第二節 微生物學技術與產業

微生物廣泛分布于土壤、水、空氣以及動植物的體內或體表，寄生、腐生或自養生活。雖然少數種類的微生物可引起人類及動植物生病或者使工農業產品和生活用品腐蝕、霉爛，但是大多數微生物對人類是有益的。尤其是隨著科學技術的進步與學科的相互滲透和交叉，微生物已在工業、農業、環境保護、資源利用與食品等各行各業發揮越來越重要的作用。

一、微生物與農業

近十年來，世界農業出現的土地資源退化和農業生態環境惡化等問題，使人們更加關注生物系統農業的研究。相繼形成了替代農業、低投入農業、有機農業以及持續農業等新的農業體系和觀念。從總體上來說，這些體系和觀念的共同點都是主張農業生產要遵循生態學原理，合理開發資源、保護農業資源與環境、減少產品污染、降低化學合成物的使用量。土壤微生物在養分持續供給、肥料管理措施、有害生物綜合防治及土壤保持中起著舉足輕重的作用（孫海新，2013）。下面從生物肥料和生物農藥兩方面來描述微生物在農業領域中的應用。

（一）生物肥料

1．生物肥料的概念

生物肥料，又稱微生物肥料，是指含有特定微生物活體的制品，應用于農業生產，通過其中所含微生物的生命活動，增加植物養分的供應量或促進植物生長、提高產量、改善農產品品質及農業生態環境。目前，微生物肥料包括微生物接種劑、復合微生物肥和生物有機肥三類。為了發展現代農業，實現農業可持續發展，對肥料行業的發展提出了新的更高的要求。而生物肥料在提升耕地質量、治理農業面源污染、提升農產品品質等方面具有不可替代的作用。大力推廣生物肥料的應用是實現農業可持續發展的一項重大舉措。

2．生物肥料的功能特點

生物肥料的作用主要表現為提供或活化養分、產生促進作物生長活性物質、促進有機物料腐熟、改善農產品品質、增強作物抗逆性、改良和修復土壤等幾個方面。

生物肥料可以活化土壤養分，一是利用微生物的固氮功能，為作物直接提供營養；二是利用微生物溶磷、解鉀、溶解鈣鎂硫等中量元素的功能，使營養物質形態活化，增加養分的有效性，提高肥料利用率（陳文新，2014）；生物肥料可產生促進作物生長的活性物質，比如許多微生物可以產生植物激素，促進作物生長；生物肥料可促進有機物料腐熱，微生物將有機物料礦質化和腐殖質化，轉化形成大量優質的有機肥料，增加土壤有機質和土壤肥力（黃韶華，1995）；生物肥料可改善農產品品質，不同類型的微生物肥料，可以從外形、色澤、口感、香氣、單果重、千粒重、大小、耐儲運性能等不同方面，改善農產品品質；生物化肥可增強作物抗逆性，主要表現在抑制病蟲害發生（產生抗生素，病情指數降低）、抗倒伏、抗旱、抗寒及克服連作障礙等方面。

另外，生物肥料還可改良和修復土壤。應用微生物肥料進行土壤改良和修復，在實踐中被證明是有效的技術手段。通過微生物代謝活動，直接或間接地將土壤環境中的有毒有害物質（如殘留農藥、重金屬等）的濃度降低，從而將毒性降低，或實現完全無害化。此外，微生物肥料還可以改善土壤的容重、團粒結構、養分供給、微生物種群結構與數量等指標（周澤宇，2014）。

（二）生物農藥

1．生物農藥概念

從廣義上來說，利用活體微生物或其產生的代謝產物來防治病蟲草害的農藥稱為微生物農藥。從狹義上來說，只利用活體微生物來進行病蟲草害防治的農藥稱為微生物農藥，包括病毒、細菌、真菌等微生物活體（陳源，2012）。生物農藥的傳統定義是指可以用來防治病蟲草等有害生物的生物活體，如利用細菌、放線菌、病毒、真菌、線蟲及拮抗微生物等來控制病蟲草害的制劑（梁知潔，2001）。隨著其發展，又將生物的代謝產物、轉基因產物等擴充到其中，包括微生物農藥、農用抗生素、植物源農藥、生物化學農藥和轉基因植物等(Congress &Te,1991)。

2．生物農藥分類

生物農藥分為3大類。

（1）微生物源農藥。它們是以微生物為活性成分的農藥，這類農藥可以殺死多種害蟲。例如：有些真菌可以控制雜草，另外一些真菌可以控制蟑螂，一些細菌可以控制植物疾病。目前應用最廣泛的微生物農藥是Bt，可以控制卷心菜、馬鈴薯及其他作物的害蟲。

（2）植物農藥或轉基因植物農藥。它們是將基因植入植物體內的農藥。如科學家從Bt殺蟲蛋白中提取基因，再植入植物體內使植物具有殺死害蟲的活性(Douville,2007)。

（3）生物化學農藥。它們是以非毒性機理控制害蟲的天然源物質，包括信息素、荷爾蒙、植物生長調節劑、排斥劑及酶。

3．生物農藥的特點

（1）選擇性強，對人畜安全，是目前市場開發范圍大并應用成功的生物農藥產品。它們只對病蟲害有作用，一般對人畜及各種有益生物比較安全，對非靶標生物的影響也比較小。生物農藥是生物活體，假如不考慮生態環境因素，那么生物農藥對非靶標生物幾乎是沒有殺傷力的。生物農藥中昆蟲病原真菌、細菌、病毒等均是從感病昆蟲中分離出來，經過人工繁殖再作用于該種昆蟲，加上生物農藥大多數都是通過影響害蟲進食而達到殺蟲目的，因此使用生物農藥是很安全的（張錫貞，2004）。

（2）無污染，對生態環境安全。微生物農藥有控制有害生物的作用，主要是利用某些特殊微生物或微生物的代謝產物所具有的殺蟲、防病、促生功能。其有效活性成分完全存在和來源于自然生態系統，在環境中會自然代謝，參與能量與物質循環。它的最大特點是極易被太陽光、植物或各種土壤微生物分解，其作用過程是一種來于自然、歸于自然的物質循環方式。作物施藥后對水體、土壤、大氣都不會產生污染，也不會在作物中殘留（武軍彥，2014）。

（3）效果好，防治期更長。一些生物農藥品種（昆蟲病原真菌、昆蟲病毒、昆蟲微孢子蟲、昆蟲病原線蟲等）具有在害蟲群體中水平或經卵垂直傳播的能力，在野外一定的條件下，具有定殖、擴散和發展流行的能力，不但可以對當年當代的有害生物發揮控制作用，而且對后代或者翌年的有害生物種群起到一定的抑制作用，具有明顯的后效作用（王曉娜，2014）。

