DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 摘 要 研究长江干流及其支流之间的总相关性对于长江上游的水力设计、防洪和风险控制非常重要。针对现有的相关性计算方法的不足与缺陷，本文引入Copula熵方法，用来计算多变量之间的相关结构，并推导出Copula熵与互信息的关系与计算方法，采用多重积分法和蒙特卡罗法估计多变量之间的相关性特征。以长江上游的五条主要干支流：金沙江、岷江、沱江、嘉陵江和乌江为研究对象。计算结果表明，当使用不同的Copula函数时，总相关值存在显著差异。长江上游干支流河流之间的总相关性不大，其中岷江和沱江之间的相关性最大，金沙江，岷江和沱江之间也存在一定的相关性，因此，这几条河流有洪水遭遇的可能，对三峡大坝的防洪构成了威胁。 关键词 :Copula熵，相关性，长江上游 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 洪水事件一般具有多方面因素的特征属性，而各个变量之间通常具有相关性，研究变量之间的相关性对正确认识水文事件的客观规律，合理地进行水资源开发利用和制定有效的防洪减灾措施，具有十分重要的意义。目前，表达水文变量之间相关性的方法一般采用Pearson线性相关方法。该方法有以下几个缺点：① 只适用于线性相关关系，② 变量必须服从多元正态分布的假设；③ 无法计算多元变量之间的相关性。但在实际应用中，并不是所有的水文变量之间都是线性相关且满足服从正态分布的假设。 近年来基于熵理论的相关性分析方法备受推崇，许多研究者已经成功的利用互信息(Mutual Information)表征随机变量概率分布之间的相关性，该方法的优点是：① 它是一种非参数方法；② 不对边缘分布的函数形式作出假设，变量可以服从任何分布；③ 它可以用于多变量之间的相关性计算。该方法是一种实现多变量之间的相关性计算的有效途径，并在水文学领域中得到了广泛的应用。陈璐等 [ 1 ] 利用Copula熵方法对神经网络的径流预报模型中的预报因子进行了选择；李帆等 [ 2 ] 利用Copula熵方法对三变量洪水频率进行了分析；韩敏等 [ 3 ] 基于Copula熵方法对互信息进行了估计。本文以长江上游干支流为研究对象，采用信息论和Copula函数相结合的非线性技术，即Copula函数的熵，对长江上游干支流之间的相关性进行了分析，为长江上游的洪水遭遇以及三峡的防洪风险分析提供了依据。
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user: 2. Copula熵 2.1. Copula熵的定义 令 x ∈ R d 为d维随机变量，其边缘分布函数为 F i ( X ) ， u i = F i ( X ) ， i = 1 ， 2 ， ⋯ ， d 。其中， u i 为服从均匀分布的随机变量，将Copula函数的熵定义为Copula熵，可以表示为： H c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) = − ∫ 0 1 ⋯ ∫ 0 1 c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) log ( c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ) d u 1 d u 2 ⋯ d u d (1) 式中： c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) 为Copula函数的概率密度函数，可表示为 ∂ C ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∂ u 1 ∂ u 2 ⋯ ∂ u d 。下面探讨联合熵和Copula熵之间的关系，变量X的联合概率密度函数可以定义为 [ 4 ] ： f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) = c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) (2) 结合等式(1)，多维联合熵可表示为： H ( X 1 ， X 2 ， ⋯ ， X d ) = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) log [ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) log [ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) { log [ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ] + ∑ i = 1 d log [ f ( x i ) ] } d x 1 d x 2 ⋯ d x d = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) ⋅ log [ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) ⋅ ∑ i = 1 d log [ f ( x i ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d = A + B (3) 其中A可表示为： A = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) ⋅ ∑ i = 1 d log [ f ( x i ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) ⋅ ∑ i = 1 d log [ f ( x i ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) ⋅ log [ f ( x 1 ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d     − ⋯ − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) ⋅ log [ f ( x d ) ] d x 1 d x 2 ⋯ d x d = − ∫ 0 ∞ log [ f ( x 1 ) ] ⋅ [ ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) d x 2 ⋯ d x d ] d x 1     − ⋯ − ∫ 0 ∞ log [ f ( x d ) ] ⋅ [ ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ f ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x