微生物：工业应用前景无量！

前面讨论了微生物对工业资源形成的重要性，最后一段中，我还提到了微生物在工业中的应用。今天，所有这些工艺都能付诸使用吗？还是说它们并没有什么用武之地？

粗略的回答是，目前本行星上的煤、石油、甲烷和硫黄等矿藏都还足够人类再使用一些时间，而如果这些基本物质出现任何短缺，最符合逻辑的解决方法，是利用核能或水电能通过某些工业化学工艺来生产之，而不是模仿它们的自然形成途径。但是，人并非都按逻辑办事。也许是由于天生目光短浅，我们无法全球统筹地来使用本行星的资源。局部的原料短缺是我们这个只能有部分文明的行星的慢性病，一个典型事例出现于20世纪50年代早期。那时，西欧工业的典型代表——英国工业要依靠从美国进口天然硫黄来运行。到1950年，现有硫黄储备消耗率超过了新矿的发现率，美国硫黄价格上扬，雪上加霜的是，第二次世界大战导致美元紧缺，于是英国和大多数西欧国家发现，它们的工业恢复受到了世界硫短缺的严重阻碍。硫短缺刺激了进一步的勘探，许多新矿藏被发现，但是，硫黄危机只推迟了10年左右。到20世纪50年代中期，硫短缺得到了缓和，但1963年，硫黄消耗量再次超过新矿藏的发现量，新的硫黄短缺再次出现。好在这次问题不太严重，因为在20世纪50年代期间，一些主要工业已改用黄铁矿和别的矿物作为生产硫酸的原料了。快到20世纪70年代时，硫黄供应再次缓和，但在20世纪70年代中期，新的硫黄短缺似乎又成了燃眉之急，后来由于经济衰退，对硫的需要减少了。然而，据可靠消息，由于消耗太快，世界天然硫资源已经用不了几十年了。

由于20世纪50年代初期的硫黄危机，英国某实验室基于自然界硫酸盐还原菌的作用方式，开发出了一项用微生物来制造硫酸的工艺。在本人的积极参与下，已故的巴特林（K. R. Butlin）及其同事们表明，用硫酸盐还原菌发酵污水，所得到的硫黄是可以满足英国的需要量的。这种工艺是把堆肥污泥和石膏（硫酸钙）拌和在一起。产物实际上只是硫化氢而不是硫黄，但这同样是有用的，因为我们可根据需要，以不同的工业化学工艺将其转变为硫黄或硫酸。经过上述处理的污泥有利于进一步处理，因为它的沉淀特性得到了改善，就不用费工夫去排除水了，伦敦的污水处理厂曾将这项工艺发展到小型试验工厂的规模。然而，市场竞争压低了硫酸的价格，所以这项工作未能继续进行。英国的硫黄甚至变得多少可以自给自足了，所以勘探工作就相应地放慢了步伐。用微生物学方法生产硫黄似乎无法满足英国对硫的需求，但对于那些工业化程度低和外汇储备有限的国家来说，以污泥生产硫黄的微生物学工艺或许还是可取的。一种由工业废料生产硫黄的相关工艺已被捷克斯洛伐克所采用；在印度某些地区，硫黄作坊已经成为一种可行的小型工业。

在亚洲和非洲的工业欠发达地区，人们已经开始使用一种设备，这种设备利用细菌发酵农业废料和污水来生产甲烷，而靠细菌从农业废料生成的甲烷来启动冰箱的装置，也已在热带地区投入使用。这样产生的甲烷常含有氢和二氧化碳，但不失为一种优质燃料。在印度和一些不太发达的国家，它被冠以生物气体之名，用来作为对更昂贵的（或更不易获取的）化石燃料的补充；由于当今世界能源的短缺，生物气体已引起了生物工程学家们的特别关注。实际上，甲烷是日常污水处理中某阶段的常规产物，而在高度工业化的国家，较完善的污水处理厂会利用污水消解中生成的甲烷来开动机器，有时甚至用来发动卡车，有些污水处理厂向乡村供应甲烷。在第八章中，我将结合污水处理讨论一下甲烷的生产。

