太空搭载微生物的研究成果及进展

河北大学学年论文（课程设计）太空搭载微生物的研究成果及进展摘 要太空搭载微生物的研究已经有多年历史了。由于太空是一个特殊的重要领域，具有超真空、超洁净、微重力、强辐射的特殊环境，因而其对微生物的变异有重要的影响。目前太空搭载微生物已取得了重要的研究成果并得到了实际的应用，在微生物制药、微生物肥料、酿酒业等各方面取得了重大成就。太空搭载微生物具有广阔的研究前景和研究价值。关键词：太空搭载 微生物肥料 微生物制药ABSTRACTSpace launch microbe study has had many years history. Space is a special important area, has the super vacuum, super clean, low gravity, strong radiation of the special environment. The variation of the microorganism has important implications. Current spaceflight microbial has achieved important results and gotten the actual application. It has madesignificant achievements in all aspects of pharmaceutical micro-organisms, microbial fertilizer, wine industry. Space launch microbe has a good prospect and the research value. Key words：space launch microbial fertilizer pharmaceutical micro-organisms目录一 前言1二 本论22.1太空的特殊环境及影响22.2太空搭载微生物的生物性状的改变22.3 太空搭载微生物的成就32.4 神舟系列搭载过的部分微生物5三 展望6参考文献7一 前言太空搭载微生物已有多年历史，因太空具有超真空、超洁净、微重力、强辐射的特殊环境1。太空环境因素引起染色体损伤，导致表达性状的变异。由于太空育种的精确度上难以控制，带有一定的盲目性，因而种子被高能离子击中的次数并不是越多越好，在太空中停留时间并不是越长越好2。只要高能离子能够准确击中种子的DNA链条，并且是向着人类需要的方向组合就可以。太空育种结果与在太空停留时间没有太大关系。我国神舟系列飞船搭载微生物经过太空特殊环境的影响后，在经过筛选、淘汰、育种等各个环节，最终培养出高质量、高效率的菌株3。目前，太空还搭载微生物受到各个行业的重视。太空搭载微生物的研究已获得了突破性的成果。在微生物制药、微生物肥料、酿酒业等各方面取得了重大成就。太空搭载微生物具有广阔的研究前景和实际价值。 二 本论2.1太空的特殊环境及影响太空具有特殊的环境，微生物在强辐射、微重力、高真空、重粒子辐射、转座子活化4、交变磁场等太空诱变因子以及运载火箭发射和卫星返回地面时的强烈震动等因素综合形成的太空环境的作用下，相对呈漂浮伸展状态的生物染色体很容易受到外界因素的冲击，引起碱基的缺失、置换或插入（如引起生物DNA大分子断裂，使双螺旋中的氢键断裂，或断裂后再交叉联接，或促使碱基降解），从而改变基因内部原有的碱基及排列顺序，引起表型发生改变，产生新的遗传变异，返回后再经地面选育，培养出高产、优质的微生物新品种。微生物体经过空间诱变以后，突变率大大提高，专家根据空间实验和地面实验对照结果，测算验证其变异量高出地面现有手段几个数量级（地面、植物、微生物变异量为 20200 万分之一，而空间变异量是千分之几甚至有的达到百分之几），这个优势是地面生物体自发突变及物理化学等诱变无法比拟的5。2.2太空搭载微生物生物性状的改变天水四门香醋，历史悠久，酿造工艺独特，广为流传。为将这一名优传统产品发展广大并制造出更优良的产品，天水四门香醋大曲太空搭载，搭载后大曲微生物的种类与数量发生变化以及搭载后的产品质量得到了提升。搭载后大曲中放线菌的数量大幅度下降；醋酸菌和乳酸菌数量大量增加；酵母菌数量稍有减少；曲霉属数量增加较多，这些变化对食醋品质的形成十分有利。