第一篇：代谢组学在微生物领域的应用
代谢组学及其在微生物领域的研究进展
【摘要】代谢组学、基因组学和蛋白质组学是系统生物学研究的重要组成部分。本文在文献和作者本人研究的基础上，对代谢组学的产生和技术平台及其在环境微生物领域的研究进展进行了评述。
【关键词】代谢物 代谢组学 环境微生物 生物降解 评述
1引言
代谢组学(metabolomics)诞生至今不到10年，但发展非常迅速（图1），现已成为系统生物学研究的一个重要组成部分［１］，在诊断及功能基因组研究中发挥出日益重要的作用[2]。随着基因组学研究的深入，至2005年底，以metabolome, metabolomic, etabolomics, metabonome, metabonomic以及metabonomics为关键词，或出现在文提或摘要内，检索Web of Science以及Pubmed。所得文献经整理删除重复数据(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）。功能基因组开始研究基因组、转录组以及蛋白组的数据与表型之间的关系；而细胞内的全部代谢物最接近于表型，从而产生了研究全部代谢物的要求，代谢组(metabolome)的概念由此诞生 [3]。Fiehn等在2000年以拟南芥叶为模型的工作标志着代谢组学成为功能基因组研究的一个重要组成部分[4]。
目前，代谢组学的研究可分为以下３个层次［１，５～７］：（１）目标代谢物分析(metabolite target analysis)。利用特定方法研究难分析化合物(difficult analytes)，如植物激素等；（２）代谢谱分析(metabolite profiling)。对一系列预先设定的目标代谢物（如某特定代谢途径中所有代谢物，或者一组由多条代谢途径共享的代谢物）进行定量研究；（３）代谢组学。定性和定量特定条件下生物样品内的全部代谢物。然而，由于代谢物组成复杂、含量不一，样品制备过程的偏差，以及检测设备的量程及通量等问题，目前还难以分析全部的代谢物。因此，在现阶段代谢组学更多地被视为“非目标性”代谢物研究［７］。与代谢组学相关的概念还有代谢指纹分析(metabolic fingerprinting)，即对粗提代谢物进行高通量的定性分析，通过谱型比较将样品进行快速分类，或者寻找差异峰从而揭示生物对疾病或有毒物应答的生物标记物。另一个重要的概念是代谢产物组学(metabonomics)［８］，多指以核磁共振（NMR）手段研究与疾病相关的代谢物。Nicholson等认为代谢产物组学是综合地研究某一时间点对细胞内全部代谢物的影响［８，９］。不过，上述有关代谢组学的各种概念仍在发展和完善中。代谢组学会也将代谢组学的定义视为学会亟待解决的重要问题［９］。
代谢组学与其它组学的研究对象的最大区别是其研究代谢组的变化。代谢组的变化是生物对遗传变异、疾病以及环境影响的最终应答［６］。代谢组学受进化的影响较小，在不同物种间其检测方法比其它组学方法更为通用。以果糖二磷酸化酶检测为例，基因组或蛋白组研究需要掌握不同物种内该酶的编码基因或蛋白序列，并根据该信息设计相应芯片或质谱检测技术；代谢组则不管在何种生物内，该酶的底物和产物（1,6二磷酸果糖和6磷酸果糖）
都是一致的，因而其检测方法可适用于所有物种 ［７］。
与其它“组学”研究类似，代谢组学的突破在于将传统的代谢途径扩展为代谢网络的研究。通过“非目标性”地识别全部代谢物，定量它们在生物体系内的动力学变化，从而揭示传统方法无法观测到的代谢网络中不同途径之间的关系［１］。因而，代谢组学成为系统生物学研究的重要组成部分［１０］。
２代谢组学的技术平台及进展
由于代谢物的多样性，许多分析技术得到广泛应用[11]。图2所示为各种代谢组学研究中常用的技术平台［７］。根据样品的属性和研究目的来选择并综合利用多种技术平台。例如研究植物与微生物常使用质谱检测代谢物，而在动物样品的研究中则更多地采用了核磁共振（NMR）技术［１２］。目前，应用最广泛、最有效的技术是气相色谱质谱（GCMS）和液相色谱质谱（LCMS）［３］。这两种技术可以检测包括糖、糖醇、有机酸、氨基酸、脂肪酸以及大量次级代谢物在内的数百种化合物。GCMS具有较高的分辨率和灵敏度。因此，与GCMS相关技术的发展很快，如采用GCGCMS技术增加单次分析可分离代谢物的种类［１４］；利用GC与飞行时间质谱（TOFMS）联用可以进行高通量分析：由于TOF检测时间短，一个月可分析1000个以上样品；而且，利用升级的解析方法可以从植物叶片提取物的GCTOF图谱中一次解析出1000种以上化合物［１５］。但是GC分离样品分子量范围有限，不能分离大分子及难挥发物质，同时热不稳定性物质在GC条件下容易分解。尽管衍生化过程会降低样品的通量，将样品衍生化后再进行GC分离，仍然是解决上述问题的一条有效途径。
LCMS具有强大的分离能力，广泛应用于难挥发性物质的分析。目前，反相LC技术应用较普遍，但常规LC在分离极性较强物质时仍然具有重要作用。Tolstikov等［１３］开发出一种亲水作用色谱技术(hydrophilic interaction chromatography ,HILIC)，采用
(monolithic C18 silica)长柱提高了分离效率，并且更易于与MS对接，检测到许多极性物质。此外，HPLCMS、毛细管HPLCMS、UPLCMS以及多维色谱等技术逐渐应用到代谢物组学研究，明显提高了分辨率、灵敏度和通量［１６］。毛细管电泳在代谢物分离方面是一个新的发展方向，其效率优于LC和GC［７］。
