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世界科技全景百卷书: 充当人类的好帮手
细菌农药——苏云金杆菌 目前已经发现昆虫的病源微生物有2000多种。这些微生物活跃在自然界就成了害虫的天敌，也成了人们和害虫斗争中天然的“同盟军”。人们精心地培养这些微生物，把巨大数量的活菌体撒布到田间，让它们去发挥威力。与化学农药相比它们对人和动物以及益虫是没有毒性的，使用后一旦害虫被微生物感染能逐步形成害虫的疫病流行，随着害虫的死亡微生物又大量增殖，再去传染别的害虫，很快就会使害虫密度下降，迅速扑灭虫灾，而且还可以收到一年防治，多年有效的好处。 在微生物中用来作为杀虫剂的主要是细菌、病毒和真菌。 最早被用来杀灭农林害虫的微生物，是1911年由德国人贝尔林耐从面粉中取出的淀粉螟的身体里分离出来的。因为这种面粉是德国苏云金城的一个面粉厂生产的，所以贝尔林耐给它取名为“苏云金杆菌”。 苏云金杆菌是一种有芽孢的杆状细胞。菌体呈粗杆状，周身生有鞭毛，菌体长到一定阶段后就能把形成的伴孢晶体和芽孢释放出来。苏云金杆菌主要靠内毒素和外毒素杀死害虫，内毒素产生于伴孢晶体，外毒素产生于菌体。毒素随害虫取食进入消化道后使害虫中毒死亡。目前利用苏云金杆菌防治森林松毛虫、玉米螟、菜青虫、棉蛉虫、柳毒蛾等取得了较好的效果。 苏云金杆菌是目前研究得最多、应用的最广泛的细菌农药。目前，全世界已有这种微生物的20多个变种。我国常用的有苏云金杆菌、青虫菌、松毛虫杆菌和蜡螟杆菌等。现在，人们已经用发酵罐大规模地生产苏云金杆菌了，经过过滤、干燥等过程制成的细菌杀虫剂粉剂，可以像一般农药那样喷雾、喷粉、点兜、泼浇、灌心，非常方便。另外，用日本金龟子杆菌，防治日本金龟子和其他金龟子也取得了显著的成效。 真菌农药——白僵菌 松毛虫是危害森林的大敌。 喷洒化学药剂，尽管暂时能起到一些作用，但化学药剂也能杀死害虫的天敌，到头来可能反而会使害虫更加猖獗！ 科学家们于是又想到了微生物。他们从僵死的蚕体中找到了一种叫做白僵菌的真菌，把它们制成菌剂喷洒到松树上，白僵菌不仅不会杀死害虫的天敌，相反，它们会携手并肩一起向松毛虫发动进攻。白僵菌杀死松毛虫的手段主要是通过菌丝穿过害虫的皮肤进入虫体，另外也可能以孢子的形式通过害虫的嘴巴钻进虫肚子里。有时候，你到田间或者林地去，不是可以看到一些表面密密麻麻地生长着白色、黄色、绿色、黑色或灰色的茸毛，全身僵硬而且很轻的虫尸吗？那就是真菌、特别是白僵菌玩的把戏。原来白僵菌的分生孢子成熟后，能在空气中自由漂浮，当空气中湿度较大时，极易粘附在昆虫的体壁上。在适宜的温度和湿度条件下，孢子吸水膨胀萌发出菌丝，白僵菌能分泌几丁质酶和蛋白质毒素，以溶解寄主体表的几丁质为突破口，很快将昆虫毒死。侵入虫体内的菌丝，直接用昆虫体液和脂肪组织作为营养而生长繁殖，有的菌丝钻入各种组织或细胞内，特别是脂肪组织内，细胞内的原生质被消耗，细胞萎缩，虫体各种组织被破坏。最后，因为菌丝在生长过程中要大量地吸取虫体内的水份，因而虫尸干硬僵化。当菌丝吸尽虫体内的养分以后，便沿着虫体的气门间隙和各环节的间隙伸出体外，生成气生菌丝。在气生菌丝顶端又可产生分生孢子。这时，虫尸上覆盖着白色茸毛和粉状微粒，即是白僵菌的气生菌丝和分生孢子。分生孢子又可随风飘扬，到处传播，可以使一批又一批的松毛虫感染白僵菌而死亡。 不光是白僵菌，大约有530多种真菌能够使昆虫得病。在昆虫的各种疾病里，大约有60％是由这些真菌引起的。白僵菌是其中最重要的一种，它们的分布广，寄主多，使害虫生病的能力强。包括松毛虫、大豆食心虫、玉米螟、茶毒蛾、甘蔗象鼻虫等等在内，有200多种昆虫会遭到白僵菌的袭击，得病后二三天就死亡。 如同苏云金杆菌一样，白僵菌已被我们培养并做成农药，通过喷雾、喷粉等方法，撒布到地里，成为我们对害虫进行“细菌战”的主要武器之一。白僵菌对人畜无害，而对多种害虫却有传染致病作用，因此它是当前一种较好的生物防治菌剂。 值得一提的是白僵菌也能感染家蚕，对养蚕业是一个极大的危害。家蚕被白僵菌寄生后，体表长满白色的菌丝，虫体变得僵硬，这样死的蚕由此而得名叫做僵蚕。