2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程中的污水生物脫氮考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.污水生物脫氮過程中，將氨氮（NH4+）氧化為亞硝酸鹽氮（NO2-）的微生物稱為______菌，其關(guān)鍵酶是______。2.參與污水反硝化過程的微生物主要利用______作為電子受體，將硝酸鹽氮（NO3-）最終還原為______。3.在分子水平上，控制硝化細(xì)菌氨單加氧酶（AMO）基因表達(dá)的調(diào)控因子之一是______。4.常用于篩選和鑒定特定功能微生物的分子標(biāo)記技術(shù)包括______和______。5.基因工程中，將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞常用的方法是______和______。6.厭氧氨氧化（Anammox）過程將氨氮和亞硝酸鹽氮直接轉(zhuǎn)化為______，該過程不依賴______。7.影響生物脫氮效率的環(huán)境因子中，碳氮比（C/N）主要影響______過程，而溶解氧（DO）則顯著影響______過程。8.理解關(guān)鍵脫氮酶（如NOHO）的______和______對于設(shè)計高效脫氮菌種至關(guān)重要。9.利用合成生物學(xué)手段，可以設(shè)計構(gòu)建具有______功能的脫氮微生物菌株。10.分子生態(tài)學(xué)技術(shù)如______能夠揭示污水中微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能多樣性。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.氨化作用2.硝化作用3.反硝化作用4.功能基因5.基因敲除三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述硝化作用的兩個主要步驟及其分子機(jī)制。2.簡述PCR技術(shù)在污水脫氮微生物研究中的應(yīng)用。3.簡述影響生物脫氮過程的關(guān)鍵環(huán)境因子及其作用機(jī)制。4.簡述基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）在改良脫氮性能中的應(yīng)用潛力。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述分子生物學(xué)技術(shù)在解析污水生物脫氮微生物功能機(jī)制中的作用。2.論述將分子工程應(yīng)用于污水生物脫氮過程的必要性和可能面臨的挑戰(zhàn)。3.論述理解分子層面的信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對于優(yōu)化污水生物脫氮工藝的意義。---試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.硝化；氨單加氧酶（或AMO）2.氧化還原性物質(zhì)（如有機(jī)物、碳酸鹽等）；氮?dú)猓ɑ騈2）3.環(huán)境因子（如氧氣、pH）、信號分子（如ppGpp）、轉(zhuǎn)錄因子4.rRNA基因測序（或16SrRNA）；功能基因標(biāo)記（或功能基因芯片、宏基因組分析）5.導(dǎo)入載體介導(dǎo)（如質(zhì)粒、噬菌體）；直接轉(zhuǎn)化/電穿孔6.氮?dú)猓ɑ騈2）；氧氣（或O2）7.氨化（或硝化）；反硝化8.結(jié)構(gòu)；功能（或活性位點(diǎn)）9.高效脫氮（或特定污染物去除、多重功能）10.高通量測序（或16S/18SrRNA測序、宏基因組測序）二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.氨化作用：指含氮有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、氨基酸）在微生物作用下，分解產(chǎn)生氨氮（NH4+）的過程。2.硝化作用：指硝化細(xì)菌將氨氮（NH4+）依次氧化為亞硝酸鹽氮（NO2-）和硝酸鹽氮（NO3-）的過程。3.反硝化作用：指反硝化細(xì)菌在厭氧條件下，利用氧化還原性物質(zhì)（如有機(jī)物、碳酸鹽）作為電子受體，將硝酸鹽氮（NO3-）最終還原為氮?dú)猓∟2）的過程。4.功能基因：指在生物體中具有特定生物學(xué)功能的基因，如編碼關(guān)鍵酶、調(diào)控蛋白或參與代謝途徑的基因。5.基因敲除：指通過特定技術(shù)（如基因編輯、同源重組）使生物體中某個目標(biāo)基因失活或缺失的過程。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述硝化作用的兩個主要步驟及其分子機(jī)制。答：硝化作用分為兩步：第一步，氨氮（NH4+）在氨單加氧酶（AMO，編碼基因通常為amoA）的催化下，被氧化為一氧化氮（NO）。