微生物与人类关系概论

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1、微生物与人类关系微生物与人类关系 宋文军 微生物与人类关系。福兮?祸兮？ 微生物是人类的朋友; 微生物是自然界物质循环的关键环节 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证： 帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障。 微生物可以为我们提供很多有用的物质：有机 酸、酶、药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒 基因工程为代表的现代生物技术 微生物与人类可持续发展微生物与人类可持续发展 当前人类正面临着多种危机，如粮食危机、能 源匮乏、生态恶化和人口爆炸等。 人类进入21世纪后，遇到从利用有限的矿物资 源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的 一系列的新问题。 由于微生物具有五大特点，使得它们能够在解 决人

2、类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特 作用。 人口爆炸 人口爆炸人口爆炸”定义定义： “人口爆炸人口爆炸” , ,是社会学家用来描叙是社会学家用来描叙2020世纪出现世纪出现 的世界人口急剧增长情况的词汇的世界人口急剧增长情况的词汇, ,它十分形象地反它十分形象地反 映出近映出近100100多年来世界人口猛增的现象。多年来世界人口猛增的现象。 从地球上有人类开始,人口数量始终是不停地增 长着,而且增长的速度不断加快。 公元初年时,全球的人口也就是2亿到3亿,目前 已超过了60亿。在约两千年的时间里,世界人口增 长了20多倍,现在每年还要增加8600万。 计算：世界人口每增加计算：世界人口每增

3、加1010亿所用的时间。亿所用的时间。 环境限制性意义：环境限制性意义：由于世界人口的急剧增长由于世界人口的急剧增长, , 社会经济发展对资源的需求与日俱增。社会经济发展对资源的需求与日俱增。 虽然在人类社会发展过程中虽然在人类社会发展过程中, ,自然资源的种类、自然资源的种类、 数量、规模、范围都在不断增加，但是，自然数量、规模、范围都在不断增加，但是，自然 资源终究是有限的。资源终究是有限的。 人类与自然资源之间，应当建立良性循环人类与自然资源之间，应当建立良性循环 关系，以实现自然资源的持续利用。关系，以实现自然资源的持续利用。 如果我国的人口现在不是如果我国的人口现在不是13亿，而是亿

4、，而是7亿，我国的经济、环境亿，我国的经济、环境 状况会如何？状况会如何？ 微生物细胞不仅是一个比面值大、 生化转化能力强、能进行快速自我复 制的生命系统，而且它们还具有物种、 遗传、代谢和生态类型的多样性（五 大特点），使得它们能够在解决人类 面临的各种危机中发挥其不可替代的 独特作用。 1.1.微生物与粮食微生物与粮食 粮食生产是全人类生存中至关重要的大 事。 提高土壤肥力、改进作物特性（如构建 固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作 物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多 余粮食转化为糖、单细胞蛋白、各种饮料 和调味品等。 微生物肥料微生物肥料 微生物肥料提供的是能固氮、解磷、解 钾等有益微

5、生物，这些活的微生物能在植物 根际生长、繁殖。 优点： 1）固定转化空气中不能利用的分子态氮为 化合态氮，解析土壤中不能利用的化合态磷、 钾为可利用态的磷、钾，并可解析土壤中的 10多种中、微量元素。 3）通过有益微生物在根际大量繁殖，产生粘 多糖，与植物分泌的粘液及矿物胶体、有机胶 体相结合，形成土壤团粒结构，增进土壤蓄肥、 保水能力。 2）分泌生长素、细胞分裂素、赤霉素、吲哚酸 等植物激素，促进作物生长，调控作物代谢， 按遗传密码建造优质产品。 微生物肥料可使农产品增产12%至20%。 微生物可以提高肥料的利用率。传统化肥的平均利 用率仅有20%-30%，磷肥的利用率为10%-20%，钾

6、肥的利用率为40%，而微生物肥料的利用率要高于 这个数字。 降低农药残留 近年来，以癌症和亚健康现象为代表的“食源性 疾病”的增加，与环境污染和食品药物残留超标有 直接原因，“微生物肥料不仅本身无毒无害，还能 起到净化、修复土壤的作用”。 固氮菌和根瘤菌 固氮菌：在培养条件下，每消耗1克碳水 化合物约能固定10毫克氮素。 根瘤菌(root nodule bacteria)是与豆科植物 共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物 营养的一类杆状细菌。这种共生体系有强的 固氮能力。 2微生物与能源微生物与能源 当前，化学能源日益枯竭问题严重困扰着世界各国。 微生物在能源生产上有其独特的优点： 把自然界