检测器是代谢物组分析关键因素之一。傅里叶变换离子回旋加速器质谱(FTMS)技术在代谢物组领域具有良好的应用前景。借助高分辨率质谱(>106)，FTMS可以进行精确的质量分析，并根据同位素间分布直接得出经验分子式［１８］。核磁共振NMR技术多用于代谢物指纹图谱分析和寻找样品间的显著差异代谢物，更多地用于哺乳动物样品的检测。NMR技术是代谢产物组(metabonomics)研究最有力的工具，具有较好的重复性[１９]。拉曼以及傅里叶红外等振动光谱的灵敏度虽然相对较低，但是，傅里叶红外在生物样品的高通量筛选分类方面非常有效。Ellis等［２０］利用该方法研究了肉类在变质过程中的代谢谱，发现该过程的主要生化指标为蛋白质降解。一种新的发展趋势是样品不经色谱分离直接进样，采用低分辨率电喷雾质谱分析，根据获得的指纹图谱进行高通量筛选［２１］。Allen等［２２］采用该方法成功地区分开仅仅一个基因差异的酿酒酵母。
生物体内的代谢物随时间和空间的变化而不断地发生变化，所以时间动力学与空间分布的变化是代谢物组学研究的重要课题。虽然可以通过连续取样的方法来研究时间动力学，但是该方法费时费力。利用NMR及FTIR等技术进行非介入性研究是一个新的发展方向。此外，利用分子生物学手段的研究也有新的进展。Fehr等利用GFP融合葡萄糖结合蛋白，通过荧光强度来监测胞内的葡萄糖浓度。结果发现，在COS7细胞胞浆内的葡萄糖浓度的变化范围高达两个数量级［２３］。
一个普通的细胞内可能含有或产生的代谢物种类远远超出人们最初的预想。Fiehn等［１２］从拟南芥叶片中鉴定出326种代谢物，通过对数据深入分析，发现最初的图谱能够解析出1000种以上的代谢物。因此，随着硬件平台的发展，代谢组学研究将获得海量的数据；而如何解析、储存这些数据并从中提取有用的信息则非常重要。因此，代谢组学数据的处理已经成为生物信息学的一个新的重要分支［２４］。
代谢组学原始数据的解析可分为如下３个基本步骤：（1）提取出色谱分离（如GCMS）后未能有效分开的代谢物峰并得出其相应浓度；（2）根据其保留时间及质谱图等信息鉴别有效峰所代表的化合物；（3）根据代谢数据建立代谢网络模型［１２］。目前已经开发出界面友好的公开软件，如Sumner等［２５］开发的MSFACTS(metabolomics spectral formatting, alignment and conversion tools)，可以输入如GCMS原始数据，输出代谢物清单。Johnson等［２６］设计了一种新的算法，可进行图谱的快速比对。
根据图谱鉴别结构问题相对进展较慢。不能识别图谱中的大多数代谢物峰成为代谢组学研究的瓶颈之一。在标准数据库中，多数数据都来源于有机化学领域，而天然代谢物的结构信息相对较少。以植物为例，80%以上的代谢物在标准谱库中找不到对应的化合物。解决该问题应该更多地依赖于一些新的算法进行自动推算，而不是寻找相应的标准参照物。目前，关于NMR的自动化谱图结构推测有一定的进展［２７］，而关于MS图谱的分析相对落后。关于代谢数据的可视化及建模，不少文献中都有介绍［５，８，２８］，在此不再赘述。与其它组学研究类似，代谢组学数据的标准化及存储也是一个重要的问题。目前，一些相关的数据库已经建立，例如拟南芥代谢组数据库以及包含各种代谢途径的KEGG数据库等等［２４，２９］。但是，类似基因组研究中Genbank作用的代谢物数据库尚未建立，未来的发展方向是建立综合、关联基因组、蛋白组及代谢组数据的大型数据库［２４］。３代谢组学在微生物领域的研究进展
目前，代谢组学应用领域大致可以分为以下６个方面：（1）植物功能基因组研究，主要以拟南芥为研究模型，也包括一些转基因作物的研究［４，３０，３１］；（2）疾病诊断，根据代谢物指纹图谱诊断肿瘤、糖尿病等疾病［９，３２］；（3）制药业，主要通过高通量比对预测药物的毒性和有效性，通过全面分析来发现新的生物指示剂［３３］；（4）微生物领域；（5）毒理学研究，包括利用代谢组学平台研究环境毒理及药物毒理［１９，３４］；（6）食品及营养学，即研究食品中进入体内的营养成分及其与体内代谢物的相互作用［３５］。以下着重介绍在微生物领域的代谢组学研究及其最新进展。
3.1微生物分类，突变体筛选以及功能基因研究
经典的微生物分类方法多根据微生物形态学以及对不同底物的代谢情况进行表型分类。最近，随着分子生物学的突飞猛进，基因型分类方法如16S rDNA测序，DNA杂交以及PCR
指纹图谱等方法得到了广泛应用。然而，某些菌株按照基因型与表型两类方法分类会得出不同的结果。因此，根据不同的分类目的联合应用这两类方法已成为一种趋势。BIOLOG等方法在表型分类中应用较为广泛，但是，代谢谱分析方法(metabolic profiling)异军突起，逐渐成为一种快速、高通量，全面的表型分类方法。采用代谢组分类时，可以通过检测胞外代谢物来加以鉴别。常用的胞外代谢物检测方法为样品衍生化后进行GCMS分析、薄层层析或HPLCMS分析，最后通过特征峰比对进行分类［３６，３７］。Bundy等［３８］采用NMR分析代谢谱成功地区分开临床病理来源以及实验室来源的不同杆菌(bacillus cereus)。除了表型分类外，代谢组学数据可以应用于突变体的筛选。在传统研究中的沉默突变体（即未发生明显的表型变化的突变体）内，突变基因可能导致了某些代谢途径发生变化，通过代谢快照(metabolic snapshot)可以发现该突变体并研究相应基因的功能［３９］。Soga等用CEMS系统研究了枯草杆菌在芽孢发生过程中的代谢谱的变化过程，识别出胞1692种代谢物，并鉴别出其中的150种［１７］。
3.2发酵工艺的监控和优化
