微生物與人類(lèi)可持續發(fā)展

 

當代微生物學(xué)的發(fā)展趨勢，一方面是由于分子生物學(xué)新技術(shù)不斷出現，使得微生物學(xué)研究得以迅速向縱深發(fā)展，已從細胞水平、酶學(xué)水平逐漸進(jìn)入到基因水平、分子水平和后基因組水平。另一方面是大大拓寬了微生物學(xué)的宏觀(guān)研究領(lǐng)域，與其他生命科學(xué)和技術(shù)、其他學(xué)科交叉、綜合形成許多新的學(xué)科發(fā)展點(diǎn)甚至孕育新的分支學(xué)科。近 20 ～ 30 年來(lái)，微生物學(xué)研究中分子生物技術(shù)與方法的運用，已使微生物學(xué)迅速豐富著(zhù)新理論、新發(fā)現、新技術(shù)和新成果。 C. Woese 1977 年提出并建立了細菌（ bacteria ）、古菌 (archaea) 和真核生物（ eucarya ）并列的生命三域的理論，揭示了古細菌在生物系統發(fā)育中的地位，創(chuàng )立了利用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行在分子和基因水平上進(jìn)行分類(lèi)鑒定的理論與技術(shù)。微生物細胞結構與功能、生理生化與遺傳學(xué)研究的結合，已經(jīng)進(jìn)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(zhì)及其作用機制，生物大分子物質(zhì)裝配成細胞器過(guò)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(zhì)生物合成機制，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。如大腸桿菌（ Escheriachia coli ）的基因圖譜早已繪出， 1/3 多的基因產(chǎn)物已完成了生化研究， 80 ％的代謝途徑已有了解，染色體復制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，對大腸桿菌細胞高分子的合成已探明，并可以在試管中模擬，即進(jìn)入了后基因組時(shí)期。對固氮酶合成基因及其活性已構建了調節模式，并在基因和分子水平上揭示了根瘤菌 — 豆科植物共生固氮體系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(shù)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(shí)現了利用基因工程微生物大量生產(chǎn)人工胰島素、干擾素和生長(cháng)素等貴重藥物，形成了一個(gè)嶄新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前正有許多研究利用 DNA 重組技術(shù)改良和創(chuàng )建微生物新品種。

微生物生態(tài)學(xué)的研究不僅拓寬了原有的土壤、污水、水域、地礦等環(huán)境并進(jìn)入了宇宙空間和深入到微生物賴(lài)以生存的為環(huán)境，而且極大地關(guān)注了極端環(huán)境下的微生物生命活動(dòng)，闡明了這些極端環(huán)境微生物具備的其他生物所沒(méi)有的性狀，形成了一個(gè)生命科學(xué)中的嶄新領(lǐng)域，為生命的起源、進(jìn)化和系統發(fā)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(huán)境污染物的 “ 清道夫 ” 和污染受損環(huán)境的生物修復者，它們對于部分污染物尤其是含芳香環(huán)的難降解物的分解和降解，也已從質(zhì)粒、降解酶基因水平上加以闡明。

微生物學(xué)的研究將日益重視微生物特有的生命現象。如極端環(huán)境中的生存能力，特異的代謝途徑和功能，化能營(yíng)養、厭氧生活、生物固氮，不放氧光合作用等，對于這些生命過(guò)程中物質(zhì)和能量運動(dòng)基本規律的闡明將會(huì )給人們展示一個(gè)誘人的應用前景。由于微生物具有獨特和高效的生物轉化能力和產(chǎn)生多種多樣的有用的代謝產(chǎn)物，為人類(lèi)的生存和社會(huì )的發(fā)展進(jìn)步創(chuàng )造難以估量的財富，因此發(fā)展和促進(jìn)微生物生物技術(shù)的應用即微生物產(chǎn)業(yè)化，如微生物疫苗、微生物藥品制劑、微生物食品、微生物保健品、可降解性微生物制品，等等，將是世界性的生物科學(xué)熱點(diǎn)，會(huì )得到極大的發(fā)展。