此過程需要氧氣作為輔助因子，并消耗一個高能磷酸鍵。第二步，一氧化氮（NO）在亞硝酸鹽單加氧酶（NOHO，編碼基因通常為amoB）的催化下，被氧化為亞硝酸鹽氮（NO2-）。此過程也需氧氣參與。兩個步驟由不同類型的細(xì)菌（通常是不同的菌屬）或同一細(xì)菌的不同酶系統(tǒng)完成，將氨氮最終轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮。2.簡述PCR技術(shù)在污水脫氮微生物研究中的應(yīng)用。答：PCR技術(shù)主要用于：*特定基因擴(kuò)增與檢測：通過設(shè)計特異性引物，擴(kuò)增目標(biāo)功能基因（如amoA、nirK、nosZ等），用于檢測樣品中是否存在特定脫氮功能微生物或評估其豐度。*克隆與表達(dá)：將PCR擴(kuò)增的目標(biāo)基因克隆到表達(dá)載體中，并在宿主菌中進(jìn)行表達(dá)，以研究該基因的功能或制備酶制劑。*序列分析：對PCR產(chǎn)物進(jìn)行測序，獲得目標(biāo)基因序列，用于微生物鑒定、系統(tǒng)發(fā)育分析、變異檢測等。3.簡述影響生物脫氮過程的關(guān)鍵環(huán)境因子及其作用機(jī)制。答：關(guān)鍵環(huán)境因子包括：*碳氮比（C/N）：影響氨化作用速率和反硝化作用的進(jìn)行。適宜的C/N比（通常>4-5）能保證充足的有機(jī)碳作為反硝化過程中的電子供體。*溶解氧（DO）：硝化作用是耗氧過程，需要較高DO；而反硝化作用是厭氧過程，需要低DO。DO的波動會影響脫氮效率。*溫度：影響微生物代謝速率和酶活性。溫度過高或過低都會降低脫氮效率。*pH：影響微生物活性、酶的穩(wěn)定性和離子平衡。適宜的pH范圍（通常6.5-8.5）有利于脫氮過程。*營養(yǎng)物質(zhì)：除了氮磷，微量元素（如鉬、鐵）也是某些脫氮酶（如AMO）必需的輔因子。4.簡述基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）在改良脫氮性能中的應(yīng)用潛力。答：基因編輯技術(shù)如CRISPR-Cas9的應(yīng)用潛力在于：*精確修飾功能基因：可以精確敲除導(dǎo)致代謝瓶頸或產(chǎn)生副產(chǎn)物的基因，或定點(diǎn)修改關(guān)鍵脫氮酶的活性位點(diǎn)，以提高脫氮效率或選擇性。*引入抗性基因：可以為脫氮菌引入抗重金屬、抗抗生素等基因，提高其在惡劣環(huán)境中的生存和脫氮能力。*構(gòu)建多功能菌株：可將不同功能基因（如脫氮、除磷、降解有機(jī)物）組裝到同一菌株中，構(gòu)建具有協(xié)同效應(yīng)的高效處理菌株。*解析調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：通過敲除或激活調(diào)控基因，研究環(huán)境信號如何影響脫氮相關(guān)基因的表達(dá)，為優(yōu)化調(diào)控提供依據(jù)。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述分子生物學(xué)技術(shù)在解析污水生物脫氮微生物功能機(jī)制中的作用。答：分子生物學(xué)技術(shù)為深入解析污水生物脫氮的微生物功能機(jī)制提供了強(qiáng)大工具：*微生物鑒定與分類：通過16S/18SrRNA基因測序等技術(shù)，可以鑒定脫氮過程中的優(yōu)勢菌群和關(guān)鍵功能微生物，揭示群落結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化。*功能基因檢測與定量：利用功能基因標(biāo)記（如amoA,nirK,nosZ）的PCR或qPCR技術(shù)，可以直接檢測和定量環(huán)境中特定脫氮功能基因的豐度，評估微生物的實(shí)際功能潛力，這與群落結(jié)構(gòu)不一定完全一致。*代謝途徑解析：宏基因組測序和代謝組學(xué)分析，可以揭示污水中微生物的詳細(xì)代謝網(wǎng)絡(luò)，包括脫氮途徑的具體細(xì)節(jié)和能量代謝策略。*蛋白質(zhì)與酶功能研究：通過基因表達(dá)譜、蛋白質(zhì)組學(xué)和酶活性測定，可以研究關(guān)鍵脫氮酶的表達(dá)調(diào)控、結(jié)構(gòu)特征和催化機(jī)制。*調(diào)控網(wǎng)絡(luò)探索：結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建微生物在脫氮過程中的信號傳導(dǎo)和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，理解環(huán)境適應(yīng)和功能表達(dá)的本質(zhì)。