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L-半胱氨酸（L-CySH）是組成蛋白質的20多種氨基酸中唯一具有還原性基團巰基的氨基酸，為谷胱甘肽的組成成分之一。由于其分子中含有活性的巰基，具有許多重要的生理功能：可以增強肝功能，用于治療肝炎、肝硬化與肝昏迷等癥狀；可以作為解毒劑，解除苯、萘等有毒芳香物質及藥物中毒；可用于治療因原子能輻射、X射線以及其它短光波所引起的放射性障礙和各種白血球減少癥；有抗過敏與消除過敏癥的作用；可用于蛋白質氨基酸制劑，解毒鎮(zhèn)痛劑、疲勞恢復劑、潰瘍治療劑，L-半胱氨酸還是特效的化痰劑；可促進毛發(fā)生長和防止食品氧化等。因此L-半胱氨酸已經廣泛應用于醫(yī)藥、食品、化妝品以及飼料工業(yè)。此外由L-半胱氨酸可以得到多種衍生物，有鎮(zhèn)痛、消炎、退燒、止痛以及抑制細菌和腫瘤生長的作用，目前也在得到不斷的開發(fā)和應用。國內目前L-半胱氨酸的生產主要依靠人或動物的毛發(fā)經酸水解或堿水解提取L-半胱氨酸后，再經過電解還原制得L-半胱氨酸。該方法收率低，能耗高，水解過程產生大量刺激性氣體，廢酸處理困難，對環(huán)境污染嚴重。隨著L-半胱氨酸生產技術的發(fā)展，微生物轉化法制生產L-半胱氨酸逐漸取代了毛發(fā)水解制備L-半胱氨酸。微生物轉化法制備工藝以其反應條件溫和、專一性強、對環(huán)境友好等優(yōu)點而日益受到重視。本課題組利用自行篩選的高效菌株，通過高密度培養(yǎng)獲得大量菌體，可以將底物D,L-2-氨基-Δ2-噻唑啉-4-羧酸（D,L-ATC）轉化為L-半胱氨酸，濃度為5.8g /L，轉化率92%，半胱氨酸得率78%。

