微生物學前景

微生物學前景微生物學前景 作者 hampc 出自 hampc 瀏覽 評論 1 381 6 日期 2006年10月12日 22 55 一 微生物學在解決人類面臨的五大危機中的作用 人所共知 當前人類正面臨著多種危機 諸如糧食危機 能源匱乏 資源緊缺 生態(tài) 惡化和人口爆炸等 人類進入21世紀后 將遇到從利用有限的礦物資源時代過渡到利用無 限的生物資源時代而產(chǎn)生的一系列新問題 由于微生物細胞不僅是一個比面值 specificsurface 大 生化轉(zhuǎn)化能力強 能進行快速自我復制的生命系統(tǒng) 而且它們還具 有物種 遺傳 代謝和生態(tài)類型的多樣性 使得它們能夠在解決人類面臨的各種危機中發(fā) 揮其不可替代的獨特作用 現(xiàn)分述如下 一 微生物與糧食 糧食生產(chǎn)是全人類生存中至關(guān)重要的大事 微生物在提高土壤肥力 改進作物特性 如構(gòu)建固氮植物 促進糧食增產(chǎn) 防治糧食作物的病蟲害 防止糧食霉腐變質(zhì)以及把多 余糧食轉(zhuǎn)化為糖 單細胞蛋白 各種飲料和調(diào)味品等方面 都可大顯身手 二 微生物與能源 當前 化石能源日益枯竭問題正在嚴重地困擾著世界各國 微生物在能源生產(chǎn)上有其 獨特的優(yōu)點 把自然界蘊藏量極其豐富的纖維素轉(zhuǎn)化成乙醇 據(jù)估計 我國年產(chǎn)植物秸 稈多達5 6億噸 如將其中的10 進行水解和發(fā)酵 就可生產(chǎn)燃料酒精700 800萬噸 余 下的糟粕仍可作飼料和肥料 以保證土壤中鉀 磷元素的正常供應(yīng) 目前已發(fā)現(xiàn)有高溫厭 氧菌例如 Closiridiumthermocellum 熱纖梭菌 等能直接分解纖維素產(chǎn)生乙醇 利用產(chǎn) 甲烷菌把自然界蘊藏量最豐富的可再生資源 生物量 biomass 轉(zhuǎn)化成甲烷 這是一 項利國 利民 利生態(tài) 利子孫的具有重大戰(zhàn)略意義的措施 利用光合細菌 藍細菌或 厭氧梭菌類等微生物生產(chǎn) 清潔能源 氫氣 通過微生物發(fā)酵產(chǎn)氣或其代謝產(chǎn)物來提 高石油采收率 研究微生物電池并使之實用化 三 微生物與資源 微生物能將地球上永無枯竭之虞的纖維素等可再生資源轉(zhuǎn)化成各種化工 輕工和制藥 等工業(yè)原料 這些產(chǎn)品除了傳統(tǒng)的乙醇 丙酮 丁醇 乙酸 甘油 異丙醇 甲乙酮 檸 檬酸 乳酸 蘋果酸 反丁烯二酸和甲叉丁二酸等外 還可生產(chǎn)水楊酸 烏頭酸 丙烯酸 己二酸 丙烯酰胺 癸二酸 長鏈脂肪酸 長鏈二元醇 2 3 丁二醇 亞麻酸油和聚羥 基丁酸酯 PHB 等等 由于發(fā)酵工程具有代謝產(chǎn)物種類多 原料來源廣 能源消耗低 經(jīng)濟效益高和環(huán)境污染少等優(yōu)點 故必將逐步取代目前需高溫 高壓 能耗大和 三廢 嚴 重的化學工業(yè) 微生物在金屬礦藏資源的開發(fā)和利用上也有獨特的作用 第九章中已述及的細菌瀝濾 技術(shù) 就可把長期以來廢棄的低品位礦石 尾礦 礦渣中所含的銅 鎳 鈾等十余種金屬 不斷溶解和提取出來 變成新的重要資源 四 微生物與環(huán)境保護 在環(huán)境保護方面可利用微生物的地方甚多 利用微生物肥料 微生物殺蟲劑或農(nóng)用 抗生素來取代會造成環(huán)境惡化的各種化學肥料或化學農(nóng)藥 利用微生物生產(chǎn)的 PHB 制 造易降解的醫(yī)用塑料制品以減少環(huán)境污染 利用微生物來凈化生活污水和有毒工業(yè)污水 