第二节 微生物工程技术的应用
1．医药工业
传统的制药工业不外两种。一是化学合成药物，往往工艺复杂、条件苛刻、污染严重、毒副作用大；二是生化药物，从动植物中提取或由微生物发酵而获得。而自动植物中提取，受资源限制，单价昂贵，无法满足需求，所以采用生物工程技术，通过微生物发酵方法为人们寻求新药带来了很大希望，如有关基因工程菌生产人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等。下面就抗生素、维生素类常用药物最新进展作一介绍。
（1）抗生素抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业中利润最高的产品。世界各国由发酵法生产的抗生素约400种，广泛应用的仅120种，其他主要是毒性大、成本高，无商业应用价值。大多数抗生素是由放线菌和霉菌产生的。因此，人们采用基因工程和细胞融合技术，对抗生素产生菌进行了改造和重新设计，不仅可以制造出许多高效低毒的新型抗生素，还可改革工艺，使抗生素产量成倍地增长。第一次由“工程菌”制造的全新抗生素—麦迪紫红素A，是美国报道的。他们将产放线紫红素的部分基因插入产麦迪霉素的放线菌中，构建的“工程菌”产生了全新的抗生素。我国新构建的生产丁胺卡那霉素的“工程菌”，就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的。采用新的“工程菌”生产，避免了现国外通用的使用有毒光气生产的办法，新抗生素毒副作用小，对耐卡那霉素、庆大霉素致病菌临床疗效显著。对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更为突出。橄榄色无孢小单孢菌细胞融合株抗生素产率比原菌株提高100倍。日本用产链霉素的灰色链霉菌和产以太霉素的链霉菌种间细胞融合，产生新抗生素三下霉素。我国用产庆丰链霉素的庆丰链霉菌与产井岗霉素的吸水链霉菌细胞融合，产生了能抑制植物病原菌的新抗生素RVA18。目前DNA重组技术已广泛用于红霉素、链霉素等20多种抗生素的育种工作，可以预见不久将来会有更多的由“工程菌”生产的新型抗生素问世。
令人不安的是许多细菌逐渐出现了抗药性，而且这种抗药性能转移给其他细菌。已经证实某些抗药性因子位于细菌内的质粒上，质粒可以在细菌之间转移，结果抗性菌日益增多，抗生素疗效就越来越低。为了对付细菌的抗药性，科学家对原有的抗生素进行了“整容手术”，经过改头换面的抗生素，细菌因再无识别能力，而被抗生素抑制或杀死了。这种“整容”所必需的手术刀，就是酰化酶，现在已能使用克隆了酰化酶基因的“工程菌”（大肠杆菌）高效率的生产“整容”后的抗生素（半合成抗生素）了。临床现在使用的贵重特效药物先锋霉素（头孢菌素类）、氨苄青霉素，就是这类半合成抗生素类药物。国外经过“整容”手术，已有几十种这类药物在实验室研制成功。
（2）维生素目前用发酵法生产的维生素有维生素C、B2、B12、生物索、β－胡萝卜素等。这些维生素，世界需求量很大，而且每年销售量仍在以10%的速度递增。基因工程技术的应用，可使维生素生产工艺发生根本性的变革。就以维生素C生产来说吧！不论是用化学合成法，或是“二步发酵法”，都需消耗大量能源。现已从自然界中找到两种微生物（草生欧文氏菌和棒状杆菌），它们像接力赛运动员一样各自承担了一段转化任务。能不能将两个菌完成的任务转交给一个菌来完成呢？科学家们把棒状杆菌的2．5－DKG还原酶（2．5－二酮基－D－葡萄糖酸还原酶）基因克隆到草生欧文氏菌中，结果构建成的“工程菌”一步发酵直接由D－葡萄糖转化成维生素C前体2－KLG（2－酮基－L－古龙酸），再经酸或碱催化生成维生素C。此项研究已在实验室获得成功。彻底革除了高压加氢反应，大大降低了能耗。这种把一种细菌关键酶的基因插入到另一种细菌的基因组中，由两条代谢途径人工拼接出一条新的代谢途径的技术，称为代谢途径工程。这是生物工程技术发展的另一次飞跃，可以相信一定会有更多的人工拼接的新代谢途径出现，合成已知或未知的新药物。
（3）其他生物技术药品近年来，继续从自然界发掘微生物资源和构建新的“工程菌”，不断提供新的优良药物方面已取得一些成绩。如一种终止癌细胞增殖，并使癌细胞转化为正常细胞的新抗生物质（酪氨酸衍生物），可由千叶链霉菌发酵产生。过去一直从公鸡冠组织中提取的、价格昂贵的透明质酸，现在可由兽瘟链球菌发酵获得。它可用于角膜和眼球晶体的移植，刺激免疫系统治疗癌症，又可作为皮肤保湿、去皱纹化妆品的原料。溶菌酶有抗炎作用，是感冒药的一种成分，过去一直从鸡蛋清中提取，往往对人使用有副作用，现在生产人体溶菌酶的“工程菌”（酵母菌）已克隆成功。防止血栓形成，治疗静脉栓塞的特效药尿激酶，过去一直从人尿中提取，现在用“工程菌”生产的活化酶（组织血纤维蛋白溶酶原活化剂），不仅疗效扩大，且药物成本大大下降。事实证明，生物技术药品的开发和应用具有十分广阔的前景。