d ) d x 1 d x 2 ⋯ d x d − 1 ] d x d = − ∑ i = 1 d ∫ 0 ∞ f ( x i ) log [ f ( x i ) ] d x i = ∑ i = 1 d H ( X i ) (4) 根据等式 d u = d x ⋅ f ( x i ) ， B = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ∏ i = 1 d f ( x i ) ⋅ log [ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ] d u 1 d u 2 ⋯ d u d = − ∫ 0 ∞ ⋯ ∫ 0 ∞ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ⋅ log [ c ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) ] d u 1 d u 2 ⋯ d u d = H C ( u ) (5) 所以，联合熵可表示为： H ( X 1 ， X 2 ， ⋯ ， X d ) = ∑ i = 1 d H ( X i ) + H C ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) (6) 由方程(6)可知，联合熵可分解为两部分：d维边缘分布熵的和与Copula函数的熵。 2.2. Copula熵的计算 2.2.1. 多重积分法 根据等式(1)，Copula熵可以使用多重积分法求得。首先，需要估计Copula函数的参数，从而确定Copula的概率密度函数。多重积分法由Berntsen等提出(1991)，用于计算多重积分，将Copula概率密度函数进行积分，得到相应的Copula熵值 [ 5 ] 。 2.2.2. 蒙特卡罗法 对于变量较多的情况，多重积分法较难求得，可采用蒙特卡罗法计算Copula熵。对于在[0，1]中的多元向量，Copula熵可以表示为： H C ( u 1 ， u 2 ， ⋯ ， u d ) = − ∫ [ 0 ， 1 ] d c ( U ) ln c ( U ) d U = − E [ ln c ( U ) ] (7) Copula熵等于lnc(U)的期望值，可以通过蒙特卡罗法求得，与多重积分法类似，首先需确定Copula函数的相关性系数和参数，从而确定Copula函数，然后计算-lnc(U)的期望值。
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user: 3. 总相关 因为计算多变量联合概率时比较复杂，所以有必要计算多个变量之间的相关性。总相关性可以定义为 [ 6 ] ： I ( X 1 ， X 2 ， ⋯ ， X d ) = ∑ i = 1 d H ( X i ) − H ( X 1 ， X 2 ， ⋯ ， X d ) (8) 可得，对于d = 2的情况，总相关性等效于两变量公共的互信息。 根据方程(6)，方程(8)可以写为： I ( X 1 ， X 2 ， ⋯ ， X d ) = − H C ( u ) = − B (9) 因多变量的边缘熵的和总是大于多变量的联合熵，因此相关性总为正值；当且仅当所有被选择的变量相互独立时，I等于零。然而，如果两个变量有一些相关性，即使其余的变量是独立的，I仍大于零。根据等式(9)，随机变量的总相关性等于它们的负Copula熵。基于公式(9)采用Copula熵方法可直接计算总相关，避免了通过公式(8)计算联合熵和边缘熵带来的误差累积效应，且基于Copula熵计算的总相关性仅依赖于由Copula参数所确定的Copula函数。因此，对于总相关性的估计仅需要确定Copula参数。
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user: 5. 结论 本研究分析了长江上游五条河流的相关性。首先在水文领域引入由Copula和熵理论构建的Copula熵。由于变量之间存在复杂的相关性结构，所以采用Copula熵计算总相关性，即首先估计Copula函数的参数从而确定Copula函数，最后计算总相关值。主要结论如下： 1) 应用阿基米德和椭圆Copula建立多元变量的联合分布。一般阿基米德Copula更适合于维数少的情况， 对于维数多的情况，其相关性复杂，只能使用椭圆Copula，对于所建立的联合分布的理论曲线都能很好地拟合经验频率。 2) 基于信息理论和Copula函数，引入Copula熵方法，这是一种非参数方法，可以表示线性和非线性相关性，且不对边缘分布做出假设，可用于更高的维数。此外，该方法仅需要通过计算Copula熵来直接地估计总相关性，而不需要计算边缘熵和联合熵的值，从而避免了偏差的累积效应。 3) 使用多重积分法和蒙特卡罗法计算总相关值，得到的计算结果相近。对于特殊情况，可以采用不同类型的Copula函数，当使用不同的Copula函数时，总相关值存在显著差异，因此，选择合适的Copula函数对于相关性的估计是很重要的。 4) 计算结果表明，河流之间的总相关性不是很大，这与研究区域的气候特征有关。由于岷江和沱江这两条河流之间的距离最短，且属于同一暴雨区，所以它们之间的总相关系数最大为0.33。金沙江，岷江和沱江之间也存在一定的相关性，在平水年，由于长江左岸和右岸一般不会同时发生降雨，所以岷江和乌江的相关性不能忽视。由于金沙江，岷江，嘉陵江，沱江河流存在较大相关性，所以这几条河流有洪水遭遇的可能，且对三峡大坝的防洪构成了威胁。
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user: 摘 要 为了让学生对Web程序设计产生兴趣，加强学生实践编程能力，本文主要研究了如何对web应用案例进行了分层次的分析、设计及实现，让学生能够循序渐进的学懂学会web相关技术，并能使用这些技术自主编程完成一个小型web应用系统，并能够发布到网络上，在网络上进行访问。 关键词 :Web应用案例，分层次，实践编程 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 现如今网络应用越来越广泛，一些基本的网络应用编程成为计算机相关专业学生必备的一项技能。Web编程简单而实用，成为学生们学习的一个兴趣点和热点。而学生在学习Web编程时会遇到各种各样的问题，如何让学生快速的学会Web应用程序设计，掌握web编程的核心技术，成为学校相关课程中迫切要解决的问题，这将有助于日后学生进入社会后的更好地适应其工作岗位及工作安排。本文即是针对这一目的来进行的探索研究。
