发酵工业对我们来说并不陌生，从日常饮用的酒、酸乳、调味的醋、酱油、味精，到抗生素、激素、疫苗等药物，无一不是微生物发酵的产物。传统的微生物发酵起源于史前期。公元前2000多年，埃及已酿造葡萄酒，至今古希腊石刻上，仍留有酿酒全过程的记载。我们的祖先对有益微生物利用的历史更为悠久，龙山文化期已有饮酒用具，殷商期（公元前2000～3000年）甲骨文中的有关酒器的象形文字，与现代汉字相似，春秋战国时期（公元前500多年）开始酿醋，周朝（公元前1000年）酱油业已相当发达，至北魏时（公元六世纪）《齐民要术》上就已详细记载了酱油酿造需接种像皇帝黄袍颜色的“黄衣”（即黄曲霉孢子）和33种制酢（醋）方法。但是，微生物发酵工业，却是从1929年弗莱明发现青霉素、1940年链霉素挽救了英国首相丘吉尔的生命（肺炎）而兴起的，从此发酵工业自作坊式的混菌、厌氧、固体发酵走向纯种、大罐通气、液体深层发酵阶段。进入20世纪70年代以来，在基因重组、细胞融合等生物工程技术推动下，微生物工程应运而生，可以按照人们设想的蓝图，对微生物菌种进行细胞水平、分子水平不同层次的创造设计，构建出自然界中原来没有的、具有特殊功能和多功能的“超级菌”和“工程菌”，再通过微生物发酵来生产新的有用物质。现已知由微生物生产具有商品价值的产品就有200多种，在与人们生活密切相关的许多领域中，如医药与食品、化工与冶金、资源与能源、健康与环境，产生和即将产生难以估价的经济和社会效益。
§§§第1节微生物工程的概念和意义
1.何谓微生物工程
无论是巍峨的大厦，还是壮丽的大桥，任何一项宏伟工程，都要有总设计的蓝图和现场施工图纸，微生物工程也同样。比如我们今天看到的蚕吃桑叶，吐的是蚕丝；鸡吃米谷，而生出的是鸡蛋。我们设想从发酵罐中捞取蚕丝和吃发酵罐中生产的不带壳的鸡蛋，就是这项宏伟工程的总设计蓝图，而传统的发酵技术与基因工程、细胞工程、蛋白质工程、固相化菌、固相化酶技术相结合，就是现场施工技术。这种渗透有工程学的微生物学，就是微生物工程（或发酵工程）。有了按生物工程改造过的微生物细胞（即“工程菌”），接着就是对“工程菌”进行营养、培养条件、发酵罐中生长动力学和产物形成动力学的研究。其目的为生产控制、模拟放大以及电子计算机的程序控制提供模型，从而找到最优化的生产控制条件，最后借助生化工程技术，实现真正按人类意志生产所需的生物工程产品。由此看来，生物工程虽以基因工程为主导和核心，但离不开微生物工程这个基础。
微生物工程具体包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。其应用范围为：
（1）微生物菌体生产和应用如面包酵母、利用再生资源生产饲料蛋白、作为生物催化剂使用的微生物细胞。
（2）微生物代谢产物的应用通常包括氨基酸、核苷酸、有机酸等初级代谢产物和抗生素、维生素、激素、生物碱、细胞毒素等次级代谢产物。
（3）微生物机能的利用如微生物对有毒化合物和高分子化合物的分解净化、石油探矿和开采、细菌冶金、有机废弃物的综合治理、海洋和宇宙的开发等。
现代微生物工程不仅使用微生物细胞，也可用动植物细胞发酵生产有用物质。例如，采用培养罐大量培养杂交瘤细胞生产用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体，用培养罐大规模培养人参细胞和担子菌生产人参皂苷、生物碱、灵芝多糖等。工业化培养动植物细胞的目的是可以大大缩短生产周期，如用200升罐培养担子菌，两周生产的灵芝多糖，按常规栽培却要六个月。
2.微生物工程的优越性
为了解决世界面临的能源、资源、人口、粮食及污染等严重问题，生物工程已被誉为世界新技术革命的标志之一，受到各国重视。值得注意的是，至今生物工程应用于工业化生产的，主要是微生物（当然也有不少转基因植物、转基因动物成功的报道）。人们不禁要问：为什么基因工程、细胞工程、酶工程、单克隆抗体和生物能量转化等高技术研究成果，最易通过个体最小的微生物（注意，1000个杆菌首尾相连才有1粒米大！）才能转化为生产力呢？我们从微生物种种惊人的特点中找到了答案。原来在生物界中，微生物以比表面积（表面积与体积之比）、转化能力、繁殖速度、变异与适应性和分布范围五大特殊本领而著称。五大本领中最基本的是微生物的比表面积远比其他生物大。如乳酸杆菌比表面积12万倍、鸡蛋1.5倍，90公斤体重的人只有0.3倍。生物体比表面积越大，其代谢活性越强。在适宜条件下，微生物24小时所合成的营养物质相当于原来重量的30～40倍；而一头体重500公斤的乳牛，一昼夜只能合成0.5公斤蛋白质，相差1000倍。