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第7章 微生物的利用(2)

皮肤是人体表面的一层致密保护组织,它可以阻止外界杂质进入人体。但是如果皮肤有了伤口,就等于为微生物进入人体开了大门。微生物要是通过皮肤进入人体,那就会在体内生长、繁殖,然后流入血液,引起人体发烧。有的细菌就在伤口周围利用人体细胞的营养进行生长繁殖,破坏人体的组织结构,使伤口肿胀,化脓。假如进入伤口的是厌氧的破伤风杆菌,那么它就会在伤口的深处生长、繁殖。破伤风杆菌有一个与众不同的特点,那就是其它的生物一般是离不开氧气的,而破伤风杆菌在生长繁殖的过程中是不需要氧气的,氧气对它不仅无利而且有害。这一特点使破伤风杆菌得以在伤口的深处生长、繁殖。在生长繁殖的过程中,产生破伤风毒素,破伤风毒素进入血液后,会很快地使人死亡。这种病目前尚无药可治。破伤风杆菌多存在于土壤中及其它不干净的器具和场所。假如划破伤口,就要很快地到医院请医生包扎伤口,或者在家里自己先用消毒药品消毒后,用干净的纱布包扎。千万不要往伤口上弄脏东西。农村的一些地区流行皮肤有伤出血时,往伤口上放点土来止血。这种做法是非常错误的。

现在常用的消毒药品有70%的酒精、碘酒、红汞、消炎粉等。这些药品都是细菌的克星,能在较短的时间内杀死皮肤表面的病菌。像我们到医院打针时,护士总是在打针前在皮肤上用碘酒和酒精擦拭,就是为了防止皮肤上沾附的细菌随针头进入人体。

下面再给大家介绍几种其它常用的消毒药品:高锰酸钾溶液是一种紫红色的液体,常用来对炊具、茶具、水果进行浸泡消毒;漂白粉常用来对饮水进行消毒;石灰水或石灰粉常用来对树木、周围环境和厕所进行消毒。当我们需要使用这些消毒物品时,要根据不同的目的加以选用。

许多细菌和病毒会给人类带来疾病或造成死亡,然而,人们可以利用这类细菌和病毒的毒素,把它少量地注射到正常人的体内,使人产生对某种疾病的抵抗力。这种用来注射的细菌和病毒,就是疫苗(或菌苗)。早在宋朝,我国的民间医生就已知道用天花病人的痘痴,吹进健康人的鼻孔里,使其不再患天花病。18世纪,英国的一乡村医生琴纳受挤奶姑娘不患天花病的启示,做了一系列的实验,为一个小男孩接种了牛痘,成功地获得了预防天花的免疫效果,用科学的方法开创了免疫防病的前例。经过几个世纪的努力,人们研制出了许多疫苗,用来注入人体,抵抗各种疾病的袭击,还有效地控制了天花、麻疹、霍乱、鼠疫、伤寒、流行性脑炎、肺结核等许多传染病的蔓延。

人们在研制病毒的“干扰现象”时发现了一种重要的物质——干扰素。它是细胞在病毒侵入生物体时产生的自卫卫士,虽然不能帮助被侵染的细胞杀死对方,但它可以在入侵者的周围筑起“钢铁长城”,保卫其他未被侵染的细胞,防止入侵者无止境地蔓延,这样就限制了病情的发展。干扰素是英国科学家首先从人体细胞中提取出来的,是一种能够调节细胞功能的重要蛋白质。天然的干扰素很难分离,含量极少,浓度不到1%,而且人体的干扰素必须从人体细胞中获得,不能与其他动物的干扰素通用,这样更加限制了干扰素的来源,根本无法大量应用于临床,其价格比黄金还要贵得多。

欧洲的生物工程公司和美国遗传技术公司改变了这一切。他们将干扰素基因转移到大肠杆菌和酵母菌中生产出3种不同类型的干扰素(α、β、γ),而α-干扰素又有8个不同品种。每升菌液可获得2.5×108~1010单位,相当于每升可得到600~60000微克干扰素,而每升人血只能获得0.5微克干扰素。若干扰素的纯度达到100%,那么每克干扰素价值超过1亿美元。这种巨额利润和它的抗病毒特性,强烈地吸引着世界各国科学技术的联合与竞争。所以,原先是“对手”的罗什公司和武田公司,也在研制干扰素上“联手”了。目前,干扰素已在世界上近40个国家中销售。

中国将干扰素的研究列为国家重点攻关项目之一,并已取得了突破性进展,“工程干扰素”是中国基因工程研究最早取得的重要成果,已进入大批量生产的准备阶段。从经济效益角度出发,过去不管医药品的开发利益多大,全世界顶多有10个公司参加一种药品的开发竞争,而近年来,欧、美、日本在干扰素领域的企业已接近50家,可见医药工业对于干扰素寄予莫大的希望。

