病毒，细菌与真菌

微生物作为地球生命演化的重要推动力量，广泛分布于土壤、水体、大气及极端环境中，是构建生物圈物质和能量循环不可或缺的组成部分。尽管它们的体积微小，却展现出惊人的多样性和适应性。微生物包括病毒、细菌、真菌及部分原生生物，它们参与有机物分解、营养物质转化、环境自净等关键生态过程，对于维护生态平衡和全球碳氮循环至关重要。以新冠病毒为例，这种微生物在全球范围内引发了深刻的社会与医学变革。同时，像益生菌、酵母、青霉等微生物又广泛应用于食品发酵、抗生素生产和环境治理。例如，酱油、醋、酸奶、泡菜等日常食品的制作都离不开微生物的参与，甚至污水净化、市政垃圾处理、生物农业等领域也依赖微生物的功能。

本内容将系统性地介绍病毒、细菌、真菌等主要微生物类群的形态结构、生理机制及生态功能，结合国内外最新的研究进展和技术应用，重点探讨微生物在现代医学、农业生产及工业生物技术中的广泛价值。同时，我们还将分析这些微小生命形式如何通过基因工程、生物合成、环境保护等途径，持续推动人类社会可持续发展和健康进步，并展望合成生物学、微生物组研究等前沿领域的未来趋势。

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病毒

病毒的基本特征

病毒是一类独特的生物实体，它们缺乏完整的细胞结构，只能在活细胞内完成自身的复制过程。病毒的遗传物质可以是DNA或RNA，这些遗传信息被蛋白质外壳（衣壳）所保护，形成完整的病毒颗粒。

病毒的分类主要基于以下几个关键特征：

病毒在医学与兽医学中的重要意义

近年来，病毒性疾病对人类健康和动物养殖业造成了巨大影响。2019年底爆发的新型冠状病毒肺炎疫情，充分展现了病毒研究的紧迫性和重要性。中国在疫苗研发方面取得的突破性进展，包括国药集团和科兴生物开发的灭活疫苗，以及康希诺生物的腺病毒载体疫苗，都体现了现代病毒学研究的实际应用价值。

在动物疾病防控方面，禽流感H5N1和H7N9病毒的监测与防控，非洲猪瘟病毒的检测技术开发，都直接关系到我国畜牧业的健康发展和食品安全保障。

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实验室常用的病毒载体系统

有些病毒常被科学家改造成“工具”，用来把我们想要的基因送进细胞里。下面介绍几种常见又实用的病毒载体，看看它们在实验室都是怎么帮忙的。

SV40病毒载体系统

SV40病毒原来是猿猴体内的一种病毒。科学家们很早就学会用它来“带货”，就是用它当小车，把特定基因送进哺乳动物细胞。SV40的基因组很小，只有5200多个“字母”，但已经有启动、调控和终止表达的所有“按钮”。

逆转录病毒载体最特别的一点，就是它能把新基因长期“刻”进细胞的基因组里，这样基因不会丢，每次细胞分裂也会带着走。比如中国科学院研究的CAR-T细胞治疗，就是靠改良逆转录病毒载体，把治疗基因牢牢装进免疫细胞里。

国内不少生物公司，比如药明康德、华大基因，都在病毒载体的设计和生产上积累了丰富的经验，成为基因治疗产业的重要支持者。

腺病毒可以带着很长的一段基因（最大能带2.8万个字母），而且不会把新基因插到细胞的遗传物里，减少了出错的风险。它经常被用来做疫苗，比如康希诺新冠疫苗就是用腺病毒平台做出来的。

植物用的病毒载体

花椰菜花叶病毒主要感染白菜、萝卜等蔬菜。它用得不算广，因为它的基因组小，能插进去的新基因空间有限。但它是研究植物基因工程里很老牌的工具。

另外，双生病毒能感染玉米、小麦等大宗粮食作物。可惜，它们容易在复制时混乱，导致带进去的外来基因丢失或表达不稳，还带来安全隐患。所以目前科学家更关注用它们做基因沉默，不直接送外源基因。