2．食品工业
目前，全世界人口总数约50亿，到2000年可能上升到62亿，粮食及其他食品需求量比现在将提高40%。在可耕地面积日益减少、人口年年增加的今天，微生物工程也是为人类提供食品、改善营养的重要途径。
（1）微生物蛋白微生物发酵生产的蛋白质，有的可直接供人食用，有的可做家畜、家禽饲料，增加人们肉食供应。温饱问题解决之后，改善营养成了人们普遍关注的问题。最近国外上市的真菌蛋白（禾杀镰刀菌），就深受消费者欢迎。其蛋白含量占44%，比牛排瘦肉蛋白含量虽少33%，但脂肪含量只及牛排含量10%，而且没有胆固醇。微生物菌体除含蛋白质外，还含有核酸、脂肪和碳水化合物等成分，其中只有核酸不被人完全分解，若不限制数量长期食用，就会引起痛风症。科学家们通过基因工程技术，巧妙的设计了分泌蛋白质的微生物，由“工程菌”（大肠杆菌和酵母菌）发酵生产高营养强化蛋氨酸的大豆球朊和鸡卵清蛋白研制成功了。不再受动植物来源限制和季节气候的影响，单靠微生物就能高效快速地生产出动植物的纯蛋白。
氢细菌可以利用自然界中取之不尽、用之不竭的氢气、CO2、和少量无机盐来生长繁殖。于是人们利用水解中的氢气和空气中的CO2，代替粮食发酵，由氢细菌生产单细胞蛋白。美国正在研究用氢细菌解决宇宙飞船和宇宙空间站中维持生命的氧－食物循环问题。
（2）氨基酸氨基酸可用作食品、饲料添加剂和药物。过去都采用动植物蛋白提取和化学合成法生产，现18种氨基酸均可采用发酵法和酶法生产，不仅成本下降、污染减少，还可组织大量生产，世界产量每年递增5%～10%。在氨基酸产生菌选育中，过去多采用诱变育种方法，诱变结果不易控制，现采用基因工程和细胞融合技术，产量可成倍、甚至几十倍增加，生产成本大大下降。如用基因重组构建的苏氨酸、色氨酸“工程菌”，比原始菌株提高产量几十倍（产酸达50～60克／升），色氨酸成本从每公斤50美元降到23美元。用细胞融合构建的精氨酸融合株，精氨酸产量达108克／升，比其他生产菌株高2倍多。
（3）新糖原我国食糖产量供不应求，除自甘蔗、甜菜中提取蔗糖外，每年尚需大量进口。其实，以淀粉为原料可通过酶法生产甜度与蔗糖相当的果葡萄糖浆，当然也可由此进一步制取果糖。国外已形成产业，国内正在兴起，可能对糖缺乏状况有所缓解。另据报道，美国将吡喃环糖氧化酶固定在载体上，并与化学催化法相结合，获得纯果糖同时，还可得到环氧乙烷、环氧丙烷副产物，它们是制的确良、双氧树脂和合成洗涤剂的原料。一举多得，既获得糖，又生产了纺织、轻工、化工产品。
为了满足肥胖症、肝肾疾患以及糖尿病人低糖食品要求，微生物发酵生产的新型强力甜味剂在迅速发展，它们甜度高、低热卡，代替砂糖有广阔市场。如天冬精（门冬酰苯丙氨酸甲酯）甜味是砂糖的2400倍，糖精的12倍；氯化砂糖甜味是砂糖的600倍，安全无毒，都可用酶法或发酵法生产，国外已有商品问市。此外，还研制开发了许多代替砂糖的低热卡甜味剂（如山梨糖醇、木糖醇、赤藓糖等），它们在食品、药品、化妆品、化学工业中有广泛用途。目前，这些低热卡甜味剂采用高温、高压、氢化工艺生产，据报道国内外均已找到一些酵母菌，可在常温、常压、正常通气条件下获得。某些植物含有天然蛋白质甜味剂，若将甜味剂基因从植物转移到微生物，就可发酵大量生产。采用基因工程方法，国外已构建成生产天然蛋白甜味剂Thaumatine的菌株，其甜度是砂糖的3000，倍，其他甜味剂有关基因工程研究正在积极进行。
（4）饮料酒类我国一直沿用混合菌株传统酿造发酵技术（霉菌、酵母菌、细菌多菌株自然接种混合发酵），产品具有特殊香型风味——酒香、酱香、醋香，闻名全球。近年来已分离出己酸菌和甲烷菌，并发现它们在酿酒香型风味中的作用。例如，已构建出“人工老窖”，酿造出近似沪香酒的名酒，为提高产品产量和成品味感上，开创了新局面。利用生物工程技术改革旧工艺，也已取得明显效果。国外采用真空发酵和减压蒸馏技术，酒精生产能力提高三四十倍。令人感兴趣的是，在生物反应器中把酵母吸附于不动载体上，缓缓流入麦芽汁，源源不断酿造出啤酒，发酵时间缩短到1天，甚至90分钟。生物反应器中的酵母菌连续发酵3个月活力不降低，为制造“生物啤酒”，开创了新途径。