綜上所述，生物肥料的功能特點，決定了其在維持土壤肥力，恢復、保持土壤質量，以及實現農業可持續發展中具有不可替代的作用。據有關資料統計，我國微生物肥料在國家生態示范區、綠色和有機農產品基地中已成為肥料主力軍，其用量已超過400萬噸，約占我國微生物肥料年產量的50%。生物肥料行業的生產企業、科研單位和推廣部門，應把握好當前良好的發展機遇，推動生物肥料行業發展，助力我國農業可持續發展。而生物農藥具有低毒性、選擇性強、低殘留、高效且能迅速分解、不易產生抗藥性等一系列的優于化學農藥的特點，它的作用方式是以控制病蟲害為主，而不具有強烈的殺滅病蟲害作用。針對可持續發展和綠色農業的需要，開發利用生物農藥任重而道遠。

二、微生物與食品產業

以自然界中食品原料為基質，通過微生物的代謝活動，利用適宜的工藝和設備條件制得的食品叫作發酵食品，也叫釀造食品。其生產已有悠久的歷史，對現代食品工業及人們生活產生了重要的影響。利用微生物生產的現代食品產業稱為食品發酵產業。微生物發酵食品的原料豐富，一般以谷物、豆類、果蔬類為主；發酵技術的應用已擴展到三大類產品的生產中：一是生產傳統的發酵產品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生產食品添加劑；三是生產保健品。由于是自然發酵，一般是多菌種發酵，酶系復雜，有多種微生物共同參與，同時在發酵過程中還得保持各種微生物之間的協調性（龍立利，2014）。微生物代謝的酶類將原料中的蛋白質、糖類、脂肪等分解成氨基酸、寡糖為其生長提供營養，同時也形成風味物質的前體，而代謝生成的乙醇、乙醛、乳酸、丁酸乙酯等則直接形成產品的風味（陳楠，2013）。

（一）傳統發酵食品

1．酒類

啤酒的原料為大麥、釀造用水、酒花、酵母以及淀粉質輔助原料（玉米、大米、大麥、小麥等）和糖類輔助原料等。傳統的游離酵母發酵啤酒周期為20~30d。酵母在固定化載體中增殖快，生長良好，具有較高的穩定性，使用壽命可達兩個月。用固定化酵母發酵啤酒的周期為一個星期，生產周期大大縮短，固定化酵母發酵啤酒方法特別適合于夏季、秋季對啤酒需求旺盛的季節使用（王人悅，2014）。

2．發酵乳制品

發酵乳制品是良好的原料乳經過殺菌并且在特定的微生物作用下進行發酵所獲得的，經過這種工藝處理的乳制品一般都具有很特殊的風味，并且有很高的營養價值和很好的保健作用。酸奶的發酵過程使奶中的糖、蛋白質有20%左右被水解成為小的分子（如半乳糖和乳酸、小分子肽和氨基酸等），奶中脂肪含量一般是3%~5%。酸奶更易消化和吸收，其發酵過程使得各種營養素的利用率得以提高。

3．調味品

醬油是人們常用的一種食品調味料。它是用蛋白質原料和淀粉質為原料，利用曲霉及其他微生物的共同發酵作用釀制而成的。醬油生產中常用的霉菌有米曲霉、黃曲霉和黑曲霉等。曲霉菌株應符合如下條件：不產黃曲霉毒素；蛋白酶、淀粉酶活力高，有谷氨酰胺酶活力；生長快速、培養條件粗放、抗雜菌能力強；不產生異味，制曲釀造的醬油制品風味好（張丹，2012）。

4．泡菜

泡菜主要是新鮮蔬菜通過原料處理后由乳酸菌發酵而成的一種傳統蔬菜發酵制品(Kim & Chun,2005)。蔬菜經以乳酸菌為主要菌群的多種微生物發酵后，質地脆嫩爽口，營養豐富，富含維生素、胡蘿卜素和鈣、鐵、磷等微量元素，具有開胃、健脾、促進消化、降低膽固醇、預防高血壓等保健功效，一直以來深受人們喜愛。其腌制加工的主要微生物學原理是新鮮蔬菜在一定食鹽濃度溶液中，借助自然條件下附著在蔬菜表面的有益微生物，其中以乳酸菌為主，或通過人工接入乳酸菌，使蔬菜中的可發酵型糖類等物質發酵產酸，利用食鹽溶液的高滲透壓，抑制有害微生物生長，同時還伴隨一系列乙醇發酵和醋酸發酵等生化反應，從而形成了泡菜等發酵制品的獨特風味。泡菜中常見的乳酸菌主要有植物乳桿菌、短乳桿菌、腸膜明串珠菌和雙歧桿菌等（李文婷，2012）。

目前，我國蔬菜發酵產業中的泡菜加工產業已初具規模，主要集中在四川省，四川泡菜全國市場占有率達50%以上，產品遠銷日本、韓國、美國、澳大利亞、歐盟、東南亞等近20多個國家和地區。年加工鮮菜300多萬噸，總產值已達到100多億；其中產值1000萬元以上的泡菜加工企業100多家（不含辣椒豆瓣），總產值50億元以上，其中省級農業產業化重點龍頭企業30多家，國家級農業產業化重點龍頭企業3家。國內已形成以四川地區為主的泡菜發酵的研究與產業化應用的“產學研”相結合的科技創新團隊，重點關注泡菜加工專用原料品種的選育、原料基地建設，泡菜加工新工藝、新品種研發，標準化技術規程制定和完善等工作；綠色功能菌（群）發酵調控和直投式功能菌發酵泡菜關鍵技術等研究與產業化應用，泡菜發酵用菌種的產業化生產，增香調味技術、小包裝泡菜保質技術等成果的開發和應用，推動了四川省從傳統的作坊式泡漬泡菜向規模化、多元化泡菜發展，為不斷開發泡菜新產品奠定了基礎。開發的低鹽泡菜、早餐泡菜、清醬泡菜和泡山野菜等各式新產品，受到消費者的青睞和市場認可。

（二）食品添加劑

1．氨基酸

L-苯丙氨酸用紅酵母菌種進行二級發酵，培養具有苯丙氨酸解氨酶活性的培養物，以此作為生物催化劑，在肉桂酸-氨水液中保溫反應，由酶催化制得。L-纈氨酸以葡萄糖、尿素、無機鹽等為原料，用產谷氨酸微球菌、產氨短桿菌、產氣桿菌等為菌種發酵制得。L-異亮氨酸是以糖、氨、α-氨基丁酸等為原料，用黃色小球菌或枯草桿菌發酵而得。L-谷氨酰胺以葡萄糖等糖類為原料，經黃色短桿菌發酵制得。此外，賴氨酸、色氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、精氨酸、半胱氨酸、脯氨酸等氨基酸亦可由微生物發酵法制得（姬德衡，2002）。