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user: 2. 层次案例的设计原则 为了让学生能循序渐进的学会如何完成一个Web应用系统，案例的选择和设计将给学生的学习带来重大的影响。循序渐进就是要从简单应用到复杂应用，从基本应用到大型应用，让学生扎扎实实的学会如何去设计实现Web应用系统。 第一层次：简单案例。当学生对web应用还没有概念的时候，先要以一个简单案例给学生展示并讲解。该Web应用案例功能简单明了，不需要太多的界面修饰，只为了能把学到的基本知识点应用到实践中。而在实际编程中，学生往往会遇到各种各样的问题，比如说不熟悉开发环境、不了解编程模式，不适应WEB开发等等。这时需要通过该简单案例一步一步的将开发环境及开发过程展示给学生，让学生有了开发框架及开发过程的基本概念。比如简单个人信息管理系统，包括信息的录入、信息查询、信息删除、信息展示等功能，让学生边学边做，在学习基本开发过程中将系统完成。 第二层次：功能案例。当学生学习了基本概念后，要让学生根据自己的兴趣自主完成一些具有不同功能的Web应用系统。在该层次的学习中，可以结合不同的功能案例进行讲解。该类案例通常会有一定特定功能，比如简单邮件系统，作业管理系统等等。学生可以根据自己的兴趣点选择学习不同的功能案例，并能举一反三，自主完成不同功能网站的设计及实现。 第三层次：综合案例。当学生对各项web功能都熟悉的情况下，可以让学生接触一些比较复杂的，涵盖面比较广的综合案例，并能自己提出一些新的想法和目标，设计自己的web应用系统。这是学习的最终目标，让学生能学会如何去进行web应用系统设计开发。该层次可以选择一些综合功能案例来帮助学习，比如企业信息管理系统，包括人员信息管理、邮件系统、任务管理等等。学生可以结合上一层次学习的内容，将不同的功能有机的组合起来，完成更大的系统。 这三个层次案例之间是递进的关系，从简单案例学习到功能案例学习再到综合案例学习，具体可以通过图1来表示。
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user: 3. 层次案例分析及设计 3.1. 简单案例分析与设计 学生学习Web应用系统开发，长远来看，将来会有更好的工作前景；近期而言，可以丰富学生的知 图1. 层次案例渐进关系图 识体系，增强学生的学习成就感。学习的第一步是要对Web应用系统开发有一个最基本、最基础的认识，针对这一需求，该阶段的案例设计要满足如下要点： 1) 有基本的登录页面和注册页面，并能在页面上进行输入格式验证； 2) 能够连接数据库，将注册的用户信息写入数据库以及将用户信息读出数据库； 3) 能够使用页面上各种控件，可以对数据进行展示、排序、分页、格式输出等； 4) 对文件进行简单处理，完成上传、下载文件的功能。 为此，可以设计简单个人信息管理系统案例用于讲解及学生练习。首先对用户进行注册，注册后用户可以进行登录。这里页面上将用到输入控件，验证控件等，学生可以通过学习以及练习掌握这些控件的使用。其次用户个人信息应写入数据库表中。这里数据库表部分要首先设计好，然后通过学习及练习掌握数据控件的使用。再次进入主页面后可以根据需要设计一些不同的控件组合，比如个人基本资料页面、兴趣爱好页面、工作日程页面等等，可以将多种控件进行组合，并掌握其应用方法。最后，可以根据需要上传下载喜欢的文件，可以包括音乐、小视频等等。简单案例分析设计都比较简单，这里不再举例说明。 3.2. 功能案例分析与设计 所谓功能案例，是指的有特定功能的应用系统，该系统要求学生在熟悉开发环境后利用一些特殊控件来完成更为复杂的功能，学生可以自主学习到更多的收获。比如邮件系统，该系统中除了基本网站的用户注册、登录、信息录入、输出等基本功能外，还具有邮件的收发功能，收到邮件后可以将邮件保存在本地，还可以对邮件进行各种操作，这使学生能综合使用不同的控件，学习邮件系统的配置，丰富自己的知识。比如作业管理系统，除了基本功能外还要对作业进行在线撰写、批改、反馈等功能，这些需要在功能设计后用编辑插件来完成，这使学生能扩展学到的知识，进一步完善知识体系。功能案例分析设计过程如图2所示。 功能案例还有许多，比如各类学习系统、考试系统、某方面的专门系统(绘画、音乐、棋牌等)。教师可以选取其中部分有特色的案例进行讲解，学生根据自己的兴趣进行案例选择，并进行分析设计，最终完成系统编程。 3.3. 综合案例分析与设计 综合案例是指的功能复杂、用到的技术多样的案例。该种案例系统要求学生的技术基础较好，综合能力较强。比如大企业信息管理系统，里面包括人事管理系统、产品管理系统、财务管理系统、企业内 图2. 功能案例分析设计过程 部邮件系统、信息交流平台等。该系统除了基本控件外，会用到一些第三方插件或者控件，学生首先要根据需求进行功能分析设计，然后选择需要用到控件、插件，综合完成系统的设计及编程。综合案例分析设计过程如图3所示。这里基本内容应该都学习过了，就不再给学生学习基础知识的过程了。
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user: 4. 案例举例 Web应用系统案例很多，作为简单案例功能比较简单，主要是为了让学生练习web应用中的各种控件、各种简单功能，这里就不再赘述其案例实现。功能案例比较多样，我们选取其中之一作为案例实现的例子。综合案例可以看作是功能案例的组合，由于篇幅关系，这里也不再举例。这里以一个插画交流网站为例，来看一下如何分析及设计该web系统。 4.1. 需求分析 整体功能需求：作为一个以绘画作品交流为重点的网站，其核心目标是让用户可以快速、准确地找到自身感兴趣的作品并进行评价，对于创作者们则要保证他们可以方便地将自己的创作作品上传到网站上并且可以根据需要进行修改加工。网站的核心是浏览者阅览并评价作品，创作者上传并根据需要编辑作品。下面就这两个角色进行详细需求分析。 详细需求分析：1) 浏览者应当能通过网站检索到符合期望的作品，考虑到目前大环境下的使用习惯，浏览者可以通过关键字检索作品以及通过图搜图的功能；浏览者可以对作品进行评价操作，同时也要对评价的次数进行限制，防止刷分等恶意现象的发生；对于喜欢的作品或创作者，可以进行标记。 2) 创作者应当能够在网站上传自己的创作作品；创作者间可以交流心得体会；创作者有自己的独立页面以便管理作品，可以对作品进行编辑、删除操作；在网站中可提供在线绘画工具保证创作者可以便利地进行创作活动上传本站；创作者能够获知自己被关注的情况作品评价。 系统结构可以采用B/S结构，系统后台放置在专门的服务器上，而浏览器端可以根据需要进行访问。 4.2. 整体设计 通过总结功能需求，得到相应系统功能模块结构图如图4。 而系统数据库结构采用关系型数据库，设置若干张数据表存储相关数据，设计表间关系，将数据库服务器和功能服务部分放置在同一台服务器上或者放在同的服务器上。 4.3. 详细设计 4.3.1. 功能详细设计 有关功能的详细设计，这里以搜索功能为例进行介绍。系统的搜索功能包括两种，一是关键字搜索，二是按图片搜索。关键字搜索将会根据输入的关键字在数据库中寻找标题或标签符合条件的作品，功能较为简单，篇幅关系不再详细介绍。 图3. 综合案例分析设计过程图 图4. 