DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 微生物胞外多糖的合成途径研究现状 微生物胞外多糖大多是在特定的酶催化下，由不同的单糖或其他基团聚合而成的，种类较多。因为菌种不同，微生物多糖的生物合成通常发生在不同的生长阶段，因此对于微生物胞外多糖的生物合成途径、相关基因、代谢工程等的研究是十分必要的 [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] 。 3.1. 微生物胞外多糖的生物合成途径 现阶段，细菌是研究胞外多糖的合成途径的主要对象，微生物胞外多糖的合成主要包括前体核苷酸糖(单糖活化后的形式)的合成、重复单元的延伸翻转以及聚合等步骤，虽然胞外多糖产生菌种类以及胞外多糖的结构各不相同，但是多糖的合成途径却相对一致。 根据合成位点和合成模式的不同，胞外多糖的合成可以分为两种类型：同型多糖的合成与异型多糖的合成。其中，与同型多糖的核苷酸糖合成相比，异型多糖的更为复杂。研究表明 [ 33 ] - [ 37 ] ：当碳源为葡萄糖时，葡萄糖在葡萄糖激酶的作用下转化为葡萄糖-6-磷酸后，异型多糖合成核苷酸糖的途径有三条，第一条路径为：葡萄糖-6-磷酸在α-磷酸葡糖变位酶的作用下转化为葡萄糖-1-磷酸，再合成UDP-葡萄糖、UDP-葡糖醛酸和UDP-半乳糖以及DTP-葡萄糖、dDTP-鼠李糖，这是最基本的合成途径；第二条途径是葡萄糖-6-磷酸在磷酸甘露糖变位酶等酶的作用下，生成甘露糖-6-磷酸、甘露糖-1-磷酸、GDP-甘露糖、GDP-岩藻糖；第三条途径是葡萄糖-6-磷酸经磷酸葡萄糖异构酶作用生成果糖-6-磷酸，再生成葡糖胺-6-磷酸、N-乙酰葡糖胺-6-磷酸、UDP-N-乙酰半乳糖胺和GDP-果糖。果糖-6-磷酸还能够进入糖酵解途径产生丙酮酸，丙酮酸经厌氧途径生成乳酸，或通过有氧途径进入柠檬酸循环产生ATP和其它产物，这些ATP作为能量，多糖合成提供保证。由于发酵培养基中碳源和产生的多糖组成的不同，所涉及的合成关键酶也有所不同，但主要包括：葡萄糖激酶、α-磷酸葡糖变位酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、UDP-半乳糖-4-差向异构酶、磷酸葡糖异构酶。对于胞外多糖的合成过程来说，其核心过程是重复单元的延伸、翻转和聚合这一步骤，其路径与O-抗原的Wzy-dependent途径相似：经过起始反应后，其余核苷酸糖通过基因簇中的糖基转移酶按照一定顺序转移到单糖-PP-Und上，形成完整的十一异戊二烯二磷酸寡糖重复单元(RU-PP-Und)。RU-PP-Und 随后被翻转酶(Wzx)反转到内膜一侧。其中，O-抗原链长调节器(WzzB， WzzFepE， WzzECA)的晶体结构分别为五聚体、八聚体和九聚体的哑铃型，都具有相似的三维结构，表明其有一个共同调节O-抗原链长的机制，这个观察结构支持了Morona模型。该模型认为Wzz能够与Wzy和连接酶(WaaL)以伴侣的方式组成蛋白复合物，并通过调节Wzy和WaaL的化学计量比例的方式来影响O-抗原聚合动力。但也有与该模型不同的结果，即O-抗原的链长度也可以单独由Wzy和Wzz决定。在合成胞外多糖的生物系统中，也发现了类似Wzx，Wzy和Wzz的物质。 3.2. 微生物胞外多糖合成的相关基因 多糖合成过程中涉及的大量基因大多数存在于多糖合成基因簇中。随着科技发展，大量的多糖合成基因簇通过基因测序技术被发现和研究。研究主要针对O-抗原、黄胶原、乳糖EPS和荚膜多糖的基因簇 [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] ，但是对于微生物胞外多糖的合成途径的相关基因研究则很少。 李欧 [ 42 ] 对PaenibacilluselsiiB69胞外多糖合成途径进行了研究：通过对PaenibacilluselsiiB69的全基因组分析和基因敲除实验，找出了与UDP-木糖合成相关的酶——UDP-葡萄糖醛酸脱羧酶(又称UDP-木糖合酶)的编码基因Peuxs1和Peuxs2，并确定了两个基因对菌株中的胞内UDP-木糖和UDP-葡萄糖醛酸的含量、胞外多糖的产量、各单糖比例以及合成胞外多糖能力都有影响。通过对多糖生物合成基因簇的序列分析得到：PaenibacilluselsiiB69胞外多糖生物合成基因簇由20.2kb的序列组成，包括转录方向一致的18个开放阅读框，有6个正好催化多糖重复单元中6个不同的糖苷键的糖基转移酶基因。除此之外，多糖生物合成基因簇中还包括与UDP-葡萄糖、UDP-木糖、UDP-葡萄糖醛酸和GDP-甘露糖4个糖核苷糖前体的合成直接相关的酶的编码基因。而多糖生物合成基因簇中则不包括与NDP-糖的间接前体合成有关的基因，该基因遍布于染色体的其他位置。另外还有6个基因与多糖的聚合和输出有关。上述16个基因与多糖的合成紧密相关，都由同一个启动子控制并转录，还有两个可能编码多糖降解酶的基因则由另外一个启动子操纵。 3.3. 微生物胞外多糖的代谢工程 代谢工程是一种通过改变细胞内相关的酶活、酶量、输送体系、调节功能、细胞的遗传特性进而改进微生物某些代谢活性，最大限度的提高目的产物产率的DNA重组技术。微生物胞外多糖合成的代谢工程的研究可以分为两种方法：一种是提高多糖的产量，另外一种是改变多糖的结构。 通过提高微生物胞外多糖的产量，可以节约时间、减少经济与劳动力的消耗、降低生产成本，加快微生物絮凝剂的工业化应用的进程。利用代谢工程提高微生物胞外多糖产量的方法 [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] 主要有两种：1) 通过调控糖核苷酸合成途径中的关键酶活性来提高胞外多糖的产量，这种方法可以通过敲除合成途径的相关基因等或提高该过程的相关酶性能来提高胞外多糖产量；2) 增加多糖合成基因簇基因在微生物中的表达，从而提高的多糖合成代谢流向，也就是利用高拷贝载体进行基因簇拷贝或将多个合成途径相关基因转入菌株增强合成途径相关酶活力以达到提高多糖产量的目的。除此之外，还可以通过调节辅酶平衡(NADH/NAD + )、增强细胞摄氧的作用的基因和间接调控因子等方法提高多糖产量。 代谢工程还可以改变多糖的结构，进而改变多糖的物理、化学和生物等活性，使多糖的性能更为优越，促进其工业化应用。此方法 [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] 的实现方式主要有两种：一种是通过不同种类和含量的碳源培养基培养，利用代谢工程中碳的代谢流，来改变多糖的组分、多糖分子量分布、空间构象等结构特征。另一种是向微生物体内导入新的高效的多糖合成元件(包括基因簇和糖基转移酶)，以产生新的多糖合成途径，这样有可能改变多糖的单糖组分，来达到改变多糖结构的目的。
