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面包、酸奶、豆腐、泡菜，這些人們經(jīng)常享用的食物都與微生物關(guān)系密切。顧名思義，微生物是我們瞪大眼睛也難以發(fā)現的微小生物。常見(jiàn)的微生物桿菌寬0.5微米，即使80個(gè)桿菌“肩并肩”地排列成行，也只有一根頭發(fā)絲的寬度。當然，萬(wàn)千微生物中也有特殊者，并沒(méi)有那么微小，比如蘑菇、靈芝。這些或大或小的微生物在食品、農業(yè)、醫藥、環(huán)保、能源等領(lǐng)域廣泛應用。
小小微生物，是人類(lèi)生存發(fā)展的重要資源，也是科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域�？茖W(xué)家在觀(guān)察細菌對抗病毒入侵的過(guò)程中，發(fā)現細菌通過(guò)剪切DNA，解除了病毒的“武裝”。受此啟發(fā)，兩位科學(xué)家研究出一種基因編輯技術(shù)，這一技術(shù)像是自帶身份識別功能的“小剪刀”，精準剪裁微生物、植物、動(dòng)物乃至人體的遺傳基因。兩位科學(xué)家憑此在2020年被授予諾貝爾化學(xué)獎。
微生物很古老，也很前沿；很微小，也很強大。這個(gè)生命的源頭，正帶給我們越來(lái)越多驚喜。
不顯山露水，在食品、農業(yè)、醫藥領(lǐng)域大展身手
微生物主要包括細菌、真菌、病毒三大類(lèi)。細菌是原核細胞型微生物，它像是一間毛坯房，沒(méi)啥家具，但也能維持正常生活。真菌是真核細胞型微生物，好比一座精裝修的房子，家具家電齊全。而病毒是非細胞型微生物，和前兩種細胞型微生物截然不同，喜歡利用其他細胞來(lái)供養自己。動(dòng)植物患上病毒性疾病，就是病毒利用動(dòng)植物細胞來(lái)快速繁育子子孫孫。不過(guò)，我們不必談“微”色變，絕大多數微生物對人類(lèi)生存是有益的，甚至是必要的。人體內微生物數量多達數百萬(wàn)億個(gè)，總重量可超1公斤。
食品加工是人類(lèi)利用微生物的最早實(shí)踐。古人利用微生物創(chuàng )制了營(yíng)養豐富、風(fēng)味獨特、種類(lèi)繁多的發(fā)酵食物。這些食物保存期長(cháng)，消化吸收率和營(yíng)養價(jià)值高，還包含有益健康的生理活性物質(zhì)。今天，食品工業(yè)領(lǐng)域到處都有微生物的身影。以酶制劑為例，它由傳統或經(jīng)基因改造的微生物發(fā)酵、提取制得，具有催化功能，能夠改善食品的色、形、味，提升食品的功能和品質(zhì)，可用于淀粉制品、乳制品、烘焙食品、酒和飲料等的制造。食品酶種類(lèi)豐富，有用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶，有增加肉類(lèi)鮮嫩程度的木瓜蛋白酶，還有提升面包口感的木聚糖酶、制備功能多肽的蛋白酶，等等。有些食品酶作用獨特，乳糖酶分泌少的人可以食用富含乳糖酶的食物，減輕乳糖不耐受癥狀；納豆激酶可以溶解血栓、降低血黏度。
往食品的上游追溯，就是農業(yè)生產(chǎn)，這也是微生物的用武之地。隨著(zhù)環(huán)保和食品安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視，微生物農藥需求日益增長(cháng)。微生物農藥的最大優(yōu)勢在于，不會(huì )像傳統化學(xué)農藥那樣產(chǎn)生污染，還可以提升農副產(chǎn)品品質(zhì)，推動(dòng)綠色農業(yè)發(fā)展。以典型的微生物農藥赤霉酸為例，它是一種天然的植物生長(cháng)調節劑，能夠促進(jìn)細胞分裂，增加細胞數量，有利于植物生長(cháng)發(fā)育，進(jìn)而增加產(chǎn)量。當前，大量雜交水稻制種田通過(guò)噴灑赤霉酸來(lái)制種，赤霉酸還被廣泛應用于棉花、蔬菜、瓜果等的種植，對保障我國農業(yè)豐產(chǎn)起到重要作用。
微生物還幫助人們保持健康。人體里的微生物主要寄居在腸道內，它們和免疫系統不斷“對話(huà)”，像雙歧桿菌等益生菌可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸等有益物質(zhì)，不僅降低炎癥疾病發(fā)病率，還時(shí)刻維持著(zhù)人體的健康平衡。利用微生物及其代謝產(chǎn)物，可以生產(chǎn)具有多種健康功能的產(chǎn)品。以二十碳五烯酸為例，它是細胞膜的重要成分，幫助維持細胞膜的流動(dòng)性和穩定性。此外，二十碳五烯酸還在調節炎癥反應、降低血壓、延緩血栓形成等方面起到關(guān)鍵作用。過(guò)去，二十碳五烯酸主要來(lái)源于金槍魚(yú)、鮭魚(yú)等深海魚(yú)的魚(yú)油，資源有限，難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。借助微生物發(fā)酵技術(shù)，人們可以從菌類(lèi)中提取二十碳五烯酸，縮短了生產(chǎn)周期，有利于其穩定供應，還改善了相關(guān)產(chǎn)品的口感和品質(zhì)。
