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和我们生活息息相关的微生物生命科学和化学系 生物工程专业【摘要】在我们生活中, 在我们的周围和身体内都有其他生命体和我们共存。虽然有些微生物对我们的生存有害，但只要我们充分认识到我们所处的环境，认识到微生物也是生态环境的一部分，对人的生存也有着重要意义。而坚持可持续发展战略，那么，人类就能够在这微生物的世界里更好地生存。理性的看待微生物，合理的运用微生物，对我们生活水平的提高会有很大的帮助。【关键词】：微生物 人类 可持续发展 生存前言微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚，因而需要借助显微镜观察的微小生物。微生物种类繁多，至少有十万种以上。按其结构、化学组成及生活习性等差异可分成三大类。 一、真核细胞型微生物 细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如内质网、核糖体及线粒体等）。真菌属于此类型微生物。 二、原核细胞型微生物 细胞核分化程度低，仅有原始核质，没有核膜和核仁；细胞器不很完善。这类微生物种类众多，有细菌、螺旋体、支原体、立克次体、衣原体和放线菌。 三、非细胞型微生物 没有典型的细胞结构，亦无产生能量的酶系统，只能在活细胞内生长繁殖。病毒属于此类型微生物。微生物和人们的关系非常密切，人们无时无刻不在接触微生物。我们呼吸的空气，我们接触的物体上，我们的皮肤上、消化道内等等，都存在着很多微生物。它们有些是有害的，但也有些是有益的，还有一些是无害无益的。微生物的数量多得惊人，可以说，我们生活在微生物的海洋中。 微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。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。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。看上去，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。 1. 微生物学发展很快，在生活中也有着广泛应用。1 .1微生物在物质循环中的作用 1在生物圈内的物质循环过程中，以异样型微生物为主的分解者，在有机物的矿质化过程中有着不可替代的作用，它于生产者一起共同推动着生物内的物质循环，使生态系统保持平衡。例如，在碳素循环中，地球上 90% 的CO2是由微生物的生命活动产生的；在氮素循环中，固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用都有微生物的活动；在磷和硫的循环中同样也需要各种微生物的活动。 1.2 微生物和污水处理 2工业迅猛发展的同时也给人们带来了一定的环境污染。在众多的污水、废水处理方法中，生物学的处理方法因具有经济方便、效果好的突出优点而被广泛应用。在污水的生物学处理过程中，微生物起着特别重要的作用，它们能将水体中的含碳有机物分解成 CO2 、 H2S、CH4 等气体；将含氮有机物分解成氨、硝酸、亚硝酸和氮；能使汞、砷等对人类有毒的重金属盐在水体中进行转化，以便于回收或除去，使许多病原性寄生生物常因和环境不适而死去。 1.3有益于人体健康 人体肠道中含有很多种微生物，其中主要有大肠杆菌、产气杆菌、变形菌、粪产碱菌、产气荚膜梭菌、乳酸杆菌和螺旋体等。人体为这些微生物提供了良好的栖息场所，而这些细菌生活在肠道中能合成核黄素、维生素 B12 维生素 K 等多种维生素以及氨基酸以供人体吸收利用。2. 工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。2.1微生物在工厂中的应用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和皮革脱毛、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，发现了一系列和抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。2.2微生物在制药中的应用微生物制药是生物制药的一个重要的方面，微生物制药主要应用于以下方面：一、抗生素，目前已发现的天然抗生素约2/ 3 来源于链霉菌。利用链霉菌产抗生素能力和链霉素抗性基因之间的对应关系定向筛选正向突变株是目前农用抗生素科研领域的研究热点紫外诱变是菌种选育过程中最常用的诱变方法之一但该法导致的菌种突变是随机的正突变株的出现频率很低需要进行大量的筛选工作。通过将链霉素抗性筛选法和传统紫外诱变法结合可快速、有效的获得理想的抗生素高产突变株。