微生物與人類可持續發展

 

當代微生物學的發展趨勢，一方麵是由於分子生物學新技術不斷出現，使得微生物學研究得以迅速向縱深發展，已從細胞水平、酶學水平逐漸進入到基因水平、分子水平和後基因組水平。另一方麵是大大拓寬了微生物學的宏觀研究領域，與其他生命科學和技術、其他學科交叉、綜合形成許多新的學科發展點甚至孕育新的分支學科。近 20 ～ 30 年來，微生物學研究中分子生物技術與方法的運用，已使微生物學迅速豐富著新理論、新發現、新技術和新成果。 C. Woese 1977 年提出並建立了細菌（ bacteria ）、古菌 (archaea) 和真核生物（ eucarya ）並列的生命三域的理論，揭示了古細菌在生物係統發育中的地位，創立了利用分子生物學技術進行在分子和基因水平上進行分類鑒定的理論與技術。微生物細胞結構與功能、生理生化與遺傳學研究的結合，已經進入到基因和分子水平，即在基因和分子水平上研究了微生物分化的基因調控，分子信號物質及其作用機製，生物大分子物質裝配成細胞器過程的基因調控，催化各種生理生化反應的酶的基因及其組成、表達和調控，闡明了蛋白質生物合成機製，建立了酶生物合成和活性調節模式，探查了許多核酸序列，構建了 100 多種微生物的基因核酸序列圖譜。如大腸杆菌（ Escheriachia coli ）的基因圖譜早已繪出， 1/3 多的基因產物已完成了生化研究， 80 ％的代謝途徑已有了解，染色體複製模式及調控方式已基本闡明，對許多操縱子的主要特征已有描述，對大腸杆菌細胞高分子的合成已探明，並可以在試管中模擬，即進入了後基因組時期。對固氮酶合成基因及其活性已構建了調節模式，並在基因和分子水平上揭示了根瘤菌 — 豆科植物共生固氮體係中根瘤菌和豆科植物相互識別、共建有效根瘤及其調節。 DNA 重組技術的出現為構建具有特殊功能的基因工程菌提供了令人興奮的成果和良好的前景，已實現了利用基因工程微生物大量生產人工胰島素、幹擾素和生長素等貴重藥物，形成了一個嶄新的生物技術產業。目前正有許多研究利用 DNA 重組技術改良和創建微生物新品種。

微生物生態學的研究不僅拓寬了原有的土壤、汙水、水域、地礦等環境並進入了宇宙空間和深入到微生物賴以生存的為環境，而且極大地關注了極端環境下的微生物生命活動，闡明了這些極端環境微生物具備的其他生物所沒有的性狀，形成了一個生命科學中的嶄新領域，為生命的起源、進化和係統發育的探索和闡明提供了大量有用的證據，也極大的豐富了自然界微生物種的多樣性。微生物作為環境汙染物的 “ 清道夫 ” 和汙染受損環境的生物修複者，它們對於部分汙染物尤其是含芳香環的難降解物的分解和降解，也已從質粒、降解酶基因水平上加以闡明。

微生物學的研究將日益重視微生物特有的生命現象。如極端環境中的生存能力，特異的代謝途徑和功能，化能營養、厭氧生活、生物固氮，不放氧光合作用等，對於這些生命過程中物質和能量運動基本規律的闡明將會給人們展示一個誘人的應用前景。由於微生物具有獨特和高效的生物轉化能力和產生多種多樣的有用的代謝產物，為人類的生存和社會的發展進步創造難以估量的財富，因此發展和促進微生物生物技術的應用即微生物產業化，如微生物疫苗、微生物藥品製劑、微生物食品、微生物保健品、可降解性微生物製品，等等，將是世界性的生物科學熱點，會得到極大的發展。

因此，根據 21 世紀生命科學的發展趨勢和研究熱點，在目前已對少數微生物構建遺傳物理圖譜的基礎上，將會全麵展開微生物基因組學和後基因組學的研究。微生物基因組的研究必將明顯的促進生物信息學的發展和包括比較生物學、分子進化學和分子生態學在內的生物學研究新時代的到來。對具有某種意義的微生物種、菌株進行全基因組的序列分析、功能分析和比較分析，明確其結構、表型、功能和進化等之間的相互關係。闡明微生物與微生物之間、微生物與其他生物之間、微生物與環境因素之間相互作用的分子機理及其控製本質基因機製，將會極大發展微生物分子生態學、環境微生物學、細胞微生物學、微生物資源學的發展。

微生物學的研究技術和方法也將會在吸收其他學科的先進技術的基礎上，向自動化、計算機化、定向化和定量化發展，微生物信息學正在孕育中。技術上的重大突破，促使生物科學獲得前所未有的高速度發展，開辟斬新的研究領域，進入新的研究深度。使發育分子生物學、神經分子生物學、分子細胞學、分子生理學、分子生態和進化等學科領域的逢勃發展。為改造生物提供強有力的手段，從而使得在分子水平上得新設計、改造和創建新的生物形態和新的生物物種成為可能。基因工程的應用範圍可以擴大到食品、化工、環保、采礦、冶煉、材料、能源等眾多領域，具有誘人的開發前景。改變已有的基因甚至創造新的物種，這是一項前無古人的嶄新工作。

