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篇1

鐵皮石斛苗期與石斛屬有些品種在形態(tài)特征上有相似性，特別是涉及到種內(nèi)遺傳差異時(shí)，利用傳統(tǒng)的鑒別方法往往不易區(qū)分。RAPD［12］、AFLP［13－14］、SSR［15］、ISSR［16－17］等分子標(biāo)記技術(shù)目前被廣泛用于鐵皮石斛不同野生居群、不同栽培群體的遺傳多樣性及親緣關(guān)系的研究。采用RAPD技術(shù)進(jìn)行基因組DNA多態(tài)性分析，能從石斛屬內(nèi)26個(gè)種當(dāng)中方便快捷地鑒別出鐵皮石斛［12］。Ding等［18］利用SRAP標(biāo)記分析鐵皮石斛9個(gè)居群共84份材料的遺傳多樣性，并進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明原位保存是保證鐵皮石斛遺傳多樣性的首選方法;采用RAPD和ISSR分析9個(gè)鐵皮石斛自然居群，表明居群間的遺傳差異明顯，具有豐富的遺傳多樣性，并且ISSR的多樣性檢測優(yōu)于RAPD［19］。謝明璐等［15］利用開發(fā)的SSR標(biāo)記成功對(duì)鐵皮石斛種質(zhì)純度進(jìn)行鑒定。金波等［20］將擴(kuò)增獲得的鐵皮石斛特異RAPD分子標(biāo)記片段，經(jīng)克隆、測序，重新設(shè)計(jì)一對(duì)特異性引物轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的SCAR標(biāo)記，能特異性地在鐵皮石斛中擴(kuò)增出300bp的片段，實(shí)現(xiàn)鐵皮石斛的快速有效鑒定。Hou等［21］利用15個(gè)新的三核苷酸微衛(wèi)星標(biāo)記能夠簡便快捷地對(duì)鐵皮石斛進(jìn)行遺傳多樣性鑒定和分析。建立DNA指紋圖譜，有利于鑒定和篩選鐵皮石斛優(yōu)良品種。虞泓等［22］用AFLP技術(shù)對(duì)石斛屬內(nèi)4個(gè)品種和1個(gè)外類群種進(jìn)行基因組DNA多態(tài)性分析，構(gòu)建了藥用石斛的DNA分子指紋圖譜。為更準(zhǔn)確地進(jìn)行鐵皮石斛種質(zhì)鑒定、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位和遺傳多樣性的分析，趙瑞強(qiáng)等［23］采用正交設(shè)計(jì)和單因素相結(jié)合的方法構(gòu)建和優(yōu)化鐵皮石斛SCoT-PCR反應(yīng)體系，在32份鐵皮石斛材料的遺傳多樣性驗(yàn)證中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性?；蛐酒瑥倪z傳的角度鑒別鐵皮石斛品種真?zhèn)?，進(jìn)一步推動(dòng)了鐵皮石斛的遺傳分析和鑒別。Sze等［24］利用5SrDNA的基因間隔區(qū)的不同，建立了高通量鑒定商業(yè)石斛(楓斗石斛)的基因芯片，可以對(duì)鐵皮石斛與其他種類的石斛進(jìn)行有效區(qū)分?；蛐酒c中藥化學(xué)成分指紋圖譜等的鑒定相結(jié)合，能確定鐵皮石斛藥用價(jià)值的優(yōu)劣，發(fā)揮最佳作用［25］。

2組織培養(yǎng)

鐵皮石斛種子自然狀態(tài)下萌發(fā)率極低，利用組織培養(yǎng)進(jìn)行鐵皮石斛人工快繁是解決鐵皮石斛野生資源短缺的有效途徑，已有大量石斛組織培養(yǎng)條件的研究報(bào)道，目前鐵皮石斛試管苗已進(jìn)入商品化生產(chǎn)。2.1外植體鐵皮石斛組織培養(yǎng)外植體來源廣泛，一般采用野生鐵皮石斛種子［26－29］、根尖［30－31］、莖段［32－34］、腋芽［35］等作為外植體。應(yīng)用最早和最廣泛的外植體是無菌種子，在離體培養(yǎng)條件下，種子萌發(fā)后形成原球莖，原球莖可以直接發(fā)育形成幼苗，也可以誘導(dǎo)原球莖產(chǎn)生大量愈傷組織，由愈傷組織再分化發(fā)育成幼苗［36－37］。唐桂香等［26］以成熟的鐵皮石斛種子為材料，以1/2MS為基本培養(yǎng)基并添加20%馬鈴薯液，種胚萌發(fā)率達(dá)到79.35%，并能成功誘導(dǎo)出原球莖。杜剛等［27］以鐵皮石斛種子為外植體，通過組織培養(yǎng)獲得大量種苗。秦廷豪等［31］用鐵皮石斛莖段、帶頂芽的莖段和根蔸3類外植體在MS培養(yǎng)基上進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)僅根蔸能誘導(dǎo)出原球莖。王麗萍等［32］和李澤生等［34］分別以MS和1/2MS為基本培養(yǎng)基，選用鐵皮石斛幼嫩莖段為外植體能夠高效誘導(dǎo)出原球莖。張紅梅等［33］以鐵皮石斛莖段為外植體材料，經(jīng)歷芽誘導(dǎo)、叢生芽增殖和生根培養(yǎng)3個(gè)階段，獲得大量的試管苗，芽誘導(dǎo)率達(dá)到86.7%。2.2基本培養(yǎng)基選擇合適的培養(yǎng)基是組織培養(yǎng)最關(guān)鍵的一步，針對(duì)培養(yǎng)目的、培養(yǎng)途徑、培養(yǎng)階段的不同，所使用的培養(yǎng)基也不同。鐵皮石斛組織培養(yǎng)采用的基本培養(yǎng)基包括MS，1/2MS，N6以及相應(yīng)的改良培養(yǎng)基等［37］。最適培養(yǎng)基的選擇主要根據(jù)不同外植體來源和不同生長階段決定。以鐵皮石斛種胚作為培養(yǎng)材料，研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)改良的N6培養(yǎng)基對(duì)胚的萌發(fā)和生長最好，以莖尖作為培養(yǎng)材料，N6培養(yǎng)基誘導(dǎo)愈傷組織能力明顯不如MS［38－39］。以鐵皮石斛莖段為材料誘導(dǎo)叢生芽，1/2MS誘導(dǎo)的效果最好，生成的苗粗壯［40］。鮑騰飛等［41］的研究表明1/2MS最有利于鐵皮石斛類原球莖的生長增殖。王春等［42］以1/2MS+1.0mg·L－1BA+0.5mg·L－1NAA培養(yǎng)基誘導(dǎo)鐵皮石斛原球莖，誘導(dǎo)率達(dá)到58%。鐵皮石斛不同生長階段的最適培養(yǎng)基也有較大差異。1/2MS、MS和Kc等培養(yǎng)基都適合原球莖的增殖，而B5和1/2MS較適宜鐵皮石斛的壯苗培養(yǎng)［43］。2.3培養(yǎng)條件除基本培養(yǎng)基之外，包括外源激素、附加物、蔗糖、pH值、溫度和光照等培養(yǎng)條件對(duì)不同階段鐵皮石斛生長分化均有影響。鐵皮石斛組織培養(yǎng)中常使用的外源激素主要是生長素類(如IAA、IBA、NAA)和細(xì)胞分裂素類(如BA、ZT和KT)［44］。蘇鈦等［45］的研究表明，BA相對(duì)于其他激素對(duì)鐵皮石斛原球莖誘導(dǎo)效果最好，以2.0mg·L－1BA誘導(dǎo)率最高。洪森榮等［46］探討6－BA和2，4－D對(duì)鐵皮石斛原球莖增殖和分化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加1mg·L－16－BA和0.1mg·L－12，4－D對(duì)原球莖增殖效果較好。唐桂香等［26］的研究表明，0.5mg·L－1NAA對(duì)鐵皮石斛的生根效果最好。李璐等［47］比較了6－BA和TDZ對(duì)鐵皮石斛花芽誘導(dǎo)的影響，結(jié)果表明，0.2mg·L－1TDZ最適宜誘導(dǎo)其開花。宋順等［48］以MS為基本培養(yǎng)基，發(fā)現(xiàn)添加0.5mg·L－16－BA和1.5mg·L－1NAA最適合鐵皮石斛原球莖誘導(dǎo)，其誘導(dǎo)率為95%;而添加1mg·L－16－BA和1mg·L－1NAA最適合原球莖增殖;添加5mg·L－16－BA+1mg·L－1NAA最適合原球莖分化，其分化率達(dá)80%;而在根誘導(dǎo)的培養(yǎng)基中添加1.5mg·L－1IBA+100g·L－1香蕉泥，其生根率能達(dá)到100%。一些有機(jī)添加物對(duì)鐵皮石斛種子萌發(fā)、芽增殖、組培苗壯苗具有一定的促進(jìn)作用，已報(bào)道的有馬鈴薯泥［49－50］、香蕉泥［49］、蘋果汁［51］等，使用濃度一般在10%～20%。培養(yǎng)基的pH值、溫度、光照強(qiáng)度和時(shí)間均對(duì)鐵皮石斛生長有明顯的影響。陳青青等［52］研究表明，pH對(duì)鐵皮石斛的苗鮮重和生根率影響顯著，以pH值5.4為宜，其原因可能是pH影響細(xì)胞的透性、代謝和培養(yǎng)物的生長與分化，在25℃、光照強(qiáng)度為1500lx時(shí)，最適宜鐵皮石斛生長。鮑順淑等［53］的研究表明，在人工光型密閉式植物工廠的可控環(huán)境條件下，在光照強(qiáng)度和CO2濃度一定時(shí)，光照時(shí)間控制在12h/d，鐵皮石斛組培苗的凈光合速率和葉綠素含量較高，干重和腋芽數(shù)增加較多，表現(xiàn)出良好的生長與繁殖能力。

3誘變育種

鐵皮石斛生長相對(duì)緩慢，一般2～3年才能采收，對(duì)現(xiàn)有品種進(jìn)行遺傳改良，培育生長迅速、藥用有效成分含量高的新品種是提高產(chǎn)量及質(zhì)量的有效途徑。誘變育種突變頻率高，誘發(fā)變異較易穩(wěn)定，可有效改良作物性狀，縮短育種年限［54］。物理及化學(xué)誘變是常采用的方法，輻射誘變結(jié)合組織培養(yǎng)，能加速變異性狀的穩(wěn)定和新品種的育成。詹忠根等［55］利用137Csγ射線輻照鐵皮石斛種胚原球莖，針對(duì)形態(tài)變異的試管苗，采用流式細(xì)胞分析DNA的倍性變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分外部形態(tài)發(fā)生改變的植株其細(xì)胞內(nèi)DNA的倍性發(fā)生了改變。洪薩麗等［56］利用60Co-γ輻照霍山石斛原球莖，研究誘變對(duì)石斛生長和生物堿積累的影響，結(jié)果表明適當(dāng)劑量的60Co-γ輻照處理可促進(jìn)POD、SOD、CAT和PAL酶活性，抑制PPO酶活性，從而能促進(jìn)石斛原球莖生長，提高懸浮培養(yǎng)原球莖生物堿含量。張青華等［57］采用0.09%秋水仙堿處理24h誘導(dǎo)鐵皮石斛叢生芽變異率達(dá)到48%，對(duì)葉、氣孔、染色體的檢測，證明變異芽為四倍體或嵌合體。2.5g·L－1植酸能促進(jìn)石斛多糖的合成，還能促進(jìn)石斛對(duì)碳、氮、磷的吸收［58］。太空誘變育種在中藥材品種培育和改良中應(yīng)用廣泛，目前已有數(shù)十個(gè)審(認(rèn))定的中藥材品種是通過太空誘變獲得的。經(jīng)航天誘變的仙斛1號(hào)鐵皮石斛已經(jīng)通過浙江省非主要農(nóng)作物品種審定委員會(huì)認(rèn)定。太空誘變技術(shù)在有效創(chuàng)造特異突變基因資源和培育作物新品種方面已經(jīng)顯示出重要的作用，成為空間生命科學(xué)研究的重要組成部分［59］。利用太空誘變培育突破性優(yōu)良品種方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使今后獲得更多優(yōu)良鐵皮石斛新品種成為可能。