中国农业科学院等单位也做了很多类似的抗病品种研发。

昆虫病毒表达系统

杆状病毒系统如今是生产重要蛋白的热门选择。它感染昆虫细胞后，能让细胞大量生产外来蛋白（比如疫苗、药物原料），有时候占细胞一半以上！昆虫细胞养起来既便宜又容易，还能对蛋白做类似哺乳动物细胞那样的“修饰”，更接近天然结构。

中科院上海生化与细胞所等研究院用杆状病毒系统在疫苗蛋白生产方面取得了许多突破。

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细菌噬菌体

噬菌体的基本生物学特性

细菌噬菌体，简称噬菌体，是专门感染细菌的病毒。根据国际病毒分类委员会的统计，目前已知的噬菌体种类超过1000种。这些微小的生物实体在自然界中广泛存在，特别是在海洋环境的宏基因组分析中，噬菌体序列占据了很大比例。

噬菌体在发酵工业中既是威胁也是工具。在传统发酵食品生产过程中，如酱油、醋等的制作，噬菌体污染会导致发酵菌株死亡，造成生产损失。因此，发酵企业通常需要筛选抗噬菌体菌株来确保生产稳定性。

λ噬菌体系统

λ噬菌体是分子生物学研究中的经典模式生物。当它感染大肠杆菌时，可以选择两种不同的生活方式：裂解性循环或溶原性循环。

在裂解性循环中，λ噬菌体的线性双链DNA（约48.5千碱基对）独立于大肠杆菌基因组进行复制，最终导致宿主细胞死亡。而在溶原性循环中，噬菌体DNA整合到大肠杆菌基因组中，形成前噬菌体，与宿主细胞共同繁殖数代。

λ噬菌体具有形成粘性末端的能力，这些由12个未配对核苷酸组成的cos位点，不仅是环形DNA形成和基因组整合的关键，也是噬菌体包装识别的重要信号。基于这一特性开发的粘粒载体，成为构建大片段基因文库的重要工具。

M13噬菌体的单链DNA技术

M13噬菌体采用了完全不同的生活策略。它携带约6.4千碱基对的单链DNA基因组，感染大肠杆菌后会指导合成互补链，形成双链复制型。

这种噬菌体不会杀死宿主细胞，而是持续释放子代病毒颗粒，每个细胞可产生多达1000个噬菌体颗粒。在细胞分裂过程中，感染会传递给子代细胞，每个子代细胞仍能携带约100个噬菌体。

M13载体系统在DNA测序技术发展史上占据重要地位。在PCR技术普及之前，M13载体是获得单链DNA模板进行定点突变的主要方法。华大基因等国内基因组学企业在早期发展阶段，也广泛应用了基于M13系统的测序技术。

T系列噬菌体的酶学贡献

T系列噬菌体共有7个不同类型，其中T4和T7噬菌体在生物技术领域贡献最为突出。

T4噬菌体编码的DNA连接酶具有独特的功能特性，能够连接任何类型的DNA末端，无论是粘性末端还是平端。这种酶的广泛兼容性使其成为分子克隆实验中的关键工具。

T7噬菌体的RNA聚合酶系统则为体外转录和蛋白质合成提供了强大的工具。T7 RNA聚合酶能够识别特异的启动子序列，在单链DNA模板上合成RNA，这些RNA可以直接用于体外蛋白质合成系统。

国内多家生物试剂公司，如诺维信（中国）和新英格兰生物实验室（中国），都在生产和供应这些关键酶制品，为国内科研工作提供支持。

其他细菌噬菌体的应用

目前已分类的噬菌体超过1000种，其中300多种专门感染肠杆菌科细菌，230多种感染球菌，各有150多种分别感染芽孢杆菌和放线菌。

在乳制品工业中，乳酸菌特异性噬菌体是生产过程中的主要威胁。当噬菌体污染发生时，发酵菌株会大量死亡，导致产品质量下降。国内的伊利、蒙牛等大型乳业集团都建立了完善的噬菌体监测和防控体系，通过筛选抗噬菌体菌株来保障生产稳定性。

