人类现在和未来对微生物的利用

5　人类现在和未来对微生物的利用

知识导航

微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物、显微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活关系密切。微生物千姿百态：有些是腐败性的，即引起食品气味和组织结构发生不良变化；有些微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂；有些微生物是有益的，它们可用来生产如奶酪，面包，泡菜，啤酒和葡萄酒。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。

人类对微生物的利用非常早。我国在利用微生物方面，更有着丰富的经验和悠久的历史。公元前3世纪，在《吕氏春秋》里就有“仪狄作酒禹饮而甘之”之说。

仪狄作酒

19世纪后期，巴斯德在酿酒、蚕病及狂犬病疫苗方面发展了微生物生理学及其应用以来，由病原微生物改造制成的预防疾病的疫苗是微生物对人类最突出的贡献。

1929年，弗莱明在进行细菌培养时，偶尔观察到青霉菌周围有明显的抑制金黄色葡萄球菌生长的“抑菌圈”，从而发现了青霉素，开创了抗生素研究的时代。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。

随着社会经济发展的需要，人们不断加强对微生物的研究，已形成了许多微生物学的分支学科。例如有普通微生物学、微生物生理学、微生物遗传学；有病毒学、细菌学、真菌学；还有土壤微生物学、海洋微生物学；再有医学微生物学、工业微生物学、农业微生物学等，所以，微生物学的发展历史是辉煌的。

随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。

在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，而微生物基因组研究又是其中的重要分支。

弗莱明

知识放大镜

现代科技的发展，使我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。这不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品，包括：接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂，等等。通过基因工程方法的改造，全面促进微生物工业时代的来临。

工业微生物是从来源于自然界大量的微生物中分离并筛选出有用菌种，再加以改良，贮存待用于生产的微生物。通常在发酵过程作为活细胞催化剂。涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。

例如，通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等；某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗衣粉等的添加剂；另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。

皮革

蒸馒头先经过发酵

发酵工业产品在世界经济中占有相当重要的地位。由于控制有害微生物每年可避免成百亿元的损失。当前的主要问题是尽快采用先进的生物工程技术改造微生物，生产出更多的新产品；把传统的发酵工业和近代的新技术紧密结合起来，使传统产品的生产现代化。

乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。

对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动现代生物技术的迅速发展。

农业微生物：磷细菌能分解含磷的有机物成为植物易于吸收的磷酸盐；硅细菌能分解土壤里的硅酸盐，分离出植物可吸收的钾现在人们制成微生物肥料，施到地里，能提高土壤肥力，可增加粮食产量。

经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物。

借鉴已经较为成熟的从人类病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案，可以尝试性地应用到植物病原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类，除了杀虫剂能阻断其生活周期以外，只能通过遗传学研究找到毒力相关因子，寻找抗性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固氮关键基因提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。

杀虫剂

知识扩展

生物除污潜力巨大

面对全球环境的一再恶化，提倡环保成为全世界人民的共同呼声。人们也越来越认识到微生物的新陈代谢能力及其与有机和无机物质的相互作用可以用来处理有害的污染。微生物在生物处理法中的用途，也越来越广。

生物除污在环境污染治理中潜力巨大，微生物参与治理则是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有机物；还能处理工业废水中的磷酸盐、含硫废气以及土壤的改良等。微生物能够分解纤维素等物质，并促进资源的再生利用。

人类对微生物的利用已有几千年的历史，现代微生物学也经历了一个多世纪的发展，20世纪80年代初，生物除污技术开始在一些国家推广，实践证实，这项新技术具有重要的应用前景。到了20世纪80年代末，生物除污已进入商品化，各种成套生物除污设备成为热门商品。

但至今，为人们所认识的微生物种类仍仅占自然界中微生物总数的1％～5％，人类生产和生活中开发利用的则更少。因此，微生物可能是地球上最大的、尚未有效开发利用的自然资源。