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    I型干扰素(ifn)受损可能导致肿瘤的免疫缺陷。目前的补充IFN治疗部分恢复抗癌免疫,但同时通过上调多个免疫检查点诱导免疫逃避。在这里,我们创建了一种T淋巴细胞膜修饰的表观遗传纳米诱导剂,它由程序性细胞死亡蛋白1(PD1)设计,我们称之为OPEN,用于传递IFN诱导剂ORY-1001。OPEN增加ifn,阻断IFN诱导的免疫检查点上调。OPEN还通过PDL1/PD1识别,以表达程序性细胞死亡配体1(PDL1)的肿瘤为靶点,随后触发OPEN和免疫检查点蛋白的内化。开放ORY-1001,上调肿瘤内ifn和下游主要组织相容性复合物I和PDL1。补充的PDL1使进一步连接OPEN,进而阻断PDL1。这些连续的过程分别导致瘤内总细胞毒性T淋巴细胞和活性T淋巴细胞的密度增加了8倍和29倍,并对异种移植瘤的生长有强烈的抑制。这种T淋巴细胞膜修饰的表观遗传纳米诱导剂提供了一个通用的平台,以提高抗肿瘤免疫。

    来源机构: 自然 | 点击量:23
  • 摘要:

    在了解细胞过程的分子基础、确定有希望的治疗靶点和监管环境的演变方面取得的最新进展,使这成为肿瘤药物开发领域令人兴奋和前所未有的时刻。然而,高成本、漫长的开发时间和急剧的损耗率继续影响着药物开发过程。缺乏预测性临床前模型被认为是肿瘤学高损耗率的关键原因之一。在临床前生成有意义的预测结果需要牢牢掌握相关的生物学问题,并调整反映患者情况的模型系统。在此过程中,能够进行正向翻译、将基础研究发现付诸实践的过程以及反向翻译,阐明临床观察的机制基础的过程极大地增强了我们开发有效抗癌治疗的能力。在这篇综述中,我们概述了分子靶向癌症治疗的临床前到临床可译性的问题,提出了成功反向翻译的概念和例子,并强调需要更好地调整患者的肿瘤生物学与临床前模型系统,包括跟踪优势和劣势整个项目开发过程中的临床前模型。

    来源机构: 自然-药物研发综述 | 点击量:88
  • 摘要:

    民为国基,谷为民命。粮食安全是国家安全的重要基础。

    10月13日,海关总署公布数据显示,1至9月我国粮食进口量12827.3万吨,同比增长29.3%。其中,大豆进口量占粮食进口总量的57.67%。我国是粮食生产和消费大国,粮食供需总量基本平衡。但大豆、玉米以及部分种源仍依赖进口,种业“卡脖子”问题亟待解决。

    突破资源约束,保障国家粮食安全,归根结底要靠科技创新和应用。习近平总书记强调,要下决心把民族种业搞上去,抓紧培育具有自主知识产权的优良品种,从源头上保障国家粮食安全。

    2021年中央一号文件提出要加快实施农业生物育种重大科技项目。转基因技术作为全球发展最成熟、应用最广泛的生物育种技术,成为我们必须抢占的科技制高点。

    我国转基因技术目前发展水平如何?转基因食品是否安全?转基因技术在保障我国粮食安全方面能发挥何种作用?就这些问题,记者采访了中国工程院院士,中国农业科学院党组副书记、副院长吴孔明,中国工程院院士,国家转基因生物新品种培育科技重大专项技术总师万建民。

    转基因技术应用引发了农业生产方式的革命性变化,深刻改变了农产品贸易格局,已成为国际农业科技战略必争的前沿领域

    记者:什么是转基因,主要在哪些方面应用?

    吴孔明:转基因,就是科学家利用工程技术将一种生物的一个或多个基因转移到另外一种生物体内,从而让后一种生物获得新的性状。比如,将微生物体内的抗虫基因转入棉花、水稻或玉米,培育成对棉铃虫、卷叶螟及玉米螟等昆虫具有抗性的转基因棉花、水稻或玉米。

    目前,国际上转基因技术已经广泛应用于医药、工业、农业、环保、能源等领域,成为新的经济增长点,在未来数十年内将对人类社会产生重大影响。目前广泛使用的人胰岛素、重组疫苗、抗生素、干扰素和啤酒酵母、食品酶制剂、食品添加剂等有很多都是转基因产品。

    记者:转基因技术在农业领域能带来哪些益处?

    万建民:在农业领域,国际上已经培育了一大批具有抗虫、抗病、耐除草剂、优质、抗逆等优良性状的转基因作物新品种。转基因技术的广泛应用,有效降低了农业生产人工成本,减少了农药使用量,减少灾害损失,在缓解资源约束、保护生态环境、改善和提高农产品质量和营养价值,推进绿色发展方面发挥了重大作用,引发了农业生产方式的革命性变化,深刻改变了农产品贸易格局,已经成为国际农业科技战略必争的前沿领域。

    全球转基因作物产业不断扩大。自1996年转基因作物商业化以来,全球29个国家或地区批准种植,42个国家或地区批准进口,种类从转基因大豆、棉花、玉米、油菜拓展到马铃薯、苹果、苜蓿等32种植物,累计种植400多亿亩。在已批准商业种植的主要国家,转基因作物种植比例已接近饱和。全球范围内主要转基因农作物种植比例,棉花79%,大豆74%,玉米31%,油菜27%。

    通过安全评价依法批准上市的转基因食品是安全的,与传统食品同等安全

    记者:有一些人认为“转基因食品不安全,欧美人不吃转基因食品”,转基因食品到底安不安全?

    吴孔明:通过安全评价依法批准上市的转基因食品是安全的,与传统食品同等安全。

    从科学角度看,转基因产品上市前需要经过食用的毒性、致敏性,以及对基因漂移、遗传稳定性、生存竞争能力、生物多样性等环境生态影响的安全性评价,确保通过安全评价、获得政府批准的转基因生物,除了增加人们希望得到的性状,例如抗虫、抗旱等,并不会增加致敏物和毒素等额外风险。

    从国际上看,经济合作与发展组织、世界卫生组织和联合国粮食及农业组织在充分研究后得出结论,目前上市的转基因食品都是安全的。根据500多个独立科学团体历时25年开展的130多个科研项目,欧盟委员会2010年发表报告得出结论,“生物技术,特别是转基因技术,并不比传统育种技术更有风险”。

    从应用实践上看,转基因技术1989年开始应用于食品工业领域,目前广泛使用的啤酒酵母、食品添加剂等,很多都是转基因产品。自1996年转基因作物商业化种植以来,全球70多个国家和地区几十亿人口食用转基因农产品,没有发生过一例经过科学证实的安全性问题。

    我国已经建立了一整套严格规范的农业转基因生物安全评价和监管制度,对农业转基因生物进行严格的安全评价和有效监管,切实保障人体健康和动植物、微生物安全,保护生态环境。

    美国是转基因技术研发大国,也是转基因食品生产和消费大国。美国生产的50%左右的转基因大豆和80%左右的转基因玉米都在美国国内消费使用。据美国杂货商协会统计,美国市场上75%-80%的加工食品都含有转基因成分。欧盟每年进口大量转基因农产品。2019年,欧盟进口转基因大豆约1200万吨,占欧盟大豆总消费量的70%以上,欧盟每年还进口约25万吨的转基因大豆油以弥补市场缺口。

    我国已成为第二研发大国,实现了从局部创新到“自主基因、自主技术、自主品种”的整体跨越

    记者:我国目前的农业转基因技术发展水平如何,在世界上处于什么位置?

    万建民:我国是较早开展农业转基因研发工作的国家之一。上世纪80年代以来,“863”“973”计划先后对棉花、水稻、大豆等转基因研发工作进行部署。2008年,国家启动农业领域唯一的科技重大专项——转基因生物新品种培育重大专项,农业转基因研发进入快速发展期。

    我国转基因研发水平不断上升。基因克隆从零星少量到数量质量双升,获得了抗病虫、耐除草剂、耐寒耐盐碱、养分高效利用、优质、高产等重大育种价值基因300多个。转基因技术实现了从局部突破到整体跃升,多项关键技术获得了突破。获得发明专利近3000项。

    我国转基因产品种类不断丰富。国产抗虫棉市场份额提高到99%以上;3个耐除草剂大豆和4个抗虫耐除草剂玉米获得生产应用安全证书;抗虫大豆、耐旱玉米、抗虫水稻、耐旱小麦、抗蓝耳病猪等已形成梯次储备。

    我国转基因研发队伍不断加强。研发团队和领军人才队伍不断壮大,培育生物育种领军人才100余人。

    经过多年努力,我国已成为继美国之后的第二研发大国,实现了从局部创新到“自主基因、自主技术、自主品种”的整体跨越,为转基因产业化应用打下了坚实基础。

    转基因技术可提升我国玉米产量和生产水平,也是提升我国大豆产业竞争力的关键手段

    记者:我国是粮食消费大国,大豆、玉米等农产品目前大量依赖进口。您认为应如何解决这一问题,切实保障我国粮食安全?