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user: 4. 展望 与动物多糖、植物多糖相比，微生物胞外多糖的生产受地理环境、气候、自然灾害等的影响较少，因其具有这样独特的优势，微生物胞外多糖的应用更为广泛、应用前景更为广阔。随着研究的深入，许多新型产胞外多糖的微生物被发现，但是对于这些微生物的研究还停留在实验研究阶段，无论是对于产糖菌的筛选分离、产絮凝多糖工艺优化以及胞外多糖的提取分离纯化等研究都是对于微生物胞外多糖的工业化应用的尝试与探索，胞外多糖的产量问题是阻碍其实现其工业化应用的主要问题，因此，有必要对微生物胞外多糖的合成机理进行研究，改变胞外多糖的合成途径、优化胞外多糖的合成基因以及改变合成代谢过程中的酶活性是目前为止胞外多糖机理研究的主要方向，对这三个方向进行深入研究，提高胞外多糖的产量，对于更多微生物胞外多糖的工业化应用具有重要意义。
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user: 摘 要 生防菌株资源丰富，具有对环境友好的优点，在植物病害绿色防治上具有重要作用。本文简要介绍了近年来植物病害通过生防菌进行生物防治的国内外研究进展，包括生防菌株的来源、种类、抑菌物质以及对植物病害的生防机制，提出了对生防菌株进行基因改造、诱变育种和菌剂复配可能成为今后技术研究的重点。 关键词 :生防菌株，来源，种类，抑菌物质，生防机制 Copyright © 2017 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 目前，生产上大量使用化学药剂防治病害，其效果明显，但也存在一系列问题，如污染环境、农药残留和产生抗药性等。生物防治是用微生物代替化学药剂通过生物之间的相互作用来抑制病原菌的生长，从而达到防治效果。这种方法对人畜无害、可再生性强，符合当前我国农业和环境可持续发展的要求。因此，研究生物防治技术不仅可以减少化学防治带来的污染问题，而且能满足人们对绿色食品安全生产的要求。 国内外很多学者对生防菌株已经展开大量的研究，如刘畅 [ 1 ] 等从根际土中筛选出一株哈茨木霉YCG-2对烟草疫霉的防治效果最高可达84.34%。李宛泽 [ 2 ] 等从发病土壤中筛选出7株有防治效果的细菌菌株，其中菌株G3对玉米茎腐病的防治效果达78.3%。Chen等 [ 3 ] 发现生防菌株B579的无菌培养液可导致黄瓜枯萎病菌菌丝畸形，抑制孢子萌发，B579培养液灌根接种防治效果可达73.6%。然而，对于生防菌株的来源，分类和防治机制目前尚未有全面的总结，尤其针对生防菌株的抑菌物质还缺乏较为系统的归纳报道，本研究基于前人的研究进展，从下述几个方面进行综述，以期为进一步开展生防菌的研究提供参考。
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user: 2. 生防菌株 2.1. 生防菌株的来源 2.1.1. 植物内生菌 植物内生菌是存在于在健康的植物组织或器官内的真菌或细菌，在宿主植物组织内部广泛分布，可与病菌直接作用，且内生菌生活在植物内部，不会受外界环境影响，生态环境较稳定，还会产生与宿主植物代谢物质相同或相似的活性物质，因此能够更有效地提高植物的抗病性。除此之外，还有专一性的特点，只对宿主植物内的病原微生物起防治作用。因此具有作为生物农药开发的优良特性。自1898年Vogl从黑麦草种子内分离出第一株内生真菌以后，从植物中寻找和发现新的微生物资源就引起了研究学者的广泛关注。国内外大量研究表明植物内生菌是植物土传病害防治的天然有效菌。如Ma [ 4 ] 等从石榴树中分离的一株内生枯草芽孢杆菌NS03对石榴干腐病有很强的拮抗作用，抑制率达到99.5%。Hahm [ 5 ] 等也从白菜组织中分离出一株黄杆菌属内生细菌EPB-C313，对根肿病有一定的抑制作用。 2.1.2. 植物根际微生物 植物根际微生物是植物生防菌的主要来源，它是指紧密环绕植物根系的区域范围内生长繁殖的微生物，其中能够防治植物病虫害、促进作物生长、增加产量的微生物被称作促生根际菌，可合成对植物生长发育有促进作用的物质或促进植物对土壤中的营养物质的吸收利用，对有些病原微生物有抑制作用或减轻某些植物病害。土壤中存在多种多样的微生物，这为我们从土壤中筛选生防菌株提供了保证，取样时应在发病地中找无发病症状或发病症状轻的植株的根际土壤，以加大筛选出生防菌的成功率。有学者从种植商品品种且无根肿病症状的土壤中分离得到25株对根肿菌有抑制作用的木霉属生防菌株 [ 6 ] 。苏婷等 [ 7 ] 也从不同地区土壤中分离出生防菌株596株。 2.1.3. 特殊环境微生物 极端环境微生物是指在高碱、高盐、高酸、极端高低温、高压、强辐射等极端条件中生存的微生物。它们在适应极端生存环境时，通过环境淘汰和自身进化，使结构强且稳定，并形成了自身独有的生物活性物质、合成或代谢途径、调控机制和遗传基因等。这些微生物为在极端恶劣的环境生存而产生的特殊生物活性物质(抗生素和极端酶等)能够在植物病害生物防治过程中起到有效的防治作用，成为生物菌肥和生物农药研发与应用的重要菌株资源。1972年Okazaki等首次从海洋分离到一株产生抗生素的嗜盐放线菌 [ 8 ] ，谢永丽 [ 9 ] 等在青海昆仑山口冻土荒漠区获得7株能在4℃和10℃低温的条件下生长的菌株，对油菜菌核病原菌及水稻白叶枯病原菌具有显著拮抗效果。 2.2. 生防菌株的种类 2.2.1. 生防真菌 生防真菌主要包括木霉菌、毛壳菌、淡紫拟青霉菌以及厚壁孢子轮枝菌、菌根真菌、酵母菌等(见表1)。木霉菌在根际土壤，植物表面广泛存在，是生物防治研究、利用最多的生防真菌，应用前景广阔。毛壳菌对立枯丝核菌、镰刀菌、毛盘孢属、拟茎点霉属、交链孢属及葡萄孢属病原菌引起的枯萎病、根腐病、猝倒病以及斑点病等病害有明显的抑制作用 [ 10 ] 。其中淡紫拟青霉是拟青霉中研究最广泛的，可有效防治植物寄生线虫，还能够有效防治根结线虫和胞囊线虫等 [ 11 ] [ 12 ] 。 2.2.2. 生防细菌 生防细菌主要包括芽孢杆菌属、假单胞菌属、土壤杆菌属、沙雷氏菌、巴斯德菌属等(见表2)。生防细菌中研究最多的是芽孢杆菌属，其抑菌广谱性好，对植物根、茎、叶、花和果等部位发生的病害都有抑制植作用，范围非常广，是理想的生防菌株。 2.2.3. 生防放线菌 放线菌是人们最早研究发现具有生防效果的微生物并应用到生产中，其生防作用主要靠菌株产生生物活性物质，这种微生物资源在生物防治上用途广泛，实际应用性好。其中链霉菌属和其相似类群在植物病害生物防治中是最主要的资源。而链霉菌是抗生素产生菌的主要来源，其中约80%的活性物质产生的抗生素应用在农业生产上。链霉菌制成的可用菌剂已有多种被应用于实际生产，如链霉素、井岗霉素、农抗120、多效霉素、S-921等。可抑制多种病原菌，如葡萄孢菌、杨树腐烂病菌、灰霉病菌以及白菜软腐病菌等 [ 29 ] 。 2.2.4. 病毒的弱毒株系 病毒的弱毒株系可通过人工诱变进行筛选，其生防原理是将没受病毒侵染的植株接种弱毒株系，植株没有不好的症状表现，而且还能对受侵害的强株系产生抗性，使之不会受病毒侵害或症状减轻，达到防治作用。使用病毒的弱毒株系来抑制病毒病已有研究并用于实践，如曹赐生 [ 30 ] 研究发现防治稻白叶枯病的弱毒株75-1。 