芽孢杆菌噬菌体在工业酶制剂生产中具有重要意义。其中ø105和SPO2噬菌体常用于枯草芽孢杆菌的遗传转化，而PBS1噬菌体则在基因组图谱构建中发挥重要作用。

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微生物的多样性与分类体系

微生物在生态系统中的核心作用

微生物是地球生态系统中物质循环的主要推动力。它们几乎无处不在，存在于海洋、淡水、土壤、大气，乃至极端环境如深海热泉、强酸湖、南极冰盖等。微生物通过参与碳、氮、磷、硫等多种生物地球化学循环，持续推动有机物的分解与再生，以及各种元素的转化和流动。这些过程维持着全球范围内的生态平衡与环境稳定。

许多微生物能够降解自然环境中的复杂有机物，例如纤维素、木质素、石油烃类等，对垃圾和污染物的分解起到不可替代的作用。同样，微生物在气候调节上的作用也越来越被重视，例如甲烷菌、硝化菌和反硝化菌对温室气体循环和调控具有重要意义。此外，微生物能够与动植物形成多样的互利共生关系，为生态系统健康和生物多样性的维持提供支持。

以人体肠道菌群为例：这类微生物不仅帮助消化人类自身无法分解的纤维素等复杂碳水化合物，还产生多种有益的代谢产物（如短链脂肪酸），调节免疫系统，预防病原体入侵。反刍动物瘤胃中的微生物群落则能够将大量纤维素与其他植物多糖转化为动物可直接利用的营养物质，为人类提供了乳制品和肉制品的重要来源。在植物的根际，固氮菌将大气中的氮气转化为植物可以吸收的氨态氮，极大提升了土壤肥力和农作物产量。

在水域生态系统中，浮游细菌与蓝藻通过光合作用和有机物分解，促进水体物质循环，为浮游动物及更高营养级生物提供能量基础。极端环境中的微生物，如嗜热菌和嗜盐菌，不仅展现了生物的极致适应性，还为生物技术和生命起源研究提供了宝贵的模型。

微生物多样性与人类社会

微生物在维持生态系统稳定与恢复力方面的作用不可或缺。其高效的遗传变异和快速繁殖特点，使它们能够快速适应环境变化。人类社会也广泛利用微生物进行食品发酵（如酱油、啤酒、奶酪、酸奶等）、农业生产（如生物肥料与生物农药）、环境治理（如污水处理、油污降解）和医疗健康（如抗生素、生物制品、疫苗研发）等。因此，加强对微生物多样性的研究与保护，有助于保障生态安全、提升生产力，并推动可持续发展目标的实现。

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原核微生物的特征与分类

真细菌的细胞结构特点

真细菌是最常见的微生物类群，细胞直径通常在1微米左右。它们没有细胞核，遗传物质以核质体的形式存在于细胞质中。许多真细菌还携带质粒，这些环形DNA分子携带额外的遗传信息，常常与抗生素抗性或特殊代谢能力相关。

真细菌的细胞壁由肽聚糖构成，根据细胞壁结构的差异，可以分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。革兰氏阴性菌具有更为复杂的细胞壁结构，包含外膜和周质空间，常常从外膜上伸出脂多糖分子。

在细胞质中，真细菌可以储存多种储备物质，如聚羟基丁酸、多聚磷酸盐、藻蓝蛋白等。这些储备物质不仅帮助细菌度过营养缺乏期，也为生物材料和生物能源的开发提供了新的思路。

古细菌的独特属性

古细菌被认为是地球上最古老的生命形式，在数亿年前的地质层中就能发现它们的化石证据。这类微生物通常生活在极端环境中，具有独特的生理生化特性。

古细菌与真细菌在细胞膜结构上存在显著差异。古细菌的细胞膜由醚键脂质构成，而不是真细菌常见的磷脂双分子层。这种结构使得古细菌能够在高温、强酸或高盐环境中保持细胞膜的稳定性。

产甲烷古细菌是污水处理系统中最重要的微生物群落之一。在厌氧消化过程中，它们将有机酸转化为甲烷，这一过程被广泛应用于沼气生产。中国的农村沼气工程大多依赖于产甲烷古细菌的代谢活动。

来自深海热泉的嗜热古细菌“极端球菌”（Pyrococcus furiosus，中文名为极端嗜热菌）产生的DNA聚合酶，由于其极高的热稳定性，被广泛应用于高保真聚合酶链式反应（PCR）中。这种酶在高温条件下仍能保持活性，大大提高了PCR扩增的准确性和特异性。