近年來(lái)，人工合成微生物作為活菌藥物，為醫藥領(lǐng)域科技創(chuàng )新打開(kāi)了一扇窗口�？茖W(xué)家利用新技術(shù)，創(chuàng )制了富含酶的高活性細菌藥物，罕見(jiàn)病患者吃下去后，可以補充自身缺乏的酶。下一步，若能提高這些酶在體內的作用時(shí)間和效率，將為萬(wàn)千罕見(jiàn)病家庭帶來(lái)希望。在癌癥治療中，微生物經(jīng)過(guò)基因改造，可以成為抗腫瘤藥物的“運輸車(chē)”，攜帶激活免疫系統的成分，深入化療等現有療法難以觸及的地方，有望成為抗擊癌癥的利器。
“小身板”有大能量，助力生態(tài)保護和能源開(kāi)發(fā)
在整個(gè)地球生態(tài)系統中，微生物稱(chēng)得上微小卻強大。數十億年前，微生物就是地球上最早的生命體。在生物圈中，微生物作為“分解者”把動(dòng)植物遺體、糞便等有機物分解為無(wú)機物，回歸自然，促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)。沒(méi)有微生物，地球的生態(tài)系統將不復存在。隨著(zhù)研究不斷取得突破，微生物在生態(tài)保護和能源開(kāi)發(fā)上發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。
比如微生物降解塑料。這些微小的生物，通過(guò)其獨特的代謝途徑和酶系統，能夠有效分解塑料，減少塑料污染。鏈球菌屬、假單胞菌屬、葡萄球菌屬、芽孢桿菌屬等細菌，以及曲霉屬的一些真菌，都被發(fā)現能夠降解塑料。特別是塔賓曲霉，在高倍顯微鏡下，可以觀(guān)察到其內部的細絲網(wǎng)絡(luò )像一個(gè)高效運轉的工廠(chǎng)，分解著(zhù)塑料內的聚合物。通常情況下，塑料污染物需要10年乃至更長(cháng)時(shí)間才能被自然降解，將這些塑料放到塔賓曲霉面前，幾周便被徹底分解。
相比于物理和化學(xué)降解，微生物降解塑料更溫和、更環(huán)保、更可持續。它不需要高溫、高壓或強酸、強堿等極端條件，只需在適宜的環(huán)境下，就能自發(fā)降解。微生物降解還可以將塑料轉化為有價(jià)值的生物降解產(chǎn)物，進(jìn)一步用于農業(yè)、化工等領(lǐng)域，實(shí)現資源循環(huán)利用。不同種類(lèi)塑料具有不同的化學(xué)結構和穩定性，微生物降解也是“一物降一物”。找到針對不同塑料特性的微生物，提高降解效率，是當前的研究重點(diǎn)。例如通過(guò)基因工程技術(shù)改造微生物，使其具備更強的降解能力和更廣泛的適應性；或者利用微生物共培養技術(shù)，構建具有協(xié)同降解能力的微生物群落。納米技術(shù)、人工智能、生物反應器等新興技術(shù)，也在與微生物降解塑料技術(shù)結合，有望提高微生物降解塑料的效果和可操作性。
尋找替代化石能源的可再生能源，是全世界共同面臨的難題。其中，生物乙醇生產(chǎn)就要靠微生物發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過(guò)發(fā)酵，微生物可以將纖維素、淀粉等可再生生物資源轉化為糖，進(jìn)而生產(chǎn)出乙醇。微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇不僅環(huán)保，而且原料來(lái)源廣泛，生產(chǎn)成本低。與之相似，微生物也可以通過(guò)發(fā)酵產(chǎn)出生物柴油和生物甲烷。
能源領(lǐng)域還有一個(gè)重點(diǎn)課題，固碳。固碳微生物廣泛存在于陸地土壤，這些微生物包括自養型土壤細菌和光能微生物等。它們通過(guò)光合作用或化學(xué)自養固定二氧化碳，并將其轉化為有機物，從而增加土壤有機碳含量，提高土壤肥力。未來(lái)，科學(xué)家有望開(kāi)發(fā)出新的微生物技術(shù)，比如通過(guò)優(yōu)化微藻培養條件和代謝途徑進(jìn)行大規模固碳，減緩全球變暖。
海洋深處的微生物研究是前沿課題。對深海微生物的研究，有助于我們解開(kāi)生命在極端環(huán)境中誕生演化的謎團，為我們理解地球生命本質(zhì)提供寶貴線(xiàn)索，還為我們探索宇宙生命提供新的視角。在科技應用方面，科幻電影里經(jīng)常出現的太空采礦，有可能成為微生物利用的新場(chǎng)景。在微重力環(huán)境下，微生物能夠巧妙地分解巖石，提取出珍貴材料，為長(cháng)期太空駐留提供資源保障。這種采礦方式不僅高效，而且對環(huán)境影響極小，幾乎不產(chǎn)生有害物質(zhì)，是太空資源開(kāi)發(fā)的理想選擇之一。
現在，科學(xué)家們正在發(fā)揮聰明才智，探尋微生物的未解之謎。未來(lái)，一定會(huì )有更多微生物種類(lèi)被發(fā)現，微生物的潛在應用也將得到更加充分的挖掘。
（作者為中國工程院院士、南京師范大學(xué)副校長(cháng)）
來(lái)源：人民日報
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