僵蚕是一种常用的中药，它对腮腺炎、扁桃腺炎、高胆固醇、脂肪肝都有一定的疗效。 病毒杀虫剂 在防治害虫的微生物队伍里，最小的病毒是一员勇猛的战将。昆虫得病毒病是很普遍的，估计至少有300多种昆虫会感染病毒病。病毒的种类也不少，用来防治害虫的病毒，主要集中在3个类群：细胞核多角体病毒、细胞质多角体病毒和颗粒病毒。 细胞核多角体病毒专门寄生在虫体细胞的细胞核里，身子像根短棍，好几十个一起被包在由蛋白质构成的包涵体里，包涵体通常是多角形的。这种病毒能够袭击200多种昆虫，主要是幼虫。一旦它们闯进虫体，先是蛋白质的包涵体被溶解，接着放出许多杆状的病毒粒子。病毒粒子不断繁殖，不断侵入虫体细胞，使细胞崩裂。病毒靠吸收害虫体内的养分生活，加上破坏虫体的各部分组织，害虫被小小的病毒彻底制服了。 害虫感染上细胞核多角体病毒以后，开始“不动声色”，几天以后，它们才出现有病的症状。一般表现是不安定，到处乱爬，有些老是向上爬，爬到树顶，倒挂而死。虫体的皮肤脆薄，很易破裂，流出乳白色的“脓液”。 细胞质多角体病毒的体形像个小球，一个由蛋白质构成的多角体包藏着几百个病毒粒子。虫体细胞的细胞质是它们寄生的地方。这类病毒一般也是通过害虫吞食的机会，随同食物一起进到害虫肚子里并在肠道里增殖的。得病害虫的症状，往往表现为躯体变小，食欲不振。有些病虫会向畸形方向发展：头显得特别大，毛显得特别长。害虫受到细胞质多角体病毒感染后，患病一二十天之后就会死亡。 再来说说颗粒病毒。其病毒粒子也是杆状的，但是被包藏在叫做被囊的包涵体里，一个被囊只包藏一个病毒粒子，所以比多角体小得多。大约有30多种颗粒病毒能使昆虫生病。害虫生起病来，同细胞核多角体病毒差不多，从食欲减退，直到停止取食，血液变为乳白色而死亡。害虫从发病到死亡，一般只要四五天时间。这是由于这种病毒主要侵染害虫的脂肪组织细胞和血细胞所致。 各种病毒对于水稻夜蛾、棉铃虫、地老虎、菜粉蝶等都有很强的杀伤作用。 由于侵染昆虫的病毒感染力强，对人畜无害，不污染环境，杀虫效果好，一些国家已经开始把它们做成杀虫剂出售。比如，加拿大的云杉叶蜂曾经是森林里的大害虫，自从欧洲引进了云杉叶蜂的细胞核多角体病毒以后，病毒在森林里自行繁殖，使这种害虫得以控制。 不过，病毒杀虫剂制备比较特别，因为病毒只有在活性细胞中才能繁殖，为了得到大量的病毒，先要收集大量的昆虫，然后让它们感染上病毒，再把得病的虫磨碎，才能获得病毒虫剂的产品。到目前为止，大规模生产病毒杀虫剂还是有困难的。 细菌肥料 说到肥料，人们很自然会想起工厂里生产的各种化学肥料，以及人畜粪尿等一些有机肥料。 其实，辽阔广袤的地球表面三四十厘米厚的土壤就是一个天然的肥料厂，这里生活着无数个微生物，它们在生活的同时产生各种代谢产物，供给植物生长所需要的养料。 有经验的农民都知道，在贫瘠的土地上种植一般的庄稼是长不好的，但是种豆科作物却往往生长旺盛，这是为什么呢？ 拔起一棵大豆，洗掉根上的泥土就会看到，大豆根部除了长有像胡子一样的根毛外还长有许许多多的小圆疙瘩，形状像“肿瘤”，所以叫根瘤。把它挤破，除了一些带有腥臭味的“红水”外，似乎看不到它们有什么特别之处。但是，当我们把这种汁液放到显微镜下去观察就会发现，原来这些“红水”里，竟有那么多球状、杆状的微小生命在活动呢！这些小生命就是大名鼎鼎的根瘤菌。 根瘤菌和豆科植物，可谓一对亲密无间的好朋友。根瘤菌在侵入植物根部后会分泌一些物质能刺激根毛的薄壁细胞很快增殖形成“肿瘤”。在瘤中，瘤菌是依赖于植物提供营养来生长、繁殖，同时，它们也有一种特殊的本领，它们随身带有一种奇妙的物质——固氮酶，可以把空气中游离的氮固定下来，供给植物利用，这叫固氮作用。一个小小的根瘤就像一个微型化肥厂一样源源不断地把氮变成氨送给植物吸收。 1886年俄国的学者奥拉尼首先从豆科植物（羽扁豆）的根瘤中发现根瘤菌。1888年荷兰学者贝耶林克又分离到纯的根瘤菌种。十年后俄国学者着手研究制做根瘤菌肥。1935年前苏联建立了世界上第一座根瘤菌肥工厂。我国正式生产应用根瘤肥是在1950年，到50年代末期，全国各地已普遍生产和使用。 