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关键词： 核心素养   海洋生物学   高中生物教学   生物技术与工程  

摘要： 我国作为海洋大国，在全球大力开发海洋资源的环境下，培养相关高水平人才尤为重要。教师选择合适的切入点和教学策略将海洋生物学知识与技术融入高中生物教学，既能在真实情境中为学生提供高精尖技术知识，又能培养其核心素养，实现立德树人的目标，同时助力蓝色生物产业的发展，为建设海洋强国注入强劲活力。

关键词： 生物安全   生物安保   生物技术   生物技术安全   治理   政策法规   美国  

摘要： 生命科学研究及生物技术的开发应用在造福人类社会的同时,也可能带来潜在风险。基因工程、合成生物学、病原生物功能获得性研究等都存在生物技术安全风险,不仅可能对人类健康造成潜在威胁,还可能对生态环境产生影响。为应对生物技术快速发展带来的潜在安全问题,需要加强生物技术安全治理,建立完善的生物技术安全监管体系。 美国对生物科技发展非常重视,同时也高度重视生物技术安全治理,形成了比较完善的法规体系与监管机制,相关政策研究也比较多。我国高度重视前沿生物技术及生物产业发展,但在生物技术安全治理方面还有待加强,相关法规和监管体系不够完善,相关政策研究也不够深入全面。为完善我国生物技术安全法律法规体系,更好地维护和保障国家生物技术安全,研究基于文献调研、分析讨论、专家咨询等方法,梳理了美国生物技术安全相关法规、生物安全科学顾问委员会等美国政府机构指南与报告、美国国家科学院出版社报告,分析了美国生物技术安全治理的特点,并在对比分析我国生物技术安全治理现状的基础上,对我国生物技术安全治理提出了建议。研究可为我国相关管理部门和研究人员提供参考。一、生物技术安全相关国内外文献调研 近年来,一些生命科学研究的潜在生物安全风险引起了广泛关注。本研究对近年来国内外生物技术安全相关期刊论文、图书、研究报告与相关法规进行了文献调研与系统梳理,包括生物技术安全问题总体情况、病原生物功能获得性研究、合成生物学、动植物转基因技术、克隆技术、干细胞研究、人类基因组、基因编辑、基因驱动技术等几个方面,介绍了相关文献的主要内容并进行了相应分析。二、美国生物技术安全治理相关法规报告梳理 研究通过文献调研筛选并梳理了美国发布的与生物技术安全治理相关的主要政策法规,美国生物安全科学顾问委员会、总统生物伦理问题研究委员会等政府机构指南、报告以及美国国家科学院报告,翻译整理形成了中英文版的《美国生物技术安全治理——法规报告选编》。三、分析与讨论 研究通过调研与分析美国生物技术安全治理相关政策法规,发现美国高度重视生物技术安全治理,形成了比较完善的法规体系与监管措施,并重视监管的协调统一和多部门参与。此外,美国还充分发挥政府决策咨询机构作用,注重总体与特定领域监管相结合,通过国际交流加强生物技术安全治理。我国虽对生物技术安全治理方面的重视程度不断提高,但距全面维护与保障生物技术安全的目标还有差距,目前相关政策法规与生物技术安全监管机制体制还不够完善,生物技术安全风险评估能力不足,生物技术安全相关智库支撑不够,研发人员生物技术安全意识培养也有待加强。我国需要充分认识加强生物技术安全治理的重要性,不断完善生物技术安全治理各级政策法规,完善生物技术安全治理的机制体制保障,发挥各级智库作用,兼顾生物安全与生命伦理,加强国际合作以及加强病原生物相关生物技术管控。

摘要： 一、栏目设置本刊设置固定栏目和随机栏目。固定栏目常设研究论文,发表最新的原始研究成果。随机栏目根据稿源设述评及其他栏目。二、论文写作的基本要求1题目与标题论文题目要紧扣主题,务求简明、新颖,有足够的信息,能引起读者的兴趣,不用副标题,一般不宜超过25个汉字或英文单词。应使用标准术语、学名全称、药物和化学品通用名称,不宜使用广义术语、夸张词语等,同时避免在题目中使用不常用的缩写词。

