2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——生物技術(shù)在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.生物燃料2.代謝工程3.基因編輯4.酶工程5.合成生物學(xué)二、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述利用基因工程技術(shù)改良能源作物的途徑及其意義。2.比較工業(yè)上利用淀粉和纖維素生產(chǎn)生物乙醇的主要異同點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述光合作用過(guò)程中光反應(yīng)和暗反應(yīng)的主要分子事件及其相互聯(lián)系。4.闡述酶工程在生物柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用原理。5.列舉至少三種利用生物技術(shù)轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物生產(chǎn)能源的方法，并簡(jiǎn)述其基本原理。三、論述題（每題10分，共40分）1.詳細(xì)論述代謝工程在提高微生物生物燃料產(chǎn)量中的應(yīng)用策略，并結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例說(shuō)明。2.分析將纖維素大分子高效轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖類所面臨的挑戰(zhàn)，并探討相應(yīng)的生物技術(shù)解決方案。3.從分子設(shè)計(jì)的角度，探討人工光合作用系統(tǒng)在可持續(xù)能源生產(chǎn)中的潛力與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。4.討論將生物技術(shù)應(yīng)用于二氧化碳轉(zhuǎn)化利用，對(duì)于緩解全球氣候變化的意義和當(dāng)前的技術(shù)瓶頸。試卷答案一、名詞解釋1.生物燃料：指來(lái)源于生物質(zhì)（植物、動(dòng)物、微生物）的可再生能源，通過(guò)生物技術(shù)或傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化得到，主要包括生物乙醇、生物柴油、沼氣等。**解析思路：*定義需包含來(lái)源（生物質(zhì)）、性質(zhì)（可再生能源）、形式（通過(guò)轉(zhuǎn)化得到）及主要類型。2.代謝工程：指通過(guò)基因工程技術(shù)或其他方法，對(duì)生物體（通常是微生物）的代謝途徑進(jìn)行修飾或重構(gòu)，以改變其代謝產(chǎn)物種類和產(chǎn)量，滿足特定工業(yè)需求（如生產(chǎn)生物燃料或化學(xué)品）。**解析思路：*核心是修飾/重構(gòu)代謝途徑，目的是改變產(chǎn)物種類和產(chǎn)量，需提及常用手段（基因工程）和應(yīng)用領(lǐng)域。3.基因編輯：指利用人工核酸酶（如CRISPR-Cas9）等工具，在特定DNA序列上進(jìn)行切割、插入、刪除或替換等精確修飾的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體遺傳性狀的定向改造。**解析思路：*關(guān)鍵是精確修飾DNA序列，需提及代表性工具（如CRISPR）和結(jié)果（定向改造遺傳性狀）。4.酶工程：指研究酶的生產(chǎn)、分離純化、性質(zhì)、固定化以及改造和應(yīng)用的技術(shù)，旨在利用酶的高效性、專一性和溫和反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的高效催化轉(zhuǎn)化（如生物燃料生產(chǎn)、食品加工等）。**解析思路：*涵蓋酶的研產(chǎn)、分離、性質(zhì)、改造和應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)其工業(yè)催化應(yīng)用價(jià)值。5.