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微生物有大用处(开卷知新)
发布时间:2024-05-10 04:35:30 来源:贝博ballapp 作者:BB贝博ballbet网页登录

  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。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,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。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。

  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。

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