DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 结果与讨论 3.1. TiO 2 纳米棒阵列的微结构、晶相、光学吸收 图1是TiO 2 纳米棒阵列的表面和断面SEM照片、XRD衍射花样、紫外–可见吸收光谱。由图1(a)，图1(b)可知，TiO 2 纳米棒阵列的直径、长度和面密度分别为20 nm、570 nm和560 μm −2 ，与之前Han和Parize等 [ 7 ] [ 8 ] 制备的直径为120 nm，长度为1.3~1.4 μm的ZnO纳米棒和直径为80 nm，长度为900 nm的ZnO/TiO 2 核壳纳米棒相比，本实验制备的TiO 2 纳米棒阵列直径更小，面密度更高，可以增加Sb 2 S 3 的担载量，短长度则有利于空穴在固态电解质中的有效传输。由图1(c)可以看出除了FTO的衍射峰外，在2θ为36.1˚和62.8˚出现了TiO 2 金红石相的特征衍射峰，分别对应于金红石TiO 2 的(101)、(002)晶面。由图1(d)获得TiO 2 纳米棒的吸收开端为410 nm，对应的带隙为3.0 eV。 3.2. Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列的形貌、晶相、光学吸收 图2是Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列的表面SEM照片、XRD衍射花样、紫外–可见–近红外吸收光谱。从图2(a)可以看出，Sb 2 S 3 成功沉积在了TiO 2 纳米棒阵列上。与图1(a) TiO 2 纳米棒阵列的表面SEM照片相比，可以看到TiO 2 纳米棒被Sb 2 S 3 完全包裹，并且在相邻纳米棒的间隙也填充了Sb 2 S 3 ，有效的增加了Sb 2 S 3 的担载量。图2(b)，图2(c)给出了退火前与退火后Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列的XRD衍射花样和紫外–可见–近红外吸收光谱。从XRD衍射花样可以看出，未退火的Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列未出现Sb 2 S 3 的衍射峰，说明化学浴生长出来的Sb 2 S 3 为无定型。当薄膜在450℃退火8 min后，在2θ为15.6˚、17.5˚、25.0˚、24.9˚、29.2˚、32.4˚、35.5˚、47.0˚和54.2˚的位置出现了辉锑矿相Sb 2 S 3 的特征衍射峰，对应卡片(PDF # 42-1393)，结果表明当无定型态的Sb 2 S 3 在退火处理后转变为结晶态。从紫外–可见–近红外吸收光谱发现，未退火的Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列的吸收开端为550 nm，对应的带隙为2.25 eV，当薄膜进行退火处理后，其吸收开端拓宽到750 nm，对应的带隙为1.65 eV与本征材料的1.7 eV相近。所以，对低温化学浴生长的Sb 2 S 3 薄膜经过退火处理，可以使Sb 2 S 3 从无定型态变为结晶态，并拓宽其光谱吸收。 3.3. Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列太阳电池的光伏性能 图3是全固态Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列太阳电池的光电流–光电压特性曲线和单色光光电转换效率图谱。对于未退火的Sb 2 S 3 ，相应太阳电池的光电转换效率很低，只有0.02%；对于退火处理的Sb 2 S 3 ，相应太阳电池的光电流–光电压特性曲线如图3(a)所示，其短路电流密度(J sc )、开路电压(V oc )、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)分别为11.63 mA cm −2 、0.44 V、0.49和2.5%。图3(b)是退火处理的Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列太阳电池的单色光光电转换效率图谱，发现电池从吸收750 nm单色光时开始产生电子，与其退火的Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列吸收开端为750 nm相对应。相应的单色光光电转换效率曲线从300~800 nm的积分电流密度为11.35 mA cm −2 ，与太阳电池的短路电流密度11.63 mA cm −2 基本一致。本实验所得的短路电流密度11.63 mA cm −2 明显高于之前Han和Parize等 [ 7 ] [ 8 ] 制备的固态Sb 2 S 3 敏化一维纳米棒阵列太阳电池的5.57 mA cm −2 和7.5 mA cm −2 。因此，通过减小TiO 2 纳米棒阵列的直径、提高其面密度，可以有效地提高Sb 2 S 3 的担载量；通过缩短TiO 2 纳米棒阵列的长度可以有利于固态电解质更好的渗透，保证空穴在固态电解质中的有效传输，进而提高固态Sb 2 S 3 敏化一维纳米棒阵列太阳电池的光电转换效率。 图1. TiO 2 纳米棒阵列的表面(a)和断面(b) SEM照片、XRD衍射花样(c)、紫外–可见吸收光谱(d) 图2. Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列的表面SEM照片(a)、XRD衍射花样(b)、紫外–可见–近红外吸收光谱(c) 图3. 退火处理的全固态Sb 2 S 3 敏化TiO 2 纳米棒阵列太阳电池的光电流–光电压特性曲线和单色光光电转换效率图谱
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user: 4. 结论 本文利用低温化学浴法，在直径为20 nm、长度为570 nm、面密度为560 μm − 2 的TiO 2 纳米棒阵列上成功沉积了Sb 2 S 3 薄膜，并以spiro-OMeTAD作为固态电解质组装了全固态Sb 2 S 3 敏化太阳电池。系统研究了Sb 2 S 3 薄膜的形貌、结晶性和光学吸收，以及相应太阳电池光伏性能。结果表明，当退火温度为450℃，退火时间为8 min时，Sb 2 S 3 薄膜由无定型转变为结晶态，吸收开端为750 nm，相应太阳电池的光电转换效率达到了2.5%，J sc 为11.63 mA cm −2 、V oc 为0.44 V、FF为0.49。