合成生物學(xué)：指利用工程學(xué)原理和方法，通過(guò)設(shè)計(jì)、構(gòu)建新的生物部件、設(shè)備和系統(tǒng)，或?qū)ΜF(xiàn)有生物系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造，以實(shí)現(xiàn)特定的有用功能（如設(shè)計(jì)生產(chǎn)生物燃料的微生物）。**解析思路：*關(guān)鍵是設(shè)計(jì)構(gòu)建或改造現(xiàn)有系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定功能，需體現(xiàn)工程學(xué)的設(shè)計(jì)思想。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述利用基因工程技術(shù)改良能源作物的途徑及其意義。*途徑：通過(guò)基因編輯、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，選育或改造基因，提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用效率、增強(qiáng)抗逆性（干旱、鹽堿等）、提高光合效率、增加目標(biāo)產(chǎn)物（如淀粉、油脂）的積累量或改變其化學(xué)組成（如提高纖維素含量）。*意義：提高能源作物產(chǎn)量和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，緩解糧食安全與能源需求的矛盾，促進(jìn)生物能源的可持續(xù)發(fā)展。**解析思路：*先答途徑，列舉具體技術(shù)手段和改良目標(biāo)（產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)等），再答意義，強(qiáng)調(diào)對(duì)能源生產(chǎn)和可持續(xù)性的貢獻(xiàn)。2.比較工業(yè)上利用淀粉和纖維素生產(chǎn)生物乙醇的主要異同點(diǎn)。*相同點(diǎn)：最終產(chǎn)物均為乙醇；均需經(jīng)過(guò)糖化和發(fā)酵兩個(gè)主要步驟（糖化將多糖轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，發(fā)酵將可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)化為乙醇）；核心微生物（如酵母）基本相同。*不同點(diǎn)：原料結(jié)構(gòu)不同（淀粉是直鏈和支鏈葡萄糖聚合物，相對(duì)簡(jiǎn)單；纖維素是β-1,4-葡萄糖聚合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶有結(jié)晶區(qū)，難水解）。糖化過(guò)程差異大（淀粉易水解，常用酸或酶；纖維素需使用能產(chǎn)生纖維素酶的微生物或復(fù)合酶制劑，糖化條件要求更高，成本通常更高）。發(fā)酵底物濃度和雜質(zhì)可能不同，對(duì)發(fā)酵工藝有影響。**解析思路：*先列出相同點(diǎn)（產(chǎn)物、步驟、微生物），再重點(diǎn)比較不同點(diǎn)（原料結(jié)構(gòu)差異是核心，引出糖化過(guò)程的顯著不同及其原因和影響）。3.簡(jiǎn)述光合作用過(guò)程中光反應(yīng)和暗反應(yīng)的主要分子事件及其相互聯(lián)系。*光反應(yīng)：在類囊體膜上進(jìn)行。主要分子事件包括：光能被色素（葉綠素等）吸收，傳遞至反應(yīng)中心，激發(fā)電子；水分解，釋放氧氣；激發(fā)電子經(jīng)電子傳遞鏈傳遞，產(chǎn)生ATP和NADPH。關(guān)鍵分子涉及光系統(tǒng)、電子傳遞鏈組分（如質(zhì)體醌、細(xì)胞色素復(fù)合體）、ATP合酶、NADP+還原酶等。*暗反應(yīng)（碳固定）：在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行。主要分子事件包括：CO2被五碳化合物（RuBP）固定，形成三碳化合物（3-PGA）；3-PGA經(jīng)過(guò)卡爾文循環(huán)，被NADPH還原并消耗ATP，最終生成糖類等有機(jī)物。關(guān)鍵分子涉及RuBisCO酶、PEP羧化酶（C4途徑）、五碳糖磷酸化酶等。