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探究固定化微生物技術(shù):探究固定化微生物技術(shù)
【摘要】固定化微生物技術(shù)是是應(yīng)用于環(huán)境處理的一項新技術(shù)，本文通過總結(jié)專家學(xué)者的研究概述了固定化微生物技術(shù)的載體種類及固定化小球的制備方法。
【關(guān)鍵字】固定化微生物技術(shù)；載體材料；制備方法
固化微生物技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一項現(xiàn)代生物、環(huán)境等領(lǐng)域中的新興技術(shù)。該技術(shù)是運(yùn)用物理或者化學(xué)等方法，將游離的細(xì)胞或酶與固態(tài)的非溶性載體相結(jié)合，將其限制于有限的空間區(qū)域內(nèi)，使其不溶于水但保持活性，并可反復(fù)和連續(xù)的使用。它主要包括固定化酶技術(shù)和固定化微生物技術(shù)。
固定化微生物技術(shù)與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，存在著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：（1）生產(chǎn)工藝連續(xù)化和自動化；（2）污泥產(chǎn)量少，減輕了后期處理污泥的負(fù)擔(dān)，降低工程投資成本和造價；（3）生物密度高，有利于降解有毒有害物質(zhì)；（4）耐受能力強(qiáng)且易于回收再利用，大多數(shù)載體材料市場價格低廉；（5）固液分離效果好，可純化和保持高效菌種；（6）不會造成環(huán)境二次污染；（7）微生物被固定后，細(xì)胞內(nèi)相當(dāng)于一個反應(yīng)器，酶系保存完整。
1 固定化載體材料
1.1 固定化材料的性能要求
固定化小球載體材料的選擇是固定化微生物技術(shù)中的關(guān)鍵步驟之一。其要求成本低廉、易于制成各種形狀、抗沖擊能力強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定、對固定的微生物無毒、在常溫下固化快、傳質(zhì)性能好、壽命長、小球的基質(zhì)具有通透性，單位體積的載體固定的微生物的數(shù)量多等。
1.2 固定化材料的種類
固定化材質(zhì)分為三大類：（1）有機(jī)高分子載體，分為天然高分子載體材料和合成有機(jī)高分子載體材料。其中天然高分子載體材料包括瓊脂、角又萊膠、海藻酸鈉、無煙煤、卡拉膠、海藻酸鈣、葡萄糖、纖維素、明膠、膠原蛋白等，合成有機(jī)高分子載體材料包括離子交換樹脂、塑料、聚丙烯酰銨、聚乙烯醇、光硬化樹脂、聚丙烯酸凝膠等。天然高分子材料具有無毒性、傳質(zhì)性好、固定化微生物密度高等特點(diǎn)，但是其強(qiáng)度低、抗微生物分解能力較差?？梢酝ㄟ^交聯(lián)劑對其進(jìn)行穩(wěn)定化處理。而有機(jī)高分子材料抗微生物分解性能好、強(qiáng)度高、性質(zhì)穩(wěn)定、對微生物無毒且價格低廉，因而具有很高的利用價值。但其載體聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成條件比較劇烈，對微生物活性有較大影響。（2）無機(jī)載體材料，包括多孔陶珠、紅磚碎粒、砂粒、活性炭、玻璃、硅藻土等，無機(jī)載體材料具有對微生物無毒，耐酸耐堿，壽命長，機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。（3）復(fù)合載體材料，是將無機(jī)載體與有機(jī)載體材料相結(jié)合，以改進(jìn)材料的性能。例如Lin等[1]利用海藻酸鈣凝膠聯(lián)合包埋固定黃孢原毛平革菌和粉沫活性炭，用于降解五氯酚（PCP）。實(shí)驗表明：復(fù)合固定化體系比單獨(dú)固定化體系更加有效地降解PCP，突出了出復(fù)合載體材料的優(yōu)越性。
1.3 比較固定材料性能的實(shí)驗
熊振胡等人[2]采用包埋法分別以海藻酸鈉和PVA作為固定化蛋白核小藻菌微生物的載體，將制成的小球用于城市污水的脫氮除磷試驗中，實(shí)驗表明PVA作為城市污水脫氮除磷的固定化載體更為適合。
楊雪梅，張?zhí)m英等[3]選用硅膠、活性炭、大孔樹脂三種載體，采用物理吸附法固定蛋白酶，三種固定小球分別對含高濃度蛋白質(zhì)的淀粉黃漿廢水進(jìn)行水解實(shí)驗。結(jié)果表明，活性炭對蛋白酶的固定率可達(dá)到61 .95 %，大孔樹脂37 .85 % ，硅膠20 .31 %。所以活性炭對蛋白酶的固定效果好。
2 固定化有機(jī)載體的制備方法
2.1 吸附法
吸附法是應(yīng)用物理吸附或離子吸附將細(xì)胞固定在載體表面或內(nèi)部，制成非水溶性小球。此方法操作簡單，對細(xì)胞的活性影響較小，但該法固定的微生物量一定，重復(fù)性和穩(wěn)定性較差，同時載體與微生物的結(jié)合強(qiáng)度也不夠牢固，容易脫落。往往需要引入親水和疏水配位體制成載體衍生物。
2.2 包埋法
包埋法是通過沉淀作用、離子網(wǎng)絡(luò)作用、聚合作用或者改變溫度、PH、溶劑使細(xì)胞截留在不溶于水的多聚體化合物網(wǎng)絡(luò)空間中。同時也可保障底物的滲入和產(chǎn)物的滲出。包埋法可分為沉淀包埋法、離子網(wǎng)絡(luò)包埋法、高分子合成包埋法。該方法操作簡單，固定的微生物活性高，制成的小球強(qiáng)度高。此法已在多種廢水中做過實(shí)驗研究[4-5]。
2.3 交聯(lián)法
交聯(lián)法是使用雙功能或多功能的基團(tuán)與細(xì)胞進(jìn)行分子間進(jìn)行交聯(lián)，連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此法細(xì)胞間的結(jié)合強(qiáng)度高，物理和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，但是在交聯(lián)過程中酶的中心構(gòu)造可能受到影響，且交聯(lián)劑的價格昂貴，故不常用。
