第7章 微生物领域研究的新进展(4)

据报道，研究小组从贝加尔湖不同地点，采集了大量湖水和湖底沉积物样本，并从中分离出650株细菌。利用这些细菌进行的电泳实验发现，部分细菌含有的限制酶，能够把某些病毒的DNA链分开，而这些病毒DNA链上被分开的核苷酸序列，却是目前已知限制酶所不能分开的。俄专家由此判断，他们找到的细菌含有一种新的限制酶。

俄罗斯专家认为，他们新发现的限制酶，可以用于设计人工DNA，推动基因工程的进一步发展。

（2）发现炭疽杆菌的新变种。2006年2月1日，德国负责流行病预防与控制的权威机构罗伯特·科赫研究所宣布，该研究所所长库尔特教授等人组成的研究小组，在喀麦隆自然保护区的类人猿尸体上，发现了一种迄今未知的炭疽病原体变种。专家认为，这一发现表明，炭疽杆菌作为野生类人猿的“致命杀手”，比人们原先估计的传播范围更广。

研究人员从3只黑猩猩和1只大猩猩尸体上，分离出这种炭疽病原体变种。库尔特说，这一发现意义重大，它有助于人们对某些疾病的现代诊断程序，进行检查和改进。

研究人员认为，炭疽杆菌比人们想象得更加容易发生变异，现在发现的炭疽病原体变种，可能在人类进化早期就发生了变异，并在非洲西部和中部进行扩散。

（3）发现一种生存在极端环境中的新型古生菌。2015年5月，瑞典乌普萨拉大学细胞和分子生物学系的瑟伊斯·埃特蒙教授主持的一个研究小组，在《自然》杂志发表论文称，他们新发现的一种微生物，极有可能代表着从单细胞到复杂细胞进化过程中所缺失的一环。它的发现，填补了生命进化过程中一个空缺已久的“真空地带”，有望为揭示复杂生命的起源和演化带来全新的见解。

尽管生命存在多样性，但所有生物都可以被归到两个群类之中：一是原核生物，包括细菌和古生菌，体形小，属于单细胞，没有细胞核；二是真核生物，体形大，有复杂细胞，细胞有细胞核以及一定程度的内部组织和构造。真核细胞和原核细胞存在巨大差异，然而，真核细胞是如何由原核细胞演化来的？这个问题一直是个谜团。近来的研究认为，真核生物或起源于古生菌，但其间某种中间形式的生命至今却未被探测到。

研究小组称，他们在位于格陵兰岛和挪威之间大洋水下2352米深处的一处热液喷口附近，发现了一种新型古生菌。这种被命名为“洛基”的古生菌，可能是最接近真核生物的一种原核生物，恰恰位于简单细胞到复杂细胞进化的过渡环节。

埃特蒙说：“真核细胞起源这个问题极其复杂，很多线索都处于缺失状态，我们希望‘洛基’能揭示出这个谜题的更多线索。”

通过对“洛基”基因组的研究，研究人员发现，“洛基”与真核生物有很多共同的基因，拥有以前只在真核生物中发现过的蛋白质基因编码。这表明，细胞的复杂性在真核生物进化的早期阶段就已出现。埃特蒙说：“它代表着构成微生物的简单细胞和真核生物的复杂细胞之间的一个中间类型。将其置于生命树中时，这个想法得到了证实。”

乌普萨拉大学细胞与分子生物学系研究人员吉米·索斯说，“洛基”取自海底的火山系统，在类似的极端环境中，通常有许多未知的微生物，他们称之为“微生物暗物质”。他们希望通过用新的基因组技术探索这些“微生物暗物质”，找到复杂细胞进化的更多线索。

3.发现有利于环境保护的新细菌

（1）发现能吃有毒金属的细菌。2005年8月，物理学组织网站报道，德国德累斯顿放射性化学和核物理研究所一个研究小组，发现了能够在核废料中生存的细菌，它们能够积聚有毒金属，可用来清洁金属有毒物废弃场所。

该研究小组目前正在研究使用生物复育的方法，作为消除核废料的手段。生物复育法，是一个利用微生物使被污染环境恢复原状的过程。他们在研究中，把位于德国东南部的一个核废料场作为示范点，在该废料场储积了球形芽孢菌的菌种。这种球形芽孢菌的菌种具有水晶表层（S-layer），该表层覆盖在细胞外面，除了作为保护层外，还能够聚集大量的有毒重金属，如铀、铅、铜、铝、镉等。新工艺是把晶体表层，与硅片、金属、聚合物、纳米团簇，以及生物陶瓷盘结合。得到的产品，可用于清除已污染的水和土壤中的有毒金属。此外，该技术还可用于从工业废料中提取铂或钯等贵重金属。研究人员现正在研究寻求各种使用细菌的方法。