*相互聯(lián)系：光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH是暗反應(yīng)碳固定所需的能量和還原力；暗反應(yīng)消耗的CO2是光反應(yīng)中水光解產(chǎn)生的；暗反應(yīng)產(chǎn)生的糖類等有機(jī)物是植物生長(zhǎng)和儲(chǔ)存能量的來(lái)源，其合成也需光反應(yīng)提供的ATP和NADPH。**解析思路：*分別描述光反應(yīng)（場(chǎng)所、關(guān)鍵事件、關(guān)鍵分子）和暗反應(yīng)（場(chǎng)所、關(guān)鍵事件、關(guān)鍵分子），最后強(qiáng)調(diào)兩者通過(guò)ATP、NADPH、CO2和有機(jī)物進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的緊密聯(lián)系。4.闡述酶工程在生物柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用原理。*原理：利用酶的高效性、專一性和溫和條件，催化油脂（動(dòng)植物油脂、微藻油）或脂肪酸甲酯（甘油三酯水解產(chǎn)物）與醇（通常是甲醇）進(jìn)行酯交換反應(yīng)，生成生物柴油（脂肪酸甲酯）和副產(chǎn)物甘油。*應(yīng)用形式：可使用脂肪酶（如來(lái)源于霉菌、酵母或細(xì)菌的脂肪酶）直接催化酯交換；也可使用甲醇解酶（lipase）或甘油三酯水解酶（lipase或脂肪酶）先水解甘油三酯生成自由脂肪酸，再與甲醇反應(yīng)生成生物柴油。酶固定化技術(shù)（如將酶固定在載體上）可提高酶的重復(fù)使用率，降低成本。*優(yōu)勢(shì)：反應(yīng)條件溫和（常溫常壓，中性或弱酸性/堿性環(huán)境），選擇性好，產(chǎn)物易于分離純化，對(duì)原料適應(yīng)性較廣，環(huán)境友好。**解析思路：*首先說(shuō)明基本反應(yīng)原理（酯交換），然后列舉具體應(yīng)用的酶類（脂肪酶、甲醇解酶）及反應(yīng)過(guò)程，提及酶固定化的優(yōu)勢(shì)，最后總結(jié)酶工程在此應(yīng)用中的核心價(jià)值（溫和、高效、環(huán)保）。5.列舉至少三種利用生物技術(shù)轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物生產(chǎn)能源的方法，并簡(jiǎn)述其基本原理。*方法一：厭氧消化（或沼氣工程）。原理：利用特定的厭氧微生物（如產(chǎn)甲烷菌）在無(wú)氧或微氧條件下，將有機(jī)廢棄物（如農(nóng)業(yè)廢料、市政污泥、食品加工廢料）中的有機(jī)物分解，產(chǎn)生沼氣（主要成分為甲烷CH4和二氧化碳CO2）。*方法二：光合生物制氫。原理：利用能進(jìn)行光合作用的微藻或藍(lán)細(xì)菌，在光照、二氧化碳和水存在的條件下，通過(guò)特定的代謝途徑（如光驅(qū)動(dòng)N2還原酶途徑或光發(fā)酵途徑）將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫氣（H2）。*方法三：纖維素/半纖維素生物轉(zhuǎn)化。原理：利用能夠分泌纖維素酶和半纖維素酶的微生物（如真菌、細(xì)菌）或其混合酶制劑，將植物秸稈、木材等富含纖維素和半纖維素的有機(jī)廢棄物先水解成葡萄糖、木糖等可發(fā)酵糖，再利用酵母等微生物發(fā)酵將這些糖轉(zhuǎn)化為乙醇、丙酮丁醇等生物燃料。**解析思路：*列舉三種不同類型的生物技術(shù)方法，對(duì)每種方法，清晰說(shuō)明利用的生物技術(shù)類型（微生物/酶/代謝途徑），并簡(jiǎn)述其核心轉(zhuǎn)化過(guò)程和最終能源產(chǎn)物。三、論述題1.詳細(xì)論述代謝工程在提高微生物生物燃料產(chǎn)量中的應(yīng)用策略，并結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例說(shuō)明。*應(yīng)用策略：①靶向關(guān)鍵限速步驟：識(shí)別并強(qiáng)化代謝途徑中的關(guān)鍵酶或步驟，如增強(qiáng)葡萄糖攝取系統(tǒng)、提高己糖激酶活性等。