有固氮作用的微生物很多。目前，在农业生产上应用的固氮微生物肥料主要有共生根瘤菌肥、自生固氮菌肥和固氮蓝藻肥三类。 共生根瘤与植物之间有着共生的关系。一亩土地中所含的根瘤菌在一年的时间内可以固定10～15千克的氮，这相当于向土壤中施加 50～75千克的硫酸铵。自生固氮菌能独立生活并进行固氮作用，其种类较多，有的是好氧菌，有的则是厌氧菌。在一亩土地中的自生固氮菌一年内固定的氮气约有2.5千克，相当于12.5千克硫酸铵。 自生固氮菌肥料的研制开始于1911年，直到1937年才在前苏联大量地生产和施用。我国正式生产施用自生固氮菌肥料是在1955年以后。我国的微生物工作者在东北地区找到一种自生固氮菌，制成菌肥以后用在谷子、高粱和玉米等一些农作物上，都取得了明显的增产效果。 固氮蓝藻有在水中固氮的本领，是提高水田肥效很有前途的一类微生物。每年若向每亩水田中施放2.5千克蓝藻，它们的固氮效果就相当于施加45千克的硫酸铵。 固氮蓝藻制剂在水稻上应用，我国是从1956年开始进行这方面研究的。我国虽然起步较晚，但是对基础理论的研究比较深入，应用效果比较明显，已达到了世界先进水平。 我国人民很早就知道利用微生物的固氮作用来提高土壤肥效。远在几千年前，就已经把瓜类和豆类轮作种植以提高产量，而在西方采取轮作种植技术是在18世纪30年代以后的事。 把固氮的微生物进行人工培养获得大量的活菌体，然后用它们拌种或施播，这就是最近迅速发展的细菌肥料。细菌肥料不仅能提高农作物产量，而且因为活的菌体能在土壤中继续生长繁殖，有一年施加多年有效的好处。 1953年，我国的农业科技工作者，研制成功了一种新型微生物肥料——5406抗生菌肥。这种菌肥是黄放线菌的制剂，菌种经人工培养接种在豆饼和肥沃土壤的混合物中，堆积发酵5～7天而成。5406抗生菌，具有成本低、肥效高、抗病害、促生长、水田和旱田都能使用的优点，50千克可相当于8.5千克硫酸铵的肥效，对粮棉油麻等作物均有良好的增产效果。 能够制成菌肥的还有磷细菌和钾细菌等微生物，以及氮、磷、钾三种细菌的混合肥料。这种混合肥料既有固氮作用，又能分解土壤和肥料中难溶于水的含磷和钾的物质供农作物吸收利用。同时，在这些细菌的新陈代谢过程中还能分泌一些对农作物生长有利的刺激素。据试验，在晚稻中使用混合菌肥可使产量提高10％，在地瓜种植时使用可增产20％以上。 动植物的残体经微生物作用以后可以生成一种黑色或棕色的复杂的高分子有机化合物叫做腐殖酸。腐殖酸不溶解于水。与碱类作用后可生成溶解于水的腐殖酸盐，如腐殖酸钾、腐殖酸钠、腐殖酸铵、腐殖酸钙，这些化合物既有农家肥料的多种功能，又含有速效养分，与化肥相似，所以把它们叫做有机化肥或腐肥。腐肥本身是一种好肥料，而且它还能活化土壤中的微量元素供给植物利用，特别是磷的活化，可以使土壤中的有效磷提高20％左右。土壤施加腐肥后能增加土壤的团粒结构、改善土壤的酸碱性，有利于植物生长，同时促进了土壤中有益微生物的活动。分解纤维素的微生物约增加一倍，氨化细菌增加一倍多，自生固氮菌能增加两倍以上。此外腐肥能刺激植物的多种酶的活性加强，这样就使植物的“胃口改善、食欲加强”长得快、果实大，使用后产量一般可提高10％～30％。 细菌饲料 当前，发展畜牧业的矛盾主要是饲料问题，解决好饲料问题的关键，在于搞好粗、细饲料的搭配，以及提高粗饲料的营养价值。利用微生物改造饲料不仅能够延长存放时间，以旺补淡，使牲畜一年四季都能吃到青饲料，而且饲料经微生物作用之后变得又好吃、又有营养。 我国北方利用微生物技术制作青贮饲料非常普遍，具体做法是：夏秋时节青饲料大量收获时，把青饲料堆放起来，利用自然生存的和人工接种的乳酸杆菌的作用，让它们大量繁殖，从而抑制了引起青饲料腐烂的微生物的生长繁殖。如果在青饲料中加入一定比例的乳酸杆菌的营养物质，例如米糖等，乳酸杆菌就会生长得更好，然后用塑料薄膜或砂土将青饲料密封起来，可以贮存一年以上，因而它又有长贮饲料之称。 稻草、麦秸的资源十分丰富，但由于它们的主要成分是由纤维素组成的，牲畜吃了很难消化，且由于其可口性差，许多牲畜 （如猪）并不爱吃。