人類在發(fā)展過程中目前面臨能源危機和環(huán)境污染雙重壓力。在能源消費方面，目前世界能源消耗91%的是一次性礦物燃料能源，但礦物燃料是有限的，不可能成為人類的永久性能源。因此尋找可替代化石能源的新能源是人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路。 據估計，全世界每年由光合作用而固定的碳達2×1011 噸，含能量達3×1018 千焦，可開發(fā)的能源約相當于全世界每年耗能量的10 倍；生成的可利用干生物質約為1700 億噸，而目前將其作為能源來利用的僅為13 億噸，約占其總產量的0.76％，生物質資源開發(fā)利用潛力巨大。據測算，我國擁有的生物質能資源為50 億噸左右，是我國目前總能耗的4 倍左右[5]。生物質資源雖然豐富，但由于保存和轉化的技術落后導致生物質資源浪費嚴重，如秸稈等農業(yè)廢棄物在田間焚燒，林業(yè)產品加工產生的木屑、鋸末等被直接丟棄，食品加工的殼、皮等被當作垃圾填埋，這不僅污染了環(huán)境，還造成了生物質資源的巨大浪費 利用生物質制備炭材料，在能源領域利用可以直接作為燃料使用，可以避免生物質原料本身能量密度低、體積龐大難于運輸等弊端，同時相對于燃煤可以減少硫排放，從而減少對環(huán)境的污染，但目前制造成本高，只有在特定的場合才使用，目前生物質炭在能源方面主要作為高端的燃料電池正極材料。另一方面生物質炭本身的多孔性致使它具有巨大的比表面積、發(fā)達的孔隙結構以及較好的化學穩(wěn)定性和機械強度，在環(huán)保領域對重金屬良好的吸附性能，因此對重金屬廢水處理及土壤恢復與改良具有巨大的應用潛力[8-14]。 由于傳統工藝制造活性炭成本高，因此限制了其應用范圍。如何最大限度降低制造成本是科研工作必須努力的方向。 生物質炭的制備方法主要分為：熱分解法，微波炭化法，水熱炭化法。熱分解炭化法是目前制備生物質炭的主要方法，熱分解制備生物質炭是在隔絕空氣條件下生物質的高溫裂解成炭，一般需要炭化與活化兩個過程且二者可分步或同步進行。首先炭化過程是在300 –1000 0C下使生物質中分子鏈中C-O、C-C鍵斷裂成炭，隨著溫度的升高, 生物質炭的產量降低, 含碳量逐漸增加?；罨哪康氖抢脷怏w或化學物質改變炭化料的內部結構, 擴大孔體積, 增加活性炭的吸附性能。物理活化采用如水蒸氣、空氣、CO2進行活化；化學活化則采用化學物質如NaOH，ZnCl2，KOH, K2CO3等在600~11000C下活化，得到活性生物質炭產品。熱分解法的缺點在于反應時間長，反應耗能大，傳熱效率低和反應原料加熱不均勻等。微波炭化法則是通過被加熱體內部偶極分子的高頻往復運動，使分子間相互碰撞產生大量摩擦熱量，繼而使物料內外部同時快速均勻升溫從而達到裂解及炭化的目的。微波加熱具有操作簡單、升溫速率快、反應效率高、可選擇性均勻加熱等優(yōu)點。生物質通過微波炭化處理其活性炭得率較高(一般達到40%左右)且表面積大。但微波炭化的不足在于物料的反應溫度不能精確控制，過量的微波輻射將對人體健康有損害且工業(yè)化放大過程比較困難。水熱炭化法是在一定溫度(一般200 ℃)和壓強（下將水熱反應釜內的生物質( 碳水化合物、有機分子和廢棄生物質等) 、催化劑和水進行加熱，實現對生物質炭化的過程。水熱炭化一般制得的生物質表面積小一般500m2/g以下，同時反應時間長，因此生產成本較高。 總之制備生物質炭材料具有豐富的原料來源，同時在能源及環(huán)境方面具有廣闊的應用前景，尤其在重金屬污染治理及土壤恢復及改良前景更為廣闊。但目前生物質轉化為炭流程長，分解溫度高，造成生產成本高而致使生物質的利用率低。如何更高效、成本更低廉實現生物質的炭轉化，無論對于人類能源結構優(yōu)化及環(huán)境保護均有十分重要的現實意義。 本項目提出了一種酸催化裂解炭化生物質原料的方法，采用酸催化直接將生物質分解及炭化，并在低溫下(2000C左右)加速炭化及活化(6000C以下) 過程，吸收炭化及活化過程蒸發(fā)的酸及液態(tài)有機物，酸進行循環(huán)利用，實現生物質炭材料綠色制備。由此可以制備出生物質炭材料比表面在1000m2/g以上，得率達到50%以上，從而降低生物質炭的制造成本，拓寬其應用范圍。二．技術路線酸催化生產技術路線見下圖，生物質粉碎后，采用一定酸浸濕潤，干燥后進行炭化及活化，控制在4000C下炭化完全冷卻，炭化活化過程進行酸回收并返回使用，炭化完全后冷卻，加粘結劑壓塊便得到生物質炭。  圖1 酸催化制備生物質炭工藝流程三．技術開發(fā)內容及指標技術開發(fā)內容生物質原料的篩選及酸種類的篩選溫度、時間工藝參數的優(yōu)化；粘結劑的選擇與添加工藝確定日處理1噸中試放大設備選擇與設計；技術指標生物質炭得率大于50%；生物質炭的碳含量高于80%；生物質炭燃燒后的灰分小于5%；生物質炭材料比表面在1000m2/g以上。四．經濟效益初步分析生物質炭售價按3000元/噸計算，原材料及處理成本約1500元/噸；按年生產1萬噸計算，年效益為=（3000-1500）x10000=1500萬元。 本項目作為生物質炭新工藝相對于傳統工藝，大幅度提高了生物質炭的轉化效率及降低了生產成本，因此經濟效益非常顯著，如果作為活性炭使用效益更加顯著。同時具有很好的推廣前景。

利用 外源化學 手段 實現 生物大分子的功能 調控 ，一直以來都是化學生物學 的重要研究方向之一。陳鵬課題組長期致力于 “ 活細胞上的化學 反應 ” 的開發(fā)與應用 ， 提出 并發(fā)展 了 “ 生物正交斷鍵反應（ Bioorthogonal  c leavage reaction ） ”  這一 新反應類型 ，突破了在活體內研究蛋白質功能的技術瓶頸，實現了一系列原始創(chuàng)新 （ Nat. Chem.   2014,  6 , 352-61 ;  Nat. Chem. Biol.  2016,  12 , 129-37 ;   Nature  201 9,   569 , 509-13 ） 。