2．木糖醇

木糖醇是一種具有營養價值的甜味物質，也是人體糖類代謝的正常中間體；木糖醇廣泛用于食品和醫藥產業。酵母菌（假絲酵母屬菌株）是發酵法生產木糖醇的最好菌株之一，影響產量的主要因素有培養溫度、通氣率、木糖濃度、氮源和pH值等。相關研究表明，通過破壞木糖醇脫氫酶基因XYL2，可以阻止木糖醇向木酮糖轉化。通過復合培養基（最有效成分是甘油），可以促進細胞的生長和NADPH的產生，最終在發酵16h后木糖醇積累的濃度可達到48.6g/L。遺傳性狀改良菌株如木糖醇脫氫酶(XDH)缺陷性菌株，破壞由XYL3編碼的酶木酮糖激酶(D-xylulokinase)后，木糖醇的積累量為26g/L（秦海青，2013）。此外，利用氧化還原電位的變化可以控制酵母菌發酵生產木糖醇(Sheu, et al.,2003)。

3．微生物多糖——普魯蘭多糖

普魯蘭多糖(Pullulan)最早是1938年由R.Bauer發現的一種特殊的微生物多糖。該多糖是由α-1,4糖苷鍵連接的麥芽三糖重復單位經α-1,6糖苷鍵聚合而成的直鏈狀多糖，分子量在2萬~200萬，聚合度100~5000。普魯蘭多糖以其優良的理化特性，如易溶于水且不離子化，不凝膠化，熱穩定性好，黏度受外界因素影響較小，并且不會污染環境，在眾多領域得到廣泛的應用。另外，其還具有良好的成膜性、阻氣性、可塑性，黏性較強，且無毒無害、無色無味等，已廣泛應用于醫藥、食品、輕工、化工和石油等領域。2006年5月19日，國家衛生部發布了第8號公告，普魯蘭多糖為新增四種食品添加劑產品之一，可在糖果、巧克力包衣、膜片、復合調味科和果蔬汁飲料等中用作被膜劑和增稠劑。一般商品分子量在20萬左右，大約由480個麥芽三糖組成。

普魯蘭多糖是一種由出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)發酵所生產的類似葡聚糖、黃原膠的胞外水溶性黏質多糖，出芽短梗霉是一種生活史極為復雜的類酵母型真菌，各種形態之間的相互演化受較多因素影響。國內相關研究單位開展了對發酵法生產普魯蘭多糖的研究，并對其生產菌株進行了誘變改造。綜合文獻報道結果表明，基于透析培養制備的出芽短梗霉G-58菌懸液，同步性優于普通培養方式，且便于控制接種量，在OD600為0.442，接種種齡為36h，在培養溫度為28℃，初始pH為7.0，裝液量為50mL/250mL，搖床轉速200r/min的條件下可培養出芽短梗霉G-58，發酵結果不僅粗多糖產量高，色素含量低，且發酵實驗的整體穩定性得到了有效提高，分批發酵實驗重現性良好。發酵時以蔗糖和葡萄糖為碳源的G-58菌株產糖量高且色素含量低；不同的氮源培養基中，有機氮源優于無機氮源，復合氮源優于單一氮源，其中酵母膏結合碳酸銨的復合碳源形式具有較好的產糖效果。具有較高普魯蘭多糖產量的G-58菌體形態，多為帶有黃色素的厚垣孢子與腫脹細胞。在發酵抑制劑的影響方面，在發酵液中添加抑制劑碘乙酸與氟化鈉，可對糖酵解過程中關鍵性酶3-磷酸甘油醛脫氫酶與丙酮酸激酶產生作用，從而可推斷出芽短梗霉G-58的菌體生長及多糖合成途徑；糖酵解抑制劑會在一定程度上影響出芽短梗霉G-58的菌體生長及多糖合成，并推斷認為出芽短梗霉G-58的生長代謝是以EMP途徑為基礎，并在HMP途徑或其他途徑的共同作用下完成的，并且HMP途徑代謝通量的增加能夠促進出芽短梗霉菌體的生長，而胞外多糖的合成則在很大程度上依賴于EMP途徑并受其代謝通量變化的影響。

4．不飽和脂肪酸

二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)是一種對人體非常重要的多不飽和脂肪酸，廣泛應用于醫藥、食品和飼料工業中。DHA是一種常用的食品營養強化劑，添加在牛奶或奶粉、食用油等產品中。DHA主要分布在海洋生物中，但通過提取魚油生產DHA存在資源有限、產量不穩、純化工藝復雜、魚腥味難以去除等缺點。通過微生物生產的DHA則具有產量穩定、成本低、提取工藝簡單、純度高等優點。微生物發酵生產DHA主要利用裂殖壺菌和藻類，只有實現高細胞密度才有可能實現DHA的高產率（韋海陽，2013）。

（三）發酵法生產保健食品

1．維生素

酵母菌在工業生產上應用十分廣泛。首先，其營養要求低，生長快，培養基廉價，便于工業化生產；由于細胞生長有一定的好氧性，可進行細胞高密度培養，在發酵罐中細胞干重能達到120g/L（張劍峰，2009）；培養紅酵母可發酵生產β-胡蘿卜素，β-胡蘿卜素在人體中代謝后可轉換為維生素A，因此，β-胡蘿卜素又稱維生素A的前體。而維生素C的發酵法生產，早在20世紀70年代已經研究成功，“二步法”發酵生產維生素C的生產工藝早已并投入工業化生產。此外，維生素B2由阿氏假囊酵母等微生物發酵后，從發酵液中分離、提取制得。維生素B12由黃桿菌、丙酸桿菌等細菌及灰色鏈霉菌等微生物經培養發酵后分離精制而得（姬德衡，2002）。

2．靈芝發酵產品

靈芝子實體是人類認識并最初利用靈芝的基本結構，開發利用靈芝子實體的常規方法有如下幾種。一是利用靈芝子實體直接粉碎加工為靈芝粉粗品；二是以靈芝子實體粗提取物為原料加工成保健產品；三是以靈芝子實體提取出的活性成分為原料的產品。近幾年來，國內研究單位將靈芝菌種接種到具有高蛋白的脫脂大豆液體培養基中，經三天發酵后，添加奶粉、糖、穩定劑等輔料，經均質、殺菌制得新型營養保健飲料——靈芝蛋白奶（肖智杰，2006）。此工藝將發酵液及菌絲全部用于飲品之中，增加了大豆游離氨基酸的含量，消除了豆腥味。

3．擔子菌

將擔子菌集中到以粗纖維粉為主的培養基上讓菌絲大量生成，提取菌絲蛋白或利用農副產品下腳料制成培養液，用發酵罐發酵法生產菌絲體提取蛋白，可制成營養價值高，含多糖、維生素豐富的防癌保健食品，此方法現已在我國多地應用。如猴菇營養液、云芝糖肽液、靈芝猴頭羹、灰樹花保健汁、美菇竹蓀液和金靈鍺營養液等（康德燦，2001），其產品備受大眾青睞。

隨著人們生活水平的不斷提高，營養意識的加強以及食品發酵學科的不斷發展，食品發酵技術已由原來的傳統發酵工藝轉變到現代食品發酵工藝，發酵食品生產效率與科技創新不斷進步，微生物相關食品產品不斷更新發展。由于自然界蘊藏著極其豐富的天然微生物資源，未來幾年現代發酵工程必將為食品工業提供更有營養、更保健的豐富多樣的發酵食品，以滿足人類對健康與營養的需求。

