微生物工程的现状与前景分析

摘要：微生物工程在目前的经济发展中遇到了前所未有的挑战，特别是与合成化工业及农业生物工程的快速发展使得微生物工程面临着挑战，同时微生物工程也有其优势，特别是在医药、化工、食品等方面也有其自身的发展优势。

关键词：微生物工程 现状 前景

一、微生物工程面临的挑战

1. 微生物工程与合成化学工业的竞争

微生物工程，合成化学工业与农业生物工程在过去几十年中各自经历了巨大变化，以前， 农业一直为微生物工程和化学工业提供原料，包括淀粉，蛋白质，油脂等.微生物工程完全依赖 于农业原料，生产乙醇，酒精，丙酮丁酸，氨基酸，有机酸等小分子化学品，以及复杂的次级代谢产 物（抗生素）.小分子发酵产物为化工制药提供原料，复杂代谢产物又为农业提供安全，无污染农 药.化学工业自 20 世纪 50 年代以来，采用石化原料合成多种合成纤维，塑料，人造橡胶，有机溶 剂等，特别是有机溶剂的化学合成极大威胁微生物工业的生产.如 20 世纪 50 年代以后，丙酮丁 酸发酵工业在石油化工发达的国家消失，我国丙酮丁酸发酵一直坚持到 90 年代，当时受国内 石化工业的压力和进口产品涌入的双重竞争，使丙酮丁酸和乙醇大规模发酵工业基本消失. 但是，时代在前进，科技在进步，生物技术也在发展.从国际上来看，当前的微生物工程已开 始对合成工业进行强烈竞争，由于育种技术，基因工程等多方面的运用，两项大产品柠檬酸和味精，估计年产量均已接近百万吨，单价也接近中等规模合成化学品；用作燃料的乙醇已达 13 亿吨，而合成不到 1 亿吨；另一例子是发酵乳酸，已完全替代合成乳酸.从工业用酶，如半合成青 霉素，头孢菌素和淀粉糖化产业的发展，可以看到微生物技术的实力.

2. 农业生物工程对微生物工程与合成化学工业的冲击

植物分子生物学的进展，促进农业生物技术突起，首先成功的是转基因作物，至今已有几十种转基因作物，如抗虫棉花，玉米，马铃薯，大豆，抗软化的番茄等，在许多国家大面积种植.除 了提高抗性外，还进一步提高产品质量（如含硫氨基酸，赖氨酸等）. 另外，多种微生物的酶可以在植物中表达，如植酸酶，菊粉合成酶，海藻糖合成酶，（PHB（V））， 其中植酸酶可作为饲料添加剂，植酸酶转基因油菜种子，不经分离，用作饲料添加剂，效果显著. 再者，转基因植物可生产多种抗体，包括霍乱毒素（CT-B，LT-B 亚基）抗体，病毒外壳蛋白抗体，表 面抗原抗体，狂犬病毒抗体，在马铃薯，烟草，菠菜中表达成为口服疫苗.在转基因植物中生产这些分子药物具有成本低于传统微生物发酵技术等的特点，所以，分子农业（molecular farming） 对微生物技术有冲击.

二、微生物工程的发展方向

目前，微生物工程技术已深入到生产的各个行业，如工业、农业、矿业、化工、医药、食品、能源和环境保护等.微生物工程技术已作为一种新兴的工业体系发展起来，在各个行业的 知识和技术创新中起着越来越重要的作用.

1、 医药工业 新技术主要应用于三个方面：工艺改进、新药研制和菌种改造.工艺改进主要依赖于计算机理论及技术的发展.新药研制则得益于医学研究中对疾病机理的深人了解.菌种改造主要利用基因工程原理及技术.正是由于采用其它学科的理论和新技术成果，使得微生物工程成为一种高新技术.这反应出当今各学科之间相互渗透、相互支持，促进科学技术加速发展的趋势.