发酵工艺的监控和优化需要检测大量的参数，利用代谢组学研究工具可以减少实验数量，提高检测通量，并有助于揭示发酵过程的生化网络机制，从而有利于理性优化工艺过程 ［１０］。Buchholz等［４０］采用连续采样的方法研究了大肠杆菌在发酵过程中的代谢网络的动力学变化。他们在葡萄糖缺乏的培养液培养的大肠杆菌中加入葡萄糖，并迅速混匀，按每秒4～5次的频率连续取样。利用酶学分析、HPLC/LCMS等手段监测样品中多达30种以上的代谢物、核苷以及辅酶，从而解析了葡萄糖以及甘油的代谢途径和底物摄取体系。通过统计学分析建模，发现在接触葡萄糖底物后的15～25 s范围内,大肠杆菌体内发生的葡萄糖代谢物变化与经典生化途径相符，但随后的过程则与经典途径不符，推测可能存在新的未知调控步骤。Takors认为，通过上述代谢动力学研究，掌握代谢途径及网络中的关键参数，将直接有利于代谢工程的优化，包括菌株的理性优化以及发酵参数的调控。Dalluge等利用LCMSMS方法监控发酵过程中的氨基酸谱纹，实现对整个发酵系统的高通量快速监控；而接下来的研究将考虑缩小氨基酸监测范围，通过少数几个关键氨基酸的监测实现对整个发酵系统状况的监控［４１］。
3.3环境微生物研究
微生物降解是环境中去除污染物的主要途径。深入了解污染物在微生物内的代谢途径，将有助于人们优化生物降解的条件，从而实现快速的生物修复。这些代谢中间体大都通过萃取、分析方法进行逐个研究，并借助专家经验拟合出代谢途径，其动力学过程亦很少触及。代谢组学方法的采用有可能改变这一现状。Boersma等［４２］采用代谢组学方法研究氟代酚的微生物降解途径。氟代化合物具有特殊的19F核磁共振属性，19F的核磁共振灵敏度与1H核相近；由于生物体内无内源性19F核磁信号，因而无本底干扰。所有19F核磁信号均可归结于异生素及其代谢物。19F核的化学位移值宽，约为700ppm（1H为15ppm，13C为250ppm）。较宽的化学位移导致19F在不同取代物的峰图不易产生重叠。因此，借助核磁共振技术可以更方便地研究含氟化合物的代谢中间体。Boersma等根据总代谢物的核磁共振图谱，推测出红球菌内羟化酶在不同的取代位（1，2，3三种不同的取代数量）
羟基化氟代酚，然后再通过儿茶酚内位双加氧酶开环形成氟代粘糠酸的代谢过程。此外，他们还首次检测到开环后的下游代谢物，即通过氯粘糠酸异构酶生成氟代粘糠酸内酯以及氟代马来酸等中间代谢物。
根际(rhizosphere)空间在植物微生物相互作用中发挥着重要的作用。Narasimhan等
[43 ]利用根际代谢物组(rhizosphere metabolomics)方法，阐释了植物分泌物对根际微生物降解多氯代酚(PCB)的作用机制。采用HPLCESI/MS法分离鉴定拟南芥根际代谢物，发现野生型拟南芥根际次级代谢物中84%以上均为phenylpropanoids。因此能利用
phenylpropanoids生长的PCB降解假单孢菌能够快速在根际区域增殖（比相应营养缺陷型突变菌株高100倍以上），并且在两周内去除超过90%的PCB。然而，在采用拟南芥突变体（产生较少的phenylpropanoids）的对照组中，降解菌的数量较低，降解率也仅达50%。结果表明植物根际分泌的次级代谢物促进降解菌的繁衍增殖，从而促进了污染物的降解。本课题组在近期的工作中建立固相微萃取衍生化技术与GCMS联用同时测定多种多环芳烃（PAHs）代谢产物的分析方法，开展了细菌和微藻降解PAHs的降解机理和代谢物动力学变化等研究[44～47]。从单一菌和混合菌液培养基中及细胞体内，同时检测到PAHs多种单氧化和双氧化及其开环代谢物产物，发现多种PAHs降解过程中存在复杂的代谢物动力学过程；通过研究标志性代高等物组成力学变化，揭示代谢物水平上的微生物共代谢PAHs的降解机制［４４～４６］。共代谢过程中的代谢物动力学过程有非常独特的特点，一方面它属于胸内生命合成过程，因为微生物降解生长基质ＰＡＨs时提供能源和碳源促进微生物的生长；另一方面它又属于胞外代谢处程,非生长基质PAHs对于微生物是一种环境胁迫，微生物分泌降解酶通过在胞外降解非生长基质PAHs以减弱其对自身的危害。因此,共代谢过程是胞内外代谢相互作用的过程。
此外，微生物代谢组学还应研究如何改进样品的制备方法。例如，在代谢组研究中，为了中止细胞代谢反应采用冷淬火(cold quenching)方法，将细胞样品迅速置于低温（液氮或-70℃甲醇中），这会导致许多微生物发生冷休克(coldshock)，释放出大量的胞内物质，引起代谢组学定量研究发生偏差[48, 49]。
4展望
代谢组学尚处在萌芽期, 它综合了分析化学、基因组学以及信息科学的最新进展，在功能基因组研究中居于核心地位[12]。未来主要发展方向包括发展更为灵敏的、广谱的、通用的检测方法，鉴定各种谱峰对映的化合物结构，以及与其它虚拟模型的整合。这将更有助于全面阐释各种细胞功能的分子基础。
此外，代谢物组学方法应用于环境微生物领域，将开拓出新的研究方法和方向。微生物胞外污染物降解和胞内代谢物利用构成了微生物代谢污染物的复杂的代谢网络。研究细胞内外整合的代谢网络中代谢途径的相互作用与影响将全面、深入地揭示微生物降解污染物的能力和途径，从而有效地预测有毒代谢物在环境中的积累和去除。而代谢途径的代谢物组分析对于阐释代谢物动力学过程以及微生物降解机理、分析和评价微生物在各种污染物的生物修复中的潜力都具有重要作用。
第二篇：微生物的代谢教学反思
《微生物的代谢》教学反思
金 柘
在微生物代谢这一内容的教学过程中，针对知识特点采用了提供问题情境、探索目标，由学生通过阅读课本相关内容，自己确定知识清单，然后同学间进行知识交流、相互补充，最后教师点拨归纳，通过这些尝试以改变学生的学习方式。