2.4 共價結(jié)合法
共價結(jié)合法是利用固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)與細(xì)胞表面功能團(tuán)形成共價化學(xué)鍵，形成固定化微生物[6]。
2.5 聚集-交聯(lián)法
聚凝劑直接與細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)形成聚集體，再加入一定量的交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)，使彼此聯(lián)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此方法微生物濃度高，處理效果較好[6]。
2.6 無載體固定法
在形成微生物適宜的生存環(huán)境的過程中，絮凝顆粒形成，有利于微生物之間信息的的傳遞[7]，從而利用微生物之間的代謝協(xié)調(diào)作用來實(shí)現(xiàn)固定。該方法是一種新概念，與其他固定化方法比較，具有操作簡單，擴(kuò)散阻力小，傳質(zhì)效果好，固定過程中對細(xì)胞顆粒的整體活性影響較小等優(yōu)勢。將在污水處理中得到廣泛的應(yīng)用[8]。
以上各種制備固定化微生物的方法都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，目前根據(jù)實(shí)際的情況包埋與吸附法應(yīng)用的最為廣泛，研究的也最多。固定化有機(jī)載體的制備主要采用包埋法。交聯(lián)法由于自身的原因沒有推廣，有待開發(fā)廉價的交聯(lián)劑。聚合-交聯(lián)法較其他單一固定化方法有巨大的潛力與優(yōu)勢，必將在今后的環(huán)境保護(hù)中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。無載體固定法因方法簡單在污水領(lǐng)域有一定的應(yīng)用。
3 對固定化微生物技術(shù)的展望
近年來，固定化微生物技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢引起了人們普遍的關(guān)注。但將其從實(shí)驗室走向?qū)嶋H的廢水處理中還存在一定的難度，還有許多問題需要解決，主要有以下5個方面：（1）固定化微生物技術(shù)篩選的為單一的優(yōu)勢菌種，具有專一性，但生活中的廢水是一個復(fù)雜的體系，單一的固定化微生物小球可能無法解決實(shí)際問題；（2）目前載體的成本較高、使用壽命短；（3）固定化載體內(nèi)微生物的濃度無法測定，缺乏控制的動力學(xué)處理法及運(yùn)行管理方式；（4）對無機(jī)材料與復(fù)合材料研究不夠，主要集中在有機(jī)方面；（5）反應(yīng)器的設(shè)計不合理導(dǎo)致的運(yùn)行管理費(fèi)用高。但是隨著專家學(xué)者對此項技術(shù)的不斷深入的研究，此上的各類問題將一一解決，固定化微生物技術(shù)必將在廢水、廢氣、礦物、土壤中發(fā)揮越來越重要的作用。
探究固定化微生物技術(shù):醫(yī)學(xué)院校生物技術(shù)專業(yè)本科生微生物學(xué)教學(xué)改革初探
[摘要] 醫(yī)學(xué)院校生物技術(shù)專業(yè)如何逐漸擺脫原有的以病原微生物為中心的醫(yī)學(xué)微生物教學(xué)模式束縛，應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容、方法和手段等方面進(jìn)行教學(xué)改革，利用醫(yī)學(xué)院校的特有資源建立特色鮮明的普通微生物學(xué)教學(xué)新模式，努力探索出一套科學(xué)、合理的微生物學(xué)教學(xué)體系對培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)及市場發(fā)展需要的生物技術(shù)創(chuàng)新人才，具有重要意義。
[關(guān)鍵詞] 微生物學(xué)；教學(xué)改革；生物技術(shù)；醫(yī)學(xué)院校
21世紀(jì)是生命科學(xué)世紀(jì)，微生物學(xué)作為生命科學(xué)的重要學(xué)科之一，具有廣度的多交叉融合性和深度的多層次進(jìn)展性，因而起著生長點(diǎn)的作用，成為溝通臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的橋梁學(xué)科。如何圍繞微生物學(xué)知識體系的特點(diǎn)有效地提高其教學(xué)質(zhì)量，充實(shí)和完善學(xué)生對這一學(xué)科的知識積累，使踏入生物學(xué)大門的學(xué)生對微生物有一個較整體和廣泛的了解，初步掌握涉及微生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布、分類進(jìn)化等方面的知識，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下較為廣泛的知識基礎(chǔ)和開闊的視野，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，成為微生物學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵。
1 把握微生物學(xué)知識特點(diǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量
