1、1微生物利用与研究进展（ 微生物学 3060103）摘 要：微生物与人类关系密切，它既能造福于人类也能给人类带来毁灭性的灾难。从微生物的发现、微生物与人类的关系以及微生物的应用等方面对微生物作了一些介绍，以期人对微生物有更多的了解。关键词：人类；微生物；关系；利用；研究进展微生物是泛指肉眼看不到或看不清楚的微小生物。它们体积微小（小于，0.01mm）结构简单，但其种类很多。微生物如同一把十分锋利的双刃剑，它的“残忍”给人类带来的灾难有时甚至是毁灭性的，但它给人类带来的利益不仅仅是享受，而且实际上涉及到了人类的生存。许多重要产品的生产，如面包、抗菌素、疫苗、维生素等，微生物起着不可替代的作用；有
2、了它才使地球上的物质得以循环，否则地球上的生命将无法繁衍下去。同时，在以基因工程为代表的现代生物技术的发展及应用中，微生物也在对人类做出着重要的贡献。1 微生物的发现与微生物学的发展在人们真正看到微生物之前，已经猜想或感受到了它们的存在，甚至人们已经在不知不觉中应用它们。据考古学推测，我国在 8000 年前已经出现了曲蘖酿酒，4000 多年前我国酿酒已十分普遍，我国的酒文化更是源远流长，到了 16 世纪，古罗马医生 GFracastoro 才明确提出疾病是由肉眼看不见的生物引起的。在宋真宗时我国人民已广泛应用种人痘（天花浆）来防治天花，到了 1717 年，这种方法才经土耳其传至英国，再到欧洲、
3、美洲，最后在人痘的基础上才发展为牛痘，从此天花得到彻底消除。开创了近代免疫学上一个非常成功的先例。“只有当新的工具成为可能，新的事实才会显现。 ”显微镜的发明向人们打开了一个新的、美妙的世界。第一个发现了微生物世界的是安东范列文虎克。被称为显微技术之父。19 世纪是近代微生物学发展非常迅速的一个时期，法国科学家巴斯德证明了发酵和腐败是微生物作用的结果，而不是发酵产生了微生物。用严密的实验推翻了自亚里斯多德以来长期统治欧洲的自然发生说，并且在蚕病、狂犬病、鸡霍乱病和炭疽病的病原体的研究和预防方面作出了卓越的贡献，他发明的巴2氏消毒法至今仍然广泛用于各种液态食品的工厂化生产，被称为现代微生物学之父
4、。进入 20 世纪以后，由于生物化学、化学分析技术的发展，电子显微镜的问世，使微生物学研究从细胞水平进入到分子水平。各种新技术在微生物学研究中的应用，不仅促进了微生物学的发展，而且对微生物的应用已深入到各个领域。2 微生物与人类的关系人体中的微生物正常情况下，人体体表及与外界相通的体腔中存在着一定种类和数量的微生物，被称为人体正常微生物群落。它们构成了人体内的微生态环境，和人体保持着一个平衡状态，相互依赖，相互影响。人体为微生物提供良好的生态环境，使微生物得以生长繁殖；微生物可为人体提供多种维生素，如 B2、 B12、 VK、烟酸和生物素、各种氨基酸，同时也可抑制或排斥外来微生物的侵入和寄生，
5、起到保护作用，保证人体各项生命活动的正常进行。一旦这种平衡被打破，如皮肤、粘膜受损，机体疲劳、受凉导致防御机能减弱时，一部分正常菌群会成为病原微生物，失去它正常的功能，导致人体出现异常，如腹膜炎、肾盂肾炎等炎症。如果长期服用广谱抗菌素如青霉素，可导致肠道内对药物敏感的细菌被抑制，而不敏感的细菌则大量繁殖，破坏了正常菌群内各种微生物之间的相互制约关系，从而引起疾病，如腹泻、消化不良、胃肠炎等。这通常被称为菌群失调症。因此在进行治疗时，除使用药物来抑制或杀灭致病菌外，还需要考虑调整菌群，恢复肠道正常菌群的生态平衡。同时，在使用抗菌素时，需要了解引起感染和炎症的主要原因，做到对症下药，不能滥用抗菌素
6、。在维护人体健康方面，维持微生态环境的平衡与稳定具有非常重要的意义。3 微生物在生态系统中的作用自然界中的生物成份按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产者、消费者、分解者。微生物一方面可以作为初级生产者通过生物合成作用将无机物有机质化，另一方面，微生物主要作为分解者通过分解作用将有机物进行无机质化，在生态系统中起着重要的作用。生命活动的基本特征是新陈代谢，这是一切生物所具备的自然现象，生命源于自然，最终也将归于自然。微生物的分解作用就表现在能分解生物圈内存在的动物、植物和微生物的代谢废物和残体等复杂有机物质，并最后将其转化为最简单的无机物，如 CO2、N、P、S等，再供初级生产者利用，