Table 1 Main biocontrol fungi and control object 主要真菌 防治对象 参考文献 木霉菌 番茄、观赏百合、黄瓜的立枯病、猝倒病、根腐病、 灰霉病、霜霉病以及小麦的纹枯病等 [ 13 ] 毛壳菌 苹果炭疽病、杨树腐烂病、苹果树腐烂病、玉米大斑病等 [ 14 ] 淡紫拟青霉菌以及厚壁孢子轮枝菌 南方根结线虫、番茄根结线虫、大豆孢囊线虫等 [ 12 ] [ 15 ] [ 16 ] 酵母菌 苹果和草莓灰霉病、青霉病、梨毛霉病菌等 [ 17 ] [ 18 ] 菌根真菌 根结线虫病、翠菊黄化植原体等 [ 19 ] [ 20 ] 表1. 主要生防真菌及防治对象 Table 2 Main biocontrol bacteria and control object 主要细菌 防治对象 参考文献 芽孢杆菌 番茄枯萎病、黄瓜枯萎病、西瓜枯萎病、青椒枯萎病、 辣椒疫霉病、番茄青枯病、苹果腐烂病等 [ 21 ] 假单胞菌 香蕉枯萎病、烟草花叶病、番茄灰霉病等 [ 22 ] [ 23 ] 土壤杆菌 桃、樱桃、玫瑰等果树根癌病、香石竹萎焉病、小麦全蚀病等 [ 24 ] 沙雷氏菌 向日葵菌核病、生姜青枯病、烟草花叶病毒等 [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] 巴斯德菌 根结线虫 [ 28 ] 表2. 主要生防细菌及防治对象 2.2.5. 噬菌体 噬菌体是可以感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，噬菌体的特异性强，只对宿主菌进行裂解，且不会破坏一些正常菌群；噬菌体可产生大量的子代噬菌体，但增殖周期较短，可快速、有效的治疗疾病；在噬菌体将病原菌裂解之后形成空斑，噬菌体会随着病原菌的死亡而自动消除，不会对宿主造成危害 [ 31 ] 。如Fujiwara等 [ 32 ] 发现噬菌体ΦRSL1对抑制青枯病有显著作用。
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user: 3. 生防菌株的防治机制 生防菌株的生防机制多种多样，如拮抗作用、寄生作用、竞争作用、诱导抗性等。由于大量的生防菌株都是在实验室中获得，而农田中的环境条件多种多样，不排除是有两种或者多种防治机制共同作用或其中一种机制在植物不同生长阶段或不同部位起相应作用。 3.1. 拮抗作用 拮抗作用是指在同一空间一种或多种微生物在生存过程中，通过同化作用分泌的抗菌物质(抗生素、细胞壁降解酶类、细菌素和其它抗菌蛋白及挥发性抑菌物质)改变其生存环境，从而抑制有害病原物的生长或发展或直接杀死另一种微生物的现象 [ 33 ] 。Avinash和Alya [ 34 ] [ 35 ] 分别对2种蜡状芽孢杆菌的代谢产物进行了研究，证明其代谢产物对其他的病原体产生拮抗作用，起到生物防治的作用；Yanez-Mendizabal [ 36 ] 等研究发现，由枯草芽孢杆菌CPA-8代谢所产生的类丰宁素家族的脂肽对桃褐腐病病菌也具有显著的拮抗作用(P < 0.05)。 3.2. 寄生作用 重寄生现象是指生防菌侵入到病原菌体内，生防菌株分泌的某些活性物质被病原菌物识别后，会紧密缠绕病菌的菌丝生长，并产生形似吸盘的附着胞状分枝吸附于病原菌的菌丝上，通过分泌胞外水解酶(几丁质酶、葡聚糖酶、纤维素酶、半纤维素酶、脂酶和淀粉酶等)降解病原菌细胞壁，穿透病原菌菌丝吸取病菌的营养，或使菌丝断裂或解体，使其生长受阻或细胞死亡 [ 37 ] 。除了几丁质酶和葡聚糖酶外，蛋白酶也能起到降解病原菌的和消解植物细胞壁的重要作用，使病原菌的酶钝化，阻止病原菌侵入植物细胞，从根本上抑制病原菌的侵染。如杨蕾 [ 38 ] 等发现菌株YGF9和LX6F2产生的葡聚糖酶和蛋白酶，均可导致病原菌芽管、孢子变短、扭曲畸形，使孢子失去侵袭能力，从而抑制杨树溃疡病。 3.3. 竞争作用 竞争作用是指一种或多种微生物群体间在共同生存条件下的对资源不足而发生的争夺现象。主要包括空间竞争和营养竞争，其中空间竞争，是指可在植株体内定植生长繁殖快、对植株无害的生防菌株，使其布满植株容易感染病菌的位置形成保护膜，间接有效地抑制病原微生物的定殖与侵染，从而抑菌控病。Timmusk [ 39 ] 等在研究拟南芥病害菌时，发现两株多粘类芽孢杆菌B1和B2，这两个菌株可以在拟南芥根部细胞间隙定殖，并形成生物保护膜，有效地防止病菌的侵入；营养竞争，是指接种生长快、耗营养的生防菌，但不侵害健康部位，导致病原菌营养缺乏而受抑制。营养竞争发现较少，Shoda [ 40 ] 发现有些生防菌株可以分泌一种铁载体与植物病原菌竞争铁元素，造成病原菌营养不足，从而抑制病原菌的生长，达到防治作用。 3.4. 诱导抗性 诱导植物产生抗性是生防细菌发挥生防作用的一个重要方面，植物本身具有一定的抗病性，生防菌株可以激发抗病潜能增强植物抗病性，或通过自身合成多种不同的生长激素来促进植物其根系的生长，且在极低浓度下就可产生明显的生理效应并影响植物的生长态势，从而起到防止病害发生的作用，间接防治病害发生。赵玉华 [ 41 ] 等发现从樟树中筛选出一株内生枯草芽胞杆菌EBS05，能诱导烟草系统抗性。还有研究发现生防菌株TB2和赤腐病菌均能诱导甘蔗叶片中的防御酶活性增强 [ 42 ] 。
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user: 4. 生防菌株抑菌物质 4.1. 核糖体合成的抗菌物质 4.1.1. 细菌素 细菌素是细菌产生的对其他微生物具有抗生作用的代谢产物，主要成分是小分子量蛋白质，这类物质对同源种或相近种的细菌具有特异性的抑菌效果。当细菌素与细菌结合并进入细菌细胞后，细菌素可以通过扰乱蛋白质合成，破坏脱氧核糖核酸稳定性以及能量流出或膜的完整性等方式杀死病原菌。Foldes等 [ 43 ] 从谷类的根际分离到1株枯草芽孢杆菌IFS201，其对食品腐败病原菌中的霉菌、酵母、细菌都有一定的抑制作用。李金云 [ 44 ] 等发现生防菌E26所产生的细菌素对茄科青枯病菌、番茄疮痂病 菌、水稻白叶枯病菌、棉花细菌性角斑病菌和白菜软腐病菌等均有较好的抑制作用。 4.1.2. 酶类 大多病原真菌细胞壁含有几丁质、蛋白酶、脂酶和β-l，3-葡聚糖等。很多生防菌就通过分泌几丁质酶和β-l，3-葡聚糖酶降解破坏其细胞壁，它们的协同作用较强，通过水解β(1→3)糖苷键，破坏病原真菌的细胞壁而达到抗菌防病作用。目前，研究较多的微生物代谢酶类有几丁质酶、β-l，3-葡聚糖酶、蛋白酶、纤维素酶等。如Ashwini [ 45 ] 等从辣椒根际分离的一株枯草芽孢杆菌OGC1，通过分泌几丁质酶、纤维素酶、葡聚糖酶和其他溶真菌等活性物质对病原菌菌丝溶解和真菌细胞壁降解，对辣椒炭疽病进行防治。Zhao [ 46 ] 等从小麦籽粒和植物花药中分离出的枯草芽孢杆菌SG6对禾谷镰刀菌引起的赤霉病抑制率达87.9%，研究表明SG6的抗真菌活性可能与几丁质酶相关。 4.1.3. 其他活性蛋白质类 近年来我国有很多分离纯化出未知拮抗蛋白的报道，李晶 [ 47 ] 等研究发现，从枯草芽孢杆菌B29菌株分离纯化得到抗菌蛋白B29I，分子质量约为42.30 ku，该蛋白可使黄瓜枯萎病菌孢子的萌发时间推迟，并可抑制菌丝的生长。对其进行质谱分析，获得该蛋白的肽指纹图谱，初步确定该蛋白为一种新蛋白。