在适宜条件下，细菌20分钟繁殖一代，经24小时培养，一个细胞可繁殖成4万亿亿个细胞。细菌比植物繁殖率快500倍，比动物繁殖率快2000倍。微生物也以抗严寒酷暑，耐酸、碱、盐的惊人适应力被誉为“生物界之最”。太平洋海沟高压350摄氏度下的嗜热菌，南极100兆帕（1000个大气压）-18摄氏度下的嗜冷菌，pH0.5酸性有色金属浸矿水中的嗜酸硫杆菌，pH12～13环境下的极端嗜碱菌，甚至在32％盐溶液中的嗜盐菌，在其他生物难以生存的各种极端环境中，都蕴藏着大量的微生物资源。大肠杆菌等细菌、酿酒酵母等酵母菌是单细胞原核微生物和真核微生物的代表，细胞结构和繁殖方式简单，遗传背景清楚，加上微生物的种种特点，是提供特殊功能供体的遗传物质和接受外源遗传物质的最好受体菌株。基因重组和细胞融合技术构成的“工程菌”和“超级菌”，将更造福于人类。
人们知道，传统的化学工业都是大烟囱，冒浓烟，几乎全部在高温高压条件下进行反应，要求耐酸碱、耐腐蚀的设备，既消耗能源，又污染环境。而微生物发酵工程，以活细胞（主要是微生物，也包括动植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶）控制在最优条件下进行工业化生产，具有前者无法比拟的优点。
当然与化学工业相比，微生物发酵工程的产品较稀，提取工艺较繁琐、成本较高等难题尚待克服。目前，已建立了一批食品、医药、农药、饲料和生物能等产业，成为世界经济的重要组成部分。微生物工程向应用微生物方向发展，具有极大的经济潜力，必将对我国未来国民经济的发展发挥更大作用。
§§§第2节微生物工程技术的应用
1.医药工业
传统的制药工业不外两种。一是化学合成药物，往往工艺复杂、条件苛刻、污染严重、毒副作用大；二是生化药物，从动植物中提取或由微生物发酵而获得。而自动植物中提取，受资源限制，单价昂贵，无法满足需求，所以采用生物工程技术，通过微生物发酵方法为人们寻求新药带来了很大希望，如有关基因工程菌生产人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等。下面就抗生素、维生素类常用药物最新进展作一介绍。
（1）抗生素抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业中利润最高的产品。世界各国由发酵法生产的抗生素约400种，广泛应用的仅120种，其他主要是毒性大、成本高，无商业应用价值。大多数抗生素是由放线菌和霉菌产生的。因此，人们采用基因工程和细胞融合技术，对抗生素产生菌进行了改造和重新设计，不仅可以制造出许多高效低毒的新型抗生素，还可改革工艺，使抗生素产量成倍地增长。第一次由“工程菌”制造的全新抗生素—麦迪紫红素A，是美国报道的。他们将产放线紫红素的部分基因插入产麦迪霉素的放线菌中，构建的“工程菌”产生了全新的抗生素。我国新构建的生产丁胺卡那霉素的“工程菌”，就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的。采用新的“工程菌”生产，避免了现国外通用的使用有毒光气生产的办法，新抗生素毒副作用小，对耐卡那霉素、庆大霉素致病菌临床疗效显著。对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更为突出。橄榄色无孢小单孢菌细胞融合株抗生素产率比原菌株提高100倍。日本用产链霉素的灰色链霉菌和产以太霉素的链霉菌种间细胞融合，产生新抗生素三下霉素。我国用产庆丰链霉素的庆丰链霉菌与产井岗霉素的吸水链霉菌细胞融合，产生了能抑制植物病原菌的新抗生素RVA18。目前DNA重组技术已广泛用于红霉素、链霉素等20多种抗生素的育种工作，可以预见不久将来会有更多的由“工程菌”生产的新型抗生素问世。
令人不安的是许多细菌逐渐出现了抗药性，而且这种抗药性能转移给其他细菌。已经证实某些抗药性因子位于细菌内的质粒上，质粒可以在细菌之间转移，结果抗性菌日益增多，抗生素疗效就越来越低。为了对付细菌的抗药性，科学家对原有的抗生素进行了“整容手术”，经过改头换面的抗生素，细菌因再无识别能力，而被抗生素抑制或杀死了。这种“整容”所必需的手术刀，就是酰化酶，现在已能使用克隆了酰化酶基因的“工程菌”（大肠杆菌）高效率的生产“整容”后的抗生素（半合成抗生素）了。临床现在使用的贵重特效药物先锋霉素（头孢菌素类）、氨苄青霉素，就是这类半合成抗生素类药物。国外经过“整容”手术，已有几十种这类药物在实验室研制成功。