当产品是硫或甲烷这类简单化学物质时，考虑到经济因素，微生物工艺是需要一种廉价的废料来做为原料的。例如，工业酒精向来就是由酵母菌发酵糖蜜（制糖工业的一种下脚料）而获得的。在亚硫酸盐存在的情况下进行酒精发酵，则可以生成甘油。重要工业溶剂丙酮和丁醇是糖蜜经丙酮丁醇梭菌发酵生产的——南非仍在使用该工艺。用于电镀、纺织工业以及作为食品添加剂的乳酸，有时是通过乳杆菌发酵来生产的。乙酸则时常用传统的醋酸发酵作用来进行工业生产。然而，所有这些产品，现在都可通过纯化学工艺，作为石油工业的副产物很容易地被生产出来。一些拥有现成设备的工厂，会采用发酵工艺来制造这些简单的化学物质，但直率地说，工业发酵作用很少具有经济上的吸引力。因为微生物常在十分稀的溶液中生成产物，这就意味着，人们还必须应用昂贵的浓缩工艺对其进行处理。尽管工业对产品本身的需要不断增长，但考虑到上述事实以及原料必须便宜的原则，在生产需要量大的重化工产品时，微生物制法一般说来是不合算的。

20世纪70年代中期，当世界能源短缺开始为患时，例外情况出现了。缺乏石油及化石燃料的国家开始认真地用微生物学方法生产能源了。前面我谈到过生物气体（或甲烷），还有一种与其媲美的产品就是燃料酒精。1975年，巴西着手了一项政府发起的计划，通过发酵方法来生产汽车用燃料酒精，起初的原料是甘蔗，后来又改用木薯。这一实践取得了极大的成功：巴西在1979年生产了370万立方米的燃料酒精，1985年的产量超过1000万立方米。据说在里约热内卢，交通烟雾别有一番气味。我不太清楚这一生产工艺到底有多合算，因为它似乎时不时需要些补贴，不过它倒是引起了全世界的兴趣，采用玉米、洋蓟甚至处理过的木屑来进行生产的工艺正被开发出来。具有讽刺意味的是，尽管美国有大量的石油供应，但这还不够，用过剩的玉米生产燃料酒精的工厂不乏存在：汽油醇（含有10%乙醇的汽油）已经在美国投入使用了几十年。问题是，使用酒精时，一般的汽油发动机会过热，因此必须进行改进。世界能源短缺会由于世纪末的经济衰退而有所缓解，但随着工业的恢复，在生产其他诸如丁醇或硫黄等富含能量的产品时，发酵方法可能又会变得经济起来。

出于种种原因，有些物质是化学家们难于进行工业规模生产的，因此微生物在工业方面是前途无量的。柠檬酸多被用于软饮料工业，虽然化学结构简单，但它的合成并不容易。因此，工业规模的柠檬酸生产一直是采用微生物学方法的，今后可能依然是这样；延胡索酸和衣康酸是比柠檬酸更简单的化学品，但也不容易通过化学方法来制造，它们被用于塑料和合成漆工业，分别由根霉属和曲霉属的霉菌对糖发酵而产生；葡萄糖的衍生物葡糖酸是在制药工厂进行生产的，它可以在为病人补钙时派上用场（葡糖酸钙可以被安全地注射进人体），还是洁瓶剂和金属酸浸剂的组成成分。利用黑曲霉对葡萄糖的作用可以对其进行工业生产。复杂的微生物产品在化妆品工业中有诸多应用。例如，通过各种链球菌的发酵作用可生产出透明质酸，后者具弹性和黏性，是包括我们自身在内的脊椎动物的正常结缔组织中的一种成分，它也是软膏、乳剂和化妆品的普通成分，还被用作外科辅助剂；酵母菌可被开发成具有柔肤、润滑和保湿特性的物质；有几类细菌可生成环糊精，后者具有一种奇异特性，可使香水稳定而不致老化或挥发过快。在与上述内容十分不同的经济领域，几类厌氧菌能生成一种可储存的产品——聚-β-羟丁酸（简称PHB）——这名字听起来挺陌生的。该产品很受塑料工业青睐，因为它跟聚乙烯及其他热塑性多聚物一样，经加热塑型可变成瓶子、平板、网子、纤维等物。然而，与石油化学的塑料不同，这种“生物塑料”属环保型产品，被抛弃后会迅速彻底降解。只要在适当的条件下培养，真养产碱菌干重的90%以上都是PHB；按此法生产的PHB已被推向市场，可是，浓集细胞并提取其PHB的操作耗资巨大，生物塑料制品的价格自然不菲。