大連醫(yī)科大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)以培養(yǎng)具有廣博而堅實(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)知識，掌握細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、基因工程、酶工程基本理論、基本技能和工藝技術(shù)過程，受到現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)用開發(fā)研究的初步訓(xùn)練，具有良好的科學(xué)素質(zhì)和一定的創(chuàng)新能力，能在生物技術(shù)領(lǐng)域從事產(chǎn)業(yè)化工程設(shè)計、生產(chǎn)、管理和新技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)，以生物醫(yī)學(xué)見長的高級生物技術(shù)專業(yè)應(yīng)用型人才作為培養(yǎng)目標(biāo)?；诖碎_展了如下工作：
1.1 教材的選擇
教材是教學(xué)的藍(lán)本、重要載體和溝通橋梁，是學(xué)生在學(xué)校獲得系統(tǒng)知識，進(jìn)行學(xué)習(xí)的主要材料，也是教師進(jìn)行教學(xué)的主要依據(jù)。一本的教材除了能夠系統(tǒng)闡述本學(xué)科的基本知識、基本理論和基本技能，幫助學(xué)生形成完整的知識體系外，還是學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容感興趣，產(chǎn)生主動學(xué)習(xí)愿望，主動探索、合作交流的重要前提。面對龐大的微生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容及有限的學(xué)時，選擇一本內(nèi)容精煉、重點(diǎn)突出、脈絡(luò)清晰的教材具有重要的意義。通過專家充分討論，廣泛征求師生意見及參考相關(guān)院校的教學(xué)經(jīng)驗，最終確定了適合大連醫(yī)科大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)的微生物學(xué)教材，即全國教材——周德慶先生主編的《微生物學(xué)教程》（第2版）為基本教材，代替原來的《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》，該教材作為普通微生物基礎(chǔ)課教材，按照初學(xué)者的認(rèn)知規(guī)律構(gòu)建了一個牢固的“知識網(wǎng)絡(luò)”，有助于學(xué)生掌握微生物學(xué)的基本理論和基礎(chǔ)知識，了解學(xué)科的發(fā)展、熱點(diǎn)和問題，為今后的學(xué)習(xí)及工作實(shí)踐打下深厚基礎(chǔ)[1-2]。同時，推薦沈萍教授主編的《微生物學(xué)》作為參考書，鼓勵學(xué)生參閱一些國外生命科學(xué)教學(xué)用書，如Talaro等編撰的《Foundations in microbiology》、Lansing等編撰的《Microbiology》等，使學(xué)生廣泛的汲取相關(guān)專業(yè)知識，同時還可進(jìn)一步提高專業(yè)外語水平。
1.2 突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，擴(kuò)大知識面
微生物學(xué)以微觀世界生物為研究對象，由于微生物種類繁多、形態(tài)微小、肉眼看不見，不易形成感性認(rèn)識，而且微生物學(xué)理論具有相對獨(dú)立性，名詞概念新穎繁多，內(nèi)容相對抽象，這就決定了微生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容多且散亂，很多學(xué)生初次接觸這門知識反映“聽得懂、理不清、記不住”，學(xué)習(xí)有困難。因此，如何在學(xué)時少、內(nèi)容多的情況下，使學(xué)生既弄懂教學(xué)重點(diǎn)，又提高學(xué)習(xí)興趣，是提高微生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。為此，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用十分重要[3]。實(shí)際教學(xué)過程中，教師主要向?qū)W生介紹要點(diǎn)和難點(diǎn)，特別要把涉及的名詞概念講述清楚，并在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生閱讀教材內(nèi)容，例如課上重點(diǎn)介紹革蘭陽性菌和陰性菌的結(jié)果特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，由學(xué)生課后自己進(jìn)行比較總結(jié)，熟悉染色的過程，進(jìn)而得出不同的染色結(jié)果產(chǎn)生的基礎(chǔ)，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，創(chuàng)造獨(dú)立思考的空間，提高課堂吸收率，提高學(xué)習(xí)興趣。另外對于本科生，遵循注重知識點(diǎn)內(nèi)涵的詮釋，也注重其外延拓展的原則，使學(xué)生既獲得現(xiàn)有教材知識，又開闊眼界，重點(diǎn)介紹成熟的為大家所公認(rèn)的近期理論、技術(shù)，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生對微生物學(xué)的興趣，擴(kuò)展知識面。
1.3 注重知識的整體性，構(gòu)建認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)