余惠荣 [ 48 ] 等对生防菌株B8产生的抑菌物质进行了分离纯化得到分子量约在11.2 kDa的抑菌蛋白。通过比对匹配后，推测此抑菌蛋白可能是一种新的物质。 4.2. 非核糖体合成的抗菌物质 4.2.1. 脂肽类 脂肽类的作用原理是其对细胞膜结构特性的影响，使病原菌的细胞膜通透性发生变化来抑制其生长。其中表面活性素还具有抗病毒、抗真菌和抗细菌活性，逐渐受到农业、工业和医疗应用方面的关注。张华 [ 49 ] 等研究发现菌株B10-26发酵液对芝麻茎点枯病菌的抑菌率达到90%以上，初步推测该菌株所产生的抑菌活性物质是脂肽类抗生素。王继良 [ 50 ] 等从枯草芽孢杆菌SYL-6菌株的发酵上清液中提取出一种脂肽类化合物对致病疫霉、梨生囊孢壳、尖镰孢菌黄瓜专化型、尖镰孢菌萎蔫专化型、灰葡萄孢以及立枯丝核菌等多种植物病原真菌具有明显的抑制作用。 4.2.2. 多肽类 多肽抗生素有线状、环状和分支环状3类，短杆菌肽和伊短菌素是短芽孢杆菌产生的线状抗真菌。短肽短杆菌肽S和短杆菌酪肽是短芽孢杆菌产生的环状短肽抗生素，分支的环肽抗生素包括多黏菌素、八肽霉素，它们主要作用于细菌。如汤谷月 [ 51 ] 等发现辣椒榕杆菌X2-3产生的抗菌物质对蛋白酶K不敏感、耐热，推测可能是一种环形肽。陈洁梅 [ 52 ] 等发现解淀粉芽孢杆菌KN-BL-1能产生具有抑菌作用的多肽类物质，通过质谱法发现了不同分子量的多肽，还需对有抑菌作用的多肽进一步研究确认。 4.2.3. 其他类别物质 还有一些其他类别物质未被鉴定，如Tamehiro [ 53 ] 等在168菌株细胞中积累的一种未被发现的磷脂类抗生素，对一些真菌如白念珠菌、黑曲霉、红色毛癣菌等有显著的抑菌活性。
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user: 5. 展望 研究至今，无论国内还是国外都已筛选出大量的生防菌株，很多是被直接用来在大田防治病害，其活性和效果稳定性都会降低。只有通过发酵、提取和纯化其抗菌物质，才能将生防菌株变成真正应用于农田的有效生物农药。另外，仅仅通过自然选育和人工分离筛选生防菌株已不能满足现今需求，为了加强生防菌株的活性物质和拮抗性物质，我们使用基因工程技术对生防菌株进行基因改造或进行诱变育种使微生物的遗传物质发生改变，已成为获得新型高效生防菌株的重要手段。这种方法可以使生防菌株广谱性增强、遗传更稳定、活性更持久、损伤轻，更易获得优质新种质 [ 54 ] 。如张鸿 [ 55 ] 等将带有GFP绿色荧光蛋白基因的T−DNA 随机插入到蔓割病菌基因组中，获得711个突变体。经过致病力筛选，获得了3株非致病突变体，均可和蔓割病菌发生营养竞争作用。顾鹏飞 [ 56 ] 用离子注入法，筛选出性状优良的高效生防菌株CM-5。由此可见，利用基因工程手段或诱变育种获得高抗的植物植株是将来生防技术的一个研究方向。 还有研究表明，生防菌剂的复配效果比单一生防菌剂的生防效果要好，生防菌可以不同种类间复配，也可以与次生代谢产物复配，多种生物因子间的复配可以使防治系统多功能化，提高生防的效果和稳定性。甘良 [ 57 ] 等发现将三株生防菌株153、SC11、SF6复配相比单菌株对西瓜枯萎病拮抗效果更显著，并有一定的促生效果。因此，对生防菌株的基因改造、诱变育种和菌剂复配的研究将有可能成为今后研究的重点。
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user: 摘 要 本文提出一种高精度有限体积格式数值求解一维Euler方程。为克服线性高阶格式在解的间断附近产生非物理振荡，作者利用Hermite插值多项式，结合对流有界性准则TVD和CBC构造了本文的数值格式。典型算例验证表明，本数值格式可以很好的计算一维Euler方程的间断初值问题。 关键词 :Euler方程，Hermite插值，高阶格式，CBC，TVD Copyright © 2017 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 一维Euler方程是典型的非线性守恒律方程，依据守恒三大定律导出，是一种重要的计算流体力学模型方程，应用于气体动力学，流体力学及环境等学科领域，但该方程常常难于解析求解，需使用数值计算方法进行求解。 低阶精度的对流项数值格式，例如一阶迎风格式FOU (First-order Upwind)，Lax-Friedrichs格式和Power-law格式，数值耗散太大。对流项的高阶精度格式HO (High-Order Scheme)，如中心插风格式CD (Central Difference)、二阶迎风格式SOU(Second-order Upwind) [ 1 ] 、Lax-Wendroff [ 2 ] 、QUICK(Quadratics Upstream Interpolation for Convective Kinematics) [ 3 ] 和三阶迎风插值CUI(Cubic Upwind Interpolation) [ 4 ] 。然而，依据Godunov结论 [ 5 ] ，高阶精度格式不满足有界性，容易在间断解和大梯度处产生非物理震荡，导致数值不稳定性，破坏计算结果。 为解决这一难题，消除非物理震荡，研究者结合有界性准则，在高阶精度格式的基础上，进一步提出了高分辨率格式HR (High-Resolution Scheme) [ 6 ] [ 7 ] 。高分辨率格式可以更为有效地处理间断解处的问题，消除数值解的非物理震荡。Harten提出TVD (Total Variational Diminishing Constraint)准则 [ 6 ] ，也有文章提到Kolgan [ 8 ] 在Godunov-type里提出过一个类似TVD的概念来抑制非物理震荡 。为保证格式无震荡性，研究者们在此基础上也提出了其他限制器函数，例如Sweby的MINMOD [ 6 ] 、Roe的SUPERBEE [ 9 ] 以及van Leer的MUSCL [ 10 ] 等，这些限制器函数的提出推动了计算流体力学的迅速发展。此外，Gaskell和Lau提出CBC(Convection Boundness Criterion)条件来构造对流有界的数值格式，例如SMART [ 11 ] 、CLAM [ 12 ] 、STOIC [ 13 ] 、HOAB [ 14 ] 、WACEB [ 15 ] 、CUBISTA [ 16 ] 等格式都结合应用到了CBC条件，但，Yu et al. [ 18 ] ， Hou et al. [ 19 ] 和Wei et al. [ 20 ] 表明CBC准则只能保证对流格式的有界性，因而Hou et al. [ 19 ] 和Wei et al. [ 20 ] 在CBC的基础上提出BAIR (Boundedness Accuracy and Interpolative Reasonableness)准则，来确保对流格式的二阶精度及有界性。在进行计算时，人们将高分辨率格式，高阶格式和CBC-BAIR条件正则化，使得计算观察更加方便。 本文根据高阶格式的特性，结合TVD准则和CBC-BAIR条件，在数值格式的正则变量形式的基础上，利用Hermite插值，得到一种高分辨率有限体积格式。文章首先对Euler方程和对流有界性则进行介绍并给出对流项高分辨率格式的构造过程；利用三阶精度TVD Runge-Kutta格式对时间项进行离散；通过一些经典的算例与问题对计算格式进行进一步的讨论，然后对一维守恒型的Euler方程的Lax激波管问题和Shu-Osher问题进行计算，验证新构造格式的有效性；最后总结全文得出结论。