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user: 摘 要 本文简要介绍了循环效率是氧化铝生产中一项非常重要的降低成本的手段，提高循环效率在相同的条件下相应提高产量，因而可以提高生产效率、降低固定成本分摊。在相同的温度体系条件下，提高拜耳法循环效率，可以使每一个立方的循环母液处理更多的铝土矿，而几乎消耗相等的能量，从而多产出氧化铝，提高生产效率，增加产量，摊薄固定成本分摊。 关键词 :循环效能，有机物，粒度，浮游物 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 研究背景 通常，循环能耗、拜尔法能耗和循环效率的计算方法如下 [ 1 ] [ 2 ] ： 循环能耗：E § = 配料能耗 + 溶出能耗 + 沉降和叶滤能耗 + 种分能耗 + 蒸发能耗； 拜耳法能耗 = 单位体积母液循环能耗/循环效率； 循环效率E η = 1.645 × Nk × (1/ak ( 溶出矿浆 ) − 1/ak ( 循环碱液 ) )，其中：铝酸钠溶液中苛性碱与氧化铝浓度的摩尔比：ak = 苛碱浓度/氧化铝浓度 × 1.645。 循环效率是氧化铝生产中一项非常重要的降低成本的手段，提高循环效率在相同的条件下相应提高产量，因而能提高生产效率、降低固定成本分摊 [ 1 ] 。在相同的温度体系条件下，如提高拜耳法循环效率，每一个立方的循环母液可处理更多的铝土矿，而几乎消耗相等的能量，可多产出氧化铝从而提高生产效率，增加产量，摊薄固定成本分摊。图1表示了提高循环效率的作用，在同等能耗的作用下，拜耳法可强化拜耳循环流程和提高循环效率。 循环效率与溶出、赤泥分离、种分和蒸发等各个重要工序紧密相关，从而带动拜耳法循环体系的全面优化 [ 2 ] 。图2是拜耳循环过程示意图，从图2可以看出，降低溶出苛性比及降低分解原液苛性比，必须尽可能减少赤泥分离过程中的氧化铝损失，包括沉降和叶滤损失；为提高拜耳法循环碱浓度，必须研究高碱浓度下的分解率和产出率的最优化配置，并保证砂状氧化铝产品质量。
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user: 2. 循环效能指标和分解率指标 我厂自2014年开始使用澳矿，受矿石变化及流程有机物影响循环效能指标及产品质量不理想，主要指标完成情况如表1和表2分所示。 图3是分解率变化趋势图，从图3数据看，三率指标完成不理想，影响循环效能指标主要在分解率指标，从以上数据及趋势看，进入10月份两线分解率均有提高，尤其是东线，但从10月4日起东线分解率开始下滑，10月8日开始回升，10月13日又开始下降(10月9日最高52.4%，10月15日最低49.49%)，均为精液ak波动所致。种分南线10月8日开始分解率下滑，10月13日后逐渐平稳回升(出料ak升高较为明显，30系列近一周基本保持3.0以上)，但南线整体分解率低于9月份，主要是10系列为保证持续产出“双五AH”。
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user: 3. 主要原因分析 1) 10月份管道化液量平均2280 m 3 /h，东线分解精液平均1067 m 3 /h，南线平均1418 m 3 /h，东线分解体积平均66，400 m 3 ，南线分解总体积109，000 m 3 ，长大时间短东线仅为30小时左右，南线为37小时左右，较短的分解时间影响影响分解率提升。 2) 分解精液ak偏高，东线平均完成1.41，南线平均1.41。东线在10月初及中旬精液ak平均高达1.43，南线比9月份升高0.01对分解率造成不利影响。 图1. 提高循环效率的作用 图2. 拜耳循环过程示意图 图3. 分解率变化趋势(红色为南线、蓝色为东线) Table 1 Cyclic efficiency inde 分解率 产出率 循环效率 东线 南线 东线 南线 东线 南线 50.97 50.79 87.57 88.04 128.20 123.31 49.92 51.44 86.27 89.09 125.53 122.26 表1. 循环效能指标 Table 2 Resolution ratio inde 项目 10月份 9月份 差值 历史最好水平 东线% 50.55 49.92 0.62 55 南线% 50.94 51.44 −0.5 53 表2. 分解率指标 3) 受流程草酸根影响，分解温度偏高控制，两线出料温度均控制在52℃以上。尤其是种分东线，全月出料温度55℃~56℃，南线亦控制52℃~53℃；两线附聚温度控制均在75℃。均不利于分解率提升。 4) 溶液及AH表面草酸根含量变化趋势。 图4是溶液及AH表面草酸根含量变化趋势图，从图4可以看出，两线精液草酸根含量一直处于高位，尤其是南线全月基本在1.7 g/L以上，东线AH表面一直在析出，尤其是10月下旬。对于分解系统参数的调控影响较大。 5) 进入10月份受外界气温下降影响，种分温度梯度利于控制，有利于分解参数的调整。
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user: 4. 提高循环效率技术路线 基于以上存在的问题，我们采取了以下提高循环效率的技术路线： 1) 加大流程除杂过液量，提高有机物排除量，使流程有机物进出平衡。 2) 降低精液ak：在确保溶出率情况下，配料指标稳定控制在1.35 g/L以下，确保精液低ak < 1.39，提高分解精液过饱和度，为分解提供动力支持。 3) 调整精液分配延长分解时间： a) 东线分解液量1000~1050 m 3 /h，南线稳定在1480 m 3 /h，10系列400~450 m 3 /h，20、30系列1030~1080 m 3 /h。 b) 分解槽清理体积 < 10，000 m 3 控制，尽可能保证分解时间。 4) 提高种子比：随着粒度粗化，立盘开车将受到影响(主要在种分南线)；同时因气温降低，立盘滤布结硬速度快。稳定立盘过滤机开车尤为重要，种子比按照5.0~6.0控制。 5) 稳定种分固含量：10系列保持550~600 g/L，东南两线种分长大固含700~750 g/L，(稳定750 g/L左右)；旋流器进料固量含450 g/L以下控制，确保细颗粒回头附聚及成品粒度。 6) 稳定控制分解温度 确保中间降温设备运转效率，确保种分槽温度梯度。控制思路：在粒度可控情况下二段附聚温度75℃~76℃控制，出料温度按52℃~54℃控制。10系列出料温度54℃~56℃控制： a) 东南两线中间降温按照周期进行碱煮，确保换热效果。 b) 中间降温循环水凉水温度30℃以下控制。 c) 换热设备严格按周期碱煮，确保换热效率；确保换热设备完好率。 7) 流程有机物控制 除杂系统稳定开车，三期工程按期投产，精液草酸盐含量必须1.6 g/L以下控制。两线AH晶种互动(10月28日已启动)，南线输送旋流器溢流至东线置换流程AH，加快AH表面草酸盐降低。 8) 降低立盘滤液浮游物 ① 控制AH浮游物回头是提高循环效能重要措施之一，10月份两线浮游物指标在上旬偏高，进入10月下旬指标明显好转，这在表3数据中可以验证。 图5为立盘浮游物变化趋势，从图5可以看出，东线连续2次出现异常，分别在10月1日、10月20日，主要是流程缺陷造成，已解决。南线在月初整体偏高，随着粒度好转中下旬趋于稳定。 ② 重点对过程控制进行监控。一方面严格交接班检查及日常工艺纪律检查，烂布考核；另一方面严控换布质量(立盘换布均涂抹密封胶进行密封)，执行600小时换布制度。 ③ 重点对立盘滤板与大轴密封方式进行改造。 种分南线05#立盘已改造完毕，浮游物已降至1g/L以下，其余立盘按照种分南线05#立盘的方式进行改造。 Table 3 The suspended matter in filter liquid of vertical disk filte 项目 10月份 9月份 差值 历史最好水平 东线g/L 3.35 3.62 −0.27 3.1 南线g/L 3.47 3.35 0.12 2.92 表3. 立盘滤液浮游物 图4. 溶液及AH表面草酸根含量变化趋势 图5. 