第8章 微生物领域研究的新进展(5)

研究小组充分发挥“喜好”脱卤酶微生物家族的新菌群，即厌氧的细菌（CBDB1菌株）的“特殊”作用，来消化吸收和有效降解卤代芳香化合物污染物质。为进一步深入理解和掌握厌氧菌群降解化学污染物质的机理，从而提高微生物修复技术的效率，他们从CBDB1菌株生理学的同位素和蛋白质组学入手，集中科技资源研究突破CBDB1菌株的生理学特性，尤其是显示还原卤化苯脱卤和剧毒卤化二噁英的机理。基于生物学技术知识的科研成果，已揭示CBDB1菌株有效降解卤化苯酚和卤代联苯，以及其他几种化学化合物毒性的奥秘。

研究小组的成果，充实了厌氧菌群的生物学基础知识，及其降解危险化学污染物质的应用潜力。该项新型微生物修复技术的普及推广，对生态环境的友好性改善和经济社会的可持续发展，具有重大的现实意义。

（5）利用细菌降低污染物的毒性。2014年11月，英国曼彻斯特大学大卫·利斯教授领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们历时15年深入研究，掌握了细菌是如何降低污染物毒性的详细过程。该研究，有望帮助研究人员开发出降低二噁英、多氯联苯等污染物毒性的新方法。

利斯解释道：“大部分有毒污染物都含有卤族元素，而大多数生物系统，并不知道如何应对这些分子。但是，有些细菌利用维生素B₁₂就能清除这些卤素原子。我们的研究发现，这些细菌使用维生素B₁₂的方式，与我们所知的大不相同。”

据报道，利斯研究小组，通过对生长更快的细菌进行基因改造，从而获取了关键的蛋白质。他们继而利用X射线晶体成像技术，获得卤素原子被清除的细节。他表示，了解这些独特的解毒过程细节后，研究人员现在可以试着复制这一过程，从而开发出新手段，更快速高效地解决世界范围内有毒污染物问题。

目前，大量的有害分子被排放到自然界中，其中许多是通过污染物直接排放，还有些是通过室内垃圾燃烧而来。这些有害分子的浓度日渐升高，对环境和人类的威胁也越来越大。这也是该研究背后的主要动因。人们已经采取了一些手段来限制污染物的产生，例如，多氯联苯在20世纪70年代被美国禁用，并于2001年在世界范围内遭禁。

2.利用细菌推进能源开发

（1）以细菌微生物把废水转化为可用电流。2006年5月15日，比利时根特大学研究人员组成的一个研究小组，在《环境科学和技术》杂志上发表研究成果称，他们利用细菌微生物形成的一种新型生物能量加工系统，生产出可利用的电流。

研究人员说，水中寄生着大量微小的细菌，其中有些细菌微生物，可以稳定地分解水流中的有机物质，并在这一过程中产生电荷。通过研究和收集这些电荷，他们发明了微生物燃料电池。

研究人员试验了以连续、平行、独立个体等不同排列方式的燃料电池。在历时200多天的检测过程中，他们分别把细菌微生物寄生于厌氧或者有氧的淤泥、医院以及马铃薯加工厂的废水中，经过一定的作用时间后，燃料电池的供能效率增大了3倍。同时还发现，以平行方式排列的燃料电池，可以稳定地产生强电流，电荷生成效率最高。

（2）利用固氮细菌制造氢气。2008年8月25日，《每日科学》网站报道，美国农业部下属的农业研究服务机构，发明了一种识别固氮细菌的方法，无须经过基因组测序或者遗传修饰，这将有利于更好地制造清洁能源氢气。

固氮细菌是以空气中的氮气为养料，形成自身蛋白质的微生物。它们生活在土壤，以及某些植物的根部，把空气中的氮转化成化学养分，来供植物生长。固氮细菌，是氢的重要微生物来源，它们主要通过光合作用来产生氢气，目前研究较多的主要有颤藻属、深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、球形红微菌、液泡外硫红螺菌等。

研究人员通过使用一种选择剂，来找到能产生氢气的固氮细菌的菌株，而无须通过基因组测序或者遗传修饰。研究人员使用这种选择剂，能够确定一个基因，该基因使细菌的氢气摄取活动系统钝化，于是产生的所有氢气都被释放出来，因为菌细胞不能再利用氢气，它们产生的氢气，能够被捕捉并且作为燃料来使用，产生水和热量。

