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微生物与人类发展 2013年11月2日微生物与人类发展摘要：本文较为系统地概述微生物与人类间的密切关系，通过对环境保护和环境预防、治理的分析，从“可持续发展”方向分析和例证了微生物科学在环境应用上的价值和前途。关键词：微生物人类环境污染 可持续发展Microorganisms and human development（Inner Mongolia university of science and technology institute of rare earth rare earth engineering）Abstract： This article systematically Outlines the close relationship between microorganism and human, through the analysis of environment protection and environment prevention, management, analysis and examples from sustainable development direction of microorganism science in environment application value and prospects.key words： Microorganism Environmental pollution sustainable development1微生物学的发展历史人类对微生物的利用甚早。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。公元前14世纪的书经上记载着“著作酒醴尔惟曲蘖”，意思是如果要酿酒的话，就要将发芽的谷物发霉而做成曲种。在公元6世纪，后魏贾思勰所著的齐民要术一书中就详细记载了制曲和酿酒的技术，还记载了栽种豆科植物可以肥沃土壤，当时虽不知根瘤菌的存在，也不知固氮作用，而会利用根瘤菌积累氮肥，等等。19世纪末和20世纪初，微生物学被牢固地建立起来。其后，它的主要发展有两个方面：一是研究传染病和免疫学，研究疾病的防治和化学治疗剂的功效；另一方面是和遗传学的结合。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、微生物生态学、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、环保微生物学、石油微生物学等等，所以，微生物学的发展历史是辉煌的。2微生物学在动植物及人类生命活动中的作2.1微生物在植物生命活动中的作用2.1.1.源源不断地供给植物所需要的原料绿色植物最大的特性就是能将自然界中的无机物转化成有机物，即通过光合作用将CO2和H2O合成糖类等有机物，能将无机态氮和各种的矿质元素转化成其他有机物 1。而这些无机物的源源不断供应就依赖微生物将大量的有机物分解成无机物和CO2，归还到土壤和大气中，以供植物用来合成有机物。据估计，地球上的CO2有90是靠微生物的分解作用形成的。2.1.2.提高土壤肥力，增加粮食产量土壤是植物生长发育的基地，它最根本的特征是具有肥力，即具有能够提供植物生长发育需要的水分养分和空气。因此，植物生长良好与否直接依赖于土壤肥力，而土壤肥力的发展又依赖于其中的微生物活动具体表现如下：固氮微生物可把大气中的氮转化为氮素化合物，供植物吸收；土壤中的各种植物残残体及排泄物，通过土壤微生物的作用，分解和转化，形成腐殖质把分散的土壤颗粒粘结成稳固的团粒结构，从而改善了土壤的水、肥、气等条件，提高土壤肥力；土壤中某些处于有机或无机状态的养分，通过土壤中多种微生物的分解，使之成为植物所利用的状态。如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。2.2微生物在动物生命活动中的作用2.2.1.提高动物摄取营养物质吸收利用率动物区别于植物的显著特点之一，就是动物本身不能直接将环境中的无机物转化成为有机物。因此，动物只有直接或间接地摄取现成的有机物，作为自身的营养物质。而微生物能提高动物摄取营养物质的吸收利用率。例如植食性动物，它们所摄取的营养物质中含有极高的纤维素，不易被消化利用。