立盘浮游物变化趋势 ④ 稳定配料指标降低溶出ak： a) 利用Nk自动分析仪，蒸发工序率先实现调配使用液的自动配制，不仅稳定料指标，而且降低人工劳动强度，避免人工操作指标不稳定容易波动的现象发生。 b) 进一步完善配料模型，对数据进行修正，下发到岗位进行参考调整。 c) 南线摸索出马来矿使用经验，低仓位运行，严格抓仓位运行，组织分厂技术人员进行值班跟踪指导检查，使每班篷仓2~3次基本杜绝，指标合格率也随之提高。 d) 坚持配料例会制度，每天组织原料工序与生产中心技术人员进行分析制定出具体可实行的措施。 e) 发挥绩效的引导作用，对中心值指标进行加奖，对AO低于210，ak高于1.4的指标进行追加考核；指标异常两个单样以上管理人员必须进厂进行纠偏。 ⑤ 提高溶出率： a) 东线新1#磨进行级配调整，首先新1#磨加3吨φ110大球增加矿浆的破碎能力，同时对旋流器的底流嘴进行调整，均改用φ110 (原来90、100)。 b) 职工每小时观察旋流器底流一次，每两小时淘旋流器底流一次，并进行留样备查，发现粒度粗立即进行调整。 c) 新老磨岗位各配备+20#筛一台，职工可以自己分析检查 + 20#粒度情况，便于及时调整。 ⑥ 溶出岗位进行监督，矿浆粒度发现跑粗及时通知岗位调整。 ⑦ 降低水解损失： a) 沉降槽加热水槽温度严格控制在90℃~95℃。 b) 严格控制生水进流程，杜绝用水冲地，泄漏的机封48小时内必须检修完毕。 c) 清液层控制在9米以上，防止浑槽造成水解损失。 通过以上技术路线的改进，生产中出现的问题得到解决，循环效能指标和分解率等指标稳定，效率大大提高。
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user: 摘 要 准确的区域降水量预报，在气象服务领域一直是非常重要的问题。短时降雨量预报的目标是在未来短期(0~6小时)内，对当地区域的降雨强度进行精确和及时的预测。气象站通过预测的短期降雨量数据，与观测的天气预报气象数据进行整合，能够发布城市紧急降雨警报，提供有效的防汛防洪信息。本文根据自动站检测的周边历年降水量数据，以及气象站观测的区域上空不同高度的多普勒雷达回波外推图，提出一种基于深度学习方法的降雨预测模型。所提出的模型基于3D卷积神经网络(3D Convolution Neural Network)，将所建立的网络模型应用于降雨预测的回归问题，并利用合适的指标对模型精度进行评价，对高精度下特定区域的短时期降雨量进行预测。通过实验，在不同网络结构下进行分析对比实验预测值与观测值的均方根误差达到了6以下。该方法能够对区域上空未来短期的降雨量进行准确的预测。该训练模型在气象站整年的数据中预测稳定。 关键词 :深度学习，3D卷积神经网络，降雨预报 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 精确的区域短期降雨量预报，随着气象预报技术的发展成为了日益受到关注的问题。区域降水量预报的目标是在未来短期(例如0~6小时)内，对当地区域的降雨强度进行精确和及时的预测。气象站通过预测的短期降水量数据，与观测的天气预报气象数据进行整合，能够发布城市紧急降雨警报，提供有效的防汛防洪信息。 对于短期区域降水量预报而言，天气事件本身具有不可重复性，每日的降水量作为一个随机事件，降水过程本身受到区域所处气候带、潮汐、大气环流等气候因素的影响 [ 1 ]。在随机因素的干扰下，短时间区域降水量的分布呈现出复杂的变化趋势，因此需要高时空分辨率和高时效性的数据源来建立预测模型。实时的多普勒雷达回波外推图6 min更新的时间分辨率和1 km的空间分辨率可以满足这一需求，由于所需要的预报数值精确度与时间有效性远高于其他传统气象预报任务，通过多普勒气象雷达回波外推图像进行短时降雨预测，在防汛和暴雨预警中扮演着重要角色 [ 2 ] [ 3 ]。 降水预报系统的常规预报依赖于光流方法，气象部门首先根据观测到的雷达回波外推图像通过光流计算对流云的运动，然后用拉格朗日平流预测未来的雷达回波外推图像 [ 4 ]。现有的利用光流法预测降水量，由深度学习的角度来看是基于无监督的学习，因为光流计算没有利用现有的大量雷达回波数据。降水量预测问题可以归纳为一种时间序列预测问题，将过去的雷达回波外推图像数据作为输入，以将来的雷达回波外推图作为固定数量输出的序列，这种训练与预测问题能够使用有监督的深度学习技术加以解决。 本文的工作主要包含以下两点： 1) 建立短时降雨预测的深度神经网络模型。气象预报的降水过程具有规律较难学习、数据量大以及变化趋势复杂的特点，因其本身具有时序的属性，适合深度神经网络对数据进行训练与学习。通过实时的多普勒雷达图像，根据建立深度神经网络模型对未来短时期的降水量进行预测。 2) 卷积神经网络应用降雨预测学习模型的回归问题。卷积神经网络广泛应用与图像的识别与分类领域，图像多分类任务中输出结果的一般是分类的概率。基于降雨量预测目标建立的网络模型，将目标站点的未来降水量作为标注，训练线性模型，输出结果为降水量的误差值。因此，课题研究所建立的网络模型将应用于降雨预测的回归问题，调整优化网络模型的参数并建立合适的指标对模型精度进行评价。
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user: 2. 相关工作 2.1. 降雨量预报研究 在区域内降雨量预测的领域研究中，传统的短期降雨预测模型取得了许多成果。在气象预报发展的早期阶段，孙才志和夏乐天等学者分别用加权马尔可夫链模型对降水量的状况进行了预测，并采取有序聚类方法对降水量的状态进行划分，避免了对降水量状态划分时受主观因素的影响 [ 5 ]。赵欣和邹良超利用有序聚类的最优图像识别算法、模糊理论和加权马尔可夫链的原理，建立了基于有序聚类的模糊加权马尔可夫预测模型，并对近几年中部某城市的夏季降水量进行预测 [ 6 ]。 Takasao和Nakakita提出的短期降雨预测模型是基于云物理的概念性降雨模型。该模型利用雷达反馈的三维分布信息估算水汽转化为液态水的转化率，并预测降雨分布的产生，发展，下降和雨带等主要特征 [ 7 ] [ 8 ]。陈森发和张文红等在此基础上，引入了随机误差项，利用随机微分方程理论，建立相应的随机波动模型，使模型能够更好地反映系统的动态变化，但是在提高短期的降雨预测准确度上，容易出现预测结果不稳定的情况 [ 9 ]。 现代的降水预报模型大致可以分为两类，即基于数字天气预报(Numerical Weather Prediction， NWP)的方法和基于雷达回波外推的方法。对于NWP方法，在临近预报时间进行预测需要对大气模型中的物理方程进行复杂而细致的模拟 [ 3 ] [ 10 ]。计算视觉技术尤其是基于光流法的方法，已被证明对精确推断雷达回波外推图像有较好的效果 [ 11 ]。雷达回波的变分方法的实时光流(ROVER)，利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性，结合风向气候因素的影响，容易造成短时间的降水量变化，光谱的帧值快速的减少及消散，使得光流法对于区域降水量的预测有一定的局限性 [ 12 ]。 基于深度学习的短期降水预报问题，日益成为降雨预测的一个重要方向。郭尚瓒等提出集成多点预测的卷积MLP模型进行短时降雨量预测 [ 13 ]。张继学建立逐日降水量的三层BP神经网络预测模型，主要利用BP神经网络的线性函数逼近功能 [ 14 ]。