对于微生物代谢非常旺盛的原因要利用课本中的一些数据加以说明。代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物，代谢调节的方式分为酶合成的调节和酶活性的调节，微生物体内的酶又可以分为组成酶和诱导酶，这些知识点让学生通过自学进行比较，脉络清晰，学生对有关知识点的掌握程度也比较理想。
而微生物代谢的调节是重点。教学中除多结合实例讲解外，还要引导学生对这两种调节方式进行比较，如比较调节的对象、结果、特点、机制、意义等，有利于学生形成良好的知识结构。
觉得可以改进的地方有，可以先讲完微生物代谢的调节后再来讲人工控制微生物的代谢，这样，重点突出，帮助学生更好的理解课本内容，还有一点，就是要注意知识点的拓展和加深，适时的帮助学生巩固旧的知识。
第三篇：碳化硅在其他领域的应用
碳化硅材料的研究在近20年中取得了令人注目的成就,在各种先进设备与工艺技术的推动下,材料的性能得到了充分的发掘与应用,制成了能够满足各种极端工况条件的陶瓷构件,为高新技术的发展以及工程陶瓷在未来技术领域的应用打下了坚实的基础.虽然与其它工程结构陶瓷一样,使用过程的可靠性、性能可重复性等方面存在的问题仍然是影响碳化硅材料得到广泛应用的主要障碍
由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度，使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。主要有以下几个方面：
密封环碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且耐高温，因而是制造密封环的理想材料。它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。
研磨介质（磨介）碳化硅陶瓷,由于其高硬度的特点而广泛用于耐磨机械零件中，特别是球磨机中的研磨介质（磨介）。球磨机中所用的磨介对研磨效率有着重要的影响，其基本要求是硬度高、韧性好，以保证研磨效率高、掺杂少的要求。SIC-1型碳化硅陶瓷磨介适合于普通球磨机中使用，它具有硬度高、强度高、价格适中的特点。而SIC-2型碳化硅陶瓷磨介则由于强度高、韧性好，适合于振动球磨机和搅动球磨机中使用。合理地选择磨介可保证你以最低的成本获得较高的研磨效率和最少的掺杂。
防弹板碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、弹道性能较好、价格较低，而广泛用于防弹装甲中，如车辆、舰船的防护以及民用保险柜、运钞车的防护等。碳化硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷，约为碳化硼陶瓷的70-80%，但由于价格较低，特别适合用于用量大，且防护装甲不能过厚、过重的场合。
喷嘴用作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的是氧化铝、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化铝陶瓷喷嘴的价格低，但由于硬度低，其耐磨性较差，多用于喷砂工作量不大的场合。
碳化硅陶瓷的使用寿命是氧化铝陶瓷的３－５倍，与硬质合金相当，多用于硬质合金的替代品，特别是在手持喷枪的工况中使用。SIC-２型碳化硅陶瓷的韧性好，可用于有冲击和振动的喷砂的工况。
研磨盘是半导体行业中超大规模集成电路用硅片生产的重要工艺装备。通常使用的铸铁或碳钢研磨盘其使用寿命低，热膨胀系数大。在加工硅片过程中，特别是高速研磨或抛光时，由于研磨盘的磨损和热变形，使硅片的平面度和平行度难以保证。采用碳化硅陶瓷的研磨盘由于硬度高研磨盘的磨损小，且热膨胀系数与硅片基本相同因而可以高速研磨、抛光。特别是近几年来的硅片尺寸越来越大，对硅片研磨的质量和效率提出了更高的要求。碳化硅陶瓷研磨盘的使用将使硅片研磨的质量和效率有很大的提高。同时碳化硅陶瓷研磨盘还可用于研磨、抛光其它材料的片状或块状物体的平面。
磁力泵泵件随着工业化的发展，特别是ISO14000国际标准的贯彻执行，对不利于环境保护液体的输运提出了更高的要求。磁力泵由于采用静密封代替机械密封、填料密封等动密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用寿命更长。对于磁力泵一般要求免维护的时间为八年，即要求连续运转八年不得拆卸，因而对磁力泵件的选材提出了极为苛刻的要求。如泵中的泵轴、止推盘、轴套等，必须耐磨损、耐腐蚀。而目前能满足上述条件的材料只有碳化硅陶瓷最适合。
高温耐蚀部件碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高温强度，即在1600°C时强度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高温结构件中使用。如高温炉的顶板、支架，以及高温实验用的卡具等。
碳化硅制品的用途
一、有色金属冶炼工业的应用：利用碳化硅具有耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击、作高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜融化炉内衬、锌粉炉用弧形板、热电偶保护管等。常规的锌粉冶炼需要的塔盘型号有：
一、塔式炉：600、990、1088、1260、1350；
二、卧式炉：1300、1160、928。
二、钢铁行业方面的应用：利用碳化硅的耐腐蚀、抗热冲击、耐磨损、导热好的特点，用于大型高炉内衬提高了使用寿命。
三、冶金选矿行业的应用
碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器、矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5-20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。
四、建材陶砂轮工业方面的应用：
利用其导热系数、热辐射、高温强度大的特性，制造薄板窑具，还提高了窑炉的装容量和产品质量，缩短了生产周期，是陶瓷、搪瓷釉面烘烤烧结理想的间接材料。
五、节能方面的应用
利用其良好的导热和热稳定性，作热交流器，燃耗减少20%，节约燃料35%，使生产率提高20%-30%
摘要：用涂层和其他表面改性处理方法制取的碳化硅／碳复合材料兼有碳化硅的硬度高、耐热性、抗磨损、耐腐蚀和碳素材料可加工性等优良特性，在滑动摩擦材料，电子元件热处理用夹具、单晶硅提拉用加热器、坩埚硅片外延生长用感受器、高温材料等方面获得广泛应用。其应用范围不断扩大，被雀为划时代的新材料。由无机材料和有机高分子所组成的有机-无机杂化材料是近年来国内外研究较多的一种新型复合材料，它同时具有有机高分子和无机材料的优点。SiC陶瓷具有硬度高、高温强度大、抗蠕变性能好、耐化学腐蚀、抗氧化性能好、热膨胀系数小及高热导率等优异性能，是一种在高温和高能条件下极具应用前景的材料。SiC用于制备金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料，已经表现出优异的性能。此外，SiC在隐身吸波材料方面也有重要的应用。本文综述了SiC在聚合物中的应用。
近年来研究发现，聚合物基复合材料用少量坚硬的无机物改性就可以显著地提高其力学性能和热学性能。SiC有机-无机复合材料就是一类用SiC陶瓷改性的聚合物基复合材料。现在这类复合材料被厂泛地应用在包装工业、涂料工业电子工业、汽车工业及舫空航天等工业。相信在不久的将来，随着SiC有机－无机复合材料应用领域的不断拓宽改性研究的不断深人,SiC陶瓷将在更多领域发挥更大的作用。
碳化硅半导体材料的应用
碳化硅优越的半导体特性将为众多的期间所采用，利用其高热导，高绝缘性目前在电子工业中做大规模集成电路的基片和封装材料，在冶金工业中做高温热交换材料和脱氧剂，碳化硅的用途主要有：
(1)作为磨料，可用来做磨具，如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等。(2)作为冶金脱氧剂和耐高温材料。碳化硅主要有四大应用领域,即: 功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。目前碳化硅粗料已能大量供应, 不能算高新技术产品,而技术含量极高 的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。
(3)高纯度的单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。
主要用途：用于3—12英寸单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等线切割。太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。磨料磨具
主要用于制作砂轮、砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光伏产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等。化工
可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂，可用做制造四氯化硅的原料，是硅树脂工业的主要原料。碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂，取代了传统的硅粉碳粉进行脱氧，和原工艺相比各项理化性能更加稳定，脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。耐磨、耐火和耐腐蚀材料
利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料,如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等；用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料；还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。有色金属
利用碳化硅具有耐高温&def强度大&def导热性能良好&def抗冲击&def作高温间接加热材料&def如坚罐蒸馏炉&def精馏炉塔盘&def铝电解槽&def铜熔化炉内衬&def锌粉炉用弧型板&def热电偶保护管等.钢铁
利用碳化硅的耐腐蚀&def抗热冲击耐磨损&def导热好的特点&def用于大型高炉内衬提高了使用寿命.冶金选矿
碳化硅硬度仅次于金刚石&def具有较强的耐磨性能&def是耐磨管道&def叶轮.泵室.旋流器&def矿斗内衬的理想材料&def其耐磨性能是铸铁.橡胶使用寿命的5--20倍&def也是航空飞行跑道的理想材料之一.建材陶瓷砂轮工业
利用其导热系数.热辐射&def高热强度大的特性&def制造薄板窑具&def不仅能减少窑具容量&def还提高了窑炉的装容量和产品质量&def缩短了生产周期&def是陶瓷釉面烘烤烧结理想的间接材料.节能