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真核微生物的多样性

酵母菌和真菌的生物学特征

酵母菌和真菌是典型的真核微生物，广泛存在于自然界的各类环境中，包括土壤、水体、空气、动植物体表和体内等。真核微生物最显著的特征是拥有结构完整的细胞核，细胞质内还含有线粒体、内质网、高尔基体等多种细胞器，可以执行复杂的代谢和能量转换功能。目前，已经被系统分类的酵母菌和真菌种类约有7万种，但据分子生物学推算，全球潜在的真菌种类可能远超百万种，显示出极高的多样性。这一庞大的类群中，既包括对人类生产生活有益的微生物（如用于食品发酵和药物生产的酵母、青霉、曲霉等），也包括重要的植物病原真菌（如稻瘟病菌、白粉菌等）和部分能够引发人类疾病的条件致病菌（如白色念珠菌、曲霉菌）。

与原核生物相比，真核微生物的细胞壁结构更为复杂。绝大多数真菌的细胞壁主要由几丁质（一种类纤维素多糖）构成，这种物质赋予了细胞高度的机械强度与抵御外界胁迫的能力。部分真菌（如水霉）和酵母菌细胞壁中还含有一定比例的纤维素或葡聚糖等多糖。在能量代谢方面，大多数真菌和酵母菌能够通过有氧呼吸高效分解底物释放能量，但也具备在缺氧条件下进行发酵的能力，这便是面包、啤酒、白酒、葡萄酒等传统食品发酵工业的微生物基础。例如，酵母菌在缺氧条件下产生乙醇与CO₂，是制酒和面团膨发的原理。

真菌在繁殖方式上展现出极其丰富的多样性，这为生物学分类和进化研究提供了宝贵的依据。典型的多细胞真菌以菌丝体为营养体，由高度分支的管状菌丝交织成网络结构，有些种类还能形成大型子实体（如蘑菇、灵芝等）。无性繁殖常通过出芽（酵母型）或形成无性孢子（分生孢子、孢囊孢子等）完成，在自然界中有利于其快速扩散和资源利用。而有性繁殖则往往经历配子融合、质配和核配等复杂过程，产生遗传多样性，形成坚韧的有性孢子。很多真菌具有复杂的生活史周期，既可无性繁殖，也能有性繁殖，在某些真菌如赤霉菌、烟曲霉等的生命周期中，两个阶段轮换发生，对环境变化具有较强适应性。

在进化水平上，真菌从低等到高等展现出繁殖结构的显著分化。低等真菌（如接合菌）通常通过两性配子直接融合完成有性繁殖，形成厚壁孢子以抵御不良环境。高等真菌中，子囊菌门通过形态各异的子囊产生有性孢子（如酵母、赤霉、青霉、酶制剂用菌种等）；担子菌门则产生特殊的棒状担子，形成功能多样的担孢子（如蘑菇、灵芝、木耳等常见食用菌）。这些有性繁殖结构不仅有助于种群扩张、遗传多样性维持，也为真菌分类学提供了重要的形态学和生理学标志。

近年来，随着分子生物学与基因组学研究的深入，科学家对真菌及酵母在生态环境维持、动植物共生、疾病防治及生物能源开发等多领域的重要作用有了更全面的认识。例如，土壤中大量的链格孢、黏菌、放射菌在有机质分解和碳循环中承担着不可替代的功能；药用真菌中的青霉属和链霉菌分别使青霉素和链霉素等抗生素发明成为人类医学史上的里程碑；一些食用和药用真菌富含多糖、三萜类和蛋白质，被开发为养生食品和新型药物资源；而工程酵母的合成生物学应用也不断拓展至疫苗制造、燃料乙醇和高附加值化合物的生产。

因此，真核微生物的多样性不仅在基础科学研究中意义重大，在食品、农业、医药、环保等实际产业中也展现出巨大的应用潜力和发展前景。

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细菌分类的现代方法

传统的外形分类

最早研究细菌，主要是靠肉眼和显微镜“看”它们的样子。很多细菌只有在显微镜下才能看清，比如有的像小棍（杆菌）、像小球（球菌）、像螺旋（螺旋菌）等等。我们还可以观察细菌是单独存在，还是一群聚在一起，形成像丝、团块这样的结构。