目前,干扰素被认为是自抗生素诞生以来,一种最具有巨大效力的新药。它对治疗癌症、流感、肝炎等病毒性疾病都有效,这些病症都是尚未有决定性根治手段的疑难病症。如当癌症患者的癌细胞形成后,会以惊人的速度繁殖。但给患者注射干扰素后,癌细胞的增殖速度会大大减慢,有时甚至使癌细胞消失。现在已经证明:干扰素对骨肉瘤、多发性骨髓病、黑色素瘤、皮肤病以及淋巴癌都有治疗效果。总之,任何病毒引起的疾病,它都可以预防和治疗。

美国研制成功的重组干扰素γ可治疗慢性肉芽肿病。这是一种罕见的遗传病,这种病使人体免疫功能失常,不能防卫某些细菌或真菌的感染。这种病主要感染婴幼儿,80%左右的患者在两岁左右会出现各种频繁、严重的感染,并引起死亡。使用干扰素后可刺激病人的免疫系统,和抗生素合用即可大大降低各种并发症。

肯尼亚用α-干扰素片剂治疗艾滋病也获得了惊人的效果。病人在服用后几天内就恢复了胃口,其他病症如疲劳、发烧、口腔溃疡、真菌感染、腹泻及淋巴肿胀等也开始消失,同时淋巴细胞大增,每人平均增重10磅。这种情况持续达6个月以上。1990年日本亦进行了同样的实验。以15例患者进行6~8周实验,其中几例有口腔炎、发烧、食欲不振等症状的已有所改变。在美国,干扰素已获准治疗毛发细胞白血病、艾滋病、慢性丙型肝炎、乙型肝炎等。干扰素已经成为世界上许多国家治疗乙型、丙型肝炎的首选药物。

1960年,瑞士科学家观察到大肠杆菌内有一种限制性的核酸内切酶,后来被美国科学家进一步证实并应用于遗传学的研究。结果表明,大肠杆菌的限制性核酸内切酶可以成为一把切割DNA分子的锐利的“剪刀”。

1973年,美国科学家把大肠杆菌的两个不同的DNA分子重新组合在一起,然后把这个组合的DNA引进大肠杆菌中,结果重组的DNA表现出了双亲的遗传特性。次年,科恩等人又成功地将金黄色葡萄球菌的DNA和大肠杆菌的DNA重组在一起。接着,他们又将高等动物青蛙的DNA与大肠杆菌的DNA重组在一起。这些试验的成功,表明各种生物在亿万年间所形成的种类之间的天然屏障,开始在微小的大肠杆菌面前崩溃了。

大肠杆菌在人工合成基因方面也担当着重要角色。1977年11月,美国一些着名科学家合作,首次用人工合成基因移植到大肠杆菌内,使大肠杆菌分泌出了极为珍贵的人脑激素——生长素的抑制素(简称SS)。这是基因工程取得的第一项引起世界轰动的重大成果。此后不久,美国另一研究组织宣布,他们把人工合成的人体胰岛素基因转移到大肠杆菌内,也获得成功,并且生产出少量的胰岛素。这是大肠杆菌为基因工程创造的又一奇迹。现在科学家已经使用基因工程技术,通过大肠杆菌来制造人的生长激素(HGH)、干扰素、尿激酶和镇痛化学物质β-内腓酞等。

遗传学家又把大肠杆菌分解的半乳糖基因切割下来,装在一种噬菌体上,放进病人的纤维细胞中,借大肠杆菌的基因来治疗半乳糖血症(一种先天性的代谢缺陷症)获得成功,从而使临床上采用基因疗法来根治遗传病的设想正在成为现实。预计应用基因工程技术来产生阻止癌细胞繁殖的基因,以便彻底根治癌症的设想,在不久的将来一定能够实现。

微生物在工业生产中的应用

美的北卡罗来纳大学的布朗教授把一种纺织、造纸工业广泛使用的荧光增白剂滴入杆菌培养基里,发现杆菌受到刺激后,就会使更多束的微细纤维合并在一起,变得粗些,并且生产速度也会比正常速度快三倍。这种纤维比天然棉花的纤维长,织出的布更结实些。现在,布朗已经借助细菌“收获”了第一批“棉花”。但是,由于杆菌要用葡萄糖培养,所以目前这种“棉花”价格还比较昂贵,尚不能与天然棉花竞争。

为了解决这个问题,布朗着手应用基因工程,将杆菌基因人工拼接到蓝绿藻的基因上。由于蓝绿藻能直接利用阳光制造自己需要的养料和葡萄糖,因此,它生产的“棉花”造价肯定会低廉些。布朗预料,不久的将来,这种廉价、漂亮的特种“棉花”将源源不断地从工厂里生产出来,用它制成既艳丽柔软,又结实耐穿的衣服。

石油作为重要的能源和化工工业的原料,它在工农业生产中起着举足轻重的作用。许多矿井由于长期的开采,贮量下降,用常规技术已不能开采而被废弃。但事实上,地下油层60%为粘滞性强的油,常规开采对这部分油束手无策,只有白白地任其报废。过去,原油开采,在原石油气压下,一次采油只能采出存油的10%~20%,二次采油是加水或蒸汽加压后进行的,也只能采出30%,而还有近60%的贮油不能采出。如何才能把这部分油采掘出来呢?科学家们想尽了办法,最后他们把注意力集中到微生物上来,因为许多微生物能把长链烃降解为短链烃,使石油粘滞性减小,气压增加,从而可以提高出油率。因此,利用微生物可以第三次采油。