    吴孔明:我国是粮食生产和消费大国,粮食供需总量基本平衡。2020年粮食面积达到了17.52亿亩,总产量达到13390亿斤,全国粮食人均占有量达到474公斤,高于400公斤的国际粮食安全标准线。稻谷、小麦两大口粮产需平衡有余,谷物自给率超过95%,保障了“口粮绝对安全,谷物基本自给”的战略目标。但由于受到人口增长、资源约束、气候变化等因素限制,我国粮食供需处于紧平衡状态,大豆、玉米等产品总量缺口还会扩大。

    我国大豆供给形势主要呈现以下几个方面:一是我国大豆刚性需求旺盛,产量缺口大。大豆进口依存度接近84%。二是大豆单产差距较大。2020年,我国大豆单产为132公斤/亩,与世界平均单产185公斤/亩相比,相差53公斤/亩,单产提升空间较大。三是大豆生产成本较高。目前,我国大豆生产机械化、规模化程度低,人工成本较高,生产成本为625.9元/亩,比美国和巴西分别高出31.2%和41.9%。

    转基因技术是提升我国大豆产业竞争力的关键手段。目前,全球大豆规模化经营主体主要采用株型紧凑、耐密抗倒、抗病性强、适合全程机械化生产的高产大豆新品种。我国通过转基因技术培育的3个耐除草剂大豆已获得生产应用安全证书,可降低除草成本30元/亩以上,较主栽品种增产10%以上,亩均增效100元,同时可以实现合理轮作。我国自主研发的耐除草剂大豆目前还获准在阿根廷商业化种植,完成了转基因产品的国际化布局。

    在玉米供给形势方面,近年,我国玉米种植面积基本稳定在6亿亩左右,2020年种植6.19亿亩,总产量2.61亿吨,自给率约为95%,目前,我国玉米单产仍有很大的上升空间。以2020年为例,我国玉米单产为421公斤/亩,仅为美国的60%。

    转基因技术可提升我国玉米产量和生产水平。目前,通过转基因技术培育的4个抗虫耐除草剂转基因玉米获得生产应用安全证书,抗虫效果达95%以上,比对照玉米产量可提高7%-17%,减少农药用量60%,有效降低了生产投入成本,减少虫害后黄曲霉素污染。同时,耐除草剂特性显著,减少了人力投入成本,降低了除草剂风险。

    转基因等前沿技术新突破将为保障粮食安全注入新动能

    记者:2021年中央一号文件提出,打好种业翻身仗。发展转基因技术对生物育种有何重要意义?

    万建民:2021年中央一号文件中就“打好种业翻身仗”作出部署,提出要在尊重科学,严格监管的前提下,有序推进生物育种产业化应用。

    生物育种是现代农业生物技术育种的统称,主要包括利用转基因、基因编辑、全基因组选择、合成生物等技术,对动植物开展高效、精准、定向遗传改良和品种培育。推进生物育种产业化是促进现代种业高质量发展,保障国家粮食安全和重要农产品有效供给的必然选择。

    转基因技术是生物育种的重要方面,也是迄今为止全球发展速度最快、应用范围最广、产业影响最大的现代生物技术。发展转基因技术对于我国生物育种具有重要意义。一是转基因技术具有明显的技术优点和带动性、先进性。转基因技术加快了对农作物品种抗性、品质、产量等多种性状的协调改良,为解决农业发展提供了一条有效的技术途径。二是转基因技术创造的重大产品可以解决目前面临的资源约束,提升产量。三是转基因技术对于我们抢占生物技术制高点,把握种业自主权具有重要意义。农业生物育种技术研发应用水平已成为衡量一个国家农业核心竞争力的重要标志。发展转基因技术,抢占农业生物育种技术及其产业制高点,是增强我国农业核心竞争力的重大战略。

    记者:习近平总书记在今年两院院士大会上强调,实现高水平科技自立自强。我国转基因技术如何实现高水平发展,对于国家安全有何重要作用?

    吴孔明:近年来,生命科学与信息科学的快速发展,以转基因技术为底盘技术,融合驱动基因编辑、全基因组选择、合成生物、人工智能设计等前沿育种技术,催生具有颠覆性的农业生物设计育种技术,成为农业生物育种领域的战略制高点。

    目前,我国通过专项实施建立了完整的转基因育种技术体系,研发能力进入世界第一方阵,突破一批关键核心技术瓶颈,主要动植物遗传转化效率达国际先进水平。但是,我国生物种业创新面临巨大挑战,关键核心技术原创不足,全球农业生物技术核心专利70%被美国控制。此外,我国生物技术和信息技术等系统融合与集成应用不足,新型产品和多性状叠加产品研发滞后。

    在当前形势下,加强事关粮食安全的水稻、小麦、玉米、大豆等重大新品种研发;强化事关产业竞争力提升的棉花、猪、奶牛、羊新品种培育;拓展产业新优势的油菜、鸡、鱼等新品种研发是保障国家粮食安全和生态安全的关键。目前,资源要素投入对产量提升的驱动力明显减弱,亟须转基因等前沿技术新突破,为保障粮食安全注入新动能。在发展转基因技术基础上,培育高产优质、抗病虫、抗旱耐盐碱、养分高效利用作物新品种和资源高效利用动物新品种,可望满足我国对粮食和肉蛋奶总需求增长的需求,从根本上保障国家粮食安全,解决资源节约、环境友好农业高质量发展的重大问题。

    因此,为了实现我国转基因技术的高水平发展,考虑从以下几个方面开展布局:拓展技术领域,推进生物育种向精准化、高效化、智能化发展。坚持产品产业为导向,研发多性状叠加产品和新型优质绿色产品。坚持产学研深度融合,构建“政产学研金”协同创新的生态体系,推动多元要素融合创新。大力推进产业化,综合考虑产品安全性、技术成熟度、产业急需度、社会接受度和国际贸易等因素推进商业化种植。打造领军企业,造就转基因生物育种创新领军人才和创新团队,打造具有国际竞争力的创新型种业企业。

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  • 摘要:

    水稻的籽粒大小是什么样的机制决定的?近日,记者从中国农科院获悉,一项新的研究中,科研人员发现了一个新的细胞分裂素信号,这一信号可以干扰信号传递效率,从而抑制水稻籽粒的大小。研究结果在线发表在《分子植物(Molecular Plant)》上。

    该研究由中国农业科学院作物科学研究所水稻分子设计技术与应用创新团队与国内其他科研单位合作完成。据介绍,科研人员在实验中,鉴定到一个细胞分裂素信号新组分PPKL1,发现PPKL1通过引诱但不接纳细胞分裂素磷酸转移蛋白AHP2上的磷酸基团,干扰信号传递效率,从而抑制水稻籽粒大小,并以此建立了一套水稻籽粒大小精准设计系统。

    据团队科研人员童红宁介绍,植物中经典的细胞分裂素信号转导,依赖于组氨酸受体激酶,组氨酸磷酸转移蛋白,以及细胞分裂素响应因子RR之间磷酸基团的转移,然而学界对这一磷酸中继过程调控的分子机制仍知之甚少。在水稻中,细胞分裂素可以显著调控穗粒数,而对粒重或籽粒大小的调控功能也不清楚。

    研究人员通过大规模诱变,筛选到一个大粒显性突变体并克隆了突变体基因PPKL1。与RR蛋白类似,PPKL1可与AHP2蛋白直接互作,并通过模仿RR蛋白功能区与其竞争AHP2的磷酸基团,导致磷酸中继效率大幅降低。当此功能区位点突变后则丧失了对信号传递的影响,籽粒显著增大。

    研究人员以优质水稻品种空育131为材料,针对该功能区进行基因编辑,获得多个可不同程度增大籽粒的基因型,部分可显著增产。研究人员共创制了千粒重从20g到38g渐次分布的水稻材料,从而建立了一套水稻籽粒大小精准设计系统。

    该研究发现,PPKL家族蛋白对细胞分裂素信号的抑制作用可能是一个古老的功能,发掘并利用其对作物进行分子设计改良具有重大应用价值。

    该研究得到了国家自然科学基金和中国农科院科技创新工程等项目资助。

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  • 摘要:

    第一章 总则

    第一条 为了加强农业转基因生物安全评价管理,保障人类健康和动植物、微生物安全,保护生态环境,根据《农业转基因生物安全管理条例》(简称《条例》),制定本办法。

    第二条 在中华人民共和国境内从事农业转基因生物的研究、试验、生产、加工、经营和进口、出口活动,依照《条例》规定需要进行安全评价的,应当遵守本办法。

    第三条 本办法适用于《条例》规定的农业转基因生物,即利用基因工程技术改变基因组构成,用于农业生产或者农产品加工的植物、动物、微生物及其产品,主要包括:

    (一)转基因动植物(含种子、种畜禽、水产苗种)和微生物;

    (二)转基因动植物、微生物产品;

    (三)转基因农产品的直接加工品;

    (四)含有转基因动植物、微生物或者其产品成份的种子、种畜禽、水产苗种、农药、兽药、肥料和添加剂等产品。

    第四条 本办法评价的是农业转基因生物对人类、动植物、微生物和生态环境构成的危险或者潜在的风险。安全评价工作按照植物、动物、微生物三个类别,以科学为依据,以个案审查为原则,实行分级分阶段管理。

    第五条 根据《条例》第九条的规定设立国家农业转基因生物安全委员会,负责农业转基因生物的安全评价工作。国家农业转基因生物安全委员会由从事农业转基因生物研究、生产、加工、检验检疫、卫生、环境保护等方面的专家组成,每届任期五年。

    农业部设立农业转基因生物安全管理办公室,负责农业转基因生物安全评价管理工作。

    第六条 从事农业转基因生物研究与试验的单位是农业转基因生物安全管理的第一责任人,应当成立由单位法定代表人负责的农业转基因生物安全小组,负责本单位农业转基因生物的安全管理及安全评价申报的审查工作。

    从事农业转基因生物研究与试验的单位,应当制定农业转基因生物试验操作规程,加强农业转基因生物试验的可追溯管理。

    第七条 农业部根据农业转基因生物安全评价工作的需要,委托具备检测条件和能力的技术检测机构对农业转基因生物进行检测,为安全评价和管理提供依据。

    第八条 转基因植物种子、种畜禽、水产种苗,利用农业转基因生物生产的或者含有农业转基因生物成份的种子、种畜禽、水产种苗、农药、兽药、肥料和添加剂等,在依照有关法律、行政法规的规定进行审定、登记或者评价、审批前,应当依照本办法的规定取得农业转基因生物安全证书。

    第二章 安全等级和安全评价

    第九条 农业转基因生物安全实行分级评价管理。

    按照对人类、动植物、微生物和生态环境的危险程度,将农业转基因生物分为以下四个等级:

    安全等级I:尚不存在危险;

    安全等级Ⅱ:具有低度危险;

    安全等级Ⅲ:具有中度危险;

    安全等级Ⅳ:具有高度危险。

    第十条 农业转基因生物安全评价和安全等级的确定按以下步骤进行:

    (一)确定受体生物的安全等级;

    (二)确定基因操作对受体生物安全等级影响的类型;

    (三)确定转基因生物的安全等级;

    (四)确定生产、加工活动对转基因生物安全性的影响;

    (五)确定转基因产品的安全等级。

    第十一条 受体生物安全等级的确定

    受体生物分为四个安全等级:

    (一)符合下列条件之一的受体生物应当确定为安全等级I:

    1.对人类健康和生态环境未曾发生过不利影响;

    2.演化成有害生物的可能性极小;

    3.用于特殊研究的短存活期受体生物,实验结束后在自然环境中存活的可能性极小。

    (二)对人类健康和生态环境可能产生低度危险,但是通过采取安全控制措施完全可以避免其危险的受体生物,应当确定为安全等级Ⅱ。

    (三)对人类健康和生态环境可能产生中度危险,但是通过采取安全控制措施,基本上可以避免其危险的受体生物,应当确定为安全等级Ⅲ。

    (四)对人类健康和生态环境可能产生高度危险,而且在封闭设施之外尚无适当的安全控制措施避免其发生危险的受体生物,应当确定为安全等级Ⅳ。包括:

    1.可能与其它生物发生高频率遗传物质交换的有害生物;

    2.尚无有效技术防止其本身或其产物逃逸、扩散的有害生物;

    3.尚无有效技术保证其逃逸后,在对人类健康和生态环境产生不利影响之前,将其捕获或消灭的有害生物。

    第十二条 基因操作对受体生物安全等级影响类型的确定

    基因操作对受体生物安全等级的影响分为三种类型,即:增加受体生物的安全性;不影响受体生物的安全性;降低受体生物的安全性。

    类型1 增加受体生物安全性的基因操作

    包括:去除某个(些)已知具有危险的基因或抑制某个(些)已知具有危险的基因表达的基因操作。

    类型2 不影响受体生物安全性的基因操作

    包括:

    1.改变受体生物的表型或基因型而对人类健康和生态环境没有影响的基因操作;

    2.改变受体生物的表型或基因型而对人类健康和生态环境没有不利影响的基因操作。

    类型3 降低受体生物安全性的基因操作

    包括:

    1.改变受体生物的表型或基因型,并可能对人类健康或生态环境产生不利影响的基因操作;

    2. 改变受体生物的表型或基因型,但不能确定对人类健康或生态环境影响的基因操作。

    第十三条 农业转基因生物安全等级的确定

    根据受体生物的安全等级和基因操作对其安全等级的影响类型及影响程度,确定转基因生物的安全等级。

    (一)受体生物安全等级为I的转基因生物

    1.安全等级为I的受体生物,经类型1或类型2的基因操作而得到的转基因生物,其安全等级仍为I。

    2.安全等级为Ⅰ的受体生物,经类型3的基因操作而得到的转基因生物,如果安全性降低很小,且不需要采取任何安全控制措施的,则其安全等级仍为I;如果安全性有一定程度的降低,但是可以通过适当的安全控制措施完全避免其潜在危险的,则其安全等级为Ⅱ;如果安全性严重降低,但是可以通过严格的安全控制措施避免其潜在危险的,则其安全等级为Ⅲ;如果安全性严重降低,而且无法通过安全控制措施完全避免其危险的,则其安全等级为IV。

    (二)受体生物安全等级为Ⅱ的转基因生物

    1.安全等级为Ⅱ的受体生物,经类型1的基因操作而得到的转基因生物,如果安全性增加到对人类健康和生态环境不再产生不利影响的,则其安全等级为I;如果安全性虽有增加,但对人类健康和生态环境仍有低度危险的,则其安全等级仍为Ⅱ。

    2.安全等级为Ⅱ的受体生物,经类型2的基因操作而得到的转基因生物,其安全等级仍为Ⅱ。

    3.安全等级为Ⅱ的受体生物,经类型3的基因操作而得到的转基因生物,根据安全性降低的程度不同,其安全等级可为Ⅱ、Ⅲ或IV,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    (三)受体生物安全等级为Ⅲ的转基因生物

    1.安全等级为Ⅲ的受体生物,经类型1的基因操作而得到的转基因生物,根据安全性增加的程度不同,其安全等级可为Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    2.安全等级为Ⅲ的受体生物,经类型2的基因操作而得到的转基因生物,其安全等级仍为Ⅲ。

    3.安全等级为Ⅲ的受体生物,经类型3的基因操作得到的转基因生物,根据安全性降低的程度不同,其安全等级可为Ⅲ或IV,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    (四)受体生物安全等级为Ⅳ的转基因生物

    1.安全等级为Ⅳ的受体生物,经类型1的基因操作而得到的转基因生物,根据安全性增加的程度不同,其安全等级可为I、Ⅱ、Ⅲ或IV,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    2.安全等级为IV的受体生物,经类型2或类型3的基因操作而得到的转基因生物,其安全等级仍为IV。

    第十四条 农业转基因产品安全等级的确定

    根据农业转基因生物的安全等级和产品的生产、加工活动对其安全等级的影响类型和影响程度,确定转基因产品的安全等级。

    (一)农业转基因产品的生产、加工活动对转基因生物安全等级的影响分为三种类型:

    类型1 增加转基因生物的安全性;

    类型2 不影响转基因生物的安全性;

    类型3 降低转基因生物的安全性。

    (二)转基因生物安全等级为I的转基因产品

    1.安全等级为I的转基因生物,经类型1或类型2的生产、加工活动而形成的转基因产品,其安全等级仍为I。

    2.安全等级为I的转基因生物,经类型3的生产、加工活动而形成的转基因产品,根据安全性降低的程度不同,其安全等级可为I、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    (三)转基因生物安全等级为Ⅱ的转基因产品

    1.安全等级为Ⅱ的转基因生物,经类型1的生产、加工活动而形成的转基因产品,如果安全性增加到对人类健康和生态环境不再产生不利影响的,其安全等级为I;如果安全性虽然有增加,但是对人类健康或生态环境仍有低度危险的,其安全等级仍为Ⅱ。

    2.安全等级为Ⅱ的转基因生物,经类型2的生产、加工活动而形成的转基因产品,其安全等级仍为Ⅱ。

    3.安全等级为Ⅱ的转基因生物,经类型3的生产、加工活动而形成的转基因产品,根据安全性降低的程度不同,其安全等级可为Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    (四)转基因生物安全等级为Ⅲ的转基因产品

    1.安全等级为Ⅲ的转基因生物,经类型1的生产、加工活动而形成的转基因产品,根据安全性增加的程度不同,其安全等级可为Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    2.安全等级为Ⅲ的转基因生物,经类型2的生产、加工活动而形成的转基因产品,其安全等级仍为Ⅲ。

    3.安全等级为Ⅲ的转基因生物,经类型3的生产、加工活动而形成转基因产品,根据安全性降低的程度不同,其安全等级可为Ⅲ或IV,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    (五)转基因生物安全等级为Ⅳ的转基因产品

    1.安全等级为Ⅳ的转基因生物,经类型1的生产、加工活动而得到的转基因产品,根据安全性增加的程度不同,其安全等级可为I、Ⅱ、Ⅲ或IV,分级标准与受体生物的分级标准相同。

    2.安全等级为IV的转基因生物,经类型2或类型3的生产、加工活动而得到的转基因产品,其安全等级仍为IV。

    第三章 申报和审批

    第十五条 凡在中华人民共和国境内从事农业转基因生物安全等级为Ⅲ和Ⅳ的研究以及所有安全等级的试验和进口的单位以及生产和加工的单位和个人,应当根据农业转基因生物的类别和安全等级,分阶段向农业转基因生物安全管理办公室报告或者提出申请。

    第十六条 农业部依法受理农业转基因生物安全评价申请。申请被受理的,应当交由国家农业转基因生物安全委员会进行安全评价。国家农业转基因生物安全委员会每年至少开展两次农业转基因生物安全评审。农业部收到安全评价结果后按照《中华人民共和国行政许可法》和《条例》的规定作出批复。

    第十七条 从事农业转基因生物试验和进口的单位以及从事农业转基因生物生产和加工的单位和个人,在向农业转基因生物安全管理办公室提出安全评价报告或申请前应当完成下列手续:

    (一)报告或申请单位和报告或申请人对所从事的转基因生物工作进行安全性评价,并填写报告书或申报书;

    (二)组织本单位转基因生物安全小组对申报材料进行技术审查;

    (三)提供有关技术资料。

    第十八条 在中华人民共和国从事农业转基因生物实验研究与试验的,应当具备下列条件:

    (一)在中华人民共和国境内有专门的机构;

    (二)有从事农业转基因生物实验研究与试验的专职技术人员;

    (三)具备与实验研究和试验相适应的仪器设备和设施条件;

    (四)成立农业转基因生物安全管理小组。

    第十九条 报告农业转基因生物实验研究和中间试验以及申请环境释放、生产性试验和安全证书的单位应当按照农业部制定的农业转基因植物、动物和微生物安全评价各阶段的报告或申报要求、安全评价的标准和技术规范,办理报告或申请手续 (见附录I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。

    第二十条 从事安全等级为I和Ⅱ的农业转基因生物实验研究,由本单位农业转基因生物安全小组批准;从事安全等级为Ⅲ和Ⅳ的农业转基因生物实验研究,应当在研究开始前向农业转基因生物安全管理办公室报告。

    研究单位向农业转基因生物安全管理办公室报告时应当提供以下材料:

    (一)实验研究报告书;

    (二)农业转基因生物的安全等级和确定安全等级的依据;

    (三)相应的实验室安全设施、安全管理和防范措施。

    第二十一条 在农业转基因生物(安全等级I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)实验研究结束后拟转入中间试验的,试验单位应当向农业转基因生物安全管理办公室报告。

    试验单位向农业转基因生物安全管理办公室报告时应当提供下列材料:

    (一)中间试验报告书;

    (二)实验研究总结报告;

    (三)农业转基因生物的安全等级和确定安全等级的依据;

    (四)相应的安全研究内容、安全管理和防范措施。

    第二十二条 在农业转基因生物中间试验结束后拟转入环境释放的,或者在环境释放结束后拟转入生产性试验的,试验单位应当向农业转基因生物安全管理办公室提出申请,经国家农业转基因生物安全委员会安全评价合格并由农业部批准后,方可根据农业转基因生物安全审批书的要求进行相应的试验。

      试验单位提出前款申请时,应当按照相关安全评价指南的要求提供下列材料:

      (一)安全评价申报书;