微生物學(xué)的特點(diǎn)之一是整個知識結(jié)架構(gòu)的緊湊性，各章節(jié)間高度關(guān)聯(lián)，構(gòu)成一個完整的知識體系。因此，在學(xué)生掌握基本概念、理論等抽象知識的基礎(chǔ)上，圍繞主線，展開橫向、縱向知識網(wǎng)，分析各部分知識在整個體系中的地位與作用，將會清晰呈現(xiàn)知識脈絡(luò)。例如“微生物的生長及其控制”一章，首先與學(xué)生共同從微生物的種類和特點(diǎn)、微生物的營養(yǎng)和培養(yǎng)基、微生物的營養(yǎng)類型、培養(yǎng)基的設(shè)計原則和方法、微生物的新陳代謝等不同層次和水平加以分析和認(rèn)識，才能使學(xué)生對微生物的生長及其控制有正確的認(rèn)識和理解。既有利于掌握重點(diǎn)、理解難點(diǎn)，強(qiáng)化對基本理論的系統(tǒng)、認(rèn)識，又有益于啟發(fā)學(xué)生思維，指導(dǎo)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析綜合的邏輯性、多維性、獨(dú)創(chuàng)性思維和判斷能力[4]。
2 重視實(shí)驗教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量
微生物學(xué)是理論與實(shí)驗并重的一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，通過實(shí)驗課的訓(xùn)練，使學(xué)生獲得細(xì)菌等微生物的感性認(rèn)識，建立無菌觀念，掌握微生物實(shí)驗的基本操作技能，有利于鞏固微生物學(xué)理論課的內(nèi)容，并能靈活運(yùn)用所學(xué)知識指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。因此，我教研室緊扣專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對實(shí)驗內(nèi)容和體系進(jìn)行了優(yōu)化，既保留了微生物實(shí)驗中傳統(tǒng)的革蘭染色等內(nèi)容，又側(cè)重開設(shè)綜合性實(shí)驗，減少驗證性實(shí)驗；改善實(shí)驗安排，使分散的實(shí)驗有機(jī)地組合起來成為系列實(shí)驗，老師在每堂課前和課后都對實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)、分析和下次實(shí)驗布置。例如對糞便標(biāo)本進(jìn)行病原學(xué)鑒定，實(shí)驗包括培養(yǎng)基的制備和無菌操作，又涉及細(xì)菌形態(tài)學(xué)觀察、血清學(xué)實(shí)驗及生化鑒定等內(nèi)容，各個實(shí)驗內(nèi)容緊密銜接，使學(xué)生體會到微生物實(shí)驗技術(shù)是一個連續(xù)、系統(tǒng)的知識體系，各實(shí)驗之間有著潛在的聯(lián)系，也清楚的認(rèn)識到前面實(shí)驗的成功與否將影響到以后實(shí)驗的進(jìn)行，從而增強(qiáng)責(zé)任感，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。這樣做點(diǎn)面結(jié)合，使學(xué)生既掌握了基本的細(xì)菌人工培養(yǎng)法等基本技術(shù)，又對細(xì)菌學(xué)實(shí)驗的基本流程有了總體的概念，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。
3 采用自學(xué)-討論-講解式教學(xué)法
俗話說：“授之以魚，不如授之以漁”，我教研室根據(jù)大學(xué)生自身和微生物學(xué)課程教學(xué)的特點(diǎn)，嘗試采用以“自學(xué)-討論-講解”為主的教學(xué)方式。
首先，教師根據(jù)各章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，每章給出1~3個思考題，讓學(xué)生在通讀教材的基礎(chǔ)上，結(jié)合參考書等資料，對問題進(jìn)行準(zhǔn)備。其次是課堂討論環(huán)節(jié)，以自學(xué)為基礎(chǔ)，充分調(diào)動每個學(xué)生的積極性，啟發(fā)學(xué)生開拓思路，加深對自學(xué)內(nèi)容的消化理解，還可促進(jìn)學(xué)生交流學(xué)習(xí)方法，提高表達(dá)能力。，在自學(xué)和討論基礎(chǔ)上的教師講解過程主要圍繞教學(xué)要求，突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，有意識地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一些學(xué)說、理論的提出、推演和完善過程，學(xué)習(xí)證明這些理論的實(shí)驗方法和思路，學(xué)習(xí)前人敢于提出問題、善于解決問題的創(chuàng)造性思維方法和客觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)[5]。例如，證明基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的Luria變量試驗、Newcombe涂布實(shí)驗及Lederberg影印平板培養(yǎng)法，介紹這些著名學(xué)者實(shí)驗設(shè)計之巧妙和方法創(chuàng)新之獨(dú)到，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)精神，為將來從事科學(xué)研究打下基礎(chǔ)具有重要意義。
4 開展“微生物學(xué)自主實(shí)驗”，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合能力