7、为人类的生命活动提供氧气、营养物质，使生命得以延续。通过微生物的作用，各类元素和物质不断地从非生命物质状态转变成有生命的物质状态，然后从生命物质状态转变成非生命的物质状态，如此周而复始地循环利用，构成了生物与非生物之间，也就是生命与非生命之间的物质3循环和能量流动。自然界中的微生物与其它生物协同作用，相互影响、相互制约、相辅相成的构成了复杂的关系。可以这样说，如果没有微生物的作用，自然界中各类元素和物质，就不可能周而复始循环利用，自然界的生态平衡就不可能保持，人类社会也将不可能生存发展。4 应用微生物学的几个热点研究领域科技部中国生物工程开发中心有关资料表明：中国将在十年内建成 20 个世界级
8、研究中心，10 个世界级生物技术中心，使生物技术产业总产值达到每年3000 亿元。迅速发展的生物高新技术因在农业、医疗、环保等领域的诱人前景，正成为国际竞争的一大热点。1999 年全球生物技术产品的总销售额为 500 亿美元，产生的经济效益超过 3000 亿美元。全球生物技术发展呈现四大态势：以企业技术创新为主体的产学研一体化程度越来越高；商品化速度越来越快；产业发展的关联度越来越强；对各国的政治、经济、军事、文化等方面的影响越来越大。建立以基因为核心的知识产权，抢占 21 世纪的制高点，已成为国际生物技术的竞争焦点 1。美国、德国、日本等国把生命科学和生物技术研究列为世纪科技发展的战略重点。
9、而我国争取在未来十年内使中国生物技术的整体水平跻身世界先进行列，使生物技术产业发展成中国的支柱产业之一。因此，应用微生物的研究也出现了与生物技术密切相关的热点。4.1 以提高微生物的生防能力目标的微生物基因克隆、表达与基因组学研究 根据病原微生物基因组大小及其在我国农业生产中危害程度，有选择地开展病原真菌（如 Pyriculariaoryzae） ，病原病毒（如 PYDV）以及病原细菌（如Xanthomonas oryzae）等某些重要作物病原微生物的基因组研究。集中优势力量，建立作物病原微生物菌种资源库和基因资源库，开展重要作物病原微生物相关基因（簇）的分离、克隆、结构和功能的研究。在建立基
10、因组的物理图谱和遗传图谱的基础上，完成某些重要作物病原微生物的基因组所有核苷酸分析工作，并不失时机的开展基因结构、功能和表达调控等后基因组学的研究。以利于从分子水平了解病原微生物的致病机理，并研究出防病和治病的方法。 我国地域广阔、生态环境复杂多变，农业微生物基因资源和生物多样性极其丰富，其中不少农业微生物具有抗虫、抗病、抗除草剂或耐盐、耐酸碱或耐高低温等抗逆特性，常由一个或多个相关基因控制，这些基因编码的酶产物所显示的特殊生物学功能具有重要的理论和应用价值。利用现有的农业微生物基因资源，采用现代分子生物学技术对相应基因鉴定和分离，在 5-10 年时间内，从现有微生物基因库中克隆有重要应用价值
11、、知识产权和抗逆新基因，构建高效工程菌株，从而有效地提高农作物的抗性。 目前已发现许多微生物具有生防作用，木霉菌(Trichodermaspp.) 就是一类普4遍存在并具有重要经济意义的生防益菌。早在 60 多年前,人们就认识到木霉菌对植物病原菌的拮抗作用 2 。70 年代以来,对木霉菌的拮抗作用及其机制作了深入研究,证实了木霉对病原菌的重寄生现象，同时在温室及田间试验中也取得了令人鼓舞的成果，国外已有商品化的木霉制剂问世 3，如美国的 Topshield(哈茨木霉 T22)和以色列的 Trichodex(哈茨木霉 T39)。随着现代生物技术的不断发展，已经开始从生化和分子水平上对拮抗木霉的生
12、防机制进行研究,并有较大的突破。4.1.1 木霉对植物病原真菌的拮抗机制木霉对植物病原真菌的拮抗作用包含多种机制,一般认为有竞争作用。重寄生作用及抗生作用。另外,Harman 4建议，在木霉的生防机制中可能还包括：(1)在逆境中，如干旱、养分的胁迫下，通过加强根系和植株的发育提高耐性；(2)可诱导植物对病菌的抗性；(3)增加土壤中营养成分的溶解性，并促进其吸收；(4)使病原菌的酶钝化。木霉在代谢过程中可以产生拮抗性化学物质来毒害植物病原真菌，这些物质包括抗生素和一些酶类。许多木霉菌株产生挥发性或非挥发性的抗菌素类物质，有木霉素(trichodermin) 、胶霉素(gliotoxin) 、绿木
