工业微生物学（教材电子书）：第一章 绪论

前言 工业微生物学是微生物学的一个重要分支，它的研究对象是那些通过工业规模培养能够获得特定产物或达到特定社会目标的微生物。研究这些微生物的形态、营养及生长规律；研究它们的代谢及其调节和控制；并进一步人为地改变微生物的遗传和代谢特性，达到强化特定产物或特定功能的目的。 工业微生物学涉及轻工业、食品工业、医药工业、化学工业、农林渔牧业和环境保护等许多领域，与工农业生产和人们的日常生活有着极其密切的关系，对可持续发展战略有着十分重要的意义。工业微生物学的相关产业已成为整个国民经济的支柱，具有举足轻重的地位。 无论是传统的发酵工业还是以基因工程为核心的现代生物技术，都离不开微生物这个主角，是微生物所独特的生长特性和代谢活动造就了这些研究和生产领域。事实上，也正是工业微生物发酵所带来的巨大经济和社会效益，使得人类对微生物这类微小的生物更加刮目相看，人类对微生物的研究和应用正在不断地深入和拓展。许多人认为即将到来的二十一世纪将是生物技术的世纪，可以预料，工业微生物学将会得到更大的发展。 在多年的教学实践和对相关院校的了解中，我们深深地感到目前缺少一本《工业微生物学》教科书。这与工业微生物学的发展以及大专院校中相关专业的不断建立是不相称的，这正是我们编写这本《工业微生物学》教科书的主要动因。本教科书分为上、下两篇。上篇（第一至第五章）主要是介绍微生物学的基本理论和方法。包括绪论、微生物的形态和分类、微生物的营养和生长、微生物的代谢和调控、微生物菌种选育等章节。下篇（第六至第十二章）介绍工业微生物学的具体应用。第六章到第十章中，介绍了有机溶剂及有机酸、氨基酸、核苷酸、酶制剂和抗生素这些重要的工业微生物发酵产物，阐述了这些产物的发酵微生物及合成途径、代谢及调控机理、筛选和育种方法等；第十一章介绍了利用微生物作为宿主进行基因重组的特点、方法和注意事项；第十二章介绍了用于环境保护的微生物及其生长和代谢的特点。 在本书的编写过程中，我们一方面注重保持学科的系统性和完整性，另一方面强调了工业微生物的特殊性。在内容的选择上，力求基本理论可靠、论述准确、信息量大、尽可能包括工业微生物学的最新进展和研究成果。在不影响完整性的前提下，对与其它学科重复的内容做了简化。 本书可以作为下列专业大学本科或研究生的教科书或教学参考书：生物工程、生物技术、生物化工、微生物学、发酵工程、制药工程、食品工程及环境工程等。本书对从事医药、食品、酶制剂、有机酸、溶剂等微生物发酵生产，及其它生物技术和环境保护等领域的生产、管理、研究和开发的科技人员也有一定的参考价值。 由于作者的水平有限，书中的缺点和错误在所难免，我们衷心地欢迎本书的读者批评指正。 编著者 于西子湖畔求是园 一九九九年九月 第一章 绪 论 微生物是生物界中数量极其庞大的一个类群，它是自然界生态平衡和物质循环中必不可少的重要成员，与人类及其生存环境的关系十分密切。对于微生物个体来说，它的存在对我们人类有时是有利的，有时既无利也无害，有时却是有害的。无数事实已经证明，自从人类认识微生物并逐渐掌握其活动规律后，就可能将原来无利的微生物变成有利的，小利的变成大利的，有害的变成小害、无害甚至有利，从而大大改善了人类的生活质量和推动了人类的文明进步。目前，微生物在解决人类的粮食、能源、健康、资源和环境保护等问题中正显露出越来越重要且不可替代的独特作用。然而，据估计，迄今为止已经发现的微生物仅占其总数的10%左右，在工农医等方面被利用并获得经济和社会效益的微生物则更少，只有数百种。大部分微生物还有待于发掘利用。 1.1 微生物及其特点 1.1.1 微生物(microorganism, microbe) 微生物并不是生物分类学上的名词，它是包括所有形体微小的单细胞，或个体结构简单的多细胞，或没有细胞结构的低等生物的通称。微生物是一群进化地位较低的简单生物，其类群十分庞杂，有原核类的细菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、衣原体和支原体，真核类的酵母菌、霉菌、担子菌、原生动物和显微藻类，还有不具细胞结构的病毒和类病毒等。因为肉眼难以分辨小于1毫米的物体细节，所以，通常必需借助光学显微镜甚至电子显微镜才能观察微生物的形态结构和大小。但也有例外，最近有报道称德国科学家在非洲纳米比亚海岸的海床沉积物中发现接近于肉眼可见的世界上最大细菌，这种细菌呈球状，普遍有0.1~0.3毫米宽，有的可达0.75毫米，它们比一般细菌大1000倍以上; 另外，一些真核微生物的个体也可以被肉眼观察到，有些甚至很大，如木耳、马勃等担子菌。对于大多数微生物来讲，显微镜是观察和研究它们的必备条件。这正是微生物研究在整个生物界中起步较晚的重要原因之一。 1.1.2 微生物的特点 在生命科学研究和工业发酵生产广泛采用微生物为材料和对象的根本原因是由于微生物个体一般是一个能自我增殖、多功能和大交换面积的单细胞反应体系。其特点可概括为体积小、面积大，吸收快、转化快，生长旺、繁殖快，易变异、适应性强，种类多、分布广等五大特性。 1.1.2.1体积小、面积大 通常，微生物个体都极其微小，它们的测量单位是微米((m,即10-6m)，甚至是纳米(nm,即10-9m)。各类微生物个体大小的差异十分明显。粗略估计，真核微生物、原核微生物、非细胞微生物、生物大分子、分子和原子之间大小之比，大都以10比1 的比例递减。 杆状细菌的平均长度和宽度约2(m和0.5(m，3000个头尾衔接的杆菌的长度仅为一粒籼米的长度，而60~80个肩并肩排列的杆菌长度仅为一根头发的直径。至于细菌的体重就更微乎其微，每毫克的细菌约含有10~100亿个。 众所周知，任何物体被分割得越细，其单位体积中物体所占的表面积就越大。若以人体的“面积/体积”比值为1，则与人体等重的大肠杆菌的“面积/体积”比值为人的30万倍。不言而喻，微生物这种小体积大面积的体系，特别有利于它们与周围环境进行物质交换和能量、信息交换。这就是微生物与一切大型生物相区别的关键所在，也是赋予微生物具有五大特性的根本所在。 1.1.2.2 吸收快、转化快 生物界的一个普遍规律是，某一生物的个体越小，其单位体重所消耗的食物就越多。例如，有一种体重仅3克的地鼠，每日要消耗与体重相等的粮食；而体重不足1克的闪绿蜂鸟，每日消耗其体重两倍的食物；单细胞的微生物个体，比上述的动物不知要小多少倍，而且其整个细胞表面都有吸收营养物的功能，这就使它们的“胃口”变得特别大。例如在适合的环境中，大肠杆菌每小时就能消耗其自身体重2000倍的糖。