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user: 2. 方法 2.1. Euler方程 在一维理想气动方程组的守恒形式中，Euler方程是一个典型的非线性守恒系统，它依据质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律推导得出。 Euler方程可以写成： (1) 式中 在守恒形式的Euler方程中，称流动密度、速度及压力变量为原始变量，密度、动量、总能为守恒变量； 其中 为时间， 为从坐标原点出发的距离， 为流动密度， 为压力， 为质点速度， 为单位 体积流体总能， 为总焓。状态方程 ，其中 ， 为内能； ， 为焓， 为比热容比，完全气体时， ，把方程写成拟线性形式时，Jacobi 矩阵为 矩阵 的特征值为 ，其中 表示当地声速。由于方程组的特征值是三个互异实数，所以方程组是双曲型的。 因为Euler方程是研究计算流体力学计算方法的主要模型，而所谓Riemann问题就是求解Euler方程， 在初值 下的解，此类初值问题初始时一般不满足间断关系。随着时间的变化，初始间断处分解成一些特定的流动结构，但是远离这些结构的地方流动仍保持初始值。Riemann问题解的情况可能是两侧为均匀流区和中部为间断影响区，所以需要构造格式既满足高阶精度，又能有效的处理间断解处的问题，消除数值解的非物理震荡。 2.2. 对流有界性准则 图1中U，C，D和f是相邻的三个网格节点及控制单元界面。U，C，D分别表示上游点(upwind)，中游点(central)，下游点(downwind)。表1中的线性高阶格式界面值 ，通过相邻的三个网格节点 ， 和 对其进行重构，得到表达式如下： (2) 为便于高阶格式的研究，根据Leonard [ 17 ] 正则化定义，对 正则化得到 (3) 图1. 三个相邻结点及单位边界 Table 1 The linear convection schemes and the normalized variable formation Schemes Non-normalized Normalized coefficient coefficient SOU −1 CD 1 0 Fromm 0 QUICK CUI 0 表1. 线性对流格式及其正则化形式 联立上述方程，我们可以得到 (4) 显然可知 ， ，将上述公式化简为 (5) 因此可以看出界面值 只与 有关。 高阶格式通过对 格式赋值得到， 格式公式化后如下: (6) 正则化后得到公式 (7) 其中 的值只依赖于 ，其中 的参数变化范围为 。表1中对 赋于不同的值可以得到不同的正则化高阶格式，从表中可以看出所有格式至少都为二阶精度。由Godunovs定理 [ 5 ] 可知，格式在间断解处仍然会产生非物理振荡，所以需要结合线性高阶精度格式和有界性准则来构造高分辨率格式(HR)，有效的抑制非物理振荡。 根据Gaskell和Lau [ 11 ] 提出的CBC准则。构造在NVF (Normalized Variable Formations)形式下的CBC格式，表达式为 (8) NVF形式下的BAIR准则可以表达为 (9) 此外，Harten提出的TVD (总变差不增)准则 [ 6 ] ，可以保证数值解是物理解，无振荡性， 表示总 变差值，且满足 (10) TVD准则被Swbey [ 7 ] 转化为限制函数： 其中 ，在NVF形式下可以表示为 。 由上述公式，我们可以得到NVF格式下的TVD限制器函数的表达式： 图2是CBC-BAIR条件和TVD约束准则。 2.3. 格式构造 正则化的高分辨率格式可以表示成 ，根据Zijlema和Wesseling的结论 [ 21 ] 1) 高分辨率格式的NVD线必须落在位于TVD和CBC-BAIR的区域内； 2) NVD线在NV坐标内必须通过点 ，且至少满足二阶精度差； 3) NVD线在NV坐标内满足 及 ，同时与 格式具有相同的精度。 由以上结论推得，高分辨率格式NVD线必过 ， ， 这三个点，选取这三个插值节点的函数值，以及CUI线性格式下的对应的导数值 ， ， ，构造插值多项式。 由给定三个互异节点及节点的导数值，得到五次插值函数。 图2. TVD条件和BAIR条件 新构造的高阶格式(HRFVM)： (11) 特征线如图3所示，从图中可以看出HRFVM格式严格满足TVD准则和CBC-BAIR条件。 2.4. 时间项离散 空间离散后，对时间项进行离散。设半离散化方程为： (12) 为保证时间上的高阶精度，采用三阶精度的TVD型Runge-Kutta方法对时间项进行离散， 其中 是空间离散算子， 为第 时间层的守恒量。 格式如下 (13)
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user: 3. 数值算例 3.1. 线性对流方程 (14) 以下通过两个不同的初值条件验证数值格式的精度及准确性。 图3. HRFVM曲线与BAIR和TVD区域 3.1.1. 精确解算例 对于一阶线性对流方程，给定初值条件 ，线性对流速度 ，计算求解区域为 ， 数为0.1，周期 。如表2将新构造的高分辨率格式HRFVM与SMART和HOAB两格式进行比较，分别计算网格数在20，40，80，160和320下， 的误差及精度阶。 给出格式精度阶的计算公式 (15) (16) (17) 可以从表2中看出，三种格式 的误差随着网格剖分不断加密而减小，且新格式的精度阶与SMART和HOAB一样，它的 的精度阶已经达到二阶。 3.1.2. 间断解算例 非光滑复合初始条件 该数值算例的求解区域是 ， 数为0.25，计算到时间 ，网格数2500，网格距 ， 下图4我们将CUI (a)， HRFVM (b)格式的数值解与准确解作比较。CUI格式在光滑求解区域内精确解与数值解的逼近效果良好，但在网格剖分如此密的情况下，间断解处仍然有一定的耗散，而新格式数值计算结果与精确解的逼近程度良好。 图4. 比较非光滑复合初始条件下线性对流方程的准确解和数值解(a) CUI；(b) HRFVM Table 2 Errors and orders for several selected scheme Scheme Mesh error order error order HRFVM 20 40 80 160 320 6.0129e−2 1.7130e−2 4.0702e−3 9.4286e−4 2.4887e−4 −− 1.81 2.07 2.11 1.92 7.210e−2 2.3243e−2 6.8635e−3 1.9845e−3 5.7076e−4 −− 1.63 1.76 1.80 1.79 HOAB 20 40 80 160 320 4.9171e−2 1.5019e−2 4.9515e−3 1.3827e−3 3.4129e−4 −− 1.71 1.60 1.84 2.01 5.3968e−2 1.8925e−2 6.6339e−3 2.1441e−3 6.8531e−4 −− 1.50 1.51 1.63 1.65 SMART 20 40 80 160 320 3.0405e−2 9.0453e−3 2.4675e−3 6.2225e−4 1.6540e−4 −− 1.75 1.87 1.99 1.91 3.7852e−2 1.1316e−2 3.3907e−3 1.0116e−3 3.1008e−4 −− 1.74 1.73 1.75 1.71 表2. 