激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提高微生物學(xué)綜合素質(zhì)，是每位微生物學(xué)任課教師應(yīng)當(dāng)深刻思考的問題。在幾年的教學(xué)積累中，我教研室嘗試了在已有實(shí)驗課的基礎(chǔ)上實(shí)施“微生物學(xué)自主實(shí)驗”，主要開展了：“酸奶中乳酸桿菌的分離、計數(shù)及鑒定”、“市售鮮牛奶中抗生素殘留的檢測及方法比較”、“健康及疾病狀態(tài)下腸道菌群的變化”、“植物提取物對抗生素相關(guān)性菌群失調(diào)的調(diào)整作用”等實(shí)驗。這些內(nèi)容是游離于正常實(shí)驗教學(xué)計劃之外的，通過查閱文獻(xiàn)，學(xué)生們在輔導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，設(shè)計實(shí)驗方案，利用周末等課余時間完成實(shí)驗，每周1~2次。這樣既賦予了學(xué)生課外活動專業(yè)特色，也增加了課程實(shí)踐的趣味性，避免了課程實(shí)踐在教學(xué)計劃和教材內(nèi)容方面的局限性[6]。事實(shí)證明，學(xué)生對這種課外的實(shí)踐形式非常感興趣，而且投入了極大的熱情，大大激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，給其提供了一個自己動手、展示創(chuàng)新性和才能的平臺，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)微生物學(xué)理論課的主動性和創(chuàng)造性，這對于讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握微生物學(xué)知識并加以合理運(yùn)用到實(shí)際生活學(xué)習(xí)中具有重要作用，同時提高了學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)了團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，豐富了課外生活，有助于綜合素質(zhì)的提高。通過對微生物的實(shí)際培養(yǎng)、觀察、分離和鑒定及應(yīng)用，增強(qiáng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科研精神，努力求索的積極態(tài)度。
以上教學(xué)方法的嘗試，符合 “三個面向”的素質(zhì)教育為核心的教學(xué)目標(biāo)，在重視知識傳授的基礎(chǔ)上，更注重了對學(xué)生能力的培養(yǎng)，提高了其綜合能力、分析能力和創(chuàng)造能力，體現(xiàn)了醫(yī)學(xué)院校生物技術(shù)專業(yè)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，能夠適應(yīng)市場發(fā)展與競爭的需要，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
探究固定化微生物技術(shù):生物技術(shù)專業(yè)微生物學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)改革初探
摘要 微生物學(xué)是生物技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，根據(jù)生物技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核方式等方面對微生物學(xué)課程進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的一些探索，包括：優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，引入學(xué)科新熱點(diǎn)；將理論教學(xué)融入實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力；改革考核方式，考查學(xué)生對知識的活學(xué)活用能力。
關(guān)鍵詞 生物技術(shù)專業(yè)；微生物學(xué)；實(shí)踐教學(xué)
2007年，教育部印發(fā)了關(guān)于實(shí)施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程（質(zhì)量工程）的通知，對高等學(xué)校的人才培養(yǎng)提出新的要求。因此，高等教育改革的質(zhì)量工程在各高校不斷深入進(jìn)行，目的是使學(xué)生具有良好的綜合素質(zhì)。當(dāng)前，生命科學(xué)以前所未有的深度和廣度迅速發(fā)展，它對生物相關(guān)專業(yè)人才提出扎實(shí)、復(fù)合創(chuàng)新及開拓型的培養(yǎng)要求。
微生物學(xué)是研究微生物及其生命活動規(guī)律和應(yīng)用的學(xué)科，是生物學(xué)科中理論性和實(shí)驗性都很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)是不可或缺的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。隨著分子生物學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科的迅速發(fā)展，微生物的研究方法已成為許多生物技術(shù)領(lǐng)域的基本技術(shù)和手段，其基本理論和應(yīng)用研究在國際上一直是非?；钴S的領(lǐng)域[2]。如何通過該課程幫助學(xué)生理解和鞏固知識，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度、求實(shí)創(chuàng)新的科學(xué)方法及綜合分析能力，鍛煉學(xué)生的動手能力，為專業(yè)奠定牢固的理論專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，是微生物教學(xué)面臨的一項重要任務(wù)。