13、霉素(viridin)、抗菌肽(peptideantibiotic)等。Dennis 等 5还报道了木霉产生的一种挥发性乙醛对病原真菌具有抗性。朱天辉等 6在研究哈茨木霉对立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)的抗生现象时发现，FO60 菌株产生的代谢物质能抑制立枯丝核菌的菌落生长，降低其菌丝干重，而且非挥发性代谢物具热稳定性，这些代谢物可以破坏菌丝细胞壁,使细胞内物质外渗，引起立枯丝核菌菌丝的原生质凝聚，菌丝断裂解体。Lynch7研究表明：哈茨木霉防治立枯丝核菌的主要机制之一，是产生一种挥发性的抗生素，具有椰子香味，经过鉴定为六戊烷基吡喃及戊烯基吡喃。Brukner等从绿色木霉(
14、T.viride)和长枝木霉( T.longibrachiatum)中分离提纯了一组特殊的抗菌肽，分别为 trichobrachin 和 trichovirin，并测定了其氨基酸序列。这些次生代谢产物的纯化为农用抗生素的开发和利用提供了基础。但是某些抗生素性质不稳定，在一定条件下可转化为不具抗菌活性的化合物，如胶霉毒素在酶的作用下或在代谢过程中可转化为二甲基胶霉毒素而丧失活性。4.1.2 诱导抗性以往关于木霉生防机制的研究大多集中于微生物间的互作，而忽视了寄主植物的参与。最近，Bailey 和 Lumsden8的研究揭示了木霉菌的木聚糖酶或其它的激发子能够诱导植物的抗病性。Elad 与其同事
15、9利用哈茨木霉 T39 接种根部或叶子后，控制了灰葡萄孢引起的病害，认为诱导抗性是重要机制之一。Howell 等 10用生防菌株绿色木霉处理棉花种子后发现：绿色木霉穿透并定殖在根表皮和外皮层组织中，其过氧化物酶活性升高，萜类化合物积累。Yedidia 等511也证实了哈茨木霉菌株 T203 穿透到黄瓜根部外皮层，产生了一种类似的诱导抗性，并且穿入区的细胞机械强度增大，与未经 T203 处理的植株相比，几丁质酶和过氧化物酶活性的升高提前了 4872h，并且叶部也出现了这两种酶活性的升高，表明 T203 诱导导致系统性获得抗性(SAR) ；同时他们还发现，在无菌水培养条件下，经 T203 处理的黄
16、瓜总是比未经 T203 处理的黄瓜长得大。4.1.3 协同拮抗作用木霉的拮抗作用可能是两种或三种机制同时或顺序作用的综合。Baker 的研究资料表明，用木霉处理菜豆种子后，木霉对腐霉菌(Pythiumspp.)的作用包括产生抗生素及重寄生作用两种机制。木霉在产生抗菌素的同时，也产生各种降解细胞壁的胞外酶以抑制土传植物病原菌的菌丝生长和孢子萌发。diPietro 等12从绿色木霉和终极腐霉(Pythiumultimum )的相互作用的培养中提取出胶霉毒素，发现每升培养液中增加 75mg 几丁质酶，可以减少 50%的胶霉毒素用量而起到同样的效果。Jones 等 13提出了胶霉毒素与细胞壁降解酶协同
17、效应模型，认为细胞壁降解酶的作用在于使毒素快速传递并作用于原生质膜的特定位点，起到增效作用。另外，不同的细胞壁降解酶之间也存在协同作用。由此可见，利用木霉进行生物防治，其机制的多样性是毋庸置疑的。所以不难理解不同的木霉菌株具有不同的生防能力，即使同源菌株的突变体也表现出不同的生防机制。另外，许多植病学者在研究木霉对植物病原菌的生物防治时发现，木霉还可以明显地促进植物的生长。据焦琮等 14报道，康氏木霉(T.kningii)不仅有效地防治了棉苗立枯病和菜豆炭疽病，而且可明显促进棉花和菜豆的生长发育。Altomare 等 15发现哈茨木霉菌株 T22 具有溶解可溶性或微溶性矿物质的能力，通过螯合或