后来，科学家发明了“革兰氏染色”——这是一种能帮助区分细菌类型的实验方法。用这种染色，细菌会变成紫色（革兰氏阳性）或红色（革兰氏阴性）。为什么颜色不一样？因为它们细胞壁的结构不同，阳性菌只有一层细胞膜和厚的细胞壁，阴性菌则有两层膜，外加特殊的分子结构。

现在我们已经记录了2200多个细菌属、1万多个种，其实还有很多细菌没被“养出来”，我们还不了解。

根据生活习性和化学反应来分分类

除了看外形，科学家们还通过细菌的生活和“吃喝拉撒”来分类，比如：

有时候还用“噬菌体敏感性试验”，就是给细菌引入一些专门感染它们的病毒，看它们怕不怕——这样也能帮助分辨相近的细菌。

部分细菌能在极端环境里生存，比如很热、很酸、很咸的地方，这些细菌除了研究有意思，还能被用在工业上，比如生产更“坚强”的酶和工程菌株。

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用分子生物学方法鉴定细菌

基因分析怎么用

不同细菌的DNA里有多少鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），比例不一样，我们叫GC含量。这能帮我们大致分类不同的细菌。

现在，测定细菌基因组（所有DNA）的技术非常先进，科学家已经把2000多种细菌、100多种古细菌的全基因组都测出来了。这不仅帮助我们分类，也可以用来研究细菌怎么代谢、怎么基因工程改造。

16S rRNA基因分析

有一种特别重要的基因，叫16S rRNA（还有18S、23S等），它们在微生物界“基本没怎么变过”，但细节有点不同，所以很适合做微生物“亲戚关系”的图谱。科学家们就是靠这些基因，把所有生命分成三大家族：古细菌、真细菌、真核生物。

现在还有宏基因组技术，就是把一堆环境样品DNA直接提取出来测序，不用一株一株“养”，这样可以了解更多复杂微生物群体的组成和潜力，非常适合用来研究土壤、水体等生态环境里的微生物。

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快速鉴定技术的应用价值

医院里的微生物诊断

在医院检测细菌，要求又快又准，这关系病人治疗。除了传统的“看形状”“做染色”和“比化学反应”，现在还常用到基因测序，比如16S rRNA测序来明确细菌身份。

有些自动分析仪（API系统）可以一次检测细菌对很多底物的反应，画出“化学指纹”；还有对细菌脂肪酸组成的分析，也能帮助确定种属。

食品和环境监控

食品安全和环境保护，也用到微生物鉴定。比如快速检测食品里有没有致病菌，水体环境有没有危险微生物，最好是多方法结合，才更准确。通常，需要综合形态、生理、生化和基因等各种信息，这类检测往往由专业的菌种保藏中心等机构完成。

酵母菌

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是实验和工业上最常用的微生物，可以做面包、酿啤酒、做药等。它白天可以变“单身”（单倍体），也可以“结婚”变“双胞胎”（二倍体），研究起来很方便。

实验室里酵母分两种交配型（MATa或MATα），两个不同型的才能“结合”。酵母既能无性繁殖（孢子），也能有性繁殖（两单倍体融合，形成4个新孢子）。

酿酒酵母的基因组只有1600多万个碱基，分在16条染色体里，很适合分子遗传实验。它天然带有2μm的小质粒，还有特殊“杀手病毒”，可以用来做各种基因工程和载体试验。

酵母菌在工业中的身影

在中国，酵母菌用来发酵白酒、黄酒、面包、啤酒等，是传统食品技术的“主力军”。现在，科学家用转基因酵母来生产药物，比如胰岛素、干扰素、疫苗蛋白。因为酵母能做后修饰（比如蛋白加糖），所以做出来的药物蛋白更像真人体的。

其他常见酵母

假丝酵母（Candida utilis）也很重要，可以长成菌丝，但只无性繁殖。有些假丝酵母基因翻译的方式有点与众不同，限制了部分基因工程应用，但在做外源酶、单细胞蛋白、变废为宝（用造纸废液等“边角料”）方面很实用。

