微生物有大用處（開卷知新）
黃 和
麪包、酸奶、豆腐、泡菜，這些人們經常享用的食物都與微生物關係密切。顧名思義，微生物是我們瞪大眼睛也難以發現的微小生物。常見的微生物桿菌寬0.5微米，即使80個桿菌“肩並肩”地排列成行，也只有一根頭髮絲的寬度。當然，萬千微生物中也有特殊者，並沒有那麼微小，比如蘑菇、靈芝。這些或大或小的微生物在食品、農業、醫藥、環保、能源等領域廣泛應用。
小小微生物，是人類生存發展的重要資源，也是科學研究的前沿領域。科學家在觀察細菌對抗病毒入侵的過程中，發現細菌通過剪切DNA，解除了病毒的“武裝”。受此啓發，兩位科學家研究出一種基因編輯技術，這一技術像是自帶身份識別功能的“小剪刀”，精準剪裁微生物、植物、動物乃至人體的遺傳基因。兩位科學家憑此在2020年被授予諾貝爾化學獎。
微生物很古老，也很前沿；很微小，也很強大。這個生命的源頭，正帶給我們越來越多驚喜。
不顯山露水，在食品、農業、醫藥領域大展身手
微生物主要包括細菌、真菌、病毒三大類。細菌是原核細胞型微生物，它像是一間毛坯房，沒啥傢俱，但也能維持正常生活。真菌是真核細胞型微生物，好比一座精裝修的房子，傢俱家電齊全。而病毒是非細胞型微生物，和前兩種細胞型微生物截然不同，喜歡利用其他細胞來供養自己。動植物患上病毒性疾病，就是病毒利用動植物細胞來快速繁育子子孫孫。不過，我們不必談“微”色變，絕大多數微生物對人類生存是有益的，甚至是必要的。人體內微生物數量多達數百萬億個，總重量可超1公斤。
食品加工是人類利用微生物的最早實踐。古人利用微生物創制了營養豐富、風味獨特、種類繁多的發酵食物。這些食物保存期長，消化吸收率和營養價值高，還包含有益健康的生理活性物質。今天，食品工業領域到處都有微生物的身影。以酶製劑爲例，它由傳統或經基因改造的微生物發酵、提取製得，具有催化功能，能夠改善食品的色、形、味，提升食品的功能和品質，可用於澱粉製品、乳製品、烘焙食品、酒和飲料等的製造。食品酶種類豐富，有用於製作奶酪和酸奶的凝乳酶，有增加肉類鮮嫩程度的木瓜蛋白酶，還有提升麪包口感的木聚糖酶、製備功能多肽的蛋白酶，等等。有些食品酶作用獨特，乳糖酶分泌少的人可以食用富含乳糖酶的食物，減輕乳糖不耐受症狀；納豆激酶可以溶解血栓、降低血黏度。
往食品的上游追溯，就是農業生產，這也是微生物的用武之地。隨着環保和食品安全問題越來越受到重視，微生物農藥需求日益增長。微生物農藥的最大優勢在於，不會像傳統化學農藥那樣產生污染，還可以提升農副產品品質，推動綠色農業發展。以典型的微生物農藥赤黴酸爲例，它是一種天然的植物生長調節劑，能夠促進細胞分裂，增加細胞數量，有利於植物生長髮育，進而增加產量。當前，大量雜交水稻制種田通過噴灑赤黴酸來制種，赤黴酸還被廣泛應用於棉花、蔬菜、瓜果等的種植，對保障我國農業豐產起到重要作用。
微生物還幫助人們保持健康。人體裡的微生物主要寄居在腸道內，它們和免疫系統不斷“對話”，像雙歧桿菌等益生菌可以產生短鏈脂肪酸等有益物質，不僅降低炎症疾病發病率，還時刻維持着人體的健康平衡。利用微生物及其代謝產物，可以生產具有多種健康功能的產品。以二十碳五烯酸爲例，它是細胞膜的重要成分，幫助維持細胞膜的流動性和穩定性。此外，二十碳五烯酸還在調節炎症反應、降低血壓、延緩血栓形成等方面起到關鍵作用。過去，二十碳五烯酸主要來源於金槍魚、鮭魚等深海魚的魚油，資源有限，難以滿足市場需求。藉助微生物發酵技術，人們可以從菌類中提取二十碳五烯酸，縮短了生產週期，有利於其穩定供應，還改善了相關產品的口感和品質。