具有光学活性的物质是一组难于合成的普通化合物。这些化合物对于偏振光具有旋光性，可以用适当的光学仪器进行检测。这些效应显示了某些化合物分子结构上的细微差别。为便于读者理解，我简单举几个例子。请看下图化学式为Cwxyz的碳化物。C代表碳原子，而与其相连的，是四种不同的原子w、x、y和z。假如你能看见那种化合物所具有的三维结构，它们会像下图这样：

其中，x和w与纸在同一平面，z指向外，y则向内指。从几何学上看，w、x、y和z位于四面体的顶点上，而C处于中心。这种分子是非对称的，如果你拿起一面镜子对着它，它的映像是这样的：

原分子与其映像是不同的，因为无论怎么扭转（b），你也绝不可能使其与（a）重叠。所以说，任何含有连接着4个不同原子（或原子基团）的碳原子或其他原子的化合物，都能以结构上互成镜像的两种形式存在。但是，这两种形式在一般化学性质上表现相同，只是在某些细微特性上有所不同，比如对光的效应。当化学家们在实验室里合成这样一种不对称的化合物时，他们得到的化合物中，两种形式以等比例混合。但是，当生物学系统制造或利用不对称的化合物时，它们通常只制造或利用这两种形式中的一种。的确，大多数生物分子是不对称的，而且几乎所有的都属于左旋分子构象。微生物常被用于制备具光学活性的化合物，原因有以下两点：第一，有些微生物会优先利用左旋形式的化合物，这就使化学家得以把此两类化合物分开，因为微生物留下了一种化合物；第二，如果微生物产生一种不对称化合物，它们常常只生成两种形式中的一种，一般是左旋的。既然有光学活性的化合物的化学性质如此相似，为何人们还要把它们分开？这是因为这两种形式化合物的生物学效应有所不同。例如，药物活性常常与具有右旋分子构象有关，这种分子可能具有几个不对称中心，而在这样的情况下，生物学的，尤其是微生物学的方法才是唯一可行的手段。

药学和科学研究中可能需要有光学活性的化合物，但它们并非一个国家的重工业所需的那类化学品，它们代表着一类可能需要生物学工艺的精细化学品，但这远不是微生物的专利。从动物和植物中获得的生物碱、激素和许多药物处方中的其他天然产物，并不比得自微生物者少。

有些物质唯独微生物可以生产，经典实例当推抗生素。如我在第三章中所述，抗生素是由某种微生物产生的物质，它们不是能杀死其他微生物，就是能阻止其生长。它们有时具有非凡的功效：在用于抵抗敏感微生物的药物中，青霉素一直是效力最高的。它是由一种丝状霉菌——青霉产生的。产生青霉素的微生物种类繁多，但工业上用的是产黄青霉。而在最早期的工作中，青霉素产量甚微。

尽管有抗药菌株和过敏反应患者出现，青霉素仍不失为一种具革命意义的良方，并一直是我们所掌握的最有价值的药剂之一，而且非用微生物学方法生产不可。理由很简单，因为化学方法很难制备。饶有兴味之点在于，当前用以生产青霉素产品的青霉，其生产能力至少是弗莱明当年最初发现的菌株的300倍。这有力地证明了工业微生物学的灵活性。我曾多次强调，微生物具有极大的适应性，换句话说，它们能使自身适应新的环境。这种适应涉及一种叫作突变的过程，我将在本章后部进行讨论。既然我们能得到对药物有抗性的突变体或能以不常用的物质来培养细菌，那么我们同样能得到某些突变体，让它们更多或更少地产出像青霉素这样的副产品。一种方法是用诸如芥子气等物质或用紫外线、γ-射线或X-射线去虐待微生物，以便增加其未被杀死个体中突变的产生。借助这些手段，我们得到了产黄青霉的突变体，使青霉素的生产能力得以提高。工业上使用的所有菌种都是突变体，它们的生产能力属于需严格保守的商业秘密。

青霉素，或者说由不同菌株在不同条件下产生的3～4种青霉素，通常是批量发酵生产的。连续培养迄今还用得不多。但是，在20世纪60年代，英国的贝克曼研究室开发出了一种半微生物学半化学的方法，使青霉素分子产生了各种实验室变种，其中一些变种经证实特别有用。青霉素的分子式为：