毕赤酵母（Pichia pastoris）和多形汉逊酵母（Hansenula polymorpha）能用甲醇为食，最初用在生产单细胞蛋白，现在成了主流的重组蛋白工厂（比如生产脂肪酶、抗体片段）。

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工业真菌带来的“高产值”

青霉菌与抗生素

产黄青霉（Penicillium chrysogenum）最有名的事迹，就是发明了青霉素——第一个抗生素。它以菌丝体生长，无性繁殖，不能有性繁殖，所以叫“半知菌”。因为这样，实验室改良菌种通常要靠融合法把不同类型的原生质合成一块。

青霉菌和头孢菌（Acremonium chrysogenium）能生产重要抗生素，支撑了我国抗生素工业。青霉菌还有些“亲戚”在食品中极重要，比如：洛克福青霉（做蓝纹奶酪），卡氏青霉（做卡芒贝尔奶酪）。

曲霉菌与酶，酸生产

曲霉菌家族里，构巢曲霉和米曲霉是重头戏。其中米曲霉广泛用于酱油、味噌、清酒等传统食品，也常见于现代酶制剂生产（能大量分泌蛋白酶、淀粉酶等）；黑曲霉用来大量生产柠檬酸、葡萄糖酸。曲霉菌改良多靠融合和选种，现在有了基因组数据后，分子定向改良更容易。

根霉和毛霉

米根霉、黑根霉属于接合菌，常见于发霉面包或米里。这些真菌长得快，菌丝扎得深，能分泌很多分解酶（如脂肪酶、蛋白酶），用于工业酶的生产。米根霉、卷枝毛霉的基因组已经测序，有利于后续开发。

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藻类的生物技术“潜力股”

藻类的基本特点

藻类大多生活在水里，最大的本事就是能用太阳能，吸收二氧化碳，释放氧气。和高等植物不同，藻类没有胚胎阶段。原核的叫蓝菌（蓝绿藻），只有100多个属；而高级（真核）藻类超过2万个属，比如绿藻、褐藻、红藻、硅藻。

有的蓝细菌和藻会产生毒素，对水和食品安全有威胁，需要监测。但也有些藻类能生产有用的物质，比如果冻、添加剂等。

藻类开发生物燃料现在很热门——它们长得快，还不“抢”农田，可直接利用二氧化碳。可“榨取”生物质发酵产气，也可直接提取油脂等来做燃料。

工业里常用的藻类

• 小球藻（Chlorella）：单细胞绿藻，易培养，可作为营养品和保健食品。
• 博特力藻：能长成团体，能积累高比例的油类（如角鲨烯），正用于生物燃料研究。
• 雨生红球藻：能合成虾青素（天然红色素和抗氧化剂），为红色水产品提供颜色，也是食品和化妆品添加剂。
• 角毛藻：能大量生产DHA（一种重要的ω-3脂肪酸），生产营养保健品很有前景。
• 杜氏盐藻：嗜盐性微藻，能产高浓度胡萝卜素和甘油，甘油帮助耐高盐。
• 油绿藻、海洋小球藻等：可作为生物燃料储油种，也因易转基因，适合合成新代谢途径。

蓝细菌的特别作用

蓝细菌其实就是“蓝绿藻”，是原核生物，有丰富的形态，被分成五类。它们细胞壁有肽聚糖，光合系统复杂，除叶绿素外还有色素（如藻蓝蛋白）。

许多蓝细菌有“异形胞”能固定空气中的氮，还有藻蓝蛋白作为储存物质。

目前全球已测序的蓝细菌约有35种，聚球藻研究很多。螺旋藻（Spirulina）能在高碱湖中生长，形成螺旋形丝，既能大规模养殖，也能作为食品和饲料销售。

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生物技术重点细菌

大肠杆菌（Escherichia coli）是动物肠道里的“常客”。它长得像小棍，有鞭毛，属于革兰氏阴性细菌，有两层膜。

无氧下它靠发酵获得能量，产生有机酸；有氧下能高效“呼吸”。最适合情况下20分钟就能分裂出一代。

它的基因组大约460万个碱基，GC含量51%。虽然基因目录早就弄明白了（1997年），可许多基因具体功能到现在还在研究。

在工业里，大肠杆菌经常拿来做“工厂”，用来生产不需要糖基化修饰的蛋白，比如酶、胰岛素等。出于安全考虑，现在工业常用的都是经过改造、弱化版（S1安全级）的菌株，比如E. coli K12。

