌株水平進(jìn)行確定的過程。在鑒定污染微生物時(shí),一般結(jié)合鑒定的水平合理選擇鑒定的方法。在微生物的鑒定中,傳統(tǒng)方法(經(jīng)典的生化反應(yīng)、革蘭氏染色的顯微鏡鑒別等)一般適用于大多數(shù)非無菌類藥品的生產(chǎn)以及部分無菌生產(chǎn)環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。但在藥品的微生物污染相關(guān)事件中,通過傳統(tǒng)的方法并不能滿足快速分型、準(zhǔn)確鑒定和溯源分析等需求,所以,研究分子生物學(xué)時(shí)產(chǎn)生的基因型鑒定法逐漸得到應(yīng)用[4]。
采用傳統(tǒng)技術(shù)鑒定表型主要包括菌落形態(tài)的觀察、染色、生化鑒定、顯微鏡檢查等環(huán)節(jié),呈現(xiàn)出成本低和便于操作等優(yōu)點(diǎn)。但微生物表型存在一定的可變性,不同的生長環(huán)境會(huì)對(duì)其表觀形態(tài)產(chǎn)生影響,如不同培養(yǎng)基內(nèi)的微生物可能有不同的顏色。同時(shí),傳統(tǒng)表型鑒定技術(shù)對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)條件較為依賴,在一些生長緩慢、培養(yǎng)難度大、需特殊營養(yǎng)的微生物鑒定中具有很大的局限性。隨著社會(huì)的發(fā)展,現(xiàn)代化的微生物鑒定技術(shù)逐漸在藥品污染的微生物鑒定、溯源分析以及污染調(diào)查等方面得到廣泛運(yùn)用,此類技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)表型鑒定的拓展與豐富,如生化鑒定系統(tǒng)(如VITEK和API的系統(tǒng))、FTIR(傅里葉紅外光譜)、MALDI-TOF-MS(基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜)、以碳源分析為基礎(chǔ)的全自動(dòng)化微生物鑒定系統(tǒng)、脂肪酸鑒定系統(tǒng)等,有效提升了微生物的鑒定效率和藥品質(zhì)量的控制水平。
隨著鑒定技術(shù)的發(fā)展,基因型鑒定技術(shù)被研發(fā)出來,這是一種以微生物的基因序列為基礎(chǔ),對(duì)其分子實(shí)施生物學(xué)鑒定的技術(shù),不依賴微生物的培養(yǎng),是一種現(xiàn)代化的鑒定技術(shù)類型?;蛐丸b定技術(shù)和表型鑒定技術(shù)存在很大不同,其數(shù)據(jù)庫較為完善,能以微生物的遺傳物質(zhì)為基礎(chǔ),通過差異分析對(duì)微生物進(jìn)行鑒定,呈現(xiàn)出高效率、高準(zhǔn)確度和高通量等特點(diǎn)。在自然環(huán)境中,約有10%的物種能以分離培養(yǎng)的方法獲取,以微生物的培養(yǎng)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)表型鑒定具有很大的應(yīng)用局限性,而采用基因型鑒定,以16S r RNA的高通量式測(cè)序法獲取的微生物群落信息就十分全面。當(dāng)然,基因型鑒定也有一定的缺陷,使用16S r RNA法時(shí),不能對(duì)某些親緣較近、不明顯的特征序列類微生物進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定;采用高通量的測(cè)序分析混合樣本時(shí),不能有效排除已死亡的微生物干擾因素等[5]。
4、 微生物檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
在微生物檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展過程中,逐漸產(chǎn)生了很多技術(shù)類型,各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了有效地彌補(bǔ)各檢驗(yàn)方式的缺陷,可以對(duì)多種方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)用。在選擇檢驗(yàn)方式時(shí),需要綜合考慮相應(yīng)條件,特別是檢驗(yàn)中對(duì)靈敏度的要求。因此,提升靈敏度、消除假陽性是檢驗(yàn)技術(shù)研究過程中的重要關(guān)注內(nèi)容。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下,微生物檢驗(yàn)技術(shù)朝著高度自動(dòng)化以及簡(jiǎn)便快速的方向發(fā)展。目前,分子生物學(xué)相關(guān)技術(shù)在自動(dòng)化的儀器聯(lián)合中,已經(jīng)被運(yùn)用于病原菌的診斷和鑒定、耐藥基因的檢測(cè)等方面。要想實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效和價(jià)格低廉等有效統(tǒng)一,就要改變臨床中病原菌的檢驗(yàn)現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)觀念,在各學(xué)科的交叉發(fā)展中,新型檢驗(yàn)技術(shù)也會(huì)越來越多。
近年來,新型技術(shù)得到了迅速發(fā)展,如電化學(xué)和比濁法等技術(shù),可以對(duì)藥品內(nèi)的活微生物實(shí)現(xiàn)直接測(cè)定;固相細(xì)胞的計(jì)數(shù)法以及流式細(xì)胞的計(jì)數(shù)法等,能分析微生物細(xì)胞內(nèi)的特定成分。上述技術(shù)能提高藥品檢測(cè)的準(zhǔn)確性,也能保證檢測(cè)人員的安全,因此,應(yīng)用前景十分廣闊?;诩夹g(shù)的迅速發(fā)展,要想實(shí)現(xiàn)藥品中微生物檢驗(yàn)的進(jìn)步,還要完善檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),提升相關(guān)檢驗(yàn)人員的綜合素質(zhì)和專業(yè)水平。因?yàn)樗幤窓z驗(yàn)期間需要人工操作,操作人員的技術(shù)水平會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。為了提升操作人員的技術(shù)水平,要對(duì)檢測(cè)人員開展定期培訓(xùn)。目前,在藥品微生物的檢驗(yàn)中,軟硬件設(shè)備都得到了顯著改善,且藥品的微生物檢驗(yàn)技術(shù)也朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展,特別是對(duì)無菌制劑的研究已取得顯著成就,推動(dòng)著檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法、藥典制定的依據(jù)等朝著更科學(xué)的方向發(fā)展[6]。
5 、結(jié)語
微生物的檢驗(yàn)在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,也逐漸產(chǎn)生了很多檢驗(yàn)技術(shù)和方法,各有優(yōu)點(diǎn)與不足。為了促進(jìn)相關(guān)技術(shù)作用的充分發(fā)揮,還需要對(duì)檢驗(yàn)技術(shù)不斷進(jìn)行研究,把握好檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),推動(dòng)檢驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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[2]李茂峰.食品微生物快速檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化研究進(jìn)展[J].食品安全導(dǎo)刊, 2017(18):120.
[3]王穎臨床微生物快速檢驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展[J]醫(yī)藥前沿, 2017(23):6-7.
[4]鄭小玲,王銀環(huán),陳君豪,等藥品微生物檢驗(yàn)替代方法國內(nèi)外研究進(jìn)展[]藥物分析雜志, 2020(4):8-13.
級(jí)別:CSCD期刊
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