式中“R”代表一个原子基因，其精细结构决定着青霉素的种类。采用特别的突变体菌株和培养条件，就有可能使该霉菌产生青霉烷酸，它与青霉素结构相似，只是“R”处换成了“H”。其结构式如下：

●工业生产用发酵罐。格兰素化学公司用于生产抗生素的发酵罐，其容量为110立方米。［蒙格兰素化学公司集团研究有限公司沃德（J. B. Ward）博士许可］

这种物质并非抗生素，但如果通过化学处理接上一个“R”基团，它就成了抗生素。那么，如果在“R”的位置接上一些基因，我们就能制造出大量“非天然的”青霉素，这种情况在自然条件下是不会发生的。贝克曼实验室建立的这一方法的成功之处在于，它使某些产品能够抵抗那些对天然青霉素有抗性的细菌。

这样，微生物学和化学工艺就结合起来，用到了工业生产上。在青霉素发现后不久出现的抗生素之一，是由委内瑞拉链霉菌产生的氯霉素，它能够对抗青霉素难以触动的细菌，如引起伤寒的细菌。该物质化学结构比较简单，但难于用化学方法生产，其工业生产需借助于微生物进行。尽管我们通过发酵手段制成了数量繁多的其他抗生素，且有数不清的研究报告见诸科学文献，但令人吃惊的是，已被证明真正具有药用价值的却为数甚少。不过，对它们进行分类还是可能的。我现在把那些经证明具有一些医疗价值的抗生素的概况介绍如下：(www.xing528.com)

青霉素类：它是首先被人发现的毒性最小、效用最大的抗生素，由青霉属和某些曲霉属菌种产生。虽然青霉素在发挥作用时效果极佳，但其抗菌谱——即它能对抗的细菌种类的多少——却比较窄。头孢菌素是与青霉素有关的抗生素，其作用范围较广，常能攻击对普通青霉素有抗性的细菌。它们由头孢菌属的真菌产生。而与天然物质相比，半合成青霉素的活性范围是有所增大的。

多肽类抗生素：这些是由芽孢杆菌属细菌产生的特殊结构蛋白质片段，能对其他细菌起到对抗作用。它们的作用颇像去污剂，会损伤细胞壁。这种抗生素体内使用毒性太大，但可用于处理外伤。短杆菌肽、多粘菌素和杆菌肽即属此类。

四环素族抗生素：抗菌谱很广，它们虽然对与我们共同生活的正常细菌也相当无礼，但很受医生们青睐。医生们不仅用这些抗生素去应付对青霉素不敏感的细菌感染，还用其控制那些伴随病毒性疾患出现的继发性细菌感染。它们由霉菌及一群叫作放线菌的丝状细菌生成。在形成的变种中，链霉菌属放线菌特别值得一提。广泛使用的氯四环素（金霉素）和氧四环素（土霉素），分别由金色链霉菌和龟裂链霉菌产生。近20多年来，英格兰约翰·殷奈斯（John Innes）实验室的大卫·霍布伍德爵士（Sir David Hopwood）及其同事们，对链霉菌细胞中与构建这类抗生素以及不具抗生作用的相关分子有牵连的基因，做了详细研究。20世纪90年代中期，他们通过基因操作，用研究所获得的知识进行了基因重组开发，使来自不同微生物的基因在单一链霉菌品系中协同作用，以产生杂种分子。眼下，这一手段已被用来制备这类新奇的抗生素。

糖苷类抗生素：链霉素是继青霉素之后被人们发现的一种抗生素，由灰色链霉菌产生。它比青霉素和四环素族的毒性大些，但一直具有很高的医疗价值，对结核病的治疗特别有效。它攻击多种对青霉素不敏感的细菌，按所含糖分子结构的不同，从化学上可把它们分成许多种类。与其有关的新霉素，是由弗氏链霉菌产生的，注射用毒性太大，但它在肠道中不被吸收，因此对肠道和皮肤感染的治疗很有价值。新生霉素也属于这类抗生素，而从化学上看来，大环内酯类抗生素——红霉素也属于这一类，只是关系较远，它被用于控制抗青霉素细菌的感染。这些物质都由链霉菌属的菌株产生。

