2025年大學(xué)《生物技術(shù)》專業(yè)題庫——生物技術(shù)解決能源危機(jī)的方法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是可再生能源的范疇？()A.太陽能B.風(fēng)能C.地?zé)崮蹹.石油2.生物能源的核心優(yōu)勢(shì)之一是其原料來源。下列哪項(xiàng)是主要的生物質(zhì)能源原料來源？()A.礦石B.水資源C.植物和動(dòng)物有機(jī)物D.核燃料3.將纖維素原料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的關(guān)鍵步驟通常涉及？()A.酶解B.直接汽化C.酯交換D.光合作用4.乙醇發(fā)酵通常使用的微生物是？()A.沙門氏菌B.釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）C.乳酸桿菌D.大腸桿菌5.生物柴油的主要化學(xué)成分是？()A.甘油和脂肪酸甲酯（或乙酯）B.乙醇和水C.甲醇和二氧化碳D.碳?xì)浠衔锖脱鯕?.藻類生物燃料相較于傳統(tǒng)植物油燃料的主要優(yōu)勢(shì)之一是？()A.需要較少的土地面積B.種植周期極短C.不與糧食生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)土地D.提取工藝非常成熟7.在生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中，下列哪項(xiàng)技術(shù)主要產(chǎn)生生物油？()A.水解B.氣化C.熱解D.酯交換8.微生物燃料電池是一種將有機(jī)物直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其核心是？()A.催化劑B.微生物群落C.金屬電極D.電動(dòng)機(jī)9.下列哪項(xiàng)技術(shù)屬于利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)生物燃料？()A.通過基因改造提高酵母的乙醇產(chǎn)量B.利用酶進(jìn)行生物質(zhì)降解C.傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝D.大規(guī)模種植能源作物10.生物能源發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？()A.原料供應(yīng)不穩(wěn)定B.生產(chǎn)過程效率低下且成本高昂C.環(huán)境影響普遍較小D.市場(chǎng)需求不足二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線處）1.生物能源是指利用生物體或生物過程的能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的能源，主要包括______能、生物燃料和生物電等。2.生物質(zhì)預(yù)處理的主要目的是去除木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中的______，使后續(xù)轉(zhuǎn)化步驟更有效率。3.將生物質(zhì)中的糖類發(fā)酵成乙醇，主要涉及微生物的______作用。4.生物柴油的生產(chǎn)通常通過動(dòng)植物油脂或廢棄油脂與______發(fā)生酯交換反應(yīng)得到。5.利用光合作用或化學(xué)合成在非光合條件下，通過工程菌合成碳?xì)淙剂匣蚧瘜W(xué)品的過程，被稱為______。6.生物能源的可持續(xù)性發(fā)展需要關(guān)注其對(duì)土地利用、水資源消耗和______的影響。7.將生物質(zhì)在缺氧或微氧條件下，通過微生物作用產(chǎn)生沼氣（主要成分是甲烷），該過程稱為______。8.旨在設(shè)計(jì)和改造生物系統(tǒng)（如微生物、酶）以實(shí)現(xiàn)特定功能的科學(xué)領(lǐng)域是______。三、名詞解釋（請(qǐng)給出下列名詞的準(zhǔn)確定義）1.生物質(zhì)能2.化學(xué)轉(zhuǎn)化3.藻類生物燃料4.異養(yǎng)合成5.微生物燃料電池四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為乙醇的主要步驟及其涉及的關(guān)鍵技術(shù)。2.比較直接燃燒和氣化兩種生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的原理和主要產(chǎn)物。3.簡(jiǎn)述生物柴油生產(chǎn)過程中，酯交換反應(yīng)的基本原理和影響因素。4.為什么說發(fā)展藻類生物燃料具有巨大潛力？同時(shí)，它面臨哪些主要的制約因素？五、論述題1.論述將生物技術(shù)應(yīng)用于能源領(lǐng)域?qū)τ诮鉀Q當(dāng)前能源危機(jī)的重要意義，并分析其面臨的主要科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境挑戰(zhàn)。2.選擇一種你感興趣的具體生物能源技術(shù)（如纖維素乙醇、生物柴油、光合生物合成燃料等），詳細(xì)闡述其技術(shù)原理、當(dāng)前研究進(jìn)展、面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.B5.A6.C7.C8.B9.A10.B二、填空題1.生物質(zhì)2.碳水化合物（或lignin和hemicellulose）3.發(fā)酵4.甲醇（或乙醇）5.異養(yǎng)合成（或Heterotrophicsynthesis）6.生物多樣性7.