二、甾体激素，甾体激素药物是仅次于抗生素的第二类药物由于其结构极其复杂目前利用全合成的方法比较困难通常以具有甾体母核结构的天然产物为原料采用半合成的方法改造后制得。以前生产甾体激素类药物以薯蓣皂素为起始原料，但自20世纪70年代以来薯蓣资源日渐枯竭皂素价格不断上涨促使国内外一些公司寻找和开发新的甾体激素药物的原料。植物甾醇的结构特点决定了它可以作为甾体激素药物半合成的原料。微生物选择性降解甾体侧链技术的发展使这些廉价易得的甾醇充分利用成为可能。三、微生物发酵制药，微生物有着非常强大的分解转化物质的能力并能产生丰富的次生代谢产物通过微生物的生长代谢和生命活动来炮制中药可以比一般的物理或化学的炮制手段更大幅度地改变药性提高疗效降低毒副作用扩大适应症。中药发酵制药技术是在继承中药炮制学发酵法的基础上吸取了微生态学研究成果结合现代生物工程的发酵技术而形成的高科技中药制药新技术是从中药天然药物 制药方面寻找药物的新疗效。四、酶抑制剂，酪氨酸酶广泛存在于自然界中其化学本质是含铜蛋白是黑色素生物合成的关键酶和限速酶。酪氨酸酶的活性和色素沉着性疾病、食品褐变等均有密切关系。抑制酪氨酸酶活性对人类皮肤色素疾病的治疗、食品保鲜及农业抗虫领域具有重要意义。2.3微生物在食品中的应用 自古以来，人类就在食品加工中应用微生物，只是不知其中的原理，如酿酒、制醋、及各种需要发酵的传统食物，如今，微生物在食品工业中的应用主要有以下一些：一、益生菌，是指通过改善肠道菌群微生态平衡而对宿主动物的健康产生有益作用的活体微生物。益生菌具有可以控制肠道感染，减缓乳糖不耐症，抗腹泻降低血浆胆固醇的含量，增强免疫力，防癌抑癌等功效。目前应用于人体的益生菌有双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、蜡样芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌、酵母菌等。在这些益生菌当中研究最多的要属乳酸杆菌属和双岐杆菌属等。对于芽孢杆菌属的研究相对较少。有研究表明芽孢杆菌属有着很强的营养特性，并且具有耐高温、耐酸碱的良好稳定性和优良的产酸、产酶、产维生素等性能，能保持较高活菌数，并且能够较好地发挥生理生化作用。二、微生物风味剂，酵母抽提物被誉为第三代调味剂，是以新鲜的酵母为原料，采用生物酶解技术，将酵母细胞内的蛋白质、核酸等进行生物降解精制而成的复合型天然调味料。其富含多种氨基酸、肽类物质、维生素等营养成分，已被广泛地应 用于食品工业。国内在酵母抽提物方面的研究尚处于起步阶段，由于其口感好，鲜度高，营养丰富等多方面的优点，将具有广阔的前景。三、微生物防腐剂，防腐剂是食品工业生产中最重要的添加剂之一，添加剂的安全性始终是一亟待解决的问题。随着对微生物研究的不断深入，各种天然防腐剂相继发现，这类防腐剂不仅安全无毒甚至对人体有保健作用。随着人们健康意识的提高，用微生物防腐剂代替化学防腐剂已成为食品保藏技术的发展趋势，对各种微生物防腐剂抑菌物质的鉴定，抗菌谱的确立， 食品毒理学分析等将成为研究的重点。另外，通过生物工程技术对抑菌物质的遗传调控进行研究，不仅具有理论意义而且有广泛的应用前景。在应用微生物防腐剂时可以同时使用几种或和来自动植物的防腐剂配合使用，利用他们之间的协同效应增强效果。2.4微生物在农业中的应用微生物肥料是以微生物的生命活动促使作物得到特定肥效的生物性肥料。微生物肥料的使用可减少化肥的使用量，提高化肥利用率，使用微生物肥料还可充分利用再生资源。要使微生物肥料在农业生产中有更好的应用，就要清楚微生物肥料的种类、作用效果、优势，微生物肥料的生产、开发，微生物肥料在实际中的应用，微生物肥料的研究进展及应用前景等。2.4.1微生物拌种剂用多孔物质吸附菌体的发酵液制成菌剂，用于拌种或蘸根。代表品种为各类根瘤菌肥料，主要应用于豆科植物，使其能在豆科植物根、茎上形成根瘤，同化空气中的氮素来供应植物氮素营养。也可将两种或两种以上微生物(固氮菌、芽孢菌或其它一些细菌)互不拮抗、互相有利，通过其生命活动使作物增产，其作用不仅提高营养元素的供应水平，还包括菌在繁殖过程中自身产生的各类植物生长刺激素，拮抗某些病原菌，达到抑制病害的目的，尤其是土传病害，例如线虫病害、全蚀病、青枯病、枯萎病等。有的菌剂能活化土壤中被固定的磷、钾矿物，使之被植物吸收。另一些菌剂能加速作物秸秆的腐熟和促进有机废物发酵3。2.4.2复合微生物肥料除了含有效微生物外，还有一些营养物质。根据营养物质的不同可分为：微生物和有机物复合；微生物和有机物质及无机元素复合。如果根据作用机理则可分为：以营养为主；以抗病为主；以降解农药为主；也可多种作用同时兼有3。2.4.3微生物肥料的作用效果 将微生物肥料应用于生产，可增进土壤肥力，协助植物吸收营养，增强植物抗病及抗旱能力，节约能源，降低生产成本，减少环境污染4。微生物肥料可以增加土壤中的氮素来源。多种分解磷、钾矿物的微生物，如一些芽孢杆菌、假单胞菌的应用，可以将土壤中难溶的磷、钾溶解出来，转变为作物能吸收利用的磷、钾离子，使作物生活环境中的营养充足4。