多烯类抗生素：某些链霉菌产生与维生素A关系较远的化合物，能对霉菌起作用。它们已被用于治疗真菌感染，其中，制霉菌素医用范围最广。

其他抗生素：1938～1978年，研究抗生素的强劲之风渐趋减弱时，先后5500种以上的抗生素已经被报道出来。到1990年，进行商业化生产的抗生素有100种以上，还不断有新产品涌现或被人为研制出来。使人颇有兴趣的品种是抗肿瘤制剂，它能使某些癌症消退。首先被发现的是放线菌素，其毒性的确太大，故使用价值不高。针对来自美国的丝裂霉素和来自苏联的橄榄霉素等不太有毒的品种的研究，却取得了一些临床效果。它们都是由放线菌的菌株产生的，通过干扰活细胞中控制生长的成分——核糖核酸（RNA）的功能而发挥作用。其他值得特别提及的抗生素还有：氯霉素，一种广谱抗生素，它是唯一用化学方法生产的品种；环丝氨酸，另一种链霉菌的产物，用于结核病的治疗；还有利福平，一种抗结核的抗生素，它是对来源于地中海链霉菌的利福霉素进行化学修饰而制成的；灰黄霉素也值得一提，它由灰黄青霉菌产生，还可由生成链霉素的微生物——灰色链霉菌产生，它对植物病原，尤其是霉菌和锈菌有效，因而在农业上具有重要价值；乳链菌肽，由细菌乳酸乳球菌产生，它其实是一种酶，用于食品保藏。

从后两个例子可以看出，抗生素虽然通常被看作用于人的神奇药剂，却也对农业和食品保藏有应用价值。它们对兽医显然也是重要的，还被用作动物饲料添加剂（第五章中已论及）。抗生素显然是当今工业微生物学的支柱，因为它们是只能用微生物来进行工业生产的可靠且销路好的项目。所以，工业耗巨资对抗生素的进行研究和开发。令人吃惊的是，适于普通医疗的抗生素实际只有近百种，而其中最好的品种——青霉素却是最先被发现的。许多抗生素由放线菌（特别是链霉菌属的菌株）产生，这点也很使人意外；1988年，由链霉菌创造的总货币值约为全世界抗生素产品的一半，共计约50亿英镑。与其他土壤细菌相比，放线菌其实是生长较为缓慢的，因此有人指出，它们之所以能在同土壤细菌的竞争中生存下来，可能是因为它们能产生抗生素，而这点为它们在天然土壤环境中提供了一种选择性优势。但是，这一论点尚有懈可击，因为在自然界中，放线菌似乎从不产生任何抗生素类物质去影响它们的细菌邻居。

工业生产抗生素或维生素等物质时，微生物是被实业家当成特种化学试剂来使用的。实业家利用微生物把某些物质转变成更为有用的东西，而由此再前进一小步，就能在化学合成工序中让微生物和化学物质都参与进去。我曾经举过这方面的例子：把醋酸杆菌接种到化学方法产生的试剂上就能生成维生素C，或通过对青霉烷酸施行化学处理可以制出人工合成的青霉素。

在化学合成工序中，把微生物当试剂用的一个最使人难忘的例子，是甾体（类固醇）化合物的工业生产。甾体是一类激素或与激素有关的物质，它们在制药工业中十分重要。最早的实例是麦角生物碱，它与某些性激素的功能相似，可由麦角菌属的真菌自然产生。麦角菌属真菌侵犯小麦，偶尔意外地进到面包里，在误食者中引起幻觉及多种其他紊乱。与这类生物碱有关的麦角固醇也出现于酵母菌中，且能被提取出来，并制成维生素D。但最有远见的思路，是用根霉属的霉菌去改变植物固醇的化学结构，使之转变为具药理活性的激素。大多数人必定听说过可的松，这是一种肾上腺皮质的激素，对风湿性关节炎有显著的缓解作用。从牛的天然腺体中可以得到极少量这种物质，回溯到1949年，唯一一种替代性制备方法需对某种胆酸进行37步化学处理——难怪它的价格曾经高达约每克500美元。1952年，美国额普约翰公司的研究者们发现，根霉属微生物能够作用于一种叫作黄体酮的十分容易得到的性激素，其中间产物再经过6步化学处理，就可转变成可的松。黄体酮最初只能从动物性腺获取，后来可由墨西哥植物“象脚”中含薯蓣皂苷配基的类固醇制得。此后，有关利用霉菌（主要是根霉和曲霉）使类固醇由一种化学构象转变为另一种的文献资料大量涌现出来。放线菌、芽孢杆菌或棒杆菌这类细菌，在转化过程的某些脱氢反应中相当有用。从原理上看，这种工艺是十分简单的，即让霉菌生长在以葡萄糖和玉米浸出物为养料、含有类固醇乳剂的培养基中（因为类固醇在水中不易溶解，故通常必须进行乳化）。适当时间过后，对培养物进行灭菌处理，把类固醇物质提取出来，如果一切顺利，95%的类固醇得以转变为新的构象。举例来说，少根根霉就可使黄体酮氧化，生成一种用以控制风湿热和关节疾患的抗炎药物。类固醇可被用于预防早期流产、纠正月经周期紊乱或者作为口服避孕药，目前已能通过有微生物作用参与的工艺进行制备。