若以成年人每年消耗相当于200公斤糖的粮食来换算，则一个细菌在一小时内消耗的糖按重量比相当于一个人在500年时间内所消耗的粮食，约为人的几百万倍；产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍；在呼吸速率方面，一些微生物也比高等动植物强得多，见表1.1.1。 表1.1.1 若干微生物和动、植物组织的比呼吸速率 生物材料名称 温度（℃） ―QO2  固氮菌 醋杆菌 假单胞菌 面包酵母 肾和肝组织 根和叶组织 28 30 30 28 37 20 2,000 1,800 1,200 110 10~20 0.5~4  ―QO2为每小时内每毫克生物干重所消耗O2的微升数。 营养物吸收快、转化快的结果使微生物能迅速地生长繁殖，同时，能为人类生产大量的发酵产品。 1.1.2.3.生长旺、繁殖快 在生物界中，微生物具有惊人的繁殖速度，其中，以二等分裂的细菌最为突出。例如：培养在37℃下的牛奶中的大肠杆菌，12.5分钟就能繁殖一代。若以20分钟分裂一次计算，单个细菌经过24小时可产生4722×1021个后代，总重可达4722×103公斤，若将细菌平铺在地面，能将整个地球表面覆盖。当然，由于种种条件的限制，细菌不可能始终以这种几何级数的繁殖速度，细菌几何级数生长速度只能数小时。一般在液体培养细菌，每毫升培养液内菌体个数只能达到108~109。 另外，以寄生在细菌或放线菌体内的噬菌体为例，它们在宿主细胞内，能在不到半小时时间内，从原先的1个增加到150个左右的后代（如大肠杆菌T2噬菌体），多者甚至可达一千（如大肠杆菌(×174噬菌体）或一万个（如噬菌体f2）。 微生物的高速繁殖特性，为工业发酵生产等实际应用提供了产量高、周转快等有利条件。例如生产单细胞蛋白的酵母菌，每隔8~12小时就可“收获”一次，每年可“收获”数百次。这是其它任何农作物不可能达到的；一个占地总面积20米2左右的发酵罐一天生产的优质单细胞蛋白的量相当于一头牛。这在畜牧业更是无法想象的。 微生物生长旺、繁殖快的特性也为生物学基本理论研究带来了极大的便利——使科研周期大大缩短，效率提高。当然，对于危害人、动植物的病原微生物或使物品霉变的霉腐微生物，它们的这个特性也给人类带来了极大的麻烦和祸害。 1.1.2.4 易变异、适应性强 微生物个体一般都是单细胞，通常是单倍体，加之它们具有繁殖快、数量多及与外界环境直接接触等原因，即使变异的频率十分低（一般为10-5 ~10-10),也可在短时间内出现大量的变异后代。因此，微生物的变异性使其具有极强的适应能力，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗缺氧、抗高压、抗辐射及抗毒性等能力。这是微生物在漫长的进化历程中所经受各种复杂环境条件的影响和选择的结果。 在医疗实践中，常见致病菌对抗生素产生抗药性变异。例如，1943年青霉素刚问世时，它对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的作用浓度是0.02(g/ml，二十年后，有的菌株抗药性比原始菌株提高了一万倍（即200(g/ml）。40年代初刚使用青霉素时，即使严重感染的病人，只要每天分数次共注射10万单位青霉素即可，而至今，成人每天要100万单位左右。病情严重时，要用到数千万甚至上亿单位。 青霉素产生菌产黄青霉（Penicillium chrysogenum)的产量变异同样也说明了微生物变异的潜力很大。1943年，每毫升青霉发酵液中只分泌约20单位的青霉素，经几十年育种工作者的努力，该菌产量变异逐渐积累，至今，在最佳的发酵条件下，其发酵水平可达每毫升5万单位以上，甚至有接近10万单位。利用变异使产量大幅度提高，这在动植物育种工作中简直是不可思议的。这也就是为什么几乎所有微生物发酵工厂都特别重视菌种选育工作的一个主要原因。 微生物对各种环境条件尤其是极端恶劣的环境具有惊人的适应能力。例如在海洋深处的某些硫细菌可在250℃甚至300℃的高温条件下正常生长；大多数细菌能耐0~-196℃（液氮）的任何低温，甚至在-253℃（液体氢）下仍能保持生命；一些嗜盐菌能在约32%的饱和盐水中正常生活；许多微生物尤其是产芽孢的细菌可在干燥环境中保存几十年、几百年甚至上千年；氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)是耐酸菌的典型，它的一些菌株能生长在5~10% (0.5~1.0mol/L,pH0.5)的H2SO4中。有些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）生长的最高pH值为10.7，有些青霉和曲霉也能在pH9~11的碱性条件下生长；在抗辐射方面，人和其它哺乳动物的辐射半致死剂量低于1,000R，大肠杆菌是10,000R,酵母菌为30,000R，原生动物为100,000R，而抗辐射能力最强的生物——耐辐射微球菌（Micrococcus radiodurans）则可达到750,000R；在抗静水压方面，酵母菌为500个大气压，某些细菌、霉菌为3,000个大气压，植物病毒可抗5,000个大气压。 1.1.2.5 种类多、分布广 由于微生物的发现比动植物要迟得多，加上微生物种的分类和鉴定较为复杂和困难，所以，目前已确定的微生物种数仅十万种左右，但是，从生理类型、代谢产物和生态分布等角度看，微生物种数应大大超过动植物种数。有人估计目前至多只开发利用了其中的百分之一。 如此众多的微生物世界充彻整个地球，它们的分布可谓无孔不入。生物界的许多极限都是微生物开创的。从生物圈、土壤圈、水圈直至大气圈、岩石圈，到处都有微生物家族的踪迹。例如万米深海底部有硫细菌生存；在70~80千米的高空中也能采集到细菌和真菌类；前苏联科学家在南极冰川在钻探时地下4.5~293米的不同深度的岩心中多次发现有球菌、杆菌和微小的真菌。 微生物代谢类型和代谢产物的多样性也是其他任何动植物无法比拟的。因此，微生物领域是一个亟待开发和利用的宝地。 1.2 微生物学的发展简史 1.2.1 古代中国对微生物的利用 我国是世界文明发达最早国家之一。勤劳勇敢的中国人民，在长期的生产实践中，对微生物的认识和利用有着悠久的历史，积累了丰富的经验。在我国，利用微生物进行谷物酿酒的历史，至少可追溯到距今四千多年前的龙山文化时期。从我国龙山文化遗址出土的陶器中有不少的饮酒用具。殷代甲骨文中记载有不少的“酒”字。公元前十四世纪《书经》中有“若作酒醴，尔惟曲蘖”的记载，意思是要酿造酒类，必须用蘖。