      (二)农业转基因生物的安全等级和确定安全等级的依据;

      (三)有检测条件和能力的技术检测机构出具的检测报告;

      (四)相应的安全研究内容、安全管理和防范措施;

    (五)上一试验阶段的试验总结报告;

    申请生产性试验的,还应当按要求提交农业转基因生物样品、对照样品及检测方法。

    第二十三条 在农业转基因生物安全审批书有效期内,试验单位需要改变试验地点的,应当向农业转基因生物安全管理办公室报告。

    第二十四条 在农业转基因生物试验结束后拟申请安全证书的,试验单位应当向农业转基因生物安全管理办公室提出申请。

    试验单位提出前款申请时,应当按照相关安全评价指南的要求提供下列材料:

    (一)安全评价申报书;

    (二)农业转基因生物的安全等级和确定安全等级的依据;

    (三)中间试验、环境释放和生产性试验阶段的试验总结报告;

    (四)按要求提交农业转基因生物样品、对照样品及检测所需的试验材料、检测方法,但按照本办法第二十二条规定已经提交的除外;

    (五)其他有关材料。

    农业部收到申请后,应当组织农业转基因生物安全委员会进行安全评价,并委托具备检测条件和能力的技术检测机构进行检测;安全评价合格的,经农业部批准后,方可颁发农业转基因生物安全证书。

    第二十五条 农业转基因生物安全证书应当明确转基因生物名称(编号)、规模、范围、时限及有关责任人、安全控制措施等内容。

    从事农业转基因生物生产和加工的单位和个人以及进口的单位,应当按照农业转基因生物安全证书的要求开展工作并履行安全证书规定的相关义务。

    第二十六条 从中华人民共和国境外引进农业转基因生物,或者向中华人民共和国出口农业转基因生物的,应当按照《农业转基因生物进口安全管理办法》的规定提供相应的安全评价材料,并在申请安全证书时按要求提交农业转基因生物样品、对照样品及检测方法。

    第二十七条 农业转基因生物安全评价受理审批机构的工作人员和参与审查的专家,应当为申报者保守技术秘密和商业秘密,与本人及其近亲属有利害关系的应当回避。

    第四章 技术检测管理

    第二十八条 农业部根据农业转基因生物安全评价及其管理工作的需要,委托具备检测条件和能力的技术检测机构进行检测。

    第二十九条 技术检测机构应当具备下列基本条件:

    (一)具有公正性和权威性,设有相对独立的机构和专职人员;

    (二)具备与检测任务相适应的、符合国家标准(或行业标准)的仪器设备和检测手段;

    (三)严格执行检测技术规范,出具的检测数据准确可靠;

    (四)有相应的安全控制措施。

    第三十条 技术检测机构的职责任务:

    (一)为农业转基因生物安全管理和评价提供技术服务;

    (二)承担农业部或申请人委托的农业转基因生物定性定量检验、鉴定和复查任务;

    (三)出具检测报告,做出科学判断;

    (四)研究检测技术与方法,承担或参与评价标准和技术法规的制修订工作;

    (五)检测结束后,对用于检测的样品应当安全销毁,不得保留;

    (六)为委托人和申请人保守技术秘密和商业秘密。

    第五章 监督管理与安全监控

    第三十一条 农业部负责农业转基因生物安全的监督管理,指导不同生态类型区域的农业转基因生物安全监控和监测工作,建立全国农业转基因生物安全监管和监测体系。

    第三十二条 县级以上地方各级人民政府农业行政主管部门按照《条例》第三十八条和第三十九条的规定负责本行政区域内的农业转基因生物安全的监督管理工作。

    第三十三条 有关单位和个人应当按照《条例》第四十条的规定,配合农业行政主管部门做好监督检查工作。

    第三十四条 从事农业转基因生物试验、生产的单位,应当接受农业行政主管部门的监督检查,并在每年3月31日前,向试验、生产所在地省级和县级人民政府农业行政主管部门提交上一年度试验、生产总结报告。

    第三十五条 从事农业转基因生物试验和生产的单位 ,应当根据本办法的规定确定安全控制措施和预防事故的紧急措施,做好安全监督记录,以备核查。

    安全控制措施包括物理控制、化学控制、生物控制、环境控制和规模控制等(见附录Ⅳ)。

    第三十六条 安全等级Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的转基因生物,在废弃物处理和排放之前应当采取可靠措施将其销毁、灭活,以防止扩散和污染环境。发现转基因生物扩散、残留或者造成危害的,必须立即采取有效措施加以控制、消除,并向当地农业行政主管部门报告。

    第三十七条 农业转基因生物在贮存、转移、运输和销毁、灭活时,应当采取相应的安全管理和防范措施,具备特定的设备或场所,指定专人管理并记录。

    第三十八条 发现农业转基因生物对人类、动植物和生态环境存在危险时,农业部有权宣布禁止生产、加工、经营和进口,收回农业转基因生物安全证书,由货主销毁有关存在危险的农业转基因生物。

    第六章 罚则

    第三十九条 违反本办法规定,从事安全等级Ⅲ、Ⅳ的农业转基因生物实验研究或者从事农业转基因生物中间试验,未向农业部报告的,按照《条例》第四十二条的规定处理。

    第四十条 违反本办法规定,未经批准擅自从事环境释放、生产性试验的,或已获批准但未按照规定采取安全管理防范措施的,或者超过批准范围和期限进行试验的,按照《条例》第四十三条的规定处罚。

    第四十一条 违反本办法规定,在生产性试验结束后,未取得农业转基因生物安全证书,擅自将农业转基因生物投入生产和应用的,按照《条例》第四十四条的规定处罚。

    第四十二条 假冒、伪造、转让或者买卖农业转基因生物安全证书、审批书以及其他批准文件的,按照《条例》第五十一条的规定处罚。

    第四十三条 违反本办法规定核发农业转基因生物安全审批书、安全证书以及其他批准文件的,或者核发后不履行监督管理职责的,按照《条例》第五十三条的规定处罚。

    第七章 附则

    第四十四条 本办法所用术语及含义如下:

    一、基因,系控制生物性状的遗传物质的功能和结构单位,主要指具有遗传信息的DNA片段。

    二、基因工程技术,包括利用载体系统的重组DNA技术以及利用物理、化学和生物学等方法把重组DNA分子导入有机体的技术。

    三、基因组,系指特定生物的染色体和染色体外所有遗传物质的总和。

    四、DNA,系脱氧核糖核酸的英文名词缩写,是贮存生物遗传信息的遗传物质。

    五、农业转基因生物,系指利用基因工程技术改变基因组构成,用于农业生产或者农产品加工的动植物、微生物及其产品。

    六、目的基因,系指以修饰受体细胞遗传组成并表达其遗传效应为目的的基因。

    七、受体生物,系指被导入重组DNA分子的生物。

    八、种子,系指农作物和林木的种植材料或者繁殖材料,包括籽粒、果实和根、茎、苗、芽、叶等。

    九、实验研究,系指在实验室控制系统内进行的基因操作和转基因生物研究工作。

    十、中间试验,系指在控制系统内或者控制条件下进行的小规模试验。

    十一、环境释放,系指在自然条件下采取相应安全措施所进行的中规模的试验。

    十二、生产性试验,系指在生产和应用前进行的较大规模的试验。

    十三、控制系统,系指通过物理控制、化学控制和生物控制建立的封闭或半封闭操作体系。

    十四、物理控制措施,系指利用物理方法限制转基因生物及其产物在实验区外的生存及扩散,如设置栅栏,防止转基因生物及其产物从实验区逃逸或被人或动物携带至实验区外等。

    十五、化学控制措施,系指利用化学方法限制转基因生物及其产物的生存、扩散或残留,如生物材料、工具和设施的消毒。

    十六、生物控制措施,系指利用生物措施限制转基因生物及其产物的生存、扩散或残留,以及限制遗传物质由转基因生物向其它生物的转移,如设置有效的隔离区及监控区、清除试验区附近可与转基因生物杂交的物种、阻止转基因生物开花或去除繁殖器官、或采用花期不遇等措施,以防止目的基因向相关生物的转移。

    十七、环境控制措施,系指利用环境条件限制转基因生物及其产物的生存、繁殖、扩散或残留,如控制温度、水份、光周期等。

    十八、规模控制措施,系指尽可能地减少用于试验的转基因生物及其产物的数量或减小试验区的面积,以降低转基因生物及其产物广泛扩散的可能性,在出现预想不到的后果时,能比较彻底地将转基因生物及其产物消除。

    第四十五条 本办法由农业部负责解释。

    第四十六条 本办法自2002年3月20日起施行。1996年7月10日农业部发布的第7号令《农业生物基因工程安全管理实施办法》同时废止。

    来源机构: 农业农村部 | 点击量:310
  • 摘要:

    农业转基因生物标识管理办法

    (2002年1月5日农业部令第10号公布,2004年7月1日农业部令第38号、2017年11月30日农业部令2017年第8号修订)

    第一条 为了加强对农业转基因生物的标识管理,规范农业转基因生物的销售行为,引导农业转基因生物的生产和消费,保护消费者的知情权,根据《农业转基因生物安全管理条例》(简称《条例》)的有关规定,制定本办法。

    第二条 国家对农业转基因生物实行标识制度。实施标识管理的农业转基因生物目录,由国务院农业行政主管部门商国务院有关部门制定、调整和公布。

    第三条 在中华人民共和国境内销售列入农业转基因生物标识目录的农业转基因生物,必须遵守本办法。

    凡是列入标识管理目录并用于销售的农业转基因生物,应当进行标识;未标识和不按规定标识的,不得进口或销售。

    第四条 农业部负责全国农业转基因生物标识的监督管理工作。

    县级以上地方人民政府农业行政主管部门负责本行政区域内的农业转基因生物标识的监督管理工作。

    国家质检总局负责进口农业转基因生物在口岸的标识检查验证工作。

    第五条 列入农业转基因生物标识目录的农业转基因生物,由生产、分装单位和个人负责标识;经营单位和个人拆开原包装进行销售的,应当重新标识。

    第六条 标识的标注方法:

    (一)转基因动植物(含种子、种畜禽、水产苗种)和微生物,转基因动植物、微生物产品,含有转基因动植物、微生物或者其产品成份的种子、种畜禽、水产苗种、农药、兽药、肥料和添加剂等产品,直接标注“转基因××”。

    (二)转基因农产品的直接加工品,标注为“转基因××加工品(制成品)”或者“加工原料为转基因××”。

    (三)用农业转基因生物或用含有农业转基因生物成份的产品加工制成的产品,但最终销售产品中已不再含有或检测不出转基因成份的产品,标注为“本产品为转基因××加工制成,但本产品中已不再含有转基因成份”或者标注为“本产品加工原料中有转基因××,但本产品中已不再含有转基因成份”。

    第七条 农业转基因生物标识应当醒目,并和产品的包装、标签同时设计和印制。

    难以在原有包装、标签上标注农业转基因生物标识的,可采用在原有包装、标签的基础上附加转基因生物标识的办法进行标注,但附加标识应当牢固、持久。

    第八条 难以用包装物或标签对农业转基因生物进行标识时,可采用下列方式标注:

    (一)难以在每个销售产品上标识的快餐业和零售业中的农业转基因生物,可以在产品展销(示)柜(台)上进行标识,也可以在价签上进行标识或者设立标识板(牌)进行标识。

    (二)销售无包装和标签的农业转基因生物时,可以采取设立标识板(牌)的方式进行标识。

    (三)装在运输容器内的农业转基因生物不经包装直接销售时,销售现场可以在容器上进行标识,也可以设立标识板(牌)进行标识。

    (四)销售无包装和标签的农业转基因生物,难以用标识板(牌)进行标注时,销售者应当以适当的方式声明。

    (五)进口无包装和标签的农业转基因生物,难以用标识板(牌)进行标注时,应当在报检(关)单上注明。

    第九条 有特殊销售范围要求的农业转基因生物,还应当明确标注销售的范围,可标注为“仅限于××销售(生产、加工、使用)”。

    第十条 农业转基因生物标识应当使用规范的中文汉字进行标注。

    第十一条 销售农业转基因生物的经营单位和个人在进货时,应当对货物和标识进行核对。

    第十二条 违反本办法规定的,按《条例》第五十条规定予以处罚。

    第十三条 本办法由农业部负责解释。

    第十四条 本办法自2002年3 月20 日起施行。

      

    附件

      

    第一批实施标识管理的农业转基因生物目录   

    1、大豆种子、大豆、大豆粉、大豆油、豆粕

    2、玉米种子、玉米、玉米油、玉米粉(含税号为11022000、11031300、11042300的玉米粉)

    3、油菜种子、油菜籽、油菜籽油、油菜籽粕

    4、棉花种子

    5、番茄种子、鲜番茄、番茄酱   

    来源机构: | 点击量:292
  • 摘要:

    10月7日,澳大利亚新西兰食品标准局(FSANZ)发布173-21号公告,对《澳大利亚新西兰食品标准法规》中“转基因食品”和“基因技术”的定义修订提案征询公众意见。

    该提案主要修订内容为:修订和扩展“基因技术”的定义,涵盖除常规育种之外的所有基因改造方法;修改“转基因食品”的定义,免除某些食品在批准上市前的安全评估。FSANZ认为,如果以新育种技术创制的生物为原料加工生产的食品不含外源基因,且特性和安全风险性与传统食品相同,则不应将其归类为转基因食品。该修订旨在使“转基因食品”和“基因技术”的定义更加清晰明确,更好地注释包括新兴育种技术在内的基因技术。本次公众意见征询截止时间为2021年12月3日。

    来源机构: | 点击量:141
  • 摘要:

    9月29日,英国环境大臣尤斯蒂斯发布了一项基因编辑技术应用计划。该计划作为英国政府对基因编辑技术监管法规公众咨询的回应,将为基因编辑技术应用奠定基础。

    该计划拟修改基因编辑技术相关法律法规,尤其是对于基因变化通过自然变异或常规育种也能够获得的基因编辑植物,简化其行政程序、推动创新研发;修改转基因生物定义,当基因编辑或其他遗传技术创制的生物其基因变化通过常规育种技术也能够获得时,可免除监管;转基因监管法规将继续适用于含有外源DNA的基因编辑生物。此外,英国环境、食品和农村事务部、英国食品标准局、英国植物育种者协会和英国罗斯林研究所的科学家对此计划表示支持,认为基因编辑技术在保障粮食生产、可持续农业发展、应对气候变化等方面具有重要作用。

    来源机构: 英国政府 | 点击量:125
  • 摘要:

    面对日趋严重的水资源短缺问题,包括纳滤和反渗透在内的高压膜技术在饮用水、再生水处理以及海水、苦咸水淡化等方面逐渐得到了广泛应用。膜污染是膜分离过程中存在的普遍现象,会导致出水水质变差、膜使用寿命缩短、运行成本增加等问题,因此需要对膜污染机理进行深入解析并研发抑制或缓解膜污染的有效手段。膜污染的形成由膜表面性质、进水水质和运行条件共同决定,故通常也从这三方面进行膜污染控制。

    相比于预处理、膜清洗、添加抑菌剂阻垢剂这些需要额外消耗化学品或增加能耗的操作,增强膜自身的抗污染能力更具优势。使用抗污染的膜能够与更好地现有工艺组件适配,耐受更高污染物浓度的进水,且有助于在不增加运行负荷的情况下提高产水率(减少浓水体积) 。尽管随着污染物在膜表面的累积,污染过程会由污染物-膜相互作用主导逐渐转变为污染物-污染物相互作用主导,但膜表面性质仍显著影响初期污染物在膜表面的粘附和污染层的形成,也影响清洗过程中污染物从膜上脱离的难易程度。针对膜表面性质对膜污染行为的影响,目前已开展了大量研究,但由于膜表面性质的复杂性和膜污染类型的多样性,尚未形成系统性的认识和统一结论。

    因此,全面总结膜污染与膜表面性质相关性方面的研究进展,对膜材料研发和膜污染控制具有重要的指导意义。根据污染物不同,膜污染类型可分为有机污染、无机污染、结垢污染和生物污染4大类。有机污染主要由进水中的腐殖质、多糖和蛋白质等溶解性有机物导致,对应膜污染研究中常用的模型污染物分别为腐殖酸(HA) 或富里酸(FA) 、海藻酸钠(SA) 和牛血清蛋白(BSA) 。无机污染是由水体中的铝、铁、硅等无机胶体和微粒造成的污染,而结垢污染一般指的是钙等二价阳离子的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐以及硅酸等物质在膜表面的结晶或沉积。生物污染则由粘附在膜表面的微生物及其代谢产物引起,二者共同形成生物膜后会进一步加重生物污染。在实际应用中,通常出现的是由多种污染物共存造成的复合污染,并且进水水质的差异也会导致膜污染的主要类型有所不同。影响膜污染行为的关键性质主要包括膜表面的亲疏水性、荷电性、官能团种类以及粗糙度(详见图1) 。前3项理化性质决定了膜材料与特定污染物之间的疏水作用、静电作用以及氢键等特异性相互作用,而膜表面粗糙度则通过粗糙结构、规则图案等形貌特征影响污染物与膜的接触面积以及错流过滤时膜表面的水力条件。

    目前涉及膜表面性质对膜污染影响的综述文章较少,其中多数也仅针对单一污染类型进行了简要介绍。本文将依次探讨各个膜表面性质对不同类型膜污染的影响,进而对有助于膜污染控制的关键性质进行总结,最后为后续相关科学研究的开展和抗污染膜的研发提出了建议。

    摘 要

    围绕纳滤膜和反渗透膜在水处理应用中的膜污染问题,论述了膜表面亲疏水性、荷电性、官能团和粗糙度4种关键性质对包括有机污染、无机污染、结垢污染和生物污染在内的不同污染类型的影响,分析了研究中由膜表面性质耦合性和污染物性质差异所导致的不同结论,并总结了膜表面各性质对膜污染的影响机制以及存在不确定性的原因,可为针对膜表面性质与膜污染相关性的研究和抗污染膜的研发提供建议。

    01

    膜表面亲疏水性

    表面亲疏水性不仅影响膜的透水性能,对膜污染也具有重要影响。通常通过水接触角的测定对膜表面的亲疏水性进行表征; 接触角值越低,水-膜界面张力越小,表明膜表面越亲水。亲水性主要由膜表面存在的含氧官能团贡献,同时表面粗糙度也会影响接触角的测定值,可以通过Wenzel公式修正得到真实的接触角值。由于污染物与膜材料均具有一定疏水性,二者在水溶液中倾向于排斥周围的水分子而相互靠近,即发生疏水相互作用。众多研究表明,亲水性基团能够借助与水分子形成氢键在膜表面形成含水层,从而减弱污染物与膜表面之间的疏水作用。因此,亲水性强的膜受到的污染程度通常较轻。如Nabe 等研究发现,以BSA 作为代表性有机污染物时,膜通量下降程度与其表面接触角值呈正相关。使用含有羟基、磺酸基等亲水性基团的单体进行膜制备或表面改性能够显著增强膜表面的亲水性,有助于降低SA 和BSA 造成的有机污染。Kochkodan 等研究表明: 微生物细胞与膜表面的疏水作用越强,粘附现象越严重。Boussu 等比较了4 种尺寸、带电性不同的硅、铝胶体颗粒对5 种商品化纳滤膜的污染情况,各纳滤膜均带负电,但表面亲疏水性显著不同,结果发现,无论胶体颗粒的性质如何,膜表面亲疏水性都对胶体污染过程具有重要影响。同样,提高膜表面亲水性也有助于延缓膜表面CaSO4结垢的发生。污染物在膜表面的结垢机理通常包括异相成核和均相成核2种: 前者是指结垢物质先在膜表面形成微小晶核,随后通过晶核的生长和联结形成结垢层; 后者则是由于高压膜的浓缩作用,溶质在过饱和溶液中形成晶体,进而沉淀到膜表面。为了进一步独立研究膜材料表面亲疏水性对CaSO4结垢的影响,近期Huang 等制备了终端分别含有—OH、—CH3和—CF3官能团的自组装单分子层,均不带电荷且与Ca2+和SO2-4不发生特异性相互作用。利用耗散性石英晶体微天平(QCM-D) 的研究表明,较疏水表面的成核能垒较低,能够促进CaSO4的表面异相成核过程,同时也通过疏水相互作用增加主体溶液中均相成核晶体在表面上的粘附。由此可见,对于所有类型的膜污染而言,较高的膜表面亲水性都是降低膜污染影响的有利性质。