关键词： 阳离子交换树脂   剩余污泥   厌氧发酵   挥发性脂肪酸  

摘要： 剩余污泥在厌氧发酵时由于水解程度低、破解效率差导致挥发性脂肪酸（volatile fatty acids,VFAs）的产率较低。为了解决这一问题,本研究采用阳离子交换树脂（cation exchange resin,CER）来促进污泥的破解,增强污泥厌氧消化过程中的增溶、水解作用,进而促进发酵产酸性能。通过CER预处理对剩余污泥的破解机理和CER强化剩余污泥厌氧发酵产酸性能的研究,为有效利用CER促进污泥厌氧发酵产酸提供科学依据和理论基础。 （1）通过BBD响应曲面法得出CER预处理破解剩余污泥的最佳运行条件为CER投加量2.31 g/g TS、预处理时间22.73 h、搅拌速度222 rpm,在此条件下,污泥的破解度接近6%。随着CER投加量的增加,SCOD、溶解性多糖和蛋白质溶出量呈先增加后平稳的趋势,2.8 g/g TS时效率最高;污泥粒径随着CER投加量的增加而减小,污泥表观形态朝着更加松散的趋势变化,表明CER能有效促进颗粒态有机物的增溶作用。 （2）污泥破解的机理研究表明,CER预处理破解污泥絮体及使细胞裂解的原因是吸附去除了大量高价金属阳离子。3.4 g CER/g TS脱除了大约35%的镁离子、55%的钙离子、64%的钾离子。随着CER投加量的增加,钠离子含量不断增加,且进入到污泥各部位,溶解态钠离子达到3 g/L,是原污泥的27倍,这引起的高渗透压使得细胞裂解;EPS总量呈先增加后平稳的趋势,主要来源于S-EPS的增加;上清液中DNA和乳酸脱氢酶（LDH）含量显著增加,仅0.4 g/g TS投加量就使得上清液中LDH酶浓度增加了近12倍,表明SCOD的增加部分来源于细胞裂解释放的胞内有机质。 （3）在厌氧发酵期间,CER未分离组（II组）的SCOD和VFAs浓度大于CER分离组（I组）,表明发酵期间不分离CER有利于污泥的水解和酸化;CER未分离组中II-3.4（3.4 g CER/g TS）的VFAs浓度最大,为1591.51 mg/L;实验污泥主要为乙酸型发酵,乙酸组分占比超过60%,且投加CER有利于强化乙酸型发酵的强化;产甲烷古菌对不利环境（缺乏金属阳离子）的耐受性更差,使得CER分离组的产甲烷量相对更低。 （4）污泥发酵产酸机制研究表明,CER预处理时去除了大量多价金属阳离子,导致微生物缺乏合成关键酶的阳离子,因此CER分离组的酶活性均低于空白组,产甲烷古菌对不利环境的耐受性更差,表现为辅酶F420活性下降最多;CER在污泥厌氧发酵期间的离子交换存在可逆反应,使得CER不分离组的酶活性普遍大于空白组。CER处理降低了细菌群落物种丰度和生物多样性,改变微生物群落组成分布并促使优势菌群演替:抑制了酸化菌norank＿Bacteroidetes＿vadin HA17的生长,但Petrimonas和Christensenellaceae＿R-7＿group两种产乙酸菌实现富集,使得乙酸组分增加。