张帅等人运用RNN递归神经网络构建模型，通过时间反向传播算法更新网络权重解决长期降水量的预测问题，实验结果较传统方法预测精度高，较好地解决了高维数、非线性和局部极小问题 [ 15 ]。深度学习在气象预报方面取得了一些成果，但仍需要进一步探索，如无标记数据的特征学习，雷达回波外推图像的图像识别与标注，网络规模与训练精度的平衡问题。 2.2. 卷积神经网络 深度学习的概念源于对人工神经网络的研究，M Riesenhuberd等人根据细胞的节点功能设计不同节点的分层网络结构，建立人工神经网络的模型 [ 16 ]。2006年，加拿大多伦多大学教授Geoffrey Hinton和学生Ruslan Salakhutdinov提出了无监督预训练对权值进行初始化 [ 17 ] ，对于每一层特征以低层的表示作为输入，再利用无监督的训练得到隐藏层的抽象的表示方法。通过有监督训练微调与无监督的权值初始化，深层网络训练中梯度消失问题得到解决 [ 18 ]。在此基础上提出的深度置信网络(Deep Belief Networks， DBN)，DBN的训练方法降低了学习隐藏层参数的难度，经过逐层特征变换，增加了样本的空间特征表示 [ 19 ]。Yann Le Cun提出卷积神经网络(Convolution Neural Network)后，深度学习方法越来越多地用于图像识别领域中 [ 20 ]。卷积网络模型可以通过网络神经层次结构来学习特征，网络节点组合低层次的特征，抽象形成高层表示的属性与类别，利用无监督学习训练深度神经网络的各层结构，实现自动化的模型构造 [ 21 ]。近年来随着深度学习在图像识别领域的广泛应用，深度学习模型使用无监督或有监督的方法进行训练，生成的模型在视觉对象识别，自然语言处理和音频对象分类领域获得了突出的成果。
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user: 5. 总结 通过本文研究，能够对区域上空未来短期的降水量进行预测，在不同维度的训练集和不同网络结构下进行分析对比实验，利用预测值与观测值的均方根误差评价模型。通过实验训练预估的模型，针对部分特定区域进行精确的降水量预报，对于提高气象预报工作的准确度，指导公共服务领域的预警机制，具有重要的实际意义和应用前景。本文完成的工作总结包括以下两个方面： 1) 利用自动站检测的周边历年降水量数据，以及气象站观测的区域上空不同高度的雷达回波外推图，结合3D卷积神经网络在多维图像处理的特征发现能力，提出了一个构建短时降雨预测的深度神经网络模型的方案。通过对模型网络结构的调整、网络参数的优化、加入Dropout层，解决样本量维度有限，训练过程中存在模型过拟合，特征学习不充分等问题，获得性能方面的优化和提升。 2) 基于3D卷积神经网络与长短期记忆网络，融合LSTM单元输出向量的空间状态提取特征，通过重塑向量的形式来表达图像的空间特征信息，优化网络结构并构建与时序相关的深度学习网络降雨量预测模型。实验结果说明，在单位1小时内50 × 50公里的范围内，根据多普勒雷达云图预测降雨量值与实际观测的差值，均方根误差最好达到5.9以下。 本文上述研究的优化方法中，基于3D卷积神经网络和LSTM的降雨预报模型达到最高精度。由于气象数据、模型性能等因素的限制，难免存在不足之处，如降雨时效性局限在一定小时以内，雷达数据包含气象因子较单一等问题，后续工作可以考虑设计多维雷达图像时空序列数据的方案，通过收集温度、适度、风力等级等气象影响因子，构建包含天气多因素的气象数据模型，完善模型的数据涵盖维度。同时基于1小时及其以上的雷达气象数据，建立完整的短期降水量预测模型，解决区域降雨量预测精度不高的问题，对系统进一步优化以提高预报的时效性。
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user: 摘 要 土壤重金属锌污染问题是环境和土壤科学研究者关注的热点问题。为了深入了解贵州省土壤锌污染及修复研究进展，本文综述了贵州土壤重金属锌含量、锌污染来源、锌的营养作用及其毒害效应方面的研究进展。重点阐述了目前锌污染土壤修复改良所采取的各类措施，包括物理修复、化学修复、生物修复及农艺修复，并分析了几种修复技术的优缺点。在此基础上提出土壤锌污染及修复技术研究存在以下三点问题：1) 贵州省土壤锌污染比较突出的为典型铅锌矿区，而典型农田土壤锌污染现状研究较少见报；2) 对于贵州省土壤中总锌含量研究比较多，而土壤中锌的形态研究较少；3) 对于贵州省土壤锌污染现状研究较多，而污染土壤锌修复研究不多。并对这三个问题进行了进一步探讨，以推动贵州省锌污染土壤治理修复的研究。 关键词 :土壤，重金属，锌营养及毒害效应，锌污染，修复技术 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 土壤是人类赖以生存的主要资源和自然生态系统的重要组成部分，更是农业生产的基础 [ 1 ] 。同时也是连接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带，是与人类生存密切相关的最重要的自然资源，是人类赖以生存和繁衍的基础，其作用具有不可替代性 [ 2 ] 。 贵州属亚热带湿润季风气候区，气候温暖湿润，年气温变化小，总体上属农业丰收型气候。贵州是中国的矿产资源大省之一，已发现的矿产有110种以上，其中76种程度不同地探明了储量。随着贵州省经济发展速度不断加快，矿业开采、工业“三废”、城市生活垃圾和污泥、农用化肥、农药带来的污染越来越严重，重金属Zn也随之进入土壤积累固定。由此带来了土壤重金属Zn污染，造成植物Zn毒害，从而引起农产品安全和经济作物品质等问题。因此寻找高效并对环境影响小的土壤Zn污染修复方法成为当务之急。 Zn作为重金属元素之一，是动物、植物生长发育所必需的微量营养元素。但是，也是公认的有害重金属元素之一，土壤被Zn污染后，Zn被植物吸收后会导致作物减产和品质下降，严重时造成绝收 [ 3 ] 。同时污染土壤中的Zn通过土壤—食物—人这条食物链中的积累、迁移和传递，最终会给人体健康带来严重的威胁 [ 4 ] 。因此，近些年来土壤Zn污染修复和治理措施一直是广大土壤科研工作者所关注的重点。本文在讨论了贵州省土壤重金属Zn污染来源，重金属Zn的检测技术，Zn污染的危害的基础上，综述了土壤Zn污染修复技术的研究进展，以期为土壤Zn污染治理提供科学依据。
