书城自然科学求知文库-生物工程的发展
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第13章 微生物工程(3)

(2)其他金属浸提从矿石和矿渣中溶浸有色金属虽有10余种,但大规模或批量生产的只有铜和铀。据世界20个矿山资料表明,每年细菌浸铜就达20多万吨。我国是细菌浸铜的发源地,也有大规模的生产,美国细菌浸铜占铜产量10%。铀是开发核能的原料,已发现某些微生物有积蓄铀的惊人能力,1克绿藻能析出铀159毫克,1克细菌可析出铀313毫克,如反硝化细菌吸收铀每克干重细胞为100~150毫克。铜绿假单胞菌析出铀的本领最强,每克干重细胞为560毫克,竟占50%。法国铀产量的7.3%就是由此法获得的。一些霉菌、酵母菌从矿石溶液中提取钪、钼等稀有金属也有突出本领,效率均高于现通用的离子交换树脂法。用酵母菌细胞经四个回合吸附,钪提取率可达98.8%;一种少根根霉提取钼的本领最高,它将高效吸附性和对金属亲和力集于一身,每克菌体能浸提170毫克钼。这些微生物作为一种“生物吸着剂”,在自然条件下可大显身手。某些嗜有机物的微生物,凭借它们分泌的有机酸(如柠檬酸、琥珀酸等),构成“活性炼矿剂”,与金属结合成可溶性化合物,最后分离、浓缩、纯化出金属,已在炼铜、炼银中应用。湿法冶金关键在于选用的微生物对环境有高度适应力,且性能稳定。运用细胞融合、基因工程手段,构建出同时具有多功能(如硫氧化功能和铁氧化功能)或多重耐性(如对酸、对重金属离子、对铀的耐性)的“工程菌”,使我们从大自然的赐予中能够获取更多的财富!

6.农业在人口剧增、耕地面积日益缩小的今天,要解决人们的口粮问题,首先是提高耕地单位面积产量。而应用生物工程技术,选育出抗逆性工程植物、实现生物固氮、制造新型生物杀虫剂等,都将为农业增产作出重要贡献。有关转基因植物、转基因动物等方面成果,已在“基因工程”章中叙述。此处仅就生物固氮、生物杀虫剂、微生物饲料作一介绍。

(1)生物固氮虽然空气中约含有4/5的氮气,但作物生长和增产仍需施加大量氮肥,因为氮素必须与氢、碳或氧等元素固定或结合成氨、尿素、硝酸盐后,才能被植物吸收和利用。有机肥料、化肥、微生物菌肥是作物的主要肥料,但有机肥料迟效,生产化肥能耗大、价格高、污染重,只占全世界氮肥供应量的20%,剩下绝大部分都是由微生物提供的。自然界中独立生活的自生固氮菌和专门与豆科植物共生的根瘤菌,都能将大气中的氮还原为植物可利用的氨。其中尤以根瘤菌肥料为人们推广最早,效果最为显著。据统计,每亩豆科植物的根瘤菌能固氮10公斤,相当于50公斤硫酸铵,等于为植物提供一个天然小氮肥厂。豆科植物与根瘤菌共生的特殊本领能否传给其他农作物呢?科学家们设想将根瘤菌的固氮基因转移到各类等农作物中,但遇到了难以克服的障碍。首先,各种根瘤菌都只与它们各自相应的豆科植物形成根瘤。根瘤菌的这种专一性,对禾本科谷类作物的根没有缘分。第二,化学固氮耗能多,生物固氮同样要消耗大量ATP(生物能量),而大多数非豆科作物又无法提供。第三,固氮作用的关键酶—固氮酶碰到氧气会迅速失活,根瘤菌有一个去氧保护系统,而植物细胞不具备这个体系。着来实现粮食作物自身固氮目标,是一项较为长期的研究任务。近年来,经过各国科学家的努力,为实现农作物自身固氮的宏伟目标,又迈进了一大步。例如,中国大豆根瘤菌生长速度是美国的3倍,属快生型根瘤菌,这种快速生长性状转入美国大豆根瘤菌内,构建的“工程菌”生长快,在美国大豆生产上,仅根瘤菌每年就提供了10亿美元的氮肥。固氨基因从微生物直接转给植物失败了,科学家又想出通过“媒人”使豆科植物的根瘤菌与禾本科农作物的根交上朋友。一项较有成效的结果是:把固氮菌基因转移到能在水稻根部土壤中繁殖的微生物中(“媒人”),借助这位“媒人”的固氮能力,提供水稻需氮量的1/5。我国在固氮微生物研究上,也取得不少成果。为使禾本科农作物结瘤,采用2,4-D植物激素诱导小麦幼根,或采用纤维素酶和聚乙烯醇处理水稻、油菜幼苗的根尖细胞,与此同时接种根瘤菌,结果小麦、水稻、油菜结出与豆科植物十分相似的根瘤,培育出形成根瘤、并有固氮能力的小麦、水稻。可惜的是这种结瘤性状有致命的弱点,它们不能遗传,每年幼苗栽培前需再作处理,但为根瘤菌促进非豆科植物结瘤方面,探索了一条可行的途径。