微生物不仅可以发酵生产酒精,其他许多的化工产品也可以用微生物来生产。如甲醇、丙酮、醋酸、环氧乙烷、环氧丙烷、甾体甘油、脂肪酸、柠檬酸、乳酸、氨基酸以及某些高聚合物如聚羟基丁酸酯、生物塑料等等。现在的许多石油化工产品已产生了公害,典型的例子就是塑料和合成橡胶,这些化工产品很难降解,而微生物发酵的产物对环境不会造成污染。现在许多国家的科学家都在寻找塑料和合成橡胶的微生物替代品。生物塑料便是这类替代品。生物塑料是微生物及有些植物产生的一种高分子物质。用这种高分子物质所制成的塑料具有与现在广泛使用的塑料一样的强度和韧性,但它们能溶于水,也容易被微生物所降解,不会造成污染。现在,世界上许多国家,如美国、英国、意大利、日本及我国的台湾地区都在竞相开发这种产品。不仅如此,其他的许多化学工业如造纸、工业酶,甚至化妆品都可以用微生物来参与生产。可以说,微生物发酵产生化工产品大有取代现在的石油化工工业之势。

在泥泞的沼泽或水草茂密的池塘里,生活着无数爱“吹”气泡的微生物,名叫甲烷菌。甲烷菌是一种厌氧的微生物,在极度缺氧的沼泽和水塘底部,甲烷菌也可以轻松愉快地生活。它们的食性很杂,杂草、树叶、秸秆、动物粪尿乃至垃圾都被它们认为是美味佳肴,在吃食的同时,甲烷菌会放出一种名叫沼气的气体。沼气是一种混合气体,它的主要成分是甲烷,甲烷是一种可以燃烧的气体,它的蓝色火焰可以达1400℃的高温。另外还有氢气、一氧化碳、二氧化碳等。沼气是廉价的能源,用于点灯做饭,既清洁又方便,是一种理想的气体燃料。

现在世界上多数国家都面临能源紧缺的问题,而甲烷菌的特殊本领为人们带来了新的希望。国外有许多工厂使用沼气做燃料开动机器,我国也有不少地方兴建了沼气池,用沼气来代替电和煤炭。沼气池中甲烷菌食过的残渣,含有氮、磷、钾等庄稼地里的上等肥料,肥效比一般农家肥还高。所以利用甲烷菌可以制取沼气,开辟新的能源、肥源,前景将十分广阔。

汗迹、油滴、血迹的主要成分是蛋白质、脂肪,若粘在衣服的纤维上很难洗去,如果用加酶洗衣粉来洗,这些污渍就会很快除去。这种洗衣粉的奥秘就在于它含有一种叫做蛋白酶的物质。蛋白酶是至今发现的2000多种酶的一种,它是具有非凡功能的生物催化剂,蛋白酶的专长是能够水解蛋白质,且速度和效率极高。

放线菌、细菌和霉菌等微生物在生长繁殖和新陈代谢中都能产生蛋白酶,现在人们多利用微生物来生产蛋白酶。蛋白酶不仅在家庭洗衣中是去污能手,在制革生产中也有很重要的作用,因为它能破坏毛囊使毛脱掉,比用灰碱法脱毛的皮革强度高,纹粒细,绒毛紧密均匀,而且工序周期短,成本低,用后的废水还可以肥田,同时还改变了灰碱法制革污染环境的弊端。此外,蛋白酶还可作为药品来治疗消化系统的疾病,能有效地治疗胃疼、食欲不振、腹泻。目前,在许多行业中,蛋白酶都表现出卓绝的才干,人们对蛋白酶的使用更为广泛,

微生物在采矿业中也显示出巨大的应用前景。在采矿中,许多富矿都被开采殆尽,留下不少贫矿和尾矿,这些矿品位很低,采用一般的火法冶炼在经济上很不合算的。虽然这些贫矿、尾矿品位低,但它们总量极大,各种金属贮量远超过已开采的高品位矿。因此,开发前景还是很大的,但是,如何来利用这些矿呢?科学家发现,自然界中生活的一些细菌可以浸出许多种金属,如氧化硫硫杆菌、氧化硫铁杆菌等,它们能将铜、钴、镍、锰从矿石中浸出,甚至能将黄金、铀从矿石中“挖”出来。

科学家们甚至利用某些微生物从海水中提取铀,这和从废水中提取金属的道理相同。联邦德国里希核子研究所的生物浓集法在这方面很着名。他们把蓝藻和绿藻经过专门培养,再放入海水中去浓集铀。这种藻类浓集铀的速度极快,很有发展前途。

微生物在农业生产中的应用

由于人口的急剧增长,地球要养活60多亿人口和几百几千亿的畜禽的问题日益严峻,虽然,单细胞蛋白可以为我们解决一些蛋白质的不足,但主要还要依靠农业生产。怎样提高粮食单产,怎样防治粮食病害的问题,早已摆在人们面前,多年来人们作过各种尝试,走过许多弯路,回过头来还是把目光投到了微生物这个庞大的家族上来。

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