（5）其他食品添加剂微生物发酵生产的柠檬酸、乳酸、苹果酸等多种有机酸，是饮料中不可缺少的酸味剂。近年米，国内外又发现一种不饱和脂肪酸——γ－亚麻酸，具有防癌、防病毒感染、防皮肤老化等功效，是理想的保健品、化妆品添加剂。γ－亚麻酸过去从月见草（俗名夜来香）种子榨取，现可由毛霉等真菌发酵生产，成本降低，价格由325美元／公斤降至6．5美元／公斤。另外，为了保障人类健康，免受致癌物等伤害，发酵法生产的天然色素、天然新型香味剂，正在逐步取代人工合成的色素和香精，这也是现今食品添加剂研究的一个方向。
3．能源工业
能源紧张，是当今世界各国都面临的一大难题，石油危机之后，人们更加认识到地球上的石油、煤碳、天然气等石化燃料终将枯竭，而有些微生物则能开发再生性能源和新能源。
微生物与能源工业
（1）“绿色能源”的再生太阳能是重要的能量来源，但我们对太阳能的利用是微乎其微的。地球上贮存太阳能的只有绿色植物和光合微生物，但它们贮存的能量也只是照射到地球上的太阳能量的0．05%。若这些能量全部利用，相当于现在世界能源消耗量的10倍，能源紧张问题也就大大缓解了。目前我们把绿色植物的秸杆直接当作燃料使用，实际上是把绝大部分能量白白浪费掉了。通过微生物发酵或固相化细胞或酶的技术，可将绿色植物秸杆、木屑、工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体和气体燃料（酒精和沼气）。巴西等国已成功地把酒精（又称绿色汽油）作为汽车燃料，许多国家也已建立了各种沼气发酵厂，提供工农业的能源。但是，目前还不能由一种酵母菌把纤维质原料直接发酵成酒精（酵母菌只能由糖发酵成酒精），需经过复杂的预处理和多种霉菌活动。这样由纤维质原料酿造酒精的成本就昂贵了。近年来，不仅选育出了降解纤维素、半纤维素、木糖（纤维素主要成分，占生物质量的20%～30%）为单糖的霉菌，而且还构建了含纤维素酶、木糖异构酶基因的“工程菌”（酵母菌），估计由酵母菌将纤维素一步发酵制取酒精的日子为期不远了。
（2）采油微生物运用以往采油技术，油层经一二次采油后，仍有50%残留在岩石空隙间的深层粘滞性原油难以开采。向油层注入细菌或其产物（生物聚合物、表面活性剂等），可以加大油层压力，降低原油粘度，从“枯竭”的油田中再多采油20%～30%，使石油“死井”再度生辉。现各国均在大规模现场试验，已取得满意结果。
（3）产氢微生物氢燃烧后除产生大量能量外，产物就是水，所以它是最理想、最清洁的一种新能源。目前石油和化工工业所用的氢气，是从石油热裂解制取的，能耗大，并产生大量CO2。生物产氢极有发展前途。目前攻关的重点，是大量培养藻类光合作用放氢和大量培养光合细菌产氢。有些海洋光合细菌（如红假单胞菌等）产氢率比其他类型的微生物都高，每克菌体每小时最大获得260毫升氢气，而且还能利用玉米、马铃薯、木薯直接发酵放氢，甚至能将制糖厂、造纸厂、乳品厂废液直接发酵放氢。国外已有从“藻类农场”获取氢能和自光合细菌工厂每天生产10吨液态氢气的报道，也有将液态氢气作为飞机燃料试用飞行的记录。实验室中采用固定化光合微生物产氢已经成功。
（4）产石油微生物从化石研究中发现一种丛粒藻在石油矿藏形成过程中起过巨大作用，于是人们设想用藻类制取石油。目前通过藻类和细菌将CO2转变为石油的研究，已出现可喜的苗头。培养单胞藻或绿藻而获得的石油，可占细胞干重的35%～50%（石油积蓄在细胞间隙，理论值应为70%～80%），合成的油与重油相同，加工后可转变为汽油、煤油和其他产品。有的国家已建立培植单胞藻的农场，每年每公顷地培植的单胞藻按35%干物质为碳氢化合物（石油）计算，可得60吨石油燃料。此项技术应用，还可消除因石油排放CO2造成的温室效应。据统计，仅日本每年石油排放的CO2就有5亿吨，若让单胞藻全部吸收CO2，就能获得2亿千升汽油，相当于日本一年石油的进口量。除单胞藻、绿藻生产石油燃料外，最近报道从地下盐水层中分离出两种细菌（全红色的红色细菌和透明状晶状细菌），它们能吸收CO2，并将其转变成液态碳氢化合物（石油），有可能用于细菌合成石油的开发。（5）微生物电池利用微生物的代谢产物（氢气、甲酸或氨等）作为电极活性物质，通过阳极、阴极电子流动从而获取电能的装置，叫做微生物电池。其中日本科学家设计的生化燃料电池最为理想。他们把氢气产生菌（丁基梭菌）固定在阳极，阴极为炭极（由蚁酸氧化空气中的氧），这样就构成了氢－氧（空气）型微生物电池。既能处理糖蜜发酵酒精的废液，又能产生电流，提供能源。美国科学家利用细菌发酵100摩椰子汁产生的甲酸为活性物质，做成的微生物电池可使半导体收音机连续播收50多个小时。美国宇航局用一种芽孢杆菌处理宇航员排泄的尿，使尿酸分解成尿素，再经尿素酶作用分解成氨和CO2，氨在阳极产生电极反应，生成电流。据报道以氨为活性物质制成的微生物电池，若每位宇航员每天排尿22克计算，可获47瓦特电能。将来必定有一天微生物电池会为人类提供能量、带动马达飞转。