曲是由谷物发霉而成的，蘖就是发芽的谷物，说明那时已用曲与蘖酿酒。在郑州曾发现商代酿酒工场的遗址，可见至少在商代，我国的酿酒已从农业分化成独立的手工业。利用微生物的特性，在不完全灭菌的条件下，培育出优良菌种的曲，用以酿酒及制作醋、酱等，这是我国劳动人民在酿造工艺上独特的贡献。 在农业方面，据考证，远在商代，已知使用经过一定时间储存的粪便来肥田。到了春秋战国时期，沤制粪便的应用更为普遍。公元前一世纪《胜之书》中就提出肥田要熟粪及瓜与小豆间作的耕作制度。后魏贾思勰著《齐民要术》（六世纪）总结前人经验指出，种过豆类植物的土地特别肥沃，提倡轮作。实际上是应用根瘤菌的作用为农业生产服务，而西方采用轮作制则是十八世纪三十年代以后的事了。 随着农业生产的发展，人们对作物、牲畜、蚕、桑的病害及其防治方法也逐步有所认识。如公元二世纪，《神农本草经》中就有蚕的“白僵（病）”记载。明朝李时珍的《本草纲目》中也有不少植物疾病的记载。 在医学方面，我国古代 人民对疾病的病原及 传染问题已接近正确的推论，对防治疾病有着丰富的经验。如春秋时代的名医扁鹊（约在公元前五至六世纪）即主张防重于治。左襄公时（公元前556年）已知狂犬病来源于疯狗，而很重视驱逐疯狗来预防狂犬病。公元前三世纪我国有“取（疯狗）脑傅之”的记载，这与近代防治狂犬病的免疫方法近似。公元前二世纪时，张仲景判断伤寒流行与环境和季节有关，提出禁食病死兽类的肉及不洁食品。华佗（约公元前112~212年间）首创麻醉术和剖腹外科，并主张割去腐肉以防传染。早在公元326~336年，葛洪《肘后方》中，除详记天花病状外，并注意天花的流行方式。我国古代采用种痘以防天花的方法，是世界医学史上的一大创造。根据《医宗金鉴》记载：“种痘之法起于江右，达于京畿。究其起源，是宋真宗时峨嵋山有神人为丞相王达之子种痘而愈，其法逐传于世”。可见种痘的方法在宋真宗时代（公元998~1022年）即已广泛应用。后来传至亚洲其他国家，并于1717年经土耳其传至英国，继而传到欧洲即美洲各国，在“人痘”的基础上才发展成为“牛痘”。现在一般认为种痘是1798年英国医生秦纳（Edward Jenner ）受挤奶女工很少患天花，而手上常感染牛痘的现象启发所发明的。实际上这是我国发明天花浆接种以后几百年的事情了。 1.2.2 微生物的发现及微生物学的发展 虽然，微生物的利用已有几千年的历史，但是，微生物的发现却只有三百多年。微生物学的发展经历了三个时期。 1.2.2.1 微生物学的启蒙时期——形态学期
图1.2.1(a)列文虎克(Van Leeuwenhoek)正在用显微镜进行研究。 (b) 列文虎克自制显微镜的简图。样品放在标本支架（B）的顶端固定，然后调节聚焦旋纽（C）和升降旋纽（D），通过透镜（A）可观察到被放大的标本。
图1.2.2 列文虎克在1683年寄给英国皇家协会信的部分内容。其中A和B代表杆菌，C和D表示菌体运动的轨迹，E代表球菌，F代表长杆菌，G代表螺旋菌，H代表一簇球菌 微生物的发现与显微镜的发明有关。1590年，荷兰人詹森（Janssen）制作了第一架复式显微镜；1664年英国人胡克（Robert Hooke）用自己设计的显微镜观察果实结构中的霉菌及皮革表面生长的兰色霉菌。他还观察了软木塞切片，将植物死细胞壁构成的一个个小孔称为“cell”（细胞），成为细胞学研究的开创者；第一个详细描述微生物形态的是荷兰的一个显微镜业余爱好者列文虎克（Anton van Leeuwenhoek），见图1.2.1。列文虎克一生中曾制作了419架显微镜，最大放大率达266倍。1684年，他用显微镜观察河水、雨水、牙垢等，并将观察到的杆状、球状、螺旋状的细菌和运动的短杆菌等的图象画下来，寄给了英国皇家协会，见图1.2.2。当时，他将发现的微生物称为“wee animalcules”(微动体)。他的工作被后人证实。但在他之后对微生物进一步研究的进展却很慢，直到十九世纪出现改进型的显微镜并被广泛应用。不同时期的显微镜观察到的酵母菌形态说明了显微镜在微生物研究中的重要作用，见图1.2.3。 1.2.2.2. 微生物学的奠基时期——生理学期 虽然在十七世纪就通过显微镜发现了微生物的存在，但是微生物学直到十九世纪才得到发展。这么长时间的耽搁除了显微镜技术的缘故外，更重要的原因是一些研究微生物的基本技术没有建立。特别是灭菌技术和微生物纯培养技术。十九世纪两个焦点问题的争论促使了这些微生物研究技术的诞生。争论的问题之一是微生物能不能自发产生；另一个问题是传染病的性质是什么。在十九世纪末这两个问题得到了明确的答案，同时，也促使微生物学成为了一门新兴而独立的学科。 1748年，尼达姆（John Needham）认为腐败肉汁中的微生物是自发产生的，即微生物自生说。当时，相当多的人都认同这一观点。因为新鲜的食物中并没有细菌，放置一段时间后就会腐败，显微镜观察可发现腐败食物中充满着细菌。那么，细菌从哪里来？如果微生物自生说成立，就意味着生命可以起源于非生命。自生说的最强烈也是最成功的反对者——法国化学家巴斯德（Louis Pasteur，见图1.2.4）针对这问题做出了令人信服的回答。
图1.2.3 不同时期观察到的酵母细胞结构。(a)1694年，列文虎克画的酵母菌，完全缺乏细胞细微结构；(b)1860年，巴斯德画的正在出芽生殖的酵母菌，细胞壁与细胞质界限分明，细胞质中有液泡；(c)1910年，应用改进的显微镜和染色技术观察到的酵母菌更细微结构（尽管其中有人为修饰）；(d)1965年，应用电子显微镜技术获得的酵母菌图片，放大31,200倍。
图1.2.4 被誉称为微生物学之父的巴斯德（Louis Pasteur）
