降低磨浆能耗、减少环境污染 生物酶或洗刷造纸业“原罪”

　　编者按 为实现我国“双碳”目标，需大力促进纺织、造纸、制药等重点行业的节能减排，而生物技术的应用，无疑会加快这些行业绿色转型的脚步。为此，本报推出“绿色生物制造”系列报道，聚焦生物技术如何助力传统产业走出高能耗、高污染之困。

　　如果将现在的纸张与过去进行对比，不难发现这些年来纸质变得越来越好，也越来越白。

　　然而，光鲜亮丽的纸张背后，却隐藏着造纸工业难以摆脱的高污染、高能耗的“原罪”。

　　与此同时，我国人多树少，木质原料纸浆极度短缺，造纸原料长期依靠进口原生纸浆和废纸。根据生态环境部和其他部委联合发布的公告要求，我国已于2020年底基本实现固体废物零进口，依靠进口废纸造纸已行不通。

　　近年来，在环保和成本的双重压力之下，秸秆等非木质原料，以生物酶辅助处理的高得率机械浆正在使造纸行业的原料结构发生微妙变化，为该产业尤其是包装纸产业带来一场变革。

　　纸张背后的行业之痛

　　造纸术是中国四大发明之一，中国造纸行业常年产销量均位居全球首位，约占全球总量的四分之一。

　　近年来，随着互联网技术的发展，电子阅读大行其道。但在短时间内，纸张在许多领域依然不可替代，比如教材、广告印刷、生活用纸等。

　　不论什么类型的纸张，都要从一根木质纤维做起。“造纸原料主要是用植物材料中的木质纤维。”南京林业大学教授戴红旗介绍说，为了获得木质纤维，需要先将植物原料削片或切短；经碱水高温蒸煮或机械研磨，分离出纤维得到纸浆；纸浆经机械磨浆，并以一定浓度在造纸机上脱水形成湿纸页，再通过压榨进一步脱水，烘干成纸。

　　人类为了获取制造纸浆的木质纤维，必须投入大量的水、电、碱等要素，同时会产生大量黑、臭、毒的废水，以至于许多造纸企业屡屡登上环保黑榜。

　　我国虽然地大物博，但森林资源十分匮乏，人均森林面积只有世界人均水平的1/7，为了减少国内木材资源消耗、减轻废水排放带来的环保压力，近年来我国大量进口国外木浆和废纸，以满足我国国民经济发展的需要。

　　“进口木浆可以直接用于造纸，生产白卡纸、生活用纸、特种纸等；而进口废纸主要用于生产纸板、包装纸和新闻纸等，比如电商快递行业大量使用的包装盒、瓦楞纸、牛皮纸等。”戴红旗说。

　　目前，我国造纸用浆进口比例高达40%。为了缓解造纸纤维原料不足，降低生产成本，造纸企业开始转向合理应用性价比高的非木质原料。

　　“制浆的原料分为木质和非木质两大类，除了林木以外，秸秆、竹子、芦苇、芒秆、棉秆都属于非木质原材料。”戴红旗告诉科技日报记者，过去受技术和工艺限制，非木质原料生产化学浆黑液提取率和碱回收率低，纸浆使用元素氯漂白，产生的废水不仅难处理，而且可吸附有机卤化物（AOX）含量极高，给生态环境造成巨大破坏，对人体健康也有威胁。

　　随着我国经济快速发展，生态环境保护及污染控制力度增强，1990年以后，几乎所有的非木材纤维制浆造纸企业都被关停。到目前为止，仅有四川等少数地区竹浆造纸企业还在运行。

　　非木质纤维制浆迎来新机遇

　　尽管非木质原料制浆生产已完全禁止，但非木质纤维利用技术的研究没有因此而止步。近年来，生物质精炼技术、高得率化学机械浆技术等成为热点，并受到业界的重视，让非木质浆重回造纸行业舞台。

　　“生物精炼可以将非木质纤维原料的各种组分分别资源化利用，特别是对半纤维素、木质素的高值化利用。”戴红旗告诉记者。

　　木质素大约占到非木质纤维原料组成的20%—40%，传统制浆就是脱除木质素，获得用作造纸原料的纸浆纤维。木质素是苯丙烷单元通过醚键、碳—碳键连接的具有三维网状结构的高分子聚合物，视植物纤维原料类型，木质素基本构成的芳香族单体有得失电子功能，能吸收紫外线，也是有应用潜力的储能材料。