利用微生物技術(shù)來監(jiān)察環(huán)境的污染度 例如用艾姆氏法檢測環(huán)境中的 三致 物質(zhì) 利用 EMB 培養(yǎng)基來檢查飲水中的腸道病原菌等 五 微生物與人類健康 微生物與人類健康有著密切的關(guān)系 首先是因為各種傳染病構(gòu)成了人類的主要疾病 而防治這類疾病的主要手段又是各種微生物產(chǎn)生的藥物 尤其是抗生素 自從遺傳工程開 創(chuàng)以來 進一步擴大了微生物代謝產(chǎn)物的范圍和品種 使昔日只由動物才能產(chǎn)生的胰島素 干擾素和白細胞介素等高效藥物紛紛轉(zhuǎn)向由 工程菌 來生產(chǎn) 與人類生殖 避孕等密切相 關(guān)的甾體激素類藥物也早已從化工生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)向微生物生物轉(zhuǎn)化 biotransformation 或 bioconver sion 的生產(chǎn)方式 此外 一大批與人類健康 長壽有關(guān)的生物制品 例如疫苗 菌苗和類毒素等均是微生物的產(chǎn)品 無怪乎有人估計 自從發(fā)明種痘以來 人類平均壽命 提高了10歲 而自從發(fā)現(xiàn)抗生素以來 平均壽命又提高了10歲以上 當然 要制止人口的 過度增長就不光是微生物學范圍內(nèi)的事了 二 現(xiàn)代微生物學的特點及其發(fā)展趨勢 當前 由于分子生物學研究的逐步深入 各種新方法 新技術(shù)在微生物學研究中的廣 泛應(yīng)用 各學科間的積極滲透和交叉 以及生產(chǎn)實踐中大量有關(guān)問題的提出 為微生物學 的發(fā)展提供了巨大的推動力 總的看來 現(xiàn)代微生物學的特點和發(fā)展趨勢有以下六個方面 一 研究工作向著縱深方向和分子水平發(fā)展 由于分子生物學的飛速發(fā)展 使整個生命科學都推進到分子水平上來了 微生物學也 不例外 當前 在微生物領(lǐng)域中的幾乎所有問題都深入到分子水平上進行了深入的研究 諸如細胞構(gòu)造和功能 微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收機制 生長 繁殖和分化 代謝類型 途 徑和調(diào)控 遺傳 變異和進化 傳染和免疫 以及分類和鑒定 等等 二 在基礎(chǔ)理論深入研究的基礎(chǔ)上 一批新的學科 或潛學科 正在形成 例如真菌毒素 學 細菌質(zhì)粒 學 微生物分子育種 學 重組微生物生理學 原生質(zhì) 體融合遺傳學 極端環(huán)境微生物學 菌種保藏 學 混菌發(fā)酵生理學 甲烷菌生物學 厭 氧菌生物學 古細菌 學 亞病毒 學 微生物酶學 固氮生物化學 固氮遺傳學 微 生物分子遺傳學 微生物生態(tài)遺傳學 微生物生物轉(zhuǎn)化 學 等等 三 微生物學與其他學科的滲透 交叉和融合 形成了新的邊緣學科 在學科的發(fā)展中 各學科間的相互滲透 交叉和融合 往往起著生長點和帶頭的作用 其結(jié)果不僅產(chǎn)生了一系列新概念 新理論和新技術(shù) 而且會形成一系列具有旺盛生命力的 新的邊緣學科 這或許就是學科間的 互補 共生 或 雜種優(yōu)勢 效應(yīng)的一種體現(xiàn) 這類例 子很多 例如分析微生物學 化學分類學 微生物數(shù)值分類學和微生物地球化學 等等 四 新技術(shù) 新方法在微生物學中的廣泛應(yīng)用 在現(xiàn)代的數(shù) 理 化和多門工程技術(shù)學科的推動下 