图1.2.5 巴斯德的雁颈瓶实验 (a)无菌营养液通向空气，则出现微生物。巴斯德认为是空气中微生物进入烧瓶，而反对者认为是空气中生命力进入烧瓶；(b)烧瓶被加热和密封后，无生命出现。巴斯德认为是热杀死了微生物，而反对者认为是热破坏了生命力，且生命的产生需空气；(c)烧瓶开口，通入的空气被加热，无生命出现。巴斯德认为是热杀死了空气中微生物，而反对者认为生命力被破坏；(d)雁颈使空气自由进入烧瓶，但微生物被截留，无生命出现。巴斯德观点被证实。 巴斯德首先证明了空气中存在着与腐败食物中微生物的结构相似的粒子。他认为腐败食物中的细菌来于空气，空气中这些微生物会不断地沉降到所有物品上。如果这个假设正确，那么，先杀死所有已污染食物的微生物，食物就不会腐败了。实际上，许多研究者早已发现将食物封存在玻璃烧瓶中，加热至沸腾，食物就不会腐败了。但自生说的倡导者们纷纷反驳说，微生物的自发产生需要新鲜的空气。为此，巴斯德做了一个雁颈瓶（后称巴斯德烧瓶），见图1.2.5，简单而明确地回避了这一缺陷。他先将瓶中的内含物加热煮沸，当瓶冷却时，空气会进入瓶内，但瓶颈细细的弯管阻止了空气中微粒的进入，瓶中的内含物不会腐败。他在报告中称雁颈瓶中的内含物（如酵母液、尿、甜菜汁和胡椒水等）可保持18个月不变质。若将瓶颈折断，内含物马上就会腐败。这个实验巧妙地否定了微生物自生说。1866年巴斯德在奥尔良关于“酒变酸”的演讲之后，自生说者便全线败北。 巴斯德和其他学者在否定自生说的同时，更为重要的是在此过程中发展了有效的加热灭菌技术。后来，巴斯德又在解决葡萄酒变酸的问题时，发明了著名的巴斯德消毒法（Pasteurization）。至今巴斯德消毒法仍广泛用于酒、醋、酱油、牛奶和果汁等食品的消毒。 虽然巴斯德用简单的加热方法成功地进行了灭菌，但随后许多人发现在一些情况下，这种方法往往不能奏效。现在我们知道这是因为一些微生物会形成抗热的结构，如内生孢子（endospores）。最早研究内生孢子的是英国的丁道尔（John Tyndall）和德国的科恩（Ferdinand Cohn）。两人发现巴斯德针对的苹果汁相对容易灭菌，仅需要煮沸5分钟就能灭菌，而对另一些材料进行灭菌就需要较长时间，甚至几小时。特别难灭菌的是干草浸液。丁道尔假设干草中的细菌含有两种可以相互转化的形式，一种是生长的、有活性的，对热较敏感；另一种是休眠的、潜伏的，具有强的抗热性。后来他用实验验证了这个假设。他先煮沸干草浸液1分钟，假定杀死了对热敏感的形式。接着，室温下放置12小时，假定休眠的形式转化为活性形式，变得对热敏感了，再加热煮沸1分钟，杀死新产生的活性形式，这样的循环操作重复两次以上就能成功地达到将干草浸液灭菌的目的。这里总共的加热时间仅3分钟，而连续几小时煮沸干草浸液却不能灭菌。通过这个实验证明了细菌存在着强抗热性的休眠形式。丁道尔创立的这种灭菌方式现在称为间歇分段灭菌法或丁道尔灭菌法（Tyndallization）。该法适用于不宜长时间高温处理的材料的灭菌。因为它对设备的要求极其简单，所以，适用面很广。
图1.2.6 伯克利画的爱尔兰土豆枯萎病的病原微生物（1846年） 霉菌菌丝穿过土豆叶的细胞。菌丝头部的圆形结构是孢子囊。 在以上灭菌技术的基础上，后来发展出许多有效的灭菌方法，为微生物的研究奠定了基础。可以毫不含糊地说，没有灭菌就没有微生物学。 对微生物能否引起疾病的实验论证是微生物学发展的又一大推动力。在十六世纪就有人知道病人会将一些东西传播到健康人身上，使后者患同样的病。许多可以在人群中传播的疾病称为传染病。自从发现微生物后，就或多或少地怀疑这类生物与传染病的有关，但是，缺乏有力的证据。 1845年, 伯克利（M.J.Berkeley）第一次清楚地证明了霉菌引起爱尔兰土豆枯萎病。此病当时引起了爱尔兰大饥荒，见图1.2.6。 随后也有许多科学家提出了一些微生物引起疾病的证据，但是，直到科赫（Robert Koch）才真正为疾病的微生物学理论和实验研究奠定了基础。这使科赫这位德国乡村医生成为该时期与巴斯德并驾齐驱的重要人物，见图1.2.7。1876年科赫研究了家畜的炭疽病。现在知道这是由一种能产孢子的炭疽杆菌引起的疾病。科赫通过显微镜发现患此病的动物血液中总是充满着细菌。但细菌的存在并不能证明它是患病的原因，因为它也可能是患病的结果；科赫从患病动物体内取少量血液注到另一动物体内，后者就患病死亡，从其体内取少量血液注入下一个动物，同样又出现疾病的症状。这一过程重复了二十多次。
图1.2.7. (a)伟大的微生物学家科赫(Robert Koch)；(b)科赫的研究工具。钟罩(A)用来培养微生物，照相设备(B)、显微镜(C)、染料和其它化学试剂(D)。 从第一到第二十个死亡动物的血液中都发现了大量的细菌，从而初步证实细菌是患病的起因；科赫发现细菌在动物体外的营养液中也能培养，甚至体外经过多次传代的细菌仍能引起疾病。动物体内细菌和体外培养的细菌引起的疾病是相同的；微生物是混居的，即使极少量的血液中也会有多种微生物存在，并可在培养液中同时生长。为了证实是特定微生物引起了特定的疾病，就需要将微生物单独培养，得到纯培养物。科赫发现在固体培养基表面（如土豆斜面）接种细菌后，细菌会形成一个个肉眼可见的、具特定形状、大小和颜色的细胞团——菌落（colony）。他推断每个细胞团都起源于单个细菌细胞。细胞落在培养基表面，得到营养后开始扩增，因为固体表面限制了细菌向周围移动，原始细胞的所有子代都长在一起，当有大量细胞出现
图1.2.8 划线法获得单菌落。
图1.2.9 科赫定理的图示 患病死亡的动物体内能发现微生物(a)，并可获得纯培养物(b)；将纯培养物注入另外的健康动物体内 (c)，会出现同样的患病症状(d)，从死亡动物体内又能发现微生物 (e)，并可重新得到纯培养物(f)。 时，肉眼可以观察到。他认为不同形状和颜色的菌落起源于不同种的微生物。将单个菌落接种到新的培养基表面，又会有许多相同的菌落产生。从这些发现中科赫建立了纯培养的简单方法。他蘸取混合的细菌培养物在固体培养基表面划线（streak），经培养后，使它们 在表面形成一个个单菌落（single colonies），,见图1.2.8。挑取不同形态的单菌落分别在新培养基上划线培养，若新平板上出现的菌落都是形态相同的，就说明已获得了该菌的纯培养物。这样就使混合培养物中不同细菌得到了分离。 在上述实验的基础上，科赫提出了指导特定微生物与特定疾病相关性研究的科赫定理（Koch’ postulate，见图1.2.9）： 1) 在患病的动物体内总能发现特定微生物，而健康的动物体内则没有。 2)在动物体外可以纯培养此微生物。 3)将该培养物接种到易感动物体内会引起同样的疾病。 4) 从试验动物及实验室培养物中重新分离得到的微生物应该是同种微生物。 科赫定理为后来二十年中大量的传染病病原菌相继被发现提供了正确的实验思路。而更为重要的是他建立了微生物纯培养的方法，为微生物学的发展奠定了基础。科赫的固体培养基也是微生物学研究史上的一大突破。他受土豆片(potato slice)的启发，将动物明胶(gelatin)加入牛肉汁中制成人工固体培养基。但明胶会被一些细菌分解或由于温度太高而液化。科赫实验室的工作人员Fanny Eilshemius提出采用琼脂(agar)为固体培养基的固化剂，并很快被采纳。从而使她有幸成为第一位为微生物学做出贡献的美国人；同期，科赫的另一位助手Richard Petri发明了培养皿，又称Petri皿。