21 世紀是生命科學的世紀，生命科學中最活躍的微生物學無疑將有極大的突破性發展，對於推動人類文明的繼續進步和人類的可持續生存與發展具有重要影響。

人類的生存繁衍和可持續發展依賴於良好的生活環境、安全的食品和水源。然而，由於各種各樣的原因，人類生存的環境包括土壤、水域、大氣受到汙染，甚至是嚴重汙染，進而通過植物、動物各級生物鏈汙染人類食物和飲用水。許多環境汙染物是人類體內激素的替代物和幹擾物，具有類似人類體內激素的生理特性、能幹擾內分泌係統的正常生理活動，稱之為環境激素。這些環境激素可以嚴重損傷和破壞男性的生殖能力，明顯引發女性乳腺癌等女性疾病，誘發少年兒童的性早熟，引發人類不正常心理情緒與行為。在人類進入 21 世紀之初之際，不得不痛苦地麵對自身造成的汙染環境，因為環境汙染危機已經直接威脅到人類本身的生存繁衍和可持續發展。

保護環境、維護生態平衡以提高土壤、水域和大氣的環境質量，創造一個適宜人類生存繁衍、並能生產安全食品的良好環境，是人類生存所麵臨的重大任務。隨著工農業生產的發展和人民對生活環境質量要求的提高，對於進入環境的日益增多的有機廢水汙物和人工合成有毒化合物等所引起的汙染問題，越來越受到關注。而微生物是這些有機廢水汙物和合成有毒化合物的強有力的分解者和轉化者，起著環境 “ 清道夫 ” 的作用。而且由於微生物本身所具有繁衍迅速、代謝基質範圍寬、分布廣泛等特點，它們在清除環境 ( 土壤、水體 ) 汙染物中的作用和優勢是任何其他理化方法所不能比擬的。因此正廣泛應用微生物來處理有機廢水和汙物，進行汙染土壤的微生物修複。某些微生物也以其本身作為病原或其代謝毒物汙染各類環境或食品，危害著人類健康。 利用微生物生產可生物降解塑料替代目前正在大規模使用的非生物降解塑料。

農業是人類賴以的最重要的客觀基礎。微生物學不僅與農業生產密切相關，而且與食品安全和品質改善密切相關。

土壤的形成及其形成其肥力的提高有賴於微生物的作用。土壤中含氮物質的最初來源是微生物的固氮作用。土壤中含氮物質的積累、轉化和損失，土壤中有機質尤其是腐植質的形成和轉化、土壤團聚結構的形成、土壤中岩石礦物變為可溶性的植物可吸收態無機化合物等等過程都與微生物的生命活動相關：由於微生物的話動，使得土壤具有生物活性性能，推動著自然界中最重要的物質循環，並改善著土壤的持水、透氣、供肥、保肥和冷熱的調節能力，有助於農業生產。

隨著人類對環境和食品安全質量的要求愈來愈高，易造成環境和食品汙染的化學農藥、化學化肥愈來愈不受歡迎，綠色農業或有機農業、綠色食品的呼聲愈來愈高。而綠色農業或有機農業、綠色食品離不開微生物的作用。在農業生產過程中，農作物的防病、防蟲害也與微生物密切相關。植物的許多病其病原就是各類微生物，而反過來也可以利用某些微生物來防治農作物的某些病蟲危害。有機肥的積製過程實際上就是通過微生物的生命活動，把有機物質改造為腐殖質肥料的過程。有機和無機肥料施人土壤後，隻有一部分可被植物直接吸收，其餘部分都要經過微生物的分解、轉化、吸收、固化，然後才能逐漸並較長時間地供給植物吸收利用。許多微生物能固定大氣中的氮素，為植物提供氮素營養。

農產品的加工、貯藏，實際上很多是利用有益的微生物作用或是抑製有害微生物的危害的技術。

微生物學是農業科學的重要基礎理論的 — 部分。隨著科學技術的發展，微生物學與農業科學之間的關係必將越來越密切，微生物學對現代農業科學的影響也必將越來越大。

化學燃料不僅是一次性能源，而且燃燒過程中對於環境的汙染是一個眾所周知的嚴重問題。由於微生物可以轉化農業和某些工業有機廢棄物為氫氣和乙醇等，不僅消除了環境的有機汙染物又可生產如氫氣、乙醇、甲烷等無汙染的清潔能源，對於人類的可持續發展具有巨大的推動作用。

由於微生物本身的特點和代謝產物的多樣性，利用微生物生產人類戰勝疾病所需的醫藥製品正受到廣泛重視。當今人類正麵臨著空前的健康安全威脅，不僅許多給人類造成巨大災難的疾病在卷土重來，如肺結核、霍亂等，而且很多不明原因、尚無有效控製辦法的疾病正不斷出現，如艾滋病、瘋牛病、埃博拉病毒病、非典型肺炎即嚴重急性呼吸係統綜合症，等等。然而這些疾病的傳染控製與治療，將在很大程度上需要應用已有的和正在發展的微生物學理論與技術，並依賴於新的微生物醫藥資源的開發與利用。利用微生物生產多糖製作人類保健品；等等。微生物是各無窮無盡的資源寶庫，利用和開發微生物必將為人類的生存和可持續發展作出巨大貢獻。