為微生物學的發(fā)展創(chuàng)造了空前的 有利條件 它主要體現(xiàn)在新方法 新技術(shù) 新儀器 新裝備和新試劑的提供上 例如同位 素標記技術(shù) 電子顯微鏡技術(shù) X 射線衍射技術(shù) 電子計算機技術(shù) 超離心技術(shù) 電泳技 術(shù) 層析技術(shù) 離子交換技術(shù) 質(zhì)譜技術(shù) 分光光度計技術(shù) 細胞破碎技術(shù) 免疫學技術(shù) 氨基酸自動分析技術(shù) 核酸自動合成技術(shù) 蛋白質(zhì)或核酸的順序測定技術(shù) 低溫技術(shù) 新 型微生物培養(yǎng)技術(shù) 微生物計數(shù)技術(shù) 微生物快速鑒定技術(shù) 固定化生物催化劑技術(shù) 微 量物質(zhì)的分離 純化和測定技術(shù) 等等 這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用 大大促進了對微生物細胞 的結(jié)構(gòu)與功能的研究 把原來以靜態(tài) 描述 定性為主的研究逐步提高到以動態(tài) 定量 定序和定位的新的研究水平上 五 向著復合生態(tài)系統(tǒng)和宏觀范圍拓寬 在生物圈中 微生物的生存范圍是最廣 最立體化的 當人們對身邊的常見微生物作 了一定的研究后 其興趣便逐步轉(zhuǎn)向更廣 更不易觸及的空間和各種復合生態(tài)系統(tǒng) 接踵 而來的就是又一批新學科的誕生和發(fā)展 例如極端環(huán)境微生物學 資源微生物學 熱帶真 菌學 地下生態(tài)學 土壤微生物生態(tài)學 陸地微生物生態(tài)學 海洋微生物生態(tài)學 大氣微 生物生態(tài)學以及宇航微生物生態(tài)學 等等 六 一大批應(yīng)用性高技術(shù)微生物學分科正在孕育和形成 微生物學是一門高度扎根于生產(chǎn)實踐的學科 當代應(yīng)用微生物學所包括的分支學科越 來越多 它們具有交叉性強 自覺度高和覆蓋面廣等特點 交叉性強 例如發(fā)酵工程學 細菌冶金 學 水處理微生物學 真菌遺傳工程學 微生物生態(tài)工程學 農(nóng)業(yè)微生物學以 及生物工業(yè)等 自覺度高 當前 在分子生物學理論和實踐的帶動下 很多應(yīng)用性的生 物學科都在朝著目的性強 自覺度高 可控性強和工效高的方向發(fā)展 一批標以 工程 名 稱的學科就是其中的代表 例如基因工程 細胞工程 生化工程 酶工程 蛋白質(zhì)工程和 最新的代謝途徑工程 pathwayengineering 等 覆蓋面廣 從大的方面來看 微生物的 應(yīng)用范圍主要聯(lián)系著工業(yè) 農(nóng)業(yè) 醫(yī)藥 環(huán)保和國防等領(lǐng)域 從細的方面來看 每個大領(lǐng) 域又可分出若干個分支領(lǐng)域 例如細菌冶金 學 污水處理微生物學 沼氣發(fā)酵微生物學 應(yīng)用土壤微生物學 微生物生物防治 學 農(nóng)用抗生素學 食用蕈菌學 藥用真菌學 藥 用微生物學 以及人畜共患微生物學 等等 三 微生物在 生物學世紀 中的作用 當前 不少有遠見卓識的科學家都同意 21世紀將是生物學世紀 的見解 其主要原因 有四方面 由物質(zhì)運動發(fā)展的規(guī)律所決定 物質(zhì)運動一般由機械運動 物理運動 化學 運動 生命運動方向發(fā)展 復雜的運動規(guī)律必須建立在簡單運動規(guī)律基礎(chǔ)上 目前 人類 對機械運動 物理運動和化學運動的客觀規(guī)律已經(jīng)有了深刻的認識 