    02

    膜表面荷电性

    膜表面电荷通过引起膜与污染物之间的静电相互作用来影响膜污染过程。当膜表面与污染物带同种电荷时,通常能够通过静电排斥作用减少污染物在膜表面的粘附和沉积,从而减缓膜污染发生。由界面聚合反应制得的聚酰胺膜表面一般同时含有负电性(羧基) 和正电性(氨基) 官能团,在中性水溶液中整体带负电。除了自身含有的带电基团外,膜表面呈现的荷电性也与溶液pH、离子种类、离子强度等水质条件有关,进一步对膜污染造成影响。在中性pH 条件下,水中腐殖质、蛋白质等有机污染物大多呈负电性,因此膜表面带负电荷对降低有机污染有一定益处。同样,水中大多数细菌也带负电,但膜表面荷电性可能对细菌的初始粘附过程和后续生长阶段产生不同影响。Gottenbos 等研究表明,带负电聚合物表面能够通过静电排斥作用减缓革兰氏阴性菌的初始粘附,但无法抑制细菌附着之后的指数态生长; 相反,尽管细菌在带正电聚合物表面的初始粘附更快,但正电性表面能够通过强烈的静电吸引作用阻碍革兰氏阴性菌生长必需的伸长和分裂,从而对生物膜的形成产生一定抑制作用。Rathinam 等通过原子力显微镜( AFM) 测定了SiO2胶体与不同官能团修饰表面之间的粘附力,发现负电性、电中性、正电性表面与SiO2之间的粘附力依次增强。Tong 等将不同聚合物接枝到聚酰胺膜表面,研究各改性膜在过滤硅饱和溶液时的结垢行为。结果表明相比于表面亲水性和异相成核自由能,膜表面荷电性对硅结垢的影响最为显著。由于硅酸的聚合由负电性的硅组分主导,带正电膜表面会通过静电吸引作用促进硅垢的形成,而带负电膜表面则能够延缓硅结垢过程。然而,Steiner 等研究指出: 由于带负电表面容易积累Ca2+ 而带正电表面易吸引负电性的Ca3(PO4)2颗粒,不带电的膜表面更有利于减轻Ca3(PO4)2结垢。

    03

    膜表面官能团

    除了决定膜表面整体的亲疏水性和荷电性以及相应的疏水和静电相互作用之外,膜表面官能团也会通过与污染物产生特异性相互作用影响膜污染的发生。Mustafa 等通过在陶瓷纳滤膜表面接枝不同化学官能团研究HA 和FA 的污染行为,发现膜污染程度主要由污染物与表面官能团之间相互作用的种类和强度决定,而非膜表面亲疏水性。Contreras等利用自组装单分子层和QCM-D 技术比较了不同化学官能团( —COOH、—NH2、—CONH2、—OH等) 对SA 和BSA 的吸附能力,发现越疏水的表面吸附SA 越多,而同时含有氨基和羧基的BSA 在—COOH、—NH2和—CONH2组成的3 种亲水性表面吸附量更高。结果表明,即使膜表面和污染物整体上呈现静电排斥作用,二者局部官能团之间形成的氢键及盐桥作用仍可能导致严重的吸附现象。相比之下,—OH 是有利于减轻有机污染的理想官能团。此外,Aizenberg 等研究发现,极性官能团( 如—COOH、—OH、—SO3H 等) 比非极性官能团( 如、—CH3) 更容易导致CaCO3结晶。除了提供负电荷以外,膜表面普遍含有的羧基也容易和污染物发生特异性相互作用从而影响膜污染,尤其是进水中二价阳离子含量较高时。大量研究表明,Ca2+等二价阳离子的存在会加重溶解性有机物造成的膜污染。Jin 等从界面自由能的角度揭示了Ca2+能够在膜表面羧基与SA 分子的羧基之间形成架桥作用,从而加重SA 造成的膜污染并增加膜清洗的难度。为此,Mo 等尝试将制备传统聚酰胺膜所用的油相单体均苯三甲酰氯( TMC) 换为间苯二甲酰氯( IPC) ,制得了其他性质不变、表面羧基更少的纳滤膜,发现在Ca2+ 存在的情况下,减少膜表面羧基含量能够有效降低膜对SA 的粘附力。Yuan 等研究指出: 传统聚酰膜的羧基由于直接与苯环相连,去质子化能力较强,因此容易与Ca2+结合。当使用酸度系数更高的单体( TMDMA) 替代TMC 进行制膜时,膜表面羧基的去质子化能力以及对Ca2+ 的络合能力均减弱,从而一定程度上缓解了Ca2+的架桥作用。除此之外,羧基与Ca2+的特异性相互作用也会促进CaSO4在膜表面的异相结晶以及钙-硅酸盐络合物在膜表面的沉积,从而导致更严重的结垢污染。与羧基相比,磺酸基具有更低的酸度系数,是制备荷负电膜更为理想的表面官能团。Zhao 等通过密度泛函理论( DFT) 计算得出,水溶液中磺酸基与Ca2+的结合能力比羧基要弱。同时,磺酸基与SiO2的相互作用也较弱,能够减缓膜表面SiO2的成核及其聚集体在膜表面的沉积。Guan 等通过将聚酰胺膜表面的羧基完全替换为磺酸基,同时提高了膜对硅结垢、SA 污染以及二者复合污染的抵抗能力。除此之外,具有较低表面能的材料( 如硅树脂、含氟聚合物等) 被证明与细菌及有机物的结合力较弱,能够减少污染物的黏附并使得黏附在膜上的污染物更容易脱离。Li 等研究报道,在聚酰胺膜表面接枝全氟烃基能够有效降低膜的表面能,显著减轻腐殖酸和蛋白质所造成的膜污染。同时含有阴离子和阳离子基团的两性离子( zwitterions) 也是有利于提高膜抗污染能力的化学结构,对有机污染和结垢污染的控制均有帮助。降低生物污染一般通过减少粘附、杀灭微生物或抑制生物膜形成来实现。Baek 等研究认为,不同商品化聚酰胺膜的表面粗糙度、亲疏水性、荷电性等性质的差异对生物污染的影响有限。相比于调控膜表面的这些基本性质,引入抗菌性的官能团或纳米材料可能更为有效,包括Ag、Cu 等纳米颗粒,氧化石墨烯、MXene 等二维材料,以及抗生素等。这些材料一部分通过直接接触对细菌进行灭活,另一部分则能够持续释放杀菌剂,从而在膜表面附近形成对微生物具有抑制作用的边界层。

    04

    膜表面粗糙度

    膜表面的亲疏水性、荷电性和官能团种类决定了膜与特定污染物之间的疏水作用、静电作用和特异性相互作用,而表面粗糙度则影响污染物与膜的接触面积或位点,以及错流过滤时膜表面的水力条件。决定膜表面粗糙度的形貌特征可分为粗糙结构和规则图案两类。

    1.表面粗糙结构

    利用界面聚合法制得的聚酰胺膜表面通常均匀、密集地分布着纳米尺度的粗糙结构,尤其是反渗透膜表面具有典型的“脊-谷”( ridge-valley) 形貌,导致其粗糙度较高。大量研究认为,粗糙膜比光滑膜更易受到膜污染的影响: 一方面,膜表面较高的粗糙度为污染物的接触提供了更大表面积; 另一方面,粗糙表面易存在水流剪应力较小的“死区”,使得黏附或沉积到膜上的污染物难以被冲刷掉,从而加重不可逆污染。Hashino 等研究显示,膜表面粗糙度越高,SA所导致的膜污染程度越大。相比于亲疏水性、负电荷密度等化学性质,膜表面粗糙度与硅胶体污染速率的相关性最为显著。Lin 等借助QCM-D 定量化研究了CaSO4在不同聚电解质多层膜表面结晶的动力学特征,发现当表面电荷类型相同时,粗糙膜表面的CaSO4结垢现象更严重。较粗糙的膜表面也更容易导致细菌的黏附和生物膜的形成。近期,Shang 等通过传统界面聚合过程和新兴的自由界面(free-standing) 聚合技术分别制备了表面粗糙和光滑的反渗透膜用于膜污染实验,发现所有污染物(BSA、HA、SA、CaSO4、SA-Ca2+和大肠杆菌) 都对粗糙膜造成了更严重的污染。金纳米颗粒过滤和计算流体力学(CFD) 的结果表明,粗糙膜水通量的不均匀性导致其污染速率更高,同时其表面“谷”结构区域形成的涡流不够充分,使得错流条件下污染物更难从膜表面清除。除了整体的粗糙度参数以外,膜表面粗糙结构的形态、高度和间隔距离等特征也对膜污染的发生有所影响,尤其是对于结垢和无机污染。Lin 等研究表明,在表面粗糙度相同的情况下,粗糙结构的高度和间距决定了膜表面“谷”区域的几何形状,从而影响CaSO4晶体可获得的表面成核位点并限制其在该区域内的生长速率。粗糙结构的高度差越大、间距越小,胶体颗粒越容易沉积到膜表面“谷”区域,造成严重的阻塞现象与膜通量下降。膜表面形貌的周期性变化也可能导致局部污染物-膜相互作用的差异。Bowen 等利用AFM 定量化表征了NaCl 背景溶液中反渗透膜表面“脊”和“谷”结构与SiO2胶体之间的静电斥力和黏附力,发现尽管膜表面“脊”结构对胶体的静电斥力较弱,但“谷”区域对胶体的黏附力显著更强。关于膜表面形貌特征和粗糙度对膜污染的影响,也有一些不同结论。Li 等通过XDLVO 理论和DFT 计算得知,当链状污染物分子( 如SA) 的长度显著大于膜表面微观形貌的尺寸时,污染物不会依照膜表面形貌调整其分子构型,而倾向于直接附着到膜表面。因此,相比于光滑膜,粗糙膜表面与污染物的接触位点更少,能够减轻黏附性污染。Jiang 等制备了一系列粗糙度不同(0.2~80 nm) 的聚酰胺反渗透膜,发现当膜的初始通量相同时,BSA 对膜的污染速率与粗糙度无明显关系。Shang 等的研究则表明,当纳滤膜表面形貌由相对光滑变为条纹状时,更多的BSA 沉积在膜表面“谷”区域,导致膜污染程度显著增大; 而膜表面条纹形貌进一步加强时,由于凸起的条纹结构不易被污染物覆盖,膜在污染后反而能保持相对较高的水通量。