②代謝流重塑：通過(guò)基因過(guò)表達(dá)或敲低，將更多底物通量引導(dǎo)至目標(biāo)產(chǎn)物合成途徑，同時(shí)抑制不必要的旁路代謝。③能量代謝協(xié)調(diào)：優(yōu)化ATP和NADH/NADPH的供需平衡，確保目標(biāo)產(chǎn)物合成有足夠的能量和還原力。④應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控：降低或解除抑制目標(biāo)產(chǎn)物合成的脅迫效應(yīng)（如分解代謝物阻遏），提高生產(chǎn)效率。⑤組合工程：結(jié)合多種策略，實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效。*實(shí)例：以大腸桿菌生產(chǎn)乙醇為例。通過(guò)代謝工程改造，首先敲除乙醇脫氫酶（ADH）基因，消除內(nèi)源性乙醇的抑制；然后過(guò)表達(dá)糖酵解途徑的關(guān)鍵酶（如己糖激酶、磷酸丙糖異構(gòu)酶），提高碳流；同時(shí)，可能需要調(diào)整TCA循環(huán)和磷酸戊糖途徑，抑制不必要的能量消耗和生物合成；最后，過(guò)表達(dá)外源ADH或乙醇脫氫酶（Zymomonasmobilis來(lái)源），將丙酮酸高效轉(zhuǎn)化為乙醇。這些策略的組合顯著提高了大腸桿菌的乙醇產(chǎn)量。**解析思路：*先系統(tǒng)闡述代謝工程的多種核心策略（限速步驟、流重塑、能量協(xié)調(diào)、應(yīng)激調(diào)控、組合工程），并簡(jiǎn)述其原理。然后選擇一個(gè)具體實(shí)例（如大腸桿菌產(chǎn)乙醇），詳細(xì)說(shuō)明針對(duì)該實(shí)例采用了哪些具體策略，如何操作（如敲除、過(guò)表達(dá)），以及最終目的（提高產(chǎn)量），使論述更具說(shuō)服力。2.分析將纖維素大分子高效轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖類所面臨的挑戰(zhàn)，并探討相應(yīng)的生物技術(shù)解決方案。*挑戰(zhàn)：①纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且高度有序：含有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)難以被酶水解。②酶成本高且效率有限：纖維素酶系包含多種酶（CXase,EGase,GLUase），組分復(fù)雜，成本高，且對(duì)底物親和力及最適條件要求苛刻。③水解條件苛刻：高效水解通常需要高溫、高壓或強(qiáng)酸/堿，可能帶來(lái)設(shè)備腐蝕、副反應(yīng)（如焦糖化）等問(wèn)題。④產(chǎn)物抑制：葡萄糖等水解產(chǎn)物會(huì)抑制纖維素酶的活性（分解代謝物阻遏）。⑤底物多樣性：不同來(lái)源的纖維素（玉米芯、甘蔗渣、木質(zhì)素含量不同）結(jié)構(gòu)差異大，需要適配的酶系。⑥糖液分離純化困難：得到的糖液濃度高，含有大量非糖雜質(zhì)（木糖、阿拉伯糖、灰分等），需要復(fù)雜的分離純化過(guò)程，增加成本。*生物技術(shù)解決方案：①開(kāi)發(fā)高效、低成本、廣譜性的纖維素酶制劑：利用基因工程改造微生物（如細(xì)菌、酵母、真菌）生產(chǎn)酶，或利用蛋白質(zhì)工程改造酶蛋白，提高活性、穩(wěn)定性、耐溫性，降低成本。②優(yōu)化酶解工藝：采用多酶協(xié)同（不同酶混合）、分步酶解、固體酶解、酶-化學(xué)結(jié)合策略，提高水解效率和選擇性。③構(gòu)建高效的纖維素降解菌株：利用合成生物學(xué)改造微生物，使其能高效分泌纖維素酶，并耐受水解產(chǎn)物抑制，甚至能同時(shí)降解纖維素和半纖維素（雙酶解）。④開(kāi)發(fā)抗抑制性菌株：通過(guò)代謝工程改造酵母等底盤生物，使其能耐受高濃度糖液，解除分解代謝物阻遏。⑤利用納米技術(shù)等輔助手段：如利用納米材料提高酶的分散和穩(wěn)定性。**解析思路：*先全面分析纖維素轉(zhuǎn)化面臨的六大核心挑戰(zhàn)（結(jié)構(gòu)、酶、條件、抑制、多樣性、純化）。