在核电及核武器生产过程中，也产生了类似铀的各种放射性物质，这些金属对生态环境、动植物健康及核废料场附近的土地和水源构成了很大威胁。

目前，全球大量的核废料，正在占用越来越多的土地，蚕食着人类的生存空间。清洁这些有毒废料的常规办法通常非常昂贵，而且效果不佳，人类必须寻求一种新的途径，来解决核废料对环境的破坏。而细菌方法，可以说是用于清除核废料污染的技术典范。也许在不久的将来，人们可以将合成水晶表层盘置于污染区域，让它们像海绵一样帮助清洁环境。

（2）发现一种能把蔗糖变成生物塑料的新细菌。2005年10月，巴西媒体报道，用蔗糖制造生物降解塑料，已成为一些国家的热门研究课题。巴西技术研究院的路易·济依婀娜等人组成的一个研究小组，在甘蔗田里发现了一种名叫B傻瓜糖袋的细菌，能够高效率地把蔗糖变成塑料，每3千克蔗糖就能产1千克塑料。

研究人员用蔗糖培养出B傻瓜糖袋的细菌，这些细菌能迅速增肥和繁殖。过量的蔗糖使细菌体内产生大量的聚羟基丁酸颗粒，科学家们打碎细菌的体壳，用沉淀法分离出细菌与聚羟基丁酸颗粒，然后用化学添加剂使聚羟基定酸颗粒增大，即生物降解塑料颗粒。最后，把这些塑料颗粒送到工厂加工，就制成了塑料成品。

傻瓜糖袋细菌早在1994年就已经被发现。2005年年初，研究人员发现此细菌还携带着另一种细菌，因此将这种细菌取名为B傻瓜糖袋。经过实验，科学家们摸索出上述制造塑料的生产工艺，并已经开始小规模生产。现在，巴西技术研究院、圣保罗大学和巴西糖业联合会，决定联合投资500万美元，对该项目进行大规模开发。

（3）发现能“吃”甲烷的细菌。2006年10月，德国马普海洋微生物研究所，安帖·波埃修斯及其同事组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们发现了能够消耗甲烷的细菌，这有助于控制全球变暖的趋势。

波埃修斯表示：单细胞有机物，有助于调节海洋通过火山喷发等形式释放出来的甲烷量。研究人员对位于挪威格陵兰海域的西斯匹次甲尔根南部的活跃的哈康·莫斯比泥火山进行了研究，结果发现了消耗甲烷的这三个关键微生物群落。

最近发现的一个细菌群落，属于古细菌——一种不同于细菌和真核细菌的单细胞有机体；另外一种是能够利用氧气分解甲烷的细菌；还有一种是另外一种古细菌，能够与其他细菌一起利用硫酸盐来分解甲烷。

但是，火山所喷发出来的硫酸盐和氧气的上升流，限制了嗜甲烷菌的生存环境。因此，最终微生物仅能够分解掉火山喷发出来的40%的甲烷。

（4）发现可在有氧条件下生产绿色能源氢气的细菌。2010年12月，美国华盛顿大学研究人员希马德里·帕克莱希等人组成的研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表文章称，他们发现一种细菌，可在有氧气存在的自然条件下生产氢气，有望用来开发较廉价的绿色能源氢气。

文章说，这种名为“蓝藻菌51142”的细菌，在白天和夜晚的生理活动不同。在白天有光线的时候，它可以进行光合作用，生成氧气和糖分。到了夜晚，它会燃烧白天生成的糖分来提供能量，这个过程会耗尽细胞内的氧气，使得固氮酶可以安全工作，在有氧环境中也可生产氢气。通常，固氮酶只要和氧气接触就会被破坏。因此，此前发现的一些可生产氢气的微生物，都需要在无氧环境中工作，使得产氢成本提高。

研究人员帕克莱希说，他们正计划对这种细菌进行基因改造，进一步提高其产氢量。

（5）发现以异糖酸为食的细菌种类。2014年9月，英国曼彻斯特大学一个研究小组，在《微生物生态学杂志》上发表论文称，他们在英格兰北部地区的高碱性土壤样本中，发现一些单细胞微生物，其不仅能够很好地适应高碱环境，还具有降解异糖酸（ISA）的能力。研究人员表示，这一发现，或许有助于找到安全处置核废料的办法。