因此人们采取细菌饲料或发酵饲料方法，其目的是利用微生物所具有的分解多糖物质的各种酶，进行直接的分解和降解有机废弃物的主要成分纤维素、半纤维素、木质素、果胶质等。据试验分析：经培养蘑菇后的稻草、麦秆，粗蛋白含量增加23倍，粗脂肪提高25倍，而畜禽难以吸收利用的纤维素降低2050，木质素降低2030 11。2.2.2.增加了动物的生产效益据报道：用稻草加入牛粪发酵制成蘑菇培养料，除产出大量鲜菇外，将收菇后的培养料用来喂猪，其营养价值相当于2号米糖。还有饲料中加入5饲料酵母，对猪增重提高1520，对鸡可提高产蛋率2030，对奶牛每吨饲料可增产牛奶67吨。2.3微生物在人类生命活动中的作用2.3.1净化人类生存的基地环境的好坏也就直接影响人类的生命活动。当今随着工业的迅速发展、人口高度的密集，将污水、污物注入水体，造成环境严重的污染，直接危害人类的身体健康，乃至生命。为了保护环境，除去环境中对人类有害的物质，现在采取了微生物的处理办法：即利用微生物将含碳有机污物分解成CO2、H2S等气体；将含氮有机污物分解成氨、硝酸、亚硝酸等；将汞、砷对人类有毒的重金属在水体中得到转化，达到污水净化目的。2.3.2提供人类生存的物质人类要生存，必须有最起码的衣、食、住行等物质的提供。这些物质的提供离不开生物，即动植物。随着人类生活水平的不断提高，需求的物质就更加丰富。而微生物学的不断发展和研究，提供了大量而丰富的物质资源。例如应用于酿造工业、发酵工业的酒精酵母菌、啤酒酵母菌、葡萄糖酵母菌等，生产出大批的工业酒精、葡萄酒、啤酒，既发展了工业，又丰富了人类的物质需求；应用于医药工业的多种抗菌素，生产出了各种菌苗、疫苗以及抗菌素等，丰富了治病的药品，提高了治病的效益，保障人类的身体健康；为了解决能源在农村中的不足，充分利用微生物的分解作用，利用畜禽粪便以及用过的培养饲料生产沼气，解决人类的照明、做饭和生产等方面的问题，提高了生物能的回收和利用效率4。3微生物技术在环境污染治理领域的应用与发展空气、水体和土地资源的污染越来越严重，不但影响了国民经济的可持续发展，甚至已威胁到人类的健康、智力乃至生存，因此全球各国近几年都在寻找新的途径和方法，以治理和解决环境污染问题7。以下重点介绍几项经多年开发，已接近产业化的微生物技术。3.1微生物脱硫技术煤炭是世界能源的重要组成部分，我国是世界上最大的产煤国和煤消耗国，煤炭占我国一次能源的3/4，高硫煤储量约占总储量的1/3，并且高硫煤开采比例也逐年上升，而黄铁矿硫约占总硫的60%。煤中通常含有0.257%的硫，如我国西南地区煤平均含硫量为3.23%，西北地区为3.05%，中南地区为2.02%，华北地区为1.65%。煤炭中的硫分为可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸盐，可燃硫包括无机硫和有机硫。可燃硫经燃烧生成SO2随烟气排入大气，导致了严重的环境污染，造成的经济损失每年达数百亿元。据报道，1997年，我国的SO2年排放量已达2 346万吨，居世界第一位，62%的城市大气SO2日平均浓度超过国家三级标准；全国酸雨区面积已占国土面积的30%，华中酸雨区酸雨频率高达90%以上3。预计2000年我国一次能源的消耗量将超过12亿吨。SO2年排放量将会达到3822万吨。中国21世纪议程中指出：“发展少污染的洁净煤技术是中国政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要方面，也是促进中国以煤为主的能源系统向环境无害的可持续发展的模式转变的战略组成部分。”可见洁净煤是中国能源的未来。近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合，即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水12性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。另外，该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，所以也具有脱去灰分的优点。目前，浮选法微生物脱硫已成为国际上洁净煤技术开发的热点。3.2污染土壤的微生物修复当代工业的迅速发展，大量的人造化学物质排放入环境中，对资源和环境构成越来越严重的破坏。