格式误差与数值精度阶对比 3.2. 非线性方程 3.2.1.一维无粘性Burgers方程 (18) 初值条件 及周期性边界条件 。 其中 。在 时，将HRFVM格式的数值解与非线性Burgers方程的精确解进 行比较，求解区域 剖分网格单元数为400， 取0.5。 图5中看出，各时刻下数值解与准确解都吻合的特别好，HRFVM格式未产生非物理震荡。 3.2.2. Buckely-Leverett问题 非凸通量函数Buckely-Leverett方程如下 (19) 初值条件 图5. 比较一维无粘Burgers方程数值解与准确解 时间步长 ，取 ，计算求解区域 的网格数为200，计算终止时间 ，通过图6对格式数值计算结果与精确解的比较，可看出格式能够有效的捕捉间断和激波，具有高分辨率和低数值耗散性。通过与GAMMA格式的比较，说明HRFVM格式能够很好的模拟准确解。 3.3. Euler方程 3.3.1. Lax激波管问题 Lax激波管问题，取黎曼初始条件 求解计算区域 网格剖分为320份，计算到 。应用构造的新格式HRFVM来计算密度、速度、压强和总能量。如图7所示，同WENO5格式(该格式既适用于间断解，又能处理复杂连续流场)进行比较，新格式的数值计算结果都很好的逼近WENO5。 3.3.2. Shu-Osher 问题 Shu-Osher问题是一个典型的激波熵波相互作用的问题，激波同正弦波之间相互干扰，引发高频率振动，因而解的剖面图中既包含光滑解又包含波动解。 初始条件 分别取两种网格节点N = 1000和N = 2000进行比较，求解计算区间 ，计算终止时间 。同样以WENO5为参考值，对密度进行比较，可以从图8看出当网格更加细化时计算结果收敛于参考值。
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user: 4. 总结 本文在TVD准则和CBC-BAIR条件下利用Hermite插值构高分辨率有限体积格式。通过求解一维 图6. 比较HRFVM格式与GAMMA格式在数值解与准确解 图7. 一维Euler方程Lax问题计算(a)密度；(b)速度s；(c)压力；(d)总能量 图8. Shu-Osher问题网格数(a) 1000; (b) 2000 Euler方程的Lax问题和Shu-Osher问题，数值结果表明本文的数值格式能够有效地消除非物理振荡，并保持良好的间断逼近效果。
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user: 摘 要 本文应用格子Boltzmann方法对具有挡板二维管道中的Karman涡街进行了数值模拟，采用并行计算模式得到了在不同雷诺数不同时间步的情况下的涡线图，计算结果较好地再现了已有的数值结果。 关键词 :格子Boltzmann方法，并行计算，二维平板绕流，Karman涡街 Copyright © 2017 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 上个世纪90年代出现的格子Boltzmann方法(LBM)已经成为模拟许多复杂流动问题的有效工具 [ 1 ] - [ 6 ] 。LBM已经广泛应用于多相流 [ 6 ] 、多组分流 [ 7 ] 、多孔介质流 [ 8 ] 、悬浮流 [ 9 ] 等复杂问题。此外LBM可以用于求解诸如Burgers方程，KdV方程，Schrödinger方程，Ginzburg-Landau方程等线性和非线性偏微分物理方程 [ 10 ] - [ 15 ] 。通常的模拟计算一般使用个人计算机，工作站就可以胜任，然而我们注意到那些流动区域较大，或者需要精细流动的计算问题，计算网格数量的要求已经超出计算机的能力。在本文中采用了一种简单的并行计算模式，用格子Boltzmann方法模拟具有挡板管道的Karman涡街问题 [ 16 ] [ 20 ] [ 21 ] ，给出了这一流动的详细计算结果。
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user: 2. 格子Boltzmann算法 在标准的二维网格空间中，粒子的速度离散取决于每一个节点与相邻节点相连的方式，当一个节点与周围 个节点相邻时，该点的速度将被离散为( )个速度，其中一个是静止的零速度。 本文中，我们应用D2Q9网格。在正方形网格中心的每一个结点处粒子有9个速度方向，速度大小共有三种，分别为： 、 和0，速度为 的粒子沿水平或者竖直方向运动，速度为 的粒子沿对角线方向运动，速度为0的是静止粒子。粒子速度为： (1) 函数 是时刻为 ，位置为 处，方向为 的粒子的分布函数， 为系统达到平衡时的分布函数。流场的宏观物理量：格点处粒子的密度 ，粒子的速度 。宏观物理量定义为： (2) (3) 我们要求系统达到平衡态时，平衡态分布函数 与非平衡态分布函数 有如下关系： (4) (5) 平衡态分布函数的公式为 [ 2 ] ： (6) 其中 称为权重， 为声速，这里取声速 。 格子Boltzmann方程为： (7) 式中 为松弛因子，取值范围为 ，与粘性系数 满足关系式 [ 17 ] ： (8)
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user: 3. 具有挡板管道的并行格子Boltzmann模拟 首先我们用格子铺满整个流场(二维直管道)，取水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。格子X方向m = 512， Y方向n = 128。为了采用Message Passing Interface (MPI)并行技术，我们将计算区域分解成若干子块，每子块X方向m = 128， Y方向n = 128，一共4块。在计算中，这些子块同时计算，每块数据需要调用5部分，分别为左右两列以及该块的内部区域 [ 18 ] 。子块如图1所示。 以第一块 为例，需要调用数据为，列 ， ， ， ，和块 。时刻 完成数据 的计算。之所以采用双边界 ， 是由于子块对接要求，就是说在计算第一子块时， 是边界，但是在计算第二子块 时 为内部，此时边界为 。 入口采用均匀速度 ，壁面处采用半步长完全反射的边界条件，出口采用Neumann边界条 件 ，密度 ，时间步长为 ，驰豫时间 由给定雷诺数Re与粘性 和驰豫时间的关 系确定 [ 17 ] [ 21 ] 。长度为36个网格的挡板放置 上，即从位置(128， 46)到(128， 82)。 