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user: 2. 贵州土壤中的锌含量及污染现状 Zn在自然界中分布较广，天然土壤中的Zn主要来源于母岩。中国土壤中的Zn含量在3~709 mg∙kg −1 之间，平均值为100 mg∙kg −1 ，比世界土壤的平均含Zn量高出1倍 [ 5 ] ，其中贵州省土壤重金属Zn背景值为82.4 mg∙kg −1 [ 6 ] 。我国土壤中Zn含量有一定的地带性分布规律，分布趋势是由南向北和由东向西逐渐降低。随着贵州省经济发展速度不断加快，矿业开采、工业“三废”、城市生活垃圾和污泥、农用化肥、农药带来的污染越来越严重，土壤重金属锌污染状况也日益加剧。吴迪等 [ 7 ] 研究结果表明，随着耕种历史的延长，贵州DX、DW Pb、Zn矿区水稻土壤重金属Zn与标准比超标31.42倍，单因子污染指数大于1，说明对土壤已造成严重污染。岳佳等 [ 8 ] 研究结果表明，黔西北地区土壤重金属Zn含量454.33 mg∙kg −1 ，高于贵州省土壤Zn背景值且与Cd含量之间成正相关。孟忠常等 [ 9 ] 研究结果表明，贵州典型Pb、Zn矿区XQ、DA、SS、QS周边土壤重金属污染Zn分别为1317.00 mg∙kg −1 、728.80 mg∙kg −1 、749.10 mg∙kg −1 、873.00 mg∙kg −1 ，单因子污染指数和综合污染指数两个指标综合分析得出，矿区土壤重金属Zn污染处于重污染等级。牟力 [ 10 ] 等研究得出贵州省镇远县金堡乡爱河村谷地21个田块土壤Zn污染仅次于Cd污染，属于轻度污染。丁玉娟 [ 11 ] 等研究发现贵州威宁县草海生态区主要农业区耕地土壤Cd、Cr、Hg、Pb、As、Zn等重金属元素土壤污染综合评价值范围在1.79~2.71之间，综合指数为2.12，处于中度污染状态。城市化过程中也大了含有重金属元素的机动车废气、污水污泥、生活垃圾等污染等致使城市附近土壤Zn污染加重，土壤Zn也有小幅度增高。王济等 [ 12 ] 研究结果表明，贵阳市城区表层土壤重金属Zn含量最高达635.70 mg∙kg −1 。贵阳城区路侧土壤中Zn含量均值为162.33 mg∙kg −1 ，分别为基线值和背景值的3.5和2.2倍。
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user: 3. 土壤锌对植物营养作用及毒害效应 Zn是人体和动物所必需的生命元素之一，同时也是植物生长发育必需的营养元素。现有的研究表明，Zn是参与合成和调节多种类型酶功能、结构或活性的必要元素 [ 13 ] ；参与植物光合作用中CO 2 的水合作用，与植物光合作用密切相关 [ 14 ] ；还与蛋白质合成、成熟叶片矿质元素含量、膜的完整性、生殖器官的发育以及植物的抗逆性有关 [ 15 ] 。 Zn是植物必需的微量营养元素，但过量将对植物产生毒害。对大多数植物而言，叶片生长所需要的锌含量为5~20 mg∙kg −1 ，当植物体内锌含量达到100 mg∙kg −1 时可能会过量，而当锌含量达到400 mg∙kg −1 时则对大多数作物表现为毒害作用 [ 16 ] 。 土壤中过量的Zn会对植物产生毒害作用，主要表现在以下方面 [ 17 ] ：① 对植物根伸长的抑制 [ 18 ] [ 19 ] ；② 抑制植物根系对土壤营养元素的吸收；③ 引起植物超微结构的改变，包括影响细胞膜的通透性、植物光合作用、呼吸作用及植物的代谢物质，从而导致植物体内自由基的产生并引起脂膜的过氧化等方面 [ 20 ] 。
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user: 4. 土壤中锌的形态分布及影响因素 4.1. 土壤中锌的形态分布 重金属Zn而言，通过各种途径进入土壤中的Zn，按其存在形态可分为有机态锌和无机形态Zn，其中，无机态Zn又包括代换态、矿物结合态及土壤溶液中的自由Zn离子等。不同结合形态的Zn在不同土壤中含量有很大差异，且不同形态的Zn之间可以相互转化 [ 21 ] 。 4.2. 影响土壤中锌形态分布的主要因素 外源可溶态Zn进入土壤后，迅速在溶液和固相中进行再分配，以自由离子态(Zn 2+ )、有机络(螯)合态、可溶性胶体吸附态及晶格固定等形态存在于不同土壤组分中。 4.2.1. 土壤pH的影响 一般情况下，酸性土壤中Zn的有效性高，在中性和碱性土壤，Zn可呈锌络离子，也可沉淀为氢氧化物等，溶解度降低，有效性差。随着土壤pH的升高，Zn在土壤固相上的吸附量和吸收能力增强，从而降低Zn的活性 [ 22 ] 。进入土壤中的Zn主要以残留态为主，很少量以可溶态存在于土壤溶液中，后者数量虽少，产生的生物毒害却很强 [ 23 ] 。 4.2.2. 根际效应 在根际土壤中，植物根系通过改变根际pH的改变和分泌有机酸可以促进根际土中硅酸盐、碳酸盐、硫化物、氧化物态锌的溶解，由此可引起以不同形态存在的锌的释放，并与各种根系有机分泌物发生络合或者螯合作用，进而改变根际土中锌的存在形式 [ 24 ] 。
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user: 5. 贵州土壤重金属锌污染的主要来源 5.1. 矿业开采“三废”排放带来的污染 作为西南资源大省，贵州省矿产资源分布广泛，矿种众多，特别是汞矿储量、产量均居全国第一，磷矿、铝土矿、锰矿、煤炭储量分别居全国第二、三、四、五位 [ 7 ] 。 由于矿产开采“三废”排放带来的污染随着经济社会的快速发展，及对矿产资源的大量消耗和不合理科学开采利用，既造成资源的浪费又污染土壤环境，特别是矿区土壤污染问题日趋严重 [ 25 ] 。矿区土壤锌污染来源主要有以下2个方面：一方面，矿物开采和冶炼过程中含锌废渣和矿渣排放，产生的含锌有害气体和粉尘随自然沉降和降雨进入土壤，另外，产生的矿山酸性废水进入水环境(如河流等)从而进入土壤，造成污染；另一方面，矿业废弃物(尾矿砂、矿石等)在堆放或处理过程中重金属向周围土壤、水体扩散 [ 26 ] 。刘灵飞等 [ 27 ] 研究结果表明，贵州省晴隆县大厂镇喀斯特山区废弃锑冶炼厂周围的农田土壤，距离冶炼厂烟囱不同距离12个表层土壤样点和5个典型土壤剖面中表层土壤主要污染元素为Sb、Zn、Pb、Hg、As和Cu，分别是贵州省土壤背景值的58.58、11.96、7.99、7.45、6.70和1.60倍；以贵州省土壤背景值计算，采用内梅罗综合污染指数法对其进行评价得出，研究区土壤达到中度污染水平。董亚辉等 [ 28 ] 研究结果表明，贵州六盘水市某铅锌矿废弃地区重金属含量值从高到低依次为Pb > Zn > Cu > Cr > Cd，平均含量分别达5088.70 mg∙kg −1 、4956.6 mg∙kg −1 、403.1 mg∙kg −1 、65.2 mg∙kg −1 、38.4 mg∙kg −1 。渣区及尾矿区的Pb、Zn、Cu和Cd含量均超出土壤环境质量三级标准，达到了限制植物生长的程度。湛天丽 [ 29 ] 等对贵州省铜仁市万山区高楼坪万山汞矿区约5公里远的一块面积约100亩的农田研究得出：农田土壤Hg、As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的平均含量分别为4.29、117.6、0.43、59.06、48.99、43.77、29.13、18.80 mg∙kg −1 ，土壤重金属综合污染指数为7.16，表明该农田土壤重金属重度污染，且元素具有一定的同源关系或复合污染现象。随着Pb、Zn矿的长期开采，生产过程中矿渣、工业粉尘、废水、尾矿中的重金属Zn污染及环境问题已严重阻碍了农业的可持续发展并危害着土壤的健康。 5.2. 农业生产带来的污染 近代农业生产过程中含有重金属的化肥、畜禽粪便、农药等的施用，已经造成了土壤中重金属含量的升高。一般来说，氮肥和钾肥中Zn含量很少，混杂有Zn的主要是P肥、含P复合肥、含Zn复合肥以及以城市垃圾、污泥为原料的肥料等。张民等 [ 30 ] 研究结果表明，随着耕种历史的延长，表层土壤的Zn含量呈增加趋势，并指出施用含Zn肥料和农药可能是导致土壤中Zn含量升高的重要原因之一。张树清等 [ 31 ] 统计了我国7个省、市、自治区的典型规模化养殖场畜禽粪便中Zn含量，55个猪、鸡粪中Zn含量变幅为71.3~8710 mg∙kg −1 ，猪粪中Cu、Zn、Cr和As含量明显高于鸡粪。 