　　过去，木质素的价值一直没有被很好开发与利用，制浆厂传统做法是把它通过燃烧回收热能利用。戴红旗介绍说，近年来，基于木质素酚羟基芳香族单体特殊功能，科研人员将木质素替代苯酚作为绿色胶黏剂、储能电解质/储能电极材料、抗紫外膜材料等。

　　另一个目前被看好的技术方向，是高得率化学机械浆技术。该技术不仅可以缓解我国造纸纤维原料短缺的瓶颈，而且具有在废水处理方面难度小、成本低等优点。

　　“这项技术抛弃了过去提取纤维素剩下半纤维素、木质素的思路，而是将木质纤维组分全利用，共同作为纸浆用于造纸。”戴红旗介绍说，高得率化学机械浆以机械方法为主，辅以少量生物酶、化学添加剂，这样一来，使制浆废水处理的工艺大大简化、成本降低，不仅可以大量替代进口商品木浆和废纸原料，而且将消除农作物秸秆焚烧所产生的巨大空气污染问题。

　　戴红旗透露，造纸行业已经实施了许多科研项目，并在个别企业进行试点，用麦草生物制浆做生活用纸、包装纸等。

　　生物酶或将促进造纸业绿色转型

　　实际上，在成本和环境的双重压力下，造纸业亦渴求能从污染大户转型为节能减排典范。

　　在使高污染、高耗能的造纸业“改邪归正”方面，生物酶制剂正在发挥着越来越大的作用。

　　戴红旗表示，生物酶具有专一、高效的特点。目前，生物酶应用在造纸行业的技术研究主要集中在磨浆、脱墨、漂白以及去除造纸过程胶黏物等方面。

　　比如，可以利用生物酶对浆料纤维的细胞壁进行改性处理，使纤维加速润涨、松软，促进磨浆的作用效果，降低磨浆能耗、提高成纸强度等。研究表明，生物酶可使磨得每吨纸浆的能耗降低41.4%。

　　此外，造纸工业大量回收利用废纸时，需要对其进行脱墨处理。

　　传统的脱墨方法是使用化学品，在适当的温度及机械作用下，将油墨粒子从纤维上分离下来，然后采用浮选、洗涤或两者相结合的方法将剥离下来的油墨粒子从纸浆中去除。生物酶法脱墨则是利用酶处理废纸，并辅助以浮选或洗涤，以及两者并用的工艺，从而除去油墨。

　　漂白也是造纸过程中的重要步骤。利用酶制剂，可起到“生物助漂”的效果，减少含氯漂白化学品用量，从而减少漂白废水中可吸附有机卤化物的排放量，降低环境污染。

　　然而，生物酶在造纸工业中的应用也并非一帆风顺。

　　戴红旗表示，关于生物酶技术的研发已经取得了一些成果，但是应用仍存在瓶颈。到目前为止，全世界还没有真正意义上的生物制浆厂。原因是，生物酶应用于复杂且大规模的制浆生产还存在一系列技术难题。

　　“此外，生物酶对原料进行预处理所消耗的时间较长，而厂家需要效率保证连续生产，所以更倾向于采用效率更高的物理或者化学预处理方式。”戴红旗说，某些酶制剂本身也存在成本较高、种类有限、受温度和酸碱性环境影响较大、效果不明显等问题。因此，现阶段生物酶技术的应用还是辅助性的，起不到主导作用。

　　同时，他对生物酶在造纸行业的应用前景表示乐观：“总体而言，生物酶专一性较强、效率较高，尤其对高污染、高能耗的造纸工业而言，环保效果明显，和化学品相比具有独特优势。随着技术进步，未来必将在造纸产业中占据主导地位。”

　　来源：科技日报

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#高考素材[超话]##高考加油# 细胞的分子与结构基础

 强记常考语句 

1．不同蛋白质肽链组成不同的原因(必修一23页)

氨基酸的种类、数目和排列顺序不同。(因为问的是“肽链组成”，故不答空间结构)

2．探究某元素是植物必需矿质元素的实验设计思路(必修一36页技能训练)

用完全营养液和缺少某种矿质元素的“完全营养液”对相同植物进行无土栽培，若实验组出现生长异常，则在实验组的培养液中补加这种元素，观察异常症状能否消除。

3．植物细胞质壁分离后自动复原的原因(必修一63页)

首先植物细胞因外界溶液浓度较高而失水，发生质壁分离，接着，因外界溶液的溶质分子被细胞吸收，使细胞内外浓度差逆转，当细胞液浓度高于外界溶液浓度时，细胞通过吸水而复原。

4．原生质层与半透膜在物质透过功能上的差异

[2013·江苏，27(2)]原生质层能主动转运有关物质而半透膜不能。

5．哺乳动物成熟的红细胞可成为病毒陷阱细胞的原因(必修一40页实验)

哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核而寿命短；没有核糖体等众多的细胞器，不能合成蛋白质。

6．破坏核仁会影响蛋白质合成的原因(必修一53页)

核仁与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关，核仁被破坏，不能形成核糖体，致使蛋白质的合成不能正常进行。

7．人成熟红细胞置于无氧环境不影响其物质跨膜运输的原因

人成熟红细胞吸收某些物质是被动运输不耗能；人成熟红细胞本来就进行无氧呼吸不需要氧气。

8．质壁分离实验中引流法置换细胞外界溶液的操作方法(必修一62页探究)

从盖玻片的一侧滴入新的外界溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复几次。

 矫正易错易混 

一、走近细胞

1．在载玻片上写字母b，正放后在光学显微镜下观察，看到的是q。

2．常见的原核生物有蓝藻和细菌，蓝藻包括颤藻、蓝球藻、念珠藻，或以水华和发菜的形式存在，不含叶绿体，但含有藻蓝素和叶绿素，是能进行光合作用的自养生物。细菌中的绝大多数种类是营腐生或寄生的异养生物。任意一种原核生物与真核生物在细胞结构上的主要区别是有无以核膜为界限的细胞核。

3．细胞学说的建立揭示了细胞统一性和生物体结构统一性。

二、组成细胞的分子

4．蛋白质在蛋白酶作用下分解为多肽。淀粉在淀粉酶作用下主要生成麦芽糖。

5．蛋白质在酸碱或高温变性或水解成多肽后，用双缩脲试剂处理变紫色，水解成氨基酸后再用双缩脲试剂处理则不变色。

6．肽键的结构简式：—CO—NH—。

7．蛋白质结构多样性的原因是组成蛋白质的氨基酸种类、数目和排列顺序以及肽链的盘曲折叠方式及其形成的空间结构不同。

8．精瘦肉中含量最多的物质是水。

9．烟草叶肉细胞中组成核酸的碱基有A、T、U、G、C，烟草花叶病毒体内组成核酸的五碳糖为核糖。

10．各种氨基酸之间的区别在于R基不同。

11．高温等因素使蛋白质变性后，肽键并不断裂，只是空间结构改变。

三、细胞结构

12．动物细胞间的信息交流：一是神经递质、激素、淋巴因子和CO2等信息分子通过体液的运输作用于靶细胞来实现(酶和抗体分别作用于反应物和抗原而不是靶细胞，所以一般不算信息分子)；二是通过细胞间的直接接触实现信息交流；三是相邻细胞之间形成通道。

13．细胞膜具有的功能有将细胞与外界环境分隔开、控制物质进出细胞、进行细胞间的信息交流。

14．真核细胞的核仁的功能是与某种RNA的合成及核糖体的形成有关。

15．经内质网加工的蛋白质一般是分泌蛋白，如抗体、某些激素和消化酶。

16．分泌蛋白在加工、转运和分泌过程中，膜面积减少的是内质网；膜面积增大的是细胞膜；膜面积基本不变，但在转运中起交通枢纽作用的是高尔基体。

17．真核生物生物膜的组成成分和结构很相似，在结构和功能上紧密联系。其中能与内质网直接相连的有核膜和细胞膜。

18．内质网与核膜在结构上相连通，使细胞质与核内物质联系更紧密。

19．细胞内膜面积最大的细胞器是内质网。

20．染色体的常用染色剂是龙胆紫溶液、醋酸洋红液或改良苯酚品红染液。

21．线粒体的常用染色剂是健那绿染液(活体染色剂，染成蓝绿色)。

22．核糖体的形成不一定与核仁有关(原核细胞没有核仁也能形成核糖体)。

23．制备细胞膜最常用的细胞是哺乳动物成熟的红细胞。

24．分泌蛋白最初是在附于内质网上的核糖体中由氨基酸形成肽链然后进入内质网和高尔基体加工形成具有一定空间结构和功能的蛋白质。

25．光学显微镜下观察叶绿体，能看到叶绿体是呈绿色扁平的椭球形或球形。

26．核膜上的核孔不可以让蛋白质和DNA自由进出(也具有选择透过性)。

27．模型大致分为物理模型、概念模型、数学模型等。生物膜流动镶嵌模型和DNA双螺旋结构模型都属于物理模型。拍摄的细胞显微照片不属于细胞的物理模型，而根据照片所作的细胞图画属于物理模型。种群数量的“J”型和“S”型增长曲线及“J”型增长的公式都属于数学模型。