18、降解来溶解金属氧化物，促进植物对矿物质的吸收，提高植物的生长量。像木霉这样具有多种生防功能的真菌，应该说是一种理想的生防资源。4.1.4 转胞壁降解酶基因工程随着基因工程技术的日趋成熟，克隆转化拮抗微生物的有益拮抗基因，构建高抗工程菌株，已是生防工作的重点。木霉菌作为外源基因的表达分泌系统，由于具有比较成熟的发酵培养技术，以及很强烈的蛋白质胞外分泌能力，为构建木霉工程菌株提供了良好的基础。而与此有关的酶类如几丁质酶也成为关注的焦点。目前几丁质酶、葡聚糖酶等已经被纯化，从具有重寄生作用的木霉菌株 CECT2413 中已克隆了编码几丁质酶的基因(chit33,chit42) 16，而且几丁质酶基因
19、的表达具抗菌活性。Limon 等 17用 chit33 基因转化 CECT2413，获得过量组成型表达 33kDa 几丁质酶的哈茨木霉转化子，与野生型相比,对立枯丝核菌的生防效率更高。Migheli 等 18将克隆的长枝木霉 -1，4-葡聚糖酶基因 egl1 又转入长枝木霉，增加了一个拷贝。在组成型启动子的控制下高效表达,提高了对黄6瓜终极腐霉的抑制作用。杨谦等 19用含有多菌灵抗性基因的质粒转化木霉菌，获得了对杀菌剂有抗性的工程菌株。木霉的几丁质酶基因也成功地应用于植物的转化。Lorito 201998 年首次将哈茨木霉的内切几丁质酶基因 chit42 转化到烟草和马铃薯中，并在不同的植物组
20、织中高水平表达，对植物的生长发育未产生不良影响。筛选出的转基因植株表现出对叶部病菌细交链孢(Alternariaalternata)、立枯丝核菌、灰葡萄孢的完全抗病性或高度耐病性。用木霉的单个几丁质酶基因转化植物，获得了高效而广谱的抗病性，克服了来源于植物或细菌的几丁质酶基因转化植物后表达水平低的缺点。随后 Norelli21又将哈茨木霉的内切几丁质酶基因由农杆菌介导转化到苹果植株中，转基因植物对苹果黑星病的抗性明显提高，但同时也对苹果树的生长有负面影响。另外，通过外源几丁质酶基因的表达也可以改良生防因子哈茨木霉。Hara等 22将沙雷氏菌 (Serratiamarcescent)的几丁质酶基
21、因的质粒 pSL3chi 及带有amds 标记的质粒 p3SR2 转移到哈茨木霉，得到的两个转化子在合成培养基上表现增强了的几丁质酶特性，并检测到沙雷氏菌几丁质酶的存在。体外拮抗试验表明，转化子对齐整小核菌(Sclerotirumrolfsii)的抑菌圈大于野生菌株。他们还将木霉蛋白酶基因拷贝整合到上述木霉菌株中，新菌株防治立枯丝核菌的能力显著提高。Palani 23利用原生质体融合技术改良了具钩木霉(T.hamatam)菌株，新菌株在抗菌潜能、抗杀菌剂、抗生素和水解酶的产生上都优于原菌株。而目前国内关于木霉的抗病基因还未分离和克隆，许多研究只停留在一些低水平的重复实验上，距基因工程菌株和生防
22、药剂的产业化还有一定的距离。4.2 新型微生物肥料研究 农业促生、固氮微生物包括根际固氮菌和促进植物生长有益细菌等，在促进自然界氮磷钾营养元素循环和保持农业可持续发展中发挥着巨大作用 24。利用共生固氮菌或包括联合固氮菌在内的植物根际促生菌所具有的固氮、营养元素转化以及合成植物生长调节剂的特性，采用生物工程构建高效固氮、耐铵泌铵、杀虫抗病、碳利用率或根表竞争力强的工程菌株，进而在 5-10 年时间内，研制新型的促生固氮菌肥，如适合于专用盐碱地改良、水稻等粮食作物或瓜果蔬菜类专用高效多功能生物复合系列菌肥。 微生物肥料的发展趋势是由混合菌株替代单一菌株、复合多功能替代单一功能。特别是随着生物技术
23、渗透和发展，转基因微生物由于获得了新的优良性状，显示出比野生菌株更显著的田间接种综合效益。在美国，基因组中整合了外源 dctABD 基因的重组苜蓿根瘤菌能提高大田苜蓿产量，是目前世界上唯一一株通过了遗传工程菌安全性评价并进入有限商品化生产的工程固氮菌株。近年来，我国大力推广由固氮菌、磷细菌、硅酸盐菌剂生物钾肥和有机肥复合制成的微生物肥料，年生产总量约为 40 万吨，广泛应用于豆科作物、粮食7作物、绿色蔬菜生产及盐碱地改良等方面。在我国的 863 计划中，把农业重组微生物列入生物领域一个重要的研究专题。目前有十余株转基因微生物处于安全性评价和田间示范阶段。4.2.1 菌根菌对植物的促生作用植物根