核废料的处置，对人类来说是一大挑战。当一些深埋地下的水泥基核废料与地下水接触后，会发生化学反应，变成高碱性。这种变化会驱动一系列化学反应，导致纤维素的化学降解，从而产生大量的有机污染物，而其中一种名为异糖酸的物质，可与核废料中的多种有毒元素发生反应，形成可溶性复合物和放射性核素，对周围环境、甚至饮用水和食物链构成潜在威胁。

研究人员认为，这些细菌不同寻常的“饮食习惯”和自然降解异糖酸的能力，或有助于解决地下核废料的安全处置问题。他们表示，这些细菌仅仅经过几十年即适应了高碱性土壤环境，而核废料会被深埋地下几千年，给予了细菌大量的适应时间，很可能有些细菌会用类似手段适应核废料的影响。

三、细菌开发利用方面的新进展

1.利用细菌清除污染物质

（1）利用细菌吸附方法处理工业废水。2006年3月，朝鲜中央通讯社报道，朝鲜国家科学院微生物学研究所，利用细菌吸附的方法处理工业废水，获得了成功。

报道说，这一方法可以回收工业废水中99.92%的重金属，使重金属的含量降低到水质允许的标准以下。

这种新方法，可以运用于所有产生重金属废水的工厂企业。采用该方法，不仅可以完全不使用昂贵的沉淀剂和化学药剂，而且还能够减少沉淀水量，提高净化效果。该方法在一些企业的试用结果表明，重金属的含量、酸度和浊度等指标，均降低到现有标准以下。

报道说，新方法成本低，既能防止江河湖泊的污染，又能回收金属离子，经济效益很大。

（2）培育出能够清除汞污染的细菌。2011年8月，有关媒体报道，美国波多黎各泛美大学的一个研究小组，用转基因手段，对一些细菌进行改造，使它们含有能生成金属硫化物和多磷酸盐激酶的基因。实验显示，这些细菌能抵抗高浓度汞，即使汞浓度高达使普通细菌致死的24倍，它们仍能存活。

此外，这些细菌还能吸收环境中的汞，将其转移到自己内部。实验显示，在高浓度汞溶液中，它们可以在5天内从溶液中清除80%的汞。

研究人员指出，这些转基因细菌，不仅可用于清除环境中的汞污染，而且在细菌内部逐渐聚集大量汞之后，也有利于回收这些汞，供工业生产循环使用。

（3）发现地杆菌具有治理铀污染的能力。2011年9月，美国密歇根州立大学的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，一种叫作地杆菌的细菌，具有治理铀污染的巨大潜力。

以往的研究表明，有些地杆菌，能够通过向金属添加电子，用还原周围环境里的金属，来获取能量。溶解在水里的铀，经过这样的还原之后，会变得难以溶解，从而缩小污染范围，并且容易被清除掉。

美国研究小组，对此继续深入研究，发现地杆菌外面长着的细长丝状菌毛，它们是由蛋白质组成的，能够导电，正是这些菌毛在铀污染生物治理中发挥关键作用。研究人员做过以下实验：以硫还原地杆菌为对象，培育出因缺乏某种基因而不能产生菌毛的菌株。把它们与能正常产生菌毛的菌株，进行比较。结果显示，菌毛能大大增强细菌清除铀污染的能力。

实验发现，如果没有菌毛，铀的还原反应是在细菌内部进行，会伤害到细菌自身。而有菌毛时，大部分反应围绕着菌毛完成，不仅扩大了反应过程中可用于电子传输的空间，还拉远了铀与细菌的距离，提高安全性。

研究人员用一种荧光染料，测量了地杆菌细胞的呼吸酶，在接触铀之后的活性。结果显示，有菌毛的细菌呼吸酶活性更高，因而生存能力更强。有菌毛的菌株在接触铀之后，还能恢复过来，并且比没有菌毛的菌株生长更快。

专家认为，这种方法，理论上也适用于治理，其他一些金属元素的放射性同位素，包括锝、钚和钴等。因此，该成果不仅可用于治理以往核试验造成的铀污染，还有可能帮助应对日本核电站事故。

（4）利用厌氧菌群降解有毒化学污染物质。2012年6月，有关媒体报道，在欧盟第七研发框架计划资助的支持下，德国专家领导、欧盟多个成员国研究人员参加的一个研究小组，研究开发出利用新型微生物修复技术，努力克服卤代化合物的有害影响，其治理卤代化合物污染场所的研究已取得明显效果。

化学污染物质对人类健康、环境保护和生态系统造成了的严重的威胁及危害。其中，卤代化合物，是现代经济社会中最大量存在的环境化学污染物质之一，主要来自人类广泛使用的杀虫剂、化学溶剂和化工产品等。