传统工艺和太空搭载诱变相结合的四门太空香醋有望成为现实6。有研究表明，一些微生物在失重条件下的基因表达（活动）模式与正常情况下有些不一样。比如，有一种常见的致病微生物沙门氏菌，在微重力条件下培养之后，其毒性大大增强了。一份实验结果显示，经过航天飞行的沙门氏菌对小鼠的致病性几乎是地球上对照组细菌的3 倍7。2004年初，一批啤酒酵母被贴DNA“条形码”标签，送上国际空间站进行实验。研究者们在地球上模拟的微重力环境下，发现有些致病微生物的毒性增强了。2.3 太空搭载微生物的成就2.3.1在微生物制药方面的成就目前我国的生产菌种与国际上同类高产菌种相比，其生产效价仍有很大的差距，而引进一个新的高效菌种，其价格不亚于建立一个新的企业。因此，探索用高新技术培育属于我国自己的优良高效的微生物生产菌种，也是发展国民经济的迫切需。20世纪70年代，美国宇航局提出开发利用空间微重力等资源进行空间制药，在世界范围内引起了广泛的重视。通过航天诱变育种技术，已经选育出一些效价高、品质优的抗生素和酶制剂菌种，如抗异性强的双歧杆菌、庆大霉素、泰乐菌素、NIKKO霉素产生菌、高纤维素酶饲料添加剂菌种、高蛋白饲料酵母、强分解钙的酵母高产的食用菌、灵芝及其优质孢子粉等。有的已经在生产上应用，在不增加成本的基础上可以成倍地提高产量。1999 年，西安亨通华制药有限公司首次将生产菌种-溶血链球菌 D33# 通过“神舟”一号飞船送上太空。此后，该菌株经“神舟”二号、三号、四号、六号飞船和第十八、二十、二十一和二十二颗返回式卫星多次搭载，在太空环境下成功实现多次诱变，获得了无可替代、无法模拟的累加效应7。随着我国“神舟”系列载人航天飞船的不断发射，以及其它可利用的空间探测手段的应用，我国空间生物搭载的步伐将会不断加快。国家863计划把支持空间搭载技术作为一个重要方向。2.3.2在微生物肥料方面的成就2.3.2.1微生物肥料生产现状目前微生物肥料生产使用过程中采用的菌种都是从土壤中分离纯化的，很容易变异、退化。这个问题成为困扰我国微生物肥料生产和发展的瓶颈8。人工杂交、自然选种、诱发突变都是遗传育种的重要方法。而我国从1987年就开始的太空育种技术，使微生物肥料菌种育种的前景更加看好。太空育种技术为微生物肥料生产菌种的选育提供了一个最新的途径。2.3.2.2太空微生物肥料利用太空的综合环境，使微生物菌种发生突变，再经过活化、淘汰、选育，最终选出活性高、抗逆性强的生产菌种。2002年12月30日，4个微生物肥料菌种的样品作为我国首次上天的微生物肥料菌种，搭乘神舟四号飞船开始了太空育种的航行。科技人员希望利用太空的特殊环境引发其可遗传性变异，从中定向筛选培养出优良新品种。7天后，菌种随飞船顺利返回地面。微生物肥料菌种细胞返回地面后，科技人员对菌落形态、菌体形态、温度生长、芽孢耐热性、代谢产物等进行了一系列观察研究。选育出了具有固氮、解磷、解钾能力强并互不拮抗的多种菌株，研制了适应优良菌种快速生长繁育的高效专用培养基，制成了增效复合微生物菌种剂，增强了菌种抗逆性，使菌种保存期达到2年以上，是国家标准的4倍。成功解决了原有微生物菌种在生产中存在的菌种活性差、发酵时间长、 有效活菌少、保存时间短等重大技术难题，提高了有效活菌总数和质量，使产品在实践应用中取得良好效果。经田间实验初步表明：大田作物平均增产15%左右，经济作物平均增产25%左右，在提高产品品质、降低有害物质含量、调节土壤理化性状等方面均有显著效果9。利用太空技术和微生物发酵技术制成高效多元复合微生物肥料，为微生物肥料应用开拓了一条新路，对发展生态农业，提高化肥利用率和土壤肥力均具有十分重要的意义。2.3.3在酿酒业方面的成就要酿出好酒，酵母菌的品质至关重要。酵母菌在酿造过程中，主要起到酒化剂的作用，即将糖转化成乙醇，这个过程影响着酒的品质与出酒率。为选育出性能更优的酿酒功能菌群，剑南春集团公司利用太空搭载技术，通过我国返回式卫星将剑南春酒曲、窖泥送入太空，利用太空失重状态以及太空射线等因素对酒曲和窖泥中微生物进行诱导，并采用科学的方法分离、纯化，培养出新型酿酒微生物，应用于剑南春酿酒发酵过程，生成更多的特色物质以及有益于人体健康的活性物质，进一步提高剑南春的产品质量和风味特征10。2011年福矛酵母菌搭载神舟八号进入太空，实现了行业的一次壮举。