24、系生活在微生物的环境中，受到各种土壤微生物的侵染，如丛枝菌根真菌、线虫、细菌、放线菌。由于丛枝菌根真菌的各种生物效应受到人们的普遍关注而被重视。丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizae)是一类与植物根系正常紧密结合普遍存在的有益微生物共生体，是一定种类的真菌和寄主植物(host plant)根系的互惠共生体(mutual beneficial symbiosis)，互惠表现在两个方面，即丛枝菌根把土壤中的矿质营养元素转移给植物根系，植物将光合作用产生的碳水化合物转运给丛枝菌根以维持其生长，达到互惠互利的目的。参与丛枝菌根形成的真菌称为菌根真菌(mycorrhizal fungus
25、)，属于接合菌亚门 (Zygomycotina)，接合菌纲( Zygomycetes)，球囊霉目 (Glomales)，球囊霉亚目 (Glomineae)，内囊霉科(Endogonaceae)。丛枝菌根侵染植物的初侵染源为菌根孢子(spore)，在适宜的环境条件萌发长出若干个芽管，每个芽管再长出单个菌丝(external hyphae)，在土壤中无定向蔓延，一旦菌丝到达根系附近，受根系分泌物的诱发加速生长，并迅速呈“扇形”向根系靠近，最后完全与根系接触，由根系表皮或者根毛侵入，进入根系皮层组织后在细胞间迅速生长扩展，然后分枝生长，同时侵入到皮层细胞内，也可在皮层细胞间扩展，穿透细胞壁的菌丝(i
26、ntracellular hyphae)进入细胞后，被细胞中的原生质(protoplasm)包围起来，开始分枝,经多次分枝后变成丛枝结构(arbuscular) ，在根系皮层组织的胞间菌丝(intercellular hyphae)由顶端细胞内的液泡(vacuole)变大而形成泡囊(vesicular) 25。由于丛枝菌根是活的真菌，能够对果树的生长表现明显促进作用，研究者才发现丛枝菌根主要是增加果树从土壤中吸收各种矿物质元素，而未接种丛枝菌根的果树不具备此性质，丛枝菌根起到代替肥料的作用 26 。葛诚 27提出，所谓生物肥料(biological fertilizer)是指一类含有活微生物的
27、特定制品，应用于农业生长中，能够获得特定的肥料效应，在这种效应的产生中，制品中活微生物起到关键作用。丛枝菌根完全符合生物肥料的范畴，因此称为“生物肥料” 。4.2.2 丛枝菌根生物肥料效应及其机理（1）促进生长 研究表明，在一个经过熏蒸处理或者蒸汽消毒的速效磷含量较低的土壤里，接种丛枝菌根能够促进果树生长。唐振尧等 28在碱性紫色土中对枸头橙、枳壳、红檬和酸橙 4 种柑橘实生苗进行盆栽试验，结果表明接种丛枝菌根真菌 Glomucitricolum 的 4 种实生苗地上部鲜重和干物重比无菌根苗增长 212419 倍，菌根对 4 种实生苗效应的大小依次是：酸橙枸头橙红檬 枳壳。Sheng 发现在红
28、壤上接种 Glomuscitricolum 真菌 4 个月的枳壳高度比未接种8的枳壳增加 1 倍，径粗和鲜重分别增加 40%93%和 300%600%。Menge 29报道，接种菌根可刺激柑橘生长的能力达到 120%2600%的显著程度，他认为是菌根增加根系对矿物质营养如磷、锌、铜、铁、硫等以及其他元素的吸收的原因。（2）增强矿质营养的吸收 一般而言，丛枝菌根真菌对植物从土壤中吸收矿物质营养元素有促进作用的，特别在贫瘠的土壤中促进作用更显著。唐振尧等 30在盆栽粗柠檬中接种丛枝菌根真菌 Glomucitricolum，结果发现低磷条件下接种菌根的叶片 P2O5 含量为不接种菌根的 117 倍，
29、达到 0.107%；全株 P2O5 含量为不接种菌根的 30 倍，达到 019mg，在一定程度上缓解了果树的低磷胁迫。苹果幼苗接种丛枝菌根真菌首先提高了根内钾、钙、镁的含量，随后地上部分这些元素的含量也显著地高于不接种丛枝菌根的苹果幼苗 31，说明丛枝菌根首先将土壤中的营养元素吸收到根系中，然后才转运给地上部。丛枝菌根增强对磷素吸收的作用机理有 6 种可能性：扩大吸收面积。发育良好的菌根根外菌丝是从寄主植物的根系辐射到土壤中，可深入土壤几厘米的距离，增加了与土壤接触的表面积，根外菌丝具备吸收土壤中的各种矿物质元素，并进一步把矿物质转运到根的输导组织中去，通过生长在细胞内微小的丛枝把磷素传递到树