化石燃料的开采和使用，工业三废的排放，给我们赖以生存的环境造成难以估量的污染，比如在国外仅石油的开采、运输、储存以及事故性泄漏等原因造成每年约有1000万吨石油烃进入环境(不包括石油加工行业的损失)，另外全世界各国每年大约使用1500万吨的各种农药广泛喷洒于面积巨大的农田，引起土壤、地下水、水系和海洋的严重污染，破坏生态平衡，不仅制约了经济的发展，而且影响到人类的健康和生存。我国如华北油田周围的很多农田由于原油污染而无法耕种，每年都要支付大量资金作为对农民的赔偿15。黄河水系年平均含油最高可达4.82mg/L，辽河水系年平均含油最高可达7.68mg/L，明显地超过了国家三级地面水的标准（0.1mg/L。有的甚至污染到地下水资源，如山东淄博地区地下水最高含油达到了100mg/L以上，超过国家标准(0.1mg/L1000倍以上。全国各地的储油场所也已开始渗漏污染到地下水，严重威胁了地下水资源的水质，石油污染是1998年发生在渤海的1 万平方公里赤潮的主要原因之一6。有鉴于此，世界各发达国家纷纷制定了环境修复计划，如：荷兰在80年代已投资15亿美元进行土壤污染的修复，德国在1995年一年就投资60亿美元净化土壤污染，英国、法国、日本、俄罗斯等也相应投巨资进行环境污染的修复。美国在90年代中，每年都投资几百亿美元进行污染环境的修复，如果采用传统的修复方法(物理和化学方法)来治理美国本土陆地上的环境污染，就需要投资1.7万亿美元，而如果采用微生物修复技术，而只需34006000亿美元的投资，也就是传统方法所需投资的1/51/314。在今后若干年内，美国市场对微生物修复技术服务及其微生物产品的需求将以每年15%或更高的速度增长，到2000年微生物修复技术的纯利润将超过5亿美元。针对严重污染的环境，我国尚未采取大规模的治理措施，仅在少数地区开展了治理，并以物理化学方法(如洗脱、吸附)为主，不仅投资成本高，而且也造成了二次污染。我们的国土面积比美国略大，且环境污染还更为严重，对全国范围的污染环境进行修复，若采用传统方法，即使考虑劳动力相对便宜的因素，其投资规模将仍然非常庞大，如采用微生物修复技术，不仅其投资规模大为缩小(仅需传统方法的1/51/3)，而且还没有二次污染8。综上所述，环境污染的微生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展方向，具有广阔的市场和发展前景。4微生物与人类可持续发展 人类的生存繁衍和可持续发展依赖于良好的生活环境、安全的食品和水源。然而，由于各种各样的原因，人类生存的环境包括土壤、水域、大气受到污染，甚至是严重污染，进而通过植物、动物各级生物链污染人类食物和饮用水7。许多环境污染物是人类体内激素的替代物和干扰物，具有类似人类体内激素的生理特性、能干扰内分泌系统的正常生理活动，称之为环境激素。这些环境激素可以严重损伤和破坏男性的生殖能力，明显引发女性乳腺癌等女性疾病，诱发少年儿童的性早熟，引发人类不正常心理情绪与行为19。在人类进入 21 世纪之初之际，不得不痛苦地面对自身造成的污染环境，因为环境污染危机已经直接威胁到人类本身的生存繁衍和可持续发展。 4.1微生物与生态环境 保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍、并能生产安全食品的良好环境，是人类生存所面临的重大任务。随着工农业生产的发展和人民对生活环境质量要求的提高，对于进入环境的日益增多的有机废水污物和人工合成有毒化合物等所引起的污染问题，越来越受到关注。而微生物是这些有机废水污物和合成有毒化合物的强有力的分解者和转化者，起着环境 “ 清道夫 ” 的作用。而且由于微生物本身所具有繁衍迅速、代谢基质范围宽、分布广泛等特点，它们在清除环境 ( 土壤、水体 ) 污染物中的作用和优势是任何其他理化方法所不能比拟的5。因此正广泛应用微生物来处理有机废水和污物，进行污染土壤的微生物修复。某些微生物也以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危害着人类健康。 利用微生物生产可生物降解塑料替代目前正在大规模使用的非生物降解塑料。 4.2微生物学与农业 农业是人类赖以的最重要的客观基础。微生物学不仅与农业生产密切相关，而且与食品安全和品质改善密切相关。 土壤的形成及其形成其肥力的提高有赖于微生物的作用。土壤中含氮物质的最初来源是微生物的固氮作用。