在培养皿中制成的固体培养基被称为平板（plate）。科赫和其同事还发明了细菌染色法、显微镜摄影技术和悬滴培养法等细菌学研究的必备技术。这为他们进一步寻找和确证结核病、霍乱等恶性传染病的病原体奠定了基础。他们的这些经典之作在微生物学研究中的重要地位至今没有动摇。 不过这里有两点需要指出的是： 并不是所有的疾病都是由微生物引起的。许多疾病是由饮食、环境和遗传等因素引起的。即使是传染病，微生物也不是疾病的唯一起因。传染病与宿主的身体和精神状态、免疫力等因素密切相关，所以说，它是微生物与宿主相互作用的结果。 并不是所有的微生物都有害，大多数微生物是有益于健康的，至少是无害的。 早在巴斯德发现葡萄酒酿制并非是蛋白水解过程，而是酵母菌活动的结果，葡萄酒变酸是由于细菌捣乱的结果的时候，巴斯德就推测是细菌引起人类的疾病。1865年，在巴斯德一个女儿死于败血症时正值法国巴黎流行霍乱，巴斯德就将精力集中到疾病与微生物关系的研究。但是由于没有纯培养技术，无法明确地说明是何种因子引起疾病。他只得将注意力转向当时的法国的蚕微粒子病。他成功地鉴别了病原菌，通过隔离健康的蚕等方法，挽救了法国的养蚕业；到了1866年，他的另一女儿死于伤寒后，他再次将目光转向疾病的研究。1878年，巴斯德接受了科赫的实验方法做了许多工作。如：细菌对温度的敏感性。体温为37℃时容易感染炭疽病菌，而在42℃时，就不会感染此病菌；因为炭疽杆菌的孢子来源于土壤，牛在污染的地上食草将会感染此病，所以，患病动物的尸体应深埋，以防止地下的蛆虫会将病菌的孢子带上地面，重新引起炭疽病传播；他还发现了免疫作用。当受试动物按常规接种在较高温度（42~43℃）下培养得较老的病菌后，并没有生病。第二次在接种新鲜的、37℃培养的病菌后，动物仍存活。而将新鲜的病菌接种到从未接种过的动物体内，将引起死亡，见图1.2.10。巴斯德推论接种受热处理的病菌会使动物产生抵抗疾病的能力。这就是免疫学的基础。1880年，巴斯德在研究炭疽病和鸡霍乱的病理后，宣布了两项巨大的进展。一项是两次传代培养间隔时间的长短，直接影响病菌减毒程度的大小；另一项是用减毒的病毒接种，鸡则会产生对全毒力的抵抗能力。巴斯德把鸡霍乱的减毒菌株称为疫苗（Vaccine）。这个名称一直沿用至今；1981年巴斯德通过实验，培养了没有荚膜的炭疽杆菌，奠定了最早炭疽疫苗的基础；1884年，巴斯德开始了狂犬病的经典研究工作。他运用减毒的一般原则，于1985年发明了抗狂犬病疫苗，并首次在一个遭狂犬咬伤的病孩身上使用并获得成功。
图1.2.10.巴斯德发现免疫现象 (a)先使羊接种改造过的炭疽杆菌，(b)然后，使羊接种新鲜培养 的炭疽杆菌，羊保持健康。(c)但是，未经预接种的羊直接接种新鲜炭疽杆菌，则死亡。 1865年，英国医生李斯特（Joseph Lister）从巴斯德的研究成果中得到启发，认识到当时外科手术经常出现的伤口化脓发炎是由于外界微生物侵入的结果，并努力寻找有效的杀菌药物及防止微生物侵入伤口的办法。通过反复实践和不断总结，提出了无菌的外科操作方法，从此建立了外科消毒术；贝哲林克（M.W.Beijerinck）和维诺格拉德斯基(C.H.Bиноградскнй)研究了豆科植物根瘤菌及土壤中的固氮菌和硝化细菌，提出了土壤细菌和自养微生物的研究方法，从而奠定了土壤微生物学发展的基础；1897年德国人E.Buchner用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”（zymase）对葡萄糖进行酒精发酵成功，开创了微生物生化研究的新时代；1909年，德国医生和化学家埃尔里赫（Paul Ehrlich）用化学药剂控制病菌，发现能治疗梅毒的药物606，这是现代化学治疗的开始。他的成功鼓舞了无数的科学家去寻找更多、更好的化学治疗剂。终于在1935年，另一位德国医生G.Domagk及其同事发明了治疗链球菌感染的新药——一种红色的染料“百浪多息”。同年被证实其有效抑菌成分是磺胺。此后，各种磺胺类药物应运而生。 1877年，巴斯德曾在与人合作的一篇论文中报道，他们将炭疽芽孢杆菌培养物感染动物。若这种培养物被腐生细菌污染后再去感染动物，将不会使动物发病。他们指出：“从治疗的观点出发，这些事实可能带来极大的希望”。这个预言在近五十年后被证实。
图1.2.11 霉菌菌落周围出现抑制葡萄球菌生长抑制现象 1922年，弗莱明（Alexander Fleming ）发现医学界称为“魔弹”的药物——青霉素。他的发现是很偶然的。一天早上，弗莱明发现留在工作台上的一些葡萄球菌培养物被某种污染的东西杀死了，留下一些空圈，见图1.2.11。他马上进行了检查，发现是普通面包上的青霉菌能分泌抑制其它微生物生长的毒素。他将这种物质称为“Penicillin”(旧译盘尼西林，即青霉素)。1929年，他报道了此项结果，可惜当时并没有引起人们注意。到了1939年，一位美籍法国微生物学家发现一种细菌产生的化合物能用于制止细菌的生长时，氟莱明的报告才引起人们的注意。当时由于第二次世界大战的爆发，军队急需医治伤口感染的病人。英籍澳大利亚医生弗洛里(Howard Walter Florey)和他的德裔同事钱恩（Ernst Boris Chain）从青霉菌中分离得到了青霉素。由于战时英国不能生产这种药物，弗洛里在美国研究成功了青霉素扩大发酵和提纯工作。1943年青霉素成功地应用在突尼斯和西西里战役中的500名伤兵治疗。第二次世界大战结束时，青霉素被大量生产，取代了磺胺类药物。青霉素的工业化生产为后来整个微生物深层发酵工艺提供了一个典型的样板；1944年美国微生物学家瓦克斯曼（S.Waksman）从近一万株土壤放线菌中找到了疗效显著的链霉素。接着相继发现了氯霉素、金霉素、土霉素、红霉素、新霉素、万古霉素、卡那霉素和庆大霉素等抗生素。如今的抗生素家族已有了上万名成员。 在微生物学发展的生理学期，以巴斯德和科赫为杰出代表的科学家们在微生物学实验方法上取得了突破性进展，为微生物学的建立奠定了坚实的基础。他们创立的加热灭菌和微生物纯培养等方法至今仍然是微生物学和其它相关学科研究中有效的、无法取代的武器。 1.2.2.3 微生物学的分子时代——分子生物学期 从巴斯德和科赫时代到本世纪七十年代，微生物学又走过了漫长的路。今天，微生物学已成为生物科学中最复杂的学科之一，它对整个生物科学的研究和发展影响很大。从获得诺贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关中可见一斑。 1928年格里菲斯(Frederick Griffith)发现了细菌的转化现象。1944年加拿大细菌学家艾弗里(Oswald Avery)等人通过对转化现象化学本质的研究，证实了核酸才是真正的生物遗传物质。1953年，沃森（Jame Dewey Waston） 和克里克(Francis Harry Compton Crick) 通过对DNA X射线衍射图片的分析，提出了DNA双螺旋结构模型，图1.2.12。他们的这一工作被认为在整个生物学发展史上具有划时代的意义。从此，微生物学研究进入了分子时代。