厭氧消化（或Anaerobicdigestion）8.合成生物學(xué)三、名詞解釋1.生物質(zhì)能：指利用生物質(zhì)（植物、動(dòng)物有機(jī)廢棄物等）轉(zhuǎn)化成的能源，是可再生能源的重要組成部分。2.化學(xué)轉(zhuǎn)化：指利用化學(xué)反應(yīng)（如熱解、氣化、酯交換等）將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料或其他能源產(chǎn)品的過程。3.藻類生物燃料：指利用藻類生物體通過光合作用或異養(yǎng)方式產(chǎn)生的油脂、碳水化合物或氫氣等，經(jīng)過加工轉(zhuǎn)化而成的生物燃料。4.異養(yǎng)合成：指在非光合條件下，通過工程改造的微生物利用有機(jī)底物（而非二氧化碳）作為碳源，合成燃料（如乙醇、烴類）或化學(xué)品的過程。5.微生物燃料電池：指利用微生物的代謝活動(dòng)催化有機(jī)物氧化，同時(shí)在外電路中產(chǎn)生電能的裝置。四、簡(jiǎn)答題1.生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為乙醇的主要步驟及其涉及的關(guān)鍵技術(shù)：*原料預(yù)處理：通過物理（粉碎、壓縮）、化學(xué)（酸水解、堿水解）或生物（酶水解）方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物質(zhì)（如玉米秸稈）分解為可發(fā)酵糖。關(guān)鍵技術(shù)包括高效、低成本的水解酶研發(fā)和優(yōu)化預(yù)處理工藝。*糖類發(fā)酵：利用微生物（如酵母、細(xì)菌）將可發(fā)酵糖（葡萄糖、果糖、木糖等）轉(zhuǎn)化為乙醇。關(guān)鍵技術(shù)包括篩選或改造高產(chǎn)、抗逆（如耐高濃度乙醇）的發(fā)酵菌株，優(yōu)化發(fā)酵條件和過程控制。*乙醇分離與純化：將發(fā)酵液中的乙醇通過蒸餾等方法分離出來，達(dá)到燃料級(jí)或食用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵技術(shù)包括高效蒸餾塔設(shè)計(jì)和節(jié)能分離技術(shù)。2.比較直接燃燒和氣化兩種生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的原理和主要產(chǎn)物：*直接燃燒：原理是在高溫下（通常>700°C）將生物質(zhì)與空氣中的氧氣反應(yīng)，直接釋放熱量。主要產(chǎn)物是二氧化碳、水蒸氣、少量未燃盡的碳?xì)浠衔锖惋w灰。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、熱效率相對(duì)較高；缺點(diǎn)是污染物（如NOx、SOx、顆粒物）排放較高，產(chǎn)物附加值低，難以處理復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)。*氣化：原理是在缺氧或受限氧條件下（通常400-1000°C），使生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的主要產(chǎn)物——焦油、合成氣（主要成分為CO和H2）以及少量炭。合成氣可以通過后續(xù)的費(fèi)托合成、甲醇合成等工藝轉(zhuǎn)化為液體燃料或其他化學(xué)品。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物（合成氣）可以作為多種高附加值化學(xué)品的原料，或用于發(fā)電；缺點(diǎn)是過程較復(fù)雜，對(duì)原料適應(yīng)性有一定要求，需要去除焦油等雜質(zhì)。3.生物柴油生產(chǎn)過程中，酯交換反應(yīng)的基本原理和影響因素：*基本原理：指將甘油三酯（動(dòng)植物油脂的主要成分）與短鏈醇（通常是甲醇，也有乙醇）在催化劑（通常是強(qiáng)堿，如NaOH或KOH）存在下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，生成脂肪酸甲酯（或乙酯，即生物柴油）和甘油。其化學(xué)本質(zhì)是酯基的取代反應(yīng)。*影響因素：*原料性質(zhì)：油脂的脂肪酸組成、甘油含量、游離脂肪酸含量等都會(huì)影響反應(yīng)速率和產(chǎn)率。*催化劑：催化劑的種類（堿、酸）、濃度、活性等對(duì)反應(yīng)效率至關(guān)重要。堿催化通常選擇性強(qiáng)，但可能產(chǎn)生凝膠；酸催化速度快，但選擇性差。*反應(yīng)條件：溫度、反應(yīng)時(shí)間、醇油摩爾比、攪拌速度等。較高的溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間通常能提高轉(zhuǎn)化率，但需平衡成本和副反應(yīng)。醇油摩爾比需足夠高以保證完全反應(yīng)。良好的混合有助于反應(yīng)均勻進(jìn)行。4.為什么說發(fā)展藻類生物燃料具有巨大潛力？同時(shí)，它面臨哪些主要的制約因素？*巨大潛力：*不與糧食爭(zhēng)地：藻類可在海水或咸水中養(yǎng)殖，無需耕地。*固碳能力強(qiáng)：藻類通過光合作用能高效固定CO2。*生長(zhǎng)速度快：部分藻類生長(zhǎng)周期短，單位面積生物量產(chǎn)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)農(nóng)作物。*油脂含量高：某些微藻含油量可達(dá)干重的20-50%。*可利用非淡水水源：適應(yīng)鹽堿地或工業(yè)廢水。*產(chǎn)品多樣化：可生產(chǎn)生物柴油、航空煤油、氫氣、生物塑料等多種產(chǎn)品。