新一代環(huán)保型柴油添加劑甲縮醛（DMM）新工藝  甲縮醛，又名二甲氧基甲烷（簡稱DMM）。因其毒性非常低可用于香料生產和藥品合成的溶劑，又是面廣量大的民用涂料的環(huán)保溶劑。DMM的另一個重要用途是合成聚甲醛。聚甲醛是一種重要的工程塑料，它機械強度高，可代替銅、鋁等金屬，在汽車工業(yè)方面有廣泛的應用。DMM更重要的用途是作為柴油添加劑，它不僅可以代替部分柴油，減少原油進口量，還可以改善柴油的燃燒性能，減少顆粒物及氮氧化合物的排放，可以說它是下一代的新型柴油添加劑。目前，工業(yè)

通過基因工程手段，構建了高產 L-天冬氨酸酶和 L-天冬氨酸-α-脫羧酶共表達重組菌株。主要技術指標： 在轉化體系中，濕菌體添加量 20 g/L，底物 富馬酸 158.0 g/L，轉化周期 12~14 h，β-丙氨酸產量 118.6 g/L，底物摩爾轉化率 98%；(2) 濕菌體添加量 30 g/L，底物富馬酸 216.0 g/L，轉化 12~14 h，β-丙氨酸產量 162.1 g/L，底物摩爾轉化率 98%。 關鍵技術 以大腸桿菌為宿主，生長快，周期短，催化效率高；(2)以廉價的富馬酸為底物生產高附加值β-丙氨酸，成本低，收益高；(3)微生物轉化具有專一性強、條件溫和的優(yōu)點，該法綠色、環(huán)保、可持續(xù)，具有經濟競爭力，有很好的產業(yè)應用前景。 

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結合文獻調研和數據庫檢索，選擇 L-氨基酸脫氨酶在大腸桿菌中進行異源表達，對菌株進行發(fā)酵條件優(yōu)化和轉化條件優(yōu)化，并對野生型 L-氨基酸脫氨酶進行蛋白質工程改造，一定程度上減輕了產物抑制作用，產量和轉化率都有所提高。主要技術指標：濕菌體 15g/L，底物 L-纈氨酸 100 g/L，α-酮異戊酸產量為 95.6 g/L，轉化率為 96.4%。 關鍵技術 (1)以大腸桿菌為宿主，生長快，周期短，催化效率高； (2)對野生型 L-氨基酸脫氨酶進行蛋白質工程改造，一定程度上減輕了產物抑制作用，產量和轉化率都有所提高； (3)微生物轉化具有專一性強、條件溫和的優(yōu)點，該法綠色、環(huán)保、可持續(xù)，具有經濟競爭力，有很好的產業(yè)應用前景。 

谷氨酸脫羧酶(glutamate decarboxylase , GAD)能專一地催化 L-谷氨酸裂解為γ-氨基丁酸和 CO2 的作用，以發(fā)酵培養(yǎng)的全細胞或酶液作為催化劑轉化生產γ-氨基丁酸，所需設備簡單，條件容易控制，轉化體系雜質含量少，收率高，環(huán)境友好。本技術方法通過蛋白質工程改造和基因工程手段構建了高產谷氨酸脫 羧酶的突變株，經培養(yǎng)后，轉化體系中添加濕菌體 10 g/L，以分批補料添加谷氨酸，轉化 7 h，γ-氨基丁酸產量為 425.0 g/L，摩爾轉化率達到 98%，γ-氨基丁酸生產強度達到 60.7 g/(L?h)。 關鍵技術 (1) 以大腸桿菌為宿主，生長快，周期短，催化效率高； (2)以廉價的富馬酸為底物生產高附加值β-丙氨酸，成本低，收益高； (3)微生物轉化具有專一性強、條件溫和的優(yōu)點，該法綠色、環(huán)保、可持續(xù)， 具有經濟競爭力，有很好的產業(yè)應用前景

微流控技術是研究數字分子檢測、數字分子免疫學、單細胞分析等生物分析技術的重要手段，是當前臨床、醫(yī)藥領域的研究熱點。受仿生結構啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出了高精度數字化生物分子測定平臺，在細胞、顆粒的分散陣列化及生物應用等領域進行了探索，4年來已完成平臺原理驗證、結構優(yōu)化、系統調試、生物應用驗證的研究。該平臺系統可應用在高精度數字化生物分子測定領域，特別是數字PCR、數字LAMP等核酸分子診斷領域，以及數字ELISA等分子免疫學領域。針對核酸分子定量過程中精度低、成本高的難題，實現了微量核酸分子高精度數字化絕對定量，其定量靈敏度比第二代PCR技術高10-100倍，具有定量精確、體積小巧、操作簡便化、結果分析及時的優(yōu)點。