4．化学工业
传统的化工生产需要耐热、耐压和耐腐蚀的材料，而微生物技术的发展，不仅可制造其他方法难以生产或价值高的稀有产品，而且有可能改革化学工业面貌，创建省能源，少污染的新工艺。有人估计到2000年将有50%的化工产品，可由微生物发酵生产。
（1）生物塑料目前已有近4万种合成塑料制品，旧塑料因不能被生物降解，而造成公害。例如，残留田间破碎的农用塑料薄膜，它们形成了阻隔层，影响通风透气，阻碍根系发育和对营养和水分的吸收，可使农业减产10%～50%。有的国家甚至规定自1992年起禁止使用塑料薄膜。可见研制可降解性生物塑料，已是迫在眉睫的任务。微生物工程为解决这一难题提供了途径。
科学家经过选育和基因重组构建了“工程菌”，已获得积累聚酯塑料占菌体重量70%～80%的菌株。目前已建厂并有商品问市的主要生物塑料是聚羟基丁酸酯（简称PHB，商品名Biopol）和合成生物降解塑料（商品名BioD）。
对人畜无害的PHB，主要由真养产碱杆菌利用碳水化合物、CO2、H2发酵产生；也可由“工程菌”（甲基养嗜甲基菌）发酵甲醇产生。这种塑料制品埋在土中6周可完全降解，而普通塑料制品竟需200～300年。BioD是由聚乙烯、氧化剂、催化剂和6%淀粉配制而成的。设计者的巧妙之处在于：废弃塑料埋入土壤后，微生物首先将淀粉颗粒组分分解，将塑料裂解成碎片碎屑，最终分解为无毒的CO2和水，完全降解需2～3年。据估计，生物塑料全世界年消耗量到1995年将达1亿吨。近年来，人们运用基因工程手段，已研制出性能更佳的生物塑料。例如，将真养产碱杆菌合成PHB基因克隆到大肠杆菌后，不仅合成的PHB产量增加，而且可以制成强度更大的塑料薄膜和更硬的挤压型塑料。为了简化提取工艺，增加产品收率，美、澳科学家正在协作，将真养产碱杆菌PHB基因与促使细菌破裂的“爆炸基因”（实际是专门裂解细菌的噬菌体基因）同时插入大肠杆菌基因组。构建的“工程菌”发酵产生PHB后，不需再经繁琐的提取工艺，只要稍微加热对“爆炸基因”激活一下，PHB就可源源不断自菌体流出。用此法生产合成纤维也大有希望。现在，我们可以毫不夸张地说：凡使用化学塑料的地方，都可用生物降解塑料替代；无论是坚硬的大件塑料制品，还是弹性强的纺织用品、电子器件中的压电材料，或是外科手术中伤口缝合线、固定损伤的骨骼等，微生物制成的生物塑料都可代替。
（2）化工原料微生物发酵生产的化工原料除乙醇、丙酮、丁醇等传统产品外，现今又发展了很多。例如，常规化学合成法制造尼龙、香料的原料癸二酸和石油开采上使用的絮凝剂原料丙烯酰胺，由石油发酵获取的化工产品粘康酸（是昂贵的电子材料）、衣康酸（是合成树脂、纤维、塑料、橡胶等制品的重要原料）、长链二羧酸（是制造耐寒增塑剂、工程塑料、树脂、尼龙的重要原料），由碳水化合物发酵获取的2．3－丁二醇（是合成橡胶原料）等，均已在生产中应用。
目前由化学合成法制造的乙烯，是合成化纤、纯涤纶的聚酯纤维原料，大有代替棉花之势。引起人们兴趣的是已发现某些微生物有合成乙烯的能力。有的国家还以乙烯或丙烯为原料，通过固相酶的技术，把乙烯氧化成环氧乙烷，丙烯氧化成环氧丙烷，再由它们制造的确良、双氧树脂、合成洗涤剂。据统计，用这种方法生产的投资额将是化学合成法的一半，无疑它对企业家具有巨大的吸引力。
（3）其他产品
①生物表面活性剂主要是微生物细胞表面的糖脂和胞外聚合物，因为可使油脂变性，所以有乳化、润湿、去污等多种功能。令人欣慰的是生物表面活性剂可被微生物降解，无二次污染，虽目前仍处中试阶段，预计会有各种潜在应用价值。
②生物凝集剂主要指由微生物发酵制取的高分子凝集剂，是含氨基糖和蛋白质的复合物，对各种细菌、酵母、藻类或某些工业废水，均有较好凝集效果。
③生物制浆这是一项很有希望的技术。现找到一株白色腐朽菌，常温常压下可分解80%的木质素。制取的纸浆可生产优质纸，省去高温蒸煮，节约能源，节约原料1／6，纸浆成本可降低50%。
5．冶金工业
大自然赐予人类的财富，并不都那么慷慨，虽然矿藏蕴量丰富，但大多数矿床品位太低，随着现代工业的发展，高品位富矿也不断耗尽。面对数以万吨计的废矿渣、贫矿、尾矿、废矿，采用一般选、浮矿法无能为力，唯有细菌冶金给我们带来了新的希望。细菌冶金是指利用微生物及其代谢产物作为浸矿剂，喷淋在堆放的矿石上，浸矿剂溶解矿石中的有效成分，最后从收集的浸取液中分离、浓缩和提纯有用的金属。堆浸的矿石不要求粉碎，只需提供一个简陋的堆放矿石的浸取池，故又称为湿法冶金技术。可浸提包括金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钴、镍、钡、钪等10余种贵重和稀有金属，特别是黄金、铜、铀的开采。