    2.表面规则图案

    受自然界中粗糙表面( 如贝壳、蝴蝶翅膀、鲨鱼皮) 能够有效抗生物污染的启发,近年来研究者研制了多种具有表面微观图案( patterns) 的新型纳滤膜和反渗透膜。不同于膜表面原有的由界面聚合反应自发形成的纳米级形貌,这些规整的亚微米尺度以上的表面图案对膜透水性和截留能力影响不大,但能够有效强化水力条件( 提高水流剪切应力并在图案附近产生局部湍流) ,从而有助于改善浓差极化现象并减少各类污染物在膜表面的沉积和黏附。这类膜的制备通常先是借助纳米压印或相分离- 微成型技术得到具有表面图案的微滤或超滤基膜,然后在基膜上利用界面聚合法合成选择层。如Maruf等利用纳米压印技术在商品化聚醚砜超滤膜上引入了亚微米级的线性凹槽图案,该图案不影响膜的过滤性能,但能够显著减少过滤过程中胶体硅颗粒在膜表面的沉积,减少效果与颗粒尺寸、图案高度、错流速率、水流与图案线条的角度等因素有关。该研究团队以此类超滤膜为基膜制备了聚酰胺复合( TFC) 膜,发现表面具有线型图案的TFC 膜比传统膜受CaSO4结垢污染的程度更轻。Choi 等发现: 相比于线型等简单的表面图案,类似鲨鱼皮的图案能够最大程度上使膜表面的水流情况复杂化,从而抑制生物膜的生长,显著增强膜抗生物污染的能力。除此之外,Weinman 等尝试利用热压花法直接对商品纳滤膜表面进行改造,发现无论是用平滑印版降低膜表面粗糙度,还是用线型凹槽模板制造相应的表面图案,都能够减轻SA 对膜的污染程度。Wang 等通过在聚乙烯支撑层上合成聚酰胺选择层制得了超薄、高柔韧性的PENF 膜。在过滤压力下,放置在纯水侧的格网可以起到原位压印器的作用,使膜自动形成毫米级别的表面图案。相比于其他几种商品化纳滤膜( DF30、DF90 和NF270) ,PENF 膜对有机(SA) 、无机(Al) 、结垢(CaSO4) 污染以及复合污染都有更强的抵抗力。除了通过制造微观图案来改善膜表面水力条件之外,向膜表面引入聚合物刷也是一种减轻膜污染的策略。尽管有可能增加表面粗糙度,但沉积或接枝到膜表面的聚合物刷能够通过空间排斥作用阻碍污染物的靠近,为膜表面提供一个有效屏障。同时,悬垂在水溶液中的聚合物分子链存在布朗运动,能够降低结垢物质在膜表面的结晶速率。该方法对膜污染的改善效果取决于聚合物刷的长度、密度和规则性。

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    总结

    膜污染是制约膜分离技术进一步推广应用的关键因素,也是膜领域的研究重点之一。在膜污染过程中,膜表面性质对污染物的黏附或沉积速率、污染层的微观结构以及污染的可逆性具有重要影响。一方面,由于污染物的多样性,特定膜表面性质对膜污染行为的影响可能不尽相同; 另一方面,由于膜表面各性质的耦合性,在实验中较难实现单一变量的严格控制,因此即便对于同种污染物,不同研究所关注的主导污染机制也可能存在差异。总体而言,提高膜表面的亲水性通常有利于各种类型膜污染的控制,而膜表面荷电性对膜污染的影响则较为复杂。膜表面带负电有助于减缓负电性胶体、细菌在膜表面的黏附以及硅结垢,但对有机污染及其他结垢物质的影响具有不确定性。污染物与膜表面的结合以及膜污染的可逆程度不仅与非特异性的疏水和静电相互作用有关,氢键、盐桥等特异性相互作用也扮演着重要角色。因此,除了膜表面整体的亲疏水性和荷电性之外,还需要关注具体官能团对膜污染的影响。在常用的聚酰胺膜中,羧基为膜表面提供了负电荷,也对膜表面亲水性有一定贡献,但羧基与Ca2+的特异性相互作用会加重有机污染以及Ca3(PO4)2和CaSO4的结垢; 而氨基的正电性容易吸引带负电的有机污染物,并且不利于硅结垢的控制。当需要制备或通过表面改性获得电中性和负电性膜时,羟基和磺酸基分别是较为理想的官能团。二者既能提高膜表面的亲水性,也能满足膜对荷电性的要求,同时能减轻Ca2+架桥作用的不利影响。膜表面粗糙度等形貌特征对膜污染的影响也具有不确定性。粗糙度的增加会产生膜与污染物接触面积增大和水力条件变化2方面影响。相比于完全光滑的表面,聚酰胺膜表面常见的纳米级粗糙结构会增大膜与细菌或有机污染物的接触面积,并且在错流过滤时产生水力条件较差的“死区”。同时,胶体、结垢晶体等物质也容易落入膜表面的“谷”区域,从而导致严重的污染物累积与过滤通量下降。而对于膜表面引入的亚微米至毫米级的规则图案而言,水流剪切应力的提高起主导作用,能够一定程度上缓解各种类型的膜污染。因此,膜表面形貌对膜污染控制的利弊取决于上述哪种影响更为显著。这与污染物与膜表面粗糙结构的相对尺寸有关,也是已有研究中针对此问题存在较大争议的主要原因。

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    展望

    尽管目前已获得了大量研究成果,但在膜表面性质与膜污染的相关性方面还需要进一步深入研究。一方面,为了避免膜制备过程中不同性质的耦合性变化,以及膜过滤性能差异对膜污染过程的影响,众多研究采用了自组装单分子层等模型表面来模拟具有不同官能团、荷电性及亲疏水性的膜表面,并借助AFM、QCM-D 等技术来探究不同性质的表面与污染物的相互作用以及膜污染的微界面过程。这些基于模型表面和非过滤条件得出的结论是否适用于实际膜分离过程仍有待验证。另一方面,由于附着在膜上的污染物会改变膜表面原始的物理化学性质,需要考察实验得出的有利性质在长期运行中的抗污染效果。例如,多种商品化反渗透膜( 如SW30HR) 在聚酰胺选择层上增加了聚乙烯醇(PVA) 涂层,通过提高膜表面亲水性和降低粗糙度来增强膜的抗污染能力。Lee 等研究表明,在污染初期,亲水性PVA涂层能够有效减缓生物污染,然而其优势会随着生物膜的形成逐渐被削弱。Tang 等研究也指出,在长期运行和严重的污染条件下,表面粗糙度和亲水性不同的多种聚酰胺膜受HA 污染的程度没有显著差别。由此可见,随着污染物在膜表面的积累和覆盖,膜表面亲水性、荷电性等化学性质以及纳米级粗糙结构对污染过程的影响可能逐渐减弱。相比之下,膜表面图案对水力条件的改善能够较长期稳定保持,有助于延长膜的抗污染效果。根据膜表面性质与膜污染相关性方面的研究结论,以适当的制备或改性方法优化膜表面性质是缓解膜污染的重要途径。由本文分析可知,尽可能高的表面亲水性和能够强化膜表面水力条件的规则图案是提高膜抗污染能力的有利性质,而对膜表面荷电性和官能团组成的调控则要依据进水水质和主要污染物种类而定。由于实际进水中同时存在多种类型的污染物,还需要结合复合污染的机理研究,针对多目标对膜性质进行调控,考察膜在面对复合污染时的抗污染性能。即便是针对某一特定的污染类型,膜改性工作也应兼顾不同性质的变化及其影响。如Cao 等利用氧化石墨烯( GO) 涂层对聚酰胺膜进行改性,发现膜表面亲水性的提高和负电性的增强使得CaSO4结垢过程中膜的通量下降有所减缓; 但由于GO 涂层中大量羧基与Ca2+的络合作用,CaSO4与膜表面的结合更为紧密,从而导致通量的可恢复性变差。相比于抗有机污染和生物污染,抗结垢膜的研发仍缺乏明确的指导,需要更多基础研究的开展和实际工程效果的验证。除了污染物-膜相互作用之外,与Ca2+ 相关的结垢性污染在很大程度上还受到膜对Ca2+ 截留率的影响。例如,Boo 等通过适当增大膜孔径提高了膜对Ca2+的透过率,进而显著降低了CaSO4在膜表面的结垢潜势。在设计和调控膜表面性质时还需要注意,除了影响膜污染外,膜选择层的表面性质也和微观结构( 孔径、厚度、孔隙率等) 共同决定了膜的过滤性能。提高膜表面亲水性有利于增强膜的透水能力和对小分子有机物的截留能力; 膜表面荷电性对离子等带电溶质的截留具有显著影响; 而膜表面粗糙度的增加能够通过增大有效过滤面积来提高水通量。因此,需要根据去除的污染物对象以及优先控制的膜污染类型,在满足处理目标的基础上,兼顾其对膜分离性能( 透水性、选择性) 和抗污染能力的影响。此外,除了通过改变膜表面性质增强膜的抗污染性能外,研发污染后具有自清洁能力的膜、能够再生利用的表面涂层等也是减轻膜污染影响的有效策略。同时,调控膜表面性质的作用也有一定局限性,还需要结合水质调节、运行参数优化、清洗效率提高等措施来共同保障膜分离过程的长期稳定性。

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  • 摘要:

    固定生物膜—活性污泥(IFAS)工艺起源于不设置污泥回流的接触氧化法,该法主要通过生物膜上的微生物处理污水,曾被广泛应用。随着新型填料的开发和活性污泥回流系统的增设,基于填料生物膜与悬浮活性污泥的复合工艺得以形成,最早应用于Broomfield污水处理厂的升级改造,随后在美国东西部、加拿大和德国都有广泛的应用。由于IFAS工艺具有诸多优势,如占地面积小,污泥产量小,抗冲击负荷能力强,不仅能高效脱氮除碳,还可以调和生物脱氮除磷的泥龄矛盾等。