（2）维生素目前用发酵法生产的维生素有维生素C、B2、B12、生物索、β-胡萝卜素等。这些维生素，世界需求量很大，而且每年销售量仍在以10％的速度递增。基因工程技术的应用，可使维生素生产工艺发生根本性的变革。就以维生素C生产来说吧！不论是用化学合成法，或是“二步发酵法”，都需消耗大量能源。现已从自然界中找到两种微生物（草生欧文氏菌和棒状杆菌），它们像接力赛运动员一样各自承担了一段转化任务。能不能将两个菌完成的任务转交给一个菌来完成呢？科学家们把棒状杆菌的2.5-DKG还原酶（2.5-二酮基-D-葡萄糖酸还原酶）基因克隆到草生欧文氏菌中，结果构建成的“工程菌”一步发酵直接由D-葡萄糖转化成维生素C前体2-KLG（2-酮基-L-古龙酸），再经酸或碱催化生成维生素C。此项研究已在实验室获得成功。彻底革除了高压加氢反应，大大降低了能耗。这种把一种细菌关键酶的基因插入到另一种细菌的基因组中，由两条代谢途径人工拼接出一条新的代谢途径的技术，称为代谢途径工程。这是生物工程技术发展的另一次飞跃，可以相信一定会有更多的人工拼接的新代谢途径出现，合成已知或未知的新药物。
（3）其他生物技术药品近年来，继续从自然界发掘微生物资源和构建新的“工程菌”，不断提供新的优良药物方面已取得一些成绩。如一种终止癌细胞增殖，并使癌细胞转化为正常细胞的新抗生物质（酪氨酸衍生物），可由千叶链霉菌发酵产生。过去一直从公鸡冠组织中提取的、价格昂贵的透明质酸，现在可由兽瘟链球菌发酵获得。它可用于角膜和眼球晶体的移植，刺激免疫系统治疗癌症，又可作为皮肤保湿、去皱纹化妆品的原料。溶菌酶有抗炎作用，是感冒药的一种成分，过去一直从鸡蛋清中提取，往往对人使用有副作用，现在生产人体溶菌酶的“工程菌”（酵母菌）已克隆成功。防止血栓形成，治疗静脉栓塞的特效药尿激酶，过去一直从人尿中提取，现在用“工程菌”生产的活化酶（组织血纤维蛋白溶酶原活化剂），不仅疗效扩大，且药物成本大大下降。事实证明，生物技术药品的开发和应用具有十分广阔的前景。
2.食品工业
目前，全世界人口总数约50亿，到2000年可能上升到62亿，粮食及其他食品需求量比现在将提高40％。在可耕地面积日益减少、人口年年增加的今天，微生物工程也是为人类提供食品、改善营养的重要途径。
（1）微生物蛋白微生物发酵生产的蛋白质，有的可直接供人食用，有的可做家畜、家禽饲料，增加人们肉食供应。温饱问题解决之后，改善营养成了人们普遍关注的问题。最近国外上市的真菌蛋白（禾杀镰刀菌），就深受消费者欢迎。其蛋白含量占44％，比牛排瘦肉蛋白含量虽少33％，但脂肪含量只及牛排含量10％，而且没有胆固醇。微生物菌体除含蛋白质外，还含有核酸、脂肪和碳水化合物等成分，其中只有核酸不被人完全分解，若不限制数量长期食用，就会引起痛风症。科学家们通过基因工程技术，巧妙的设计了分泌蛋白质的微生物，由“工程菌”（大肠杆菌和酵母菌）发酵生产高营养强化蛋氨酸的大豆球朊和鸡卵清蛋白研制成功了。不再受动植物来源限制和季节气候的影响，单靠微生物就能高效快速地生产出动植物的纯蛋白。
氢细菌可以利用自然界中取之不尽、用之不竭的氢气、CO2、和少量无机盐来生长繁殖。于是人们利用水解中的氢气和空气中的CO2，代替粮食发酵，由氢细菌生产单细胞蛋白。美国正在研究用氢细菌解决宇宙飞船和宇宙空间站中维持生命的氧-食物循环问题。
（2）氨基酸氨基酸可用作食品、饲料添加剂和药物。过去都采用动植物蛋白提取和化学合成法生产，现18种氨基酸均可采用发酵法和酶法生产，不仅成本下降、污染减少，还可组织大量生产，世界产量每年递增5％～10％。在氨基酸产生菌选育中，过去多采用诱变育种方法，诱变结果不易控制，现采用基因工程和细胞融合技术，产量可成倍、甚至几十倍增加，生产成本大大下降。如用基因重组构建的苏氨酸、色氨酸“工程菌”，比原始菌株提高产量几十倍（产酸达50～60克/升），色氨酸成本从每公斤50美元降到23美元。用细胞融合构建的精氨酸融合株，精氨酸产量达108克/升，比其他生产菌株高2倍多。
（3）新糖原我国食糖产量供不应求，除自甘蔗、甜菜中提取蔗糖外，每年尚需大量进口。其实，以淀粉为原料可通过酶法生产甜度与蔗糖相当的果葡萄糖浆，当然也可由此进一步制取果糖。国外已形成产业，国内正在兴起，可能对糖缺乏状况有所缓解。另据报道，美国将吡喃环糖氧化酶固定在载体上，并与化学催化法相结合，获得纯果糖同时，还可得到环氧乙烷、环氧丙烷副产物，它们是制的确良、双氧树脂和合成洗涤剂的原料。一举多得，既获得糖，又生产了纺织、轻工、化工产品。