细菌采矿
（1）黄金资源开发黄金的贮量和产量水平，是—个国家经济实力的重要标志。全球几乎处处有黄金，但含量非常低微，平均每吨地壳物质含有0．002836克黄金。化学提炼法每吨矿石含金量不低于1～3克才有开采价值，而细菌冶金则不然，所以微生物技术应用于黄金资源的开发占有重要地位。我们知道，全世界30%以上的黄金矿藏是含有硫、砷矿化物的金矿，不溶于水，难于浸提。依赖某些细菌（如氧化亚铁硫杆菌等）的氧化作用，可从金矿石中除去硫、砷，浸提黄金。据报道，加拿大建有日处理100吨含金矿石的工厂，用此法几乎能得到100%黄金，而用化学法提取量不到70%。法国一家工厂四个实验室采用硫杆菌处理100公斤含金矿石，就获得3克黄金。除利用微生物氧化、浸出获取黄金外，某些微生物还有聚集和吸附黄金的能力。我国科学家们已分离到一些微生物有强烈聚金能力，一般聚金达50%～60%，最高聚金力达80%～90%以上。这些微生物能将金矿溶液中的黄金微粒吸附在细胞麦面或体表胶体中，而后将可溶性金粒吸收进细胞内，形成金结晶核，有的甚至将细胞膜胀破，游离出细胞外。这些游离的金结晶核，不断增生、扩大、相互连接，继而在溶液中形成一定形状、大小肉眼可见的砂金，最后形成大型块金沉淀。这项研究成果，不仅在研究黄金形成上具有理论意义，也有实用价值。目前，已有通过增殖的含金微生物在硫化精矿中聚集、吸收和蓄积黄金微粒的报道。
微生物不仅在黄金开采上，在黄金矿床的探找上也显示了巨大魅力。某些芽孢杆菌（如蜡样芽孢杆菌）对黄金有特殊的敏感性和结合力，这种细菌有灵敏的“嗅觉”，能嗅出黄金的气味。人们可根据这类细菌的分布、增殖数量、细菌与金发生的特殊颜色反应等，作为探测黄金的指标。使用这种以电位变化来检测是否有黄金存在的新型简易微生物探针，2小时就可在野外实地完成检测任务，不需将笨重的矿石标本运回实验室。目前出售的探测黄金的微生物探针，只能标示金矿的潜在储量，还不能准确标示金矿含金品位，相信经过进一步改善，这是不难达到的。
（2）其他金属浸提从矿石和矿渣中溶浸有色金属虽有10余种，但大规模或批量生产的只有铜和铀。据世界20个矿山资料表明，每年细菌浸铜就达20多万吨。我国是细菌浸铜的发源地，也有大规模的生产，美国细菌浸铜占铜产量10%。铀是开发核能的原料，已发现某些微生物有积蓄铀的惊人能力，1克绿藻能析出铀159毫克，1克细菌可析出铀313毫克，如反硝化细菌吸收铀每克干重细胞为100～150毫克。铜绿假单胞菌析出铀的本领最强，每克干重细胞为560毫克，竟占50%。法国铀产量的7．3%就是由此法获得的。一些霉菌、酵母菌从矿石溶液中提取钪、钼等稀有金属也有突出本领，效率均高于现通用的离子交换树脂法。用酵母菌细胞经四个回合吸附，钪提取率可达98．8%；一种少根根霉提取钼的本领最高，它将高效吸附性和对金属亲和力集于一身，每克菌体能浸提170毫克钼。这些微生物作为一种“生物吸着剂”，在自然条件下可大显身手。某些嗜有机物的微生物，凭借它们分泌的有机酸（如柠檬酸、琥珀酸等），构成“活性炼矿剂”，与金属结合成可溶性化合物，最后分离、浓缩、纯化出金属，已在炼铜、炼银中应用。湿法冶金关键在于选用的微生物对环境有高度适应力，且性能稳定。运用细胞融合、基因工程手段，构建出同时具有多功能（如硫氧化功能和铁氧化功能）或多重耐性（如对酸、对重金属离子、对铀的耐性）的“工程菌”，使我们从大自然的赐予中能够获取更多的财富！
6．农业
在人口剧增、耕地面积日益缩小的今天，要解决人们的口粮问题，首先是提高耕地单位面积产量。而应用生物工程技术，选育出抗逆性工程植物、实现生物固氮、制造新型生物杀虫剂等，都将为农业增产作出重要贡献。有关转基因植物、转基因动物等方面成果，已在“基因工程”章中叙述。此处仅就生物固氮、生物杀虫剂、微生物饲料作一介绍。
（1）生物固氮虽然空气中约含有4／5的氮气，但作物生长和增产仍需施加大量氮肥，因为氮素必须与氢、碳或氧等元素固定或结合成氨、尿素、硝酸盐后，才能被植物吸收和利用。有机肥料、化肥、微生物菌肥是作物的主要肥料，但有机肥料迟效，生产化肥能耗大、价格高、污染重，只占全世界氮肥供应量的20%，剩下绝大部分都是由微生物提供的。自然界中独立生活的自生固氮菌和专门与豆科植物共生的根瘤菌，都能将大气中的氮还原为植物可利用的氨。其中尤以根瘤菌肥料为人们推广最早，效果最为显著。据统计，每亩豆科植物的根瘤菌能固氮10公斤，相当于50公斤硫酸铵，等于为植物提供一个天然小氮肥厂。豆科植物与根瘤菌共生的特殊本领能否传给其他农作物呢？科学家们设想将根瘤菌的固氮基因转移到各类等农作物中，但遇到了难以克服的障碍。