30、体的各个部分，使原来在空间上对植物无效的养分变为有效的养分。具有吸收功能地菌丝其直径一般为 27Lm。改变根际土壤 pH。菌根侵染可升高根际 pH 值，酸化菌丝际土壤，提高磷的有效性，增加磷的吸收量。促进磷的运输。在菌丝内磷以聚磷酸盐颗粒形式进行运输，随原生质环流向根内运转，其运输速率为根内运输速率的 10 倍。菌根吸磷动力学特征。菌根植物具有较高的吸磷速率是由于其 Km 值低于非菌根的植物，即吸收部位对磷的亲和力比非菌根植物高。菌根菌分泌有机酸活化难溶性磷。唐振尧等32报道，接种菌根施磷矿粉枳苗的土壤中酸性磷酸酶活性为 5.58 酚 mg/g，而接种菌根施过磷酸钙枳苗的和不接种菌根施磷矿粉的
31、土壤中酸性磷酸酶活性仅为 4.30 酚 mg/g 和 3.61 酚 mg/g，刺激菌丝际磷细菌的活动 33。（3）改善水分代谢 大量试验研究表明，无论在正常水分或者干旱条件下，丛枝菌根均能够提高寄主植物的水分传导力、蒸腾速率、膨压和叶片相对含水量，降低叶片水势、气孔阻力、永久萎蔫点、溶质势和自然饱和亏。丛枝菌根改善水分代谢的作用机理有 4 种假设：根外菌丝增加根系表面积有可能提高水分吸收速率；根内菌丝可能为水分输导提供一条水分阻力低的通道；菌丝增加矿物质营养元素的吸收；菌根发育使根系相对变大有利于水分传导 9。随着人们对生态环境和可持续发展的日益重视，以增产、节肥、增效和无公害为主要特征的新型
32、高效微生物肥料，在我国农业生产中的作用日益显著。9这类微生物肥料兼具固氮和促进植物生长的双重功能，能通过固定空气中的氮素、分泌植物激素、对常见病虫害的广谱抑制或拮抗作用达到节肥增产的目的。这对于减少我国的农业环境污染，发展我国“两高一优”农业和促进我国 21 世纪农业的可持续发展具有重要意义。 4.3 研制新型高效微生物农药 微生物农药指非人工合成、具有杀虫杀菌或抗病能力的生物活性物质的微生物制剂，包括微生物杀虫剂，杀菌剂，农用抗生素，生态农药等。利用有益细菌，真菌和病毒等微生物防止植物病虫害具有简便、有效、对生态和环境安全等优点，能完全或部分替代化学农药。 微生物农药在农业生产中的应用十分广
33、泛，以苏云金杆菌商品制剂为例，目前已达 100 多种，是世界上产量最大，应用最广的微生物杀虫剂。此外，某些兼具杀虫防病及保持土壤肥力的生态农药已成为当前研究的热点，转基因工程菌剂，药效稳定，防治面较广，部分产品已进入市场。欧美等国所研制的微生物农药已在世界各国注册并大面积使用。我国微生物农药制剂的研究与应用以苏云金芽孢杆菌（Bt）为先导，已形成微生物杀虫剂、杀菌剂和农用抗生素三大系列，共十余种产品。但吨位较高的品种不多，只有 Bt，井岗霉素、阿维菌素等少数几种。微生物农药以重点研制 Bt 制剂和微生物生态农药为主，部分研究成果和新型生物农药产品可望在 5 年左右的时间内有望达到国际先进水平。4
34、.3.1 微生物农药的开发现状枯草芽孢杆菌（Bs）微生物杀菌剂，能稳定地在土壤和植物表面定殖、产生抗生素、分泌刺激植物生长的激素、并能诱导寄主产生抗病性，是一种理想的微生物杀菌剂，有广阔的应用前景。如：美国 Alabama 州用 Bs 处理多种作物种子，平均产量增加 9%，根病明显减轻；日本用 Bs 及其分泌物防治西红柿立枯病获得良好防效；国内北京大学和河南省农科院报告 Bs 对小麦赤霉病、西瓜枯萎病、烟草青枯病、棉花枯萎病等多种病害有良好的田间防治效果，并有明显的增产效应。江苏省农科院植保所与国际水稻研究所长期合作研究，研制开发出生物杀菌剂 Bs-916，经大面积示范推广试验证明，Bs-91
35、6 对纹枯病防效达 75-85%，对稻曲病防效达 63.8-85.7%。国内外专家这一研究成果高度评价，认为用 Bs 杀菌剂防治水稻纹枯病是目前生物防治叶部病害研究中最先进的，且已具备了转向商品化生产条件。 昆虫病毒核多角体病毒(NPV)、颗粒体病毒(GV)微生物杀虫剂， 是抑制害虫种群的病原性天敌。NPV 和GV 以鳞翅目害虫为特异性寄主，安全性高、可长期保存、易于生产、并与化学杀虫剂具有相似的施用方法, 因而作为优良的生物防治因子, 得到世界各国的广泛重视与研究。近年来, 日本、美国、加拿大、英国等正着力研究 NPV 的提10速、增效和扩大杀虫谱的途径和机制, 已取得突破性进展。特别是日本