利用微生物对秸秆类物质的分解作用，可提高这种粗饲料的营养成分及可口性。通常作法是：把秸秆类物质粉碎后，加入一定量的水分，接入菌种 （多为霉菌和酵母菌）进行堆积保温发酵，也可以加菌种进行自然发酵。由于微生物生长繁殖的结果，发生了一系列的生化反应，因此伴有酸、甜、香等气味发生。习惯上把用这种方法制做的饲料，叫做发酵饲料。又因为搞这类饲料的目的之一是期望把秸秆中的纤维素转变为糖，所以又称为“糖化饲料”。 微生物制造菌饲料的原理是利用各种微生物的代谢本领。利用有的微生物善于分解纤维素的能力，改善饲料的营养价值。利用有的微生物产生具有杀菌能力的物质像乳酸，可以延长贮存期。同时饲料经微生物发酵以后，还能减少饲料中致病菌的数量，对减少牲畜的病害也有一定好处，有的微生物菌体本身就是一种极好的饲料。 特别值得一提的是，菌体蛋白饲料 （即纤维蛋白饲料和烃蛋白饲料的统称）的研制成功，将为饲料的工业化生产开辟出一条新的道路。利用锯末、废木材等纤维素和石油的馏分产物为原料，接种上理想的微生物，经过生长繁殖，便可获得大量的微生物菌体。据测定，菌体中所含的营养物质，其营养价值可与鱼粉、大豆等相媲美。豆饼中蛋白质的含量为45％，菌体中蛋白质的含量竟高达50％以上，并且还含有一定量的B族维生素和维生素D等。1吨菌体蛋白饲料所含的营养物质相当于80吨的青饲料。用菌体蛋白喂养奶牛，每天能多产牛奶六七公升，而且奶中的脂肪含量也有提高。用来喂猪，体重经对照也明显增加。养鱼长得快，体肥个大。养蜂能使蜂加快繁殖。特别值得一提的是，蚕对菌体的蛋白也有“兴趣”，如果大力推广，也许我们靠桑叶养蚕的状况会有一场革命呢！ 赤霉菌与洋白菜 5米高的洋白菜并非天方夜谭，早在本世纪50年代，人们已经培育出这么高大的洋白菜了。洋白菜能长得那么高，这全是赤霉素的作用。 赤霉菌属包括许多寄生于植物的病菌，如小麦赤霉病菌，水稻恶苗病菌等，其中水稻恶苗病赤霉菌就是赤霉素的产生菌。 赤霉素俗称“920”，是一种生长刺激素，利用赤霉素可以促进植物细胞的伸长和分裂，使细胞分裂速度提高5～6倍。然而万物都是有利有弊的。水稻田中的赤霉素正是导致水稻疯长的“罪魁祸首”。赤霉菌产生的赤霉素导致水稻幼苗迅速生长，是由于土地肥力跟不上，就会引起水稻幼苗疯长，结果植物株高大，但不结稻米，使水稻成了茁壮的“观赏植物”了。因此，在利用赤霉素加速植物生长时，必须加足够的肥料同时配合使用短壮素才能收到好效果。 赤霉素做为一种高效植物激素可以促进许多植物生长。它可以提高水稻的产量，同时稻米中的蛋白质含量也大大增加。用赤霉素培育棉花植株，也可以大幅度改善棉花的质量。有趣的是，赤霉素虽是一种植物激素，但是对于动物体也有明显的刺激作用，用它做外伤药可以促进组织生长，加速伤口痊愈。 利用赤霉素发酵法可以获得更多的赤霉素。赤霉素的作用效力强，即使很稀的水溶液施于农作物上，也可以获得满意的效果。因此使用赤霉素高效而又经济，很有发展前途。 松毛虫的克星 松毛虫是危害森林的大敌，它们能把松树的针叶吃个精光，导致生长茂盛的松树大片大片地死亡，但是松毛虫一遇到白僵菌后，就会浑身长满白茸，最后僵硬而死。白僵菌是人们从僵死的蚕体中发现的一种真菌。那么，白僵菌是怎样杀死松毛虫的呢？原来白僵菌的分生孢子成熟后，能在空气中自由漂浮，当空气中湿度较大时，极易粘附在昆虫的体壁上。在适宜的温度和湿度条件下，孢子吸水膨胀萌发出菌丝，白僵菌能分泌几丁质酶和蛋白质毒素，以溶解寄主体表的几丁质为突破口，很快将昆虫毒死。侵入虫体内的菌丝，直接用昆虫体液和脂肪组织作为营养而生长繁殖，有的菌丝钻入各种组织或细胞内，特别是脂肪组织内，细胞内的原生质被消耗，细胞萎缩，虫体各种组织被破坏。最后，因为菌丝在生长过程中要大量地吸取虫体内的水分，因而虫尸干硬僵化。当菌丝吸尽虫体内的养分以后，便沿着虫体的气门间隙和各环节的间隙伸出体外，生成气生菌丝。在气生菌丝顶端又可产生分生孢子。这时，虫尸上覆盖的白色茸毛和粉状微粒，即是白僵菌的气生菌丝和分生孢子。分生孢子又可随风飘扬，到处传播，可以使一批又一批的松毛虫感染白僵菌而死亡。