系统功能模块结构图 按图片搜索将会根据用户上传的图像在网站数据库记录中搜索符合条件的作品，这里需要一个计算图片相似的算法，在研究了一些计算图片相似度的算法 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 后，这里选取均值感知哈希算法来进行这一部分的处理，此算法于2011年由Neal Krawetz博士提出 [ 4 ] 。感知哈希算法的作用是提取文件特征并生成可用于比较的指纹，主要用于图片、视频等媒体资源的比较和检索等领域。算法的具体步骤如下： Step1：将图片缩小到8*8的尺寸，大幅度去除图像的高频成分，同时避免在接下来的计算中可能因原图大小尺寸带来的差异。 Step2：将缩小后的图片转化为灰度图，至此原图将只保留明暗和结构的基本信息。 Step3：计算当前已经只有64个像素的图片的平均灰度值。 Step4：将图中每个像素的灰度值同方才得出的平均值一个一个地进行比较。大于或等于平均值，记为1；小于平均值，记为0。最后将比较得到的0和1组合起来，将会成为一个64位的数据，此数据即可代表被检测图片的指纹记录。 Step5：需要比较时，将会根据两个比较对象之间的差距判定两者是否是类似作品。将两个上一步得到的字符串进行比较，统计两个64字符串间的不同位数，其结果将是两者间的汉明距离。最后根据汉明距离是否超过了阀值对两张图片相似与否进行判断。 之后就可根据具体步骤分别设计各步骤的算法程序了。 4.3.2. 数据库表设计 数据库表应包括用户表、作品表、评论表、消息表，图5是数据库的E-R图： 数据库部分设计就不一一介绍了，根据功能案例的不同设计自己需要的数据库表即可。 图5. 数据库E-R图 4.3.3. 界面详细设计 在正常流程下，首页将会是来访者进入本网站后所见到的第一个网页。从提升宣传效果以及使用体验的方向考虑，在首页配置了公告、当前推送的专题活动、今日公告、新作这些板块(图6)。 之后可以根据用户需要进行不同的页面，这里以作品详情页为例来讲解。在作品详情页中，页面内主要由作者信息、作品信息、作品内容、评论信息这些部分组成。由于作品内容是最关键的部分所以应居中设置。根据作品种类不同，内容中将会出现图片或文章，如图7。其他页面还有很多，不再赘述。
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user: 5. 总结与展望 在进行Web应用案例研究的时候，要注意不要将太难的题目布置给基础较差的同学，同样给基础好的学生布置的题目也不能太过容易，这都会打击学生的学习积极性。老师要结合学生的现有水平来提升学生的学习兴趣，因此多层次多级别的案例将大大的提升学习的效率，循序渐进的学会需要的知识。 图6. 首页设计稿 图7. 作品详情页设计稿
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user: 摘 要 本文以餐厨垃圾为原料，利用两相厌氧消化装置开展了厌氧消化工艺的实验研究。实验建立了四个进料浓度梯度，通过逐步提高进料料浆的浓度，研究了在不同进料负荷率情况下，厌氧消化系统的变化趋势，分析了进料负荷率与挥发性脂肪酸、氨氮浓度的变化关系。实验发现，当酸化相有机负荷率为22.65 kg VS/m 3 ·d，甲烷相有机负荷率为6.25 kg VS/m 3 ·d时，单位产气率最佳，可到0.551 m 3 /kg VS。实验发现，当有机负荷率从2.97上升至8.15 kg TS/m 3 ·d时，虽然单位产气率出现下降，但是厌氧系统的容积产甲烷率从1.61上升到3.91 m 3 /m 3 ·d。这对于商业运行的餐厨垃圾厌氧消化工程而言，容积产气率的上升，提高了每日进场餐厨垃圾的总量，增加了每日的沼气绝对产量，提升了沼气发电量或者提纯后天然气的总量，对项目的经济性有明显的改善。 关键词 :餐厨垃圾，两相厌氧消化，小试研究 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 2017年3月30日，《生活垃圾分类制度实施方案》正式出台。随着该方案的推进和实施，餐厨垃圾、厨余垃圾等易腐垃圾的厌氧消化处理成为环保行业的热点之一。餐厨垃圾厌氧消化技术利用了厌氧微生物的高有机负荷承受能力，实现了沼气这种可再生能源的回收利用。目前餐厨垃圾厌氧消化技术主要以两段法厌氧消化工艺与整体一段法为主。两段法把消化过程中的水解酸化阶段和甲烷发酵阶段分离开来，而一段法则整合了这两个阶段。由于餐厨垃圾极易酸化的特点，目前国内有不少商业运行的餐厨垃圾厌氧消化项目使用了两相厌氧工艺。 本文利用小试规模的卧式水解酸化罐、立式完全混合式甲烷反应器为实验装置，开展了餐厨垃圾两相厌氧消化工艺研究。在水解酸化阶段，利用餐厨垃圾自身富含的大量微生物为菌种，完成水解酸化阶段。水解酸化液随后进入立式完全混合型反应器进行甲烷化过程。为了充分掌握餐厨垃圾两相厌氧消化的工艺特点，本文通过建立调整进料负荷、停留时间，掌握了在小试条件下，餐厨垃圾水解酸化和甲烷发酵阶段的运行情况，为餐厨垃圾厌氧消化工程的设计工作提供了依据。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 实验材料 2.1.1. 餐厨垃圾与接种物 实验所用餐厨垃圾由某区环卫局负责收集，随后进行筛分、粉碎淬浆处理。首先利用振动筛对餐厨垃圾进行筛分，振动筛上下振幅1~2 cm、震动频率为800~1000次/分钟，筛孔直径为2~3 cm；对筛分除杂后的餐厨垃圾进行粉碎、淬浆。淬浆后的餐厨垃圾粒径约为1~3 mm。甲烷发酵接种物取自江苏某酒精厂，该厂利用木薯为酒精发酵原料，利用UASB塔厌氧污泥为甲烷发酵罐的接种物。餐厨垃圾和接种物的理化性质见表1。 Table 1 Characteristics of food waste and inoculu 参数 餐厨垃圾 接种污泥 TS (%) 17.60 ± 0.35 5.78 ± 0.42 VS/TS (%) 85.91 ± 1.27 63.66 ± 1.68 pH 4.68 ± 0.14 7.04 ± 0.27 总氮(%) 2.34 ± 0.08 0.42 ± 0.15 TCOD (g O 2 /kg) 211.79 ± 11.13 93.114 ± 4.36 表1. 餐厨垃圾和接种污泥理化性质 2.2. 两相厌氧消化产氢产甲烷系统 小试研究采用两相厌氧消化的模式运行，该系统由卧式水解酸化罐(总容积 0.45 m 3 、有效容积0.2 m 3 )和完全混合立式甲烷反应器(总容积 1.5 m 3 、有效容积1 m 3 )组成。该系统设置了两个缓冲罐用以短时间储存淬浆后的餐厨垃圾及水解酸化罐体的出料。进料时，先将餐厨垃圾投入缓冲罐，随后用蠕动泵将餐厨垃圾泵入水解酸化罐进行氢气发酵，水解酸化罐体的出料经螺杆泥浆泵抽入第二个缓冲罐，随后由泥浆泵泵入甲烷发酵罐进行后续的甲烷发酵。为了保持实验现场的安全工作环境，实验过程产生的氢气、甲烷未经燃烧供给罐体热量。卧式水解酸化罐和立式甲烷反应器的罐体表层设置了 5 cm 厚水浴层用以维持反应器的恒温。水浴层的温度控制在40˚C ± 2˚C，采用循环供热。水浴层与水浴锅相连，水浴锅内采用蒸汽加热循环水，利用温控装置控制恒温。