微生物与工业生产

微生物与工业生产

在制作红茶菌的过程中，表面上会形成一块乳白色的菌膜。这块菌膜是红茶菌中的主角——胶醋酸杆菌。它能把培养液中的葡萄糖，巧妙地编织成纤长、强韧的纤维素而形成菌膜。如果把一块刚形成的菌膜干燥，它的样子酷似一张洁白的滤纸，质地柔软，比一般的纸要好得多。

这种细菌纤维素的纤维长，质地坚实，比棉麻纤维有过之而无不及。而且微生物繁殖速度快，数量多，大量培养它们就可以大量生产细菌纤维。美国的北卡罗来纳大学的布朗教授发现，如果把一种纺织、造纸工业广泛使用的荧光增白剂滴入杆菌培养基里，杆菌就会受到刺激，从而使更多束的微细纤维合并在一起，变得粗些，并且生产速度也会比正常速度快三倍。这种纤维比天然棉花的纤维长，因此织出的布会更结实些。

现在，布朗已经借助细菌“收获”了第一批“棉花”。但是，由于杆菌要用葡萄糖培养，所以目前这种“棉花”价格还比较昂贵，尚不能与天然棉花竞争。

为了解决这个问题，布朗着手应用基因工程，人工拼接到蓝绿藻的基因上。由于蓝绿藻能直接利用阳光制造自己需要的养料和葡萄糖，因此，它生产的“棉花”，造价肯定会低廉些。布朗预料，不久的将来，廉价、漂亮的特种“棉花”将源源不断地从工厂里生产出来，用它制成的衣服既艳丽柔软，又结实耐穿。

石油，是重要的能源和化工工业的原料，它在工农业生产中起着举足轻重的作用。然而，由于长期的开采，贮量下降，许多矿井用常规技术已不能开采而被废弃。但事实上，地下油层60%为粘滞性强的油，常规开采对这部分油束手无策，只有白白地任其报废。

过去，原油开采，在原石油气压下，一次采油只能采出存油的10%～20%，二次采油是加水或蒸汽加压后进行的，也只能采出30%，而还有近60%的贮油不能采出。如何才能把这部分油采掘出来呢？科学家们想尽了办法，最后他们把注意力集中到微生物上来，因为许多微生物能把长链烃降解为短链烃，使石油粘滞性减小，气压增加，从而可以提高出油率。因此，利用微生物可以第三次采油。

美国在得克萨斯州一口40年井龄的油井中，加入糖蜜和微生物，然后密封。经微生物发酵后，井内气压上升，结果出油率比原来提高4倍，澳大利亚科研人员经过10年努力也开始利用细菌采油，使油井产油量增加50%，英国人也作了这方面的尝试。使用微生物采石油可以使油井产量明显提高。1981年美国利用微生物技术多生产2000万桶的原油，价值达6亿美元。1989年原苏联《能源》杂志介绍了他们开发的利用微生物采油的新方法，这种方法是在钻井过程中，给油层注入细菌，改善水的排油性能，从而提高原油的流动性，使出油率提高。

20世纪80年代初，美国最高法院接到了一份不同寻常的诉讼状，其内容令法官们颇感棘手。

原告美国通用电力公司是一家著名的企业，被告专利局则是政府机构。

诉讼的原由是：通用电力公司用基因工程研制出一种细菌，这种细菌胃口奇大，能高速度清除海面石油污染，有较高的利用价值。通用电力公司为这种细菌向专利局申请专利。专利局认为这种细菌只是一种生物，没什么专利可言，从来没有这方面的先例。通用电力公司则据理力争，说这种细菌是经过DNA重组后培养出来的基因工程菌，是一种彻头彻尾的新菌种，其商品价值应该获得专利保护，不容许别家企业随意使用。双方各执一词，相持不下，最终官司打到了最高法院。

这场官司折腾了一年之久，最后以有利于原告的裁决告终。社会各界人士对这场官司的关注倒不在于谁家胜诉，因为官司本身的内容是意义深远的。它使人们确确实实地感受到，基因工程菌在各个生产领域都有用武之地，几乎无所不能。基因工程将对传统的生产方式、传统的工艺流程和传统的思想观念发起铺天盖地的冲击。

拿石油开采来说，以前油井开采到一定程度就要报废，成为废井，废井里倒不是没有原油了，而是剩下的原油含蜡比较多，很粘稠，不容易开采。针对这种情况，美国科学家研制出一种喜欢“吃”蜡的基因工程菌。把这种工程菌投放到废井里，它们就像“老鼠跳进米缸”一样，欢天喜地，一边大量吃蜡，把蜡分解掉；一边高速繁殖后代，前仆后继地完成吃蜡的任务。用不了多长时间，剩下的原油就变稀了，容易开采了。这样，“废井”获得了新生，又会奉献出一批原油。这种基因工程菌不仅研制成了，而且已经大量投入生产，每年都能创造出很可观的经济效益。