4基因工程

4.1基因克隆鐵皮石斛的藥用有效成分為生物堿、石斛多糖等植物次生代謝產(chǎn)物，這些次生代謝產(chǎn)物需要經(jīng)過復(fù)雜的代謝途徑最終合成，并受代謝的關(guān)鍵酶與限速酶調(diào)控，如轉(zhuǎn)移酶、合成酶、環(huán)化酶等。對(duì)關(guān)鍵酶基因進(jìn)行克隆和分析，是研究鐵皮石斛藥用有效成分代謝途徑及相關(guān)分子機(jī)制的重點(diǎn)，也是培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)鐵皮石斛新品種的基礎(chǔ)。樊洪泓［60］克隆了石斛生物堿合成途徑中的關(guān)鍵基因法呢基焦磷酸合酶基因(FPS)的片段，并進(jìn)行序列分析。為研究鐵皮石斛多糖合成與蔗糖合成酶活性關(guān)系及表達(dá)調(diào)控，孟衡玲等［61］成功克隆了鐵皮石斛蔗糖合成酶基因(DOSS1)并對(duì)其表達(dá)分析。曾淑華等［62］對(duì)克隆的鐵皮石斛磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(pepc)進(jìn)行表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，pepc基因在F型鐵皮石斛中的表達(dá)量為H型的5.55倍。植物凝集素如甘露糖結(jié)合凝集素與植物抗病蟲害密切相關(guān)。鐵皮石斛在自然條件下很少發(fā)生病蟲害，為探究其病蟲害抗性與蘭科植物凝集素之間的內(nèi)在關(guān)系，Chen等［63］提取鐵皮石斛葉片的RNA，根據(jù)蘭科植物凝集素保守序列區(qū)設(shè)計(jì)引物，通過RACE技術(shù)克隆得到全長768bp的鐵皮石斛甘露糖結(jié)合凝集素基因(DOA)，包含1個(gè)498bp的開放閱讀框，其編碼的165個(gè)氨基酸為凝集素前體。半定量RT-PCR分析表明，DOA基因是一個(gè)組成型表達(dá)基因，在根、莖、葉中均有表達(dá)，在莖中表達(dá)量最高，可能與鐵皮石斛莖的病蟲害抗性密切相關(guān)。鐵皮石斛自然狀態(tài)下種子萌發(fā)需要真菌共生，生長階段也常伴有共生真菌。鈣依賴蛋白激酶(calcium-dependentproteinkinases，CDPKs)以及促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase，MAPK)及其級(jí)聯(lián)途徑在從枝菌根、根瘤菌－宿主植物共生體系中起重要調(diào)控作用。張崗等［64－65］從小菇真菌(Mycenasp．)侵染的鐵皮石斛根中分別克隆了一個(gè)受菌根真菌誘導(dǎo)的鐵皮石斛鈣依賴蛋白激酶基因(DoCPK1)和促分裂原活化蛋白激酶基因(DoMPK1)，在小菇真菌侵染30d的石斛根中，DoCPK1和DoMPK1基因表達(dá)均顯著上調(diào)，分別達(dá)到對(duì)照根中的5.16倍和7.91倍，表明DoCPK1和DoMPK1基因參與小菇真菌和鐵皮石斛菌根早期互作，可能在該共生體系中起作用。4.2遺傳轉(zhuǎn)化目前，鐵皮石斛的遺傳轉(zhuǎn)化最常用的方法是農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和基因槍法。根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)介導(dǎo)遺傳轉(zhuǎn)化關(guān)鍵時(shí)期為共培養(yǎng)階段。Yu等［66］構(gòu)建了含β－葡萄糖苷酸酶基因(GUS)的表達(dá)載體，以潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因(Hpt)篩選標(biāo)記，將類原球莖與農(nóng)桿菌在無抗生素的培養(yǎng)基上共培養(yǎng)3d，光照16h·d－1，再轉(zhuǎn)移至添加50mg·L－1羧芐青霉素的培養(yǎng)基上繼續(xù)培養(yǎng)3～4周，之后在含200mg·L－1卡拉霉素的培養(yǎng)基上選擇培養(yǎng)6～8周得到轉(zhuǎn)基因植株。GUS組織化學(xué)檢測和Southern雜交證明GUS基因成功表達(dá)?；驑尫ㄔ谑D(zhuǎn)基因中應(yīng)用更多。Kuchnle等［67］采用微粒轟擊法將Nos-NPTII基因和番木瓜病毒(PRV)外殼蛋白基因(CP)一起導(dǎo)入雜種石斛的原球莖。經(jīng)過卡那霉素選擇培養(yǎng)，PCR分析表明，13株抗性植株帶有NosNPT基因，其中有1株帶有PRVCP基因。Chia等［68］成功將熒光素酶基因(Luc)通過基因槍法導(dǎo)入石斛類原球莖并獲得再生植株。Yu等［66］進(jìn)一步發(fā)展了一個(gè)高頻再生、高效而穩(wěn)定表達(dá)的轉(zhuǎn)化體系。以潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因HPT為篩選標(biāo)記，50mg·L－1濃度下就能完全抑制非轉(zhuǎn)化的雜種石斛原球莖生長。楊雪飛等［71］利用基因槍法將來源于大麥(HordeumvulgareL．)的抗旱耐鹽基因lea3導(dǎo)入鐵皮石斛的類原球莖中，經(jīng)PPT篩選和生根壯苗培養(yǎng)獲得轉(zhuǎn)化植株。對(duì)轉(zhuǎn)化植株進(jìn)行除草劑PPT葉片涂抹檢測和lea3基因的PCR檢測，結(jié)果表明lea3基因已整合到6個(gè)株系7株鐵皮石斛轉(zhuǎn)化植株基因組中，轉(zhuǎn)化頻率為1.05%。與對(duì)照相比，獲得的轉(zhuǎn)lea3基因植株的耐鹽脅迫能力明顯增強(qiáng)。鐵皮石斛轉(zhuǎn)基因植株的遺傳特性可以穩(wěn)定表達(dá)，這為利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行鐵皮石斛優(yōu)良新品種培育奠定了基礎(chǔ)。

5展望

篇2

    1現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

    1.1基因工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

    基因工程即利用分子生物學(xué)和微生物學(xué)技術(shù),設(shè)計(jì)好不同來源的基因順序,在體外成功構(gòu)建雜交DNA分子后導(dǎo)入受體細(xì)胞,使受體細(xì)胞表現(xiàn)出人們需要的表現(xiàn)型,產(chǎn)生出人們需要的物質(zhì)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用基因工程技術(shù),獲得的農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性強(qiáng),還可獲得畜、禽新品種及具有特殊作用的動(dòng)、植物。例如,經(jīng)過7年的努力攻關(guān),2011年勝利突破了大面積示范(即6.67hm2示范)平均產(chǎn)量為13500kg/hm2的超級(jí)雜交稻第3期目標(biāo),達(dá)到了13899kg/hm2[1];運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將相應(yīng)的基因?qū)胗筒酥杏型嘤鲛D(zhuǎn)基因抗病油菜新品種[2];運(yùn)用基因工程技術(shù)可將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中,使農(nóng)作物能夠不受除草劑的影響,目前已生產(chǎn)出多種抗除草劑作物品種,應(yīng)用廣泛[3]。

    1.2細(xì)胞工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

    細(xì)胞工程是指在體外培養(yǎng)細(xì)胞,以改變細(xì)胞某些生物學(xué)特性為目的將不同作物或動(dòng)物進(jìn)行細(xì)胞雜交,使植物或動(dòng)物個(gè)體繁殖速度加快,以獲得優(yōu)良品種或新品種及某些具有特殊作用的物質(zhì)的一門技術(shù)[4]。細(xì)胞工程技術(shù)在植物快速繁殖、植物新品種選育等方面發(fā)揮著重要作用。目前植物體細(xì)胞雜交應(yīng)用較多,如可以將馬鈴薯細(xì)胞和番茄細(xì)胞進(jìn)行雜交,可獲得上結(jié)番茄下結(jié)馬鈴薯的“番茄馬鈴薯”;將豆科植物與向日葵進(jìn)行細(xì)胞雜交,可培育出具有高營養(yǎng)價(jià)值的“向日豆”[5]。

    1.3發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

    發(fā)酵工程即利用微生物具有的特殊作用生產(chǎn)出對(duì)人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品,或直接將微生物應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程的一門新的技術(shù)。發(fā)酵工程主要可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的2個(gè)方面,一是生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品,如果酒、茯磚茶、食醋等;二是生產(chǎn)一些食品添加劑。如茯磚茶的制作過程中就運(yùn)用到了發(fā)酵工程技術(shù),通過調(diào)控渥堆時(shí)間、使用接種劑、發(fā)酵劑等方法可以改進(jìn)茯磚茶的加工工藝,進(jìn)而可生產(chǎn)出“金花”飽滿、品質(zhì)優(yōu)良的茯磚茶。

    1.4酶工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

    酶工程,簡單來說就是利用酶的生物催化功能,借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)。酶工程可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的制酒、制醬等方面。例如,隨著我國糧食的不斷增產(chǎn),一些地區(qū)出現(xiàn)了粗糧過剩的問題,需要解決粗糧的淀粉利用。解決辦法之一是生產(chǎn)葡萄糖,但由于葡萄糖甜度不大,難以在市場上應(yīng)用。最有效的辦法還是運(yùn)用酶工程技術(shù)的手段,將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)樘鸲却蟮墓?果糖不僅比葡萄糖甜度大,其比蔗糖的甜度還高50%以上。

    2微生物肥料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

    2.1微生物肥料的特點(diǎn)

    微生物肥料是含有活的微生物的特殊的肥料,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用該種肥料可獲得特定的肥料效應(yīng)[6]。生物肥料的定義分為2個(gè)方面,從狹義上講,生物肥料就是指微生物肥料,是由具有特殊作用的大量有益微生物發(fā)酵產(chǎn)生的,活性高。施入該種肥料能夠產(chǎn)生活性物質(zhì),能夠增加作物的固氮作用,改善土壤的理化性質(zhì),使作物的生長環(huán)境變得更好,使作物生長更優(yōu)、產(chǎn)量更高。從廣義上講,生物肥料泛指各種具有特定肥效的生物制劑,包括特定的活的生物體、生物體的代謝物或基質(zhì)的轉(zhuǎn)化物等,此種生物體不限定,既可以是微生物,也可以是動(dòng)、植物組織和細(xì)胞[7-8]。

    2.2生物肥料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

    微生物肥料具有其他化肥和農(nóng)藥沒有的優(yōu)勢(shì),可有效改善土壤的理化性質(zhì),提高土壤肥力。目前微生物肥料已應(yīng)用在綠色有機(jī)食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展中,并發(fā)揮著極其重要的作用[9-10]。微生物肥料本身無毒害作用,對(duì)環(huán)境幾乎無污染;同時(shí),施用量一般不大,在其生產(chǎn)過程中所消耗的能量也很少,因而可節(jié)約農(nóng)民的施肥成本。此外,微生物肥料還可改善土壤的理化性質(zhì),減少土壤營養(yǎng)流失和富營養(yǎng)化的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)化利用。

篇3

【關(guān)鍵詞】土壤生物工程；植物；環(huán)境保護(hù)

一、土壤生物工程簡介

土壤生物工程是將活的植物材料通過工程技術(shù)手段用于構(gòu)筑各類邊坡、防止坡面河岸侵蝕及改善棲息地生境的集成工程技術(shù)。根據(jù)施工目的，材料和工程結(jié)構(gòu)的特征都可以作為劃分土壤生物工程類型的依據(jù)。本文按照材料和工程目的把上壤生物工程分為以下幾類：

（一）植物覆蓋技術(shù)

為了快速覆蓋地表侵蝕而采取的措施，主要的類型有包括草皮移植、草籽播種、喬灌樹種移植。這種方法對(duì)于深層土壤的防護(hù)考慮較少。

（二）使用活的植物體來加勁并作為上體運(yùn)動(dòng)的屏障，主要類型有扦插、梢捆、層栽、灌叢墊等。這些措施可以防止淺層土體滑動(dòng)。就植物種類選擇而言，木本植物最為適合。

（三）聯(lián)合措施

即活的植物體和無生命材料聯(lián)合措施。當(dāng)邊坡陡峭、表面和土體穩(wěn)定都有問題時(shí)或者是施工區(qū)生境不適宜植物生長時(shí)當(dāng)?shù)貭顩r使植物生長困難時(shí)在植物生長前就需要對(duì)土體進(jìn)行防護(hù)時(shí)，植物措施難以完全發(fā)揮作用，就需要利用一些無生命材料來輔助施工，例如石塊，混凝土或死的植物枝干等。

（四）輔助措施

為了緊急對(duì)當(dāng)?shù)刂脖贿M(jìn)行補(bǔ)充，就需要采取輔助的措施，如移栽樹木或改善土壤等技術(shù)，由于這些措施花費(fèi)較高，所以一般情況下不建議使用。

（五）無生命材料營建措施

主要為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程，例如混凝土重力墻。

二、土壤生物工程技術(shù)的國外研究進(jìn)展

工業(yè)革命開始以后，人們對(duì)機(jī)械的崇拜導(dǎo)致利用自然材料控制土壤侵蝕和邊坡保護(hù)的自然方法不受歡迎。機(jī)械化的年代和混凝土鋼鐵技術(shù)的發(fā)展，鼓勵(lì)在工程實(shí)施中使用剛硬和無生命的建筑材料。這些材料保證結(jié)構(gòu)更為長久、耐用。在美國和歐洲，如何運(yùn)用機(jī)械和人工材料進(jìn)行建筑和邊坡防護(hù)，是多數(shù)研究者的追求目標(biāo)。