白僵菌不仅能防治松毛虫而且还能防治多种害虫，目前已经知道，至少有200种以上的昆虫可受到白僵菌的侵袭，其中不少是对人有害的，如玉米螟、大豆食心虫、蝗虫、苹果食心虫等等重要害虫。此外，白僵菌对人畜无害，而对多种害虫却有传染致病作用，因此它是当前一种较好的生物防治用菌剂。 沼气与沼气发酵 沼气是有机物经厌氧微生物发酵作用产生的可燃性气体，由于最初发现于沼泽中，故名沼气。实际上，在腐烂有机质含量丰富的池塘和粪坑中，也经常产生沼气。 沼气中含有甲烷、氢气、硫化氢和一氧化碳等多种气体。其中，甲烷的含量为 60％～75％。甲烷是一种可燃性的气体，燃烧的最高温度可达1400℃左右。因此沼气是一种理想的优质燃料，沼气发酵后的泥渣，除含有氮磷钾以外，还含有许多腐殖质，是一种很好的肥料。 有机物经发酵作用产生沼气的过程，是在无氧条件下经多种微生物综合作用的结果。参与发酵作用的微生物，按其作用不同可分为2大类：不产甲烷菌和产甲烷菌，其发酵过程也分为产酸和产甲烷阶段。 发酵过程的第一阶段是产酸阶段，复杂有机物纤维素、果胶质等，被各种不产甲烷菌如纤维分解菌，果胶分解菌等分解，产生丁酸、乙酸、乙醇、甲醇等简单有机物以及CO、H等气体。含氮有机物分解后除产生有机酸和 2 2醇外还生成NH和HS。 3 2 第二阶段为产甲烷阶段，产甲烷菌利用第一阶段的分解产物乙酸、甲酸、乙醇等做为碳源，NH做为氮源进行生长繁殖，甲烷则是产甲烷的一种代谢产 3物。以上过程，也就是沼气池中发生生化反应的过程。 产甲烷菌都是专性厌氧细菌，只在完全无氧的环境中生活，繁殖速度较慢，产甲烷菌几天才分裂一次，而大多数细菌在适宜条件下，20分钟左右即可分裂。 已知的产甲烷菌只有十几种，主要有产甲烷杆菌，甲烷八叠球菌，产甲烷螺菌和瘤胃甲烷杆菌等。 产甲烷菌在自然界中常见于沼泽，池塘中的污泥中，食草动物的盲肠、瘤胃中也有大量的产甲烷菌，常随粪便排出，因此在制沼气时，可用塘泥及牲畜粪便接种。也可不专门接种沼气细菌 （不过，为了提高产沼气量，新池投产前还是人工接种沼气细菌的好）。沼气细菌产气的速度一般随温度的升高而增大。根据沼气细菌最适产气温度的不同，可分为中温发酵（最适产气温度为30～35℃）和高温发酵（最适产气温度为50～57℃）两大类。高温发酵时，能杀死虫卵，但高温发酵要消耗较多的热能。所以，在卫生条件要求不高时，多采用中温发酵。当温度在8℃以下或60℃以上时，沼气细菌的生长繁殖受到抑制，产气很少，甚至不产气。这就是为什么冬天沼气池要保温的原因。 为了保持沼气发酵的最高产气量，还必须不断地供给沼气细菌所需要的营养物质，并定期进行搅拌。不过，在沼气发酵的过程中，投料量不宜过多。过多的有机物质，会造成有机酸的累积，使得池中的酸度增加，不利于沼气细菌的生长繁殖。 在反刍动物瘤胃中，有大量纤维分解菌、产甲烷菌和其他厌氧微生物存在。这些微生物利用动物吃进的草料做为营养物质，其中的纤维分解菌可将纤素分解，并经发酵作用生成各种有机酸和醇类。这些简单有机物可供产甲烷菌做为碳源，因此，在牛和其他反刍动物的瘤胃中，也进行着类似沼气池中的发酵过程。其中的微生物代谢产物，可以直接被反刍动物吸收利用，而大量繁殖的细菌本身则可被胃液中的蛋白酶分解，生成氨基酸、维生素，成为有价值的营养物质。发酵过程产生的气体CH、CO等，则在逆呕过程从口 4 2腔中排出。据实验，一头大肥牛瘤胃可容纳100升发酵产物，每天排出的气体中，有200升甲烷。 微生物能源并非只有沼气一种形式。人们利用厌气、兼性细菌和部分营光合作用的细菌，对草、作物秸秆等进行发酵，能够产生氢气。氢气是一种极为理想的清洁燃料，它在燃烧过程中除释放出能量外，废物只有水，绝对不会造成环境污染。 净化废水 人们生活离不开水，水源又多取自江河湖海。长期以来它们为人类提供了生活用水和水产资源，人们也将一定限度的生活污水和工业废水排入江河，靠水体自然净化。这种相互共存的和谐关系一直维持了千百年。 随着工业的发展以及人口的增加，化工厂、染料厂、石油冶炼厂的废水大量排入江河，昔日清洁的河水变脏变臭，水中鱼虾被毒死甚至灭绝，清澈的湖泊变成死水一潭。 为什么过去的年代里人类能和江河和睦相处，相互依赖，而现在却一反常态了呢？ 