大肠杆菌用来做基因克隆的载体种类很多，BAC克隆载体特别适合做大块基因文库。

重点工业应用细菌一览

• 恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）：杆状，鞭毛发达，喜欢有氧水环境生长，能高效降解难以分解的芳香化合物。这一能力还可通过质粒“转让”给别的细菌，非常适合生物环境治理。基因组610万个碱基，GC含量高。

• 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）：杆状，无鞭毛，栖息于土壤，在恶劣条件下能形成耐高温的“休眠体”（芽孢）。革兰氏阳性，基因组420万个碱基、GC含量44%。广泛应用于蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等多种酶和抗生素（杆菌肽）生产，基因工程还培育了高产菌株。

• 谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）：棒状革兰氏阳性，有安全菌也有“坏亲戚”（如白喉棒杆菌）。基因组310万个碱基，GC含量56%。是味精（谷氨酸）、赖氨酸生产主力，还能被改造为高产乳酸、琥珀酸等有用化学品的工程菌。

• 天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）：典型土壤链霉菌，生长似“毛毯”并能形成孢子，偏阳性，可分解纤维素和甲壳素。基因组高达870万个碱基，GC含量72%，远超大肠杆菌。具有大量抗生素生物合成相关基因，是链霉素、红霉素、四环素等重要药物的生产主力，我国在该领域有丰富发酵经验。

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微生物的分离，保存与安全管理

在微生物学实验和生物技术应用里，我们最常用的是“纯培养物”，也就是只含有一种微生物的样品。很多工业菌株会经过多次突变和筛选，让它们变得更好用。为了让这些菌种能长期保存不丢失，通常会放在专门的菌种库里，需要的时候再在实验室的固体或液体培养基上让它们“复活”繁殖。

大多数生物技术用的微生物，靠分解有机物来生活，这叫异养。有些微生物像植物一样能光合作用，培养它们时要给足光照；还有些微生物怕氧气，只能在没有氧气的环境下培养。

环境中分离微生物

其实实验室的“纯菌”可以直接从菌种库买到，但我们也常常要从环境（比如土壤、水、食品或各种生物体）里找新微生物。这时候会用到“富集培养”和“划线接种”等技术。比如：把环境样品稀释后，用消过毒的接种环在琼脂培养基表面划线，让其中的不同微生物单独“长出来”，这样就能分离出单一菌落。

琼脂其实是从海藻里提取出来的，像果冻一样能让微生物在其表面扎根生长。只要为目标微生物设置合适的生长条件（比如只给特别的碳源或氮源、或者控制氧气和光照），就能更容易挑出我们需要的类型。例如：排除氧气、只用二氧化碳当碳源和氮气当氮源，有利于蓝细菌的生长。

在微酸性的糖培养基上培养，可以筛选喜欢酸和耐热的微生物；用特殊的氮源（比如酪蛋白）还能找到会分泌特殊酶的菌种。不过，研究发现用这些传统方法，其实只能“抓”到环境中极少一部分微生物，大多数还培养不出来。

菌种保存的重要性

为了避免有用的微生物“失传”，世界各国都建有大型菌种保藏中心。保存的方法主要有：

1. 在矿物油里保存（用在真菌等）；
2. 超低温保存，比如液氮（-196°C）或-70°C的冷冻柜，通常要加点甘油，防止细胞被冻坏（常见于细菌和酵母）；
3. 把菌悬液滴在沙子或硅胶上，真空干燥后再和一些保护剂（比如脱脂牛奶或血清）一起存-70°C。

不管用什么方法，保存的菌种用之前，都要先做实验，看它们是不是还活着、基因和功能有没有变。世界上还有很多专门保存某一类微生物的机构，比如德国的DSMZ、美国的ATCC和荷兰的CBS等。