图1.2.12 沃森和克里克与DNA双螺旋模型 此后不久，沃森和克里克又提出了DNA半保留复制原则；1958年M. Meselson 和F. Stahl利用氮的同位素15N标记大肠杆菌的DNA，首先证实了DNA半保留复制；1956年科恩伯格（A. Kornberg）等人首先从大肠杆菌提取液中发现了DNA聚合酶Ⅰ。在1970年和1971年有人分别在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶Ⅱ、Ⅲ；1968年，日本学者冈崎（Okazaki）等人用3H-脱氧胸苷标记噬菌体T4感染的大肠杆菌，发现DNA的半不连续复制；1970年H. Temin、Mizufani和Baltimorehh分别从致癌RNA病毒中发现逆转录酶，这不仅扩充了“中心法则”，促进了病毒学研究，而且使逆转录酶成为当今分子生物学研究的重要工具；雅各布（Francois Jacob）和莫诺（Jàcques Monod）等对大肠杆菌乳糖发酵过程酶的适应合成以及一系列有关突变型进行了广泛深入的研究，终于在1960-1961年提出了乳糖操纵子模型，开创了基因表达调节机制研究的新领域。他们早在1961年就提出mRNA的概念。后来在T2感染大肠杆菌实验中证实了mRNA的存在；1961年开始，尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）等人利用大肠杆菌无细胞体系，加标记氨基酸及聚核苷酸等进行实验，于1965年，完全确定了编码 20种天然氨基酸的60多组三联密码子，编写了遗传密码字典；霍利（Robert William Holly）阐明酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，后来证明所有的tRNA结构均相似；1952年 J. Lederberg提出了“质粒”一词，用来表示细菌染色体外遗传物质。如今，质粒已成为基因工程必不可少的外源基因运载工具；1979年W.Arber,H.Smith和D.Nathans等人在细菌中发现了被誉称为DNA的“手术刀”——限制性内切酶。目前，常用的限制性内切酶达100多种，成为DNA体外重组技术的必备工具。建立DNA的限制酶切图谱已成为深入分析DNA分子结构和功能的基础；1976年美国成立了基因工程公司，1977年就利用大肠杆菌生产了生长激素释放抑制因子，这是通过基因工程技术由微生物生产的第一个有功能的多肽激素。随后，该公司及其它国家相继采用基因工程菌生产了人的胰岛素、生长激素、胸腺素、干扰素和大豆蛋白等药物和其它蛋白产品。 七十年代以来，基因工程使得按照人们的需要去定向改造和创建新的微生物类型、获得新型微生物产品成为了可能。采用基因工程组建的“工程菌”来生产干扰素，比组织培养法提高效率数万倍；将人工合成的胰岛素基因导入无害的大肠杆菌体内也获得了高效地表达。可以预期，通过努力将会有更多更复杂的基因得以表达，人工定向控制微生物的遗传性状为人类服务的目标已为期不远。 进入本世纪七十年代，分子生物学逐渐成熟并成为一门崭新的独立学科。分子生物学的发展与微生物学研究的关系非同一般，分子生物学是微生物学、遗传学和生物化学等学科研究发展的必然产物，反过来，分子生物学也为微生物学研究的进一步发展和深入提供了新的手段。如今，对微生物的研究已不仅仅停留在形态或生理生化反应，而是在基因和其它生物大分子的水平上。在分子生物学核心内容即基因工程中，微生物仍是其中的宠儿和主角。从上述实例中可知，我们对分子生物学知识的了解无不来自于微生物或者首先来自微生物学研究。分子生物学和微生物学常常在同一领域中发展，它们的差别在于前者将微生物作为反应的模型，作为操作的工具；而微生物学者更感兴趣的是将微生物作为一种生物，研究它们在自然和人工条件下的行为，所以，微生物学涉及到的微生物种类更多，更广泛，无论是简单的，还是复杂的。 表1.3.1 从不同角度形成的微生物学分支 从分类的角度 从生态环境的角度 从应用领域的角度 从生物基本问题的角度  病毒学 (Virology) 细菌学(Bacteriology) 藻类学 (Phycology) 真菌学 (Mycology) 原生动物学 (Protozoology) 水生微生物学 (Aquatic microbiology) 土壤微生物学 (Soil Microbiology) 海洋微生物学 (Marine Microbiology) 石油微生物学 (Petroleum Microbiology) 工业微生物学 (Industrial microbiology) 医用微生物学 (Medical microbiology) 农业微生物学 Agricultural microbiology) 食品微生物学 (Food microbiology) 免疫学 (Immunology) 普通微生物学 (General microbiology) 微生物分类学 (Microbial taxology) 微生物生理学 (Microbial physiology) 微生物生态学 (Microbial ecology) 微生物遗传学 (Microbial genetics)   1.3 工业微生物学及其研究的对象和任务 微生物学是研究微生物的形态、生理、分类以及微生物生命活动与自然界、人类、动植物相互关系及其规律性的一门科学。随着微生物学研究的深入，研究的内容越来越广泛，在较小的领域中专门而深入地研究微生物已显得越来越重要。专门化导致微生物学产生许多分支，每个分支都有自己的研究范围，见表1.3.1。各分支的研究工作相互配合、相互促进。因为考虑的角度不同，还有许多其它分支的名称，如发酵生理学，经济微生物学等。 1.3.1 工业微生物学及其研究对象 工业微生物学是微生物学的一个重要分支，是微生物学在工业生产中的应用学。它从工业生产需要出发来研究微生物的生命及其代谢途径，以及人为控制微生物代谢的规律性。 工业微生物学从形成到现在，也经历了漫长的发展阶段。