书城童书《生物仿生知识篇》(上)
34216000000009

第9章 神秘的发酵工程(2)

如今,科学家找到了一些嗜金细菌,这种细菌本领可不小,能把分散的金微粒乃至单独的金原子聚集起来,从而形成天然的黄金矿石。

在嗜金细菌的家族中,科学家将具有高超聚金能力的细菌另立门户——分离出来,其聚金能力达50~60%,最高的可达80~90%。

显然,这些小不点的嗜金细菌在金的开采上,异军突起,发挥出了奇效!

有趣的是,有些细菌还能报矿呢!

譬如,某些芽孢杆菌与黄金有着特别的缘分,凭着对黄金的特殊“情感”,可以嗅出黄金的“气味”而去“拜访。”据此,科技工作者可根据细菌的分布、增殖数量等有关情况,作为探测黄金的依据。

更有甚者,人们可以将这种细菌做成微生物探针,带到野外去用来标示金的潜在储量。

随着现代科学技术的发展,人类正在设想按照自己的需要,培育具有各种冶金功能的细菌。

例如,科技工作者正在培育一种对黄金、白金等贵重金属有特殊亲和力的新菌种。一旦成功,就会带来喜人的变化——人们可以从废物中、海水中回收这些贵重金属。

还有,现在大多数细菌只能富集钾,如果能培育出一种可富集钠和镁的细菌“巧匠”,这将会大大简化海水和盐水淡化的工序,其意义该有多大呀!

让微生物生产粮食让微生物生产粮食生物学家告诉我们:蛋白质是生命活动的物质基础,一切动植物的体内都有蛋白质。

动植物这些显眼的“大生物”含有蛋白质,那些肉眼难见的“小不点儿”微生物,是否也应有蛋白质的成分呢?

是的,微生物虽小,也有蛋白质成分。由于微生物大多是很小很小的单细胞生物,因而人们生产出来的蛋白质,叫做“单细胞蛋白”。

单细胞蛋白的营养价值很高,含有氨基酸种类齐全,不仅超过了米、面,也超了猪肉、鸡肉,还含有许多糖类、脂肪、矿物质和维生素。人体所需要的营养成分,在这里几乎是应有尽有。

既然如此,我们为什么不能像种庄稼或饲养牲畜那样,让微生物在最佳的环境中,“茁壮成长”呢?如果这样,我们不就能获取大量的单细胞蛋白了吗!

是啊,科学的发现需要科学家的想像。

于是,科学家们选育出能利用某种原料的微生物,把它们接种到发酵罐里,让它们在发酵罐里施展本领,大量繁殖。然后,再经过净化、干燥、精炼,就得到了我们所需要的单细胞蛋白。

种庄稼往往受季节的制约,在发酵罐里地球“清道夫”制造单细胞,就不分数九寒冬和酷暑盛夏了,只要控制好发酵罐里的温度、酸碱度和营养条件,就能源源不断地生产出单细胞蛋白来。

微生物的繁殖速度十分惊人。就细菌来说,每隔20分钟就可以分裂一次,由一个分裂为两个,两个分裂为4个……,24小时可分裂72次,产生4.72×1021个后代。

有人做过试验,在适宜的条件下,500千克重的酵母,一昼夜就能繁殖成40000千克,而同样重的一头牛,一昼夜只能增加0.24克。

研究表明:微生物发酵生产蛋白质的速度比植物快500倍,比动物快2000倍。一个细菌,一昼夜发酵生产的蛋白质,等于它自身重量的30~40倍。

然而,0.67公顷(1亩地)的豆田,每年可收获1000多千克大豆,得到400千克的植物蛋白质。工人在工厂里利用微生物发酵生产蛋白质,一年竟能生产10万千克蛋白质。

可见,微生物生产蛋白质的效率是多么高啊!