很多企业实验室和医院也会自建“小型菌种库”应急。有时，最重要的不是保存整个细菌，而是只保存它体内的“质粒”（一种小型DNA分子，常携带重要基因）。纯化后的质粒可以在-20°C下长期存放，而且容易随时“快递”给别的实验室。

微生物的安全等级和实验室防护

微生物不是全都安全，有的对人类有害。比如：枯草芽孢杆菌没事，是好帮手，但炭疽芽孢杆菌却能致病。又如，米曲霉能做酱油，而黄曲霉却能产生剧毒的黄曲霉素。所以，所有操作都得严格遵守生物安全守则。

微生物大致分为1～4级风险，级别越高越危险。实验室的建设和操作也有严格要求。大部分工业和食品发酵用的常见微生物都属于1级，属于“低风险”，安全措施较简单。越高等级，比如做结核病、埃博拉等病毒研究，就要用到全封闭的实验室和高级别防护服。

中国的《病原微生物实验室生物安全管理条例》专门提出了不同实验室的建设、设备、培训和操作要求。像中国科学院微生物所和中国疾控中心，都有丰富的安全管理经验。

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菌种改良的常用方法

直接从环境里分离出来的微生物，多数没有工业生产需要的所有优点。所以，科学家们会用各种方法去“优化”它们，比如让它们产量更高、副产物更少、抗逆性更强等。微生物改造的好处是世代短（细胞分裂快），短时间内就能折腾出很多不同的变异。

在真菌这样的微生物中，还要考虑到“重组”，就是基因交换带来的新变化。随着我们对微生物的基因和代谢越来越了解，可以通过“定向”的方式删减某些基因或增强某些代谢通路（代谢工程），让菌种越来越符合需求。

诱变：加速进化

自然情况下基因突变速度很慢。要想快，实验室里常用紫外线（UV）或化学药剂处理，让大量细胞发生变化。大部分细胞会死掉（一般要求90%甚至99%的细胞死亡），剩下存活下来的，被挑选和筛查，看是不是有了新本领。

“变种”的选择

“表型选择”说白了，就是挑出特性突出的变异菌种。比如，有抗生素抗性的菌落能活在含药物的培养基上；生产某种酶的菌，会让培养基周围变清亮或有特殊圈。用青霉素能筛出依赖某些营养的“营养缺陷型”菌。还有的琼脂里多加点脂肪酶底物，环的大小就反映这个克隆能产多少酶。

这种方法有很多优点：比如可以一次选很多（一个平板能筛几百个），标准也能很灵活。要是肉眼看不出来，还可以用一些生化反应、抗体法，或者上机器分析（像HPLC或毛细管电泳）。不过，因为突变是随机的，所以得到的菌种常常“身上带病”，需要多批比对，最后在摇瓶或小型发酵罐中测产量、稳定性，再把最优者留下。

有时候优良突变株还会和野生株“杂交”一下，把太多随机突变带来的不良影响“洗一洗”。

连续培养和直接筛选

还有一种“连续培养”方法：把菌种在专门的器械（恒化器）中长期培养，有意识地给压力，比如把好用的碳源慢慢换成更难用的。这么折腾下来，适应新环境的突变菌就会越长越多。

不过，这办法主要适用于筛选适应能力，不适合直接选高产的菌株。

靠这些传统方法，中国发酵产业实现了许多工业化突破（比如青霉素、氨基酸的量产），其中高产菌株的改造和优化起着重要作用。现在，随着合成生物学和基因工程技术的发展，菌种改良也越来越“精准”和高效。

现代分子生物技术的应用

现在，像CRISPR-Cas9这样的基因编辑技术让我们能“指定位置”改微生物基因，比如敲掉或加入某个基因，精确地控制代谢过程。

“代谢工程”能对微生物“体内工厂”的各条生产线进行优化调整，提高目标产物（比如氨基酸、抗生素、维生素等）的产量。

而“合成生物学”更前沿，可以直接设计、拼装新的基因元件，造出有全新功能的微生物。随着这些新技术发展，未来微生物不仅能用于传统发酵制造，也能帮助我们解决能源、环境和健康等各种难题。