利用良好的导热和热稳定性&def作热交换器&def燃耗减少20%&def节约燃料35%&def使生产率提高20-30%&def特别是矿山选厂用排放输送管道的内放&def其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍.②磨料粒度及其组成按GB/T2477--83。磨料粒度组成测定方法按GB/T2481--83。珠宝
合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化学成分SiC），色散0.104比钻石(0.044)大，折射率2.65-2.69(钻石2.42)，具有与钻石相同的金刚光泽，“火彩”更强，比以往任何仿制品更接近钻石。这是由美国北卡罗来那州的C3公司制造生产的，已拥有世界各国生产合成碳化硅的专利，正在向全世界推广应用。
第四篇：微生物在石油开采中的应用
微生物在石油开采中的应用
摘要：经过几十年的发展，微生物采油技术（MEOR）已经成为继热力学驱、化学驱、聚合物驱之后的第4种提高采收率的新“三采”技术。已经引起了石油工程技术人员的空前关注。本文阐明了微生物采油的方法及特点、作用机理及应用，最后对微生物采油的前景做了展望。
关键词：微生物采油；机理；作用机理；菌种筛选。
前言：MEOR应用于三次采油、提高原油采收率的一项高新技术。主要特点是成本低、适应性强、施工方便、不伤害地层、不污染环境。特别对于枯场或近枯场的油旅更显示其强大的生命力。微生物在生物代谢作用下所产生的酶类，可以裂解重质烃类和石蜡，使原油粘度、凝固点降低，从而降低原油的流动阻力，改 善原油的流动性能，提高原油产量和采收率。
1、微生物采油的背景、方法及特点
当今石油工业面临的一个重要问题是怎样采出在开发成熟的油田和即将枯竭的油田中仍然留在地下未被开采出的很大百分比的原油可采储量。新的技术必须通过经济方法处理现有生产井和扭转井堵塞的加速度，从而延长油田的生产寿命并且提高油藏的原油采收率。
我国稠油（高黏度重质稠油，黏度在1000mPa·s以上）资源分布很广，陆地稠油约占石油总资源的20%以上。稠油突出的特点是沥青质、胶质的含量比较高，具有高凝固点、难流动、难开采、高成本等特点。在我国的准噶尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等盆地中有丰富的稠油资源，也发现了许多稠油大油田，如塔里木的塔河油田、渤海的PL193油田等，如果能寻找到一种经济有效的方法采出这些原油，对缓解我国石油进口压力具有重要意义。于是研究人员将目光转到微生物上，希望借助于以原油为碳源的微生物能够解决这些短板。
MEOR是指利用微生物提高石油采收率的各种技术总称，凡是与微生物有关的采油技术均属于MEOR。微生物提高石油采收率并不是一种单一的方法，具有明显的优点：① 成本低，微生物的主要营养物之一是用通常手段难以采出的石油，微生物的繁殖能力和适应性很强，作用效果持续时间长。这尤其对边际油田吸引力大；② MEOR工序简单，利用常规注入设备即可实施，不必增添井场设备，比其他EOR技术实用且操作方便；③ 应用范围广，不仅可开采各种类型的原油(重油、轻油、中质 原油)，更适于开采重油；④ 注入的微生物和培养基原料来源广，容易制取，且可根据具体油藏特点灵活调整微生物的配方；⑤ 易于控制，通过停止注入营养液，即可终止微生物的活动；⑥ 为生物细胞小且运动性强，能进入其他驱油工艺的盲区如死油区或裂缝；⑦ 微生物只有在有油的地方繁殖并产生代谢产物，避免了表面活性剂注入或降粘剂段塞的盲目性；⑧ MEOR产物均可生物降解，不损害底层，不会造成环境污染，且可以在同一井中重复使用多次。微生物采油机理
微生物提高原油采收率作用涉及到复杂的生物、化学和物理过程，除了具有化学驱提高采油率的机理外，微生物生命活动本身也具有提高采油率机理。
2.1 微生物的产气作用
在油井一采、二采之后，通常地下压强会降低，油井下的石油不容易抽上地面，传统做法是向油井注水，通过这种方式增大底下的压强，达到将石油抽上来的目的，但是这种方法会使得抽上来的石油含水量高，品质较差，增加后续的分离成本。而微生物在地下发酵过程中能产生各种气体，如CH4、CO2、N2、H2等，这些气体会增加油井下的压强，相应的可以减少注水量，从而提升原油的品质，降低成本。
2.2 微生物代谢产生各种有机物质
微生物在油井中以重链烃为碳源，会代谢产生许多化合物，如生物聚合物、生物表面活性剂、小分子有机酸、醇类等。这些物质可以降低原油粘度，减小表面张力，使得原油的流动性加强。
2.3 微生物代谢产生的酶类
微生物在生物代谢作用下所产生的酶类，可以裂解重质烃类和石蜡，再综合2.2中微生物代谢产生的各种化学物质，可以使原油粘度、凝固点降低，从而降低原油的流动阻力，改善原油的流动性能，使得油井石缝中原油流出，能够溶解岩石，增加岩石孔隙度和渗透率，将有助于提高原油产量和采收率。2.4 微生物发酵产生的生物聚合物
微生物在油井中发酵产生的生物聚合物能调整注水油层的吸水剖面，控制高渗地带的流度比，改善地层渗透率。
2.5 微生物的封堵作用
微生物注入水驱油层后，生长繁殖的菌体和代谢产物与重金属形成沉淀物，具有高效堵水作用，封堵率可达到99%。这对于非均质油藏的堵水调剖面效果较好，可提高原油产量和采收率。在地层中产生的生物聚合物，能够在高渗透地带控制流度比，调整注水油层的吸水剖面，增大扫油面积，提高采收率。微生物的筛选
油井中的环境都是非常苛刻的，通常都具有高温、高压、高盐的特点，为了发挥微生物采油的优点，需要选用生存能力强、代谢活性高的菌株，才能实现利用微生物来提高原油品质和采油率的目的。
一般以利用原油中的重质链烃为碳源的微生物都是生长在含油量丰富的地方，所以将从油田污水、污泥以及炼油厂污水中获得微生物样品作为筛选对象，应用微生物室内富集培养与分离纯化技术，筛选出具有应用潜力的菌株。当然，也可以将菌株的筛选与细胞工程、基因工程等技术结合起来，进行培育，也可以在很大程度上获得高产高效的菌株。应用