工業(yè)革命后，一系列環(huán)境問題如坡面侵蝕、山體滑坡和崩塌以及河岸退化等引起歐洲一些國家的重視。20世紀(jì)初，少數(shù)研究者才開始將土壤生物工程概念真正植入工程施工中，并且獲得了成功。如用綠色的柳樹作為活性的建筑材料、在漿砌石接縫中植入木本切枝。1936年，在慕尼黑專門成立了一個(gè)研究所研究開發(fā)道路建設(shè)中的土壤生物工程技術(shù)。該研究所所長Arthur von Krundener為該項(xiàng)目技術(shù)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，后來他被看作是中歐地區(qū)的土壤生物工程技術(shù)之父。同時(shí)期，在加利福尼亞的Charles Kraebel發(fā)展了“籬墻”技術(shù)，應(yīng)用復(fù)合的生物技術(shù)，如：木樁、梢捆和植物移植等技術(shù)來來保護(hù)岸坡。這些實(shí)踐性的工作為后來土壤生物工程技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代后，土壤生物工程技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，并且形成了完整的理論和技術(shù)體系，積累了大量的文獻(xiàn)資料。Schiechtl先后出版的《土地利用及保護(hù)的生物工程》（1980）、《邊坡保護(hù)和侵蝕控制的地表生物工程技術(shù)》（1996）和《河岸及海岸的水生物工程技術(shù)》（1997）總結(jié)了歐洲許多重要的土壤生物工程師們的研究和實(shí)踐成果，為該技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

三、土壤生物工程技術(shù)的國內(nèi)研究進(jìn)展

中國的史書中記載了最早的生物工程―大禹治水。大禹的父親采用建土壩阻擋洪水的方法，但失敗了。大禹則利用疏清九條主干道并挖掘新河道的方法來疏導(dǎo)洪水，同時(shí)這些河道還可以作為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的灌溉渠。在他13年的努力下，洪水終于被控制住了。

2000年后，成都郡守李冰吸取大禹治水的經(jīng)驗(yàn)，采用了一種新方法來抵御洪水。受大禹的啟發(fā)，李冰設(shè)計(jì)了一種“楗尾堰”來疏通河道（后來被稱為都江堰）。“楗尾堰”的得名源于“破竹為籠，圓徑三尺，以石實(shí)中，累而壅水”的竹籠裝石方法（亦稱為“楗尾”）。每個(gè)楗尾幾米長、半米寬，放置在河流沿岸或者水里，來分流主河道中的水。這種河道系統(tǒng)然后又出現(xiàn)在一些小河道中，所以又出現(xiàn)了為莊家灌溉的灌溉系統(tǒng)，這種方式在成都附近至今猶存。在11世紀(jì)，宋朝沈括的《夢(mèng)溪筆談》中記載了制作楗尾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，楗尾還被用于治理經(jīng)常泛濫、久治無用的黃河缺口，在強(qiáng)水流到來前，把楗尾最后放在缺口處，這樣洪水就無法將它沖走了。后來，人們又將很長的楗尾分成三段一截一截放在潰堤處，這樣就能有效防止楗尾在水流沖擊作用下發(fā)生斷裂。在中國，人類與洪水抗衡長達(dá)幾個(gè)世紀(jì)，這也使楗尾技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步。

胡海亂等（1999）提出了籠石擋墻、網(wǎng)籠墊塊護(hù)坡和復(fù)合植物護(hù)坡等生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)并應(yīng)用在廣西漓江治理工程中。在引灤入唐工程中，陳海波等（2000）提出了網(wǎng)格反濾生物組合護(hù)坡技術(shù)。周躍（2000）提出了“坡面土壤生物工程”技術(shù)。王準(zhǔn)（2002）針對(duì)上海的立地條件，把河岸帶綠化根據(jù)岸體設(shè)計(jì)中使用了一種親水生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)--棧橋式生態(tài)親水護(hù)岸，實(shí)現(xiàn)了在水位變化較大的情況下，仍然具有親近人、生態(tài)和美的效果。俞孔堅(jiān)等（2002）提出水位多變情況下的親水生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)。夏漢平等（2002）在北江大堤植草護(hù)坡效應(yīng)研究中，提出香根草和百喜草都能耐較長時(shí)間的水淹，并都有較強(qiáng)的抗逆性，結(jié)合土石方工程，并輔以三維網(wǎng)覆蓋，將香根草和百喜草種在北江兩岸的邊坡上，有效地防治了洪流沖蝕和雨水侵蝕，起到了較好地固土護(hù)坡作用。

四、結(jié)論

土壤生物工程技術(shù)措施通過植物和河流岸坡的相互作用機(jī)制在防止坡面侵蝕的同時(shí)還可以起到河流生態(tài)修復(fù)的作用，并逐漸促進(jìn)河流的自我生態(tài)修復(fù)，是解決河流生態(tài)退化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)措施，在世界范圍內(nèi)引起了廠泛關(guān)注和大量應(yīng)用。而我國在這方面的研究起步不久，此技術(shù)在國內(nèi)的推廣還面臨著許多待解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

篇4

【關(guān)鍵詞】水解酸化；生物處理；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是隨著石油、化工、塑料及纖維等工業(yè)的發(fā)展，造成的水污染相當(dāng)嚴(yán)重，污水成分已愈來愈復(fù)雜，大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解的有機(jī)物質(zhì)和有毒物質(zhì)進(jìn)入廢水和城市污水中，很難在短時(shí)間內(nèi)被常規(guī)生物處理系統(tǒng)中的微生物分解氧化[1]。為了解決高濃度、高毒性、難降解有機(jī)廢水的處理問題，國內(nèi)外學(xué)者們通過水解酸化并投加具有特定功能的微生物、營養(yǎng)物或基質(zhì)類似物。目前。常見的污水的生物處理技術(shù)可分為好氧生物處理和厭氧生物處理。厭氧處理系統(tǒng)雖然具有剩余污泥少，成本低，能產(chǎn)生可利用的甲烷氣等優(yōu)點(diǎn)，但是其處理過程不穩(wěn)定，不易控制，反應(yīng)器初次啟動(dòng)緩慢，特別是出水COD濃度高，較難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，故在厭氧生物處理系統(tǒng)后一般還需串聯(lián)好氧處理系統(tǒng)，運(yùn)用這種串聯(lián)系統(tǒng)雖然使出水水質(zhì)得到了改善，但由于厭氧段采用甲烷化，對(duì)操作和運(yùn)行條件要求嚴(yán)格，原水中大量易于降解的物質(zhì)（如有機(jī)酸等）在厭氧處理系統(tǒng)中被甲烷化，剩余的主要是難降解或厭氧消化的剩余產(chǎn)物，因此，后續(xù)的好氧處理盡管負(fù)荷較低，但是處理效率也很低。直到80年代后出現(xiàn)了水解（酸化）好氧生物處理工藝，即從污水中獲取養(yǎng)分，同時(shí)降解和利用有害物質(zhì)，對(duì)廢水中呈溶解態(tài)或膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物起到降解作用，從而達(dá)到提高廢水處理效果[2]。該方法與生物技術(shù)處理相結(jié)合，加上生物處理法具有消耗少、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、工藝簡單、操作管理方便和無二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，這種所謂新興治理方式得到了越來越多人的重視，并在全世界范圍內(nèi)得到了積極發(fā)展和應(yīng)用，也取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3]。

1.水解酸化-生物處理技術(shù)的機(jī)理

1.1水解酸化機(jī)理

廢水厭氧生物處理技術(shù)是指在分子氧不存在的條件下，通過厭氧微生物包括兼性厭氧微生物的作用，將廢水中各種復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過程。厭氧生物處理過程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物分解為簡單的、穩(wěn)定的化合物，并釋放能量。其中，大部分能量以甲烷的形式被釋放，而只有少量的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的細(xì)胞成分。

大分子有機(jī)物的厭氧降解過程可以分為四個(gè)階段，即水解階段、發(fā)酵（或酸化）階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段與產(chǎn)甲烷階段。水解階段是將非溶解性的復(fù)雜的聚合物轉(zhuǎn)化為溶解性的簡單的單體或二聚體的過程。發(fā)酵階段則是將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以揮性為主的末端產(chǎn)物的降解過程，在發(fā)酵階段，有機(jī)物化合物同時(shí)作為電子和電子供體，因此這一降解過程也稱為酸化。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段中，發(fā)酵階段的產(chǎn)物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。在最后的產(chǎn)甲烷階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。

水解酸化處理是指將厭氧過程控制在厭氧生物處理的第一和第二階段，即水解階段與發(fā)酵階段，在水解酸化處理階段，兼性的水解產(chǎn)酸菌可以利用H2O電離的H+和OH-將復(fù)雜的有機(jī)物分子中的C-C打開，一端加入H+一端加入OH-，可以將長鏈水解為短鏈、支鏈水解為直鏈，環(huán)狀結(jié)構(gòu)水解為成直鏈或支鏈，從而把復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物，提高污水的可生化性。

水解酸化的反應(yīng)式一般可以寫作以下形式：

R-X+H2O―>R-OH+X-+H+

其中，R表示大分子有機(jī)物的主體碳鏈，X表示分子中的極性基團(tuán)。水解酸化工藝的優(yōu)點(diǎn)除了將大分子有機(jī)物分解為小分子，減少后續(xù)工藝的運(yùn)行時(shí)間外，還可以大幅度去除廢水中的懸浮物和有機(jī)物，能夠較好的抗沖擊負(fù)荷，保證后續(xù)工藝的進(jìn)水穩(wěn)定性，并且產(chǎn)泥量小，易處理。水解酸化工藝的不足之處為，單獨(dú)運(yùn)行無法達(dá)到出水水質(zhì)的要求，一般要與其他工藝聯(lián)用。

1.2活性污泥法機(jī)理

活性污泥凈化廢水，主要依靠懸浮于水中的多孔性膠體絮狀污泥。它是多種細(xì)菌組成的，至少有50多種?；钚晕勰嘀羞€含有多種原生動(dòng)物，在曝氣槽中裝有各式曝氣設(shè)備，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，不斷的提供氧氣。凈化作用分兩部分：首先是活性污泥的表面吸附作用。包括物理吸附、電吸附和化學(xué)吸附作用，能吸附細(xì)小懸浮物、有機(jī)膠體和溶解性有機(jī)物。其次是生物氧化作用，被吸附的物質(zhì)在細(xì)菌體內(nèi)氧化分解，排出二氧化碳、水和氨，并繁殖細(xì)菌本體，使污泥恢復(fù)吸附能。曝氣槽中，還繁殖有多種原生動(dòng)物，它們不但食掉有機(jī)物，還以細(xì)菌為食料，以抑制過多污泥產(chǎn)生?；钚晕勰嘁话愕牧鞒淌沁@樣的：首先，廢水流經(jīng)一級(jí)處理系統(tǒng)除去硬渣、砂石和部分纖維等懸浮物。而后進(jìn)入活性污泥曝氣池，同時(shí)空氣不斷地通入池中，以維持廢水中的溶解氧在l.0mg/L左右，并控制污泥濃度在6000-3000mg/L[4]。此時(shí)溶解性有機(jī)物被大量降解。最后，夾雜著活性污泥的廢水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行固液分離，上清液排出系統(tǒng)流入排放水體，沉淀的污泥一部分回流入曝氣池，另一部分進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)?；钚晕勰喾ㄒ话鉈OD負(fù)荷可達(dá)3-5kgBOD/（m3?d），其BOD去除率為60-70%，COD去除率僅為40%。

1.3生物膜法機(jī)理

膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)和生物技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，以膜技術(shù)的高效分離作用取代傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝所無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響，并可大幅度提高曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統(tǒng)，反應(yīng)器在高容積負(fù)荷和低污泥負(fù)荷、長泥齡運(yùn)行下，大大減少了剩余污泥量，并通過膜的高效截留作用，可以使廢水中大分子難降解成分截留在反應(yīng)器內(nèi)，延長了反應(yīng)時(shí)間，大大提高了難降解有機(jī)物的降解率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物、病原菌和病毒的有效去除，提高處理出水水質(zhì)，在通常情況下，其處理出水無需進(jìn)行消毒處理即可達(dá)到相關(guān)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1.4生物接觸氧化法機(jī)理

生物接觸氧化法中，填料表面全為生物膜所布滿，由于絲狀菌的大量滋生微生物有可能形成一個(gè)呈立體結(jié)構(gòu)的密集生物網(wǎng)而附著在填料上，同時(shí)由于曝氣吹脫使部分絮體或碎裂微生物膜以懸浮狀態(tài)存在于污水中。起初附著于填料表面只有少量的微生物，由于微生物的不斷繁殖，在具備充足的溶解氧和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，生物膜變得越來越厚。這是好氧菌通過吸收擴(kuò)散到生物膜內(nèi)溶解氧和有機(jī)物用于自身的生長代謝的作用。當(dāng)生物膜厚度生長到一定程度的時(shí)候，生物膜內(nèi)層不能支撐其表面的生物群體時(shí)，這時(shí)好氧菌開始死亡隨之溶化，此時(shí)內(nèi)層的厭氧菌開始得以繁殖發(fā)展。厭氧菌經(jīng)過了一段時(shí)間的積累后其數(shù)量開始減少，又由于有代謝氣體從內(nèi)部跑出，便使得內(nèi)層生物膜表面由于這種作用產(chǎn)生了出現(xiàn)許多孔道，生物膜的附著力明顯降低，并成塊的脫落下來，在脫落的填料表層，微生物又重新積聚成為生物膜，這樣就使微生物能夠保持良好的活性，新陳代謝處于良性循環(huán)。從而能夠取得穩(wěn)定的去除效率。生物接觸氧化法中固著的生物膜不同于一般生物膜。生物膜的厚度取決于水中有機(jī)物的濃度和曝氣量，通過在氧化裝置中采用曝氣方式，不僅為生物膜提供了較充足的DO，而且由于曝氣的攪動(dòng)作用，也使生物膜的更新速度加快，這樣使得膜的活力與氧化能力會(huì)得到有效的提高。并且由于空氣不斷地打入水中，其不斷的攪動(dòng)水體能使污水形成了紊流，這樣便使得污水與固著在填料上的微生物可以有效的相接觸，對(duì)于生物濾池中可能存在接觸不良的這種現(xiàn)象，通過曝氣大大降低了其發(fā)生率。

