2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子科学与工程在城市环境中的作用

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子科学与工程在城市环境中的作用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填入括号内）1.下列哪种分子材料因其高度可调的孔道结构和巨大的比表面积，在吸附分离城市空气中的挥发性有机化合物（VOCs）方面表现出显著优势？A.普通活性炭B.石墨烯C.金属有机框架（MOFs）D.蒸汽发生器2.在城市水体中检测微量的重金属离子（如铅离子Pb²⁺），以下哪种分子传感技术利用了特定的生物分子（如抗体或核酸适配体）与目标离子高选择性地结合，并引起可测量的信号变化？A.电化学传感器B.光纤传感器C.生物传感器（免疫传感器或适配体传感器）D.压力传感器3.用于城市废水处理中的某种纳米铁颗粒，其主要环境友好型优势在于其能够通过什么过程将有机污染物降解为无害或低害的小分子物质？A.物理吸附B.光催化氧化C.还原反应D.共沉淀4.分子印迹技术制备的“分子印迹聚合物”能够特异性地识别和结合环境样品中的目标污染物分子，这主要依赖于其内部存在的与目标分子结构complementary的“印迹孔道”。这种印迹孔道的形成是基于什么原理？A.共价键合B.非共价键合（如氢键、范德华力、疏水作用等）C.离子交换D.金属配位5.在城市土壤修复中，利用植物修复技术（Phytoremediation）时，植物体内的某些酶（如超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD）能够催化降解土壤中的有机污染物。这类酶的利用体现了分子科学与工程在环境领域中的哪个方面？A.分子吸附B.分子传感C.生物催化D.纳米过滤6.将分子自组装技术应用于构建城市空气过滤器时，可以制备出具有特定孔径和表面化学性质的薄膜材料。以下哪种自组装策略常用于构建具有高孔隙率和可调表面性质的材料？A.聚集诱导发光分子自组装B.超分子聚合物刷自组装C.磁性纳米粒子自组装D.基于DNA碱基配对的自组装7.城市交通尾气是PM2.5的重要组成部分。利用负载型金属氧化物纳米颗粒（如负载在氧化铝或活性炭上的钛酸钠NaTaO₃）作为催化剂，可以在较低温度下将尾气中的氮氧化物（NOx）转化为氮气（N₂）和二氧化氮（NO₂）。该转化过程属于哪种分子水平的转化？A.吸附-脱附过程B.光化学反应过程C.催化氧化还原反应过程D.物理凝聚过程8.环境DNA（eDNA）技术通过检测水体或土壤样品中溶解的微量DNA片段，来评估特定生物物种的存在和丰度。这项技术在城市生态监测（如评估城市河道生物多样性）中的应用，体现了分子科学与工程在环境监测中的哪一特点？A.高灵敏度B.高特异性C.快速实时D.操作简便9.下列哪项不属于利用分子工程技术构建的环境友好型材料？A.可生物降解的聚乳酸（PLA）塑料B.具有高选择性吸附污染物的分子印迹树脂C.用于城市供水深度处理的纳米滤膜D.利用基因工程改造的植物用于土壤重金属修复10.鉴于城市水系中可能存在的抗生素抗性基因（ARGs）扩散风险，研究者尝试利用特定的分子探针或引物，通过PCR等技术从环境样品中特异性地扩增和检测ARGs。这项工作的核心科学基础是？A.分子吸附固定技术B.基因分子识别与扩增技术C.纳米传感技术D.生物催化转化技术二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填入横线处）1.分子筛是一种具有精确均匀孔径的________材料，常用于分离________和________以及分子蒸馏等过程。2.在城市环境监测中，电化学传感器因其________、________和________等优点，在实时在线监测污染物方面得到广泛应用。3.纳米材料独特的________、________和________等尺寸效应，使其在提高环境污染物去除效率方面具有巨大潜力。4.利用________技术，可以制备出对特定环境污染物具有高度选择性的识别位点，如同分子“锁”一样。5.分子印迹聚合物（MIPs）的识别位点主要来源于________分子和________分子与印迹分子在特定环境中形成的稳定复合物。6.生物修复技术中，利用基因工程技术改造微生物，使其能够更高效地降解________污染物，是增强环境修复能力的重要途径。7.MOFs材料由于其结构上的孔道和笼状结构，可以同时实现污染物的________和________两种分离机制。8.城市环境中，PM2.5不仅颗粒本身具有毒性，其表面吸附的________和________等物质也是重要的健康风险来源。9.分子传感器的设计往往基于一种特定的________原理，即目标分析物与传感器发生作用后，会引起传感器响应信号（如电信号、光信号等）的可测量变化。三、简答题（每题5分，共15分。请简要回答下列问题）1.简述一种基于纳米材料的城市空气PM2.5检测传感器的可能工作原理。2.比较分子吸附技术和生物修复技术处理城市废水时，在作用机制和环境友好性方面的主要区别。