36、研究者福原和三桥和佐藤分别发现粘虫痘病毒（Pseudaletia separata EPV）对PuNPV 和 AcNPV 具有极强的增效作用; 後藤则发现八字地老虎 (Xestia c-nigrum)的颗粒体病毒（ XcGV）不仅对 XcNPV、 HaNPV(棉铃虫 NPV)、SeNPV(甜菜夜蛾 NPV)等多种 NPV 具有 100-10000 倍的增效作用, 而且同时使 NPV 的杀虫速度提高一倍以上、并拓宽 NPV 的杀虫谱。 GV 对 NPV 提速、增效、扩谱作用的发现, 一举突破了 NPV 应用于农作物防治重大害虫的 3 大障碍, 使 NPV 首次展示了真正替代化学杀虫剂防治害虫的产
37、业化开发前景。江苏省农科院植保所引进完整的 NPV 和 GV 增效株系及 VEF 增效基因重组表达体系，为我国开发该项最新技术奠定了坚实的基础，目前已开发出针对水稻螟虫（二化螟、三化螟）的 NPV-GV 增强型高效生物杀虫剂，对二化螟的杀虫效果均达 90%以上。 苏云金芽孢杆菌（Bt）微生物杀虫剂，在 20 多个省市用于防治粮、棉、果蔬、林业等作物上的 20 多种害虫，使用面积达 5 千万亩次。随着绿色食品的深入人心，Bt 制剂在国内外农药市场上收到普遍欢迎。4.3.2 应用前景 微生物农药是 21 世纪农药工业的新产业，代表着植物保护的方向，其最大的优势在于能克服化学农药对生态环境的污染和减
38、少在农副产品中农药残留量，同时在示范推广微生物农药应用的过程中，农副产品的品质和价格将大幅度上升，有利地促进农村经济增长和农民增收，社会效益不可估量。 我国已加入WTO，农业将面临新的发展机遇和空间，农副产品出口市场更加广阔，提高我国农产品的国际市场竞争力的重要因素之一是降低农产品有毒物质的残留量，而微生物农药将为农产品优质安全生产和降低有毒物质残留量提供技术和物质保障。微生物农药研究与发展，将有效地实现农产品的优质安全生产，提升农产品的经济附加值，扩大我国农副产品外销市场，推进绿色产业的发展，这些均对发展农村经济、增加农民收入、促进农村繁荣具有重要的推进作用。4.3.3 存在的问题 微生物农
39、药防效的评价问题 以微生物农药为主的生物防治是一种持久效应，因此对微生物农药的防治效果应该进行长期追踪调查，这样才能制定出使用微生物农药进行农作物病虫害管理的途径和策略。把微生物农药的防效与化学农药的防效进行比较，并套用化学防治的使用方法进行生物防治，这是一种错误的思路。微生物农药是通过生物间的相互作用来控制植物病虫害发生、为害的，微生物农药的效果不可能像化学农药那么快速、有效，但它们的防效是持久的、稳定的。因此，应该建立生物农药防治植物病虫害效果的评价体系，从生物农药对环境保护、可持续控制、农产品安全等诸方面的影响进行评估，有利于生物农药健康、迅速地发展。11微生物农药对人畜安全无毒，不污染
40、环境，不破坏生态平衡，具有显著的社会效益和生态效益。在我国，目前已进入市场的微生物农药总产量（以成药计）约 10 万吨，相当于化学农药的七分之一，应用面积仅占病虫防治总面积的10-15%。以蔬菜病虫害防治为例，目前微生物农药应用面积仅为化学农药的 10%，若 2010 年可达到 50%，则可创造数十亿元的年产值，因此，市场潜力仍十分巨大。采用遗传工程方法研制新型的遗传工程微生物农药，可以克服当前野生菌制剂效果不持久，防治对象单一等固有缺点，能够更好地发挥生物防治的综合效益。 4.4 高效微生物酶制剂 微生物及其相关酶类在提高现有饲料营养价值和开发新的饲料来源方面均能发挥重要的作用。目前在饲料中