微生物还含有调节植物生长的调节剂，氨基酸等5。多种微生物可以诱导植物的过氧化物酶、多酚氧化酶、苯甲氨酸解氨酶、脂氧合酶、几丁质酶等参和植物防御反应，利于防病抗病。有的微生物种类还能产生抗菌素类物质，有的则是形成了优势种群，降低了作物病虫害的发生。菌根真菌由于在植物根部的大量生长，其菌丝除可为植物提供营养元素外，还可增加水分吸收，有利于提高植物的抗旱能力4。微生物肥料和化肥、有机肥等混合施用，比传统施肥增产的报道占98%，其中增产幅度超过5%的报道占87.4%，超过10%的报道占56.6%。微生物肥料种类以固氮菌类、解磷细菌类、解钾细菌类和复合微生物肥料为主。菌根菌类、复合微生物肥料、PGPR类、氮菌类、光合细菌类和解钾菌微生物肥料的平均增产依次为22.3%、21.2%、16.5%、14.7%、13.6%和12.2%。1989年以来非根瘤菌类微生物肥料的文献以应用效果试验的报道为主，其中增产的、占98%4。除了上述特殊功能外，微生物菌肥还含有大量的微生物活体，施入土壤后，使土壤中微生物量、酶活性显著增加，促进土壤难溶性矿物质养分的释放。同时，某些微生物能产生植物激素，从而促进作物生长，有些真菌还能分解土壤中的有机物质，释放出糖类，促进固氮菌的生长，进一步提高土壤养分的有效性，而随着有益微生物的增加，还有拮抗病原生物的作用（其可分泌多种抗生素、杀虫物质及植物生长激素）。此外，由于有机物的矿化作用，可在土壤中产生大量的CO2，也增加了土壤的保温性能，同时土壤保肥、保水性能也得到加强。葛均青等研究认为，微生物肥料施入土壤后能活化土壤养分，改善植物营养环境或产生生理活性物质，刺激调节植物生长，具有低投入、高产出、高效益和无污染等特点。综上可以看出，微生物肥料的作用具有综合性。最主要的功能是它能增加土壤肥力，提高植物对土壤中营养元素的利用率5。3. 防止微生物污染的措施 3.1 防止贮粮霉变和真菌霉素污染防止贮粮霉变和真菌霉素污染的措施是：入仓前应降低粮食的含水量，除去破损、色变和霉变的籽粒；入仓后应创设干燥、低温和缺氧的环境，使霉菌失去生长繁殖的条件。3.2 工业器材的防腐问题 工业器材的防腐问题，日益受到人们的重视。目前分别采用对人和动物安全性高的高效杀菌剂，选用抗微生物腐蚀性的材料及含抗菌物质的材料做成涂膜，使器材和微生物隔离，以防止微生物的危害。4. 过度使用微生物的危害微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类和之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都和前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。随着社会发展，生物武器也随之出现，它就是利用微生物技术的代表。其中利用炭疽作为生物武器的，一度引起了世界的恐慌。2001年10月3日美国发生了炭疽事件，5人在短时间内暴死。炭疽恐慌逐渐散播到全世界，几乎各国都声称发现了病例，虽然大多被证实只是虚惊一场，但也着实让不少人惊出一身冷汗。因此，了解微生物，从而能有效的防御生物武器的袭击是十分重要的。少数微生物能引起人类和动物、植物发生病害，这类微生物被称为病原微生物。但正是这少数的病原微生物给人类带来了无数次的灾难。病原微生物可引起人类患各种疾病，影响人的健康、生活和生存质量，乃至致命。同时，它们以超乎想象的速度繁衍变种，原有的很多病原微生物得到了控制，新的病原微生物又出现了。在20世纪后半期HIV、西尼罗河病毒、莱姆病、军团病以及其他30余种疾病一个一个被发现。抗药性结核苗、耐抗生素肺炎链球菌、肺炎、脑膜炎、狂犬病等也都在20世纪末期泛起。和此同时，SARS、禽流感、口蹄疫等致病性微生物引起的传染病又成为新的威胁，它可能在极短的时间内夺取成千上万人的性命。人类又一次比以往更为紧迫地投入到和病原微生物新的一轮搏斗中。5.合理运用微生物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。世界权威性杂志科学曾将微生物基因组研究评为世界重大科学进展之一。通过基因组研究揭示微生物的遗传机制，发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗，开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药物，将对有效地控制新老传染病的流行，促进医疗健康事业的迅速发展和壮大!作为发酵工厂中的小“工人”，微生物占据了相当重要的一个环节。比如植物的育种，用到诱变育种、原生质体融合技术，产生新的遗传基因的植物，加快植物进化，选取出更优良的植株。还有工业发酵，依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