抗生素、类固醇和维生素堪称当代工业微生物学的“摇钱树”，至少对制药工业来说是这样的。此外，许多普通的医用产品也涉及微生物。葡聚糖是由糖形成的淀粉样物质，输血时能代替血浆，因而具有医用价值。工业上通过肠膜状明串珠菌这种细菌作用于普通的糖来生产该物质；有时人们会杀死细菌，从细胞中提取与糖转化有关的酶，再让酶直接作用于糖，因为这种工艺使整个过程更加可控。抗血清可以保护人们免受破伤风等疾病的威胁，其制备方法是给动物注射活菌，然后取得它们生成的抗体。至于疫苗，传统的制作方法，是在培养基中或在保证安全的情况下在宿主体内培养病原微生物，再通过加热或用消毒剂杀灭的方法使之无害化。之后，疫苗就能被安全地注射给病人，以激发后者对原有病原体的抗性。最近，疫苗可以通过对无害病毒进行基因操作的方法制备出来，这种疫苗与病原体相似，足以把病人的抗性激发起来——对此我在本章中接着还要谈及。

高等植物含有各种生物活性物质，像毒物、药物（如奎宁）、麻醉剂（如鸦片和可卡因）等。如果微生物世界不存在能制造某些这类物质的有机体，那倒是件怪事，只不过，如果不算高等真菌（严格意义上来说，它们不是真正微生物），它们的确相当少。能降低血胆固醇及抑制肠道酶类的霉菌产物曾被报道过，但我不觉得它们有多大用处。

酶，是引发生化反应的生物催化剂，是一组具有重要工业价值的微生物产品。它们可以从多种生物组织中被提取出来，而从工业生产角度来看，通过微生物获得常常是最方便的。果胶，是水果的胶状成分，可使果酱凝结。它受果胶酶的裂解，而该酶可由多种细菌产生，用于澄清果汁。渍麻是一项传统的工艺，即把亚麻浸泡在水中以除去果胶而留下植物纤维，其基本原理是使植物经受细菌果胶酶的作用。就我所知，工业上既未进行细菌的纯培养，又未制备果胶酶以供使用，而宁可采用传统的渍麻法。淀粉酶，是裂解淀粉的酶类，被用于洗衣业和造纸业，可以由曲霉属中的米曲霉或芽孢杆菌属中的细菌来生产。蛋白酶，可使蛋白质降解，用于澄清啤酒、除去待洗涤衣物上的蛋白质污点、烘焙面包时改善面团、兽皮鞣制前除去多余的毛和“肉”以及消去废胶片乳剂中的明胶。据说这种酶还能加速瘀伤中血块的清除。蛋白酶可由植物或包括曲霉属霉菌在内的微生物制取。脂肪酶，能分解脂肪，被用于洗衣业及皮革处理，可以从某些类似假单胞菌的细菌或真菌中提取出来。自20世纪50年代以来，淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等家用生物洗涤剂的普通成分，共同发展了出规模宏大的产业。纤维素酶，能把植物材料的纤维素裂解成葡萄糖，由某些使木材腐烂的真菌和假单胞菌形成，用于对纤维废料的适度发酵。一种叫作DNA聚合酶的特别耐热的酶类，已成为现代分子生物学的重要工具，其市场贸易额现已达数百万美元；该酶可由名为水生栖热菌的嗜热菌制取，而关于此酶的应用，我将在本章的后部谈及。蔗糖酶是另一种经济上重要的酶，它得自酵母菌，能把蔗糖转变为葡萄糖和果糖。这种酶还被用于生产人造蜂蜜，即果葡糖浆，但它最奇妙的用途是制造软心巧克力。这道工艺的过程是迅速用巧克力把一块含有此酶的固体软糖包裹起来。当巧克力凝固成形时，软糖里的蔗糖酶使糖裂解转化，结果，其中的软糖成为半液化状态。