41、使用的酶制剂已有十种以上，如淀粉酶、葡聚糖酶、糖化酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、脂肪酶等。应用基因工程方法生产的微生物酶制剂用于饲料营养转换能分解农作物秸秆等废弃物中木质素、纤维素、半纤维素，即可提高饲料的利用率，减少环境污染又可开发非传统的饲料资源 34。 国际上， 饲料微生物学已经发展成为畜牧业与饲料科学中的一个重要分支学科，饲料微生物已经成为各国尤其是发达国家饲料与饲料添加剂革新的重要手段。目前，饲料微生物的研究和应用着重于开辟新的饲料，提高现有饲料资源的利用率，研制新型饲料添加剂，解决饲料相关产业的环境污染问题，提高动物产品的产量等。 我国配合饲料产量预计到 2010 年将
42、达到 1.7 亿吨，微生物酶制剂的需求量将达到 85 万吨，所创造的经济效益约 60 亿元。我国现在有秸秆资源年产量 6亿吨，其中有 1.96 亿吨用作反刍动物的粗饲料，包含产木质素酶系、纤维素酶系和半纤维素酶系的复合微生物制剂将大大提高各类饲料原料尤其是秸秆类粗饲料的转化利用率，在我国有着很好的应用前景。 4.5 微生物技术治理农田污染及保护环境 环境微生物具有极为丰富的生物多样性，是土壤中各类有机或无机污染物的主要分解者 35。利用环境微生物技术分解农作物秸秆，家畜粪便，残留农药等工农业污染物，具有效率高、速度快、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。采用基因工程构建具有广泛污染物
43、解毒和降解能力的工程菌株36，能克服自然菌株分解底物单一和利用效率低下等不足，有利于环境微生物技术在工业污染物和农业污染物处理、农田污染生物治理和农业环境保护中发挥更大的作用。 采用微生物生物降解途径治理环境污染在国内外均有成功的先例，并取得12一定的经济效益和社会效益。国外采用输送营养物刺激天然菌株降解活性治理地下水甲苯污染，采用多功能多基因导入构建超级菌株治理大面积石油泄漏污染；我国采用微生物技术治理石油化工含酚废水、印染废水脱色和有机磷农药厂等工业废水污染等。1998 年我国政府用于控制环境污染的总投入已达 1300亿元人民币。环境微生物技术将成为本世纪生物技术发展的一个新方向。以高效微
44、生物降解技术为代表的环保生物工程及其产业，被认为是今后十年科技和经济发展中的一个新的增长点 37。 工业污染源包括苯和苯的衍生物和有机氯等有毒有机物、重金属等有毒无机物。在我国约 1/3 以上的工业废水未经处理就排放或直接灌溉农田。农业污染源包括化学农药、化学肥料和农用塑料薄膜等。目前我国农药污染仍以有机氯污染为主。化肥污染主要是氮肥污染。全国受工业“三废”和农药污染的耕地面积达 2000hm238。近年来每年由于农田污染减产粮食约 25 亿公斤，受污染的粮食达 50 亿公斤左右。采用生物技术手段构建更高效实用的工业废水生物治理工程菌株，完善配套的农田污染的综合治理技术，不仅将获得显著的经济效
45、益，同时还将为我国农业的可持续发展，改善农业生态环境，彻底根除环境污染和提高我国人民健康水平做出贡献。5 展望21 世纪将是生命科学的世纪。如今生物技术已在各个领域发挥着不可替代的作用。微生物除在食品、生物防治、能源、环保等方面具有重要作用，还在冶金、信息、塑料、功能性材料和生物计算机等领域迅速发展，大有可为。微生物 $%& 芯片的研制和应用，将开辟生命科学研究的新纪元，将为推动社会经济的发展起到重大作用。海洋微生物和宇航微生物的开发利用是挖掘微生物资源宝库的重大举措，将拓宽微生物学的研究领域，创建新的微生物产业。微生物塑料的研制和利用，将使人类彻底摆脱“白色污染”的危害。$%&计算机的运算速
46、度可相当于现在世界上所有计算机的运算总量。微生物燃料电池可净化环境，产生电能，可成为新型的体内起搏器、微生物传感器。同时，微生物在基因工程的研究中也发挥着它无与伦比的作用。综上所述，人类与微生物有着密不可分的关系，正确地认识和使用微生物这把双刃剑，保护环境、造福人类是我们的期望，也是我们每个人义不容辞的责任。13参考文献1沈桂芳,苏宁.农业高新技术产业化发展趋势J. 生物技术通报 ,2001.2 WeindlingR.PhytopathologyJ,1932,22:837-845.3BhuyanSA.JournaloftheAgriculturalScienceSocietyofNorthEa
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