*整體而言，分子生物學(xué)技術(shù)使得我們能夠超越表型觀察，從基因、蛋白質(zhì)、代謝網(wǎng)絡(luò)等分子層面，精細(xì)揭示脫氮微生物的功能機(jī)制、生態(tài)位分化和環(huán)境適應(yīng)策略，為優(yōu)化脫氮工藝和設(shè)計新型生物脫氮系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。2.論述將分子工程應(yīng)用于污水生物脫氮過程的必要性和可能面臨的挑戰(zhàn)。答：將分子工程應(yīng)用于污水生物脫氮具有必要性，但也面臨諸多挑戰(zhàn)：*必要性：*提高脫氮效率與選擇性：自然界中存在的脫氮微生物往往效率有限或產(chǎn)生副產(chǎn)物。通過基因敲除、基因融合、酶工程改造等分子手段，可以構(gòu)建性能更優(yōu)越的脫氮菌種或酶制劑。*拓寬脫氮條件：通過引入抗逆基因或改造關(guān)鍵酶，可以提高脫氮微生物在高溫、高鹽、低氧、有毒等惡劣條件下的生存和脫氮能力，拓展生物脫氮的應(yīng)用范圍。*實(shí)現(xiàn)多重功能：將脫氮、除磷、降解難降解有機(jī)物等多種功能整合到同一菌株中，構(gòu)建“超級菌”，簡化處理工藝。*降低運(yùn)行成本：通過優(yōu)化微生物代謝，減少能源消耗或化學(xué)藥劑投加，降低處理成本。*可能面臨的挑戰(zhàn)：*技術(shù)難度高：精確的基因編輯、高效的基因轉(zhuǎn)移、復(fù)雜的代謝pathway改造等技術(shù)要求高，尤其是在復(fù)雜微生物群落中操作。*生態(tài)安全風(fēng)險：釋放工程菌可能對生態(tài)環(huán)境造成未知影響，如基因擴(kuò)散、破壞原有生態(tài)平衡等。*系統(tǒng)穩(wěn)定性與調(diào)控復(fù)雜性：微生物系統(tǒng)極其復(fù)雜，基因改造后的菌株在實(shí)際環(huán)境中可能面臨適應(yīng)性挑戰(zhàn)，且對外界環(huán)境變化的響應(yīng)調(diào)控機(jī)制復(fù)雜。*成本與可行性：基因工程技術(shù)的研發(fā)、菌種制備、大規(guī)模應(yīng)用等都需要較高的投入，實(shí)際工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性有待評估。*倫理與社會接受度：對于基因改造生物的應(yīng)用，社會公眾可能存在擔(dān)憂和倫理爭議。3.論述理解分子層面的信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對于優(yōu)化污水生物脫氮工藝的意義。答：深入理解分子層面的信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對于優(yōu)化污水生物脫氮工藝具有重要意義：*揭示響應(yīng)機(jī)制：理解微生物如何感知環(huán)境變化（如C/N比、DO、營養(yǎng)鹽、脅迫信號）并通過哪些信號分子（如兩性分子、磷酸化信號、離子梯度）將這些信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)，以及如何激活或抑制下游基因的表達(dá)，是優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)。*精準(zhǔn)調(diào)控脫氮過程：掌握了關(guān)鍵脫氮基因的調(diào)控元件（如啟動子、增強(qiáng)子、調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)）和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，就有可能通過外加信號分子、基因工程手段（如改造調(diào)控蛋白）來精確調(diào)控目標(biāo)基因的表達(dá)時機(jī)和水平，實(shí)現(xiàn)按需脫氮。*實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷：許多脫氮和除磷基因共享相似的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。理解這些共通或交叉的調(diào)控機(jī)制，有助于設(shè)計策略使脫氮菌和聚磷菌（EPSB）協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。*提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗逆性：了解調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有助于構(gòu)建更加穩(wěn)定、能夠抵抗環(huán)境波動（如負(fù)荷沖擊、毒性物質(zhì)）的脫氮生物系統(tǒng)。例如，通過改造全局調(diào)控因子，增強(qiáng)菌株對不良環(huán)境的耐受性。*指導(dǎo)生物強(qiáng)化與生物膜設(shè)計：對于生物膜法脫氮