5.3. 城市化进程带来的污染 随着城市化在贵州飞速发展，以及城市人口的不断增长和城市中人流量的加大，人类活动的增加必然导致大量的重金属锌被带入土壤中，造成土壤中重金属的积累，并通过大气、水体或食物链而直接或间接地威胁着人类的健康甚至生命。有研究表明，垃圾填埋层中锌含量约为300 mg∙kg −1 ，生活垃圾渗滤液中的锌含量则高达1100 mg∙kg −1 [ 32 ] 。 5.4. 污水、污泥带来的污染 污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。由于城市工业化的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重金属离子，随着污水灌溉而进入土壤 [ 33 ] [ 34 ] 。污泥中含有大量的有机质和N、P、K等营养元素，但同时污泥中也含有大量的重金属，随着大量的市政污泥进入农田，使农田中的重金属的含量在不断增高。污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加。 5.5. 交通运输带来的污染 交通运输产生的重金属类污染物主要来源于汽车行驶中产生的汽车尾气、轮胎和机械部件磨损污染物、燃料油、润滑油的泄漏及机动车运载货物导致的扬尘，污染元素则主要为Pb、Cu、Zn等元素 [ 35 ] 。张春辉等 [ 36 ] 对贵阳市道路降尘研究结果表明，由于汽车轮胎的磨损及燃油燃烧等，造成Cu、Pb、Zn含量分别为60.37~437.79 mg∙kg −1 、35.63~313.52 mg∙kg −1 、282.64~841.57 mg∙kg −1 。Cu、Pb和Zn的平均含量均超过贵州土壤背景值，分别是背景值的7.69、2.85和6.94倍。武永锋等 [ 37 ] 研究结果表明，由于汽车轮胎硬度添加剂含Zn粉尘，贵阳不同功能区中交通区土壤中Zn含量均值为141.94 mg∙kg −1 ，达到轻度污染。综上所述，交通运输对大气、土壤等环境要素已经造成了Zn污染，并通过人们的呼吸系统和食物链富集对人类的健康构成威胁。
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user: 6. 贵州土壤重金属锌污染修复改良技术 目前土壤重金属Zn污染土壤的治理途径主要体现在以下3个方面：① 降低土壤中Zn浓度；② 降低Zn在土壤中的迁移性；③ 清除土壤中Zn [ 38 ] 。Zn污染土壤的修复措施很多，从原理上可以分为物理修复、化学修复、生物修复和农艺修复四大类。 6.1. 物理修复 物理修复(经典和传统方法)包括客土、换土、翻土及去表土法，电化学法，淋洗法，热处理法 [ 39 ] [ 40 ] 。客土是在Zn污染土壤上，加入未污染的新土；换土是将Zn污染的土壤移去，换上未污染的新土；翻土是将Zn污染土壤翻至下层；去表土是将Zn污染的表土移去。深耕翻土常用于轻度污染的土壤，而客土和换土多用于重污染区。通过这些措施，可以降低土壤中Zn的含量，减少过量的Zn对土壤-植物系统产生毒害，从而使农产品达到食品卫生标准。物理工程措施治理效果最为显著、稳定，是一种治本措施，而且适应性广，但投资大，存在二次污染和肥力降低问题，适于小面积的重度污染土壤的治理。董亚辉等 [ 28 ] 研究发现，贵州六盘水市某Pb、Zn矿废弃地客土覆盖区，Zn的含量明显降低，Zn污染达二级标准。 6.2. 化学修复 化学修复是通过对土壤中的重金属Zn进行吸附、溶解、沉淀、氧化还原、络合螯合等来降低土壤中重金属Zn迁移性或生物有效性的方法。常用的重金属污染土壤化学修复技术主要包括固化法、稳定化法、淋洗法、改良法。 固化法是指通过向土壤中添加固化剂，在固化剂的作用下形成渗透性较低的固体混合物，将重金属Zn封存在固化物中，从而降低重金属Zn元素在土壤中的迁移性。 稳定化法是指向土壤中投加稳定剂，通过氧化还原等化学反应，将重金属污染物转化为状态稳定、毒性小或不易溶解的化合物，从而降低重金属元素的生物可利用性 [ 38 ] 。 淋洗法是指用清水淋洗液或含有一定配位体的化学助剂冲淋受重金属Zn污染的土壤，改变其理化性质，增加重金属的水溶性，再将含有重金属的溶液抽提出来再处理。方一丰等 [ 41 ] 发现，聚天冬氨酸(PASP)对Cd、Zn有较好的提取率，均超过50%。 改良法是向土壤中投加改良剂(石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐等)，以增加土壤有机质、阳离子交换量和粘粒含量，以及改变pH、Eh和电导率等理化性质，使土壤中的Zn发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用，以降低Zn的生物有效性。华珞等 [ 42 ] 研究发现，不同的Zn、Cd含量的污染土壤上施加有机质，能使玉米茎中的Zn和Cd含量明显降低，生物量明显增加。纳明亮等 [ 43 ] 研究发现，在添加不同的Cu、Cd外源含量的污染土壤上施加石灰，能使土壤有效Zn降低了64%，在添加量250 mg∙kg −1 和500 mg∙kg −1 时，小白菜中Zn含量分别降低了82.4%和87.6%。 6.3. 生物修复 生物修复是利用生物技术治理污染土壤的一种新方法。利用生物削减、净化土壤中的重金属锌或降低重金属Zn毒性。通常用的生物措施为植物修复，是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术。重金属Zn污染土壤的植物修复技术常用为植物提取，即利用重金属超积累植物从土壤中吸取金属污染物，随后收割地上部并进行集中处理，连续种植该植物，达到降低或去除土壤重金属污染的目的。目前已发现有400多种超积累重金属植物，积累Zn可达到1%以上 [ 44 ] 。国外已发现的锌超积累植物已达18种 [ 45 ] [ 46 ] ，其中最典型的Zn超积累植物为天蓝遏蓝菜，其地上部Zn含量达51，600 mg∙kg −1 [ 47 ] 。胡宇等 [ 48 ] 研究发现，毕节Pb、Zn矿区优势植物中淡黄香青自然条件下地上部分对Pb和Zn的富集量分别达1304.5 mg∙kg −1 和2468.1 mg∙kg −1 ，对Pb、Zn的吸收能力较强，在重金属Pb、Zn污染土壤修复方面具有潜在的应用价值。 生物措施的优点是实施较简便、投资较少和对环境拢动少，缺点是治理效率低(如超积累植物通常都矮小、生物量低、生长缓慢且周期长)，不能治理重污染土壤(因高耐重金属植物不易寻找)和被植物摄取的重金属因大多集中在根部而易重返土壤等。 6.4. 农艺修复 目前专一通过农艺措施进行重金属锌修复的研究比较少，通常采用的农艺修复措施有以下两种：①改变耕作制度，对于某些中轻度污染土壤，可通过改变水分，调节Eh以减少污染的危害。② 选种抗污染农作物品种 [ 49 ] 。 用农艺措施来治理重金属锌污染土壤具有可与常规农事操作结合起来进行、费用较低、实施较方便等优点，但存在有些方法周期长和效果慢等缺点。农艺措施适合于中、轻度污染土壤的治理。投资小，无副作用。但治理效果较差，周期长。