原来水中含有许多微生物，主要有原生动物、细菌、真菌、藻类。其中细菌的数量最多，其次是原生动物，如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫等。纤毛虫常见的有：草履虫、枝虫、钟虫。这些微生物能把水中的有机物变成简单的无机物，通过它们的生长繁殖活动使污水得以净化。 在自然状态下，细菌分解有机物的能力最强，将有机物转化为细菌的细胞和天机物质。无机物质又被藻类转化为藻类的细胞，这些细菌和藻类又成为原生动物的食物，水中的鱼常以原生动物等微小生物为食，鱼类又是人类的食物。当人类再一次将废物排入海中时，水中的细菌又将其分解，如此循环下去，从而保持了生态平衡。 在水体正常的生物循环中，水的净化是有一定限度的。能够净化的有机废物的最大数量称为水的自净容量。当污水量超过其自净容量时，则水中的生态平衡遭到破坏，当污染严重时鱼类则死亡，水质变黑、发臭。 1953年日本的水俣市发生了“狂猫跳海奇闻”，与此同时在市郊工业区排水口的海湾里大量鱼类死亡。医院里也发现有奇怪病症的患者，因为这种病最早出现在日本的水俣，所以把它叫做“水俣病”。 为什么猫会发疯？鱼类会死亡？人得怪病呢？后来，经过许多科学家的研究才搞清楚，原来是工业废水未经处理排入水中造成的。我们知道，汞及其化合物都是有毒物质，在含汞量为0.01～0.02毫克/升的水中，鱼就会中毒，而人不小心吃了含汞量高的鱼类，就会患水俣病。甲基汞中毒患者常常出现精神混乱，进而疯狂痉挛致死。 一些化工厂、染料厂、炼油厂的工业废水中常常含有汞、铅、镉、丙烯腊等。如果水中的烯腊含量超过25毫克/升，鱼类就会死亡，人畜饮用就会中毒。含酚量超过0.1毫克/升时，鱼肉则有异味不能食用。含酚量超过5毫克/升时，鱼就会死亡。有毒工业废水和大量生活污水未经处理直接排入江河湖海，不仅破坏了自然的生态平衡，还会直接危害人们的健康，这个问题已引起世界各国的高度重视。许多国家都制订了环境保护法规，采取了废水治理措施。 处理废水的方法有：物理方法、化学方法、生物处理方法。生物处理废水效果好，成本低，被人们广泛使用。 微生物中有少数细菌在没有空气的地方不但不会死亡，反而会生活的更好，这类细菌叫做厌氧细菌。如甲烷细菌的杆菌和球菌、非甲烷菌的杆菌、放线菌、大肠杆菌。还有一部分细菌在无氧时能生活，在有氧时也能生活，这些细菌叫兼性厌氧细菌。如兼性变形杆菌。绝大多数细菌必须在有氧时才能生活，这类细菌叫做好氧细菌，如球衣细菌、丝硫菌、丝状菌等。 生物处理方法，根据好氧细菌和厌氧细菌为两大类，通常所见为：氧化塘、曝气池、生物转盘、生物滤池等氧化塘就是在天然或人工整修的池塘里，利用水中生长的微生物处理有机废水的设施。池塘中的氧气可通过水面自然补气和藻类的生化作用来补气。其中主要植物性浮游生物是绿藻类的小球藻。原生动物是鞭毛虫类的滴虫、眼虫等。 活性污泥法就是利用废水中有机污染物为培养基，在有溶解氧的条件下，连续地培养活性污泥，利用活性污泥中的活性微生物净化废水。其主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。采用好氧处理方法，因为好氧细菌在分解有机物时需要充足的氧气，所以曝气池中必须打入空气或机械搅拌使空气中的氧溶入水中。 生物膜法和活性污泥一样，同属好氧处理方法。活性污泥法是依靠曝气池中的活性污泥来净化有机物，而生物膜法是依靠附着其表面的微生物来净化有机物，故称为生物膜法。通常有生物转盘和生物滤池。 生物转盘是一个个装在槽里的圆盘，圆盘上生长着微生物菌膜。圆盘慢慢地转动，菌膜忽而浸在水里，忽而露于空气中；在水里的时候吸收营养净化污水，与空气接触的时候就夺取氧气，加快繁殖。 生物滤池是一种简便有效的办法，它是在滤池上面铺一层碎石、卵石、煤渣、焦炭等组成的滤料，把培养好的微生物放在里面让它们定居下来，不断繁殖发展形成一层菌膜。菌膜由细菌的菌胶团和真菌的菌丝组成，有很大的表面积，当废水从上向下流过菌膜的时候。废水里的许多有机物就被菌膜留住，并氧化分解成无毒物质。上面流来的是废水，下面流出的就是净水了。