首先，各种根瘤菌都只与它们各自相应的豆科植物形成根瘤。根瘤菌的这种专一性，对禾本科谷类作物的根没有缘分。第二，化学固氮耗能多，生物固氮同样要消耗大量ATP（生物能量），而大多数非豆科作物又无法提供。第三，固氮作用的关键酶—固氮酶碰到氧气会迅速失活，根瘤菌有一个去氧保护系统，而植物细胞不具备这个体系。着来实现粮食作物自身固氮目标，是一项较为长期的研究任务。近年来，经过各国科学家的努力，为实现农作物自身固氮的宏伟目标，又迈进了一大步。例如，中国大豆根瘤菌生长速度是美国的3倍，属快生型根瘤菌，这种快速生长性状转入美国大豆根瘤菌内，构建的“工程菌”生长快，在美国大豆生产上，仅根瘤菌每年就提供了10亿美元的氮肥。固氨基因从微生物直接转给植物失败了，科学家又想出通过“媒人”使豆科植物的根瘤菌与禾本科农作物的根交上朋友。一项较有成效的结果是：把固氮菌基因转移到能在水稻根部土壤中繁殖的微生物中（“媒人”），借助这位“媒人”的固氮能力，提供水稻需氮量的1／5。我国在固氮微生物研究上，也取得不少成果。为使禾本科农作物结瘤，采用2，4－D植物激素诱导小麦幼根，或采用纤维素酶和聚乙烯醇处理水稻、油菜幼苗的根尖细胞，与此同时接种根瘤菌，结果小麦、水稻、油菜结出与豆科植物十分相似的根瘤，培育出形成根瘤、并有固氮能力的小麦、水稻。可惜的是这种结瘤性状有致命的弱点，它们不能遗传，每年幼苗栽培前需再作处理，但为根瘤菌促进非豆科植物结瘤方面，探索了一条可行的途径。
（2）工程杀虫菌生物农药无毒，害虫不易产生抗药性，在病虫害防治中正在发挥巨大作用。能使昆虫染病、致死的微生物有细菌、真菌、病毒、原生动物等。其中细菌有90余种，目前大量生产、广泛应用的细菌杀虫剂是苏芸金杆菌杀虫毒素（简称Bt）。最近报道又获得一株芽孢杆菌毒素（简称Bm），它的一个有趣特性是对鳞翅目昆虫无毒，却对家蝇、青蝇、苍蝇幼虫蛆有显著毒效。Bm和Bt制剂一样，对人、畜、作物安全无害。能使昆虫染病的真菌有530余种，目前大量应用的真菌杀虫剂是白僵菌、绿僵菌等。能使昆虫和螨类感染的病毒近900种，病毒杀虫剂杀虫效力高，对象专一，是极有前途的微生物杀虫剂，但遗憾的是培养病毒需捉来大量活昆虫，大量生产有困难。如果能将感染昆虫的病毒基因重组构建成“工程菌”，病毒杀虫剂将重显威风。其实，基因重组技术在构建更有效的广谱杀虫剂上，业已取得不少可喜成果。例如，苏芸金杆菌蛋白毒素基因插入常在玉米、大豆根表聚集的荧光假单胞菌中，构成的“工程菌”不仅杀灭地上的害虫，也是地下害虫的劲敌。又如，将苏芸金杆菌中编码杀蚊虫的毒蛋白基因，组入孑孓滋生环境中的蓝细菌中，这种“工程菌”漂浮在死水面上，蚊虫幼虫吃后立即死亡。值得提醒的是有时杀虫毒素还未及喷洒至大田，就被雨水冲走或迅速分解掉了。科学家们又巧妙地设计将苏芸金杆菌毒蛋白基因转入植物（烟草、番茄），获得有很强杀虫作用的工程植株。植物一旦自身产生了防疫力，就再不需要喷洒杀虫药物了。除了上述“以菌治虫”种种方法外，“以菌除草”、“以菌防病”（农用抗生素）等微生物农药也为农业增产发挥了巨大作用。
（3）微生物饲料随着畜牧业的发展，蛋白饲料要求十分迫切。微生物菌体蛋白质占干重的45%～55%，以微生物方法生产的单细胞蛋白（简称SCP）是食品和饲料的重要来源。传统的产品有：纤维蛋白、石油蛋白和光合蛋白。其中尤以选用纤维废物为原料生产的SCP为最好的资源。石油蛋白生产过程粉尘污染，尚待解决严格预防措施，光合蛋白目前生产效率还不高。
藻类是自然界分布极广的一大群自养微生物资源，许多国家已把它用作人类保健食品和饲料。培养螺旋藻，按干重计算每公顷可收获60吨，而种植大豆每公顷才可获4吨，从蛋白产率看，螺旋藻是大豆的28倍；培养珊列藻，从蛋白产率计算，每公顷珊列藻所得蛋白是小麦的20～35倍。我国目前每年用于饲料粮食约6500万吨，其中80%直接饲养，其饲料报酬比配合饲料低1／3左右，等于每年多消耗饲料粮1800万吨。因此，开发微生物饲料，是发展畜牧业的一项关键措施。
7．环境保护
随着现代农业和石油、化工等现代工业的发展，开发了一大批天然及合成有机高分子化合物。农业上使用的各种农药和各种石油化工产品、炸药、塑料、染料等工业废水，排放环境，都会带来严重污染。已发现有致癌作用的污染物约为1100种，我国某些灌区土壤和污水中芳烃化合物的污染也相当严重，其中致癌作用最强烈的苯并（a）芘每公斤土竟高达540微克，而排放标准为20微克，此外，工业中每天还排放大量CO2、CO、硫化物等有害气体，它们是造成温室效应和形成酸雨的重要因素，严重威胁人类健康。环境污染已是当今社会的一大公害。但是，小小的微生物细胞却对污染物有着惊人的降解能力，成为污染控制研究中最活跃的领域。