近年來，人工合成微生物作爲活菌藥物，爲醫藥領域科技創新打開了一扇窗口。科學家利用新技術，創制了富含酶的高活性細菌藥物，罕見病患者吃下去後，可以補充自身缺乏的酶。下一步，若能提高這些酶在體內的作用時間和效率，將爲萬千罕見病家庭帶來希望。在癌症治療中，微生物經過基因改造，可以成爲抗腫瘤藥物的“運輸車”，攜帶激活免疫系統的成分，深入化療等現有療法難以觸及的地方，有望成爲抗擊癌症的利器。
“小身板”有大能量，助力生態保護和能源開發
在整個地球生態系統中，微生物稱得上微小卻強大。數十億年前，微生物就是地球上最早的生命體。在生物圈中，微生物作爲“分解者”把動植物遺體、糞便等有機物分解爲無機物，迴歸自然，促進物質循環。沒有微生物，地球的生態系統將不復存在。隨着研究不斷取得突破，微生物在生態保護和能源開發上發揮着越來越大的作用。
比如微生物降解塑料。這些微小的生物，通過其獨特的代謝途徑和酶系統，能夠有效分解塑料，減少塑料污染。鏈球菌屬、假單胞菌屬、葡萄球菌屬、芽孢桿菌屬等細菌，以及麴黴屬的一些真菌，都被發現能夠降解塑料。特別是塔賓麴黴，在高倍顯微鏡下，可以觀察到其內部的細絲網絡像一個高效運轉的工廠，分解着塑料內的聚合物。通常情況下，塑料污染物需要10年乃至更長時間才能被自然降解，將這些塑料放到塔賓麴黴面前，幾周便被徹底分解。
相比於物理和化學降解，微生物降解塑料更溫和、更環保、更可持續。它不需要高溫、高壓或強酸、強鹼等極端條件，只需在適宜的環境下，就能自發降解。微生物降解還可以將塑料轉化爲有價值的生物降解產物，進一步用於農業、化工等領域，實現資源循環利用。不同種類塑料具有不同的化學結構和穩定性，微生物降解也是“一物降一物”。找到針對不同塑料特性的微生物，提高降解效率，是當前的研究重點。例如通過基因工程技術改造微生物，使其具備更強的降解能力和更廣泛的適應性；或者利用微生物共培養技術，構建具有協同降解能力的微生物羣落。納米技術、人工智能、生物反應器等新興技術，也在與微生物降解塑料技術結合，有望提高微生物降解塑料的效果和可操作性。
尋找替代化石能源的可再生能源，是全世界共同面臨的難題。其中，生物乙醇生產就要靠微生物發揮關鍵作用。通過發酵，微生物可以將纖維素、澱粉等可再生生物資源轉化爲糖，進而生產出乙醇。微生物發酵生產乙醇不僅環保，而且原料來源廣泛，生產成本低。與之相似，微生物也可以通過發酵產出生物柴油和生物甲烷。
能源領域還有一個重點課題，固碳。固碳微生物廣泛存在於陸地土壤，這些微生物包括自養型土壤細菌和光能微生物等。它們通過光合作用或化學自養固定二氧化碳，並將其轉化爲有機物，從而增加土壤有機碳含量，提高土壤肥力。未來，科學家有望開發出新的微生物技術，比如通過優化微藻培養條件和代謝途徑進行大規模固碳，減緩全球變暖。
海洋深處的微生物研究是前沿課題。對深海微生物的研究，有助於我們解開生命在極端環境中誕生演化的謎團，爲我們理解地球生命本質提供寶貴線索，還爲我們探索宇宙生命提供新的視角。在科技應用方面，科幻電影裡經常出現的太空採礦，有可能成爲微生物利用的新場景。在微重力環境下，微生物能夠巧妙地分解岩石，提取出珍貴材料，爲長期太空駐留提供資源保障。這種採礦方式不僅高效，而且對環境影響極小，幾乎不產生有害物質，是太空資源開發的理想選擇之一。
現在，科學家們正在發揮聰明才智，探尋微生物的未解之謎。未來，一定會有更多微生物種類被發現，微生物的潛在應用也將得到更加充分的挖掘。
(作者爲中國工程院院士、南京師範大學副校長)
版式設計：沈亦伶
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《微生物學教程(第4版)》：周德慶編著；高等教育出版社出版。
《我包羅萬象：微生物視野下的生命圖景全紀錄》：埃德·揚著、鄭李譯；北京聯合出版公司出版。
《微生物總動員》：劉佳輝編著；清華大學出版社出版。
《 人民日報 》( 2024年05月08日 20 版)