水解酸化罐的转动由Siemens Micromaster Vector 42变频器控制，转速为6 rpm，采用间歇方式运行，间歇工作频率运行3 min，停止5 min。甲烷罐体的顶端中部设置了电动机，电动机与搅拌叶相连。甲烷反应器的搅拌速度为120 rpm，采用间歇方式运行。工作频率为运行3 min，停止5 min。除上述设备外，系统还配备了沼气气柜、湿式气体流量计、压力表、热电耦。 2.3. 测试方法 消化液中代谢产物分析指标包括：含水率(w， %)、总固体(TS， %)、挥发性固体(VS， %TS)、灰分(%TS)、pH、氨氮( -N， mg/L)、COD (mg/L)、挥发性脂肪酸(VFA)等 [ 1 ] 。 固形物采用烘干重量法测定。挥发性固体物利用马弗炉测定，将测定固形物后的恒重样品置于马弗炉内，温度550˚C，灼烧30 min。 pH值采用ZDJ-5型自动电位滴定仪测定；氨氮采用海能K9860型全自动凯式定氮仪测试；COD采用哈希DRB200自动消解仪消解，消解液由哈希DR1010光度计测定。沼气中甲烷浓度由德国Sensors甲烷分析模块(型号AGM1010)测定。 VFA由GC-2000III气相色谱测定，采用安捷伦FFAP毛细管柱(30 m × 0.53 mm × 1.0 um)，其中进样口和检测器(FID)的温度分别为200˚C和220˚C，氮气作为载气，流速为2 mL/min，炉温升温程序为：110˚C保持5 min，然后开始升温，升温速率为10˚C/min，到220˚C后保持2 min；需要测定的VFAs产物主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸(图1)。 2.4. 两相厌氧消化小试实验设计 2.4.1. 反应器的调试和初步工艺研究 两相厌氧消化小试研究设置4个有机负荷率，通过逐步提升进料量的方式进行实验，每个有机负荷率约持续运行30天。实验开始前首先进行水解酸化罐的启动。首先，将200 kg餐厨垃圾投入水解酸化 图1. 两相厌氧消化工艺流程图 罐内，利用餐厨垃圾自身所富含的微生物为水解酸化菌种，进行水解酸化反应。实验开始时，每日向水解酸化罐内投加20 kg餐厨垃圾，次日(24 h后)将酸化罐内底物排出20 kg，投入到已接种的甲烷发酵罐内进行厌氧消化处理。随后逐步将水解酸化罐进料量由20 kg/d递增到50 kg/d，甲烷发酵罐的给料量也相应从20 kg/d增加到50 kg/d (表2)。
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user: 4. 结论 1) OLR在2.94 kg TS/m 3 ∙d、4.61 kg TS/m 3 ∙d、6.28 kg TS/m 3 ∙d、8.15 kg TS/m 3 ∙d时，甲烷产率分别0.546、0.551、0.525 m 3 /kg TS、0.480 m 3 /kg TS。 2) 实验发现，水解酸化过程伴随着氢气的产生。因此如果在一段法中观察到较高浓度的氢气存在， Table 5 VS removal in methane fermentation reacto 给料负荷 (kg/d) 甲烷反有机负荷率应器(kgVS/m 3 ∙d) 甲烷反应器进料VS浓度(%) 甲烷反应器出料VS浓度(%) 甲烷反应器VS去除率(%) 20 2.94 11.77 5.98 50.82 30 4.61 12.29 6.14 49.94 40 6.28 12.56 6.45 51.39 50 8.15 13.03 6.57 50.42 表5. 甲烷反应器VS去除率 图5. 甲烷发酵过程中氨氮浓度与有机负荷率 图6. 水解酸化产氢过程中氨氮浓度与有机负荷率 则说明水解酸化过程进行的速率超过了甲烷化的速率，有可能随之产生VFA浓度上升、pH下降的现象，此时如果不控制有机负荷率，则极有可能出现整个罐体酸化的现象。 3) 实验发现，当有机负荷率从2.97上升至8.15 kg TS/m 3 ∙d时，虽然单位产气率出现下降，但是厌氧系统的容积产甲烷率从1.61上升到3.91 m 3 /m 3 ∙d。这对于商业运行的餐厨垃圾厌氧消化工程而言，容积产气率的上升，提高了每日进场餐厨垃圾的总量，增加了每日的沼气绝对产量，提升了沼气发电量或者提纯后天然气的总量，对项目的经济性有明显的改善。
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user: 摘 要 插入式电磁流量计工作原理是基于法拉第电磁感应定律，管道中气体、液体介质流经传感器探头时切割磁感线，引起磁感应电动势，因此探头周边流场的分布情况对流量计的测量结果会产生比较大的影响。文中采用Fluent流体仿真软件对电磁流量计传感器的多种几何模型进行仿真分析，观察传感器在流场中形成的高速绕流区域和边界层，研究传感器周边流场变化给电极带来的影响。提出将传感器的物理结构进行优化，将传感器的探头位置设计安装于传感器两边，并将圆柱体的物理结构模型改成椭圆型和椭圆水滴型。通过进一步建模仿真发现，椭圆水滴型传感器测量的信号强度更强、稳定性也较高。 关键词 :插入式电磁流量计，流场分析，圆柱绕流，椭圆模型，椭圆水滴模型 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 插入式电磁流量计通常包含传感器和变送器两部分。传感器主要是用来测量介质流动切割磁感线产生的感应电动势，并将其传输到变送器；变送器将此感应电动势信号进行放大，并将放大后的信号转换成可以直观检测到的标准输出信号 [ 1 ] 。 通常情况下，插入式电磁流量计探头普遍安装于底侧区域，但是这样设计的弊端是检测到的信号会比较微弱而不宜被检测到。文中提出将探头安装于传感器两侧，利用传感器两侧的绕流引起的高速流场信号来提高信噪比。普通插入式流量计传感器的外部形状是圆柱体，周围的绕流作用会使外部流场带来比较大的波动。本文先从优化传统插入式电磁流量计物理结构的角度出发，先进行理论推导分析，进一步提出了椭圆水滴型的物理外形。