7、蕴藏量丰富的纤维素纤维素转化成乙醇； 利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资 源转化成甲烷； 利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产 “清洁能源”-氢气； 通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采 收率（黄原胶：水溶性胶体多糖，具增粘、稳定、 互溶等优良特性，用它作为注水增稠剂，注入油层 驱油；也可作为钻井粘滑剂，同时可脱去石油中的 石蜡，改善成品的品质）； 研制微生物电池。 微生物电池：微生物电池： 燃料电池可以用氢、联氨、甲醇、甲醛、甲烷、 乙烷等作燃料，以氧气、空气、双氧水等为氧化 剂。 可利用微生物的生命活动产生的“电极活性物 质”作为电池燃料，然后通过类似于燃料电池的 办法

8、，把化学能转换成电能，成为微生物电池。 作为微生物电池的电极活性物质，主要是氢、 甲酸、氨等等。人们已发现不少能够产氢的细菌， 其中属于化能异养菌的有三十多种，它们能够发 酵糖类、醇类、有机酸等有机物，吸收其中的化 学能来满足自身生命活动的需要，同时把另一部 分的能量以氢气的形式释放出来。 以这种氢作燃料，制出氢氧型的微生物电池。 同样，微生物也可从废水的有机物当中取得营 养物质和能源，生产出电池所需要的燃料。 在密闭的宇宙飞船里，宇航员排出的尿怎么办？ 美国宇航局：用微生物中的芽孢杆菌芽孢杆菌来处理尿， 生产出氨气，以氨作电极活性物质，就得到了微 生物电池，这样既处理了尿，又得到了电能； 一

9、般在宇航条件下，每人每天排出22克尿，能得 到47瓦电力。 3.微生物与资源微生物与资源 微生物能将可再生资源转化成各种化工、轻工 和制药等工业原料。这些产品除了传统的乙醇、丙 醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等外，还可 生产水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、 长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（PHB）等 等。 由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、 能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，故 必将逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废” 严重的化学工业。 微生物采矿： 利用微生物发酵工程，人工制取大量细菌浸提 剂，喷淋浸提池中的矿石，溶解矿石中的有用成分， 然后从收集的浸

10、提液中分离，浓缩和提纯有用的金 属（湿法冶金技术）。 利用这一技术，可以提取包括金、银、铜、铀、 锰、钼、锌、钴、钪等在内的十几种贵重金属和稀 有金属。 微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也 有独特的作用。 4.微生物与环境保护微生物与环境保护 a.利用微生物技术来监察环境的污染度，如用艾姆氏 法（鼠伤寒沙门氏菌，合成组氨酸基因缺失）检测 环境中的“三致（致癌、致畸、致突变）”物质， 利用EMB培养来检查饮水的肠道病原菌等。 b.利用微生物生产的PHB（聚羟基丁酸酯）制造易降 解的医用塑料制品以减少环境污染； c.利用微生物来净化生活污水、有毒工业污水和修 复污染土壤； d. 微生物肥料、微生

11、物杀虫剂或农用抗生素来取代 会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药； 微生物杀虫剂分为真菌、细菌和病毒杀虫剂三类： 真菌杀虫剂真菌杀虫剂：利用白僵菌白僵菌防治马铃薯甲虫、大 豆食心虫、松毛虫和玉米螟；利用绿僵菌绿僵菌防治金龟 子、孑孓；利用汤普森多毛菌汤普森多毛菌防治柑橘锈螨；利用 轮枝孢轮枝孢防治温室蚜虫；利用座壳孢座壳孢防治粉虱和介壳 虫等。 细菌杀虫剂细菌杀虫剂 ：芽孢杆菌作杀虫剂，主要品种 为苏云金杆菌苏云金杆菌，已广泛应用于农作物、森林、粮 仓和蚊蝇等的防治。苏云金杆菌有很多变种，其 芽孢内含毒蛋白晶体毒蛋白晶体，通称- -内毒素内毒素,是杀虫的 主要成分。当孢子进入害虫消化道后,毒