（1）净化有毒和高分子化合物过去一直公认难被生物降解的100多种人工合成污染物，也可被微生物降解和转化。例如，某些假单胞菌、无色杆菌有清除氰、腈剧毒化合物的功能；某些产碱杆菌、无色杆菌、短芽孢杆菌有对联苯类致癌化合物的降解能力。烈性炸药RDX（三次甲基三硝胺），纺织业废水中的偶氮染料，农药中的DDT、PCB（聚氯联苯），除草剂氯磺隆、甲磺隆、丁草胺，塑料中的尼龙666（聚酰胺类）、聚乙烯醇、聚乙二醇，甚至废轮胎、辐射污染过的橡胶制品，均已分离到降解它们的微生物。不少污染物的微生物降解能力，已达到工业化生产水平。有的国家将几种降解力强的微生物混合一起，制成生物降解剂出售。用高压喷洒细菌降解剂到石油严重污染的土壤，4个月后总污染水平下降65%；其中苯和甲苯下降73%；多环芳烃下降86%。值得注意的是环境中排放的污染物往往是混杂的，因此，研究工作已发展到构建具有多种特殊功能高效降解力的“工程菌”上。例如，采用基因重组技术，将两种菌的降解基因同时组入大肠杆菌，构建后的“工程菌”可将致癌作用强的三种卤素化合物DDT、PCB和甲基氯苯分解为CO2和水，是较理想的分解卤素化合物的环境净化菌。虽然“工程菌”在污染降解方面的研究仍处实验室阶段，但也让我们看到了美好的应用前景。
（2）海上浮油的降解某些微生物制剂能吃掉水上的浮油，在净化海洋石油污染方面，显出惊人效果。据美国报道，使用由50株嗜烃细菌和某些生长因子制成的细菌制剂，处理1800加仑污染石油的水面，24小时后90%的石油被细菌分解掉了。法国生产的清除石油的“降解剂”，除含某些假单胞菌和酵母菌外，还添加了适量营养盐和油层分散剂，处理泄漏在海上的浮油，一个月内60%～80%的石油烃被降解得无影无踪，2～9个月后浮油完全消失。降解石油的基因多数位于细菌内的质粒上，为了选育多功能的石油降解菌，美国科学家采用连续杂交的方法，将降解石油不同组分的几个质粒，转移到一株降解脂肪烃的假单胞菌中。由于不同质粒上携带了降解石油不同组分的基因，这样构建的新菌株就有了降解原油多种组分的功能。人们称它们为“超级微生物”。在自然生态环境中喷淋这种“超级微生物”菌剂，能在几小时内把原油中60%烃消耗掉，而野生型未经遗传改造的菌株，消耗掉同样多的浮油需一年以上。采用此法净化海面浮油，只有现在净化法价格的1／10。这些降解海面浮油的微生物，也能清除废弃油井中的粘质原油。
（3）有毒气体和恶臭物质的清除主要工作集中在CH4（甲烷）、CO（一氧化碳）和硫磺类恶臭物质的清除上。人们知道，煤矿发生的瓦斯爆炸就是甲烷引起的，而煤气中毒是因空气中充满CO。我们在煤矿开采中使用高效甲烷菌制剂，可以清除瓦斯（将甲烷氧化分解）。据报道，在99%瓦斯环境中，一周内可清除97%的甲烷，为防止瓦斯爆炸取得良好效果。有的国家还利用甲烷氧化菌生产胞外多糖或单细胞蛋白，利用CO氧化菌发酵丁酸或生产单细胞蛋白，不仅消除或降低了有毒气体，还从菌体中开发了有价值的产品。日本科学家找到一株硫杆菌，对硫磺类恶臭物质分解效率极高，760ppm的硫化甲基1分钟内就被完全分解。
（4）有机废水、废渣综合利用工业三废、生活垃圾及废水，农业废弃物等，虽然大多数没有毒性，但是堆积造成腐烂，排入水体有机物分解，都会严重污染环境。许多国家将这些有机废物进行微生物转化或发酵生产有价值的产品。例如，造纸废水生产甾类激素，制造尼龙废水生产塑料原料（多聚β－羟基丁酸），甘薯废渣生产四环素，味精废液生产单细胞蛋白，啤酒糟生产洗涤剂用的淀粉酶、蛋白酶、？．不胜枚举。最引人注目的是日本用农业大量废弃物麦麸，生产烷基低聚糖，据说它对艾滋病有较好的抑制效果。生物技术应用于有机废弃物资源的开发，既保护环境，又获取新产品，真是一举两得。
（5）危险废弃物处理我们知道，一些重金属如铬、镉、铅、汞、硒等和核废弃物中的放射性物质，能使人中毒、染病、甚至死亡。对付危险废弃物多采用物理或化学方法，这种办法不仅成本过高，而且容易造成二次污染。近年来，各国都发现了一些解毒的微生物。它们将重金属吸附在自己细胞表面或吸入细胞体内，细胞凝集沉淀排出水体，细菌把有毒的重金属还原成无毒的金属化合物。有些细菌能把废水中核废弃物内的放射性铀、钚等还原成固体排出水体，有的霉菌固定化细胞能吸附核废料中的铀。这样，不仅有可能用来处理含有核废料的垃圾，还可防止河流、湖泊或地下水中核废弃物的污染蔓延。
将降解能力强的微生物或微生物产生的酶固定在载体上，保持其降解污染物的功能，结果细胞密度增加、降解效率增强，被称为新型废水处理剂或絮凝剂。人们并没有就此满足，又设计了将分解不同污染物的微生物分别固相化后置入生物反应器中，反应器内的细菌各显神通，吞食废水中各类污染物。事实证明：微生物是人类净化大气、消除污染、保护环境最得力的助手。