关键词： 水污染深度治理   离子交换   光芬顿耦合膜分离   界面组成   回旋—流通式膜反应器  

摘要： 氧化还原水处理技术在改善水质和保护环境方面发挥了重要作用。以活性氧自由基生成为基础的高级氧化技术（AOPs）,为水中难降解污染物的深度去除提供了新的解决方案。不同高级氧化技术耦合可以充分发挥各自优点,弥补不足,有效提高污染物去除效率。在众多高级氧化耦合技术中,最具吸引力的是光芬顿耦合和光芬顿膜耦合技术,其优点是充分发挥光催化、芬顿反应和膜分离降解污染物的特性,大幅度提高水污染净化效率。存在的问题是传质慢、Fe2+/Fe3+的循环次数少、H2O2使用量大及复合膜对难吸附小分子有机物的处理效果差等,处理以上问题关键是新型高效催化剂的设计。论文以研制开发高活性和长效非均相光芬顿催化剂为目标,首次开发新型离子交换型光芬顿催化剂,实现废水中有机污染物的高效降解。再耦合膜分离技术并开发特色反应器,实现废水污染的深度治理。结合动力学研究和系列表征,阐述耦合高级氧化反应机理和催化剂构效关系。论文主要取得以下两方面的研究结果: （1）采用水热法和离子交换法合成二维K-SnS光催化剂（2D K-SnS）,再由离子交换法将K离子替换成Fe离子,获得离子交换型二维结构Fe-SnS光芬顿催化剂（2D Fe-SnS）,催化剂中Fe离子活性位点通过离子交换,在二维[Sn3S7]_n2n-骨架中高分散于阴离子层间,促进了电子转移和光生载流子的分离,并对H2O2高效活化。同时,光催化协同作用加速了Fe2+的再生,在废水中污染物降解中显示高活性。2D Fe-SnS催化剂性能稳定,在较宽的p H值范围内可以保持高活性,同时能够有效抑制反应过程中Fe离子的析出,可循环使用。 （2）采用静电自组装方式制备了氧化石墨烯（GO）与2D K-SnS的复合光催化剂（GO-Fe-SnS）,再通过减压抽滤,将该催化剂负载到聚醚砜膜（PES）上得到GO-Fe-SnS复合膜。在此基础上,设计出回旋-流通式膜反应器,应用于光芬顿协同膜分离净化水,可高效降解难吸附小分子有机污染物,同时具有长效性。研究发现,在GO和半导体K-SnS的界面层中引入Fe,构建一种新型电子传输通道,优化了从半导体到GO的电荷传输路径,从而提高了催化剂中界面电荷的分离和迁移。同时,Fe的引入可部分抵消GO的遮光作用,进一步提高了GO-Fe-SnS杂化物的光催化性能。复合催化剂中2D Fe-SnS是主要活性位点的提供者,GO则增强了催化剂的整体稳定性并抑制Fe物种的流失,可以大幅度延长膜使用寿命。