12、素被活化, 使害虫麻痹瘫痪而死。 寄生在农业害虫体内的病毒已发现约寄生在农业害虫体内的病毒已发现约 200200种，种， 有些已被开发作为病毒杀虫剂。其中大多数属于有些已被开发作为病毒杀虫剂。其中大多数属于 杆状病毒的核多角体病毒，少数是颗粒体病毒。杆状病毒的核多角体病毒，少数是颗粒体病毒。 病毒杀虫剂病毒杀虫剂 ： 昆虫病毒有高度的专一寄生性昆虫病毒有高度的专一寄生性, ,一种病毒只侵染一种病毒只侵染 一种昆虫一种昆虫, ,而对他种昆虫和人无害，因此不干扰生而对他种昆虫和人无害，因此不干扰生 态环境。态环境。 已经小规模商品化的病毒杀虫剂多数用于防治鳞已经小规模商品化的病毒杀虫剂多数用于防治

13、鳞 翅目害虫，例如棉铃虫、舞毒蛾、斜纹夜蛾、天翅目害虫，例如棉铃虫、舞毒蛾、斜纹夜蛾、天 幕毛虫、菜粉蝶等。幕毛虫、菜粉蝶等。 斜纹夜蛾病毒杀虫剂及甜菜夜蛾病毒斜纹夜蛾病毒杀虫剂及甜菜夜蛾病毒 杀虫剂：一种核型多角体病毒（杀虫剂：一种核型多角体病毒（NPV） 微生物杀虫剂与化学合成杀虫剂相比，具有以下微生物杀虫剂与化学合成杀虫剂相比，具有以下 特点：特点： 防治对象专一，选择性高防治对象专一，选择性高; ; 药效作用较缓慢药效作用较缓慢; ; 药效易受外界因素（温度、湿度、光照等）的药效易受外界因素（温度、湿度、光照等）的 影响；影响； 对生态环境的影响小。这些特点使微生物杀虫对生态环境的影响

14、小。这些特点使微生物杀虫 剂成为适用于害虫综合防治的一类农药。剂成为适用于害虫综合防治的一类农药。 农用抗生素 由微生物发酵产生的具有农药农药效能的抗生抗生 素素，按用途区分，有杀菌剂、杀虫剂、杀螨 剂、除草剂和植物生长调节剂。 与化学合成农药相比，农用抗生素具有以下特点：与化学合成农药相比，农用抗生素具有以下特点： 结构复杂； 活性高、用量小、选择性好； 易被生物或自然因素所分解，不在环境中积累或残 留； 生产原料为淀粉淀粉、糖类等农产品，属于再生性能源； 采用发酵工程生产，同一套设备只要改变菌种即可 生产不同的抗生素，生产菌大多是土壤中的放线菌， 也有真菌和细菌。 5.微生物与人类健康微生

15、物与人类健康 微生物与人类健康有着密切的关系。 1. 各种微生物传染病构成了人类的主要疾病，而防 治手段又是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素。 2.遗传工程进一步扩大了微生物代谢产物的范围和 品种，使由动物才能产生的胰岛素、干扰素和白细 胞介素等高效药物转向由“工程菌”来生产。 3.与人类生殖、避孕等相关的甾体激素类药物也从 化工生产转向微生物转化。 4. 一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如 疫苗、类毒素等均是微生物产品。 类毒素类毒素:细菌外毒素经甲醛处理后，失去毒性 而仍保留其免疫原性，能刺激机体产生保护性免 疫的制剂。 常用的有白喉类毒素，破伤风类毒素白喉类毒素，破伤风类毒素。

16、在类毒素中加入磷酸铝或氢氧化铝磷酸铝或氢氧化铝，即成吸附 精制类毒素。在体内吸收较慢，能长时间刺激机体， 使机体产生高滴度抗体，增强免疫效果增强免疫效果。 类毒素在预防由外毒素引起的传染病中起重要 作用，可用于人和动物的免疫接种，使其通过人 工自动免疫获得抗病能力； 用来免疫动物，再从动物血液中提取含抗毒素 的血清，将此抗血清注入人体后，可使人体通过 被动免疫的方式，立即获得相应的特异性免疫力。 类毒素也可与死疫苗混合制成联合疫苗。 如“百、白、破”三联疫苗，是由百日咳死菌 苗、白喉类毒素、破伤风类毒素混合制成，用于 儿童，注射后可同时预防儿童易发的白喉、百日 咳、破伤风三种疾病。 少数微生物也是人类的敌人：少数微生物也是人类的敌人： 埃博拉病毒埃博拉病毒 SARS 禽流感病毒 疯牛病 天花 鼠疫 AIDS 引起灵长类产生埃博拉出血热的烈性传染病病毒， 死亡率很高，50-90。 通过体液，如汗液、唾液或血液传染，潜伏期2周。 症状：症状：突然出现高烧、头痛、咽喉疼、虚