三、微生物與資源利用

人類對資源不合理的開采以及工業化進程的加快，作為與食品資源息息相關的土地資源在不斷退化，農業生態環境惡化等問題日益突出。另外，人類的工業是建立在化石能源基礎之上的，而其特點是必然要消耗大量不可再生資源，以及產生大量溫室氣體的排放并破壞生態環境，由此引起人類社會面臨人口劇增下的資源匱乏、能源危機和環境惡化等一系列問題，解決這些問題的關鍵在于尋求一條可持續發展的道路。現代微生物技術可在資源利用效率提高、資源節約和資源開發等方面起到積極的作用，這種作用對目前地球上日益匱乏的自然資源的利用或挖掘具有重要意義。

（一）微生物轉化提高中藥材的藥理性

自然界中存在的微生物具有很強的分解轉化物質的能力，并能產生豐富的代謝產物，利用微生物的生長代謝和生命活動來炮制藥物，能比一般的物理化學手段更大幅度地改變藥性，提高療效，擴大適應癥范圍。通過微生物培養方法對中草藥中的多種成分進行結構修飾，以期增加已有的活性，降低副作用，產生新的活性成分，解決中藥中成分不明確、副作用以及效率發揮差特別是藥材浪費等問題，也為藥物合成提供了新的途徑。

王玉閣及其團隊早在2008年就利用米曲霉菌株對玉屏風散進行微生物轉化（王玉閣，2008），觀測正常小鼠抗氧化功能和免疫抑制小鼠免疫功能的影響。通過實驗測定小鼠外周血和肝組織中特殊指標的亞群的百分比和比值，得出的結論是玉屏風散轉化液組酶的活性高于對照組和玉屏風散煎劑組，MDA生成量低于對照組和玉屏風散煎劑組。經過米曲霉生物轉化的玉屏風散可提高正常小鼠的抗氧化能力，更能提高免疫抑制小鼠的免疫功能。

趙紅曄及其研究團隊試驗了玉屏風散的微生物轉化液對小鼠免疫體制的影響（趙紅曄，2010）。他們以血清溶血素和外周血為檢測指標，實驗結果表明，玉屏風散轉化液可以增強小鼠的體液免疫能力，其作用比玉屏風散強，其作用機理是促進脾臟抗體細胞的形成，促進血清溶血素的生成，提高外周血中蛋白含量，從而增強免疫力。

（二）微生物對中草藥中有效成分的轉化

將中草藥中一種特定的有效成分提取出來，經微生物轉化后尋找新的化合物，然后對新的化合物進行藥理篩選來確定轉化是否有益。

最早是Peterson等在1952年利用微生物黑根霉在孕酮11位上導入α-羥基，使其轉化形成α-羥基孕酮，使孕酮合成皮質酮只需要三步反應，收率高達90%。青蒿素是1971年從藥用植物黃花蒿中分離到的一種化合物，具有高效低毒的抗瘧疾活性，研究人員從18個菌種中篩選出一個能夠催化轉化青蒿素的菌株，進行了優化試驗，使主產物的轉化率達到了56%以上。鄧歡歡等將北桑寄生(Loranthus tanakae Franch.et Sav.)提取物與沼澤紅假單胞菌共同培養（鄧歡歡，2014），通過高效液相色譜法(HPLC)分析經沼澤紅假單胞菌微生物轉化后的北桑寄生化學成分的變化。實驗結果表明，經沼澤紅假單胞菌混合培養后北桑寄生的化學成分發生了很大的變化，轉化液中其上清液成分減少，沉淀物成分中至少增加了4種代謝產物。研究表明，通過沼澤紅假單胞菌可以對北桑寄生提取物成分進行生物轉化，將水溶性化合物（轉化液上清液）轉化為脂溶性化合物（轉化液沉淀物中的成分），研究成果為光合細菌在其他中藥中的生物轉化奠定了基礎。

（三）甾體化合物的微生物轉化

雄烯二酮(AD)和雄二烯二酮(ADD)是甾體激素藥物不可替代的中間體，幾乎所有甾體激素藥物都可以以AD(D)為起始原料進行生產。以廉價的甾體化合物制備AD(D)受到越來越多的重視（梁建軍，2012）。Leec等采用活化氧化鋁載體固定化Mycobacterium sp.NRRL B-3683細胞(Leec,1992)，將濃度為1g/L的膽固醇底物進行分批發酵生物轉化，使ADD的生產強度達到每天0.191g/L，摩爾轉化率為77%，固定化微生物的半衰期超過了45d。

（四）微生物生物轉化法合成天然香料香精

直接從自然界的原料中獲取香料其含量低，且天然香料與合成香料存在巨大的價差，高者甚至達到200倍。因此，針對有價值的香料化合物進行微生物轉化法生產是自然資源開發的一條重要途徑。這種微生物轉化法利用微生物細胞或酶轉化天然前體或全程合成（微生物發酵）來生產各種天然香料（陳虹，2011）。如用微生物轉化法合成香蘭素，這是一種奶油風味的物質，可廣泛應用于冰激凌、巧克力、乳制甜點等里面，堪稱世界上使用最廣的增香劑。利用枯草芽孢桿菌轉化香蘭素的前體物質可以使香蘭素的轉化率達到14%（姜欣，2007），大大減少成本。2-苯乙醇是一種具有柔和細膩的玫瑰氣味的芳香醇，存在于玫瑰、茉莉、百合和丁香等多種植物的精油中，價格昂貴，利用釀酒酵母和畢赤酵母可合成天然2-苯乙醇；目前，馬克斯克魯維酵母菌株可使2-苯乙醇的轉化率高達83%(Etschmann,2004)。

利用微生物的生物轉化作用生產酯類物質可解決香料緊缺和天然原料提取價格昂貴的問題，有巨大的經濟意義，同時可解決由于提取香料的過程導致的資源耗費和環境污染等問題。許多細菌和霉菌都具有合成芳香化合物的能力，如枯草芽孢桿菌能夠全程合成吡嗪類物質，從而賦予醬油、豆汁、豆瓣醬和醬香型白酒特有的香味(Larroche, et al.,1999)；而酵母菌合成天然香料的能力則更強，多種酵母均有合成酒香味（酯類物質）的能力，如乳酸克魯維酵母可合成果味花香味的帖烯(Drawet & Barton,1978)，香氣擲孢酵母可合成香味內酯(Tahara,1972)。同時也可以避免由于消費者對天然香料的喜愛導致價差懸殊問題。總的來說，將微生物轉化技術應用于香料的生產有很大的發展前景和良好的經濟效益，必將在未來的香料市場大放異彩。