它是从酿酒、制醋等传统厌氧发酵技术发展起来的。从本世纪四十年代发现并应用深层发酵技术生产抗生素开始，工业微生物学研究进入新的发展阶段。本世纪七十年代以来，基因工程、原生质体融合技术、酶工程和发酵工程等新技术的发展，给工业微生物学注入了新的活力。 发酵是利用特定微生物的代谢活动，积累人类需要的特定代谢产物过程。所以可以说，微生物是发酵工业的核心和灵魂。发酵工业中一般都是应用经过人工改造的，即是代谢“异常”的微生物。因为在正常生理条件下，微生物依靠其代谢调节系统，最经济地利用环境中的营养物，按照其生长繁殖的需要合成其代谢产物，与之相反，工业生产总是希望微生物能大量积累人们所需的代谢产物。工业微生物学就是要一方面通过遗传育种方法获得高产的发酵菌种，另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。 工业发酵生产中常用的主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类微生物。此外，病毒尤其是微生物病毒是严重危害发酵工业生产的祸源之一，同时它们也是现代基因工程发酵菌构建和研究的重要工具，所以，细菌、放线菌、酵母菌、霉菌以及病毒是本书介绍的重要内容。 1.3.2 我国工业微生物学的研究概况 我国传统的发酵工业，如酿酒、制醋、制酱等有着悠久的历史。但是，真正称的上系统工业微生物学的研究，却是在新中国成立以后。五十年代初期，以抗生素的研制和生产为标志，我国开始逐渐形成了新型的微生物发酵工业。有机酸、氨基酸、酶制剂、维生素、激素和单细胞蛋白等现代发酵工业陆续建立。工业微生物学在医药、食品、轻工等领域得到广泛应用，形成一个庞大的产业，对整个国民经济起着极其重要的作用。 八十年代以来，我国的酿造行业焕发了青春。古老的设备不断更新，并由机械化逐渐向连续化和自动化发展，产品的质量和原料利用率不断提高。白酒、黄酒、啤酒和葡萄酒等酒类品种齐全。酱油和醋的酿造业跨进了先进行列，产品的数量和质量大幅度提高。各种名酒享誉于世。 纵观国内的抗生素工业，其发展速度之快，生产品种之多是异常惊人的。自50~60年代的青霉素、链霉素、金霉素、新霉素、氯霉素和卡那霉素大量生产。70年代又投产庆大霉素、巴龙霉素、新生霉素、万古霉素、杆菌肽和春雷霉素等相继问世。如今，各种天然、半合成、全合成抗生素生产种类急剧增多。一些抗肿瘤和抗病毒的抗生素也应运而生。我国的抗生素产量已居世界前列。 氨基酸可用做食品和饲料添加剂、调味剂、营养剂、代谢改善剂和药物等。利用微生物发酵生产的氨基酸与用动植物蛋白水解法相比，不仅成本降低，而且可以不随地区、气候、季节等条件的限制大量生产。利用发酵法生产谷氨酸在我国起步较晚，但随着人民生活水平的提高，谷氨酸工业得到迅速发展。味精生产企业遍布全国各地，成为世界上最大的味精生产国。在谷氨酸发酵中都采用我国自己选育的优良菌株，并获得相当可观的经济效益和社会效益。除谷氨酸外，为人类所必需的其它氨基酸、核苷酸等也已形成相当的生产规模。 维生素C的二步发酵法为我国中科院北京微生物研究所研制成功的。该方法的特点是原料简单、生产过程易控制而且产率较高。 有机酸是食品工业中重要的辅佐原料。我国柠檬酸工业从60年代创建以来，发展迅速。国内采用的柠檬酸生产菌能利用薯干等粗淀粉为原料进行深层发酵，其产量和质量已达到了国际先进水平。此外，葡萄糖酸、乳酸和衣康酸等有机酸在我国也有相当的生产规模。 当然，与国际先进水平相比，我国的发酵工业仍存在着相当大的差距。存在着诸如有一定的模仿能力但新产品开发能力弱，创新性基础研究不多，很多研究内容在低水平上重复，生产设备和技术老化，研究和生产资金投入相对不足等问题。 随着基因工程、原生质体技术、酶工程、发酵工程等新技术的迅速发展，我国的工业微生物学也进入一个崭新的发展时期。工业微生物学也将为解决人类面临的食品与营养、健康与环境、能源与资源等重大问题开辟新的途径，必将对我国未来国民经济的发展发挥更大的作用。 1.3.3 现代工业微生物学的发展趋势 利用微生物生产各种产物具有以下一些特殊的优点： 微生物生长所需要的主要原料碳源或者是可再生的生物质资源（如淀粉、纤维素等）或者是二氧化碳（如光自养菌及藻类等），也有一些利用石油烃作为碳源，这些原料来源广、产量大而且价格低廉，符合可持续发展战略的要求，利用微生物发酵生产目标产物的生产成本也具有很强的竞争力。 与化学反应一般要在高温高压的条件下进行不同，微生物发酵和转化通常都在常温常压和中性pH范围内进行，反应条件十分温和，而且能量利用率高，生物转化反应的专一性好，产品的转化率高。 由于微生物的多样性和代谢途径的多样性，微生物发酵工业已经为我们提供了许多产品，同时微生物的代谢产物还是发现新化合物的巨大宝库，可以不断地从微生物代谢产物中分离出新的、对人类的生活和工农业生产有重要意义的新产品。微生物的多样性和它们对环境的适应性也使得它们在环境工程中已经广泛应用并有着十分广阔的新的应用领域。 由于微生物的可变异性，可以采用各种方法（包括基因工程和物理化学诱变等）改变微生物的遗传性质，调节和控制代谢途径，为不断地提高目标产物的生产水平或生产新的产物提供了可能性。 微生物的培养基、他们的代谢产物及微生物菌体本身都是可以生物降解的，而且可以通 过综合利用增加它们的使用价值，因此利用微生物生产目标产物的过程产生的污染物比较少，而且容易处理。 正是由于以上这些优点，微生物发酵生产已经为人类提供了丰富多彩的产品，微生物发酵工业已成为不少国家的支柱产业，同时也为工业微生物学的研究和发展指出了方向。可以预料，工业微生物将在以下一些重要领域得到发展。 医药和健康 随着人们物质文明和精神文明水平的不断进步，对健康的要求也越来越高，对与健康有密切关系的医药和保健品就提出了更高的要求。目前，对人类健康威胁极大的癌症、爱滋病等的治疗用药物的研究和开发已经取得了不少进展，但是至今还缺乏对症治疗的特效药；对于给人类带来许多痛苦的常见病、多发病，如心血管系统疾病、消化系统疾病、呼吸系统疾病、老年痴呆症及肥胖症等，人们迫切需要有更好疗效的药物；对于哪些特殊的疾病，如遗传病，希望能够有可靠的诊断和治疗方法；同时人们出于对健康长寿的考虑，也希望能出现更多的免疫调节剂和保健品。如今，抗生素、维生素、激素这三大类药物几乎都是通过微生物发酵而生产的。近年来，其产量不断增加，品种也在不断扩大。人干扰素、胰岛素、生长激素、乙肝疫苗等大批新型药物已由基因工程菌发酵生产。此外，抗肿瘤、抗爱滋病等重要的药物正在研制之中，微生物不但为新药的研究开发提供了巨大的新化合物资源，也为基因工程药物提供了最好的宿主细胞体系。