然后針對(duì)每項(xiàng)挑戰(zhàn)，提出具體的、有針對(duì)性的生物技術(shù)解決方案（如酶工程改造、工藝優(yōu)化、合成生物學(xué)構(gòu)建抗性菌株等），體現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用性和創(chuàng)新性。3.從分子設(shè)計(jì)的角度，探討人工光合作用系統(tǒng)在可持續(xù)能源生產(chǎn)中的潛力與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。*潛力：人工光合作用旨在模擬或超越自然光合作用，將太陽(yáng)能、水和二氧化碳（或空氣中的CO2）高效轉(zhuǎn)化為高能量的化學(xué)燃料（如氫氣、甲烷、甲醇、葡萄糖等）或化學(xué)品，有望為人類提供清潔、可持續(xù)、取之不盡的能源和原料。通過(guò)分子設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建具有特定功能的、高度集成化的光-生化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，克服自然光合作用的低效率（約1-2%）和CO2轉(zhuǎn)化限制，實(shí)現(xiàn)更高效、更可控的能源轉(zhuǎn)化。*關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：①模擬自然光合作用核心組件：如何高效模擬光系統(tǒng)（PSI和PSII）捕獲光能并傳遞電子的過(guò)程？如何設(shè)計(jì)高效的電子傳遞鏈，將光生電子和質(zhì)子用于CO2還原或水分解產(chǎn)生氫氣？②設(shè)計(jì)新型催化劑：需要開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本的非天然催化劑，用于關(guān)鍵反應(yīng)步驟，如水分解制氧和質(zhì)子、CO2還原為C1-C2-C3化合物等。這些催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性是分子設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)。③實(shí)現(xiàn)CO2的高效選擇性轉(zhuǎn)化：如何設(shè)計(jì)分子機(jī)器或反應(yīng)中心，使光能優(yōu)先用于CO2的還原活化，而不是水的還原（光解水）？如何精確調(diào)控產(chǎn)物選擇性（如選擇性產(chǎn)生甲醇而非乙烷或乙烯）？④系統(tǒng)集成與能量傳遞：如何將光捕獲單元、電子傳遞鏈、催化中心在分子或超分子水平上進(jìn)行高效集成，確保能量和電子在組件間順暢傳遞？如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的體系以維持長(zhǎng)期運(yùn)行？⑤模擬C4或CAM途徑：如何通過(guò)分子設(shè)計(jì)構(gòu)建非天然光合系統(tǒng)，提高CO2的固定效率和濃度，類似自然界的C4或景天酸代謝（CAM）植物？**解析思路：*首先闡述人工光合作用的潛力（目標(biāo)、優(yōu)勢(shì)）。然后從分子設(shè)計(jì)的層面，深入探討實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所面臨的核心科學(xué)難題（光能捕獲、催化、選擇性、集成、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等），并點(diǎn)出具體的技術(shù)挑戰(zhàn)（如新型催化劑設(shè)計(jì)、反應(yīng)中心構(gòu)建等），體現(xiàn)對(duì)前沿科學(xué)的把握。4.討論將生物技術(shù)應(yīng)用于二氧化碳轉(zhuǎn)化利用，對(duì)于緩解全球氣候變化的意義和當(dāng)前的技術(shù)瓶頸。*意義：①減少大氣CO2濃度：將大氣中過(guò)量的CO2固定并轉(zhuǎn)化為有用的能源或化學(xué)品，直接有助于緩解溫室效應(yīng)和氣候變化。②廢棄物資源化利用：可將工業(yè)排放（如水泥、鋼鐵、化工過(guò)程）的CO2或生活中的生物質(zhì)廢棄物（如秸稈、垃圾）轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品，實(shí)