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1、微生物利用与研究进展（ 微生物学 3060103）摘 要：微生物与人类关系密切，它既能造福于人类也能给人类带来毁灭性的灾难。从微生物的发现、微生物与人类的关系以及微生物的应用等方面对微生物作了一些介绍，以期人对微生物有更多的了解。关键词：人类；微生物；关系；利用；研究进展微生物是泛指肉眼看不到或看不清楚的微小生物。它们体积微小（小于，0.01mm）结构简单，但其种类很多。 微生物如同一把十分锋利的双刃剑，它的“残忍”给人类带来的灾难有时甚至是毁灭性的，但它给人类带来的利益不仅仅是享受，而且实际上涉及到了人类的生存。许多重要产品的生产，如面包、抗菌素、疫苗、维生素等，微生物起着不可替代的作用；有
2、了它才使地球上的物质得以循环，否则地球上的生命将无法繁衍下去。同时，在以基因工程为代表的现代生物技术的发展及应用中，微生物也在对人类做出着重要的贡献。1 微生物的发现与微生物学的发展 在人们真正看到微生物之前，已经猜想或感受到了它们的存在，甚至人们已经在不知不觉中应用它们。据考古学推测，我国在8000年前已经出现了曲蘖酿酒，4000多年前我国酿酒已十分普遍，我国的酒文化更是源远流长，到了 16世纪，古罗马医生GFracastoro才明确提出疾病是由肉眼看不见的生物引起的。在宋真宗时我国人民已广泛应用种人痘（天花浆）来防治天花，到了1717 年，这种方法才经土耳其传至英国，再到欧洲、美洲，最后在
3、人痘的基础上才发展为牛痘，从此天花得到彻底消除。开创了近代免疫学上一个非常成功的先例。 “只有当新的工具成为可能，新的事实才会显现。”显微镜的发明向人们打开了一个新的、美妙的世界。第一个发现了微生物世界的是安东范列文虎克。被称为显微技术之父。19世纪是近代微生物学发展非常迅速的一个时期，法国科学家巴斯德证明了发酵和腐败是微生物作用的结果，而不是发酵产生了微生物。用严密的实验推翻了自亚里斯多德以来长期统治欧洲的自然发生说，并且在蚕病、狂犬病、鸡霍乱病和炭疽病的病原体的研究和预防方面作出了卓越的贡献，他发明的巴氏消毒法至今仍然广泛用于各种液态食品的工厂化生产，被称为现代微生物学之父。进入20世纪以
4、后，由于生物化学、化学分析技术的发展，电子显微镜的问世，使微生物学研究从细胞水平进入到分子水平。各种新技术在微生物学研究中的应用，不仅促进了微生物学的发展，而且对微生物的应用已深入到各个领域。2 微生物与人类的关系人体中的微生物正常情况下，人体体表及与外界相通的体腔中存在着一定种类和数量的微生物，被称为人体正常微生物群落。它们构成了人体内的微生态环境，和人体保持着一个平衡状态，相互依赖，相互影响。人体为微生物提供良好的生态环境，使微生物得以生长繁殖；微生物可为人体提供多种维生素，如B2、B12、VK、烟酸和生物素、各种氨基酸，同时也可抑制或排斥外来微生物的侵入和寄生，起到保护作用，保证人体各项
5、生命活动的正常进行。一旦这种平衡被打破，如皮肤、粘膜受损，机体疲劳、受凉导致防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物，失去它正常的功能，导致人体出现异常，如腹膜炎、肾盂肾炎等炎症。如果长期服用广谱抗菌素如青霉素，可导致肠道内对药物敏感的细菌被抑制，而不敏感的细菌则大量繁殖，破坏了正常菌群内各种微生物之间的相互制约关系，从而引起疾病，如腹泻、消化不良、胃肠炎等。这通常被称为菌群失调症。因此在进行治疗时，除使用药物来抑制或杀灭致病菌外，还需要考虑调整菌群，恢复肠道正常菌群的生态平衡。同时，在使用抗菌素时，需要了解引起感染和炎症的主要原因，做到对症下药，不能滥用抗菌素。在维护人体健康方面，维持