8．特异微生物
我们常听说，有的人闭上眼睛只凭耳朵就能认字，有的人靠双眼就能准确道出患者体内的病灶。人们称这种“绝招”为“特异功能”。微生物有没有“特异功能”？有！在微生物世界中，确有许多诱人之谜待我们去探索，有许多宝贵的资源待我们去发掘。
（1）向磁微生物1975年，美国科学家伯莱克莫尔在显微镜下观察取自海泥的一种只有一微米宽、身上延伸出两组鞭毛的小螺菌时，发现了异乎寻常的现象，小螺菌不像其他细菌那样东西南北乱窜，而是像长跑运动员一样，朝一个目标直线前进。是因为细菌有趋光性，朝有光的地方跑吗？移到暗室中观察，依然如故。科学家成功的秘诀之一是对偶然发生的事件绝不轻易放过。经过各种试验，当他把一块磁铁放在附近时，奇迹发生了，小螺菌总向南极移动。原来地球就是一个大磁场，小螺菌当然向朝南的方向直线运动了。科学家把这种对磁场敏感的微生物称为“向磁微生物”。
小螺菌为什么会朝南方向移动呢？科学家们发现原来它们的细胞内有两条特异的长链，每条长链由5～15个排列整齐、大小均匀、类似立方体或平行六面体形状的磁微粒体组成。每个微粒体只有500～1000埃大小，它们的成分是Fe3O4（四氧化三铁）。小螺菌中铁含量极高，为干燥菌体的3．8%，而一般大肠杆菌铁含量仅为0．013%，比一般微生物铁含量高100倍。正是这些磁细菌体内的超微小磁粒，对细菌起了导航指南作用，它们都是单畴晶体，有超常磁性质。
装备现代化飞机、导弹和卫星，需要既轻又薄的微型磁部件。这种向磁细菌中的超微磁粒体，做成磁性记录材料，比现在使用的磁粉还要小，更均匀，真空度更高，不仅高磁能积提高数十倍，价格也便宜。因此，可望制成比现在更高清晰度、高真空水平的新型磁性材料。将这种超微磁粒体做为酶或其他吸附剂的载体，可用来清除和分离发酵液中细胞等杂质，既不需要消耗能量，又不需要复杂设备。这种磁分离技术，在我国已取得较理想的成绩。对癌症病灶的治疗方面，如果把酶或抗体固定在磁微粒体上制成一支“运载火箭”，再把药物制成“弹头”，然后将它们注入血液，药物进入血液循环；只要在人体病灶的“靶区”放上一块合适的磁石，药物便可直接轰击病灶，对其他正常细胞不再伤害，达到安全治疗的目的。日本学者在“火箭疗法”和大量培养磁细菌研制磁微粒体上已经作了很多工作。向磁微生物作为一种微生物资源在电子、化工、医疗卫生领域会有巨大潜力。
（2）极端环境微生物我们已经知道，在高盐、高温、高酸和高碱等极端环境中，分别生存着嗜盐菌、嗜热菌、嗜酸菌和嗜碱菌。为什么这些微生物有如此抗极端环境的功能呢？原来极端环境微生物为了适应环境得以生存，已逐步改变了自我，形成了新的独特结构和遗传基因。例如，嗜盐菌在细胞膜上镶嵌有紫色膜区，约占细胞膜的一半。紫色膜区中含有细菌视紫质分子，在光照下不仅将光能转换成化学能，还能不停地将盐分子排出细胞之外。你知道吗？就连在pH2或pH12环境中自由生长的嗜酸菌、嗜碱菌，它们细胞内的环境仍然维持pH7的中性状态，原来有些嗜酸菌有拒氢离子的本领，它们的细胞对H＋透性小，有些嗜碱菌细胞膜上有反运转器，主动排出多余的氢氧根离子（OH－）。搞清这些极端环境微生物的细胞结构及适应机理，为开发利用它们带来了希望。
极端环境微生物也许是大自然留给人类最后的资源，近年来，颇受人们关注，并已逐步应用于生产实践。我国选育出在发酵工业中有广泛用途的α－淀粉酶产生菌地衣芽孢杆菌，淀粉分解为糖的最适温度高达95摄氏度，用于生产既可免除噬菌体、杂菌污染，又可提高产量、节约能源、降低成本。丹麦和我国最新研制成功的低温型脂肪酶产生菌，在15摄氏度或20摄氏度就有较强的分解脂肪、血、奶等蛋白质污垢能力，大大增添了加酶洗涤剂的光彩，避免了热水洗涤的麻烦，又防止化纤织物变形。将光能转变为化学能的嗜盐细菌，与一般光合微生物、绿色植物的光合作用不同，不需要叶绿素参加，光化学反应结构简单。将这种结构取出加工，可制成光能转换器、光开关、改写型光盘，信息贮存器及非线性光学材料，为研制生物计算机、太阳能电池显示了诱人的前景。此外，模拟嗜盐菌的排盐功能，为海水淡化、盐碱地开发利用均有广阔前景。
浩瀚的大海是个万能的聚宝盆，生活在海洋中的微生物是其中的一部分。今后的生物工程研究，将向海洋、宇宙人类未涉足的领域扩展。海洋占地球面积70%，有人说海洋能给人类提供的食物将会超过农业耕种面积的1000倍！我国海岸线很长，资源丰富，其潜在的应用价值还有待深入研究和开发。
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