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user: 2. 插入式流量计流场分析 2.1. 插入式流量计结构分析 传感器插入管道时，介质在流过探头时将产生绕流现象，传感器周围会有比较大的流场波动，电极测量到的信号稳定性差，波动大 [ 2 ] 。文中采用CFD技术对传感器的物理结构建模，分析传感器还有电极周边的流场分布情况，进而为选择最佳的传感器模型提供设计方案和依据。 通常，插入式流量计结构有以下两种设计模型，传感器外形都是圆柱体，主要区别在于电极的安置位置，一种是安置于传感器的两侧(以下简称结构I)，一种是安置于传感器的底端(以下简称结构II) [ 3 ] ，模型I、模型II分别如图1所示。 2.2. 插入式电磁流量计流场分析 文中采用Fluent流体仿真软件对传感器周边流场进行建模仿真，雷诺数Re = ρvd/μ，参数d、µ和v分表代表特征直径、运动粘度和流速，雷诺数如表1所示。 三维模型仿真结果不便于观测，并且要对模型内部的层面的计算结果进行观察，因此要创建一些内部面。利用Gambit构建仿真模型，重点观测电极所处区域周边流场 [ 4 ] 。 2.3. 模型I传感器流场分析 文中主要研究电极周围的流场分布情况，因为有圆柱绕流的影响，所以我们观测电极所在平面两侧 流场的变化情况。进口流速设定1 m/s，文中采用速度等值图来观测电极所处位置的流场的变化情况，传感器速度等值图如下图2所示。 Table 1 Inlet velocit Re 特征直径d (m) 运动粘度μ (Pa.s) 流速v (m/s) 2 × 10 4 0.02 10 -3 1 6 × 10 4 3 10 5 5 表1. 进口流速 图1. 插入式流量计模型I (II) 图2. z = 0.06 m流量计速度等值图 从图2可以发现，传感器周边产生圆柱绕流，雷诺数Re = 2 × 10 4 ，此时处于亚临界，传感器尾流变化成湍流态，边界层状态仍是层流态 [ 5 ] ，尾部有涡街现象产生。 由图2可以发现，水流流经流量计的时候，流量计周围的流场会受到圆柱绕流影响，两侧部分产生了高速流场，水流无法很好地贴合流量计后半段壁面流动，致使流速减小，在120˚时，边界层开始产生分离现象，产生“尾涡区”，这在一定程度上破坏了周围流场的稳定性，这时信号测量稳定性较差。 2.4. 模型II传感器流场分析 进口设定流速1 m/s，速度矢量云图如图3所示。 图3是圆管x轴方向平面图，从图5发现，水流受到传感器的阻挡，其流速方向改向传感器右下区域，右下侧部区域流速较高，而此时底面的流速较小，由图中可以明显发现在传感器背侧有较大涡流区域。将电极所处部分区域放大，速度等值图如图4所示。 从图4可以看出，虽然电极位置安装于底面，削弱了绕流作用的影响，但此时测量到的流场信号强度不强，引起传感器信噪比较低。 2.5. 模型I与模型II传感器对比分析 对比模型I与模型II仿真结果我们知道，这两种模型传感器各有优点和缺点。 模型I传感器的优点：由于绕流作用，探头此时检测到的信号强度较强；缺点：在距离探头较近的区域，传感器的边界层发生分离，电极周边流场产生了较大波动，探头检测到的信号稳定性较差、波动较大。 模型II传感器的优点：由于我们将探头安装于底侧，由于远离“尾涡区”，探头周围流场相对稳定 图3. x = 0.02 m平面矢量云图 图4. x = 0.02 m平面速度等值放大图 图5. 不同物体形状流场 些；缺点：从图3和图4我们可以发现，虽然传感器右下侧流场较高，但是在接近底面的区域流场速度不高，探头由于处在此流场，因此测量到的信号强度不如模型I强。 因此，上述模型的流量计不能够满足稳定性和信号强度的双重要求。目前常见传感器大都采用模型II设计，但当介质流速较低时，探头检测到的信号强度极其微弱，传感器信噪比将会受到较大影响。 文中计划采用模型I，即将探头安装于传感器两侧，利用圆柱绕流带来的高速流场，提高探头探测能力。但由于此时边界层有分离脱落现象，探头周边流场信号波动变化较大，稳定性不高。
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user: 3. 新型插入式流量计流场分析 模型I传感器探测信号不稳定，是因为探头的安装位置距离边界层分离点处较近所引起的，因为受到“尾涡区”的影响，探头周边流场波动较大，探头检测信号稳定性也不高。 较为有效的方法就是使传感器压差阻力减小，进而使边界层的分离点尽量向后推迟。绕流物体的形状对压差阻力有较大影响因素，为此文中从改变物体外形着手，来进一步研究怎样使压差阻力减小。 由伯努力(Bernoulli)方程可知，水流动能变化量的大小能够影响物体表面压强变化量，他们之间成正相关： (1) 等式左边 表示单位流体介质体积上压力的势能， 表示单位流体介质体积上动能，等式右边为常数 。 由于粘性力影响，介质流经物体表面时，物体表面介质速度会减小。流体在流到物体后半部分时，边界层会发生分离，进而产生涡流。而伯努利原理告诉我们，流体的动能与势能的和是一个定量，二者是反比关系，所以“尾涡区”的压力势能势必会降低，从而形成低压区。根据压差阻力公式(1)，物体压差阻力的决定性因素是物体与水流相互作用的最大横截面积，而压差阻力又被物体前后的压强差所直接影响，这个压强差也叫做压强梯度 [ 6 ] 。 为尽量降低压差的阻力，降低因物体后半部流动减速过快引起的流动分离，设计外形的时候，尽量让物体的后部流动速度缓慢降低，为此引出使物体得形状由圆柱变为前面圆后面尖的流线体，比如外形椭圆水滴状物体，水流能够较好地经过流线型物体的表面，而几乎没有涡流现象 [ 7 ] 。 流体的运动中，流线型的物体所受阻力很小，压差得阻力也很小，摩擦阻力主要控制绕流的阻力。 3.1. 椭圆水滴型电磁流量计流场分析 流线型主要有三类，卡克斯流线型、双半椭圆型与抛物线 + 半椭圆型。 分别对上面不同流线型用Fluent流体仿真软件进行仿真，流速不相同，雷诺数也不相同，不同的流线型的摩擦阻力和压差阻力关系图6如下所示。 综上分析知道，以上三种流线型当中，双半椭圆型与抛物线 + 半椭圆型流线体的压差阻力相对较小，所以分别选择双半椭圆型与抛物线 + 半椭圆型流线体来设计传感器的外形 [ 8 ] 。 (1) 由第一节结论可知，相比模型II的传感器来说，模型I传感器信号的探测强度更强，因此笔者计划将探头安装于传感器两边； (2) 通常情况下，传感器外部形状多为圆柱状，由于绕流作用的产生，探头后面将有涡街现象，进而引起探头周围的流场波动较大，探测信号也不稳定，所以笔者选用传感器外形的横截面是双半椭圆型的椭圆型柱体和抛物线 + 半椭圆型的椭圆水滴型柱体，尽量使传感器得边界层分离点往后边推迟，将探头处于稳定的流场中。与普通圆柱型比较，这两种流量计和流场流动贴合度较好。 由于传统圆柱型的插入式电磁流量计由于自身形状不可避免的会对所测流场产生一定干扰，电极检测到的信号不够理想，本文计划分析设计出一种信号探测强度较强，探测信号稳定的传感器，为此我们还要对双半椭圆型的椭圆型柱体和抛物线 + 半椭圆型的椭圆水滴型柱体模型进一步分析。 3.2. 椭圆水滴型电磁流量计建模仿真 用Fluent流体仿真软件模拟流场仿真，设定水流流速为3 m/s，对管道中流场的情况进行分析，由于探头安装在传感器两边，本文需要分析探头周边流场分布情形，所以我们选择z平面视图来观测传感器的两边流场分布。 由前面分析知道，模型I流量计：流量计的探头安装于传感器的两边，外部结构是圆柱形，为了更加方便的将模型I流量计，椭圆型流量计，椭圆水滴型流量计流场进行直观对比，三种流量计Fluent仿真图如图7，图8和图9所示。 图6. 湍流下压差阻力仿真 图7. 模型I流量计速度的等值图 模型I流量计：从图7可知，流量计两边引起高速流场，流速最大为5.17 m/s，边界层在120˚时产生分离，离探头后边不远处有“尾涡区”，“尾涡区”将引起不稳定的流场，此时探头位于高速、波动流场中。 图8. 椭圆型流量计速度云图 图9. 