近年來，在總結(jié)前人經(jīng)驗，并結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生科研意識為目標(biāo)，筆者對微生物學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行了積極的探索，下面簡單介紹在生物技術(shù)專業(yè)微生物學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的一些改革工作。
1 優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，及時引入新知識新熱點(diǎn)
微生物與生物化學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、微生物育種學(xué)等課程在內(nèi)容上相互交叉滲透，授課時間上有前有后，為避免與先修課程某些內(nèi)容重復(fù)、又為后續(xù)課程留有余地，突出本課程的特有內(nèi)容，必須對交叉內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合。作為生命科學(xué)中最活躍的分支科學(xué)之一，一批新的微生物學(xué)科正孕育和形成，如微生物基因組學(xué)、微生物蛋白質(zhì)組學(xué)、微生物代謝組學(xué)等。很多新技術(shù)、新方法如熒光PCR、生物芯片技術(shù)、生物信息學(xué)等在微生物學(xué)中廣泛應(yīng)用，按照微生物學(xué)教材已不能掌握更多的新知識、新理論。因此，在保障教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、完整性的前提下，向?qū)W生講授更多的有關(guān)科學(xué)前沿動態(tài)的知識，探索將課程中的經(jīng)典理論和前沿科技發(fā)展有機(jī)地融合在一起，力求讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)系統(tǒng)掌握本門課程的基礎(chǔ)理論與實(shí)驗操作技能。實(shí)踐中的具體做法是：教師通過上網(wǎng)檢索的方法，廣泛收集有關(guān)外文教材和教輔資料，從中吸取精華，同時注重吸收國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)在相關(guān)課程上的先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗，在講授過程中針對書上的興趣知識點(diǎn)進(jìn)一步查閱該領(lǐng)域的近期進(jìn)展，做到源于書本又高于書本。
比如在講到抗生素對細(xì)菌的作用時，引出2010年在全球多個地區(qū)出現(xiàn)的新德里金屬β內(nèi)酰胺酶I型（NDM-1）超級細(xì)菌的案例，幫助學(xué)生更好地了解了抗生素在目前抗感染治療中的應(yīng)用及目前國內(nèi)外細(xì)菌對抗生素的耐藥現(xiàn)狀，部分興趣濃厚的學(xué)生在課外時間對目前國內(nèi)大型醫(yī)院的抗生素臨床使用展開探究。
2 開展課后科研，將理論教學(xué)融入實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)
生科研創(chuàng)新能力
微生物學(xué)是一門與生活實(shí)踐有密切聯(lián)系的應(yīng)用學(xué)科，教師在講述中要充分發(fā)揮微生物學(xué)與生活實(shí)踐有密切聯(lián)系的優(yōu)勢，盡量多把生活、生產(chǎn)中一些與微生物生命活動有聯(lián)系的有趣實(shí)例引入到課堂中，進(jìn)行剖析，用平時看得見的實(shí)例刺激學(xué)生的感官，激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思維。比如在給學(xué)生講緒論中微生物的廣泛性時提到“微生物無處不在，但肉眼看不見、用手摸不著”，學(xué)生理解起來較為抽象。因此，在微生物大類形態(tài)及培養(yǎng)基內(nèi)容結(jié)束之后，給學(xué)生出一道課外實(shí)驗題，請學(xué)生以實(shí)驗舉證“人類生活在微生物的海洋里”。各學(xué)生小組獨(dú)立選擇某一周圍環(huán)境，提交從該環(huán)境分離微生物的實(shí)驗方案，根據(jù)實(shí)驗方案進(jìn)行實(shí)驗，并完成實(shí)驗報告。通過該課題的開展，幫助學(xué)生真正意義上理解微生物無處不在的涵義。
在理論教學(xué)結(jié)束原核微生物、真核微生物及病毒這三個章節(jié)之后，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣，自主通過查閱文獻(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)或超市貨架信息等方式，用1周左右時間考慮確定開發(fā)某一個微生物相關(guān)產(chǎn)品。在選定研究課題之后，教師再向?qū)W生詳細(xì)介紹科研文獻(xiàn)的檢索方法和檢索途徑，然后小組內(nèi)部分工開展文獻(xiàn)調(diào)研、收集相關(guān)資料，并初步設(shè)計獲得既定的微生物產(chǎn)品的實(shí)驗方案，同時鼓勵學(xué)生在小組內(nèi)和小組間展開學(xué)術(shù)交流，發(fā)表見解并互相補(bǔ)充。通過反復(fù)討論，在分析歸納的基礎(chǔ)上，通過方案的完善及修改，達(dá)成一致意見，并最終形成結(jié)論，以PPT的形式，由學(xué)生在課堂上作匯報交流。學(xué)生開展相關(guān)微生物產(chǎn)品的科研活動期間，指導(dǎo)教師旁聽并適時加以引導(dǎo)，既要防止學(xué)生討論偏離學(xué)習(xí)實(shí)際，又不能過多干預(yù)學(xué)生的思維。
