微生物工程面临的挑战及其发展前景

1、甘茜20080940205微生物工程面临的挑战及其发展前景微生物工程又称微生物发酵工程，是利用微生物的某些生物功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接利用微生物参与和控制某些工业生产过程的一种新技术。是现代生物技术的重要组成部分，也是基因工程的基础。现今的微生物发酵工程已逐渐趋于成熟，并在工业生产中创造出了巨大的经济效益。创立了划时代的发酵工业。我国在微生物发酵方面是有一定的雄厚基础的。从古老的酱、醋、酒，到50年代初的抗生素，都在世界微生物发酵史中占有重要地位。现代微生物发酵工艺与我们民间延续了几千年的传统的发酵技术有着很大的不同，主要表现在；所使用的微生物是经过选育的优良菌种并经过纯化，具

2、有更强的生产能力；发酵条件的选用更加合理，并加以自动控制等条件，生产效率更高；生产规律模大，产品种类繁多。现代微生物发酵工程主要包括以下一些内容：利用现代化的手段对微生物加以筛选和改造，以形成更符合工业生产需要的新菌种的工业微生物育种技术、其中渗透了基因工程、细胞工程的一些内容，经过改造的、满足人们需要的微生物菌种通常被称之为工程菌；微生物菌体的生产，即利用先进的生产工艺高速地对某种微生物进行大量的纯培养，即工程菌的克隆；从微生物中分离有用物质，如利用微生物以一些廉价的废弃物做底物生产单细胞蛋白质等；微生物初级和次级代谢产物的发酵生产，如生产氨基酸，抗生素等生理活性物质；发酵产物的分离纯化和加

3、工后处理；利用微生物控制或参与工业生产，如采矿、冶金等；以及微生物生物反应器的研究开发，新型发酵装置、生物传感器和使用电子计算机控制的自动化连续发酵的技术等等。现今，微生物工程面临多种挑战，主要有以下几点:1，微生物工程与合成化学工业的竞争微生物工程，合成化学工业与农业生物工程在过去的几十年中各自经历了巨大的变化。以前，农业一直为微生物工程和化学工业提供原料，包括淀粉，蛋白质，油脂等。微生物工程完全依赖于农业原料，生产乙醇，酒精，丙酮丁酸，有机酸等小分子化学品，以及复杂的次级代谢产物如抗生素。小分子发酵产物为化工制药提供原料，复杂代谢产物又为农业提供安全，无污染农药。自20世纪50年代以来，有

4、机溶剂的化学合成极大威胁微生物工业的生产。2，农业生物工程队微生物工程与合成化学工业的冲击植物分子生物学的进展，促进农业生物技术的突起，首先成功的是转基因作物，至今已有几十种转基因作物，除了提高抗性外，还进一步提高产品的质量。另外，多种微生物的酶可以在植物中表达，如植酸酶，菊粉合成酶，其中植酸酶可作为饲料添加剂，植酸酶转基因油菜种子，不经分离，用作饲料添加剂，效果显著。再者，转基因植物可产生多种抗体，包括霍乱毒素抗体，狂犬病毒抗体等。在转基因植物中生产这些分子药物具有成本低于传统微生物发酵技术等的特点。所以，分子农业对微生物技术有冲击。3，搞基因的人对发酵不很熟悉，使得许多基因工程菌难以发酵生

5、产产品，而且基因工程菌发酵的乙酸问题到现在还没有解决；另一方面，国内基因工程领域的专家对发酵工业具有很大应用价值的菌种还没有做深入研究，国内还没有哪个基因中心对工业微生物进行基因测序，测序的费用很大，需要基因工程进一步提高技术降低测序成本。4，目前我们很多产品都能通过发酵工程发酵生产出来，但我们没有办法将其从发酵液中拿出来，这是我们发酵工程最需要解决的问题。搞发酵工程的人大多是搞微生物学或者食品方向的，缺乏化学工程的学术背景，而发酵产品提取需要化工背景的人来做，但我们国家化学工程方面的人不屑于做这些事情，一方面是发酵工程方面的人搞不定产品的提取，一方面是化工背景的人不屑于做这样的事情，才导致我

6、们国家很多发酵产品虽然能发酵出来，但不能提出出来进入市场。微生物工程作为最早从事微生物学的研究领域，在过去的3个世纪中为人类的生活、生存、社会的发展作出了重大的贡献。但这些都是过去的成就。发酵工程与现在的生物工程（基因工程）相比，是处于劣势，因为其是个老学科，在很多人看来，其没有什么大的学问，通过一些操作过程的控制和菌种的筛选难以达到基因工程那样迅捷的效果。但目前发酵工程不断在发展自己，不断整合其他学科的优点来发展自己：在菌种选育方面与基因工程相结合，从源头上来发展自己的优势。在过程控制中，与微生物学、微生物生理学、计算机工程、控制工程、化工工程等学科相结合，将过程操作变数与微生物生理状态结合

7、起来。发酵工程也在积极拓展自己的领域，最明显的例子是交叉学科的出现，如发酵工程与环境工程的交叉形成了环境生物技术，与化工交叉的生物化工，与纺织工业交叉的纺织生物工程等的等。微生物技术该如何发展是值得深思的。今后微生物工程应从下列几方面去努力发展。1，提高现有微生物发酵工业水平提高现有发酵水平就必须加强基础研究,最重要的举措就是要采用基因工程技术,改进发酵工艺。要提高现有发酵水平就必须加强基础研究，不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，计算机自动控制将成为发酵生产控制得主要手段。2,利用重组DNA技术，人工选育和改良菌种重组DNA技术已成为生物技术领域的通用技术，利用重组DNA技术就可以根据人们

8、的意愿来创造新的物种，这样就可以使微生物获得本来只有动植物细胞才具有的生产特性。这不仅在初级代谢产物以及多种工业用酶中起着巨大作用，而且在结构复杂的次级代谢产物（如抗生素）也显示巨大威力。3，开拓极端酶要进行极端酶的研究和开发，首先涉及的是极端微生物的培养，极端微生物要求极端的生长条件,但是当前通用的发酵工业设备不能满足这些需要，这就需要对发酵工业设备进行改进。另一种生产极端酶的方法是依赖在中间宿主中的表达，这种方法可以避免直接培养极端菌的设备问题，但也可能遇到麻烦，就是极端酶在中间宿主中能否表达，表达的酶的聚合程度是否与天然酶相同。4，采用发酵技术进行高等动植物细胞培养细胞原生质体融合技术使

9、动植物细胞的人工培养技术进入了一个新的更高的发展阶段。借助于微生物细胞培养的先进技术，大量培养动植物细胞技术日趋完善，并接近或达到工业生产的规模。植物细胞培养能生产一些微生物所不能合成的特有代谢产物，如生物碱类；细胞培养用于种苗生产，比如将豆科职务的共生固氮基因转移到非豆科植物中去，从而不再需要氮肥生产。5，随着酶工程的发展，固定化（酶和细胞）技术被广泛应用将酶固定在不溶解的膜状或颗粒状聚合物上，以聚合物为载体的固定化酶在连续催化反应工程中不流失，从而可以回收并反复利用，这样就改善了酶反应经济性；此外，固定以后使酶的稳定性得以提高。固定化细胞可以省掉提取工艺，使酶的损失达到最低限度，有时可以利用细胞复合酶系统催化几个有关反应，因此，它可以将某些产物发酵法改为固定化酶连续反应法，这是生产工艺的巨大革新。在微生物发酵方面，利益与弊端并存，发展与挑战同在，我们要做的就是通过不断发展的科技趋利避害，直面挑战才