酶常具有一种重要性质，即很强的针对性，也就是说，它们只作用于一定种类的分子，像胆固醇、葡萄糖、延胡索酸等。因此，它们在科学研究中被用来测定受其作用的分子数量，或在诊断医学中发现和测定那些在身体某处不应当出现或含量异常的物质。

数十年来，一项引人瞩目的进展，是名为生物传感器的电子监测设备的应用。这种设备使用酶或整个细胞。化学家们现在会制作一些小电极或伏特电池，它们会对微量的氧、氨、氢离子等做出反应，因而改变其输出电量。拿“氧电极”来说，它其实就是一个电池，只是输出电量取决于环境中氧的浓度。事实证明，它对科学研究和工业生产中氧的监测很有价值。把氧电极同葡萄糖氧化酶结合在一起，你就得到了一件生物传感器，而其中的葡萄糖氧化酶，只有在周围存在葡萄糖的情况下才会消耗氧气。也就是说，只要有葡萄糖存在，氧电极的输出就会下降，而且降低的幅度与环境中的葡萄糖浓度成比例。于是你的电极不仅可以感知葡萄糖的存在，还可以测出其含量。早在1970年，人们就开始使用这种微型电极了，它能测量出仅15微升的患者血清的葡萄糖含量。不过，你无须在生物传感器中使用纯化的酶，只要能同特定的物质起反应，并产生或消耗一种能作用于电极的小分子，任何生物学材料都能进行探测。人们把活微生物（酵母菌或细菌）固定在具渗透性的塑料上，只要它们与适当的电极结合起来，就可用以探查和测量氨基酸，甚至是具抗菌作用的头孢菌素。采用此类设备可以对生产系统、实验装置或医院的患者进行连续监测，而这在以前是无法做到的。生物传感器不只选择性强，而且灵敏度极高。由固定化的发光细菌和光电池组合而成的设备就是个例子。细菌仅在有氧存在时才发光，但它们只需一点点氧就够了。这种组合设备的灵敏度为前面所谈到过的化学“氧电极”的近100倍。

我在本书中尚未提及发光细菌。它们是细菌中的一小群，进行代谢时，会借助与萤火虫相类似的、需要空气的生化过程而发光。在海洋中或在深海鱼类的发光器官里，我们可以见到自由生活的发光细菌。

到此为止，我已全面介绍了微生物在工业生产中的作用，以及过去几十年间所谓工业微生物学的方方面面。前面提到的所有过程都是在1900～1975年间发现的，或是由这些发现衍生出来的。然而，20世纪70年代中期，一项新进展影响了我们对微生物遗传的认识，给工业微生物学带来了全新的内涵，并由此而引起了名称的更换。这项新进展就是微生物遗传学，一门研究微生物遗传规律的科学，它与工业微生物学的融合形成了如今的生物工程。然而，这一称谓并不完全准确，因为其范围太窄。尽管生物工程不一定必须包含微生物，但它总是如此，更有甚者，许多与遗传无关的工业微生物过程也挂着生物工程的名。例如，我刚讲过的生物传感器，它虽然不包含遗传操作过程，但也被许多人称作生物工程设备。那些内涵广阔的学科往往都是界线不明的，因此我也不打算对生物工程这一名词过于计较。重要的是，微生物遗传学的进展，使得科学家们能够以惊人的方式来改变微生物的遗传特性。应用微生物学对未来的影响恐怕很久以后也难以被人们全部理解，但是它已经发挥了巨大的作用，而生产过程中的微生物是其中的主力军。既然说到这儿了，亲爱的读者，我不得不简单地评述一下现代微生物遗传学，好让你们一睹生物工程的前沿。就像本书前面对化学的简述一样，我将尽可能地使这些知识简单易懂。