发布时间：2024-11-22 04:50:07 来源: sp20241122
面包、酸奶、豆腐、泡菜，这些人们经常享用的食物都与微生物关系密切。顾名思义，微生物是我们瞪大眼睛也难以发现的微小生物。常见的微生物杆菌宽0.5微米，即使80个杆菌“肩并肩”地排列成行，也只有一根头发丝的宽度。当然，万千微生物中也有特殊者，并没有那么微小，比如蘑菇、灵芝。这些或大或小的微生物在食品、农业、医药、环保、能源等领域广泛应用。
小小微生物，是人类生存发展的重要资源，也是科学研究的前沿领域。科学家在观察细菌对抗病毒入侵的过程中，发现细菌通过剪切DNA，解除了病毒的“武装”。受此启发，两位科学家研究出一种基因编辑技术，这一技术像是自带身份识别功能的“小剪刀”，精准剪裁微生物、植物、动物乃至人体的遗传基因。两位科学家凭此在2020年被授予诺贝尔化学奖。
微生物很古老，也很前沿；很微小，也很强大。这个生命的源头，正带给我们越来越多惊喜。
不显山露水，在食品、农业、医药领域大展身手
微生物主要包括细菌、真菌、病毒三大类。细菌是原核细胞型微生物，它像是一间毛坯房，没啥家具，但也能维持正常生活。真菌是真核细胞型微生物，好比一座精装修的房子，家具家电齐全。而病毒是非细胞型微生物，和前两种细胞型微生物截然不同，喜欢利用其他细胞来供养自己。动植物患上病毒性疾病，就是病毒利用动植物细胞来快速繁育子子孙孙。不过，我们不必谈“微”色变，绝大多数微生物对人类生存是有益的，甚至是必要的。人体内微生物数量多达数百万亿个，总重量可超1公斤。
食品加工是人类利用微生物的最早实践。古人利用微生物创制了营养丰富、风味独特、种类繁多的发酵食物。这些食物保存期长，消化吸收率和营养价值高，还包含有益健康的生理活性物质。今天，食品工业领域到处都有微生物的身影。以酶制剂为例，它由传统或经基因改造的微生物发酵、提取制得，具有催化功能，能够改善食品的色、形、味，提升食品的功能和品质，可用于淀粉制品、乳制品、烘焙食品、酒和饮料等的制造。食品酶种类丰富，有用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶，有增加肉类鲜嫩程度的木瓜蛋白酶，还有提升面包口感的木聚糖酶、制备功能多肽的蛋白酶，等等。有些食品酶作用独特，乳糖酶分泌少的人可以食用富含乳糖酶的食物，减轻乳糖不耐受症状；纳豆激酶可以溶解血栓、降低血黏度。
往食品的上游追溯，就是农业生产，这也是微生物的用武之地。随着环保和食品安全问题越来越受到重视，微生物农药需求日益增长。微生物农药的最大优势在于，不会像传统化学农药那样产生污染，还可以提升农副产品品质，推动绿色农业发展。以典型的微生物农药赤霉酸为例，它是一种天然的植物生长调节剂，能够促进细胞分裂，增加细胞数量，有利于植物生长发育，进而增加产量。当前，大量杂交水稻制种田通过喷洒赤霉酸来制种，赤霉酸还被广泛应用于棉花、蔬菜、瓜果等的种植，对保障我国农业丰产起到重要作用。
微生物还帮助人们保持健康。人体里的微生物主要寄居在肠道内，它们和免疫系统不断“对话”，像双歧杆菌等益生菌可以产生短链脂肪酸等有益物质，不仅降低炎症疾病发病率，还时刻维持着人体的健康平衡。利用微生物及其代谢产物，可以生产具有多种健康功能的产品。以二十碳五烯酸为例，它是细胞膜的重要成分，帮助维持细胞膜的流动性和稳定性。此外，二十碳五烯酸还在调节炎症反应、降低血压、延缓血栓形成等方面起到关键作用。过去，二十碳五烯酸主要来源于金枪鱼、鲑鱼等深海鱼的鱼油，资源有限，难以满足市场需求。借助微生物发酵技术，人们可以从菌类中提取二十碳五烯酸，缩短了生产周期，有利于其稳定供应，还改善了相关产品的口感和品质。