椭圆水滴型流量计速度等值图 椭圆型流量计：从图8可以发现，根据选取电极所在平面放大后的速度云图进行观察，可以看出，水流流经椭圆型流量计的时候，水流可以较好的贴合椭圆型流量计流动，“尾涡区”得到了很好的抑制，流量计前后部分的压差阻力较圆柱型流量计要减小很多，这就相对稳定了流量计周围的流场，所以将流量计模型制作成椭圆型能使其在流场中的稳定性更强。 椭圆水滴型流量计：从图9可以发现，流量计两边有高速的流场，流速最大值为4.57 m/s，边界层在145˚时产生分离，“尾涡区”尾迹逐渐变小。所以说，流量计外部形状变化使边界层的分离产生了推迟，探头也离“尾涡区”远了，此时探头处在高速且较稳定流场中。 将探头所处区域局部放大，观察模型I流量计和椭圆水滴型流量计的探头流场分布情况如图10，图11所示。 椭圆水滴流线型和流场流动贴合度较高，由图10与图11对比发现，椭圆水滴型边界层厚度相比较圆柱体边界层厚度而言，明显变得较薄，并且最大的流速范围也变宽了 [ 9 ] 。 模型I流量计：由图10发现，探头所处区域内的流场不太稳定，探头处在速度等值线是(4.90~5.16) m/s的范围，探头测量到的信号会有波动。 椭圆水滴型流量计：由图11发现，速度等值线位4.56 m/s处范围变大，将整个探头表面覆盖了，此时探头所测量到的信号稳定相对较好。 经过对比发现，相比普通圆柱型探头，椭圆水滴型流量计的探头测量的流场的信号强度变化不大，测量到的信号稳定变高，信号波动变小，信噪比得到了较大提升。
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user: 4. 结论 文中采用Fluent流体软件仿真分析了新型椭圆型和椭圆水滴型流量计的流场分布情况，并且分别将其流场分布情况与普通圆柱型流量计进行比较，主要进行了下面几点分析： 图10. 模型I流量计探头局部图 图11. 椭圆水滴型流量计探头局部图 (1) 采用Fluent流体软件对插入式电磁流量计的外部流场进行仿真分析，通过仿真可以直观地观察到流体速度的分布状况，通过对探头安装于流量计两侧以及底面不同的流场分布情况，分析比较了探头安装不同位置的优缺点。最终确定将探头安置于有较强流场信号的位置：即流量计的两边，使探头的检测信号强度有较大提高。 (2) 将圆柱型流量计探头伸入圆管后，流量计探头周围会产生圆柱绕流现象，促使探头检测信号引起较大波动。所以文中提出将流量计外部机构由圆柱改为椭圆型和椭圆水滴流线型，使压差阻力减小，边界层分离点尽量的后延，从而使探头处于较稳定的高速流场之中，进一步使探头检测到的信号稳定性提高。 分别将模型I流量计与椭圆型流量计和椭圆水滴型流量计流场分布的分析仿真图进行对比，我们发现椭圆水滴型流量计比模型I和椭圆型流量计测量信号的稳定性都要好，较好的分析了椭圆水滴型流量计设计的可行性。
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user: 摘 要 目的：分析烟雾浓缩物刺激下的Nrf2基因缺陷的小鼠脾脏淋巴细胞亚群百分比和腹腔巨噬细胞炎症因子变化，初步探讨Nrf2基因缺陷对烟雾浓缩物刺激下小鼠免疫反应的影响。方法：36只雌性C57BL/6 WT和Nrf2 -/- 小鼠随机分别分为两组；其中两组WT和Nrf2 -/- 小鼠连续饮用含DMSO溶解烟雾浓缩物的纯净水4个月；另两组小鼠饮用含等比DMSO的纯净水4个月。取小鼠脾脏，拍照，坏死评分；制备单细胞悬液，进行计数；采用流式细胞术分析脾脏淋巴细胞各亚群的变化。同时提取小鼠腹腔巨噬细胞，检测分析相关细胞因子的表达。结果：Nrf2基因缺陷促使了烟雾浓缩物刺激下小鼠脾脏肿大，并伴有坏死，降低了其脾脏总细胞数；增高了烟雾浓缩物刺激下小鼠调节免疫相关的脾脏T淋巴细胞和CD8淋巴细胞的百分比，同时能够降低B淋巴细胞；降低了CD4和CD8中央型记忆T细胞(T CM )或效应性记忆T细胞(T EM )的百分比，增加了效应T细胞(T E )；增强了多数炎症性细胞因子、集落刺激因子和趋化因子在小鼠腹腔巨噬细胞中的表达。结论：Nrf2缺陷增强了烟雾浓缩物激活的小鼠天然免疫和适应性免疫的应答。 关键词 :香烟烟雾浓缩物，Nrf2 -/- ，脾细胞亚型，巨噬细胞因子 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 在全球范围内，每年大约有600万人因烟草使用致死；并已有预测，按照当前使用烟草的趋势，从2030年起，至少有800万人因烟草致死。但是值得注意的是，大约85%的死亡是因暴露于二手烟 [ 1 ] 。吸烟能够产生多达6000种化学物质，除尼古丁外，还包括多环芳香烃、烟草糖蛋白和一些金属性物质等，其中许多能够引起细胞毒性、致突变或致癌，并且大多数是存在于香烟烟雾中。对于任何一个因吸烟而死亡的人来说，至少有三十个人受其影响罹患因吸烟而引起的疾病 [ 2 ] 。吸烟者拥有比正常人高2~4倍患冠心病和中风的几率，大约25倍患肺癌的几率。除了这些常见的疾病，吸烟也能引起肺炎、哮喘、类风湿性关节炎、视力低下、动脉硬化、生育能力低下以及增加的流行病患病几率等症状。大多数疾病是由吸烟产生的活性氧(ROS) [ 3 ] 、尼古丁 [ 4 ] [ 5 ] 和炎症反应 [ 6 ] 而诱导的。抽烟以多种方式影响着机体的免疫系统，许多系统性的慢性疾病是因持续性暴露于香烟烟雾化学物中间接引起的，从而导致机体因对抗由烟雾化学物引起的氧化应激和其它而产生炎症性的反应 [ 6 ] 。 核因子E2相关因子2(Nrf2)属于CNC亮氨酸拉链转录激活因子家族，广泛高度表达于机体的消化道、肺和皮肤等持续暴露于外环境中的器官以及肾脏、肝脏等代谢和解毒器官中。Nrf2/ARE信号通路，正常生理状态下，Nrf2通过与其抑制剂Keap1结合隐藏在细胞质中；在外界刺激作用条件下，Nrf2脱离Keap1进入细胞核，与抗氧化应激元件(ARE)结合，从而诱导一些抗氧化基因和解毒基因的表达，如血红素(HO-1)、超氧化物歧化酶(SOD)、NAD(P)H:醌氧化还原酶(NQO1)、谷氨酰半胱氨酸连接修饰酶(GCLM)和催化亚基(GCLC)，以合成谷胱甘肽(GSH) [ 7 ] [ 8 ] 。大量研究表明Nrf2参与多种疾病的发生，是迄今为止发现的最为重要的内源性抗氧化应激通路，能够诱导编码一系列抗氧化剂，保护蛋白促进细胞内氧化还原环境的调节，与抗氧化反应、抗应激、抗炎反应及细胞保护作用等有关 [ 9 ] 。Nrf2作为ARE的激活因子，是外源性有毒物质和氧化应激的感受器，能够调控细胞对抗外来有毒物质和氧化应激的损伤 [ 10 ] 。 过往研究表明，抽烟对人群的影响和个体的遗传背景有密切关系，其中Nrf2基因多态和抽烟可以协同影响人类的疾病发生 [ 11 ] [ 12 ] 。为了进一步阐明环境和遗传的协同机制，本研究拟利用烟雾浓缩物和Nrf2基因缺陷小鼠，观察外源性过氧化物刺激协调抗氧化信号通路的缺陷对小鼠的天然免疫和适应性免疫应答的影响，确定二者的协同作用，为抽烟等外源氧化物影响不同遗传背景的人群免疫反应提供实验依据。