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user: 7. 结论 贵州土壤Zn的背景值为82.4 mg∙kg −1 ，部分矿区严重污染，部分矿区轻度污染，贵阳城区土壤Zn含量也略高于背景值，土壤中过量的Zn会对植物产生毒害作用。 贵州土壤重金属Zn污染来源较广，矿产开采“三废”是主要的污染源，矿产区土壤Zn轻度或中度污染。农业生产、城市化进程、污水、污泥和交通运输等都不同程度的带来Zn污染。 贵州土壤重金属锌污染修复改良技术有物理修复、化学修复、生物修复和农艺修复四大类。各种修复措施都有优缺点，实际中需要根据具体的污染区土壤的理化性质选择相对应的修复技术，以期达到最好的修复效果。
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user: 8. 展望 锌是植物必需的微量元素，但由于自然或人类活动的影响，已经造成其在部分地区土壤中的过量积累，从而影响农产品的产量和质量，甚至通过食物链危害人畜健康。袁启凤等 [ 50 ] 研究发现，都枊江流域柑橘园生产的柑橘果实和叶片中铬、镍、铜、锌、铅含量与土壤中的铬、镍、铜、锌、铅含量呈正相关。因为土壤锌污染来源趋于多样化、综合性，土壤锌污染过程比较复杂及存在状态多样且变化方式比较多。目前贵州重金属锌污染和修复的研究虽较多，但仍存在如下一些问题： ① 贵州省重金属锌污染研究主要集中在典型矿区土壤等特定区域，而对于整个贵州省农田土壤区域尺度上污染研究较少。可能由于贵州锌污染主要来源于矿物开采，所以典型矿区土壤锌污染研究比较多。但是随着贵州经济发展和城市化进程的加快，非矿区典型农田土壤锌污染也必将成为广大科研工作者关注的对象。 ② 土壤中重金属锌总量研究较多，但土壤重金属锌形态研究较少，特别是重金属锌与有机污染物结合态造成土壤的持久性污染少有见报。 ③ 对于污染现状研究就多，而重金属锌污染修复的研究比较少，特别是两种或两种以上修复技术结合对重金属锌修复的研究比较少见报。而在实际中，通常是采用多种修复技术综合应用效果更佳；因为就单一技术来看，任何一种修复技术都有其局限性，难以达到预期效果，进而无法大力推广。 因此，贵州土壤重金属锌污染防治及修复是一项系统工程，不仅需要土壤学、植物生理学、遗传学、环境工程学、分子生物学等多个学科的共同努力，还需要多种修复技术的综合应用，即将物理措施、化学措施、生物措施、农艺措施科学地结合起来，取长补短，才能达到更好的效果。同时减少了农药、化肥、环境激素等污染物进入土壤环境，保护了农田生态环境，促进了良性生态循环，进而保障了人类健康，促进贵州农业的可持续发展。
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user: 摘 要 人胰淀素(hIAPP)是由胰岛b细胞合成分泌、37个氨基酸组成的多肽类激素，与胰岛素、胰高血糖素等协同调节糖稳态。hIAPP可表现为生理药理状态下的单体(monomer)以及病理状态下的寡聚体(oligomer，a-螺旋结构)与纤维体(fibril，b片层折叠)。hIAPP单体的生理药理功能如下：1) 影响胰岛素与胰高血糖素的分泌；2) 延缓胃排空，降低餐后血糖；3) 升高肾素与血管紧张素II，调节肾生长；4) 升高醛固酮，降低血钙；5) 调节骨密度；6) 舒张血管，调节血流动力学；7) 调节免疫效应。hIAPP单体可诱导调节T细胞分化，从而调节炎症反应和免疫因子的分泌。部分一过性hIAPP寡聚体可引发胰岛b细胞凋亡，造成b细胞功能失常。由hIAPP纤维体折叠形成的淀粉样沉积，可保护胰岛避免自身免疫攻击。hIAPP不足或者hIAPP纤维体缺乏，是自身免疫性糖尿病的特征。hIAPP在肥胖以及糖尿病、自身免疫、骨质疏松等疾病的防治过程中，具有潜在应用前景。 关键词 :人胰淀素，胰岛淀粉样沉积，糖尿病，糖稳态，自身免疫 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 前言 糖尿病(diabetes mellititus， DM)是内分泌与代谢失常导致的常见慢性病。前期，我们通过前瞻性研究观察华人2型DM 2906例(其中胰岛素治疗971例)，连续随访7年。横断面资料研究中美国2型DM 25，964例，英国2型DM 84，622例。发现注射胰岛素虽可快速降糖，然而显著增加2型DM临床终点事件风险。死亡、癌症、慢性并发症、低血糖与危症是主要临床终点。随着DM人群还在迅速扩大，胰岛素使用者并发癌症、冠心病、脑中风、慢性肾病、低血糖的风险不断攀升 [ 1 ]。目前胰岛素是被广泛用于DM的临床治疗的常规药物。胰岛素由胰腺胰岛β细胞分泌，是机体内唯一降低血糖的经典激素，同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成。胰岛β细胞除了分泌胰岛素外，还同时分泌的另一激素：人胰淀素(hIAPP)又称胰淀素(Amylin)，是与DM密切相关，且有望成为治疗糖尿病药物另一被逐渐认识的新兴激素，本文关注hIAPP的研究进展及其应用探索。
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user: 2. 胰淀素的历史发现 hIAPP的由来最早可追溯到1901年，Opie观察到糖尿病(DM)患者胰腺胰岛组织中出现有透明样变、沉积的物质 [ 2 ]。1987年由瑞典病理学家Westermark P.和牛津大学的新西兰学者Cooper G.分别从人胰岛素瘤和2型DM胰腺组织中发现 [ 3 ][ 4 ]，该“透明样变性”的物质主要成分是由胰岛β细胞分泌的、由37氨基酸组成多肽，并分别把它命名为胰岛淀粉样多肽(islet amyloid polypeptide， IAPP)和胰淀素(Amylin) [ 5 ]。随后瑞典病理学家Westermark P.用免疫组化的方法证实 [ 6 ]，90%的2型DM患者在胰岛内均有Amylin沉积 [ 7 ]。
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user: 3. 胰淀素的分子构象 如图1所示，人胰淀素(Human IAPP， hIAPP)单体(monomer)由37个氨基酸组成，分子量为3850 Delton，基因位于第12对染色体短臂上 [ 8 ]，包括3个外显子和2个内含子，第22~27，23~27及20~29位氨基酸序列在一定条件下可随机聚集，形成一过性的、呈现α-螺旋结构样寡聚体(oligomer)。寡聚体进一步折叠、均质排列、形成β-折叠片层结构(β-pleated sheet)，最终构成一个僵硬网状、没有分枝、直径8~10 nm的纤维体，即淀粉样沉积物，在偏光显微镜下呈双折光，刚果红染色在荧光显微镜下呈现苹果绿色 [ 9 ]，中间第20~29位氨基酸的组成具有种属差异性。分子中第二和第七位半胱氨酸残基之间形成二硫键，对hIAPP的分子生物学功能的完整性有重要作用 [ 10 ]；分子两端有短链修饰，羟基末端酰胺化(如图2所示)。hIAPP基因经转录、翻译成89肽pre-pro-IAPP，翻译后N氮末端22个氨基酸被清除，67肽proIAPP进入胰岛β-细胞内质网腔，前蛋白转化酶作用于二价碱基氨基酸，将67肽前胰淀素转变为hIAPP—37肽(IAPP)；hIAPP与降钙素基因相关肽高度同源，与人的降钙素基因相关肽((calcitonin gene related peptide，CGRP)和降钙素(calcitonin， CT)的氨基酸同源序列分别达50%和20% [ 11 ]，在生理功能上也有相类似功效如扩张血管、抑制胃酸分泌和抑制胰岛素分泌等。所以hIAPP是不仅仅属于淀粉样纤维蛋白家族，具备该家族共同的所有组织化学和分子结构特征，还被划分为降钙素基因相关肽家族。其氨基酸分子可表现为单体、寡聚物、原纤维体三种不同构象 [ 12 ]。hIAPP单体具有调节葡萄糖与脂质稳态平衡的生理功能；当hIAPP氨基酸基因序列错误折叠形成寡聚物(一过性中间体)时，它具有细胞毒性作用；寡聚物进一步累积形成b片状结构，即不溶性无毒的hIAPP原纤维。 图1. 胰淀素单体–寡聚体(α-螺旋结构)–纤维体(β片层折叠)构象变化 图2. 胰岛β-细胞中67肽前体裂解为37肽胰淀素的过程 [ 13 ]