（五）油氣藏存二氧化碳的微生物轉化利用

對二氧化碳的捕集埋藏是近年來二氧化碳減排的有效手段之一。返注的二氧化碳主要用于地質封存，或是用于提高石油的采收率，利用這些方法返注的二氧化碳事實上并沒有消失，不排除再次排放到大氣中的可能性。埋藏二氧化碳通過微生物轉化生成甲烷技術，就是利用油氣藏中的內源微生物，以埋藏的二氧化碳為底物，通過二氧化碳還原途徑合成甲烷的技術。合成原料是埋藏的二氧化碳，合成地點是枯竭的油氣藏，合成媒介是油氣藏內源微生物，產物為甲烷。此項技術因為兼具二氧化碳減排的環保意義，生物合成甲烷的再生能源意義以及延長油氣藏壽命和潛在經濟收益等優勢，具有廣泛的應用前景。二氧化碳的捕集、埋存和油氣藏的多樣性為技術的實施提供了可能性（魏小芳，2011）。

除此之外，食品加工業或生物工業中產生的下腳料甚至包括廢水、廢物與廢氣等都可通過微生物的生長與代謝活動產生對人類有用的化學品或食品新資源等，因此，科學合理地利用微生物這一重要生命體對地球上資源的有效利用和開發起到積極的作用。

四、微生物與環境

人類在改造自然的各種生產活動中包括現代工農業生產活動，由此不可避免地引起了環境（大氣、水體和土壤等）污染及生態破壞等問題。微生物在環境治理中扮演著重要的角色，微生物的代謝活性高，在環境治理中因其投資少、處理效率高、運行成本低和二次污染少等優點而得到越來越廣泛的應用，是處理環境污染的最好載體，主要包括廢水治理、固體廢物處理、重金屬污染治理和養殖環境的原位修復等方面，以下將從目前微生物在環境污染或修復中應用的研究現狀及進展進行簡述。

（一）微生物在廢水治理中的應用

污染水體的微生物修復技術是新近發展起來的一項水體環境清潔的生物技術，具有低投資、高效益、便于應用的特點，具有很大的發展潛力。特別在“五水共治”備受重視的今天，這項技術尤其重要。目前發展起來的代表性技術有如下幾種。

1．固定化微生物技術

固定化微生物技術是指利用化學的或物理的手段將游離的微生物定位于限定的空間區域，并使之不懸浮于水但仍保持其生物活性、可反復利用的方法。用固定化微生物技術對城市污水中的污染物（如硝基苯）降解處理實驗研究（唐鳳舞，2009）的結果表明，在pH值為8.0，固定化顆粒與污水的質量比例為16%，溫度為25℃時，硝基苯去除率達97.9%, COD去除率達89.2%，出水水質穩定。固定化微生物方法還可去除苯酚、重金屬和醇類（固定化藻類），除油及城市廢水等。

2．生物膜技術

生物膜法是使微生物附著在惰性的濾料上，形成膜狀的生物集群，從而對污水起到凈化效果的生物處理方法。生物膜法具有運行費用低廉、管理方便等特點，對進水的水質與水量變化有著很強的適應能力。張鳳君等采用中空纖維膜作為無泡供氧及生物膜載體，采用包埋固定化技術進行掛膜及污水處理研究（張鳳君，2005），試驗結果表明，采用PVA（聚乙烯醇）作為包埋劑，且包泥量為1∶1的情況下，COD和氨氮的去除率分別穩定在90%和80%左右。

3．低溫微生物對污染水體的治理

近年來，低溫微生物技術主要被用于治理地下水、海洋和湖泊水體污染，被公認為是對湖泊、地下水等大面積水體污染最有生命力的修復技術。在西方很多國家，低溫烴降解菌已在一些有毒有害有機污染的修復計劃中得到應用，在廢水處理中具有廣闊的前景。通過實驗研究（孟雪征，2001），發現在冬季低溫時，在曝氣池內投加耐冷復合菌群可以使COD去除率由35%提高到89%，該項研究結果為寒冷地區冬季生活污水的處理提供了新的解決辦法。這些應用特點的技術關鍵點是篩選獲得具有低溫環境條件下發生作用的特殊微生物。

（二）微生物在大氣污染中的應用

工業生產（包括食品加工、化工及輕紡等行業）排放的廢氣，甚至包括有一定致毒性的無機物如硫化物類、有機物如苯類等或其他惡臭氣體，這些排放的廢氣如不加以處理會對大氣環境產生嚴重污染而影響人類健康。處理方式之一是采用微生物煙氣脫硫技術，利用自養生物脫硫，營養要求低，這種方法不需高溫、高壓和催化劑，使用設備要求簡單；無二次污染，處理費用為濕法脫硫的50%。利用細菌進行脫硫技術的研究有較多的研究報道，如利用氧化亞鐵硫桿菌已使脫硫率達95%以上，日本利用該菌已使H2S脫除率達99.99%，國內利用該菌對煉油廠催化干氣或工業廢氣脫硫，H2S去除率分別為71.5%和46.91%；國外用脫氮硫桿菌的耐受株T.denitrificans F在厭氧條件下脫硫率達80%（張樹政，1995）。

治理大氣污染就不能不提生物過濾法，該技術在20世紀50年代中期最先用于處理空氣中低濃度的臭味物質，到20世紀80年代，德、美、荷蘭等國相繼用此法控制生產過程中的揮發性氣體和有毒氣體。生物過濾法還可去除空氣中的異味、揮發性物質和有害物質，包括控制（去除）城市污水處理設施中的臭味、化工過程中生產的廢氣、受污染土壤和地下水中的揮發性物質、室內空氣中低濃度污染物等。

當然利用微生物方法還可用來固定CO2，實現CO2的資源化，同時產生很多附加值高的產品。畢立鋒等通過異養脫氮菌對大氣中NOx進行脫除技術的研究（畢列鋒，1998）。因此，將生物技術用于有機廢氣的治理具有費用低、效率高等優點，在德國、荷蘭、日本及北美國家得到廣泛應用。

（三）微生物在治理重金屬污染中的應用

重金屬污染的微生物修復是指利用微生物的生物活性對重金屬的親和吸附或將其轉化為低毒產物，從而降低重金屬的污染程度。重金屬離子污染土壤和水體后，由于其難降解性和毒性，被定為第一類污染物。震驚世界的日本“水俁病”和“骨痛病”就是分別由含汞廢水和含鎘廢水污染環境所造成的。重金屬污染由于其毒性作用及其通過食物鏈的積累導致的嚴重的生態和健康問題，已成為重要的環境問題。近年來，生物修復技術在處理大量復合有機物及少量金屬污染方面受到廣泛關注(Rajendran, et al.,2003; Soccolc, et al.,2003;Malik,2004)，但目前有關重金屬修復方面報道相對較少。