因此，根據 21 世紀生命科學(xué)的發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)，在目前已對少數微生物構建遺傳物理圖譜的基礎上，將會(huì )全面展開(kāi)微生物基因組學(xué)和后基因組學(xué)的研究。微生物基因組的研究必將明顯的促進(jìn)生物信息學(xué)的發(fā)展和包括比較生物學(xué)、分子進(jìn)化學(xué)和分子生態(tài)學(xué)在內的生物學(xué)研究新時(shí)代的到來(lái)。對具有某種意義的微生物種、菌株進(jìn)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(jìn)化等之間的相互關(guān)系。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(huán)境因素之間相互作用的分子機理及其控制本質(zhì)基因機制，將會(huì )極大發(fā)展微生物分子生態(tài)學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、細胞微生物學(xué)、微生物資源學(xué)的發(fā)展。

微生物學(xué)的研究技術(shù)和方法也將會(huì )在吸收其他學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)的基礎上，向自動(dòng)化、計算機化、定向化和定量化發(fā)展，微生物信息學(xué)正在孕育中。技術(shù)上的重大突破，促使生物科學(xué)獲得前所未有的高速度發(fā)展，開(kāi)辟斬新的研究領(lǐng)域，進(jìn)入新的研究深度。使發(fā)育分子生物學(xué)、神經(jīng)分子生物學(xué)、分子細胞學(xué)、分子生理學(xué)、分子生態(tài)和進(jìn)化等學(xué)科領(lǐng)域的逢勃發(fā)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(chuàng )建新的生物形態(tài)和新的生物物種成為可能�；�因工程的應用范圍可以擴大到食品、化工、環(huán)保、采礦、冶煉、材料、能源等眾多領(lǐng)域，具有誘人的開(kāi)發(fā)前景。改變已有的基因甚至創(chuàng )造新的物種，這是一項前無(wú)古人的嶄新工作。

21 世紀是生命科學(xué)的世紀，生命科學(xué)中最活躍的微生物學(xué)無(wú)疑將有極大的突破性發(fā)展，對于推動(dòng)人類(lèi)文明的繼續進(jìn)步和人類(lèi)的可持續生存與發(fā)展具有重要影響。

人類(lèi)的生存繁衍和可持續發(fā)展依賴(lài)于良好的生活環(huán)境、安全的食品和水源。然而，由于各種各樣的原因，人類(lèi)生存的環(huán)境包括土壤、水域、大氣受到污染，甚至是嚴重污染，進(jìn)而通過(guò)植物、動(dòng)物各級生物鏈污染人類(lèi)食物和飲用水。許多環(huán)境污染物是人類(lèi)體內激素的替代物和干擾物，具有類(lèi)似人類(lèi)體內激素的生理特性、能干擾內分泌系統的正常生理活動(dòng)，稱(chēng)之為環(huán)境激素。這些環(huán)境激素可以嚴重損傷和破壞男性的生殖能力，明顯引發(fā)女性乳腺癌等女性疾病，誘發(fā)少年兒童的性早熟，引發(fā)人類(lèi)不正常心理情緒與行為。在人類(lèi)進(jìn)入 21 世紀之初之際，不得不痛苦地面對自身造成的污染環(huán)境，因為環(huán)境污染危機已經(jīng)直接威脅到人類(lèi)本身的生存繁衍和可持續發(fā)展。

保護環(huán)境、維護生態(tài)平衡以提高土壤、水域和大氣的環(huán)境質(zhì)量，創(chuàng )造一個(gè)適宜人類(lèi)生存繁衍、并能生產(chǎn)安全食品的良好環(huán)境，是人類(lèi)生存所面臨的重大任務(wù)。隨著(zhù)工農業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民對生活環(huán)境質(zhì)量要求的提高，對于進(jìn)入環(huán)境的日益增多的有機廢水污物和人工合成有毒化合物等所引起的污染問(wèn)題，越來(lái)越受到關(guān)注。而微生物是這些有機廢水污物和合成有毒化合物的強有力的分解者和轉化者，起著(zhù)環(huán)境 “ 清道夫 ” 的作用。而且由于微生物本身所具有繁衍迅速、代謝基質(zhì)范圍寬、分布廣泛等特點(diǎn)，它們在清除環(huán)境 ( 土壤、水體 ) 污染物中的作用和優(yōu)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(lái)處理有機廢水和污物，進(jìn)行污染土壤的微生物修復。某些微生物也以其本身作為病原或其代謝毒物污染各類(lèi)環(huán)境或食品，危害著(zhù)人類(lèi)健康。 利用微生物生產(chǎn)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(yè)是人類(lèi)賴(lài)以的最重要的客觀(guān)基礎。微生物學(xué)不僅與農業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，而且與食品安全和品質(zhì)改善密切相關(guān)。