土壤中含氮物质的积累、转化和损失，土壤中有机质尤其是腐植质的形成和转化、土壤团聚结构的形成、土壤中岩石矿物变为可溶性的植物可吸收态无机化合物等等过程都与微生物的生命活动相关13：由于微生物的话动，使得土壤具有生物活性性能，推动着自然界中最重要的物质循环，并改善着土壤的持水、透气、供肥、保肥和冷热的调节能力，有助于农业生产。 随着人类对环境和食品安全质量的要求愈来愈高，易造成环境和食品污染的化学农药、化学化肥愈来愈不受欢迎，绿色农业或有机农业、绿色食品的呼声愈来愈高。而绿色农业或有机农业、绿色食品离不开微生物的作用。在农业生产过程中，农作物的防病、防虫害也与微生物密切相关。植物的许多病其病原就是各类微生物，而反过来也可以利用某些微生物来防治农作物的某些病虫危害。有机肥的积制过程实际上就是通过微生物的生命活动，把有机物质改造为腐殖质肥料的过程。有机和无机肥料施人土壤后，只有一部分可被植物直接吸收，其余部分都要经过微生物的分解、转化、吸收、固化，然后才能逐渐并较长时间地供给植物吸收利用17。许多微生物能固定大气中的氮素，为植物提供氮素营养。农产品的加工、贮藏，实际上很多是利用有益的微生物作用或是抑制有害微生物的危害的技术。微生物学是农业科学的重要基础理论的 部分。随着科学技术的发展，微生物学与农业科学之间的关系必将越来越密切，微生物学对现代农业科学的影响也必将越来越大。 4.3利用微生物生产可持续的清洁能源 化学燃料不仅是一次性能源，而且燃烧过程中对于环境的污染是一个众所周知的严重问题。由于微生物可以转化农业和某些工业有机废弃物为氢气和乙醇等，不仅消除了环境的有机污染物又可生产如氢气、乙醇、甲烷等无污染的清洁能源，对于人类的可持续发展具有巨大的推动作用。 4.4丰富的微生物资源及其产物为人类的可持续发展提供新的支持与发展点 由于微生物本身的特点和代谢产物的多样性，利用微生物生产人类战胜疾病所需的医药制品正受到广泛重视。当今人类正面临着空前的健康安全威胁，不仅许多给人类造成巨大灾难的疾病在卷土重来，如肺结核、霍乱等，而且很多不明原因、尚无有效控制办法的疾病正不断出现，如艾滋病、疯牛病、埃博拉病毒病、非典型肺炎即严重急性呼吸系统综合症18，等等。然而这些疾病的传染控制与治疗，将在很大程度上需要应用已有的和正在发展的微生物学理论与技术，并依赖于新的微生物医药资源的开发与利用。利用微生物生产多糖制作人类保健品；等等。微生物是各无穷无尽的资源宝库，利用和开发微生物必将为人类的生存和可持续发展作出巨大贡献。5 微生物技术前景展望自本世纪70年代以来，发达国家就十分重视微生物技术在环境领域的应用，并开展了大规模的科研活动。已开发了一系列的微生物技术及其产品，并在世界上广泛应用于污水处理、大气净化及污染环境介质治理等诸多方面。当前，环境微生物技术在国际上已进入蓬勃发展的轨道。随着全球范围内对环境保护的高度重视和越来越严厉的环境法，市场对环境微生物技术的需求越来越广泛。我国的微生物技术处于刚刚起步阶段。该技术的进一步开发需要得到社会、同行及主管部门的广泛支持，大力开展以污染控制技术为主体的微生物技术的研究，将大力推进微生物技术在环境保护中的应用，并发展带动整个环保科技的发展，解决我国目前和未来面临的严峻的环境保护问题，并为环保市场提供高品质的环境保护高技术10。应该充分认识到环境保护和社会、经济发展的重大意义。参考文献：1. 倪丽娜等. 现代生物技术在环境微生物学中的应用. 氨基酸和生物资源, 2002年第24期. 2. 钟鸣等.微生物分子生态学技术及其在环境污染研究中的应用.应用生态学报,2002年2月第13卷第2期. 3. 余莉萍等.环境生物技术的应用及发展趋势.城市环境与城市生态，2002年4月. 4. 黄泽春等.陆地生态系统中水溶性有机质的环境效应生态学报，2002年2月第22卷2期. 5. 陈家长等.利用有益微生物改善养殖生态环境的研究.湛江海洋大学学报，2002年8月第22卷第4期. 6.张甲耀等.生物修复技术研究进展.应用与环境学报7 .任南琪 马放等。污染控制微生物学8 .王家玲李顺鹏黄正等。环境微生物学（第二版）9 .沈德中。污染环境的生物修复。北京：化学工业出版社，200210 .陈守文喻子牛等。微生物生物技术。北京：科学出版社，200211 . 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