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 实验动物及分组 8~10周龄雌性SPF级C57BL/6小鼠36只，其中18只C57BL/6 Nrf2 -/- 小鼠是从美国缅因州巴尔港杰克逊实验室购买，此小鼠来源于129 × B6 F1背景，然后通过与C57B6/J种系杂交超过6代获得；18只野生型(WT)C57BL/6小鼠由广东省医学实验动物中心提供，动物合格证号：SCXK(粤)2003-0002。按随机数字表法将两种小鼠分别分为两组，共4组：WT、WT(+)、Nrf2 -/- 和Nrf2 -/- (+)，每组9只。所有的小鼠在中山大学实验动物中心SPF级饲养，WT(+)和Nrf2 -/- (+)两组小鼠饮用含有由DMSO溶解的香烟烟雾的纯净水4个月，终浓度为2 mg/ml；WT和Nrf2 -/- 两组小鼠饮用含等比DMSO的纯净水4个月。 2.2. 伦理学 本实验动物处置方法符合动物伦理学标准。 2.3. 烟草烟雾浓缩物(Cigarette Smoke Extract， CSE)的制备 硬双喜牌香烟1条和二甲基亚砜(DMSO)溶液1瓶。制备流程如下图1所示：每次取2只香烟插入过滤嘴连接的玻璃滴管外端，玻璃滴管低端浸到含DMSO的抽滤瓶中液面下，抽滤瓶另一端连接中和装置，以中和制备过程中产生的多余的烟雾，点燃香烟后利用开关调节负压抽吸速率，使烟雾能够缓慢通过DMSO溶液并让其充分溶解。重复多次操作，制备足量的CSE。待1条香烟烟雾经1瓶DMSO溶解后，测量香烟烟雾浓缩物的浓度。造模时使用浓度为2 mg/ml烟雾浓缩物的纯净水饲养小鼠。 2.4. 组织病理形态学观察及淋巴细胞亚群分析 2.4.1. 脾脏观察 小鼠饲养至6个月大时，取脾脏，观察脾脏形态变化并拍照；对脾脏坏死进行评分，评分标准：0， 图1. 烟草烟雾浓缩物的制备装置 无坏死；1) 轻微坏死(<1/8个脾脏)；2) 中度坏死(≥1/8个脾脏，<1/4个脾脏)；3) 严重坏死(≥1/4个脾脏)。 2.4.2. 细胞计数 取脾组织制备单细胞悬液，用磷酸盐缓冲液(PBS)定容至50 mL后进行细胞计数。 2.4.3. 脾脏淋巴细胞亚群流式检测分析 制备适当浓度脾单细胞悬液，采用抗小鼠藻红蛋白(PE)标记TCRβ+、异硫氰酸荧光素(FITC)标记B220+、(PE-cy7)标记CD4+、藻青蛋白(APC)标记CD8+、(PE-cy5)标记CD44+和(PE-CF594)标记的CD62L+的抗体对细胞进行直接染色，应用流式细胞仪获取细胞，Flowjo7.6软件处理数据，分析TCRβ+(T细胞)、B220+(B细胞)、TCRβ+CD4+(CD4 T细胞)、TCRβ+CD8+(CD8 T细胞)、CD44-CD62L-(T E 效应T细胞)、CD44+CD62L-(T EM 效应记忆T细胞)、CD44+CD62L+(T CM 中央型记忆T细胞)、CD44-CD62L+(T N 初始T细胞)在不同组实验小鼠脾脏中的变化。这些抗体购自美国eBioscience和BD公司。 2.5. 腹腔巨噬细胞的提取和激活培养及其细胞因子相对mRNA水平的检测 2.5.1. 小鼠腹腔巨噬细胞的提取和激活培养 无双抗RPMI1640培养基腹腔冲洗巨噬细胞，离心，弃上清。先用RPMI1640完全培养基于24孔板上37˚C CO 2 培养箱中培养细胞，细胞贴壁4 h；然后用含5 mg/ml细菌脂多糖(LPS)的RPMI1640完全培养基于37˚C CO 2 培养箱中激活培养48 h。 2.5.2. 细胞因子相对mRNA水平的检测 巨噬细胞激活培养48 h时，收取细胞，每个样本加入1 ml购自美国Invitrogen™的TRIzol提取总的RNA。先用购自日本的PrimeScript™ RT试剂盒将总的RNA逆转为cDNA，然后用购自中国北京Takara公司的SYBR Green Master Mix以cDNA为模板，在细胞因子引物下检测相应细胞因子相对mRNA的水平。 2.6. 统计学分析 所有数据以均数±标准差(x ± s)表示，采Graphpad Prism5统计软件进行分析和作图，组间差异采用t检验进行比较，P < 0.05认为有统计学意义。
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user: 3. 结果 3.1. 脾脏坏死评分及细胞计数(图2) 小鼠6月大时，WT和Nrf2 -/- 两组小鼠脾脏无明显差别；Nrf2 -/- (+)和WT(+)两组小鼠脾脏相对其它两 图2. 4组小鼠脾脏坏死实图(a)、脾脏坏死评分(b)和脾脏细胞数(c)的比较。注：(a)图为一次实验中随机选取的小鼠脾脏；(b)图的评分标准在材料与方法中的展示。 * p < 0.05; ** p < 0.01; *** p < 0.001 组略微增大，Nrf2 -/- (+)组增大较为明显(a)。Nrf2 -/- (+)和WT(+)两组小鼠脾脏均有明显坏死，但Nrf2 -/- (+)组小鼠脾脏坏死评分显著高于其它三组组小鼠(b)。由于Nrf2 -/- (+)组小鼠脾脏坏死较为显著，即使脾脏明显增大，其细胞数相对于Nrf2 -/- 小鼠组显著降低(c)。 3.2. Nrf2基因缺陷对烟雾浓缩物激活的小鼠调节免疫的影响(图3) 小鼠6月大时，取其脾脏细胞进行染荧光抗体流式检测分析(a)。Nrf2 -/- (+)组小鼠脾脏T淋巴细胞和CD8+ T细胞的百分比显著高于Nrf2 -/- 组小鼠，相对于WT(+)小鼠略微增高，但无显著性差异；Nrf2 -/- (+)组小鼠脾脏CD4+ T细胞相对于其它三组均无明显变化；Nrf2 -/- (+)组小鼠脾脏B淋巴细胞百分比相对于Nrf2 -/- 组小鼠也有所下降(b)。 3.3. Nrf2基因缺陷影响着烟雾浓缩物刺激的小鼠脾脏CD4和CD8 T细胞亚群的变化(图4) CD4和CD8初始T细胞在四组小鼠中无明显变化(a)和(b)。Nrf2 -/- (+)小鼠组CD4+ T细胞来源的中央型记忆T细胞和效应记忆T细胞的百分比相对于Nrf2 -/- 小鼠组略微下降(A)；Nrf2 -/- (+)小鼠组CD8+ T细胞来源的中央型记忆T细胞百分比相对于Nrf2 -/- 小鼠组显著性降低(b)；与此同时，Nrf2 -/- (+)组小鼠脾脏CD4和CD8效应T细胞百分比显著高于Nrf2 -/- 组(a)和(b)。 3.4. Nrf2基因缺陷对烟雾浓缩物激活的小鼠初始免疫的调控作用(图5) 应用Q-PCR技术检测细胞因子在巨噬细胞中的表达。促炎症性细胞因子IL-1β相对mRNA的水平在Nrf2 -/- (+)组小鼠巨噬细胞明显高于其它三组；肿瘤坏死因子α(TNFα)的表达也明显升高(a)。粒细胞集落刺激因子(G-CSF)和粒细胞/巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)在Nrf2 -/- (+)组小鼠巨噬细胞中的表达水平明显升高；趋化因子MIP-1α、MIP-1β和RANTES在Nrf2 -/- (+)组小鼠巨噬细胞中的表达水平也明显升高(b)。