人们在获得单细胞蛋白的同时,也在不断探索“菌源”。

前几年,科学家发现了一种氢细菌,能利用氢、二氧化碳以及含氧无机盐类作发酵原料来生产单细胞蛋白。既不与工业争原料,也不与农业争土地,是一种理想的生产食物的方法。

之后,科学家又找到一种更理想的固氮氢细菌,它能直接从空气里摄取所需要的氮素,合成我们需要的蛋白质。

目前,经改性的禾本科镰胞生产“真菌肉”,在英国已实现工业化生产。加拿大进行了用一种节杆菌促进植物性食用油高产的试验。我国和日本也进行了如利用产油的假丝酵母、被胞霉等的试验,并获得了类似的结果。用微生物生产新兴食品正在崛起。

随着现代科学技术的发展,人们将不断发现新“菌源”,从而生产廉价的粮食——蛋白质,为人类的生存提供更加充实、更具营养的食物。

地球“清道夫”

近百年来,环境恶化的问题给人类带来了极大的麻烦。随着工业的高度发展,废物、废液泛滥成灾。光是美国,一年便要产生有害物质6000万吨。欧洲产生的有害物质也大致相当。其他各国便不必一一列举了,即使是第三世界国家,“三废”的排放量也是相当大的。全世界的“三废”数量惊人,并且还在以惊人的速度增长。拿污水来说,70年代全世界污水年排放量为4600亿立方米,到本世纪末将增长14倍,达到近70000亿立方米。在整个地球上,“三废”的产生和排放远远超过了大自然本身的净化能力。如果再不抓紧治理“三废”,再不采取有力措施保护环境,人类在地球上将很快没有立足之地了。

发酵工程的巨大威力使人们看到了彻底治理环境的曙光。

微生物治理环境这件事,可说是源远流长。多少年来,人类的生活中何曾少过废物、废水。不过,由于工业不怎么发达,城市人口也不怎么密集,这些废物、废水被伟大的自然界悄悄地消化掉了,不曾构成对人类生存、发展的威胁。大自然拥有神奇的净化力量,而微生物则是净化力量的主力军。这些不起眼的小不点无声无息地战斗在环境保护的第一线,吃掉了废物、废水,把它们转化成可供动植物再次利用的无害物质,使地球保持着生态平衡。只是在进入工业社会后,由于“三废”排放量剧增,那些自生自灭、各自为战的微生物已无法应付,回天乏力,生态平衡才被打破,人类才面临环境恶化的威胁。

最终,解决环境问题还得靠微生物,处理废物、废气、废水还得靠微生物。不过不是那些各自为战的微生物“游击队”,而是融合着人类智慧的、经过改造的微生物,是发酵工程的微生物“正规部队”。

1991年在美国西海岸由于一艘满载着18万吨原油的油轮失事,几百平方海里的海面被油层罩住了。报道此事的电视新闻中有这么一个画面:一只海鸟呆呆地站在一块礁石上,由于浑身的羽毛被原油粘住,它再也飞不起来了,只能在那儿等死。遭殃的何止是海鸟,那海面上的油层不会轻易消失,它在海水和空气之间形成了隔绝层,破坏了生态平衡,过不了数天,许多死鱼泛起,密密麻麻地漂浮在海面上。

那场“油祸”只是一个突出的例子。从60年代以来,海面的浮油污染已经成了环境保护中最令人头痛的问题之一。浮油的来源不光是油轮失事,还有货轮和沿岸工厂排放污油,那更是经常性的事。其结果便是整个地球的海洋表面上出现了一大片一大片的油污,久久不肯褪去。就在浮油污染日益严重,几乎使人束手无策的时候,一些聪明的学者又祭起了发酵工程这一法宝。他们找到一种又一种以石油为食的微生物(那叫嗜烃菌),筛选出生命力最强的菌株,供给最充分的营养,使它们活性更强,而且大量繁殖,然后配制成一瓶一瓶的药液——浓缩的菌液。在被污染的海面上,只要洒上一定数量的药液,不出一周,80%的油污即会被这些微生物吞吃掉,产品则是二氧化碳和菌体蛋白,菌体蛋白还是一些海洋生物的营养品呢!这种神奇的药液已经商品化,可以大量生产了。彻底解决海面浮油污染已经是指日可待的事情。

与海面浮油污染相类似的,是土壤的DDT污染。

DDT是一种高效杀虫农药,从20年代起风行于全世界,但60年代即被禁用。原因是它在使用后不会自行分解,而是积聚在土壤中。土壤中的DDT会通过农作物的根系进入农作物,然后又会进入人体积聚于人的肝脏,损害人体健康。即使在DDT被禁用以后,这个问题仍未解决。因为经过数十年的使用,DDT在土壤中的浓度已经很高了,而且自然界的净化能力对它毫无办法。这些DDT仍在不断地侵蚀人们的肝脏,医生们认为这是各类肝病,包括肝癌,发病率持续上升的原因之一。