在長期受某種重金屬污染的土壤和水體中，生存有較大數量的、能適應重金屬污染的環境并能修復重金屬污染的微生物類群。如土壤中分布有多種可使鉻酸鹽或重鉻酸鹽還原的細菌，如產堿菌屬(Alcaligenes)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、棒桿菌屬(Coryhebacterium)、腸桿菌屬(Enterobacteiace)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和微球菌屬(Micrococcus)等，這些菌能將高毒性的Cr6+還原為低毒性的Cr3+。Minamisawa等研究證明利用生物材料是處理廢水中重金屬的經濟、有效的方法(Minamisawa, et al.,2004); Yasemin等利用包埋法對白腐真菌(Phanerochaete chrysosporium)固定化后進行Hg2+和Cd2+吸附的實驗(Yasemin, et al.,2002)，結果指出在15~45℃的變化溫度范圍內，其生物吸附能力沒有顯著變化。因此，Phanerochaete chrysosporium在低溫重金屬修復方面具有較好的經濟價值和社會效益。

（四）微生物在養殖環境等原位修復中的應用

1．養殖水體環境的修復

近年來水產養殖業迅速發展，養殖水體環境逐漸惡化。凈水微生物無毒、無副作用，無殘留，無二次污染，不產生抗藥性，能夠有效地改善養殖水體生態環境、維持水生生態平衡、增強水生生物免疫力和減少水產動物疾病的發生，因此得到越來越廣泛的應用（賀艷輝，2005）。主要凈水微生物包括光合細菌(PSB)、芽孢桿菌(Bacillus)、硝化細菌、酵母菌、放線菌、蛙弧菌、基因工程菌、復合菌劑等。目前國內研究較多的是光合細菌對養殖環境的生物修復作用，如去除或轉化水體中由于養殖所投餌料引起水質惡化的氮、磷等元素，以改善水質與微生態平衡等。

2．石油污染物的原位修復

修復環境中污染的石油及多環芳烴(PAHs)越來越多地受到人們的重視，其中的方法之一是利用植物與菌群聯合修復。在植物—微生物修復過程中目前主要關注的問題有，微生物菌群本身的固氮能力，以便評價貧瘠土壤中微生物是否能夠靠自身提供氮源；向土壤添加基質后的植物—微生物聯合修復作用等。

Dashti等從豆科植物蠶豆(Vicia faba)和羽扇豆(Lupinus albus)與細菌菌群聯合修復石油污染土壤中篩選出11株能以石油為唯一碳源的菌株(Dashti, et al.,2009)，包括假單胞菌屬(Pseudomonas)8株、芽孢桿菌屬(Bacillus)2株及諾卡氏菌屬(Nocardia)1株，并且根瘤植物對石油利用的能力高于非根瘤植物。Al-Mailem等發現鹽節木(Halonemum strobilaceum)能夠自然生長在阿拉伯灣高鹽岸邊(Al-Mailem, et al.,2010)，其根際微生物數量是無植被區的14~38倍，根際常見菌屬為古細菌嗜鹽桿菌屬(Archaea Halobacterium sp.)、嗜鹽球菌屬(Halococcus sp.)、波茨坦短芽孢桿菌(Brevibacillus borstenlensis)、變形菌屬(Proteus sp.)和鹽單胞菌屬(Halomonas sinaensis)，以上菌種均可以在1~4mol/L NaCl中生長，并且根際微生物菌群在含氮與不含氮培養基中均可減少石油含量。土壤中PAHs在植物—微生物菌群作用下的降解效率等也引起科學工作者的足夠重視。

在土壤中通過加入基質，刺激土壤中微生物菌群生長，進而能夠達到較為理想的植物—微生物聯合修復效果。Agamuthua等研究表明，在含有有機廢物（香蕉皮、釀酒谷物殘渣和真菌堆肥）條件下(Agamuthua, et al.,2010)，麻瘋樹(J atropha curcas)對含油量（潤滑油） 25000mg/kg和10000mg/kg土壤的油去除率達到56.6%和67.3%，植物根部無積累的碳氫化合物；在釀酒谷物殘渣中微生物數量顯著高于其余添加物，且油類降解率亦最高，達到89.6%和96.6%。牽牛花(Pharbitisnil L.)和菌群聯合作用對石油降解率在27.6%~67.4%，比無植被時(10.2%~35.6%)顯著增加；土壤石油濃度大于10000mg/kg時，菌群數量開始急劇下降；石油濃度小于10000mg/kg時，微生物可通過調節自身的代謝和酶系統來適應石油環境(Zhang, et al.,2010)。Mohsenzadeh等發現，蓼科首烏屬植物(Polygonum aviculare L.)與根際真菌修復石油污染土壤時(Mohsenzadeh, et al.,2010)，來自石油污染區植被根際微生物的多樣性比非污染區域高；鐮刀菌屬(Fusarium)微生物具有高耐油特點(10%V/V)，可用于石油重污染區；其中真菌在降解過程中起主要作用，而植物根系加速了這一過程。Lu等采用真樺鬼針草(Bidens maximowicziana)修復芘類(Pyr)污染土壤(Lu, et al.,2010), Pyr含量50天降低了79%。Mikkonen等研究山黃麻(Galega orientalis)對燃油根際修復時亦得到了類似結論(Mikkonen, et al.,2011)。Cheema等研究牛毛草及牛毛草、黑麥草、苜蓿和油菜籽聯合修復作用發現(Cheema, et al.,2009)，聯合植物修復方法，對菲(Phe)和Pyr的降解率分別能達到98.3%~99.2%和79.8%~86.0%，比單一植物修復的降解率有所提高。

（五）微生物技術在固體廢物及其他污染物處理中的應用

利用微生物可以處理垃圾、尾礦、貧礦、冶金爐渣及農林廢料等各種固體廢棄物，主要有堆肥法、場地處理法和厭氧處理法等，最常用的是“堆肥法”。我國同濟大學與無錫崇安區環衛科研站共同研究成功的生活垃圾快速高溫堆肥二次發酵工藝，經微生物和機械聯合處理后，堆肥不再帶病害微生物，對農作物無害，且具有較高的肥效（湛樹元，1998）。而國內近幾年相繼引進日本等研發的微生物菌劑用于固體有機廢物（包括生活有機垃圾、廚余和環境中的固體廢物）的減量化處理，并實現規模化實際應用。

環境中其他污染物的處理：微生物不僅用于大氣、水、土壤中農藥和垃圾的處理，還用作檢測有毒化學品的指示生物。此外，還可做成微生物絮凝劑，凈化污水；微生物絮凝劑是利用生物技術手段，通過微生物發酵、抽提、精制而成的一種具有生物分解性和安全性的新型、高效、無毒的廉價的水處理劑。目前的微生物絮凝劑有PF101和NOC-1等種類，它們對大腸桿菌、酵母、泥漿水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨脹污泥、紙漿廢水和顏料廢水等有較好的絮凝和脫色效果。