（3）发现可利用深海细菌寻找海底石油。2009年9月18日，加拿大科学家凯西·休伯特博士率领的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们在挪威附近北冰洋海底的沉积物中，发现了大量处于冬眠状态的一种嗜热菌。它们以细菌芽孢状态存在，在低于0℃的海底冬眠。这项发现，使科学家可能有机会追踪到来自海底热环境中渗出的热流，从而可能利用这种手段找到海底蕴藏的石油和天然气。

研究小组发现，这种嗜热菌以孢子形式冬眠于沉积物中，可以抵御其所处的恶劣环境。实验显示，在40℃～60℃，这些孢子就可以复活为细菌。因此研究人员认为，这些冬眠细菌可能来自海底的某些热区域。

休伯特博士目前接受加拿大自然科学和工程研究委员会的资助，在德国与多国科学家开展合作研究。他表示，最令他们关注的是，这种细菌与取自海底石油的细菌在遗传特征上有许多相似性。目前他们正在探索这些细菌究竟来自何处，如果它们来自某个泄漏的海底石油储藏地，那么其今后将可帮助人类找到海底石油。这些细菌属厌氧菌，而且在海底沉积物中大量存在，源源不断。研究人员由此推断，一种可能，是它们来自于大洋深处的高压原油储藏区域，向上泄漏的原油将其带入海底水域。另一种可能，是海底“黑烟囱”或其他热流口的存在，产生的热液流动将其带出。但这种嗜热菌究竟来自何处，还需要进一步通过研究来确证。

（4）用大豆根部固氮细菌把一氧化碳变成燃料丙烷。2010年8月，美国加州大学欧文分校马库斯·里贝等专家组成的一个研究小组，在《科学》杂志上发表论文表示，一种存在于大豆根部的固氮细菌所产生的酶，可能有望成为实现新型空气动力汽车梦想的关键。这种酶名为钒固氮酶，它可以把常见的工业副产品一氧化碳（CO）转化为燃料丙烷。

研究人员表示，目前，该研究还处于早期阶段。不过，他们同时表示，这项研究最终可能会带来全新、环保的燃料生产方式，最终从稀薄的空气中提取汽油。里贝说，这种微生物是一种非常常见的土壤细菌，我们对其已有深入了解，并且实施了长期的研究。他还说，虽然我们仍在研究钒固氮酶，但我们知道这种酶具有不同寻常的特性。

科学家研究的这种微生物，名叫棕色固氮菌。是一种对环境很重要的细菌，它通常存在于像大豆等固氮植物根部周围的土壤中。

农场主之所以对含有棕色固氮菌的植物情有独钟，是因为这种细菌可充分利用多种酶，把大气中毫无用途的氮气变成重要的氨和其他化合物。接下来，其他植物吸收这些化合物，利用它们生长。里贝在研究中与合作者将一种氮——钒固氮酶——隔离出来，用以把氮变成氨。接着，他们从钒固氮酶中分离出氮和氧，并用一氧化碳填补剩余空间。

没有了氮和氧，钒固氮酶开始把一氧化碳，变成2～3个原子长的短碳链。一个三碳链通常被称为丙烷。丙烷是一种点燃后形成蓝色火焰的气体，是常见的火炉中使用的燃料。

里贝说，很显然，如果我们可以制造出更长的碳碳链，这项发现最终会令我们开发出合成液态燃料。新酶只能形成2～3个碳链，而不是构成液态汽油的更长链。不过，里贝认为，可以对钒固氮酶做出改动，令其可以生成汽油。如果这项技术得到进一步完善，最终或能令汽车以自身排放的尾气当作部分燃料。而经过更长时间的研究，汽车甚至还能从空气中“吸收”二氧化碳供其运行的燃料，而目前已经拥有把二氧化碳变为一氧化碳的技术。

3.利用细菌研制生物医用产品

（1）试用转基因细菌合成青蒿素。2006年4月，有关媒体报道，青蒿素是目前最有效的抗疟疾药物之一，但对最需要它的贫困患者来说仍过于昂贵。美国加州大学伯克利分校的一个研究小组，成功地用转基因酵母，合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸，有望大幅增加青蒿素产量、降低治疗疟疾的费用。

研究人员说，他们的新研究成果，有望把青蒿素药物价格大大降低。

该研究小组曾经把青蒿的一个基因，植入大肠杆菌。利用细菌的生物合成过程，获得一些中间物质。但这些物质，还需要几步反应，才能生成青蒿酸。

在最新的研究中，研究人员在青蒿里，发现了一种与青蒿酸合成有关的新酶。把制造这种酶的基因，植入酿酒酵母后，酵母制造出了青蒿酸。这项新成果，有望为大幅降低青蒿素生产成本开辟道路，但付诸实用至少还需要几年时间。