这种方法能处理很多的不同性质的废水，而且花钱少，管理方便，但处理的效率赶不上活性污泥法，而且有池塘的臭气，有碍环境卫生。 大自然的清洁工 现在，越来越多的人认识到，人类要想长久地生活下去，就必须考虑环境问题，必须为我们地球“母亲”的现状着想。不能只想到从她身上吸取财富，还要保护她，在与她保持和谐的前提下，求得人类自身的发展，否则人类的灭亡只是时间问题。西方出现了旨在保护环境的政党——绿党；各国先后制订了环境保护法，以强制社会注意环境保护问题。在人类历史上，还从来没有过像今天这么强烈的环境意识和地球意识。有了意识只是第一步，紧接着还要用技术手段来实现环境保护的愿望。在这场大战役中，微生物又找到了它大显身手的战场。 废水是污染环境的重要材料之一，它主要含大量有机物质，其中主要成份之一是纤维素，如果将含有纤维素酶的细菌，例如假单孢菌、梭菌、类菌体等大量繁殖后，放入废水中，它们将靠自身释放的纤维素酶将水中的纤维素降解为一系列简单的小分子有机物，例如乳酸、醋酸、甲酸、乙醇以及短链化合物等，然后被继续降解或者靠甲烷菌作用，还原为H，CO和CH。还 2 2 4有许多微生物含有硫酸盐酶，能将废水中的另一主要成份——有机硫酸盐降解为无机硫酸盐和相应的醇。 大海总给人带来希望和遐想。蔚蓝的海水拍击着海岸会使人联想到生命的搏动。但是这一美好的领域也常常成为污染的对象。最常发生的事情便是港区的海面被石油污染，怎么办？这件事可以由能够分解石油的海洋微生物去办。例如海洋酵母菌等，它含有许多可以裂解石油的酶，把石油一步一步地降解为小分子，这时海面上的油迹也就无影无踪了。 微生物是出色的大自然清洁工，它的武器就是体内含有的形形色色的酶，只要遇到“可口”的垃圾，它便不要命地大口大口地吃，直到吃光为止。如果力量不够，它会自我繁殖，很快壮大自己的队伍。所以在与自然求和谐的时代，微生物是名符其实的“风云人物”。 在工厂里种粮食 农业生产历来都是靠天吃饭，农民一年的辛勤耕作常因一场自然灾害而毁于一旦。尽管农业生产在不断发展，但还是追赶不上人口增长的速度，世界上还有不少地区粮食严重短缺。同时，土地已超负荷运转，土壤肥力又逐年降低。如何解决这一系列的问题呢？ 人们想到了微生物。有些微生物所含蛋白达40％～80％，是营养丰富的理想替代食品。还有些微生物体内含有大量的人体必需的氨基酸和维生素，这些物质在普通食品中含量很少。 那么，如何培养这些“高蛋白”的菌体呢？通过长期探索，人们发现了微生物能利用石油的奥秘，为人工大量培育可食菌体开辟了光明的道路。利用石油发酵法，原料成本低，但生产效率高，生产蛋白质的速度是粮食生产的几百倍。可以想见，如果石油发酵法得以推广，人类的食物结构就可能有了一次飞跃性的改变。这种利用石油发酵法生产的菌体蛋白叫做石油蛋白。石油蛋白目前还有一个严重的问题有待解决。石油中的稠环芳香烃被认为是致癌物质，石油蛋白生产过程中，不可能不混入这些烃类物质，在谈癌色变的今天，它就成了一个阻碍石油蛋白推广使用的最大绊脚石。目前，石油蛋白仍处在研究阶段。 据报道，利用酵母菌生产蛋白质比种植大豆要经济得多。酵母菌含蛋白质55％，大豆含蛋白质34％，若每年世界人口增长7000万，所需蛋白质，若培养酵母菌只用200吨罐2500个即可满足。而种植大豆，将要种植3600万公顷。另外酵母菌比动植物繁殖快8000倍，而且含有人体所必需的氨基酸。 微生物不仅可以生产大量的蛋白质，有些微生物还可以生产另一种高能营养物质——脂肪。利用菌体生产脂肪已有七八十年的历史了，人造脂肪中含有大量的不饱和酸，食用之后不仅可以预防心血管疾病，而且可以医治动脉硬化等。 随着地球上人口的迅速增长，改变人类的食物结构似乎势在必行。也许就在不久的将来，味鲜的人造菌体食品将会走入千家万户。 微生物发电 利用微生物可以产生氢气，有了这种氢作燃料，就可以制造出氢氧型的微生物电池来。微生物电池是一种燃料电池，燃料产电池的作用原理是这样的：让燃料在负极的一边发生化学反应，失去电子；让氧化剂在正极的一边发生反应，得到从负极经过导线跑过来的电子，这时候导线里就有电流通过。 