6、微生态环境的平衡与稳定具有非常重要的意义。3 微生物在生态系统中的作用自然界中的生物成份按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产者、消费者、分解者。微生物一方面可以作为初级生产者通过生物合成作用将无机物有机质化，另一方面，微生物主要作为分解者通过分解作用将有机物进行无机质化，在生态系统中起着重要的作用。生命活动的基本特征是新陈代谢，这是一切生物所具备的自然现象，生命源于自然，最终也将归于自然。微生物的分解作用就表现在能分解生物圈内存在的动物、植物和微生物的代谢废物和残体等复杂有机物质，并最后将其转化为最简单的无机物，如CO2、N、P、S等，再供初级生产者利用，为人类的生命活动提供氧气、营
7、养物质，使生命得以延续。通过微生物的作用，各类元素和物质不断地从非生命物质状态转变成有生命的物质状态，然后从生命物质状态转变成非生命的物质状态，如此周而复始地循环利用，构成了生物与非生物之间，也就是生命与非生命之间的物质循环和能量流动。 自然界中的微生物与其它生物协同作用，相互影响、相互制约、相辅相成的构成了复杂的关系。可以这样说，如果没有微生物的作用，自然界中各类元素和物质，就不可能周而复始循环利用，自然界的生态平衡就不可能保持，人类社会也将不可能生存发展。4 应用微生物学的几个热点研究领域科技部中国生物工程开发中心有关资料表明：中国将在十年内建成20个世界级研究中心，10个世界级生物技术中
8、心，使生物技术产业总产值达到每年3000亿元。迅速发展的生物高新技术因在农业、医疗、环保等领域的诱人前景，正成为国际竞争的一大热点。1999年全球生物技术产品的总销售额为500亿美元，产生的经济效益超过3000亿美元。全球生物技术发展呈现四大态势：以企业技术创新为主体的产学研一体化程度越来越高；商品化速度越来越快；产业发展的关联度越来越强；对各国的政治、经济、军事、文化等方面的影响越来越大。建立以基因为核心的知识产权，抢占21世纪的制高点，已成为国际生物技术的竞争焦点1。美国、德国、日本等国把生命科学和生物技术研究列为世纪科技发展的战略重点。而我国争取在未来十年内使中国生物技术的整体水平跻身世
9、界先进行列，使生物技术产业发展成中国的支柱产业之一。因此，应用微生物的研究也出现了与生物技术密切相关的热点。4.1 以提高微生物的生防能力目标的微生物基因克隆、表达与基因组学研究根据病原微生物基因组大小及其在我国农业生产中危害程度，有选择地开展病原真菌（如Pyriculariaoryzae），病原病毒（如PYDV）以及病原细菌（如Xanthomonas oryzae）等某些重要作物病原微生物的基因组研究。集中优势力量，建立作物病原微生物菌种资源库和基因资源库，开展重要作物病原微生物相关基因（簇）的分离、克隆、结构和功能的研究。在建立基因组的物理图谱和遗传图谱的基础上，完成某些重要作物病原微生物
10、的基因组所有核苷酸分析工作，并不失时机的开展基因结构、功能和表达调控等后基因组学的研究。以利于从分子水平了解病原微生物的致病机理，并研究出防病和治病的方法。我国地域广阔、生态环境复杂多变，农业微生物基因资源和生物多样性极其丰富，其中不少农业微生物具有抗虫、抗病、抗除草剂或耐盐、耐酸碱或耐高低温等抗逆特性，常由一个或多个相关基因控制，这些基因编码的酶产物所显示的特殊生物学功能具有重要的理论和应用价值。利用现有的农业微生物基因资源，采用现代分子生物学技术对相应基因鉴定和分离，在5-10年时间内，从现有微生物基因库中克隆有重要应用价值、知识产权和抗逆新基因，构建高效工程菌株，从而有效地提高农作物的抗
11、性。目前已发现许多微生物具有生防作用，木霉菌(Trichodermaspp.)就是一类普遍存在并具有重要经济意义的生防益菌。早在60多年前,人们就认识到木霉菌对植物病原菌的拮抗作用2 。70年代以来,对木霉菌的拮抗作用及其机制作了深入研究,证实了木霉对病原菌的重寄生现象，同时在温室及田间试验中也取得了令人鼓舞的成果，国外已有商品化的木霉制剂问世3，如美国的Topshield(哈茨木霉T22)和以色列的Trichodex(哈茨木霉T39)。随着现代生物技术的不断发展，已经开始从生化和分子水平上对拮抗木霉的生防机制进行研究,并有较大的突破。4.1.1木霉对植物病原真菌的拮抗机制木霉对植物病原真菌的