五、微生物與能源

生物能源是指利用生物可再生原料及太陽能生產的能源，包括生物質能、生物液體燃料及利用生物質生產的能源如燃料酒精、生物柴油、生物質氣化及液化燃料、生物制氫等。而微生物主要是通過發酵方式產生人類所需要的能源，比如甲烷產生菌、乙醇產生菌和氫氣產生菌為代表的能源性微生物等（龐鳳仙，2009）以及生物柴油產生菌等（賀靜，2011）。在生態系統中，綠色植物及少數自養型微生物能夠借助體內的光合色素將太陽能轉換成生物能貯藏于體內。在生物體之間和不同生物之間的生物能的循環和能量流動過程中，異養型微生物作為生態系統中的物質循環的分解者，利用動植物殘體等各種有機物，將其礦化分解最終使生物能以其最簡單的無機物狀態釋放，這就是甲烷、乙醇和氫氣產生菌等微生物與能源的基本關系。這種關系的重要意義在于使人類能夠通過利用能源性微生物從而直接有效地使用生物能。能源性微生物在環境保護、非再生性能源節約與提高有關領域綜合效益等方面都具有直接和顯著的促進作用。以下簡要介紹與不同類別能源產生相關聯的代表性微生物。

（一）甲烷產生菌

甲烷產生菌是一類重要的極端環境微生物，在地球生物化學碳素循環過程中起著關鍵作用（楊薇，2010）。其微生物構成以細菌為主，包括甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷八疊菌屬(Methanosarcina)、甲烷球菌屬(Methanoccus)等。甲烷產生菌的作用原理即沼氣發酵過程，該過程的第一階段是復雜有機物如纖維素、蛋白質、脂肪等在微生物作用下降解至其基本結構單位物質的液化階段；第二階段是將第一階段中產生的簡單有機物經微生物作用轉化生成乙酸；最后是在甲烷產生菌的作用下將乙酸轉化為甲烷。也可通過甲烷產生菌在厭氧條件下直接降解脂肪酸來生產甲烷。甲烷產生菌是目前已有大量實際應用的一種微生物能源，國內相繼開發利用工業發酵廢液如酒糟廢液和檸檬酸發酵廢液等、農副產品下腳料、人畜糞便和其他工業生產中的廢液等生產甲烷，用于照明和燃料等，產生的能源效益顯著。如日產酒糟500~600m3的酒廠，可獲得日產含甲烷55%~65%的沼氣9000~11000m3，相當于日發電量12857~15714kW，日產標準煤17.1~20.9t，可以代替橡膠生產中烘干用油量的30%~40%。國內也有相關單位研究利用廚余或豬糞類發酵生產沼氣并將其應用于燃料工業等。

隨著能源危機和環境保護問題的日趨嚴重，國際上出現了由傳統能源向可再生能源和新能源過渡的趨勢，綠色生物能源是未來能源業建設的發展方向；世界各國都在積極開拓新能源與可再生能源的技術集成，燃料電池是近年來技術發展進步最快的產業之一，它是把燃料中的化學能直接轉化為電能的能量轉化裝置。燃料電池具有高效率、無污染、建設周期短、應用條件寬以及易維護的特點，已被譽為是一種繼火電、水電、核電之后的第四代發電技術，必將引發21世紀新能源與環保的綠色革命。我國的沼氣資源非常豐富，將沼氣用于發電是利用沼氣的有效途徑（梁亞娟，2004）。

（二）乙醇產生菌

乙醇產生菌生產的能源性物質，目前主要用于燃料和替代汽車等運輸工具所使用的汽車用油，如汽油和柴油（王凡強，2006）。例如巴西用乙醇產生菌生產的乙醇1990年已達到1.6×107m3，足夠供應200萬輛汽車（每年）的驅動能源之需要。乙醇產生菌的主要種類有酵母菌屬(Saccharomyces)、裂殖酵母菌屬(Schizosaccharomyces)、假絲酵母屬(Candida)、球擬酵母屬(Torulopsis)、酒香酵母屬(Brettanomyces)、畢赤氏酵母屬(Pichia)、漢遜氏酵母屬(Hansenula)、克魯弗氏酵母屬(Kluveromyces)、隱球酵母屬(Cryptococcus)、德巴利氏酵母屬(Debaryomyces)、卵孢酵母屬(Oosporium)和曲霉屬(Aspergillus)等。乙醇產生菌的發酵作用機理是酒精發酵作用，即把葡萄糖酵解生成乙醇，微生物酵解葡萄糖的途徑是EMP、HMP和ED。

在微生物發酵底物的利用方面，木糖是木質纖維水解物中含量僅次于葡萄糖的一種單糖，以木糖發酵生產酒精，能使以木質纖維為原料的酒精發酵的產量在原有的基礎上增加25%（王成軍，2005），木糖的異構化是微生物代謝木糖的最初生化反應，自然界中木糖的代謝途徑有兩條，其一，在大多數能利用木糖的細菌中，木糖首先在木糖異構酶的直接作用下，轉化為木酮糖，該酶不需要輔酶的參與；然后在木酮糖激酶的作用下轉變成磷酸木酮糖，隨后進入磷酸戊糖途徑，與磷酸戊糖途徑偶聯的是ED途徑，并通過ED途徑產生乙醇。其二，在某些利用木糖的酵母及絲狀真菌中，需經過兩步氧化還原反應將木糖轉化為木酮糖，首先在依賴于NAD(P)H的木糖還原酶的作用下將木糖轉化為木糖醇；然后在依賴于NAD+的木糖醇脫氫酶的作用下將木糖醇轉化為木酮糖，木酮糖經木酮糖激酶作用磷酸化后進入磷酸戊糖循環，經過一系列的生物化學反應生成乙醇。木糖法發酵生產酒精是一個新興的領域，國內外對代謝相關基因的克隆、表達研究較多，相信隨著現代生物技術等的快速發展，微生物能源這一新興產業將會產生巨大的經濟與社會效益。

（三）氫氣產生菌

氫能具有燃燒熱值高和產物無污染的特點，因此氫能被認為是最具有開發潛力的清潔能源之一（朱瑞艷，2006）。氫氣產生菌生產的能源物質氫氣，目前主要應用于燃料電池方面；氫氣產生菌的主要種類有紅螺菌屬(Rhodospirillum)、紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)、紅微菌屬(Rhodomicrobium)和藍細菌類等。由于許多自養性和異養性微生物產氫的機制與條件還在研究過程中，所以該類微生物能源的使用尚處于試驗階段。氫氣產生菌作用原理主要是丁酸發酵作用，除在丁酸菌作用下進行丁酸發酵外，氫氣產生菌的其他分解有機物產生氫氣的代謝機制目前尚未闡明清楚。已有的研究結果表明，氫氣產生菌在含有葡萄糖培養基的10L發酵罐中，產氫氣速度最高可達18~23L/h，并進而利用所產生的氫氣推動功率為3.1~3.5V燃料電池的工作。