2.水解酸化-生物處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著生物處理技術(shù)的日益成熟，已廣泛應(yīng)用在多種廢水的處理中.主要通過提高目標(biāo)污染物的去除效果，改善污泥性能、減少污泥產(chǎn)量、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷的能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、添加生物酶，加快反應(yīng)進(jìn)行。

李海英等為期1個(gè)月的連續(xù)處理造紙漂白廢水試驗(yàn)表明，固定化細(xì)胞的酶活性及可吸附有機(jī)鹵素（AOX）去除率均高于自由菌液，對(duì)溫度和pH的適應(yīng)范圍較寬；在停留時(shí)間為2.4h時(shí)，其去除率可穩(wěn)定在80%左右[6]；

喬慶霞等選育優(yōu)勢(shì)菌處理含氯漂白廢水中段水相對(duì)濃度為50%，pH為7.0，菌液量為2ml時(shí)，對(duì)廢水中有機(jī)氯化物和COD的綜合處理效果較好[7].生物增強(qiáng)作用比一般的廢水處理方法更能提高系統(tǒng)對(duì)BOD5，COD，TOC或某種特定難降解物的去除效果。

韓長秀等利用投加高效菌種強(qiáng)化法處理牛奶廢水，在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝3種不同的處理系統(tǒng)，都提高了BOD5，COD的去除率[8]；

劉暉用該方法處理馬鈴薯廢水時(shí)，TOC的去除率達(dá)到98%；通過在活性污泥法中投加苯酚降解菌，在40d內(nèi)處理系統(tǒng)對(duì)苯酚的去除率保持在95%～100%，而沒有采用生物強(qiáng)化的中苯酚的去除率降低到40%，提高苯酚的去除率[9]；

林俊岳在附著生長生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢(shì)菌，生物增強(qiáng)系統(tǒng)的去除效果提高7mg/L BTX；生物增強(qiáng)作用不僅可以有效地消除污泥膨脹，增強(qiáng)污泥沉降性能，且可減少污泥產(chǎn)量，一般可使污泥容積降低20%左右[10]。

D.RenateHuebner.改善出水水質(zhì)，減少污泥排放和污泥處理的能耗.結(jié)果表明，接種生物增強(qiáng)劑運(yùn)行3周就可消除污泥膨脹現(xiàn)象[11]；

潘景盛在大規(guī)模廢水處理中，使用生物增強(qiáng)劑后，污泥床厚度下降到2m左右，降低能耗，控制臭氣的產(chǎn)生，縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，達(dá)到較高的快速處理效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷能力以及處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

3.結(jié)語

從國內(nèi)外廢水生物處理法的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來看，不斷推出更好的生物處理工藝，去除污水中溶解和膠體的有機(jī)物質(zhì)的效率越來越高，污水出水水質(zhì)好，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，已成為在現(xiàn)代廢水處理的研究熱點(diǎn)。廢水生物處理向著更先進(jìn)、更高效、更節(jié)能、自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，細(xì)胞及微生物固定化技術(shù)的應(yīng)用、新型填料與載體的開發(fā)應(yīng)用、節(jié)能技術(shù)突出等領(lǐng)域取得長足的進(jìn)展。該方法具有提高難降解有機(jī)物的去除率、改善污泥性能、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間、增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和耐沖擊負(fù)荷能力，顯著提高水處理范圍和水處理能力，具有工藝簡單、經(jīng)濟(jì)、處理能力強(qiáng)、占地面積少、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，是一種投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率高的廢水處理的新工藝。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活污水、紡織、屠宰、造紙、核污染等廢水處理.然而目前建造的廢水處理工程與設(shè)施的投資和昂貴的運(yùn)行、管理費(fèi)用成為廢水處理工程中的瓶頸。如何改善載體的結(jié)構(gòu)，提高對(duì)微生物的附著能力、加強(qiáng)傳質(zhì)、提供更大的孔隙率和比表面積，改善材質(zhì)以降低生產(chǎn)成本及運(yùn)行成本等將成為這一領(lǐng)域中較為集中的研究課題。因此，生物強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)相結(jié)合，成為廢水生物處理的必然趨勢(shì)，對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的歷史意義！

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篇5

人類對(duì)野生藥用植物資源不加限制地開采使得其遺傳多樣性受到了嚴(yán)重的破壞，藥用植物的大規(guī)模規(guī)范化種植不僅可有效緩解這一矛盾，同時(shí)還能解決中藥材產(chǎn)品加工過程中與質(zhì)量不穩(wěn)定因素有關(guān)的諸多問題。傳統(tǒng)的育種方法結(jié)合分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)已培育出了許多優(yōu)質(zhì)的中草藥品種，在藥用植物組織培養(yǎng)和利用遺傳轉(zhuǎn)化等生物工程技術(shù)改造其活性成分的代謝途徑等方面也取得了很大的進(jìn)展。為了進(jìn)一步推廣藥用植物的規(guī)范化種植，還亟需對(duì)中草藥市場需求進(jìn)行合理地預(yù)測以及正確引導(dǎo)人們對(duì)草藥制品的消費(fèi)觀念。

【關(guān)鍵詞】 生物工程； 藥用植物； 商業(yè)化種植

Abstract： Harvesting herbals from the wild is causing loss of its genetic persity，domestic cultivation is a viable alternation and offers the opportunity to overcome the problems that are inherent in herbal extracts. Conventional plant-breeding methods can improve both agronomic and medicinal traits， and molecular marker assisted breeding will be used increasingly. There has been significant progress in the use of tissue culture and genetic transformation to alter pathways for the biosynthesis of target metabolites. Obstacles to bringing medicinal plants into successful commercial cultivation include the difficulty of predicting which extracts will remain marketable and the likely market preference for what is seen as naturally sourced extracts.

Key words：Biotechnology； Medicinal plant； Commercial cultivation

據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，在發(fā)達(dá)國家人們?nèi)粘ＯM(fèi)的保健類產(chǎn)品中，中草藥來源的占了近80％，它們所使用的植物原料絕大部分依賴于野生的自然資源。在全世界近5萬種藥用植物中，將近1/5物種的生存正在受到威脅，其中由于人類無節(jié)制地開采而接近滅絕的物種有熊果Arcostaphylos uva-ursa、卡瓦胡椒Piper methysticum和光果甘草Glycyrrhiza glabra等［1］。

藥用植物的供求矛盾引起了人們對(duì)藥用物種遺傳多樣性降低和生境退化的不斷關(guān)注，雖然通過加強(qiáng)監(jiān)管可以對(duì)某些物種提供一定程度的保護(hù)，但更加可行的辦法是對(duì)藥用植物進(jìn)行大規(guī)模的規(guī)范化人工種植。人工種植還為生物工程技術(shù)在中藥材產(chǎn)品加工過程中的應(yīng)用提供了舞臺(tái)，如鑒定藥材原料的質(zhì)量、檢測基因型和表型變異、提高藥材有效成分的穩(wěn)定性、控制有毒和污染物含量等。這不僅有利于種植者根據(jù)市場需求合理地調(diào)整栽培對(duì)象和實(shí)現(xiàn)定量生產(chǎn)，還可獲得質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。在歐美等國，包括銀杏Ginkgo biloba和貫葉連翹Hypericum perforatum在內(nèi)的一些市場銷量較高的品種，其野生資源受到的威脅反而最小，原因就在于它們都已進(jìn)行了大規(guī)模的人工種植。對(duì)于一些當(dāng)前還不太引人關(guān)注的品種進(jìn)行投資，尤其是那些多年生的物種，為了降低潛在的市場風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)未來市場的需求進(jìn)行預(yù)測也是非常必要的。

1 藥用植物栽培技術(shù)

較低的發(fā)芽率和對(duì)生境的特別要求使得許多藥用植物的栽培十分困難，這也對(duì)種植者的專業(yè)技能提出了更高的要求。發(fā)芽率較低通常是由于種子受到機(jī)械損傷或真菌感染而引起的，這一問題可通過提供最適的保藏條件來解決，例如在對(duì)西洋參Panax quinquefolium生長條件的研究中發(fā)現(xiàn)，使用改進(jìn)的土層保護(hù)方法進(jìn)行處理可明顯提高種子的發(fā)芽率和生長速度，且在任何時(shí)候均可發(fā)芽。另外，對(duì)于那些常規(guī)條件下很難培育的品種，采用人工授粉和液體培養(yǎng)的方法對(duì)它們的成功種植往往起到非常關(guān)鍵的作用，

2 優(yōu)良品種的選育

傳統(tǒng)育種技術(shù)在藥用植物品種的改良方面有著廣泛的用途。最近，一種激光斑點(diǎn)（Laser speckle）技術(shù)被用于在植物生長早期對(duì)期望的性狀進(jìn)行測定，這是一種通過比較激光照射前后種子表面所產(chǎn)生斑點(diǎn)的差異而對(duì)其活性進(jìn)行預(yù)測的方法，該項(xiàng)技術(shù)的使用可顯著縮短育種所需的時(shí)間［2］。育種者通過預(yù)先對(duì)接近于期望標(biāo)準(zhǔn)的基因型進(jìn)行篩選，還可對(duì)藥用植物中活性和毒性成分的含量進(jìn)行控制，從而達(dá)到了簡化分離工藝和降低生產(chǎn)成本的目的。

遺傳標(biāo)記輔助育種是傳統(tǒng)作物育種技術(shù)的延伸，它以檢測與性狀直接相關(guān)的等位基因或與之緊密連鎖的DNA序列為基礎(chǔ)，可在早期就鑒別出期望的基因型從而加速育種的過程。隨著水稻和擬南芥全基因組測序計(jì)劃的完成，以及以苜蓿、番茄和白楊樹為代表的一些模式物種的基因組資源的快速增長，為比較遺傳學(xué)技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。研究者可利用不同物種中功能基因DNA序列的相似性，將某一個(gè)物種的DNA探針用來鑒定近緣物種基因組中同源的序列，從而達(dá)到快速鑒定功能基因及與之連鎖的遺傳標(biāo)記的目的。

至今，利用分子標(biāo)記對(duì)藥用植物進(jìn)行改良的報(bào)道仍相對(duì)較少，成功的例子如：AFLP和微衛(wèi)星標(biāo)記在大麻遺傳育種［3］和法醫(yī)鑒定［4］中的應(yīng)用；利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)研究藥用植物野生或栽培種群的遺傳多樣性；Mandolino［5］對(duì)大麻酯（Cannabinoid）生物合成途徑中兩個(gè)關(guān)鍵酶的基因序列進(jìn)行了測定； Delabays等利用青蒿素（Artemisinin）的遺傳特性，開發(fā)出了其特異的分子標(biāo)簽（Molecular tags）用于標(biāo)記輔助育種。有理由相信，隨著比較基因組學(xué)研究的進(jìn)一步深入，還將對(duì)藥用植物的研究和開發(fā)產(chǎn)生更加普遍的影響。

3 農(nóng)藝性狀的改造

通過改造DNA序列來調(diào)控植物的基因表達(dá)在當(dāng)前已有一定的研究基礎(chǔ)，抗除草劑、抗蟲、抗病等轉(zhuǎn)基因品種的開發(fā)仍然是當(dāng)前藥用植物生物工程研究中的重要領(lǐng)域之一。有報(bào)道，Choi等［6］通過轉(zhuǎn)化膦絲菌素（Phosphinothricin）乙酰轉(zhuǎn)移酶基因，獲得了抗除草劑雙丙氨膦（Bialaphos）和固殺草（Glufosinate）的轉(zhuǎn)基因顛茄Atropa belladonna。Punja等［7］利用原生質(zhì)體融合技術(shù)還得到了抗殺蟲劑的龍葵Solanum nigrum和抗真菌病害的西洋參。

此外，生物工程技術(shù)在調(diào)控植物的生長發(fā)育方面也有廣闊的利用價(jià)值。Lee［8］將根瘤膿桿菌的rol基因轉(zhuǎn)入到蒲公英中，明顯提高了其微繁的毛狀根培養(yǎng)物的發(fā)育速度；Kang等在蒿屬Artemisia植物中表達(dá)細(xì)菌ipt基因，不僅促進(jìn)了其內(nèi)源的植物細(xì)胞分裂素等一系列激素的生成，還提高了葉綠素和青蒿素的產(chǎn)量。

4 活性成分含量的控制

對(duì)一般的農(nóng)作物進(jìn)行基因調(diào)控的首要目標(biāo)是改造與疾病抗性和生長發(fā)育有關(guān)的農(nóng)藝學(xué)特征，而對(duì)于藥用植物來說，通過改造其生物合成途徑而提高活性成分的含量則處于最重要的地位。Stevenson等用根瘤膿桿菌基因轉(zhuǎn)化薄荷的毛狀根培養(yǎng)物，不僅提高了其毛狀根中必需油成分的含量，還增強(qiáng)了其抵抗真菌感染的能力。其它在藥用植物上成功應(yīng)用的例子還包括罌粟、蒲公英、紫杉、紫錐菊（Echinacea）、玄參和毛地黃（Digitalis）等［9］。