因此 為人類進一步 認識生命運動規(guī)律提供了良好的基礎(chǔ)和提出了迫切的任務(wù) 由生物界的多樣性及對其認 識的長期性所決定 生物界的多樣性正是它有別于非生物界的主要特點之一 人類對生物 界多樣性的認識還處在低級階段 而生物界的多樣性恰恰是人類賴以生存的主要物質(zhì)基礎(chǔ) 由當代人類面臨的五大危機及其解決的迫切性所決定 由其他學科對生命科學的促進 和生命科學對其 反饋 或 回敬 的規(guī)律所決定 在 生物學世紀 中 微生物學將起著特別重要的作用 在自然科學中 如果說生命科學還 是一個 朝陽科學 的話 則微生物學只能認為是一門 晨曦科學 如果說微生物學是一個 富礦 的話 則目前它還是一個 剛剝?nèi)ヒ粚颖硗恋母坏V 這是因為在微生物中存在著高 度的物種 遺傳 代謝和生態(tài)類型的多樣性 微生物的多樣性構(gòu)成了微生物資源的豐富性 而微生物資源的豐富性則決定了對它的研究 開發(fā)和利用的長期性 人類對豐富的微生物資源的開發(fā)工作 還只能說剛開了一個頭 不管如何估計 微生 物界 包括病毒在內(nèi) 的物種總數(shù)應(yīng)大大超過動 植物界物種總數(shù)之和 目前約知道有150 萬種 可是目前前者至多還只有后者的1 10 而據(jù)科學估計 在自然界真正存在的動 植物物種數(shù)至少還要比現(xiàn)今知道的數(shù)字大好幾倍 從以下幾個事實就可充分證明微生物資源將是多么豐富 微生物的新種數(shù)每年正在 急劇地增長著 僅形態(tài)較大的真菌每年即有1500種新種記載 在土壤中約有90 的微生 物還無法在實驗室中加以培養(yǎng) 其中有不少被稱作 活的不可培養(yǎng)狀態(tài)的細菌 viablebutuncultur ablestatebacteria 由于幾乎在所有動 植物和微生物中都找到了相 應(yīng)的病毒 因此可以想象 在微生物中 僅病毒的種數(shù)即有可能接近甚至超過其他動 植 物和微生物種數(shù)之總和 更何況有的一種宿主可同時有多種病毒寄生呢 例如僅人類病毒 目前就發(fā)現(xiàn)300多種 人類真正研究微生物的歷史還只有130年左右 可以想象 今 后的微生物資源該可發(fā)現(xiàn)和利用多少 在曾描述的微生物中 被人類利用的種數(shù)大約還未超過1 例如 在約1萬種大型蕈 菌中 有30多屬即2000種左右是可食用的 但至今只有80種在實驗室作過栽培試驗 約有 20種作了商業(yè)性栽培 而市場上常見的僅5 6種而已 至于對微生物特種代謝類型 例如極端環(huán)境下微生物的開發(fā) 還停留在起跑線上呢 四 大力開展我國微生物學研究 由于歷史等的原因 目前我國微生物學離國際先進水平還有很大的差距 作為中華民 族的子孫 有義務(wù)為使我國科技水平趕超國際水平而努力 微生物學工作者自然責無旁貸 要發(fā)展我國的微生物學 必須從我國具體國情出發(fā) 在有限的條件下 集中主要人力 物力 攻占一些具有我國特色 又有一定基礎(chǔ) 在學術(shù)上和經(jīng)濟 社會效益上較明顯的少 數(shù)項目作為突破口 做到突破一點 帶動一片 再逐步擴大戰(zhàn)果 因此現(xiàn)階段的研究重點 應(yīng)放在應(yīng)用性理論的研究上 一 資源調(diào)查與分類鑒定 我國土地廣袤 地形復雜 地跨寒 溫 熱三帶 生態(tài)環(huán)境多樣 是一個難得的微生 物資源大國 可是 目前資源調(diào)查與分類鑒定隊伍薄弱 技術(shù)較落后 發(fā)表的成果較少 據(jù)統(tǒng)計 