在學(xué)生開展上述科研活動的過程中，微生物實(shí)驗室采取開放教學(xué)，積極支持學(xué)生實(shí)驗的進(jìn)行，這一方面可以鞏固教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性；另一方面教師發(fā)揮引導(dǎo)作用，解疑答難，進(jìn)一步提高學(xué)生分析、綜合、研究、解決問題的能力。
3 完善考核機(jī)制，正確評估學(xué)生成績
建立一套適合實(shí)踐教學(xué)機(jī)制的考核方式，完善學(xué)生成績評定標(biāo)準(zhǔn), 正確評價學(xué)生成績。
1）取消期中考試，代之以實(shí)踐成績，實(shí)踐環(huán)節(jié)成績由“人類生活在微生物的海洋里”的驗證實(shí)驗成績、微生物產(chǎn)品開發(fā)的書面報告成績及現(xiàn)場答辯成績?nèi)糠纸M成。實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)置可以讓學(xué)生自己主動學(xué)習(xí)，查閱資料，把教學(xué)引向課堂外，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識及主動探究問題能力，
2）改革成績評定模式。打破長期以來將期末考試作為課程主要成績的評定模式，對學(xué)生成績進(jìn)行綜合評定，即由平時成績（30%）、實(shí)踐環(huán)節(jié)成績（30%）及期末考試（40%）組成。其中平時成績可以由考勤、作業(yè)和課堂表現(xiàn)三部分組成。這種成績綜合評價機(jī)制不但可促使學(xué)生重視平時學(xué)習(xí)，而且有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，有利于學(xué)生素質(zhì)和能力的提高。
近年來，在過去幾屆學(xué)生的微生物學(xué)課程的教學(xué)過程中，理論教學(xué)深入透徹地講解微生物學(xué)理論，實(shí)踐教學(xué)模塊突出訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造力和動手能力，致力于培養(yǎng)學(xué)生的科研意識。通過實(shí)踐教學(xué)的改革與研究，學(xué)生對微生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣更為濃厚了，普遍反應(yīng)從實(shí)踐教學(xué)中學(xué)到了書本上學(xué)習(xí)不到的東西。課后科研活動的開展使學(xué)生的動手能力得到鍛煉的同時，也幫助學(xué)生對實(shí)驗室和實(shí)驗設(shè)備有了較為的認(rèn)識，為大四年級的畢業(yè)論文課題研究及以后從事生物技術(shù)行業(yè)的研究工作奠定一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。
探究固定化微生物技術(shù):固定化微生物技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用研究
摘?要 伴隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的迅速提升，紡織工業(yè)獲得了一個良好的發(fā)展平臺，排放工印染廢水的量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。如果沒有采取有效措施來對這些污水廢水進(jìn)行及時的處理，將會破壞大自然水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡，嚴(yán)重影響人們的居住環(huán)境。處理工業(yè)印染廢水的方式及措施是多種多樣的，一般有生物與物化等方式，其中采用生物方式進(jìn)行處理的頻率是比較高的。但是由于染料的類型發(fā)生了非常復(fù)雜的改變，導(dǎo)致工業(yè)印染廢水處理難度系數(shù)的不斷提升，以往使用的生物法因為只能聚集少量的微生物，非常容易流失菌種，獲得的脫色率及水質(zhì)都不是很理想，已經(jīng)無法滿足工業(yè)印染廢水的標(biāo)準(zhǔn)排放要求。而固定化微生物技術(shù)能夠迅速聚集大量的微生物，發(fā)生反應(yīng)的速度非常快，具有理想的穩(wěn)定性及耐毒害能力，在處理過程中只丟失少量的微生物，這些優(yōu)于傳統(tǒng)方式的特點(diǎn)讓固定化微生物技術(shù)在工業(yè)印染廢水的處理中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 固定化微生物技術(shù)；概念；印染廢水特征；處理方式
1 固化微生物技術(shù)的概念
微生物固定化技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，是固定化酶技術(shù)在發(fā)展中逐漸演變形成的一種高效的生物技術(shù)。這種技術(shù)是物理及化學(xué)措施的協(xié)助下，把處于游離狀態(tài)的細(xì)胞固定在預(yù)期規(guī)定的范圍之內(nèi)，讓細(xì)胞聚集在一起，確保其具有很高的活性及反復(fù)利用的可能性，進(jìn)而提升生物系統(tǒng)整體的適應(yīng)及處理能力。采用這種技術(shù)來對廢水進(jìn)行處理，在處理反應(yīng)器里中可以獲得聚集量比較高的微生物，能夠迅速產(chǎn)生反應(yīng)，同時還可以有效避免污泥處理之后再次發(fā)生污染。在這種技術(shù)形式下，可以將具有優(yōu)勢的菌種充分聚集起來，營造一個優(yōu)異的微環(huán)境，促進(jìn)微生物獲得更快更好的繁殖；而且能夠同時施行硝化與反硝化，兩個過程并不會發(fā)生沖突，生物獲得理想的脫氮速率，整體效率非常高。微生物固定化技術(shù)具有很強(qiáng)的抗沖擊、抗毒作用，在復(fù)雜的廢水成分中呈現(xiàn)良好的適應(yīng)性。