图2所示是Re = 256时，时间步分别为(a) t = 4000， (b) t = 6000， (c) t = 8000， (d) t = 10，000时涡线图。图3为Re = 512时，时间步分别为(a) t = 4000， (b) t = 6000， (c) t = 8000， (d) t = 10，000时涡线图。图4所示是Re = 1024时，时间步分别为(a) t = 4000， (b) t = 6000， (c) t = 8000， (d) t = 10，000时涡线图。从图2~图4看出，当雷诺数进一步增大，随着时间步的增大，挡板绕流已经趋于不定常流动，挡板后面出现一系列的涡旋，即Karman涡街(Karman vortex street)。这些结果再现了已有的数值结果 [ 16 ] [ 19 ] [ 21 ] 。 我们还模拟了两个挡板的情况，设两个挡板距离为128个网格距离。图5是Re = 256时，时间分别为(a) t = 4000， (b) t = 6000， (c) t = 8000， (d) t = 10，000涡线图，图6是Re = 512时，时间分别为(a) t = 4000， (b) t = 6000， (c) t = 8000， (d) t = 10，000涡线图，图7是Re = 1024时，时间分别为(a) t = 4000， (b) t = 6000， (c) 图1. 二维直管道计算区域子块划分 图2. Re = 256时涡量等值线 图3. Re = 512时涡量等值线 图4. Re = 1024时涡量等值线 图5. 两个挡板，Re = 256时的涡量等值线 图6. 两个挡板，Re = 512时的涡量等值线 图7. 两个挡板，Re = 1024时的涡量等值线 t = 8000， (d) t = 10，000涡线图。可以看出当Re数比较大时将在挡板之间出现Karman涡街。这个结果再现了文献 [ 21 ] 中的数值结果。我们发现随着Re数的增大，在流动区域内将出现更多的涡旋，使得涡旋变得拥挤，究其原因是因为流动发生在管内所致。 利用现有的个人计算机，通过使用本文提出的并行计算模式可以增加计算网格数量，从而进一步得到大尺度流场详细的流动细节。
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user: 4. 结论 综上，本文应用格子Boltzmann模型模拟了二维平板绕流，给出不同雷诺数下不同时间的涡线图。通过这些图我们可以看出在一定的雷诺数范围内挡板后会形成一系列涡即卡门涡街。而且在同时存在两个挡板的情况下，只要达到适当的Re数就依然会形成Karman涡街。这些结果很好地再现了经典的数值和实验结果。应用LBM对上述不同Re数的数值模拟均得到了较好的结果，显示了此方法的有效性。依然有很多问题需要注意，例如精细的三维流动的模拟是需要完成的，有效地利用MPI平台和分块并行算法是可以得到相当一部分值得期待的结果的，当然我们更期待于计算机速度的提高和算法的改进。
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user: 致 谢 国家自然科学基金(No. 11602033， No. 11272133)资助。
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user: 摘 要 结石可造成管腔梗阻，影响受累器官或液体的排出，产生疼痛，出血或继发性感染等症状，如何在达到高效碎石目的的同时将术后患者身体损伤降至最小是一个亟待解决的问题。本文首先回顾了早期碎石技术。其次，由于科学技术，医学仪器的发展推动着医疗水平的不断进步，故分析了在钬激光器，超声换能器等方面，钬激光碎石，超声碎石各自的临床应用。最后，对于钬激光与超声联合碎石的关键技术，新的进展进行了比较详细的阐述并探讨在该领域下一步可能的研究方向。 关键词 :钬激光器，电光调Q技术，超声碎石，直接数字频率合成器 Copyright © 2017 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 泌尿系统结石是常见病，可引起绞痛，泌尿系统感染及肾功能不全，给病人造成极大的痛苦、随着泌尿外科腔内设备和操作技术的提高，结石的诊断和碎石技术有了长足的发展，主要治疗方法有体外冲击波碎石术(extracorporeal shock wave lithotripsy， ESWL)和体内碎石术(intracorporeal lithotripsy， IL)。体内碎石术包括机械碎石术(mechanical lithotripsy， ML)、液电碎石术(electrohydrautic lithotripsy， EHL)、超声碎石术(ultrasonic lithotripsy， USL)、激光碎石术(laser lithotripsy， LL)和气压弹道碎石术(pneumatic lithotripsy， PL)等。当前结石病患者在临床治疗过程中会出现组织损伤症状，同时能量利用率和碎石打击的准确性等方面仍然有技术改进的空间 [ 1 ] 。本文在早期体内碎石术的基础上，分析钬激光碎石技术，超声碎石技术各自的优缺点，进而将钬激光，超声碎石技术有效结合，互为补充来提高碎石的效率和稳定性。
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user: 2. 早期体内碎石术 自1975年分别由Kawi、Classen等 [ 2 ] [ 3 ] 报道了内镜乳头肌切开术(endoscopic sphincterotomy， EST)以来，在内镜技术和器械附件的研究发展下，应用日益广泛，但对于胆总管内直径 ≥ 1.5 cm的结石，即使内镜乳头肌切开后使用普通取石网篮仍难以取出，若盲目硬取，有造成结石或网篮嵌顿的危险，甚至导致严重的并发症。机械碎石器的问世，解决了胆总管大结石的碎石取出难题，1982年Demling [ 4 ] 首先报告了内镜下机械碎石术(endoscopic mechanical lithotripsy， EML)，开创了机械碎石治疗的先河。机械碎石术操作简便，但并不适用于细胆管内结石，碎石篮相对此较大，无法轻松取出高位胆管内部的结石 [ 5 ] ，易造成难以控制的出血。 1955年前苏联工程师Yutkin首先发明了液电碎石技术。液电碎石技术是根据高压电产生的高压振荡波原理，将一同轴双极电极置于水中，通电引发双极电极之间高压，两个不同电压的电极之间存在一绝缘层，当两个电极之间的电压差超过绝缘层最大电阻时，电极之间产生火花，形成等离子体(Plasma) [ 6 ] ，破碎结石。液电碎石术适用于胆道结石取石术中结石过大、嵌顿性结石，胆道狭窄或相对狭窄等难取性结石，其产生的冲击波未经聚焦，有灼伤组织的可能，结石每次得到的冲击能量不稳定，应用不当还会损坏内窥镜 [ 7 ] 。 早期体内碎石术提出了普遍适用的基本原理，近20年来，随着泌尿外科腔内设备和操作技术的提高，体内碎石术有了长足发展。 3. 