（2）计划把双歧杆菌加工成预防流感的健康食品。2006年5月，《日经产业新闻》报道，日本森永乳业公司等机构组成的科研小组，经过研究认为，每天摄取大量双歧杆菌可以预防流感。

科研小组在2004年11月至2005年3月，以27名65岁以上老人为对象进行研究。他们在最初6周让每位老人每天服用含1000亿个双歧杆菌的粉末（相当于一升酸奶的双歧杆菌含量），其间，给他们接种了流感疫苗。

从第7周开始，研究人员将27人分成两组，其中一组继续按前6周的剂量服用双歧杆菌，另一组则服用安慰剂。最后，服用安慰剂的研究对象中有5人患上流感，而继续服用双歧杆菌的一组则无一发病。血液检查显示，自始至终服用双歧杆菌的人体内，白细胞的数量多于另一组。

森永乳业公司认为，老年人一旦患上流感就容易恶化。双歧杆菌是乳酸菌的一种，它能提高老人的免疫力，即使疫苗作用减弱，也能降低他们受流感侵扰的概率。森永乳业公司计划把双歧杆菌加工成粉末或片剂，将其作为健康食品实现商业化。

（3）用苏芸金杆菌制成毒死蚊子幼虫的杀虫剂。2006年6月，俄罗斯媒体报道，含氯、磷化合物的杀虫剂容易危害其他生物，而用特定病毒对付蚊子幼虫等办法成本很高。为了趋利避害，莫斯科生物化学研究下属的一家实验室，筛选出一种苏芸金杆菌作为原料研制杀虫剂。这种细菌能通过体内生命活动合成一种晶体，当该晶体通过水流进入蚊子幼虫的肠道后，可在其肠道物质的作用下释放出毒素，最终毒死蚊子幼虫。这种杀虫剂对人、畜和鱼均无害。参与研究的专家介绍说，为了获得上述晶体，需要先对苏芸金杆菌进行培养。当苏芸金杆菌体内的特定晶体积累到一定程度后，可破坏杆菌的细胞膜，提取出晶体。为了避免提取物中含具有繁殖作用的芽孢，造成杆菌繁殖失控，专家培育出了只能通过克隆繁殖的苏芸金杆菌，然后再将其合成的晶体制成一种浅褐色浓缩液。

（4）用厌氧菌研制出抗菌物质。2010年4月8日，德国莱布尼茨自然物质与传染病生物学研究所发布公报说，该所研究人员利用厌氧菌制造出一种新的抗菌物质，这种化合物在抑制一些有耐药性的细菌方面很有效，有可能用于研制新型抗生素。

自从发明抗生素以来，微生物中的自然物质一直是抗生素的重要来源。然而，有些病菌，总能想方设法适应抗生素的作用，并形成抗体，其中典型例子就是金黄色葡萄球菌。它的某些菌株，已对常用抗生素甲氧西林产生耐药性，变成有“超级病菌”之称的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，可导致严重甚至致命的炎症。

他们通过在实验室中模拟“解纤维梭菌”的自然营养环境，促使这种厌氧菌合成了一种化合物，它含有很多硫原子，化学结构非常特殊。初步研究显示，这种化合物，对于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等耐药病菌，具有显著的抑制效果。

研究人员说，利用厌氧菌合成抗菌活性物质意义重大，下一步将研究其具体作用机制，并将检验这种化合物是否适宜制造抗生素。

（5）利用转基因光合细菌生产单糖和乳酸。2010年7月，美国哈佛大学维斯生物启迪工程研究所杰弗里·维、哈佛医学院帕梅拉·瑟尔沃领导的一个研究小组，在《应用和环境生物》杂志上发表论文表示，光合细菌（PSB）进行基因工程改造后能够产生单糖和乳酸。

光合细菌，是一种能进行光合作用而不产氧的特殊生理类群原核生物的总称，是一种典型的水圈微生物，广泛分布于海洋或淡水环境中。光合细菌作为一种特殊营养和特殊细菌，已在畜牧、水产、环保、农业上进行应用试验。

杰弗里·维说，我们的研究，主要是利用转基因技术，让微生物按照我们的要求来工作，此次是生产食物添加剂。这些发现，在人类社会走向绿色经济过程中，具有十分重要的现实意义。

采用转基因光合细菌生产单糖和乳酸等化合物，有多种益处。一是能够减少二氧化碳排放，二是有助于生产更多的生物可降解塑料，三是可以减少空气中的碳含量。此外，这种利用光合作用进行单糖、乳酸和其他化合物的生产方式，其生产成本也会大大降低。