我國目前研究過的細菌和真菌數(shù)均僅占全世界已知數(shù)的5 10 在這一領(lǐng)域內(nèi) 我們要努力調(diào)查有我國特色的 近期有應(yīng)用前景的菌種資源 并借此來帶動形態(tài) 分類和 鑒定 尤其是新的鑒定手段 工作的開展 例如 固氮微生物資源的調(diào)查 根瘤菌的分類 鑒定 新型拮抗性放線菌的篩選與化 學分類學的研究 菌根資源的調(diào)查 食用與藥用真菌資源的調(diào)查和真菌分類系統(tǒng)的研究 蟲生微生物和昆蟲桿狀病毒資源的調(diào)查 主要作物病毒病原的分離 檢測及其病害防治的 研究 單細胞蛋白 SCP 資源的開發(fā) 極端微生物 尤其是嗜鹽 嗜堿和嗜熱菌 資源 的調(diào)查和菌種分類鑒定的研究 等等 二 生理代謝與發(fā)酵工程 生理代謝研究的成果可促進發(fā)酵工程 農(nóng)業(yè)和醫(yī)學微生物等多個應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展 在 這方面應(yīng)開展的研究項目甚多 例如重組微生物生理學 固定化微生物生理學 混菌培養(yǎng) 微生物生理學 極端微生物生理學 光合細菌生理學 厭氧菌生理學 固氮生物化學 次 生代謝產(chǎn)物 例如抗生素 合成途徑與代謝調(diào)控 多級連續(xù)培養(yǎng)動力學 胞外酶分泌機制 酶抑制劑與激活劑 高密度菌體的生長規(guī)律 非糧食發(fā)酵原料的研究 發(fā)酵生產(chǎn)中提高產(chǎn) 物濃度 轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)率 g L h 等參數(shù)的研究 液體發(fā)酵中氧載體的研究 纖維素 木質(zhì)素和半纖維素的微生物分解機制 微生物產(chǎn)氫機制 生物傳感器 biosensor 的研究 電子計算機在線控制發(fā)酵的研究 中草藥有效成分對病毒的抑制 工業(yè)產(chǎn)品的霉腐機制 厭氧菌代謝產(chǎn)物的調(diào)查和利用 等等 三 遺傳變異與菌種選育 微生物種質(zhì)資源的研究及其改良是微生物學中一項長期的不可缺少的工作 自從遺傳 工程問世以來 使微生物遺傳育種工作登上了一個新的臺階 在遺傳變異與菌種選育領(lǐng)域 中 值得進一步研究的問題如下 微生物分子育種原理與技術(shù) 原生質(zhì)體育種的原理與技術(shù) 重組菌的遺傳穩(wěn)定性 放線菌 遺傳學 與發(fā)酵工程有關(guān)的各種新型受體 載體系統(tǒng)的建立 如芽孢桿菌 棒桿菌 酵母菌 放線菌 絲狀真菌 若干極端微生物 根瘤菌遺傳學 固氮基因?qū)敕嵌箍浦参?分解纖 維素 木質(zhì)素 半纖維素工程菌的組建 致病菌耐藥性的遺傳學原理 以及傳統(tǒng)菌種篩選 技術(shù)的突破 等等 四 生態(tài)學理論與環(huán)保實踐 在微生物生態(tài)學的研究領(lǐng)域內(nèi) 深入的工作還較罕見 有大量的工作等待著人們?nèi)パ?究 例如土壤中微生物新類群的調(diào)查 土壤微生物的群體結(jié)構(gòu)與功能 共生和致病微生物 與宿主相互識別的分子基礎(chǔ) 用微生物防治病蟲害的理論基礎(chǔ) 我國傳統(tǒng)釀造中的微生物 生態(tài)問題 微生態(tài)學的研究 霉腐微生物的種類 霉腐機制和防治方法 重要致病菌在自 然界的生存狀態(tài) 瘤胃 盲腸 馬等 蟑螂腸道的微生物區(qū)系及其分解纖維素的機制 厭 氧降解生態(tài)學 頑固性有機