為了提高藥效、降低有毒物質(zhì)的含量和提高收獲物中化學(xué)成分的穩(wěn)定性，有必要對(duì)藥用植物的生長條件進(jìn)行嚴(yán)格地控制。植物中次生代謝物的累積與溫度、光照（如抗氧化劑）、協(xié)迫（如脯氨酸）、感染（如類黃堿素Flavanoids）和食草（如生物堿）等外界因素的影響有密切的關(guān)系。例如，在高加索生長的顛茄中生物堿的含量為1.3％，瑞典生長的只有0.3％；陰生的胡椒薄荷Mentha piperata中必需油的總量及其薄荷醇的含量均比光照條件下生長的要低；與較高溫度條件下生長的罌粟相比，較低溫度下生長的罌粟中含有更多的嗎啡，而生物堿的含量卻低些。另外，次生代謝物的累積還與土壤中的微生物群落和營養(yǎng)成分有關(guān)。

提高活性成分的含量是藥用植物遺傳控制的首要目標(biāo)，但是目前人們對(duì)活性化合物生物合成途徑的了解還很少，只有為數(shù)不多的合成酶的基因被分離出來，這對(duì)應(yīng)用途徑工程技術(shù)進(jìn)行藥用植物育種提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。Zhang等［10］通過過量表達(dá)東莨菪堿（Scopolamine）生物合成途徑中催化兩個(gè)限速反應(yīng)的合成酶的基因，使得天仙子Hyoscyamus niger毛狀根培養(yǎng)物中該化合物的產(chǎn)量提高了將近9倍；Robbins等［11］將天仙子中編碼莨菪堿羧化酶的基因轉(zhuǎn)化到顛茄中，也使得東莨菪堿（前體物為莨菪堿）的產(chǎn)量明顯提高；Chitty［12］在篙屬植物中通過過量表達(dá)法尼基（Farnesyl）二磷酸合成酶的基因而將青蒿素的產(chǎn)量提高為原來的3倍。在針對(duì)催化某一特定限速反應(yīng)的酶的研究中，利用轉(zhuǎn)錄因子能夠開啟和關(guān)閉整個(gè)次級(jí)代謝途徑的性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行遺傳改造，已經(jīng)成為了一種新的研究藥用植物途徑工程的思路。

5 問題與展望

藥用植物作為藥物使用最大的吸引力之一在于它的“純天然”性質(zhì)，由此也產(chǎn)生了兩種極端的看法：一部分人理所當(dāng)然地認(rèn)為它是安全的和最好的，另一部分人則認(rèn)為用基因工程技術(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行改造是非?！安环献匀灰?guī)律的”，后者則體現(xiàn)在許多消費(fèi)者對(duì)轉(zhuǎn)基因植物的恐懼和排斥上。即使不考慮此類由轉(zhuǎn)基因植物所帶來的潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，消費(fèi)者仍然有權(quán)利拒絕接受與以轉(zhuǎn)基因?yàn)榇淼纳锕こ碳夹g(shù)有關(guān)聯(lián)的任何藥用植物產(chǎn)品。

另外還有一個(gè)常被人忽視的問題是，隨著藥用植物人工種植技術(shù)的推廣，其對(duì)應(yīng)的野生資源也將具有更高的商業(yè)價(jià)值，因而對(duì)其進(jìn)行的破壞性挖掘活動(dòng)可能會(huì)更加嚴(yán)重。此外，在藥用植物種質(zhì)資源的保護(hù)及其知識(shí)產(chǎn)權(quán)的歸屬等方面也有許多棘手的問題有待解決。

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篇6

[關(guān)鍵詞]農(nóng)作物 土壤 重金屬污染 生態(tài)適應(yīng)

中圖分類號(hào)：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）34-0390-01

土壤中的重金屬污染大部分來源于工業(yè)廢水和廢氣的隨意排放，還有的是由于某些建筑公司直接用工業(yè)廢渣建設(shè)工程，直接對(duì)土壤造成重金屬污染。重金屬是很難被生物或化學(xué)過程降解的，因此很容易在土壤中富集，污染后的土壤也難以恢復(fù)到以前的生態(tài)。一旦重金屬的污染超過一定程度，不僅會(huì)影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)還會(huì)通過食物鏈富集到人體中，引起重金屬中毒，嚴(yán)重危害人的身體健康。

一、土壤重金屬復(fù)合污染對(duì)農(nóng)作物影響

（一） 重金屬污染對(duì)農(nóng)作物光合作用影響

光合作用是農(nóng)作物將光能、水、CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)物儲(chǔ)存起來的過程，和呼吸過程的消耗不同，光合作用是為了“積累”，這也是人們能把農(nóng)作物當(dāng)做食物來源的根本原因。光合作用在植物的葉綠體中進(jìn)行，而葉綠體是由光合片層膜系統(tǒng)構(gòu)成的類囊體，其中分布著各種各樣的光合色素和酶。影響光合作用的因素有很多，如溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等等，重金屬污染也是其中很重要的因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、重金屬破壞葉綠體結(jié)構(gòu)、降低葉綠素含量

葉綠體是作物進(jìn)行光合作用的場所，而葉綠素則是作物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，它直接影響了光合作用的速率和品質(zhì)。隨著土壤中重金屬含量的加重，作物會(huì)發(fā)生細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)的分離，同時(shí)核膜破裂、核仁消失，葉綠體的雙層膜結(jié)構(gòu)也會(huì)消失；高濃度的重金屬離子會(huì)在不同程度上減少葉綠素的含量，特別是CU2+，Hg2+，Cd2+等重金屬離子。

2、重金屬污染干擾了光合產(chǎn)物的運(yùn)輸

高濃度的重金屬離子能顯著抑制作物光合作用產(chǎn)物的主動(dòng)輸出。如小麥等禾本科農(nóng)作物中與光合產(chǎn)物運(yùn)輸轉(zhuǎn)化的酶對(duì)Cu2+等重金屬離子的敏感度很高，高濃度的重金屬離子使得光合產(chǎn)物在作物體內(nèi)各組織間的分配完全混亂，小分子糖類大量累積而蛋白質(zhì)迅速分解，進(jìn)而影響了光合作用的速率和作物的品質(zhì)。

（二） 重金屬污染對(duì)農(nóng)作物酶活性的影響

農(nóng)作物的各項(xiàng)生理代謝活動(dòng)都是需要在生物酶的參與下進(jìn)行的，過量的重金屬污染會(huì)使得重金屬離子與生物酶相互作用發(fā)生結(jié)合，或者取代構(gòu)成酶蛋白的必需元素從而破壞酶的結(jié)構(gòu)與活性，進(jìn)一步干擾農(nóng)作物細(xì)胞各項(xiàng)代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行。值得注意的是這種干擾不是呈直線式的上升而是呈拋物線軌跡運(yùn)動(dòng)的，在一定程度上重金屬污染濃度增加，一些酶的活性反而出現(xiàn)增強(qiáng)，這是由于作物的抗氧化系統(tǒng)對(duì)金屬與酶的結(jié)合有著一定的抵御能力。不管是那種影響，都對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量、性狀、品質(zhì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

二、農(nóng)作物對(duì)土壤重金屬復(fù)合污染的適應(yīng)機(jī)制

（一） 重金屬在農(nóng)作物體內(nèi)的分布

農(nóng)作物獲得土壤中的重金屬離子的方式主要是根系吸收，因此大部分的重金屬離子如Cu、Pb、Cd、Hg等主要集中在農(nóng)作物根部，與作物本身的蛋白質(zhì)、糖類、核酸結(jié)合形成有機(jī)物或其他化合物；而像Zn、Fe等容易發(fā)生轉(zhuǎn)移的重金屬離子被根系吸收后會(huì)發(fā)生向上遷移，轉(zhuǎn)移到莖葉和果實(shí)上去。雖然大部分重金屬在根系中積累，相當(dāng)程度上減輕了對(duì)其他各組織器官的毒害作用，但是對(duì)于一些本來食用其根部、莖部的農(nóng)作物來說就完全相反了。對(duì)于某些具有重金屬抗性基因的農(nóng)作物，土壤中的重金屬含量多少與否對(duì)其影響并不是很大，這主要是由作物基因型決定的。

（二） 農(nóng)作物在土壤重金屬復(fù)合污染下的富集

雖然土壤重金屬的污染對(duì)農(nóng)作物的生理形態(tài)、產(chǎn)量等造成很大影響，但是不是說在土壤重金屬復(fù)合污染嚴(yán)重的地方農(nóng)作物就無法生存，相反在一定程度上，作物在污染區(qū)還會(huì)發(fā)生富集作用，這是由農(nóng)作物的生理敏感現(xiàn)象決定的。農(nóng)作物對(duì)重金屬元素的吸收除了引起各種生理生態(tài)的變化，也會(huì)使其自身產(chǎn)生重金屬抗性和依賴性。如茄科作物，過量的吸收Pb、Hg等重金屬離子后反而會(huì)阻止根部轉(zhuǎn)移積累的重金屬，表現(xiàn)出一定程度上的拮抗作用。隨著農(nóng)作物本身和細(xì)胞酶對(duì)重金屬離子的不斷適應(yīng)，作物自身的細(xì)胞壁、莖葉等反而具有了排除機(jī)制，會(huì)使得一些重金屬離子通過這些部位排出體外；同時(shí)作物會(huì)漸漸產(chǎn)生一種能和重金屬離子絡(luò)合的有機(jī)酸，降低重金屬離子的活度系數(shù)而減少其毒性。

（三） 各重金屬離子間的拮抗與協(xié)同作用

農(nóng)作物在吸收重金屬復(fù)合污染土壤中的元素時(shí)，一些重金屬離子會(huì)強(qiáng)烈抑制另外一些重金屬離子的吸收，表現(xiàn)出拮抗作用，如玉米在吸收一定濃度的銅離子后不會(huì)再吸收土壤中的鋅、鎘等重金屬離子。而在另一方面，一些重金屬離子的吸收反而會(huì)加速其他重金屬離子的吸收，表現(xiàn)出極大的協(xié)同效應(yīng)，隨著銅離子在玉米體內(nèi)的積累量的增加，玉米根系會(huì)加速吸收土壤中的鉛等重金屬離子。某些離子還會(huì)引起農(nóng)作物各部位之間的重金屬元素累積，如委陵菜，土壤中如果富含鋅、鎘等重金屬離子，委陵菜的根、葉柄、葉之間會(huì)加速重金屬離子間的轉(zhuǎn)移和累積，這說明了作物在不同土壤重金屬復(fù)合污染下各組織又會(huì)有不同的特性。

（四） 農(nóng)作物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)

上文我們知道了某些農(nóng)作物對(duì)土壤中一些重金屬元素是有很大吸收富集能力的，越是濃度高的重金屬復(fù)合污染土壤，作物的吸收能力反而越強(qiáng)，因此可以在重金屬濃度很高的培養(yǎng)液中培育出抗性很高的農(nóng)作物進(jìn)行優(yōu)育留種，既可以達(dá)到治理土壤重金屬復(fù)合污染的目的又可以達(dá)到生態(tài)適應(yīng)修復(fù)的目的。如褐藍(lán)菜屬、長葉萵苣、玉米、洋芋等農(nóng)作物就可以很好的清除土壤中的鋅、鉛等重金屬離子。

結(jié)束語

大面積的土壤重金屬復(fù)合污染不僅難以修復(fù)，而且對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、生理生態(tài)指標(biāo)都造成了很大影響，要解決這個(gè)問題除了控制工業(yè)“三廢”的排放，還要對(duì)重金屬與不同農(nóng)作物之間作用機(jī)制、適應(yīng)機(jī)制加以研究，找到修復(fù)重金屬復(fù)合污染土壤最適合的方法。

參考文獻(xiàn)

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篇7

關(guān)鍵詞：辣椒疫??；生物防治；現(xiàn)狀；發(fā)展方向

辣椒疫病是由辣椒疫霉菌（Phytophthora capsici）侵染引起的一種毀滅性土傳真菌性病害，目前世界各地均有發(fā)生。我國辣椒種植地區(qū)如四川、貴州、陜西、甘肅、廣東等均有辣椒疫病嚴(yán)重發(fā)生的報(bào)道。近年來，為減少辣椒疫病造成的損失，國內(nèi)外在遺傳育種、耕作措施、化學(xué)防治等方面對(duì)辣椒疫病的防治進(jìn)行了大量研究，但目前并未發(fā)現(xiàn)抗病種質(zhì)材料；防治辣椒疫病的農(nóng)業(yè)管理措施較復(fù)雜，大面積生產(chǎn)栽培難以實(shí)施；化學(xué)藥劑防治方面取得了一定成效，如目前使用的敵克松、甲霜靈、多菌靈和百菌清等均能有效控制疫病的為害，但長期使用易誘發(fā)病原菌的抗藥性，且大量使用易造成環(huán)境污染，威脅食品安全。針對(duì)以上現(xiàn)象，生物防治技術(shù)研究成為熱點(diǎn)，主要包括拮抗菌的篩選、誘導(dǎo)抗性的研究及植物源殺菌劑的提取等方面，筆者對(duì)上述研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單總結(jié)與概括，并提出相應(yīng)的問題，以期為今后辣椒疫病的研究工作指明方向。