微生物电池的电池燃料主要是氢、氨、甲烷等等。如美国宇航局曾设计了一种方案，用一种芽孢杆菌处理尿，生产出氨气，以氨作为电池燃料，获得微生物电池，从而得到了电能。当然，还可以让微生物从废水的有机物当中获得营养物质和能源，生产出电池所需要的燃料。 目前，微生物电池的研究还处于试验阶段，它所提供的能量很少，但是，随着科学的进一步发展，也越来越引起人们的重视，相信在不远的将来，微生物电池能为人类提供更多的能源。 微生物产生氢气 氢能燃烧，是一种发热本领最高的化学燃料，燃烧1公斤氢放出的热量，相当于燃烧3公斤汽油或者4.5公斤焦炭。 氢本身无色无味无毒，它燃烧后只产生水汽，不会造成环境污染，可以说是一种很干净的燃料。 现在，煤炭、石油和天然气作为人类生活中的主要能源被利用着。它们储存的化学能是由生物在几千年中才积累起来的。随着各国工农业的发展和人民生活水平的提高，能源的消耗与日俱增，据估计，这些化石资源在今后一两百年内就会涸竭，人类即将面临能源的危机。但是，氢的来源却无限丰富，地球上有的是水，水就是氢和氧的化合物。人们发现了不少能够产氢的细菌。一类叫化能异养菌，它们能够发酵糖类、醇类、有机酸等有机物，吸收其中一部分的能量来满足自身生命活动的需要，同时把另一部分的能量以氢气的形式释放出来。另一类能够产氢的细菌是光合的养菌，它们能够像绿色植物那样，吸收太阳光的能量，把简单的无机物合成复杂的有机物以满足自身的需要。同时产生氢气。 利用微生物生产氢气，目前还处于探索阶段，科学家们正不断寻找和培育产氢能力更强的微生物，希望在不远的将来，我们能以水作原料，靠太阳提供能量，利用微生物生产出更多的氢气来。 用微生物提取黄金 提到黄金大家都很熟悉，因为黄金自古以来常被人们用做装饰品，皇家贵族还用它做生活器皿。如今，黄金的用途远不止这些，它已走进了电子和宇航工业；成为做金币材料和牙科材料。据报道，盛产黄金的国家主要是南非、俄罗斯、加拿大及中国等地。 一个世纪以来，90％以上的金厂都是用有毒的氰化物从脉金矿中出金。由于氰化物提金存在着溶剂剧毒的弊端，人们一直在寻找无毒的浸金溶剂。其中利用微生物的某些代谢产物提取金，就成为人们研究的重要课题。 有些微生物或其代谢产物，对金、银或包裹金银的硫化矿物，具有溶解、吸附、氧化等作用，人们利用这些作用，开展了提取矿石中金、银的研究。近年来，这方面的研究进展很快，有的已进入工业生产。 据报道，俄罗斯在寻求无毒生物提金剂方面作了大量的研究，他们曾做了不同细菌溶解能力的比较试验，并且发现某些巨大芽孢杆菌等溶金效果很好。 为找石油立大功 石油被人们誉为“液体黄金”，是当前能源的骄子。现在的工农业生产以及化学工业都需要大量石油。因此，如何勘探石油就成为一个极有价值的研究问题了。 石油勘探的方法很多，其中微生物探测是其中的方法之一。石油是一种混合物，其中含有大量烃类物质。虽然石油埋藏在地层深处，但这些烃类物质，还是可以通过扩散作用渗透到地壳表面来。有些微生物专吃这些烃类物质，如果微量的烃类物质有了较多积累，这些微生物就可以大量繁殖，我们依靠对微生物的观察就可以断定地下是否贮藏有石油。这种方法简单易行，可以辅助其他勘测方法，综合使用能提高勘探准确度。由于这些细菌具有指示油田位置的功能，因此人们称之为“指示菌”。 工业废气二氧化硫是一种毒性很强的气体，它能引起人类多种疾病，甚至致死。大气中二氧化硫含量是环境保护的一个重要参数。真菌和藻类的共生体地衣，就对二氧化硫特别敏感，即使大气中含有极微量的二氧化硫，也会影响地衣的生长，因此用地衣可以灵敏地获得大气污染的信息。另外，例如噬油菌、蛭弧菌和乳节水霉等都对污水有特殊的敏感性，可以检测污水污染情况。 有些指示菌并非依靠自身进行指导。现代技术使得我们可以用放射性同位素喂养细菌，将能够不断辐射的放射性同位素结合在菌体上，制成示踪菌体。利用仪器可以接收到示踪菌体上同位素放射的射线，从而确定菌体的位置和密度等重要数据，这些数据对于研究传染病流行的渠道等都具有很大价值。 |
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