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user: 4. 胰淀素的生理效应 2型DM患者胰腺胰岛组织内出现的透明样变、沉积物质，在人胰岛素瘤组织中可出现。正常人胰岛组织中含有与胰岛素阳性相当数量的hIAPP阳性细胞，血液中hIAPP含量也与血胰岛素水平密切相关 [ 14 ]。1型DM病人胰岛组织内和血液里几乎检测不到hIAPP [ 15 ]；胰岛素抵抗和高胰岛素血症的患者，hIAPP的含量也高 [ 16 ]；需要胰岛素控制血糖的2型DM病人胰腺组织内和血液里的hIAPP水平低下 [ 17 ]。hIAPP是构成胰岛淀粉样变的主要组分。电镜和免疫组化染色显示，hIAPP与胰岛素共同储存在人胰岛β细胞的分泌颗粒中，当受到像葡萄糖等物质正常刺激时，以不同量比(1:100)，同时分泌。当hIAPP处于高浓度时，会抑制胰岛素的分泌；也抑制胰高血糖素分泌的高峰，从而降低餐后血糖，是胰岛素的一种伴侣激素，与胰高血糖素一起调节人体内糖稳态，因此也被定义为一种神经内分泌激素。无论在鼠类还是人体中，hIAPP可以延缓胃排空，减慢小肠吸收葡萄糖速度，延长吸收入血的时间，降低餐后血糖。hIAPP结合大脑神经元细胞膜上hIAPP受体，受体介导信号转导影响下丘脑的摄食中枢，产生饱食效应，从而hIAPP也被称为饱胀因子，延长进食后的饱胀感，最终减少食物的摄入量 [ 18 ]。hIAPP可以抑制肌糖原的合成，刺激氧化反应和低密度脂蛋白的吸收，也会导致脂质样效应。机制虽尚不明确，但hIAPP具有抑制骨吸收，也有刺激成骨细胞增殖的作用，在骨质疏松的发生发展中起重要作用 [ 19 ]- [ 24 ]。hIAPP不仅仅升高肾素与肾素血管紧张素II，调节肾生长等肾脏系统的影响，还有升高醛固酮、引起低钙血症、舒张血管调节血流动力学的效应。
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user: 5. 胰淀素的效应辨析 自hIAPP从1901年以“透明样变性”的物质被发现，当时被预测与DM的发病相关，瑞典病理学家Westermark P.用免疫组化的方法证实，90%的2型DM患者胰岛内均有IAPP沉积，所以认为沉积的IAPP可通过损伤β细胞而参与2型DM的发病过程。胰岛淀粉样变是人类2型DM的病理特征 [ 25 ]。现主流观点认为hIAPP有调节糖代谢和胰岛素、胰高血糖素等相关激素分泌的作用。也有诸多研究显示，hIAPP沉积在胰岛表面形成的淀粉蛋白纤维，损伤胰岛细胞，导致胰岛素抵抗，所以通常被认为是致病因素 [ 26 ]，不利于胰岛细胞存活，不利于糖尿病病人的康复，对于此问题争议一直不断 [ 27 ][ 28 ]。 因此自hIAPP发现以来，hIAPP与糖尿病的关系就一直为人关注因此，从1999年至2010年，我们曾经收集了多家医院病理科436例2型DM的尸检组织样本以及相应临床资料 [ 29 ]，详细观察了胰腺组织改变，系统研究了胰岛淀粉样变的临床病理学特征，结果显示hIAPP有可能具有重要内分泌调节作用 [ 30 ]。在体内外研究hIAPP的生物学功能和药理疗效过程中 [ 12 ]，发现其与胰岛素共同调节机体糖稳态的同时，hIAPP还可以通过诱导调节T淋巴(Treg)细胞生成，调节炎症反应和免疫因子分泌，有效改善免疫病理反应，在自身免疫病、组织器官移植以及炎症病理等方面具有重要的作用。 胰岛淀粉样沉积只是DM病人胰岛细胞呈现的过程结局，至今为止，没有证据直接证明hIAPP淀粉样沉积导致糖尿病。相反，在所有胰岛表面形成淀粉样沉积的DM病人中，胰岛素的分泌相对不足，属于慢性胰岛细胞损伤进程，而不是绝对缺乏、急性损伤死亡导致的结果。所以，hIAPP在DM病人胰岛表面形成的淀粉样沉积很可能是延缓胰岛细胞损伤死亡的过程，从而起到保护胰岛细胞的作用。由此可见，hIAPP不仅仅在餐后血糖控制、进食行为和体重控制中起着重要作用 [ 18 ]，与胰岛素、胰高血糖素共同调节机体的糖稳态。犹如DM不仅仅涉及血糖分泌问题，更涉及代谢与免疫调节等整体问题 [ 31 ]。hIAPP不仅仅是人体中重要的内分泌激素，也具备免疫调节作用。
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user: 6. 胰淀素的应用探索 hIAPP的类似物普兰林肽(pramlintide)作为1型与2型DM辅助用药的治疗效果呈现良好的正性作用 [ 32 ]，已经投放市场，应用于临床。如何将hIAPP的功能效应，应用到DM的治疗中成了至关重要的命题。在此，不得不回顾治疗糖尿病的经典激素，胰岛素。1921年Banting和Best首次从狗的胰腺中成功获得了胰岛素，第二年即应用于临床。30年代时，开始生产结晶猪胰岛素，70年代时，创立生产猪胰岛素的简便方法。从1922年到1982年的60年间，应用于临床的主要是猪胰岛素，而国外主要是牛胰岛素。原先胰岛素的来源是从牛胰脏提取，产量非常有限 [ 33 ]。随着基因工程的发展，后来用大肠杆菌化工合成的方式产生人重组胰岛素，使得胰岛素从动物胰岛素转化为人胰岛素。随着技术的不断发展，通过基因定位突变和表达，得到聚合度低的单体速效胰岛素 [ 34 ]，并且在临床中得到广泛的应用。 然而，无论是长效胰岛素还是短效胰岛素，其给药途径均是直接注射入血的方式。当药物直接释放入血的时候，机体会产生抗体，从而引起抗原抗体反应，引起自身免疫反应。如今国际制药企业常规利用动物组织、酵母与大肠杆菌等微生物载体，生产重组人体胰岛素过程中不可避免产生内毒素的弊端。同时，化学合成或者提纯的化学药物，存在一般药物固有的难题—耐药性以及各种不良反应。DM患者需要承受注射用药、口服用药所引起的疼痛、心理的负担以及各种副反应，胰岛素的系统性风险日益突出。 hIAPP的应用探索，重点在如何避免药物生产与应用的弊端，寻找到经得起时间与疾病考验的用药方式上。免疫组化显示：hIAPP不仅存在于胰岛β细胞的分泌颗粒中，同时在人体胃肠道内分泌细胞、甲状腺、肺、心脏等内脏神经元、大脑神经元等处均有分布 [ 26 ]。hIAPP可以通过常规口服的服药方式，药物经过肠道-上皮-黏膜吸收，激活胃肠道上皮细胞的hIAPP受体从而发挥其作用，属于局部吸收。另外，华夏民族的饮食养生一般讲究以“五谷为养，五果为助，五畜为益，五菜为充”为原则，历来有药食同源习俗。如何通过植物(Plant)作为天然“工厂”(Plant)，生产具有调控糖代谢作用的重要蛋白–hIAPP，或通过hIAPP介入日常饮食中，用于糖尿病的防治，以及改善相关的免疫病理有不可替代的优势，值得更进一步探索与研究。