1 拮抗菌的篩選

拮抗菌是從自然界篩選出來的能抑制病原菌生長的有益微生物。據(jù)報(bào)道，細(xì)菌、真菌、放線菌中均存在對(duì)辣椒疫霉菌有明顯抑制作用的菌株。

1.1 拮抗真菌

自然界中存在許多對(duì)植物病原菌具有拮抗作用的真菌，如毛殼菌（Chaetomium spp.）、曲霉菌（Aspergillus）、木霉菌（Trichoderma spp.）等。木霉菌是目前研究較為廣泛和深入的拮抗真菌，木霉具有較高的幾丁質(zhì)酶活性、生長繁殖能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛存在于耕作性及非耕作性土壤中。木霉菌對(duì)許多植物病原菌具有較強(qiáng)的抑菌活性，這些特性使木霉菌成為被重點(diǎn)研究的拮抗真菌。

木霉對(duì)辣椒疫霉菌的拮抗作用研究取得了很大成效。羅曉華[1]從雅安郊區(qū)辣椒種植地的土壤中分離到58株木霉菌株，共8種，其中桔綠木霉（T. citrinoviride）、哈次木霉（T. harzianum）、擬康氏木霉（T. koningiopsis）和康氏木霉（T. koningii）的非揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)辣椒疫霉菌菌絲有較強(qiáng)的抑制作用，其平均抑制率分別達(dá)到56.4%、69.1%、67.2%、63.6%。顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，桔綠木霉、擬康氏木霉和康氏木霉與辣椒疫霉菌對(duì)峙培養(yǎng)時(shí)，木霉菌絲對(duì)辣椒疫霉菌菌絲有溶解、斷裂、扭曲、纏繞等作用，最終導(dǎo)致菌絲崩解、死亡。胡東維等[2]在研究木霉對(duì)辣椒疫霉菌抑制作用的超微結(jié)構(gòu)時(shí)也發(fā)現(xiàn)，木霉菌絲能夠纏繞并寄生于疫霉菌絲上，但木霉的重寄生作用受環(huán)境條件影響較大，如培養(yǎng)基成分等，在絕大多數(shù)情況下，木霉菌可直接水解和破壞疫霉菌菌絲，說明木霉抑菌作用的主要機(jī)制是直接向外分泌水解酶分解疫霉菌的細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)，而不是重寄生作用。肖淑芹等[3]的研究也發(fā)現(xiàn)，木霉對(duì)辣椒疫霉菌有重寄生和競爭作用，并且木霉還可產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶、β-1，3-葡聚糖酶和纖維素酶等細(xì)胞壁降解酶。

在其他真菌中也存在對(duì)辣椒疫霉菌具有良好拮抗作用的種群，如涂璇[4]通過室內(nèi)拮抗和盆栽生物試驗(yàn)，從26株供試毛殼菌中篩選出對(duì)辣椒疫霉菌具有較好抑制效果的木毛殼菌10株；馬艷等[5]篩選得到1株對(duì)辣椒疫霉菌具有拮抗作用的真菌 F-310，其對(duì)辣椒疫霉菌菌絲生長具有很強(qiáng)的抑制作用，而盆栽試驗(yàn)表明，土壤同時(shí)接種 F-310菌株及培養(yǎng)濾液，對(duì)辣椒疫病的防治效果可達(dá)到64.5%。

1.2 拮抗細(xì)菌

細(xì)菌是自然界中數(shù)量最多的生物群體，它們體型極小、結(jié)構(gòu)簡單，存在于各類環(huán)境中，在拮抗菌的研究中具有重要地位。

梅新蘭等[6]從98株拮抗菌株中篩選出2株高效拮抗菌株HL-3 和LZ-8。通過形態(tài)觀察、生理生化特性研究和16S rDNA 序列分析，確定兩者分別為多粘類芽孢桿菌（Paenibacillus polymyxa）和短小芽孢桿菌（Bacillus pumilus），對(duì)辣椒疫霉菌菌絲生長抑制率分別為72%和68%；盆栽試驗(yàn)表明，HL-3和LZ-8對(duì)辣椒苗期疫病的防治效果分別為72%和83%。另外，通過Compost tea培養(yǎng)基復(fù)篩及抑菌譜試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，2株菌株均可在貧營養(yǎng)條件下良好生長，并且具有廣譜抗性。

王永宏等[7]從昆蟲病原線蟲體內(nèi)分離得到2個(gè)具有較高殺蟲和抑菌活性的共生菌菌株：YL001（Xenorhabdus nematophila）和YL002（X. bovienii）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，2個(gè)菌株的初生型對(duì)不同的植物病原菌具有一定的殺菌活性，對(duì)辣椒疫霉菌的抑制作用最強(qiáng)。在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)，YL002對(duì)引起番茄植株腐爛的灰霉病菌（Botrytis cinerea）和引起辣椒疫病的辣椒疫霉菌有很好的防治效果[8]。

Fang等[9]通過細(xì)菌懸浮液蘸根的方法研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌菌株CCR04、CCR80、GSE09、ISE13及ISE14能夠有效抑制辣椒疫病的發(fā)生，并能提高辣椒單果質(zhì)量及增加坐果數(shù)。邱思鑫等[10]從茄科作物體內(nèi)分離到19株對(duì)辣椒疫霉菌具有較好拮抗作用的細(xì)菌菌株，試驗(yàn)結(jié)果表明，防病作用最佳的 TB2 菌株菌液噴霧處理辣椒植株后接種病菌，4～10 d后對(duì)辣椒果實(shí)疫病的防治效果達(dá) 55.56%～100%。徐劉平等[11]從1 000余株根圍促生細(xì)菌中篩選出 Bacillus cereus NJ02作為辣椒疫病的生物防治因子，室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它對(duì)辣椒有促生作用，施用生防菌 NJ02+化學(xué)藥劑代森?錳鋅，60 d后其對(duì)辣椒疫病的防效達(dá)85.45%，效果優(yōu)于單獨(dú)使用生防菌NJ02及代森錳鋅。

1.3 拮抗放線菌

土壤是放線菌的天然生存場所之一，從土壤中分離具有拮抗性的放線菌是目前拮抗菌篩選的重要途徑之一。

經(jīng)過無菌土紙缽初篩和未滅菌自然土盆栽復(fù)篩試驗(yàn)，涂璇等[12]從108株放線菌中篩選出2株對(duì)辣椒疫霉菌拮抗效果最好的菌株0108和0110，盆栽條件下，接種0108和0110拮抗放線菌14 d后相對(duì)防效分別達(dá)到75%和81%，21 d后相對(duì)防效分別達(dá)到65%和56%，且2株拮抗放線菌都能通過影響辣椒根系微生物數(shù)量控制辣椒疫霉菌的生長繁殖，降低辣椒疫霉菌對(duì)根系的侵染，并對(duì)辣椒根系生長有顯著促進(jìn)作用。司美茹等[13]在研究36株生防放線菌對(duì)4種病原真菌的拮抗作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)辣椒疫霉菌具有抑制作用的有30株，具有競爭抑制作用的有19株，其中效果最好的菌株對(duì)辣椒疫霉菌的抑制率達(dá)78.5%。蔡艷等[14]采用平皿體外篩選法在皿內(nèi)分離到對(duì)辣椒疫霉菌有明顯拮抗作用的放線菌17株，對(duì)辣椒疫霉菌的抑菌圈直徑為11～35 mm，通過盆栽復(fù)篩獲得7株有較好拮抗效果的放線菌，其中28G14的田間和盆栽防效良好。何娜等[15]從

1 261株五指山放線菌分離菌株中隨機(jī)挑選出511株菌株進(jìn)行抗辣椒疫霉菌和香蕉枯萎鐮刀菌4號(hào)小種平板抑菌活性篩選，篩選出84株對(duì)辣椒疫霉菌有拮抗活性的菌株。

2 誘導(dǎo)抗性的研究

除了自身具有的天然屏障，植物已經(jīng)進(jìn)化產(chǎn)生了不同的誘導(dǎo)防衛(wèi)機(jī)制來保護(hù)自身免受病原菌侵害。植物誘導(dǎo)抗病性，又稱系統(tǒng)獲得抗性或植物免疫，是植物受一定的激發(fā)子（生物的或化學(xué)的）刺激后，對(duì)隨后的病原菌侵染表現(xiàn)既快又強(qiáng)的防衛(wèi)反應(yīng)。在誘導(dǎo)辣椒抗疫病性方面，已經(jīng)取得了一定成果。Lee等[16]在辣椒上先接種煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus，TMV），再接種辣椒疫霉菌的游動(dòng)孢子，發(fā)現(xiàn)辣椒的發(fā)病程度小于對(duì)照，從接種葉片中分離到 PR1和PR5蛋白，表明接種TMV后誘發(fā)辣椒產(chǎn)生系統(tǒng)獲得抗性（System acquired resistance，SAR）。有研究表明，β-氨基丁酸（BABA）能夠抑制辣椒疫霉菌菌絲生長及孢子萌發(fā)，BABA處理后的辣椒植株形成細(xì)胞壁乳突，能有效抵抗病菌侵入，另外，植株水楊酸（SA）含量升高，可能與誘導(dǎo)辣椒產(chǎn)生PR蛋白有關(guān)[17，18]。毛愛軍等[19]研究發(fā)現(xiàn)，水楊酸能顯著提高辣椒的抗疫病性，SA處理的最佳濃度范圍為0.15～0.13 g/L，處理后 1～5 d接種辣椒疫霉菌，辣椒植株開始表達(dá)出較高的誘導(dǎo)抗性，這種抗病作用可持續(xù) 20 d以上。Silvar等[20]在辣椒植株上接種番茄枯萎病菌（Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici，F(xiàn)OL）后再接種辣椒疫霉菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，其莖稈和根中的病原菌含量存在差異，被FOL誘導(dǎo)處理的辣椒葉片中未檢測到病原菌；PCR檢測發(fā)現(xiàn)與防御有關(guān)的PR-1蛋白、β-1，3-葡聚糖酶、幾丁質(zhì)酶、過氧化物酶和倍半萜環(huán)化酶5個(gè)編碼基因表達(dá)水平上調(diào)，并在葉片中發(fā)現(xiàn)極高的mRNA水平。

3 植物源殺菌劑的研究

目前在防治辣椒疫病方面有關(guān)植物源殺菌劑的研究報(bào)道極少。Wang等[21]在研究蛇床子素衍生物JS-B的抑菌活性時(shí)發(fā)現(xiàn)，該物質(zhì)能顯著抑制辣椒疫霉菌菌絲生長；在辣椒疫霉菌生活周期的不同階段具有明顯的抑制作用；對(duì)菌絲干質(zhì)量及孢子萌發(fā)的EC50值分別為43.74、86.03 mg/mL；添加

100 mmol/L的葡萄糖后發(fā)現(xiàn)，JS-B能有效抑制辣椒疫霉菌游動(dòng)孢子的釋放；超微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，JS-B能破壞大部分線粒體、細(xì)胞核的凝聚性；盆栽試驗(yàn)也表明，JS-B對(duì)辣椒疫霉菌有較強(qiáng)的抑菌活性。

林述平等[22]在室內(nèi)比較了丁子香酚和甲霜?霜霉威對(duì)辣椒疫霉菌菌絲生長的抑制效果，結(jié)果表明，丁子香酚可溶液劑的效果較好，其EC50值為

0.085 1 g/mL，而甲霜?霜霉威可濕性粉劑對(duì)辣椒疫霉菌的EC50值為23.845 1 g/mL。萬紅娟等[23]采用不同提取劑提取旋覆花不同部位的有效成分，通過生長速率法、孢子萌發(fā)法及盆栽試驗(yàn)證明，旋覆花的花提取物對(duì)辣椒疫霉菌的抑制作用最佳，其中乙酸乙酯提取物對(duì)菌絲生長抑制率達(dá)100%。

蘇莉[24]在研究大蒜鱗莖粗提物對(duì)辣椒疫霉菌的抑制效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，大蒜鱗莖粗提物濃度與其對(duì)辣椒疫霉菌菌絲生長抑制率及孢子萌發(fā)抑制率成正比，提取物濃度為75 mg/mL時(shí)對(duì)辣椒疫霉菌孢子萌發(fā)的抑制率為100%，當(dāng)濃度增大到150 mg/mL時(shí)能夠完全抑制菌絲生長；離體葉片接種法和苗期防治試驗(yàn)表明，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著濃度的升高，大蒜粗提物對(duì)辣椒疫霉病的防治效果增強(qiáng)，粗提物對(duì)抗病品種的防治效果比感病品種好，但差異不大；大蒜粗提物防效與對(duì)照58%甲霜靈500倍液相當(dāng)或略高。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，大蒜粗提物處理的辣椒疫霉菌菌絲發(fā)生畸變，菌絲短而粗、前端分枝增多、菌絲腫大、原生質(zhì)凝集，并且孢子芽管畸形，芽管不正常地變短，這可能是粗提物抑制辣椒疫霉菌所導(dǎo)致。