钬激光与超声联合碎石的现状 超声碎石术，钬激光碎石术是目前广泛应用于临床的微创体内碎石术，它们有各自的优缺点，医生们开始不再单一地使用超声碎石术或者钬激光碎石术而是交替使用超声碎石机和钬激光碎石机来达到高效碎石清石的目的。 3.1. 超声碎石术 将超声用于碎石的原理是利用以压电效应制成的换能器将电能转换成声波，声波在换能器内产生机械振动，机械能通过超声探针振动碎石，通过空心探针吸附结石细小颗粒，达到碎石清石目的 [ 8 ] 。在处理感染性结石时，其优势更加明显 [ 9 ] 。 经皮肾镜取石术(Percutaneous Nephrolithotomy， PCNL)已成为肾结石尤其是铸型结石的首选方法 [ 10 ] [ 11 ] ，经皮肾镜超声碎石清石术不但可击碎结石，同时可将结石清除体外，是当今经皮肾镜取石术最为理想的方法，可避免结石对肾盏黏膜的破坏作用。全清除结石，解除梗阻是治疗的关键 [ 12 ] 。临床上多采取“蚕食法”碎石，但对处理铸型大结石时效率不高 [ 13 ] ，采用双导管超声碎石可以提高碎石效率 [ 14 ] ，但是由于吸附结石的内导管腔隙太小，碎石清石率等与单导管超声碎石相近 [ 15 ] 。 3.2. 钬激光碎石术 钬激光碎石机理是其瞬时产生的上千瓦能量可导致光致碎裂作用，且结石表面的水和结石中的水吸收了钬激光的能量后汽化形成小球，汽化小球随后裂解形成的冲击波产生二次压力，使得结石粉碎。医用钬激光器系统主要由钬激光器、激光电源，冷却及密封系统，纤耦合传输系统以及控制与显示系统等五个部分组成。钬激光晶体主要靠Cr 3+ 离子吸收闪光灯发出的光，钬激光器采用脉冲氙灯作为泵浦源，聚光腔采用银作为反光材料，需要在银膜上加镀一层介质膜防止银被氧化，该聚光腔采用单椭圆柱型结构。激光谐振腔采用平凹腔，全反镜是曲率半径为1 m的曲面镜，输出透镜的透过率为20%。光纤耦合器传输系统采用低OH的石英光纤传输 [ 16 ] 。 钬激光可以粉碎包括坚硬的胱氨酸结石在内的各种成分结石，具有切割，汽化及凝血等功能，可以一并处理阻碍结石排出的远端输尿管狭窄或炎性息肉，且出血较少 [ 17 ] 。钬激光碎石的过程中会发生结石“后退”(retropulsion)现象，造成损伤周围组织，需重新定位光纤端头，延长手术时间等不利影响，尤其是对位于输尿管上段的结石，结石移位是影响碎石成功率有效率的常见原因 [ 18 ] 。
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user: 4. 钬激光与超声联合碎石的关键技术 钬激光与超声联合碎石的关键是将钬激光碎石术和超声碎石术的关键技术进行优化达到钬激光碎石和超声碎石良好协同作用的目的。 4.1. 纳秒钬激光输出 纳秒钬激光器的结构如图1，激光器以Cr，Tm，Ho:YAG为激光晶体。在固体激光器中，谐振腔的模式结构发生畸变的主要机理是激光棒的热效应。因为热效应的存在，在增加功率的过程中，热透镜焦距f不断缩短，要保持稳定的激光输出，应该选择尽量小的腔长。全反镜用波片进行光学修正，以克服高能量泵浦引起的晶体退偏。采用自动控制的恒温去离子水冷却系统。文献 [ 19 ] 运用具有自主知识产权的中红外电光调Q开关技术，大大压缩了输出激光光束的脉宽，可以把输出激光的脉冲宽度压缩到纳秒级，同时能够大大提高输出脉冲的峰值功率。 图1. 纳秒钬激光器结构示意图 4.2. 频率跟踪技术 超声碎石的一个技术难点是需要使超声换能器始终工作在谐振点附近。由于换能器的谐振点随温度、负载等外界条件不断变化 [ 20 ] ，这就需要施加在换能器上的激励信号频率能随着谐振点的改变而迅速调整，即需要应用自动频率跟踪技术。目前大多采用模拟电路实现自动频率跟踪，抗干扰性差，容易出现死锁现象。另外，日本学者Hiroaki lkeda等将锁相环应用在了运行频率1 MHz的超声波设备上，达到预期的扫描/跟踪效果 [ 21 ] 。文献 [ 22 ] 提出了一种基于电流搜索与锁相技术复合的频率扫描/跟踪策略，采用基于直接数字频率合成器技术(direct digital frequency synthesis， DDS)的电流搜索法进行粗扫描/跟踪，以大步长快速扫描/跟踪到超声碎石振动系统的谐振频率附近，转为基于锁相技术的精扫描/跟踪，最终实现超声碎石振动系统谐振频率的快速精确扫描/跟踪。其通过单片机变换频率控制字来改变DDS芯片的输出频率．输出频率与频率控制字及参考时钟之间有如下的关系 [ 23 ] ： (1) 式中：为f c 外部输入参考时钟频率(MHz)；f out 为输出信号频率(MHz)。 测试结果表明，运用这种控制方法的超声碎石电源具有频率扫描/跟踪准确，速度快等优点。 4.3. 换能器 使用具有特殊介电特性的超声超材料设计制造夹心式换能器以解决超声碎石系统研发过程中夹心式压电换能器的低电声效率、低寿命问题、在换能器运行过程中心频率漂移导致的效率下降问题等难点。 4.4. 超声探针 目前超声探针前端为平面管状结构，与结石接触面较大，结石所承受的压强相对较小，且这一结构不易固定结石，结石很容易滑脱移位。在行超声碎石时，难以通过共振原理击碎坚硬大结石。文献 [ 24 ] 在原平面超声探针前端打磨成3个缺口，缺口间形成3个很小的钝性弧形凸起的点状结构。缺口与凸起处抛光呈流线型的断面，表面光滑、无毛刺，碎石时探针与结石接触为三点式接触。点触式超声探针吸附清石的内腔大，其清石效率可能会优于内腔较小的双导管超声探针。点触式探针3个缺口，在负压吸引清石时，水流从缺口进入，不会象原超声探针那样对粘膜造成吸附损伤。3个触点为圆滑结构，不会对尿路黏膜造成刺伤。研究表明，点触式探针较平面探针的碎石速度快、效率高、安全性好，可不借助气压弹道碎石，仍可击碎坚硬的一水草酸钙结石和以草酸钙为主的混合型坚硬结石，有很好的推广应用价值。 4.5. 影响钬激光碎石的相关参数 美国Texas大学的Jansen ED等 [ 25 ] [ 26 ] 研究了没有结石参与的情况下，纯水或PAA(polyacrylamide)凝胶中激光脉冲宽度和能流密度对气泡形成、气泡尺寸及声压的影响：其他参数相同情况下，脉冲宽度越小对应的最大气泡尺寸越大，声压值越高；能流密度增大，气泡持续时间增长，产生的声压值增大，但是能流密度大到一定程度，其声压反而会随之减小 [ 27 ] 。表1列出了一部分研究人员的声压测量结果(数值都是在水中没有结石或固体界面，Ep， τp， df， H为相关参数)参与的情况下得到的；归一化声压为按照球形波1/r衰减规律修正到距离光纤端头1 mm处的声压)，这对于进一步研究钬激光的碎石机制，探讨治疗过程中对周围组织的损伤程度及对光纤的损耗有重要意义。 4.6. 结石成分和CT值 文献 [ 31 ] 分析了结石成分、CT值与超声碎石清石效果的影响。CT值越低碎石速度越快，相反则慢，但对于少数含有草酸尿酸盐混合结石，由于结石表面结构光滑，即使CT值 ≤ 963.42 HU时，由于超声探针很难固定结石而不易被击碎，碎石速度明显缓慢。 结石成分分析目前仍需在体外进行，依据CT值初步判断结石的主要成分尚有局限，但预测CT值不但可以大致判断结石成分，还可以对结石治疗方法的选择提供帮助，术前测定CT值，大致判断结石成分，超声碎石时，可对碎石时间作初步估算。也可作为预测和评估碎石效率的参考指标之一。