近年来，人工合成微生物作为活菌药物，为医药领域科技创新打开了一扇窗口。科学家利用新技术，创制了富含酶的高活性细菌药物，罕见病患者吃下去后，可以补充自身缺乏的酶。下一步，若能提高这些酶在体内的作用时间和效率，将为万千罕见病家庭带来希望。在癌症治疗中，微生物经过基因改造，可以成为抗肿瘤药物的“运输车”，携带激活免疫系统的成分，深入化疗等现有疗法难以触及的地方，有望成为抗击癌症的利器。
“小身板”有大能量，助力生态保护和能源开发
在整个地球生态系统中，微生物称得上微小却强大。数十亿年前，微生物就是地球上最早的生命体。在生物圈中，微生物作为“分解者”把动植物遗体、粪便等有机物分解为无机物，回归自然，促进物质循环。没有微生物，地球的生态系统将不复存在。随着研究不断取得突破，微生物在生态保护和能源开发上发挥着越来越大的作用。
比如微生物降解塑料。这些微小的生物，通过其独特的代谢途径和酶系统，能够有效分解塑料，减少塑料污染。链球菌属、假单胞菌属、葡萄球菌属、芽孢杆菌属等细菌，以及曲霉属的一些真菌，都被发现能够降解塑料。特别是塔宾曲霉，在高倍显微镜下，可以观察到其内部的细丝网络像一个高效运转的工厂，分解着塑料内的聚合物。通常情况下，塑料污染物需要10年乃至更长时间才能被自然降解，将这些塑料放到塔宾曲霉面前，几周便被彻底分解。
相比于物理和化学降解，微生物降解塑料更温和、更环保、更可持续。它不需要高温、高压或强酸、强碱等极端条件，只需在适宜的环境下，就能自发降解。微生物降解还可以将塑料转化为有价值的生物降解产物，进一步用于农业、化工等领域，实现资源循环利用。不同种类塑料具有不同的化学结构和稳定性，微生物降解也是“一物降一物”。找到针对不同塑料特性的微生物，提高降解效率，是当前的研究重点。例如通过基因工程技术改造微生物，使其具备更强的降解能力和更广泛的适应性；或者利用微生物共培养技术，构建具有协同降解能力的微生物群落。纳米技术、人工智能、生物反应器等新兴技术，也在与微生物降解塑料技术结合，有望提高微生物降解塑料的效果和可操作性。
寻找替代化石能源的可再生能源，是全世界共同面临的难题。其中，生物乙醇生产就要靠微生物发挥关键作用。通过发酵，微生物可以将纤维素、淀粉等可再生生物资源转化为糖，进而生产出乙醇。微生物发酵生产乙醇不仅环保，而且原料来源广泛，生产成本低。与之相似，微生物也可以通过发酵产出生物柴油和生物甲烷。
能源领域还有一个重点课题，固碳。固碳微生物广泛存在于陆地土壤，这些微生物包括自养型土壤细菌和光能微生物等。它们通过光合作用或化学自养固定二氧化碳，并将其转化为有机物，从而增加土壤有机碳含量，提高土壤肥力。未来，科学家有望开发出新的微生物技术，比如通过优化微藻培养条件和代谢途径进行大规模固碳，减缓全球变暖。
海洋深处的微生物研究是前沿课题。对深海微生物的研究，有助于我们解开生命在极端环境中诞生演化的谜团，为我们理解地球生命本质提供宝贵线索，还为我们探索宇宙生命提供新的视角。在科技应用方面，科幻电影里经常出现的太空采矿，有可能成为微生物利用的新场景。在微重力环境下，微生物能够巧妙地分解岩石，提取出珍贵材料，为长期太空驻留提供资源保障。这种采矿方式不仅高效，而且对环境影响极小，几乎不产生有害物质，是太空资源开发的理想选择之一。
现在，科学家们正在发挥聪明才智，探寻微生物的未解之谜。未来，一定会有更多微生物种类被发现，微生物的潜在应用也将得到更加充分的挖掘。
（作者为中国工程院院士、南京师范大学副校长）
版式设计：沈亦伶
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《我包罗万象：微生物视野下的生命图景全纪录》：埃德·扬著、郑李译；北京联合出版公司出版。
《微生物总动员》：刘佳辉编著；清华大学出版社出版。
《 人民日报 》（ 2024年05月08日 20 版）
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