4 問題與展望

目前來看拮抗菌是辣椒疫病生物防治技術(shù)的重點(diǎn)研究對(duì)象，并且有部分拮抗菌菌劑已投入生產(chǎn)應(yīng)用，如木霉制劑。劉云龍等[25]在大田施用哈茨木霉制劑發(fā)現(xiàn)，該制劑對(duì)辣椒疫霉菌和尖鐮孢引起的辣椒根腐病有一定防效，并且能夠促進(jìn)辣椒生長，提前開花坐果，產(chǎn)量提高15%左右。但拮抗菌劑的應(yīng)用還存在一些問題：拮抗菌在不同的環(huán)境條件下可能會(huì)產(chǎn)生一定的變異，這種變異是否影響其防效還有待研究；拮抗菌對(duì)土壤中其他微生物是否有影響還不確定，蔣志強(qiáng)等[26]研究認(rèn)為，引入生防微生物對(duì)土壤沒有長期影響，但不同微生物的生理特性不同，因此在生防產(chǎn)品注冊(cè)登錄之前仍然需要對(duì)其做相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

植物源殺菌劑具有無毒、易分解、無殘留等特點(diǎn)，近2 a來，越來越多的研究者已將目光轉(zhuǎn)移至此，有關(guān)其防治小麥、棉花、水稻等作物常見病害的研究較多，也有許多植物源殺蟲劑已投入生產(chǎn)應(yīng)用，如蛇床子素等，但在防治辣椒疫病方面，植物源殺菌劑的研究甚少，并且多數(shù)研究還只是停留在植物粗提物的室內(nèi)防效方面，今后要研究的內(nèi)容還很多，如植物粗提物中起殺菌作用的具體成分，一般來說起殺菌作用的物質(zhì)是植物次生代謝物，如苯丙素類、醌類、黃酮類、單寧類、萜類、甾體及其甙、生物堿等，但不同植物的有效成分不盡相同，對(duì)此應(yīng)進(jìn)行具體研究；植物源殺菌劑的開發(fā)應(yīng)用，在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的同時(shí)應(yīng)該盡可能早地研究其生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程等，盡早將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

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篇8

關(guān)鍵詞：發(fā)酵過程；建模方法；優(yōu)化控制；策略；技術(shù)

1 概述

傳統(tǒng)的發(fā)酵工程過程為了快速提高發(fā)酵生產(chǎn)率與發(fā)酵水平，發(fā)酵過程更側(cè)重于菌種的篩選和改造上。隨著生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基因工程與代謝工程研究領(lǐng)域都出現(xiàn)了長足的進(jìn)步與發(fā)展，利用基因重組與誘發(fā)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)菌株普遍生產(chǎn)。但只有通過發(fā)酵過程的優(yōu)化控制，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量最高、生產(chǎn)力最大、成本消耗最低的生產(chǎn)過程，因此對(duì)微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制成為發(fā)酵工程中研究人員日益關(guān)注的焦點(diǎn)。

微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制可以分為過程模型和控制策略。發(fā)酵過程建模如機(jī)理分析建模、黑箱建模和混合建模近年來都得到了快速的發(fā)展，而優(yōu)化控制策略方面的研究內(nèi)容與成果有：基于線性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制、基于非線性系統(tǒng)理論的優(yōu)化控制以及基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制等。

2 微生物發(fā)酵過程建模

2.1 基于過程機(jī)理分析的建模

發(fā)酵過程機(jī)理分析建模是利用各種生物方程以及基因尺度層面的模型，主要是根據(jù)回歸的方法確定模型參數(shù)。張嗣良等[1]從基因與細(xì)胞特性等方面進(jìn)行了發(fā)酵過程優(yōu)化的研究，對(duì)模型過程與本質(zhì)有了新的認(rèn)識(shí)，并得到發(fā)酵工程的限制條件；研究人員對(duì)畢赤酵母[3]的代謝過程進(jìn)行了研究，建立了相關(guān)結(jié)構(gòu)模型，為描述蛋白質(zhì)生成提供了有效途徑；還有相關(guān)的微生物發(fā)酵過程研究中，對(duì)賴氨酸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模型的建立與數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程仿真。機(jī)理建模僅僅包含了生物量與產(chǎn)物等狀態(tài)變量[2]，但由于發(fā)酵過程的復(fù)雜性，機(jī)理建模不能充分表達(dá)微生物發(fā)酵過程，還具有很大的局限性。

2.2 黑箱建模

黑箱建模是以最小二乘為基礎(chǔ)的回歸辨識(shí)為基礎(chǔ)建立的發(fā)酵過程模型，適應(yīng)性較高。以最小二乘回歸獲取[4]的過程建模，吸納了經(jīng)典控制方法的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)簡單易操作，具有診斷功能。非線性函數(shù)研究廣泛應(yīng)用于過程建模，主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和支持向量機(jī)技術(shù)（SVM）。

2.2.1 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建模

ANN技術(shù)基于風(fēng)險(xiǎn)最小化研究被引入發(fā)酵過程，廣泛應(yīng)用于發(fā)酵過程建模。ANN在線校正能力強(qiáng)、適用于多變量非線性問題的處理。L-色氨酸的發(fā)酵過程建模中，用標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法[5]模擬菌體的發(fā)酵產(chǎn)酸，但需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，因此改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是提高ANN建模質(zhì)量的有效途徑。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與BP網(wǎng)絡(luò)相比，可以達(dá)到最佳建模精度。自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、級(jí)聯(lián)再生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法也成功用于發(fā)酵過程建模。利用優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)優(yōu)化，避免網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法反饋慢，局限性小的缺點(diǎn)。

2.2.2 基于支持向量機(jī)技術(shù)的建模

SVM方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化，有效地解決了非線性以及局部極小等問題。研究機(jī)構(gòu)對(duì)SVM方法的應(yīng)用越來越普及，SVM方法也廣泛應(yīng)用于圖像處[6]和生物學(xué)等方面。SVM方法相比ANN方法對(duì)發(fā)酵過程的預(yù)測相對(duì)誤差降低，因此SVM具有穩(wěn)定性與安全性。張本法等對(duì)青霉素發(fā)酵過程進(jìn)行基于SVM的建模，保證了建模的精度，還很大程度地節(jié)約了時(shí)間。SVM對(duì)樣本沒有較高的依賴性，它由向量決定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使模型結(jié)構(gòu)更加簡單。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的黑箱建模方法很容易受數(shù)據(jù)量和建模原理的影響，對(duì)于復(fù)雜的發(fā)酵過程在模型表達(dá)能力上有很大的制約。黑箱建模方法對(duì)于物理過程方程不夠重視，導(dǎo)致其不能表達(dá)發(fā)酵過程的物理意義。

2.3 混合建模

近年來，基于辨識(shí)方法估計(jì)參數(shù)的混合模型得到了發(fā)展，將機(jī)理建模與ANN建模結(jié)合起來，利用算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的修正與簡化，很大程度提高了模型精度。實(shí)驗(yàn)表明，混合模型比黑箱模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測性能更好，也具有更高的泛化能力，但混合建模屬于機(jī)理參數(shù)模型，描述發(fā)酵過程的功能仍不夠完善。

3 微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制策略

3.1 基于線性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制

基于“極大值原理”經(jīng)典的優(yōu)化控制方法在早期發(fā)酵過程優(yōu)化控制中應(yīng)用較為廣泛。在發(fā)酵過程狀態(tài)空間描述中利用極大值原理以及迭代法可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵的最優(yōu)實(shí)施效果。極大值原理方法適用于比較復(fù)雜的發(fā)酵過程控制對(duì)象，但極大值原理只能得到開環(huán)控制，當(dāng)發(fā)酵過程中的計(jì)算量較大時(shí)，僅能對(duì)少數(shù)過程制定出優(yōu)化曲線，忽視了環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的干擾。相關(guān)研究人員后來將極大值原方法融入理變量方法，得到最佳的變量優(yōu)化曲線，控制效果較好，但是還沒有達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)精度與簡便性；發(fā)酵過程的建模質(zhì)量對(duì)經(jīng)典優(yōu)化控制的發(fā)展產(chǎn)生了很大程度的影響。

3.2 基于非線性系統(tǒng)理論的優(yōu)化控制

20世紀(jì)60年代微分幾何方法的提出使非線性系統(tǒng)理論的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段，基于非線性優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性，它在發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛與普及。相關(guān)研究人員建立了非線性發(fā)酵空間模型，利用微分方法設(shè)計(jì)出來的控制器在發(fā)酵過程中展現(xiàn)出優(yōu)良的控制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，對(duì)控制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了發(fā)酵控制過程的動(dòng)態(tài)性。但數(shù)學(xué)幾何方法對(duì)系統(tǒng)的精度要求較高，由于發(fā)酵過程的復(fù)雜性，該方法不利于保證發(fā)酵控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制

利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)結(jié)合人工智能理論對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化控制成為近幾年的發(fā)酵過程研究的熱點(diǎn)，人工智能技術(shù)能突破很多復(fù)雜的系統(tǒng)問題，主要包括專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。利用智能方法對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化控制，在研究與仿真中呈現(xiàn)出優(yōu)良的效果。研究人員建立了基于乙醇生產(chǎn)的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了乙醇發(fā)酵過程的發(fā)酵單元的檢測，系統(tǒng)的誤差非常小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了提高。但智能控制方法在模擬活動(dòng)時(shí)仍存在局限性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的確定具有不可控性，因此智能方法交叉成為目前急需研究的發(fā)酵控制的技術(shù)問題。

4 結(jié)束語

發(fā)酵過程機(jī)理較為復(fù)雜，由于沒有對(duì)發(fā)酵過程的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，“黑箱”模型不能很好的描述及表達(dá)整個(gè)發(fā)酵過程，利用辨識(shí)方法對(duì)參數(shù)的估計(jì)也沒有起到全面描述的作用；單目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)酵過程優(yōu)化控制也無法滿足發(fā)酵過程最優(yōu)化。我們應(yīng)充分考慮模型辨識(shí)，利用智能理論完善各種機(jī)理的混合模型，研究出多目標(biāo)動(dòng)態(tài)性的優(yōu)化策略，真正解決微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制。

參考文獻(xiàn)

[1]張嗣良.發(fā)酵過程多水平問題及其生物反應(yīng)器裝置技術(shù)研究――基于過程參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2001，8（3）：37-44.

[2]張學(xué)工.關(guān)于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論與支持向量機(jī)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26（1）：32-42.

[3]周海英，袁景淇，鄧建慧，等.重組畢氏酵母發(fā)酵過程的結(jié)構(gòu)模型[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（10）：1443-1447.

篇9

關(guān)鍵詞：杜鵑花屬；木藜蘆烷型二萜；黃酮；化學(xué)成分；生物活性

中圖分類號(hào)：R284

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007―2349(2008)05―0051―03

杜鵑花科(Ericaceae)植物在全世界約有70屬，分布廣泛，主要分布在亞熱帶地區(qū)；我國有20屬，約800余種，分布于全國，以西南地區(qū)最多。其中杜鵑花屬(Rhododendron)是杜鵑花科中最大的一個(gè)屬，全世界約960種，我國約542種(不包括種下等級(jí))，除新疆、寧夏外，各地均有分布，但80％以上的種類集中分布在東南、云南西北、四川西南，是世界杜鵑花屬植物的主要分布中心。

杜鵑花屬植物或具有較高的欣賞價(jià)值，或有很高的藥用價(jià)值，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景，已引起國內(nèi)外的重視。杜鵑花屬植物主要含有木藜蘆型及其相關(guān)的二萜，此外還含有黃酮、三萜及其苷、酚類、鞣質(zhì)、揮發(fā)油等多種化學(xué)物質(zhì)，許多成分有藥用價(jià)值，有止咳、祛痰、平喘、降壓、降膽固醇、利尿、抗菌等多方面的用途，還可用于治療心血管病和風(fēng)濕等。

杜鵑花科植物的毒性早就引起了人們的注意，明代的《本草綱目》記載了羊躑躅(又名黃杜鵑)(R.moll G.Don)的毒性：“花、根、葉有大毒。羊食其葉，躑躅而死，曾有人以其根入酒飲，遂至于斃也?！苯?jīng)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)杜鵑花科植物的研究，在上世紀(jì)80年代就確定了該科植物的有毒成分主要為木藜蘆烷類二萜。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)杜鵑花屬藥用植物的化學(xué)成分及生物活性進(jìn)行了一系列的研究，取得了一定的進(jìn)展，本文擬對(duì)此進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步開發(fā)利用杜鵑花屬植物資源提供一定的依據(jù)。

1、化學(xué)成分

1.1二萜類化合物　從杜鵑花屬植物中分離得到的二萜化合物根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可分為4種骨架類型：木藜蘆烷型，leueothane，1，5一開環(huán)一木藜蘆烷型和山月桂烷型。木藜蘆烷型二萜為多羥基四環(huán)二萜，擁有較為特異的A環(huán)縮環(huán)B環(huán)擴(kuò)環(huán)的對(duì)映貝殼杉烷類骨架，是由C5―C7―C6―C5四環(huán)駢合而成，大部分的此類二萜環(huán)的連接方式為trans/eis/cis(H-1處于a位，A，B環(huán)反式稠合)，少量的連接方式為eis/cis/cis(A，B環(huán)順式稠合)；由木藜蘆烷型二萜為基本骨架變化而來的leucothane為多羥基四環(huán)二萜，擁有A環(huán)擴(kuò)環(huán)，B環(huán)縮環(huán)的木藜蘆烷型骨架(A-homo-B-nor granyanane skeleton，6/6/6/5ring system)；1，5一開環(huán)一木藜蘆烷型二萜為多羥基三環(huán)二萜，擁有1，5開環(huán)的十元環(huán)的木藜蘆烷型骨架(10/6/5 ringsystem)；山月桂烷型二萜為多羥基四環(huán)二萜，擁有B環(huán)擴(kuò)環(huán)，C環(huán)縮環(huán)的木藜蘆烷型骨架(5/8/5/5 ring system)[4]。