2 印染廢水的特征
印染廢水是一種非常難以進(jìn)行降解的工業(yè)廢水，其水質(zhì)及水量存在的不定性因素非常多，隨時都可能發(fā)生巨大的改變，水質(zhì)的構(gòu)成成分比較復(fù)雜，含有高濃度的有機(jī)污染物。這種工業(yè)廢水的色度深，pH值十分高，只存在較低的可生化性。目前印染廢水是我國水質(zhì)及水環(huán)境污染的重要元素，各種各樣有害物質(zhì)包含在其復(fù)雜的水質(zhì)中，對常規(guī)生物的生長繁殖，甚至生存產(chǎn)生了非常消極的影響。其中印染廢水的色度問題是最難解決的，與標(biāo)準(zhǔn)排放要求之間還是存在著一定的距離。
3 印染廢水的固定化微生物處理方式
將固定混合脫色菌與固定化微生物技術(shù)有機(jī)融合起來，對工業(yè)印染廢水施行細(xì)致的處理，得出相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，兩者結(jié)合使用可以獲得非常理想的效果，印染廢水在處理之后可以獲得85.15%的脫色率。以下是及種固定化微生物處理工業(yè)印染廢水的有效方式。
3.1 選擇使用海藻酸鈉的處理方式
在這種方式中，使用海藻酸鈉將白腐真菌F29固定在限定的范圍之內(nèi)。然后把海藻酸鈉分別放入三個具有差異性的生物反應(yīng)器里，觀察其反映在偶氮染料Orange上的作用情況，測定并記錄脫色獲得的效果。經(jīng)過較長一段時間的觀察及記錄可以知道，這三個差異性生物反應(yīng)器全部都能夠獲得理想的脫色效果，脫色能力具有高效穩(wěn)定的特點(diǎn)，最終的脫色率都超過95%。
3.2 選擇使用聚集-交聯(lián)固定法和吸附法
在這種方式中，PSB即紫色非硫光合細(xì)菌混合菌體將會被固定在限定的區(qū)域之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)含酚廢水及工業(yè)印染廢水滿足標(biāo)準(zhǔn)排放要求的目的。紫色非硫光合細(xì)菌混合菌體如果處于厭氧及光照環(huán)境中，會非常容易被表面多孔、粗糙、具有很強(qiáng)吸附能力的載體所吸引，從而依附在載體上，例如沸石、石英砂、活性炭等。紫色非硫光合細(xì)菌混合菌體不會被強(qiáng)度較大的水力沖刷掉，可以獲得的脫色率范圍在81%至97.8%之間，CODcr去除率則處于52%與75.6%之間。若聚集-交聯(lián)固定的紫色非硫光合細(xì)菌混合菌體得到解毒活化，將會有效提高酶的活性，脫氫酶的活力將會超過自然細(xì)胞一倍以上，脫色的速度提升30%。
3.3 選擇施行印染廢水脫色實(shí)驗研究
這種脫色實(shí)驗研究方式主要采用聚乙烯醇來將混合細(xì)菌細(xì)胞固定在限定的區(qū)域之內(nèi)。實(shí)驗得出的相關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)果顯示，和自然細(xì)胞進(jìn)行比較，混合細(xì)菌細(xì)胞在被固定之后，針對工業(yè)印染廢水的脫色活性來說，最理想的溫度應(yīng)該維持在30℃至40℃，pH的值則等于7.0。但是當(dāng)pH的值在6.0至8.0之間，溫度在25℃至40℃之間，將會獲得較高水平的脫色活性，熱穩(wěn)定性也得到顯著提升。在持續(xù)一個月時間的試驗研究里，水力停留的時間在不超過三個小時的時候，脫色率將會保持在70%至80%之間，滿足了廢水處理的標(biāo)準(zhǔn)要求，具有非常高的應(yīng)用價值。
3.4 選擇使用包埋固定化微生物的方式
瓊脂作為包埋物，把蠟狀芽孢桿菌包埋起來施行酸性紅B的脫色實(shí)驗分析研究，當(dāng)進(jìn)水的濃度為42.1 mg/L的時候，可以獲得87%的平均脫色率。
3.5 選擇使用深海錳結(jié)核的方式
深海錳結(jié)核作為固定化載體處理工業(yè)印染廢水的時候，HRT值等于100小時，可以獲得90%的脫色率，80%的COD清除率。這種處理形式方法的有效壽命要比無菌體等量活性炭方式長，使用纖維掛條作為固定化載體將脫色菌固定在限定范圍之內(nèi)，對工業(yè)印染廢水進(jìn)行處理，獲得的效果和使用同樣接種量無載體的游離菌液處理方式是一樣的，都能滿足標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，處理廢水使用的時間少于處理游離菌液使用的時間。使用核桃殼顆粒固定優(yōu)勢菌模擬方式處理印染廢水，并檢測獲得實(shí)際水樣的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的COD消除率是94.5%，濃度低于160 mg/L，脫色率是99.3%，色度小于5倍。
4 結(jié)束語
固定化微生物技術(shù)是一種在人工強(qiáng)化作用下，持續(xù)提升微生物反應(yīng)能力的印染廢水處理方式，在這種方式下，能夠獲得令人滿意的水質(zhì)，緩解了我國近幾年來水體生態(tài)系統(tǒng)所承受的污染壓力，同時也有效的改善了人們的生活環(huán)境。本文通過闡述固定化微生物技術(shù)的改概念，分析印染廢水的水質(zhì)特征，提出固定化微生物技術(shù)在印染廢水處理中的若干種有效應(yīng)用形式，希望能夠給予廢水處理工作者一些工作上的借鑒或幫助，為改善我國水質(zhì)環(huán)境貢獻(xiàn)一份微薄的力量。