土壤的形成及其形成其肥力的提高有賴(lài)于微生物的作用。土壤中含氮物質(zhì)的最初來(lái)源是微生物的固氮作用。土壤中含氮物質(zhì)的積累、轉化和損失，土壤中有機質(zhì)尤其是腐植質(zhì)的形成和轉化、土壤團聚結構的形成、土壤中巖石礦物變?yōu)榭扇苄缘闹参锟晌�收態(tài)無(wú)機化合物等等過(guò)程都與微生物的生命活動(dòng)相關(guān)：由于微生物的話(huà)動(dòng)，使得土壤具有生物活性性能，推動(dòng)著(zhù)自然界中最重要的物質(zhì)循環(huán)，并改善著(zhù)土壤的持水、透氣、供肥、保肥和冷熱的調節能力，有助于農業(yè)生產(chǎn)。

隨著(zhù)人類(lèi)對環(huán)境和食品安全質(zhì)量的要求愈來(lái)愈高，易造成環(huán)境和食品污染的化學(xué)農藥、化學(xué)化肥愈來(lái)愈不受歡迎，綠色農業(yè)或有機農業(yè)、綠色食品的呼聲愈來(lái)愈高。而綠色農業(yè)或有機農業(yè)、綠色食品離不開(kāi)微生物的作用。在農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農作物的防病、防蟲(chóng)害也與微生物密切相關(guān)。植物的許多病其病原就是各類(lèi)微生物，而反過(guò)來(lái)也可以利用某些微生物來(lái)防治農作物的某些病蟲(chóng)危害。有機肥的積制過(guò)程實(shí)際上就是通過(guò)微生物的生命活動(dòng)，把有機物質(zhì)改造為腐殖質(zhì)肥料的過(guò)程。有機和無(wú)機肥料施人土壤后，只有一部分可被植物直接吸收，其余部分都要經(jīng)過(guò)微生物的分解、轉化、吸收、固化，然后才能逐漸并較長(cháng)時(shí)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(yíng)養。

農產(chǎn)品的加工、貯藏，實(shí)際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術(shù)。

微生物學(xué)是農業(yè)科學(xué)的重要基礎理論的 — 部分。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微生物學(xué)與農業(yè)科學(xué)之間的關(guān)系必將越來(lái)越密切，微生物學(xué)對現代農業(yè)科學(xué)的影響也必將越來(lái)越大。

化學(xué)燃料不僅是一次性能源，而且燃燒過(guò)程中對于環(huán)境的污染是一個(gè)眾所周知的嚴重問(wèn)題。由于微生物可以轉化農業(yè)和某些工業(yè)有機廢棄物為氫氣和乙醇等，不僅消除了環(huán)境的有機污染物又可生產(chǎn)如氫氣、乙醇、甲烷等無(wú)污染的清潔能源，對于人類(lèi)的可持續發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。

由于微生物本身的特點(diǎn)和代謝產(chǎn)物的多樣性，利用微生物生產(chǎn)人類(lèi)戰勝疾病所需的醫藥制品正受到廣泛重視。當今人類(lèi)正面臨著(zhù)空前的健康安全威脅，不僅許多給人類(lèi)造成巨大災難的疾病在卷土重來(lái)，如肺結核、霍亂等，而且很多不明原因、尚無(wú)有效控制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系統綜合癥，等等。然而這些疾病的傳染控制與治療，將在很大程度上需要應用已有的和正在發(fā)展的微生物學(xué)理論與技術(shù)，并依賴(lài)于新的微生物醫藥資源的開(kāi)發(fā)與利用。利用微生物生產(chǎn)多糖制作人類(lèi)保健品；等等。微生物是各無(wú)窮無(wú)盡的資源寶庫，利用和開(kāi)發(fā)微生物必將為人類(lèi)的生存和可持續發(fā)展作出巨大貢獻。