近年来，为了探索提高采收率的新途径，已先后在我国华北、新疆、吉林、河南、胜利、长庆、辽河、大庆、中原等14个油田开展了微生物采油现场先导性试验，并且在一些油田取得了较好的增产效果。
4.1 微生物水驱
该技术是将菌种和营养液混合而成的微生物处理液注入目的层，使微生物作用于油层，当处理液被注入水推进并通过油层时，微生物通过代谢作用产生生物表面活性剂、气体、酸、醇等代谢产物的同时，还不断增殖。代谢产物通过物理、化学作用将岩石表面黏附的原油和岩石孔隙中的原油释放出来，使原来不能流动的原油以油水乳状的形式被注入到水驱生产井中，在生产井中被采出。4.2 周期性微生物处理（微生物吞吐法）
该技术是将微生物发酵液及营养液注入生产井内，关井一段时间（从数天到数周不等），让微生物进行发酵，然后开井生产，周而复始。
4.3 微生物选择性封堵地层（微生物调剖法）
该技术是把能够生产聚合物的微生物注入地层，使其在高渗透层内大量繁殖，从而可以起到封堵高渗透带的作用。改种方法比注入人工合成的有机聚合物或凝胶更为有效，而且不会造成底层的永久性破坏。
4.4 微生物清蜡和降低重油粘度
微生物清蜡技术可以取代溶剂和分散剂的使用，并能基本上取代热油处理法。微生物清蜡和降黏机理在于微生物对石蜡和仲有得代谢作用。通常，大多数微生物对蜡类芳香烃的代谢速度大于对对芳香烃的代谢速度。微生物代谢产生的溶剂对近井区域能起到很好的清洗作用。展望
微生物采油技术具有其他三次采油技术无可比拟的有点——多功能性，近些年来，随着生物技术的不断发展，目前，一经发现开始应用一些在极端环境下能够生存、繁殖的微生物、但是MEOR技术也有自己的局限性：微生物在温度较高、盐度较大、重金属离子含量较高的的油藏条件下易于遭到破坏，微生物产生的表面活性剂和生物聚合物有造成沉淀的危险，裴炎微生物的条件不易把握，微生物采油甲护身在冬季不易施工。为了克服这些局限性，在现有的菌种基础上，通过基因工程手段获取基因工程菌，使其性能更加优良，同时将计算机技术、基因检测技术等新技术用于为生物钟。
参考文献
[1] 娜挂玉，黄民生；生物采油技术应用及发展动态[J]。能源环境保护2004,18（2）：8-16.[2] 谢明杰，谢正，邹翠霞，曹文伟；微生物降解原油提高原油采收率的研究[J]；抚顺石油学院学报；1999年02期
[3] 杜宜娟，王晓梅，刘如林，梁凤；微生物采油技术的研究[J]；内蒙古石油化工；1998年02期
[4] 汪卫东；我国微生物采油技术现状及发展前景[J]；石油勘探与开发；2002年06期
第五篇：纳米材料在航空航天领域的应用
纳米11
陈美龄
41136025
纳米材料在航空航天领域的应用
学 院：姓 名：学 号：班 级：
——《纳米材料科学与技术前沿》论文
材料科学与工程学院 陈美龄 41136025 纳米11班 2014.7.30 纳米11
陈美龄
41136025
一、摘要：
随着我国社会经济的快速发展，科技技术更新速度日益加快。纳米材料早已渗透到我们人类生活的方方面面，在我们的日常生活中发挥着不可替代的作用。
目前，纳米材料材料研究领域，已经由原来如何方便人类生活、如何开发新型材料，逐步向减少环境负担、材料可循环利用、低能高效的方向发展。同时，随着航天事业的发展，纳米材料材料同样发挥着不可替代的作用。在未来的研究方面，将会是向低碳环保和科技技术方面发展。
本文主要介绍在航天领域方面的热门两种纳米材料。
二、无机抗菌纳米材料
（1）简介
细菌、霉菌、酵竹苗、凛类等_仃害微牛物小仅对人类生活作业境造成污染，而且时人体健康和生命造成严币损害。即使在远离地球的找人航天E行器舱内环境中同样不能丰免。美国载人航无器E行史中，因细菌感染而导致乘员患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，溃疡的病例就打多起。如阿波罗7、8 q曾发生呼吸道感染，9、1I、12、14发生中耳炎，其他E行任务中也牲牛过皮疹等皮肤感染性疾病，P号宅川站乘员留轨期问也有因细菌感染患疵，从而不得不提返航的病例。纳米11
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（2）机抗菌纳米材料材料简介
无机抗菌纳米材料材料就是含有无机抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的纳米材料材料。无机抗菌剂是一种新的、含有银、锌、铜等金属离子成分和无机载体的接触型抗菌制剂，其所含金属离子具有超强抗菌能力。
当细菌、霉菌等微生物接触到载体中游离态金属离子后，带正电荷的金属离子与带负电荷的微生物因库仑引力相互吸附，并在微生物表面聚积，在金属离子之正电荷达一定量时，就会有效击穿细菌细胞壁，接触细胞内部蛋白质和核酸，产生化学反应，使蛋白质变性，从而降低蛋白酶活性。蛋白质失活就会影响细胞的代谢和呼吸功能，使其无法进行分裂繁殖，直到死亡，从而达到灭菌、抑菌目的。
（3）分子材料航天应用现状
目前我国己试制和生产出硅、钙、钾三大系列七大类多种抗菌剂，而且还为各种制剂选配了合适载体，较好的解决了部分抗菌纳米材料制品的生产工艺技术难题。如抗菌尼龙丝、聚乙烯板，药品包装材料、食品包装膜、聚丙编织丝料、无纺布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空气清新剂等多种抗菌制品，经过进一步严格筛试，均可应用于载人航天技术领域。
为给乘员创建安全可靠工作条件和舒适方便的生活环境，纳米材 纳米11
陈美龄