2012年福矛搭载神舟九号载人飞船上天的酵母菌种，除了已搭载过神舟八号飞船的酵母菌种外，福矛酒业集团还精心筛选了“黄华山白酒”、“朱子黄酒”等多种类型的酵母菌种，开展更为广泛更为深入的酵母菌诱变育种科研实验，力争在酿酒酵母菌空间诱变育种领域取得更大突破11。福矛酒业集团创造性地提出利用空间微重力、宇宙射线、重粒子、变化磁场和高真空的特殊太空环境，诱使酵母菌体内DNA基因组出现断裂和重组，从而产生基因突变，筛选优质品种，这不得不说是对传统酿酒技艺的一次大胆尝试与伟大创新。2.3.4在极端微生物方面上的研究近有报道，俄罗斯研究人员发现某些微生物在太空中 100 - 100 极端温度条件下长时间存活，不仅具耐热能力，而且在 100 亦可生存，它们被称为极端微生物。2005年做过一种实验，在空间站的外表面安装 3个内含多种真菌和细菌的装置，经很长时间之后，取下两个实验装置运回地面分析，其结果表明，装置内的微生物生存得很好；发现这些微生物还对金属物、聚合物等具有分解能力，也就是说，它们对空间站飞船、仪器会产生一定破坏力。这样的话， 当俄罗斯正在规划火星载人飞行时，如果闯入某种不相干的微生物，并能在整个星际飞行过程中长期生存的话，那么对飞船本身、宇航员健康会造成威胁，不可忽视这类因素的存在，肉眼看不见的微生物是无孔不入的12。对人类来说，可能有害，也可能有益。这些微生物究竟是哪些类型？但它们的极端嗜冷或嗜热性，对人类本身适宜体37又会构成何种威胁呢？还得通过高等实验动物试验检测以观察其利与弊、益与害。总之，不相干的微生物潜入空间站应有高度的警惕性，不能让它们不知不觉地威胁宇航员的生命安全，这项研究常规化的重要性和必要性。 2.4 神舟系列搭载过的部分微生物神舟一号搭载了有利于心脑血管疾病药物开发生物活性菌株13。神舟一号科研实验相对较少，但自此开放的“太空诱变育种”实验影响深远。中国首次在神舟二号上进行了微重力环境下空间生命科学多物种綜合性生物学研究,开展植物、动物、水生生物、微生物及离体细胞和细胞组织的空间环境效应实验等。神舟三号飞船第一次搭载生物样品，包括一种被称为Monascus的生物菌株，果蝇、灵芝、乌龟的心脏细胞、大白鼠腿的脊髓神经组织等20种生物样品。神舟四号首次将杜康酒曲及植物种苗红豆杉的组培试管苗带上了天，为空间制药和培育生物新品种探索新的方法。神舟五号搭载来自祖国宝岛台湾的农作物等。神舟六号搭载的生物菌种、植物组培苗和作物、植物、花卉种子则用于太空实验。为人类将来在太空生存的航天医学研究奠定了基础。神舟七号搭载物品包括微生物菌种和杂交水稻。其中微生物包括灵芝等。神舟八号搭载共有33种生物样品。神舟九号选送的河豚毒菌株，利用空间诱变筛选高产毒菌株，用于工业化生产毒素，通过提纯后主要用来戒毒，达到有效降低瘾君子复吸率的效果14。三 展望生物在太空环境中性状发生改变的主要原因是，太空环境因素引起染色体损伤，导致生物体对受损部位进行修复，在大量修复过程中造成修复出错，使染色体DNA结构发生改变而造成表达性状的变异。航天生物技术开辟了有效培育新品种及特异种质资源的新途径，为人类进入航天时代展示了美好的前景，具有十分广阔的市场。开展空间生物技术研究和探索，是发展现代工农业的一项全新尝试，是当今世界工农业领域中最尖端的科学技术课题之一，有着十分诱人的发展前景。随着我国“神舟”系列载人航天飞船的不断发射，以及其它可利用的空间探测手段的应用，我国空间生物搭载的步伐将会不断加快。总之，经过空间搭载的微生物菌种变异幅度大，有益变异增多，返回地面后经过科学的培养、筛选，可以从中获得在地面进行微生物诱变中较难得到的和可能有突破性影响的罕见突变，从而在其中选育出有利、高效的正突变菌株，稳定后投入生产应用，产生巨大的社会效益。参考文献1 任转滩，刘义宝，马 毅，等太空环境对玉米干籽粒诱变效果初探J现代农业科学，2009，16，3：14152 李艳琴，宁红秀，赵立平，等微生物学通报，1999，26，6: 4004033 蒋兴村，姚秀娟航天科技新产业太空生物制药的发展J航天工业管理，2007，10：21 4 王 俊， 许晓岗， 童丽丽太空育种应用与研究进展J河北农业科学，2009， 13，3: 6870，745 薏 晨太空微生物肥料亮相人间J太空探索，2004，1：296 张宗舟，包文生，刘新文，等水四门大曲太空搭载前后微生物学研究J中国酿造，2007，173，7:43447 张 桀太空让病菌更毒J太空探索，2004，5：178 喻志军我国航天育种的进展J中学生物教学