关键词： 共价有机框架材料   分子动力学   密度泛函理论   吸附   离子交换  

摘要： 当今社会,能源短缺和环境污染问题已经成为制约人类社会可持续发展的关键问题。作为一种低碳、高效的清洁能源,核能的开发和利用能够有效地缓解当前全球的能源危机,因此受到了世界各国的广泛关注。在环境领域中,具有极高毒性和生物富集性的持久性有机污染物与放射性核素所带来的环境污染对人类健康和生态环境安全造成了严重的威胁。近年来,新材料的研发和使用在应对能源短缺和环境污染方面发挥着重要作用。共价有机框架(COFs)材料由于具有结构稳定性高、可设计性强、孔径可调、电荷密度可控制以及易于官能团修饰改性等一系列优良的特性,在能源和环境领域的应用中取得了许多令人满意的结果并展现出了广阔的应用前景。受限于实验条件,COFs合成的难度和成本一般都比较高。但随着理论模拟技术的快速发展和计算机性能的大幅度提高,采用理论计算的方法能够对COFs材料进行靶向设计,通过合理的建模和结构优化能够预测COFs材料的性质,对新型COFs材料的实验研究具有非常重要的理论指导意义。鉴于此,本论文从分子设计和结构调控出发,构建了三类功能化COFs材料(分别为:噻唑基COFs、亚胺基COFs和咔咯基COFs),采用密度泛函理论(DFT)计算在分子水平上表征COFs材料的结构和能量信息,揭示其吸附过程的内在机制;并结合分子动力学(MD)模拟深入探究COFs材料的堆砌形式和孔径分布以及实验条件等内外因素对其吸附动力学过程的影响,评估了这些功能化COFs材料在能源和环境领域中的应用潜力,研究的主要内容及结论如下: 铀作为核反应堆的主要原料,它的充足供应对保障核电产业的可持续发展至关重要。从海水中高效地提取铀是缓解陆地铀矿资源短缺问题的有效途径,我们设计并构建了四种噻唑基COFs材料(分别命名为:TbBd,TpBd,TpDb和TpBdsaPa)用于海水提铀。采用MD模拟的方法系统评估了这些COFs材料在模拟海水中的铀钒选择性及其抗生物污染性能。结果表明:含有阴阳离子官能团的TpBdsaPa具有最好的铀钒选择性,其骨架中带负电和带正电的官能团分别是铀酰和钒酸根离子最有利的吸附位点。COFs的孔径筛分作用以及铀酰离子与COFs之间的静电相互作用是影响噻唑基COFs选择性吸附铀酰的重要因素。随后,通过溶菌酶蛋白和海藻酸钠在这四种噻唑基COFs材料上吸附动力学行为的研究发现:COFs材料的水化作用强弱是影响其抗生物污染性能的关键因素。TpBdsaPa的水化作用最强,其表面水化层中的水分子分布最为规整。这些水分子能够与TpBdsaPa之间形成大量的氢键,从而在其表面形成了致密的水化层,能够有效地抵抗海洋微生物和有机污染物的附着。 核能的开发和利用给人类带来新动力的同时,也伴随着一定的风险与挑战。高效、安全地处置放射性废水中的高锝酸根(TcO4-)对核能的安全使用至关重要。针对放射性废水的高酸性和强辐射场的极端环境,我们设计并构建了三种亚胺基阳离子型COFs材料(分别命名为DBBT、DBTFP和PITFP)用于选择性去除放射性废水中的TcO4-。结合DFT计算和MD模拟系统研究了 COFs的堆积形式、官能团和孔径等结构特性以及TcO4-浓度、共存竞争离子等溶液环境对TcO4-离子交换过程的影响。结果表明:DBBT对TcO4-的选择性去除效率优于DBTFP和PITFP。相比于DBBT的交错(AB)堆砌构型,其重叠(AA)堆砌构型具有尺寸更大、分布更均匀的孔道,有利于TcO4-快速的吸附动力学。TcO4-吸附过程的主要驱动力是其与COFs之间的静电相互作用。DBTFP中羰基官能团的引入降低了骨架的正电荷密度,不利于TcO4-的吸附。PITFP中正电荷密度的提高虽然加快了 TcO4-的吸附速率,但是其较小的孔径明显不利于TcO4-的离子交换过程。此外,溶液中TcO4-浓度的增加能够显著提高TcO4-在离子交换过程中的吸附速率。ClO4-和NO3-离子是TcO4-吸附过程中主要的竞争离子,它们能够在一定程度上降低COFs对TcO4-的选择性。 除放射性核素外,持久性有机污染物的高效去除也是环境污染物治理中亟需解决的关键问题。我们根据实验上报道的具有π共轭骨架结构的咔咯基COF(TPAPC)材料,结合MD模拟和DFT计算系统地探究了 TPAPC作为吸附剂材料去除持久性有机污染物的应用潜力及其内在相互作用机制。结果表明:污染物分子经过在水溶液中的不规则运动、TPAPC表面的亚稳吸附和通过孔隙进入到TPAPC内部这三个阶段的运动后,最终能够稳定地吸附在TPAPC的层间。在吸附过程中,污染物分子与TPAPC之间的范德华相互作用占主导。相比于TPAPC骨架中的TA基团,污染物分子更倾向于吸附在其咔咯基团附近。随后,通过计算各个污染物分子的吸附自由能发现,多氯联苯分子的吸附自由能为-2.15～-5.62 kc