到80年代后期,人们终于找到了从全球的土壤中清除DDT的根本办法。一些科学家移花接木,将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内,培育一种专门“吃”DDT的细菌,再大量培养,制成药液。这种药液喷洒到土壤上,不出数天,土壤中的DDT就被“吃”得一干二净。这样,人类数十年来的这个“心腹之患”就可以清除掉了。

从发酵罐中生产化工产品

如果要问从发酵罐中能否生产化工产品?可以明确回答你:能。

化工产品在人们心目中是从化工厂里生产出来的。但由于发酵工程的特殊性能和特殊作用,从发酵罐中提取化工产品已变得很容易了。

乙醇是一种用途广泛的化工原料。乙醇就是发酵罐的产物。

科学家预测,在21世纪初,生产化工原料的一些传统合成方法将被发酵法所代替。这是因为微生物能合成许多化工产品。据不完全统计,用发酵法生产的化工原料多达几百种(类),虽然这个绝对数字不大,但前景广阔。比如化工上用的溶剂、润滑剂、软化剂、萃取剂、胶粘剂、酶制剂,还有塑料、炸药、汽油添加剂、代用燃料、化妆品、阻冻剂、刹车油、柠檬酸、乙烯、乙醛、丙酮、丁醇、丁二烯等,都可从发酵罐中提取。

一般来说,有工业用途的有机物的生产,既可以用合成法,也可以用发酵法。用哪种方法生产,取决于它的经济效益。发酵生产,其原料大多采用糖类和淀粉;而化学合成,其原料主要是石油和它的衍生物。这就是说,要考虑到原料成本,也要考虑转化率和回收成本。只要发酵法合成比化学合成产量高、成本低,那么就应该采用发酵法,从发酵罐中提取化工原料。

利用微生物发酵生产粮食

在日常生活中,发酵现象是司空见惯的。然而,你知道微生物发酵吗?微生物能通过自己的新陈代谢,对一些物质进行分解或合成,产生另外一些物质。利用微生物的这种本领,生产人们需要的各种原料和产品,这就是微生物发酵。

微生物的发酵作用是在神奇的“魔术师”——酵的作用下进行的,只要是常温、常压就可以了。由于微生物种类繁多,因而能在不同的环境中形成不同的发酵产物。这些产物几乎都与我们日常生活密切相关,如,醋、甘油、味精、酒精、抗生素、维生素和微生物杀虫剂。

能不能利用微生物发酵来生产粮食呢?不久前,微生物学家发现可以利用微生物发酵生产粮食。这里说的粮食不是指淀粉,而是蛋白质。微生物发酵生产蛋白质的速度比植物快500倍,比动物快2000倍。一个细菌一昼夜发酵生产的蛋白质,大约等于它自身重量的30~40倍。一个农民每年要种0.67公顷的土地,才能收获1000多千克的大豆,得到400千克的植物蛋白;而一个工人在工厂里利用微生物发酵生产粮食,一年竟能生产10万千克蛋白质。

微生物发酵对人类作出了巨大的贡献。随着科学技术的发展,它的应用前景将越来越广阔。

发酵工程比传统发酵工艺先进

人类在古代就知道发酵。古埃及人数千年前就会生产面包和奶酪。我们的祖先在3000年前就掌握了酿酒技术。不论是制作面包、奶酪,还是酿酒,都有一个不可缺少的过程——发酵。但是,古人不知道这发酵是怎么回事。他们不知道发酵是酶的作用,更不知道酶是由微生物产生的。所以古希腊人把发酵说成是“沸腾”,实在是一个糊涂概念。而我们祖先所称的“发酵”则要科学得多。

发酵工程,又叫微生物工程。它是利用微生物所特有的发酵作用,与现代工程技术相结合,或直接用微生物反应器,进行大规模的发酵生产。发酵产物既可以是微生物本身(单细胞蛋白),也可以是发酵过程的代谢产物。

现代发酵工程与传统的发酵工艺操作不同,它有如下优越性:它可以进行连续发酵和半连续发酵;有电脑控制实行高度的自动化;采用经过基因重组的工程菌生产;可以在45℃左右加压生产。而传统的发酵工艺是间歇发酵,人工操作,用的是天然菌种,只能在常温常压下进行。

正因为发酵工程有如此多的优点,受到各国的重视也就很自然了。国际微生物学会联合国咨询委员会主席海登这样告诉人们:“微生物工程可能成为一股引起工业结构调整和社会结构改革的力量。”此话不假。