微生物在石油开采中的应用范围是比较小的，但微生物在化工工业中应用却极为广泛。

我们知道，酒精这种重要的工业原料和溶剂过去一直是用微生物发酵法来生产的。20世纪50年代由于石油工业的发展，用石油裂解法制造酒精简便而低廉，因而很快取代了发酵法。但由于近几年来，石油资源枯竭日紧，油价上涨，又导致人们把兴趣转移到发酵上来。现在，就我国而言，年产酒精120万吨，其中90%是发酵法所产生的。

不仅酒精可以用微生物发酵来生产，其他许多的化工产品都可以用微生物来生产。如甲醇、丙酮、醋酸、环氧乙烷、环氧丙烷、甾体甘油、脂肪酸、柠檬酸、乳酸、氨基酸以及某些高聚合物如聚烃基丁酸酯、生物塑料等等，可以说，微生物发酵产生化工产品大有取代现在的石油化工工业之势。而且，微生物发酵的产物对环境不会造成污染，而现在的许多石油化工产品已产生了公害。典型的例子就是塑料和合成橡胶，这些化工产品很难降解，而微生物产品则不同。现在许多国家的科学家都在寻找塑料和合成橡胶的微生物替代品。生物塑料便是这类替代品。

生物塑料是微生物及有些植物产生的一种高分子物质。用这种高分子物质所制成的塑料具有与现在广泛使用的塑料一样的强度和韧性，但它们能溶于水，也容易被微生物所降解，不会造成污染。现在，世界上许多国家，如美国、英国、意大利、日本及我国的台湾地区都在竞相开发这种产品。

不仅如此，其他的许多化学工业如造纸、工业酶，甚至化妆品都可以用微生物来参与生产。

在泥泞的沼泽或水草茂密的池塘里，生活着无数爱“吹”气泡的微生物，名叫甲烷菌。

甲烷菌是一种厌氧的微生物，在极度缺氧的沼泽和水塘底部，甲烷菌可轻松愉快地生活。它们的食性很杂，杂草、树叶、秸秆、动物粪尿乃至垃圾都被它们认为是美味佳肴，在吃食的同时，甲烷菌会放出一种名叫沼气的气体。

沼气是一种混合气体，这种气体的主要成分是甲烷，甲烷是一种可以燃烧的气体，它的蓝色火焰可以达1400℃的高温。另外还有氢气、一氧化碳、二氧化碳等。沼气是廉价的能源，用于点灯做饭，既清洁又方便，是一种理想的气体燃料。

现在世界上多数国家都面临能源紧缺的问题，而甲烷菌的特殊功用为人们带来了新的希望。国外有许多工厂使用沼气做燃料开动机器，我国也有不少地方兴建了沼气池，制取了沼气用来代替电和煤炭，发挥了很大的作用。沼气池中甲烷菌食过的残渣，含有氮、磷、钾等庄稼地里的上等肥料，肥效比一般农家肥还高。所以利用甲烷菌制取沼气，开辟新的能源、肥源，使用前景将十分广阔。衣服上的汗迹、油滴、血迹主要是蛋白质、脂肪粘在纤维上，很难洗去，如果用加酶洗衣粉来洗，这些污渍就会很快除去。这种洗衣粉的奥妙就在于它含有一种叫做蛋白酶的物质。

蛋白酶是至今发现的二千多种酶的一种，它是具有非凡功能的生物催化剂，蛋白酶的专长是能够水解蛋白质，且速度和效率极高。

现在人们多利用微生物来生产蛋白酶，如放线菌、细菌和霉菌在生长繁殖和新陈代谢中都能产生蛋白酶。

蛋白酶不仅在家庭洗衣中是去污能手，在制革生产中的作用也是非凡的，因为它能破坏毛囊使毛脱掉，比用灰碱法脱毛的皮革强度高，纹粒细，绒毛紧密均匀，而且工序周期短，成本低，用后的废水还可以肥田。同时还改变了灰碱法制革污染环境的弊端。此外，蛋白酶还可作为药品来治疗消化系统的疾病，能有效地治疗胃疼、食欲不振、腹泻。目前，人们对蛋白酶的使用更为广泛，在许多行业中，蛋白酶都表现出卓绝的才干。微生物在采矿业的作用也越来越被人们所重视。

由于人们大量的开采，许多富矿都被开采殆尽，留下不少贫矿和尾矿，这些矿品位很低，采用一般的火法冶炼在经济上是不合算的。虽然这些贫矿、尾矿品位低，但它们总量极大，各种金属贮量远超过已开采的高品位矿。因此，开发前景还是很大的，但是，如何来利用这些矿呢？科学家发现，自然界中生活的一些细菌可以浸出许多种金属，如氧化硫硫杆菌、氧化硫铁杆菌等，它们能将铜、钴、镍、锰从矿石中浸出，甚至能将黄金、铀从矿石中“挖”出来。