3.简述分子印迹技术在城市环境样品前处理（如水中微量污染物富集）中发挥作用的基本步骤。四、论述题（10分。请就以下问题展开论述）结合分子科学与工程的知识，论述一种新兴的分子技术（如环境DNA、宏基因组学、智能响应材料等）在解决当前城市环境面临的某一具体挑战（如城市水体生物多样性评估、微塑料污染监测与去除、城市室内空气品质智能调控等）中的潜在应用价值、面临的挑战及可能的未来发展方向。试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.B5.C6.B7.C8.B9.A10.B二、填空题1.无机；气体；液体2.灵敏度；选择性；抗干扰性3.小尺寸效应；量子尺寸效应；表面效应4.分子印迹5.有机；无机6.难降解有机7.吸附；分离8.重金属；挥发性有机物9.识别三、简答题1.答案要点：纳米材料（如纳米金、碳纳米管、氧化物纳米颗粒）具有高比表面积和表面效应。将其与特定的识别分子（如抗体、适配体、核酸适配体或功能分子）结合，构建成传感器识别元件。当目标PM2.5颗粒或其成分与识别元件结合时，会引起纳米材料自身的物理化学性质（如导电性、光学性质、磁学性质等）发生可测量的变化。通过检测这种变化，即可实现对PM2.5或其特定组分的检测。例如，利用纳米金标记的适配体捕获空气中的特定挥发性有机物，通过测量纳米金聚集后颜色或表面等离子体共振峰位的变化来检测。解析思路：考察对纳米材料特性、分子识别元件原理以及两者结合构建传感器的理解。需说明纳米材料的角色（基础）、识别元件的作用（特异性捕获目标）、信号产生的机制（物理化学性质变化）以及最终的检测方式。2.答案要点：作用机制不同：分子吸附技术主要利用材料（如活性炭、MOFs、树脂）表面的物理吸附或化学吸附作用，将污染物从环境中吸附固定；生物修复技术则利用微生物（天然或基因工程改造）的代谢活动，将污染物作为营养物质进行降解或转化。环境友好性不同：理想的分子吸附材料应易于回收和再生，吸附过程通常不产生二次污染；生物修复技术利用生物自身的代谢过程，通常过程条件温和，环境友好性好，且能同时处理多种污染物，但处理效率可能受环境条件影响较大，且某些微生物代谢产物也可能存在风险。解析思路：考察对两种不同技术处理污染物的核心原理和环境影响特征的理解。需分别阐述两者的作用方式（物理化学vs生物代谢），并比较其在环境友好性（如二次污染、可持续性、处理范围）方面的优劣。3.答案要点：首先，将目标污染物分子（印迹分子）与功能单体、交联剂在模板存在下进行聚合反应，形成包含印迹孔道的聚合物网络。然后，通过解吸剂将印迹分子从聚合物中去除，留下永久性的、与印迹分子结构互补的孔道。最后，将环境样品（如水样）通过填充有MIPs的柱子或膜，样品中的目标污染物分子会因分子识别作用被特异性地吸附到MIPs的印迹孔道中，而其他非目标分子则流走，从而实现目标污染物的富集或分离。洗脱后，可对吸附的目标污染物进行分析检测。解析思路：考察对分子印迹技术基本流程的理解。需按时间顺序描述关键步骤：聚合（形成印迹结构）、脱模（形成可用识别位点）、应用（选择性吸附目标物）、后续分析（检测目标物）。强调分子识别是核心原理。四、论述题答案要点：（以下选择“环境DNA在评估城市河道生物多样性中的应用”为例展开论述）潜在应用价值：分子标记（DNA）具有高度的物种特异性，环境DNA（eDNA）是指从环境样品（水、土壤）中检出的微量游离DNA，通常来源于生物体的代谢释放。利用eDNA技术，可以通过检测城市河道水体中的特定物种DNA片段，来推断该物种是否存在于河道中，从而实现对水体生物多样性的快速、非侵入性评估。这可用于监测城市扩张对河流生态的影响、评估水利工程对生物迁移的影响、早期发现入侵物种等。相比传统的采样和鉴定方法，eDNA技术更高效、成本相对较低，且能覆盖更广阔的区域。面临的挑战：1.eDNA浓度极低：环境样品中目标物种eDNA浓度通常非常低，需要高灵敏度的PCR或数字PCR等检测技术。2.干扰物质多：环境样品中存在大量非目标DNA（微生物、其他生物）以及抑制PCR反应的物质，需要有效的样品前处理和PCR优化。3.种间DNA相似性：亲缘关系较近的物种DNA可能存在相似性，导致鉴定困难。4.丰度与实际生物量关系：eDNA浓度与生物体实际丰度或密度之间的关系可能受多种因素影响（如代谢速率、环境降解速率、采样位置等），需要建立可靠的定量模型。5.数据库和鉴定困难：需要建立全面的物种eDNA序列数据库，且对于未知或新种鉴定存在挑战。未来发展方向：1.提高检测灵敏度与特异性：开发更先进的检测技术（如纳米酶标记、微流控芯片）和引物设计策略，以克服干扰，提高检测精度。2.样品前处理技术创新：研发更高效、自动化的eDNA提取纯化方法，去除环境抑制剂。3.建立标准化流程与数据库：制定统一的采样、处理、检测和分析流程标准，建立更大规模的物种eDNA参考数据库。4.结合其他技术：将eDNA技术与其他环境监测技术（如遥感、传统采样）结合，进行数据互补和验证。5.探索宏组学应用：开展环境DNA宏组学（metagenomics）研究，一次性评估多个物种的群落结构，更全面地了解城市河道的生