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料聚合材料越来越多的运用于载人航天舱内设备。航天服就用到多种经特殊处理的保温耐压纳米材料材料。又如头盔及其面窗材料，通信用麦克和耳机材料，飞行程序控制用计算机壳体、操作键盘，各种连接导线和电缆，多种非金属餐饮、复水器具，食品、饮料及药品包装材料，废物和大小便收集存贮装置，尿液及航天废水再生处理用过滤、透析膜材料,吸水材料，保温材料，各种通用工具及设备的操作把手，各种通风排气复合软管材料，减震保温用发泡材料，有时电热设备的绝缘隔热层也不得不用纳米材料材料制成。纳米材料材料为人类创建生活和工作便利的同时，同样也会遭受有害菌侵蚀，不仅损害材料外观，而且严重损害到材料质量，甚至通过交叉传播殃及人体健康。据调查，105 f-1电话中46％的机子上有大肠杆菌，仅在塑料听筒、话筒上就有480余种细菌和2400种病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在适宜条件下，一个大肠杆菌经9个小时可达1亿个之多。
三、聚磷腈在航空航天中的应用
（1）简介
在现代材料科学与技术发展历程中，航空航天材料一直扮演着先导性角色，材料进步不仅推动了航空航天业本身的发展，也带动了地面交通工具进步，航空航天材料反映了材料发展的前沿，代表一个国家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、长寿命等。纳米11
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（2）聚磷腈材料在航空航天领域中的应用
1、在织物阻燃中
航空航天领域织物包括降落伞和宇航服装，要求材料具有高的阻燃和耐热性能，以满足特殊条件下的使用。
刘霞等人通过热重分析(TGA)、差热分析(DTA)，红外光谱(IR)等详细研究了TAP对织物阻燃性能的影响。当添加质量分数为l7％ 时，成率(燃烧分解后剩余质量占原来质量的分数)为39％，氧指数为47。5，手感好，强度损失小，水平点燃有自熄性。国外有人对TAP(日本曹达公司产品)的水合物和盐酸盐进行研究。经TAP化合物阻燃整理的棉纤维性能见表1。
由表1可知，经TAP化合物整理后，棉缎具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明显，基于增质量率和不同条件下的极限氧指数(iO0最高达到39。TAP化合物与防火整理剂(丙烷一派罗伐特克斯，cp)进一步经热分析对比，发现CP在受热过程中发生放热分解。TAP化合物在受热过程中，由于放出HCI和NH 而发生吸热，且TAP在纤维素中发生缩聚反应(如图3所示)，在酸催化作用下，脱除NH，而发生缩聚，生成不溶于水的聚合物，从而赋予纤维以持久的阻燃性。用TAP化合物进行阻燃整理有如下优点：赋予棉纤维以持久阻燃性；不会游离出甲醛；经整理的布手感柔软，强度保持率(经向)高达90％；不变色；由于不含卤素，燃烧时不会产生卤素气体和卤化氢气体。此 外，TAP对人造纤维、棉针织物、丝绸有防缩整理效果。纳米11
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2、在阻燃泡沫橡胶中
美联邦航空局的Richard等人对高效阻燃聚磷腈泡沫材料进行了测试。聚磷腈材料与其他材料相Ii试数据见表2.前者的热性能显示了非常大的优势，EYPEL—A热释放能力比航空用Pu橡胶降低了66．4％，膨胀石墨改性聚磷腈橡胶的 更是降低了80．7％。从反应材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡胶的成炭率提高9倍，膨胀石墨改性聚磷腈橡胶更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃烧性能更为优越(表3)，与Pu相比，燃烧时聚磷腈材料最大热释放速率降低70％，平均有效燃烧热量降低37．5％，显著降低燃烧释放出的热量，减少燃烧造成的损失，石墨改性的聚磷腈性能则更优。6 纳米11
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3、在胶黏剂中
聚磷腈胶黏剂[1 具有突出的耐热性能，300度以上有较好的耐热性和黏结一IIii(对金属粘接剪切强度为200MPa以上)，并且其抗冲击韧性比无机盐胶黏剂好得多。聚磷腈胶黏剂主要用于高温作业下如火箭、导弹、飞机等有关耐高温部件的金属、陶瓷和玻璃钢等工件的粘接。典型的聚磷腈胶黏剂合成见图4。纳米11
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四、结语
纳米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千万个小分子有化学键连接而成的大分子聚合物。我们生活中应用的纳米材料材料就是指合成材料、合成橡胶、合成纤维等合成纳米材料材料。然而20世纪60年代，纳米材料工业已基本完善，解决了人们的衣着、日用品、和工业材料等需求。因此，在未来的纳米材料航空航天应用领域，纳米材料材料功能化、纳米纳米材料材料复合技术以及可降解生物纳米材料材料研发将是三个重要的研究领域。
五、参考文献
（1）许胜国，魏民，赵成坚，谢琼-中国宇航学会首届学术年会论文集，无机抗菌纳米材料材料在载人航天技术中的应用前景。（2）李爱元，张慧波，陈亚东，王建-《胶体与聚合物》，聚磷腈纳米材料材料在航空航天领域中的应用。
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