到目前為止，從杜鵑花屬植物中分離得到41個(gè)木藜蘆烷型及相關(guān)二萜類化合物，見表1。

1.2其他類化合物　杜鵑花屬植物中除含有二萜類化合物外，還含有黃酮，三萜，酚類及揮發(fā)油等多種物質(zhì)。E.CHosson等從銹色杜鵑(R.ferrugineum)中分離得到兩個(gè)新的黃烷酮醇trans-taxifolin 3-O-a-arabinopyranoside和cis-taxifolin 3-O-ar―abinopyran-oside；Hironobu Talahashi等從杜鵑(R.simsii)中分離得到一個(gè)新的黃烷苷7-0-β-D-apiofuranosyl-(16)-β-D-glucopyranosyl matteucinol。戴勝軍等從烈香杜鵑(R anthopogonoide)的地上部分分離得到了一個(gè)新的化合物(2R-4-phenyl-2-0-[β-D-xylopyranosyl(16)-β-D-glucopyr-anosy]Butane)；Hironobu Talahashi等從杜鵑中分離得到一新的三萜酸(19，24-dihydroxyurs-12-em3-one-28-oicacid)；汪禮權(quán)等從羊躑躅的根中分離得到2個(gè)新的酚苷(ester-2-0-β-D-xylopyranosyl-(16)-β-D-glucopyranoside和7-hydroxy-5-methoxyphthaide-7-β-xylopyranosyl-(16)-β-D-glucopyranoside)；樊成奇等從鹿角杜鵑(R.1atoucheae)的葉中分離得到2個(gè)新的環(huán)烯醚萜rhodolatouside A and B；Li-Kang Ho等從西施花(R.ellipticum)的葉中分離得到一個(gè)新的櫟基苷(5，4'-dimethyleher)；Yoshiki Kashiwada等從興安杜鵑(R.dauricum)中分離得到2個(gè)新的化合物rhodoau―richromanic A和B，具有潛在的抗HIV病毒活性。

2、生物活性

2.1降壓作用　從羊躑躅果實(shí)中分離得到的鬧羊花毒素Ⅲ能夠降低血壓。減慢心率；且降壓速度快，降壓幅度大；其降壓效果與給藥劑量、給藥速度有關(guān)。從大白花杜鵑(R.decrum)葉中分離得到的木藜蘆毒素Ⅰ，對(duì)小鼠腹腔注射急性毒性，其LD50為1.05mg/kg。對(duì)大鼠給予1～100μg/kg劑量時(shí)有明顯降壓作用，其特點(diǎn)是作用快，給藥后1～2min血壓降到最低值，但持續(xù)時(shí)間短，一般15min后恢復(fù)正常。

2.2殺蟲作用　杜鵑花科植物中，作為殺蟲劑而應(yīng)用最廣，研究最早，最詳?shù)氖茄蜍U躅，羊躑躅作為我國傳統(tǒng)高效的特有的殺蟲植物，在我國民間很早就有使用。早在上世紀(jì)三十年代，研究人員就發(fā)現(xiàn)，羊躑躅的殺蟲毒力僅次于除蟲菊，對(duì)蚜蟲的毒力僅次于煙堿。直到上世紀(jì)80年代，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙善歡院士帶領(lǐng)科研人員率先在國內(nèi)外重新系統(tǒng)深入研究羊躑躅的殺蟲作用，先后發(fā)現(xiàn)羊躑躅提取物和及其主要活性成分鬧羊花毒素Ⅲ對(duì)馬鈴薯甲蟲、菜粉蝶、小菜蛾、家蠅、蚜蟲等重要害蟲具有突出的生物活性，且作用方式多樣，包括拒食、胃毒、觸殺、生長發(fā)育抑制、種群增長抑制、產(chǎn)卵忌避、內(nèi)吸、熏蒸等多種方式，有望開發(fā)成為一種新型高效生物合理性殺蟲劑。

2.3鎮(zhèn)痛作用　宋小平等研究發(fā)現(xiàn)杜鵑花總黃酮(TFR)在濃度為100和200mg/kg可明顯延長小鼠熱板舔足反應(yīng)潛伏期及小鼠熱水縮尾時(shí)間，且明顯抑制小鼠福爾馬林試驗(yàn)I相反應(yīng)；TFR在50和100mg/kg時(shí)可明顯抑制小鼠扭體反應(yīng)數(shù)；100mg/kg TFR能升高小鼠血清中NO的含量，200mg/kg

TFR能升高腦組織中NO的含量。TFR可明顯降低小鼠腦組織PGE2含量，100mg/kg可降低血清中PGE2含量。試驗(yàn)表明杜鵑花總黃酮有明顯的鎮(zhèn)痛作用，且對(duì)平滑肌的解痙作用明顯，TFR不僅對(duì)一般炎癥疼痛有效，而且更適合于內(nèi)臟平滑肌的疼痛。其鎮(zhèn)痛作用機(jī)制與中樞作用有關(guān)，且與促進(jìn)NO釋放及抑制PGEz合成有關(guān)。宋小平等還研究發(fā)現(xiàn)灌胃(ig)杜鵑總黃酮(TFR)在濃度為100和200mg/kg可明顯抑制小鼠扭體反應(yīng)數(shù)及小鼠福爾馬林實(shí)驗(yàn)Ⅱ相反應(yīng)，灌胃100mg/kg可延長小鼠熱水縮尾時(shí)間，灌胃200mg/kg可延長小鼠熱板舔足反應(yīng)潛伏期。小鼠腦室內(nèi)注射(icv)TFR(5、10mg/kg)可明顯抑制小鼠扭體反應(yīng)數(shù)。其鎮(zhèn)痛作用機(jī)制與中樞作用相關(guān)。

篇10

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)服務(wù)；生產(chǎn)業(yè)；專業(yè)化；價(jià)值鏈；紐帶效應(yīng)

中圖分類號(hào)：F062.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-2589（2017）05-0093-02

2014年7月國務(wù)院《國務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展生產(chǎn)業(yè)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)的指導(dǎo)意見》，圈定現(xiàn)階段中國生產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)行業(yè)為研發(fā)設(shè)計(jì)、第三方物流、融資租賃、信息技術(shù)服務(wù)、節(jié)能環(huán)保服務(wù)、檢驗(yàn)檢測認(rèn)證、電子商務(wù)、商務(wù)咨詢、服務(wù)外包、售后服務(wù)、人力資源服務(wù)和品牌建設(shè)；之后，上海市也確定了將總集成總承包服務(wù)、研發(fā)設(shè)計(jì)服務(wù)、供應(yīng)鏈管理服務(wù)、金融專業(yè)服務(wù)、專業(yè)維修服務(wù)、節(jié)能環(huán)保服務(wù)、電子商務(wù)及信息化服務(wù)、檢驗(yàn)檢測服務(wù)、專業(yè)中介服務(wù)和培訓(xùn)教育服務(wù)確定為生產(chǎn)業(yè)十大重點(diǎn)領(lǐng)域；江蘇省確定了生產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的“六大六小”，“六大”為科技服務(wù)、信息技術(shù)服務(wù)、金融服務(wù)、現(xiàn)代物流、商務(wù)服務(wù)、服務(wù)外包；“六小”為電子商務(wù)、節(jié)能環(huán)保服務(wù)、檢驗(yàn)檢測、售后服務(wù)、人力資源服務(wù)、品牌和標(biāo)準(zhǔn)化6個(gè)服務(wù)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域和行業(yè)，以及各培育領(lǐng)軍企業(yè)8家左右。盡管各地區(qū)、各區(qū)域?qū)ιa(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)行業(yè)圈定不同，但信息技術(shù)服務(wù)以及電子商務(wù)及信息化服務(wù)始終作為我國及各省市的生產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

一、有關(guān)研究綜述

首先，針對(duì)信息技g服務(wù)在生產(chǎn)業(yè)中的作用，專家給出了肯定的發(fā)展思路。如鄭蔚提出要緊緊把握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要時(shí)機(jī)，順應(yīng)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化發(fā)展的趨勢(shì)，支持引導(dǎo)傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，加強(qiáng)先進(jìn)制造業(yè)和生產(chǎn)業(yè)的互動(dòng)互融，構(gòu)建雙輪驅(qū)動(dòng)的制度環(huán)境和創(chuàng)新氛圍。張明新對(duì)服務(wù)過程研究中，發(fā)現(xiàn)信息服務(wù)的互動(dòng)效應(yīng)對(duì)于服務(wù)的實(shí)體過程到方式過程的轉(zhuǎn)化具有決定性作用。美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家富克斯把全球經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)性變化稱為“服務(wù)經(jīng)濟(jì)”，伴隨著信息革命和技術(shù)發(fā)展，服務(wù)經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)。張蔭芬研究得出在工業(yè)化水平的后期，對(duì)信息技術(shù)的依賴將會(huì)越來越強(qiáng)，從高度依賴發(fā)展到與生俱來型。于洪深認(rèn)為生產(chǎn)業(yè)滿足的是商品和服務(wù)的生產(chǎn)者對(duì)服務(wù)的中間使用需求，是一種服務(wù)形式的生產(chǎn)資料性產(chǎn)業(yè)。王小波認(rèn)為生產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)的融合發(fā)展盡管可以表現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)互動(dòng)和空間協(xié)同，但其核心內(nèi)涵仍然在于價(jià)值鏈環(huán)節(jié)的融合發(fā)展，生產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)的融合發(fā)展可以通過價(jià)值鏈的分解與整合來實(shí)現(xiàn)。再者，有很多專家從供應(yīng)鏈整體視角研究生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。蔣琴兒在產(chǎn)品的附加價(jià)值鏈中，從研究開發(fā)、設(shè)計(jì)到組裝、加工、制造再到銷售、物流等各項(xiàng)活動(dòng)，其附加價(jià)值曲線形成了兩頭高中間低的“微笑曲線”，制造業(yè)只有選擇高附加值的兩端，即生產(chǎn)業(yè)發(fā)展，才能獲取較高的利潤，創(chuàng)造持久的競爭優(yōu)勢(shì)。陶紀(jì)明提出生產(chǎn)業(yè)在創(chuàng)新模式和創(chuàng)新產(chǎn)品的市場檢驗(yàn)方面與制造業(yè)都有顯著不同，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新功能，這類服務(wù)業(yè)逐漸演化出一套高效率的組織模式，表現(xiàn)為彈性化、網(wǎng)絡(luò)化和扁平化的明顯特征。因此，生產(chǎn)業(yè)對(duì)政府行政管理體制具有特殊要求?？梢姡m然生產(chǎn)業(yè)的研究較為廣泛，但大多從生產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展以及生產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)融合的協(xié)同發(fā)展視角進(jìn)行研究，將信息技術(shù)服務(wù)作為“領(lǐng)頭羊”推進(jìn)生產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究和創(chuàng)新還不多見。

二、信息技術(shù)服務(wù)在生產(chǎn)業(yè)中的推進(jìn)作用

（一）信息技術(shù)服務(wù)對(duì)生產(chǎn)業(yè)專業(yè)化發(fā)展的促進(jìn)作用

生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅是外部化的結(jié)果，也是分工深化的結(jié)果。在信息化服務(wù)初期，主要體現(xiàn)為研發(fā)信息化、管理信息化，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及，信息化的分工數(shù)量和質(zhì)量都不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致對(duì)信息的應(yīng)用層面、傳輸層面、基礎(chǔ)形成層面的開發(fā)不斷增加，信息服務(wù)已遍及企業(yè)、社會(huì)及生活的各個(gè)角落。在專業(yè)化為前提的背景下，技術(shù)化為保證、信息化為手段的全過程精細(xì)化管理模式正在展開，生產(chǎn)組織和運(yùn)營方式以及管理模式都在創(chuàng)新，個(gè)性化和不斷創(chuàng)新的市場需求使信息化需求越來越高。同時(shí)，生產(chǎn)精益化管理和動(dòng)態(tài)需求以及復(fù)雜的市場變化，對(duì)信息的專業(yè)化發(fā)展提出了更高的要求。信息技術(shù)服務(wù)的新產(chǎn)品、新服務(wù)、新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)，激發(fā)新的消費(fèi)需求。

信息消費(fèi)已促成經(jīng)濟(jì)社會(huì)新發(fā)展并成為內(nèi)需驅(qū)動(dòng)的有力抓手，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的快速增長。同時(shí)，伴隨全球的自動(dòng)化浪潮興起以及工業(yè)4.0，信息技術(shù)服務(wù)的發(fā)展和需求已勢(shì)不可擋，并形成多種樣式的分工和合作模塊。圖1中的各模塊廣泛應(yīng)用在政府、企業(yè)、社會(huì)、教育、家庭、個(gè)人等多方面，并隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，分工持續(xù)深化。

（二）信息技術(shù)服務(wù)紐帶效應(yīng)的發(fā)揮作用