    因此,非常适用于活性污泥工艺的升级改造,在我国的新建水厂和改、扩建水厂中的应用也有增多的趋势,如,宁波市某污水处理厂将原曝气池末端改为好氧池,并投加30%的聚乙烯流化床填料。填料挂膜稳定后,其对氨氮的处理效率由67.6%升高至86.7%,污泥减量近30%。不仅如此,Shreve等研究了美国东部使用IFAS工艺的污水处理厂对TrOC的去除效果,发现除17个未检出TrOCs的样品外,实现了对其余样品TrOCs超过90%的去除率,即IFAS工艺对生活污水中的微量有机污染物有优良的去除效果。由于IFAS存在诸多优势,其在工业废水领域的应用也逐渐增多。

    Togna等将IFAS工艺用于食品制造业等工业废水的处理,发现对4080 mg/L的进水COD可实现88%的去除率。IFAS工艺的广泛应用及对多种污染物良好的去除效果,依赖于泥膜两相功能微生物发挥协同作用。IFAS工艺系统中的生物填料可以使微生物特别是那些非优势微生物,也可以通过生物膜的形成而得以保留,从而增加了系统中微生物的功能多样性,在不增加池容和污泥产率的条件下增大曝气池中硝化细菌的生物量,进而提高反应体系中的总生物量。同时,IFAS工艺结合了悬浮污泥与附着生物膜的优点,使微生物在IFAS工艺系统中的生存环境由传统工艺下的气、液两相转变为更为丰富的固、液、气三相;填料上特有的“厌/缺/好”微环境,使其具有更为复杂稳定的生态系统、更加丰富的微生物菌群多样性,并可提高同步硝化反硝化效率,有助于污水处理系统脱氮除磷性能的提高。IFAS工艺系统的关键是生物填料,选取理化性质优良、挂脱膜能力强、细菌多样性及丰度高、污染物传质性能好的填料,不仅能提高系统的同步硝化反硝化效果,较低的硝酸盐外回流还有助于提高系统的生物除磷效率,进而增强系统的污染物去除性能。填料是IFAS工艺中影响微生物的附着及生长效果、微生物生态系统的形成,以及发挥对污水中污染物处理作用的关键因素之一。

    常用材料包括天然物质(如石头、砂砾、木片)、活性炭、金属、塑料(如Kaldnes K1,K2,K3和K5等)、织物、玻璃、陶瓷、泡沫和化学改性聚合物(如聚乙烯醇—凝胶载体、可生物降解的聚己内酯载体等)。不适当的填料几何形状会导致其内部区域中生物量的过度积累,进而阻碍底物和溶解氧(DO)向内部区域的传输,降低污染物降解效率;而适当的几何形状可确保微生物的高效附着并实现90%以上的污染物去除率。

    填料的粗糙度对于微生物的附着具有重要作用,较粗糙的表面可以增强生物膜的粘附性,确保微生物群落的初始粘附并防止其轻易脱落。除材料类型、形状、比表面积和粗糙度外,尺寸、密度、填充率等工艺参数,也影响填料挂膜的速度及附着相的生物量,对附着生物膜的形成及污水处理的效能亦发挥重要作用。

    在IFAS工艺系统中,悬浮污泥和生物膜对整体污染物去除性能的贡献度有所不同。二者的表面电荷和疏水性会影响悬浮污泥的絮凝、生物膜的粒子附着,以及对有机物的吸附等,这些对于系统去除污染物的效果具有重要影响。同一IFAS反应体系中的悬浮污泥和生物膜具有不同的表面特征,Shao等研究测定了两相污泥的疏水性、表面电荷、胞外聚合物(EPS)含量及组成,结果表明与生物膜(-0.05~-0.07 meq/g VSS)相比,悬浮污泥具有较高的负表面电荷(-0.35~-0.65 meq/g VSS),而悬浮污泥的疏水性(60%~75%)明显高于生物膜(19%~34%);悬浮污泥的EPS含量明显高于生物膜(2.1~4.5倍),两相污泥EPS的组成也存在显著差异,悬浮污泥EPS中PN占主导地位,生物膜EPS中PN和PS的比例大致相等。

    生物膜是微生物及EPS等组分经生物化学过程的综合作用形成的微生态系统,由微生物产生的EPS呈丝状缠绕结构包裹在细胞表面,与微生物共同构成生物膜的主体。单个微生物受环境信号驱动运动至填料表面并在细胞壁作用下产生附着,随后众多微生物间发生相互作用形成群落并大量增殖,在多聚糖的黏性作用下形成生物膜并逐渐生长成熟;当环境条件不再能满足微生物生长的需要,微生物与载体分离(即出现脱膜现象),再次处于悬浮状态。生物膜在IFAS填料上因填料间的相互接触,使其外表面受到一定的水力剪切和磨损。

    脱膜的三种机制是:磨损、侵蚀和剥落,而生物膜内积聚的N2也会导致生物膜的脱落。生物膜的形成、成熟、脱落是一个动态过程,在稳定期生物膜保持适宜的厚度与活性,生长与脱落过程达到动态平衡。生物膜厚度一方面对基质及DO向生物膜内部的扩散传递发挥重要影响,另一方面在一定程度上可以表征生物膜的生长状态并影响其微生物活性。根据生物膜异质结构模型,厌氧及好氧生物膜中存在着大量随机分布且大小形状各异、彼此交错相连的孔洞和通道结构,呈现出各向异性,生物量的分布也并不均匀;基质、反应器类型、操作条件、流体剪切力及填料种类的不同也会造成生物膜中微生物种群的多样化。

    这种异质结构为生物膜内外的物质交换提供了通道,使得基质和DO通过液流或分子扩散作用进入生物膜内,与微生物接触并进行相应的生化反应。生物膜结构的异质性增加了内外生物膜间基质的浓度梯度,其结构对生物膜中基质的传递效率具有直接影响;生物膜表层和内部的孔洞及通道结构强化了其内部的对流传质,对应用生物膜降解污染物发挥关键作用。

    随着我国城市生活污水水量呈逐年升高和对污水排放标准的提高,导致现有污水处理系统的负担大大增加。因此,对现有污水处理厂的提标改造与优化运营势在必行。基于此,以减小占地面积为基础、兼具悬浮污泥与生物膜二者优势的IFAS工艺在传统污水处理工艺的升级改造中备受青睐。为全面了解IFAS工艺当前的研究及应用状况,本文综述了IFAS工艺对污染物的去除性能,与其它工艺耦合应用效果,运行参数对IFAS性能的影响,运行优化等方面的内容,并展望了未来IFAS工艺的研究重点及方向,为更深入地了解IFAS工艺及其应用提供了参考。

    摘 要

    本文总结了固定生物膜—活性污泥(IFAS)工艺的相关研究进展,主要包括:IFAS工艺对污染物的去除性能、与其它技术耦合后的工艺性能、关键运行参数的影响,以及动力学模拟对IFAS工艺运行过程的优化。和传统活性污泥法(CAS)比较,IFAS工艺结合悬浮污泥与附着生物膜二者的优势,对有机物和氮素等污染物表现出更好的去除效果。IFAS工艺与其它新型污水处理工艺的耦合,可提高功能菌的代谢活性、多样性及选择性。在运行冲击方面,IFAS工艺在C / N变化、低温及高氨氮的情况下仍具有较高的运行稳定性;在工艺优化方面,动力学模拟有助于更好地理解IFAS反应器中运行参数、生物质特性,以及工艺性能之间的内在联系,从而可达到工艺优化的目的。IFAS工艺的高污染去除及抗冲击性能为将来我国污水处理厂的升级改造提供了很好的技术途径。为进一步提高对IFAS工艺的应用能力,未来在高性能填料的研发、生物膜挂脱膜平衡,以及泥膜两相间的交互作用及微生物特征分布等方面还有待进一步研究。

    结论与展望

    通过对IFAS工艺的研究进展进行梳理,得出以下结论:

    1)IFAS工艺系统中悬浮污泥和具有厌/缺/好微环境的附着生物膜的组合,使得IFAS工艺系统中微生物多样性及污染物去除途径趋于多样化;生物膜的存在有利于增强AOB、NOB和AnAOB的适应性及活性,对有机物和氮素等污染物表现出更高的去除效果。

    2)由于填料生物膜上存在厌/缺/好微环境能得到很好保护,IFAS工艺具有很好的抗冲击性能,在低温,高氨氮和C / N变化的情况下,IFAS工艺表现出了稳定的污染物去除性能。

    3)IFAS工艺与其它生物脱氮除磷工艺的耦合又进一步提高了功能菌的代谢活性及多样性,使其在污水处理应用方面体现出更高的灵活性。

    然而对于IFAS工艺而言,虽然国内外学者已对其进行了大量研究,但仍存在一些关键性问题亟待突破。今后的研究总体上可从以下3个方面进一步开展:

    1)高性能生物填料的研发。尽管我国目前市场上的生物填料种类繁多,然而在材料的亲疏水性、挂脱模性能、工艺状态下的悬浮状态等方面还需要进一步加强,需开发出高性能的生物填料来提升IFAS工艺的应用潜力。

    2)生物膜的挂脱膜平衡机制研究。目前针对生物膜的生长过程及挂膜机制研究较为成熟,然而污水处理系统中成熟生物膜的形成依赖于挂膜与脱膜的动态过程,只有实现挂脱膜的动态平衡才能使填料上的微生物保持稳定且高效的活性,更大程度地发挥对污染物的去除作用,因此应加强对相关机制的研究,为提高生物膜挂脱膜平衡的效率提供理论基础。

    3)泥膜两相间交互作用的研究。生物膜和悬浮污泥的特性对污染物的去除具有重要影响,生物膜对悬浮污泥的播种现象会引起悬浮污泥中微生物的动态变化。应当对IFAS工艺系统内生物膜与悬浮污泥间的交互作用及相应的微生物活性及种群结构的变化开展更为系统、深入的研究。

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