2、食品工业 随着全世界人口总数的不断增加，可耕地面积日益减少，粮食及其它食品的需求问题日益严峻.而微生物工程正是为人类提供食品、改善营养的重要途径之一微生物蛋白微生物发酵 生产的蛋白质，有的可直接供人食用，有的可做家畜、家禽饲料，增加市场的肉食供应.科学家们设计了分泌蛋白质的微生物，由“工程菌”（大肠杆菌和酵母菌）发酵生产高营养强化蛋氨酸的 大豆球肮和鸡卵清蛋白，不再受动植物来源限制和季节气候的影响，单靠微生物就能高效快速 地生产出动植物的纯蛋白氨基酸氨基酸生产过去都采用动植物蛋白提取和化学合成法生产，而采用基因工程和细胞融合技术生成的“工程菌 ”进行发酵，其生产成下降、污染减少，产量可成倍增加.饮料酒类 我国一直沿用混合菌株传统酿造发酵技术（霉菌、酵母菌、细菌多菌株自然接 种混合发酵），产品具有特殊香型风味一酒香、酱香、醋香.近年来已分离出己酸菌和甲烷菌， 并发现它们在酿酒香型风味中的作用.利用现酵工程技术改革旧工艺，也已取得明显效果，例如在传统酿酒工艺过程中，构建由己酸菌和甲烷菌组成的“人工老窖” ，大大提高了产品的产量和成品味感；啤酒生产中在生物反应器中把酵母吸附于不动载体上，缓缓流人麦芽汁， 啤酒的发酵时间缩短到 1 天，甚至 9 0 分钟，而生物反应器中的酵母菌连续发酵 3 个月活力不降低，为制造“生物啤酒” ，开创了新途径. 其他食品添加剂微生物发酵生产 的柠檬酸、乳酸、苹果酸等多种有机酸，是饮料中不可缺少的酸味剂.另外，发酵工程生产的天然色素、天然新型香味剂，正在逐步取代人工合成的色素和香精，这也是现今食品添加剂研究的一个方向。

3、能源工业 能源紧张，是当今世界各国都面临的一大难题，石油危机之后，人们更加认识到地球上的石油、煤碳、天然气等石化燃料终将枯竭，而利用微生物工程则能开发再生性能源和新能源. 1.绿色能源的再生人类对太阳能的利用是微乎其微的 地球上贮存太阳能的只有绿色植物和光合微生物， 但它们贮存的能量也只是照射到地球上的太阳能量的 0 . 0 5 % .如能将这些能量利用，能源紧张问题也就大大缓解了.通过微生物发酵的技术，可将绿色植物秸杆、木屑、工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体和气体燃料 （酒精和沼气 ） 2. 采油微生物运用向油层注人细菌或其产物（生物聚合物、表 面活性 剂等 ），可以增大油层压力，降低原油粘度，将残留在岩石空隙间的深层粘滞性原油从“枯竭”的油田中采出，提高 产量的 2 0 % 一 3 0 % .现各国均在大规模现场试验，已取得满意结果. 3 微生物电池 利用微生物的代谢产物（氢气、甲酸或氨等 ）作为电极活性物质，通过阳极、 阴极电子流动从而获取电能的装置，叫做微生物电池.其中日本科学家设计的生化燃料电池最为理想.他们把氢气产生菌（丁基梭菌 ）固定在阳极，阴极为炭极（由蚁酸氧化空气中的氧）， 这样就构成了氢一氧（空气）型微生物电池。

4、化学工业 传统的化工生产需要耐热、耐压和耐腐蚀的材料，而微生物技术的发展，不仅可制造其他 方法难以生产或价值高的稀有产品，而且有可能改革化学工业面貌，创建省能源，少污染的新工艺.，

总之：微生物工程在我国的经济发展中即面临着挑战，也有他自身的发展优势，相信这些优势一定会为我国的经济发展做出他应有的贡献。