12、拮抗作用包含多种机制,一般认为有竞争作用。重寄生作用及抗生作用。另外,Harman4建议，在木霉的生防机制中可能还包括：(1)在逆境中，如干旱、养分的胁迫下，通过加强根系和植株的发育提高耐性；(2)可诱导植物对病菌的抗性；(3)增加土壤中营养成分的溶解性，并促进其吸收；(4)使病原菌的酶钝化。木霉在代谢过程中可以产生拮抗性化学物质来毒害植物病原真菌，这些物质包括抗生素和一些酶类。许多木霉菌株产生挥发性或非挥发性的抗菌素类物质，有木霉素(trichodermin)、胶霉素(gliotoxin)、绿木霉素(viridin)、抗菌肽(peptideantibiotic)等。Dennis等5还报道了木
13、霉产生的一种挥发性乙醛对病原真菌具有抗性。朱天辉等6在研究哈茨木霉对立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)的抗生现象时发现，FO60菌株产生的代谢物质能抑制立枯丝核菌的菌落生长，降低其菌丝干重，而且非挥发性代谢物具热稳定性，这些代谢物可以破坏菌丝细胞壁,使细胞内物质外渗，引起立枯丝核菌菌丝的原生质凝聚，菌丝断裂解体。Lynch7研究表明：哈茨木霉防治立枯丝核菌的主要机制之一，是产生一种挥发性的抗生素，具有椰子香味，经过鉴定为六戊烷基吡喃及戊烯基吡喃。Brukner等从绿色木霉(T.viride)和长枝木霉(T.longibrachiatum)中分离提纯了一组特殊的抗菌肽，分别为tri
14、chobrachin和trichovirin，并测定了其氨基酸序列。这些次生代谢产物的纯化为农用抗生素的开发和利用提供了基础。但是某些抗生素性质不稳定，在一定条件下可转化为不具抗菌活性的化合物，如胶霉毒素在酶的作用下或在代谢过程中可转化为二甲基胶霉毒素而丧失活性。4.1.2诱导抗性以往关于木霉生防机制的研究大多集中于微生物间的互作，而忽视了寄主植物的参与。最近，Bailey和Lumsden8的研究揭示了木霉菌的木聚糖酶或其它的激发子能够诱导植物的抗病性。Elad与其同事9利用哈茨木霉T39接种根部或叶子后，控制了灰葡萄孢引起的病害，认为诱导抗性是重要机制之一。Howell等10用生防菌株绿色木
15、霉处理棉花种子后发现：绿色木霉穿透并定殖在根表皮和外皮层组织中，其过氧化物酶活性升高，萜类化合物积累。Yedidia等11也证实了哈茨木霉菌株T203穿透到黄瓜根部外皮层，产生了一种类似的诱导抗性，并且穿入区的细胞机械强度增大，与未经T203处理的植株相比，几丁质酶和过氧化物酶活性的升高提前了4872h，并且叶部也出现了这两种酶活性的升高，表明T203诱导导致系统性获得抗性(SAR)；同时他们还发现，在无菌水培养条件下，经T203处理的黄瓜总是比未经T203处理的黄瓜长得大。4.1.3 协同拮抗作用木霉的拮抗作用可能是两种或三种机制同时或顺序作用的综合。Baker的研究资料表明，用木霉处理菜豆
16、种子后，木霉对腐霉菌(Pythiumspp.)的作用包括产生抗生素及重寄生作用两种机制。木霉在产生抗菌素的同时，也产生各种降解细胞壁的胞外酶以抑制土传植物病原菌的菌丝生长和孢子萌发。diPietro等12从绿色木霉和终极腐霉(Pythiumultimum)的相互作用的培养中提取出胶霉毒素，发现每升培养液中增加75mg几丁质酶，可以减少50%的胶霉毒素用量而起到同样的效果。Jones等13提出了胶霉毒素与细胞壁降解酶协同效应模型，认为细胞壁降解酶的作用在于使毒素快速传递并作用于原生质膜的特定位点，起到增效作用。另外，不同的细胞壁降解酶之间也存在协同作用。由此可见，利用木霉进行生物防治，其机制的多样性是毋庸置疑的。所以不难理解不同的木霉菌株具有不同的生防能力，即使同源菌株的突变体也表现出不同的生防机制。另外，许多植病学者在研究木霉对植物病原菌的生物防治时发现，木霉还可