随着人类基因组计划的接近完成及对疾病致病机理认识的不断深入，针对各种致病关键酶的酶抑制剂、免疫调节剂及针对每个人不同病因的“个性化药物”等将有良好的应用前景；利用基因芯片进行疾病诊断也正向着实用化的方向发展。同时随着代谢工程和蛋白质工程的研究进展及在抗生素、蛋白质及其它生物活性物质发酵工业中的应用，微生物制药工业的生产水平将进一步提高，成本也将不断下降。 资源和能源 地球上的一次性资源和能源是有限的，如石油、天然气、煤炭及各种金属矿等，随着经济发展和人们生活水平的提高，一次性资源和能源正在以越来越快的速度消耗，人类总有一天会面临能源和资源危机。地球上也有着丰富的可再生资源，例如通过光合作用生长的各种植物，每年的产量如折算成能量，大大超过目前世界能源的总消耗量。它们的主要成分是淀粉、纤维素、半纤维素和木质素。纤维素、半纤维素的水解产物分别是以葡萄糖为主的六碳糖和以木糖为主的五碳糖，与淀粉一样都是微生物能够利用的碳源。因此利用微生物将可再生的生物质资源转化为能源和其它发酵产物，为解决将来可能面临的能源和资源危机提供了一条具有重要意义的途径。木质素是由芳香族化合物缩合而成的高分子化合物，通过微生物转化也可以为我们提供精细化工和高分子聚合物的原料。至于金属矿产资源，目前地球上的富矿已经为数不多，因此需要解决贫矿的利用问题。已经发现许多微生物具有富集金属元素的功能，因此利用微生物富集贫矿甚至海水中的微量元素都存在着工业化应用前景。微生物多糖用于石油钻井和二次、三次采油，可以大大提高石油得采收率，从“枯竭”的油田中再采油10~20%；利用微生物可以从低品位的矿石或矿渣中回收各种贵重金属，从海水中提取和富集铀等。 农业和畜牧业 微生物与农业和畜牧业有着密切的关系。在自然界中，它们都是食物链中的重要环节。今天，随着“有机农业”的兴起，微生物对农业的影响已经大大超出了生态学的范畴。一方面，人们试图将一些微生物特有的基因克隆到植物中，如：固氮基因、抗虫及抗病基因等，形成了所谓“转基因植物”的新兴学科；另一方面，又在大力研究和开发微生物农药、除草剂、植物生长调节剂以代替传统的化学制剂，利用微生物将有机物转化为肥料的研究和开发也在大规模进行之中。与农业类似，微生物对现代畜牧业也起着积极的作用，同样可以将微生物基因克隆到动物体内，得到具有特殊功能的“转基因动物”；畜用抗生素、杀虫剂、激素及疫苗等都能通过微生物培养获得；担子菌往往具有特殊的营养和药用价值，它们的大规模培养技术（包括液体深层培养）正日益受到人们的重视；藻类也是一种巨大的资源，现在螺旋藻、盐藻等已经实现工业化培养，随着对藻类研究的深入及新型光生物反应器的开发，许多藻类的工业化生产将会提到议事日程。 精细化学品 精细化学品是制药、食品添加剂、材料和日用化学产品的原料或中间体。过去都采用化学合成方法生产，反应条件苛刻、转化率低、环境污染严重。现在已经有越来越多的精细化学品改而采用微生物发酵或生物转化的方法生产。微生物发酵产物的典型例子有：用烷烃发酵生产二元酸、微生物多糖、可生物降解的高分子化合物等；更多的精细化学品可以通过生物转化获得，有些直接应用细胞进行生物转化，如甾族化合物、萜烯类化合物、氨基酸及有机酸等的生物转化，有些则采用从微生物中提取的酶作为生物催化剂实现生物转化，如从青霉素及头孢霉素C酶法水解生产半合成抗生素前体6-APA和7-CAC；用嗜热杆菌蛋白酶催化Aspartame(一种有天冬氨酸和苯丙氨酸组成的二肽甜味剂)合成等；因为不同光学性质的化合物往往显示出不同甚至相反的物理、化学和生物性质，近年来，用生物催化剂进行手性合成和手性拆分引起了人们的重视。可以预料，会有越来越多的精细化工产品将采用生物转化或生物合成的方法生产。 环境保护 保护环境已经逐渐成为人类的共识。在生态系统中，微生物默默地承担着在各种环境条件下降解有机物和参与元素循环的任务，为保持生态平衡作出了贡献。微生物法已经成为污水、废气和固体废弃物处理的主要方法。今后，除了不断地改进微生物废物处理的方法和工艺外，还将在特殊的有毒、有害化合物的降解及受污染环境的生物修复中发挥重要作用。 总之，微生物对解决人类所面临的许多重大问题中都将发挥重要作用，这些作用主要是通过工业化生产的形式实现，因此属于工业微生物学的研究范畴。这些应用实践也对工业微生物学提出了以下新的要求： 加强对工业微生物的基础研究，包括：微生物的形态、营养及生长的一般规律，微生物的代谢及调控，微生物的基因及其所携带的遗传信息表达等。从基础研究中寻找提高现有微生物发酵产量的途径和方法。 持之以恒地从微生物代谢产物中发现新的化合物、新的具有特殊功能的生物催化剂。对于已经发现并分离的微生物，要采用新的筛选方法以发现新化合物；更重要的是要不断地寻找新的、生活在特殊环境（如高温、低温、特殊pH及离子强度、特殊有机物和深海）中的微生物。从这些新的微生物中往往能够发现新的代谢产物和代谢途径。将遗传学和分子生物学等领域的最新研究成果用于工业微生物，以提高传统发酵产物的产量或生产新的基因工程产品。从目前的进展看来，以基因重组技术为代表的包括代谢工程及蛋白质工程在内的方法在工业微生物菌种选育中有着良好的应用前景。但是，基因工程菌在多级扩大培养中遗传性能的稳定性问题尚未解决，因此，许多工业上有重要价值的发酵产品仍没有采用基因工程菌生产。这有必要进一步完善和开发各种受体-载体系统。进一步开展基因结构与功能的研究，特别是高产基因的结构、克隆、表达和调控机理的研究。研究重组微生物的生理学，研究提高基因工程菌在传代过程中的遗传稳定性的机理和方法。进一步研究基因表达产物的积累、分离纯化和后加工的技术。 注意与其它学科的交叉。工业微生物学是一门应用性很强的学科，它的发展与其它学科有着密切关系，既有赖于微生物学、生物化学等基础科学的研究进展，同时也对基础学科的发展提供了动力和应用验证的场所。与工程学科，如化学工程、控制工程和设备制造工程之间也存在着互相依赖、互相促进的关系。因此加强学科间的交流和合作具有特别重要的意义。过去的历史（如青霉素发酵的工业化）已经充分证明了这种重要性，今后的发展更离不开学科间的交叉和合作。 加强对微生物发酵工艺的研究，连续培养和间歇补料培养等新型的培养基础和应用研究特别是微生物生长和发酵动力学研究。 随着计算机技术的普及和发展，计算机在发酵过程控制方面得到了初步的应用，并取得了良好的效果。计算机控制包括各种参数的自动检测和监控，数据储存和分析，各种间接参数的估算和控制。各种发酵的数学模型的建立，过程的最优化控制等工作。