微生物冶金，就是利用细菌的直接、间接作用，对矿石、废水甚至海洋中的有用金属进行浸出和回收的过程。下面我们就来分别介绍这几方面微生物冶金的情况。随着现代工业的发展，许多含量丰富的高品位矿不断消耗，贫矿、尾矿日益增多。这些贫矿和尾矿如果弃之不用，就浪费了不少很有用的金属，十分可惜；可是如果设法从中提炼，又要耗费大量能源，污染也很严重。怎么办呢？随着生物工程的深入发展，利用有特殊本领的微生物及其代谢产物作为浸矿剂，可以把矿石、矿渣中的有色金属溶解并浸出。这一工艺的奥秘是这样的：矿石中的金属，被微生物作用后产生的硫酸和高铁盐溶解，甚至是细菌牢牢地吸附在有色金属上，和它结合在一起，把这些金属从矿石中分离出来。现在生产中所用的细菌主要是硫杆菌家族中的个别细菌，用这类细菌来浸铜，早已为各国所采用。美国用这种办法回收的铜占到总产量的15%。目前，美国、加拿大、日本、澳大利亚、英国、联邦德国、南非、印度、俄罗斯等许多国家都在积极进行细菌冶金的研究和生产，细菌浸出的金属已有铜、铀、钴、镍、砷等十多种，但大规模的生产还只限于铜和铀。铀的浸沥工艺比较特殊，采用的是原位开采——不是把铀矿挖到地面上来，利用菌液浸渍，而是把菌液经地下井浸滤金属，再将液体抽回到地面，回收金属。这种“地下液体冶金”的方法，最早应用于加拿大铀矿，而且是偶然发现的。1960年，加拿大的一个铀矿开采两年之后，发现天然地下水中有大量溶解的铀，结果，1962年一年中，他们从这种地下水中回收到的氧化铀竟达到了1．3万公斤。这种工艺还有一个优点，就是对地表面的破坏最少，成本也较低，对深层的或含量少的矿石开采起来也很容易。回收铜的方法一般是地表堆集法。这种方法浸出铜的周期比较长，但浸出规模非常大，可达几十亿吨，经济效益很明显。美国在矿山山谷兴建的堆浸设施，可以容纳40亿吨矿石，回收价值上百万英镑的铜；世界上的20个大矿山，每年用细菌浸出的铜可达数十万吨！铀矿的浸出虽不像铜那样广泛，但由于核电站的需要，许多国家的采矿公司积极从贫铀矿、废铀矿中回收铀。从1977年起，加拿大每天要用细菌法处理铀矿3000吨。在国际原子能机构协助下，英、美、加等国组成了国际性科研协作组，分工开展研究工作。美国还有七十多亿吨硫化矿床，平均含镍0．2%，采用细菌浸出方法后，不但可以回收价值600亿美元的镍，还能回收四亿磅钴，价值100亿美元。利用微生物浓缩废水中的金属也是件一举两得的事情。第一可以回收金属，物尽其用；第二可以消除金属造成的污染。微生物为什么会浓缩废水中的金属呢？原来，微生物能使金属结合在自己的表面，再进入细胞内，越吸越多，自然就起到浓缩的作用了。美国田纳西州橡树岭的国立实验室证明，微生物能从工业废水中消除重金属，如钴、镍、银、金、铀、镨，而且利用这种方法从稀溶液中回收金属也是可行的，常见的面包酵母菌就能积累占细胞总重量20%的铀。而非生物方法成本高，就不合算了。微生物工程还可以用于从海水中提取铀，这和从废水中提取金属的道理相同。联邦德国里希核子研究所的生物浓集法在这方面是很著名的。他们把蓝藻和绿藻经过专门培养，再放入海水中去浓集铀。这种藻类浓集铀的速度极快，很有发展前途。近年来，国外细菌冶金方面的研究正在日新月异地发展，对精矿的浸出研究日益活跃，他们的目标是既回收贵重金属，又要除去精矿中的杂质；另外，工艺和设备以及在挑选更合格的细菌方面的研究也都取得了骄人的成绩。现在，美国用细菌浸矿所得的铜已占全美产量的10%，加拿大和美国用细菌浸矿法提炼的黄金占到10%，而澳大利亚则占到20%。加拿大用生物工程菌浸泡含铀的矿石得铀已达230吨。我国从1965年也开始了对铜、铀等金属的细菌浸出法试验，取得了一定成效。

用细菌浸出法提炼金属，具有成本低、设备简单、投资少、工艺简单、不污染环境、回收率高等特点，因而备受人们欢迎。