*主要制約因素：*成本高昂：目前養(yǎng)殖、收獲、油脂提取等環(huán)節(jié)的成本（尤其是收獲和提?。┤匀贿^高。*技術(shù)挑戰(zhàn)：高效、低成本的藻類培養(yǎng)和收獲技術(shù)，以及低成本、高效率的油脂提取和轉(zhuǎn)化技術(shù)有待突破。*工程菌構(gòu)建：需要培育或改造能高效積累目標(biāo)產(chǎn)物（如油脂、氫）且生長(zhǎng)快速的藻類菌株。*可持續(xù)性：大規(guī)模養(yǎng)殖對(duì)光照、營(yíng)養(yǎng)鹽的需求，以及可能對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的影響需要評(píng)估和解決。五、論述題1.論述將生物技術(shù)應(yīng)用于能源領(lǐng)域?qū)τ诮鉀Q當(dāng)前能源危機(jī)的重要意義，并分析其面臨的主要科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境挑戰(zhàn)。*重要意義：*提供可持續(xù)替代能源：生物能源利用可再生生物質(zhì)資源，有助于減少對(duì)化石燃料的依賴，緩解能源短缺問題。*改善環(huán)境質(zhì)量：相較于化石燃料，生物能源燃燒后CO2排放量可能更低（考慮整個(gè)生命周期），且能減少SOx、NOx等空氣污染物的排放，助力應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境污染。*促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用：將秸稈、林業(yè)廢棄物等原本難以利用的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源，變廢為寶，增加農(nóng)民收入。*推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展：催生生物能源種植、技術(shù)研發(fā)、設(shè)備制造、產(chǎn)品應(yīng)用等一系列新興產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)。*實(shí)現(xiàn)能源多元化：生物能源作為可再生能源的重要組成部分，有助于構(gòu)建更穩(wěn)定、多元化的能源供應(yīng)體系。*主要挑戰(zhàn)：*科學(xué)挑戰(zhàn)：提高生物能源轉(zhuǎn)化效率（如光合效率、發(fā)酵效率、轉(zhuǎn)化選擇性）、降低成本、開發(fā)高效催化劑和工程菌、拓展原料來源（如利用廢水和廢棄物）、解決副產(chǎn)物處理問題等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究仍需加強(qiáng)。*經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)：生物能源生產(chǎn)成本（原料、設(shè)備、工藝、人力等）普遍高于傳統(tǒng)化石能源，需要政府補(bǔ)貼或政策支持才能具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。規(guī)模化生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益是關(guān)鍵。*環(huán)境挑戰(zhàn)：生物能源開發(fā)可能占用土地資源，引發(fā)與糧食安全、生態(tài)保護(hù)的沖突；大規(guī)模種植可能影響生物多樣性；部分轉(zhuǎn)化過程（如化石燃料基酶）仍需消耗能源；水資源消耗問題也需要關(guān)注。2.選擇一種你感興趣的具體生物能源技術(shù)（如纖維素乙醇、生物柴油、光合生物合成燃料等），詳細(xì)闡述其技術(shù)原理、當(dāng)前研究進(jìn)展、面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。*選擇：纖維素乙醇*技術(shù)原理：纖維素乙醇是以農(nóng)業(yè)廢棄物（如玉米秸稈、稻草）、林業(yè)廢棄物（如樹枝、樹皮）以及城市有機(jī)垃圾等為原料生產(chǎn)乙醇。其核心過程分為三步：首先，通過物理（粉碎）、化學(xué)（酸、堿、氨水處理）或生物（酶）預(yù)處理，破壞木質(zhì)纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將其分解為可溶性的糖類（主要是葡萄糖和木糖）；其次，利用酶或微生物將糖類轉(zhuǎn)化為乙醇。關(guān)鍵技術(shù)包括高效、低成本、廣譜性的纖維素酶制劑開發(fā)（特別是纖維素酶、半纖維素酶、葡萄糖異構(gòu)酶等），以及優(yōu)化發(fā)酵過程（如使用耐高濃度糖和乙醇的菌株、固定化酶或細(xì)胞技術(shù)）。*當(dāng)前研究進(jìn)展：隨著合成生物學(xué)和酶工程的發(fā)展，纖維素乙醇的酶水解效率和發(fā)酵效率顯著提高。重組細(xì)菌和酵母菌株能夠同時(shí)降解多種糖類，并對(duì)多種抑制劑具有抗性。酶的成本持續(xù)下降。部分商業(yè)化試點(diǎn)項(xiàng)目已投入運(yùn)行，證明了技術(shù)的可行性。定向進(jìn)化、基因編輯（如CRISPR）等技術(shù)被用于改造酶和微生物，以進(jìn)一步提升性能。*面臨的主要挑戰(zhàn)：盡管取得了進(jìn)展，纖維素乙醇仍面臨成本過高的問題，主要在于預(yù)處理和酶水解環(huán)節(jié)的費(fèi)用。原料的收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本也較高。酶的成本仍然是制約因素。