(2)工程杀虫菌生物农药无毒,害虫不易产生抗药性,在病虫害防治中正在发挥巨大作用。能使昆虫染病、致死的微生物有细菌、真菌、病毒、原生动物等。其中细菌有90余种,目前大量生产、广泛应用的细菌杀虫剂是苏芸金杆菌杀虫毒素(简称Bt)。最近报道又获得一株芽孢杆菌毒素(简称Bm),它的一个有趣特性是对鳞翅目昆虫无毒,却对家蝇、青蝇、苍蝇幼虫蛆有显著毒效。Bm和Bt制剂一样,对人、畜、作物安全无害。能使昆虫染病的真菌有530余种,目前大量应用的真菌杀虫剂是白僵菌、绿僵菌等。能使昆虫和螨类感染的病毒近900种,病毒杀虫剂杀虫效力高,对象专一,是极有前途的微生物杀虫剂,但遗憾的是培养病毒需捉来大量活昆虫,大量生产有困难。如果能将感染昆虫的病毒基因重组构建成“工程菌”,病毒杀虫剂将重显威风。其实,基因重组技术在构建更有效的广谱杀虫剂上,业已取得不少可喜成果。例如,苏芸金杆菌蛋白毒素基因插入常在玉米、大豆根表聚集的荧光假单胞菌中,构成的“工程菌”不仅杀灭地上的害虫,也是地下害虫的劲敌。又如,将苏芸金杆菌中编码杀蚊虫的毒蛋白基因,组入孑孓滋生环境中的蓝细菌中,这种“工程菌”漂浮在死水面上,蚊虫幼虫吃后立即死亡。值得提醒的是有时杀虫毒素还未及喷洒至大田,就被雨水冲走或迅速分解掉了。科学家们又巧妙地设计将苏芸金杆菌毒蛋白基因转入植物(烟草、番茄),获得有很强杀虫作用的工程植株。植物一旦自身产生了防疫力,就再不需要喷洒杀虫药物了。除了上述“以菌治虫”种种方法外,“以菌除草”、“以菌防病”(农用抗生素)等微生物农药也为农业增产发挥了巨大作用。

(3)微生物饲料随着畜牧业的发展,蛋白饲料要求十分迫切。微生物菌体蛋白质占干重的45%~55%,以微生物方法生产的单细胞蛋白(简称SCP)是食品和饲料的重要来源。传统的产品有:纤维蛋白、石油蛋白和光合蛋白。其中尤以选用纤维废物为原料生产的SCP为最好的资源。石油蛋白生产过程粉尘污染,尚待解决严格预防措施,光合蛋白目前生产效率还不高。

藻类是自然界分布极广的一大群自养微生物资源,许多国家已把它用作人类保健食品和饲料。培养螺旋藻,按干重计算每公顷可收获60吨,而种植大豆每公顷才可获4吨,从蛋白产率看,螺旋藻是大豆的28倍;培养珊列藻,从蛋白产率计算,每公顷珊列藻所得蛋白是小麦的20~35倍。我国目前每年用于饲料粮食约6500万吨,其中80%直接饲养,其饲料报酬比配合饲料低1/3左右,等于每年多消耗饲料粮1800万吨。因此,开发微生物饲料,是发展畜牧业的一项关键措施。

7.环境保护

随着现代农业和石油、化工等现代工业的发展,开发了一大批天然及合成有机高分子化合物。农业上使用的各种农药和各种石油化工产品、炸药、塑料、染料等工业废水,排放环境,都会带来严重污染。已发现有致癌作用的污染物约为1100种,我国某些灌区土壤和污水中芳烃化合物的污染也相当严重,其中致癌作用最强烈的苯并(a)芘每公斤土竟高达540微克,而排放标准为20微克,此外,工业中每天还排放大量CO2、CO、硫化物等有害气体,它们是造成温室效应和形成酸雨的重要因素,严重威胁人类健康。环境污染已是当今社会的一大公害。但是,小小的微生物细胞却对污染物有着惊人的降解能力,成为污染控制研究中最活跃的领域。