（四）柴油生產相關的微生物

生物柴油是指采用來自動物或植物脂肪酸單酯包括脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯及脂肪酸丙酯等與甲醇（或乙醇）經酯交換反應而得到的長鏈脂肪酸甲（乙）酯，是一種可以替代普通石油柴油的可再生的清潔燃料。和普通柴油相比，生物柴油具有以下優點：以可再生的動物及植物脂肪酸單酯為原料，可減少對石油的需求量和進口量；環境友好，無SO2和鉛等有毒物的排放等。國內外對利用海洋藻類作為酯類的來源有較多研究。微生物油脂是指某些微生物在一定條件下將碳水化合物、碳氫化合物和普通油脂等碳源轉化為菌體內大量儲存的油脂(Wynn, et al.,2001; Ratledge & Wynn,2002)；來源于微生物生產的油脂，由于微生物發酵周期短，不受季節及地域限制，且產柴油的微生物菌種資源豐富，正逐步得到越來越多的關注（宋安東，2011）。產油微生物包括酵母、霉菌、細菌和藻類，常見的有淺白色隱球酵母(Cryptococcus albidus)、彎隱球酵母(Cryptococcus albidun)、茁芽絲孢酵母(Trichospiron pullulans)、斯達氏油脂酵母(Lipomyces)、產油油脂酵母(Lipomy slipofer)、類酵母紅冬孢(Rhodosporidiumtoru loides)、膠黏紅酵母(Rhodotorula)等酵母，土霉菌(Asoergullus terreus)、紫癱麥角菌(Clavicepspurpurea)、高粱褶孢黑粉菌(Tolyposporium)、深黃被孢霉(Mortierella isabellina)、高山被孢霉(Mortierella alpina)、卷枝毛霉(Mucor circinelloides)、拉曼被孢霉(Mortierella ramanniana)等霉菌，硅藻(diatom)和螺旋藻(Spirulina)等藻類（蒲海燕，2003）。研究發現，產油脂微生物可以利用甘油和糖蜜等作為碳源在胞內大量積累油脂(Zhu, et al.,2008; Fakas, et al.,2009)。Elbahloul等曾以葡萄糖為碳源，利用重組菌E.coli p發酵生產微生物生物柴油(Elbahloul & Steinbuchel,2010)。

（五）微生物用于開采石油

人們通過多種方法發現油田、開采油田，為人類提供重要的能源；在發現開采油田的過程中，微生物起著越來越重要的作用。石油等許多燃料是在多種微生物長期直接作用下形成的。沒有眾多微生物的改造、分解作用，古代的生物遺體不可能變成今天巨量的化石能源。微生物采油技術是指將篩選的微生物或微生物代謝產物注入油藏，利用微生物的代謝活動和產生的代謝產物，改變原油的某些物理化學特性，從而提高原油采收率的技術；應用微生物技術開采石油目前已被關注。相信在未來幾年里，該技術將不斷成熟，促進國內外能源工業的多樣性發展。

（六）生物燃料電池

英國植物學家Potter早在1910年就發現有幾種細菌的培養液能夠產生電流，并成功制造出世界上第一個細菌電池，由此開創了生物燃料電池(biologic fuel cell, BFC)的研究。BFC是一類特殊的電池，它以自然界的微生物或酶為催化劑，直接將燃料中的化學能轉化為電能，不僅無污染、效率高、反應條件溫和，而且燃料來源廣泛，具有較大的發展空間。其工作原理與普通電池類似，即由陰極池和陽極池這一基本結構組成，在陽極池，溶液或污泥中的營養物在催化劑作用下生成質子、電子和代謝產物，通過載體運送到電極表面，再經過外電路轉移到陰極；在陰極，處于氧化態的物質與陽極傳遞過來的質子和電子結合發生還原反應生成水，就這樣通過電子的不斷轉移來產生電能。根據所用催化劑的不同，BFC可分為以微生物整體做催化劑的微生物燃料電池(MFC)和直接用酶做催化劑的酶生物燃料電池(EBFC)。由于很多酶都是從微生物體內提取而來，因此，無論是微生物燃料電池還是酶燃料電池，都離不開微生物的參與。

自美國賓夕法尼亞州立大學環境工程系Bruce Logon教授2004年在“Mechanical Engineering”上發表了有關將廢水中高濃度有機污染物利用微生物燃料電池厭氧氧化轉變成電力的論文以來，BFC就成為當時環境能源領域的熱點課題之一。Habermann等(Habermann & Pommer,1991)致力于研究以含酸廢水為原料的燃料電池；據報道（吳祖林，2005），利用微生物電池培養并富集了具有電化學活性的微生物；美國科學家找到一種嗜鹽桿菌，其所含的一種紫色素可直接將太陽能轉化為電能；還有人設計出一種綜合細菌電池，即讓電池里的單細胞藻類首先利用太陽能，將二氧化碳和水轉化為糖，再讓細菌自給自足地利用這些糖來發電。Pizzariello等發現，兩極是葡萄糖氧化酶/辣根過氧化物酶的燃料電池(Pizzariello, et al.,2002)，在不斷補充燃料的情況下可以連續工作30d以上，具有一定的實用價值。

另外，如果生物體內的微生物能成功地應用于發電，那無疑將給能源匱乏的人類社會帶來巨大效益。目前發達國家的研究機構如美國的馬薩諸塞州大學、法國里昂生態中心、德國Geifswald大學等正在加緊開展此方面的研究工作，而國內報道較少。從現有結果看，微生物發電距離實際應用還有很多難題，以牛胃液中的微生物發電為例，發電的微生物只有在牛胃液這樣一個復雜的環境中才能生存并發電，如何在工業生產中實現這樣的環境、建造龐大的器皿、設定恒定的條件，是一個需要長期研究和很大投入的工作。此外，微生物發電所產生的電量小，距離投入商業運營預期遙遠。即便如此，作為一種能源開發的新途徑，重點可開展以下幾方面的研究，包括微生物馴化、底物性質及優勢微生物的鑒定等，采用與制氫微生物類似思路，篩選混合菌系接種電池，有可能增加電流輸出，選擇合適的催化劑—介體組合以及改善工藝條件和拓寬生物燃料電池的應用范圍等等。相信在微生物學者、電化學家和工程學家的協同努力下，微生物發電技術未來必將在能源和環境領域發揮重要的作用。

總之，我國雖已探明有煤儲量6000億t，石油70億t，水力發電6.8億kW，但由于我國總的能源利用率已超過30%、能源分布不均勻、能源產量低和農村能源供應短缺等因素，致使能源供應趨于緊張。而因利用能源而導致嚴重的環境污染，如煙塵和SO2年排放量為2857萬t，燃燒后的垃圾排放為年均573000萬t，因薪柴之用破壞森林植被導致每年土壤流失50億t；另外，我國年產木材采伐廢物1000萬t，油茶殼75萬t，膠渣13萬t，纖維板生產廢液350萬t和亞硫酸紙漿廢液180萬t。以這些廢液為原料，通過微生物作用可獲得沼氣17.8×1011m3。微生物作用同時使上述廢液的凈化率達30%~60%，并可獲得單細胞蛋白飼料約9萬t（按1.7%得率計）。因此，微生物技術在能源開發與生產中也起到積極的作用，開發利用微生物能源，將對解決能源短缺問題起到積極的作用，同時將其作為一種清潔能源生產方式對污染治理和變廢為寶及獲得綜合效益方面具有實際意義，能在生物能源生產發展中實現可持續發展（宋元達，2011）。