1. 什么是微生物？

　　微生物是广泛存在于自然界的形体微小、数量繁多、肉眼无法直接看见（菌菇类是个例外，本质上属于大型真菌），需借助于光学显微镜放大数百倍、上千倍甚至数万倍，才能观察到的微小生物。微生物根据其进化水平和性状的差别可以分为原核微生物、真核微生物和非细胞微生物三大类群。其中原核微生物主要有细菌、蓝细菌、放线菌、支原体、立克次氏体和衣原体。属于真核生物类的有真菌、原生动物和显微藻类等。非细胞微生物是指没有细胞结构的微生物，包括病毒、类病毒和朊病毒等。地球上的微生物物种粗略估计在百万数量级之上，是地球上最为丰富多样的生物资源，缺少了它们，生物圈的物质能量循环将中断，地球上的生命将难以繁衍生息。因此，微生物和微生物技术与人类生活息息相关、密不可分。

　　2. “观察”微生物

　　要观察肉眼看不到的微生物，没有适当工具是不可能的。显微镜是人类最伟大的发明之一，它把一个全新的微观世界展现在人类的视野里。光学显微镜使用可见光和附近波长范围内的光，可以观察到的放大倍数通常为几十到几百倍，最多可达约2000倍。为了提高光学显微镜的观察效果，被观察对象可用特定染料染色。丹麦科学家革兰1884年发明的一项重要的观察细菌的方法，通过革兰氏染色反应可把众多细菌为两大类，革兰氏阳性细菌（能够保留染料）和阴性细菌（不能保留染料）。这两类细菌在许多生理特性上有区别，对特定抗生素敏感性也有差异。这种现在仍然在广泛使用的革兰氏染色反应对于细菌的鉴定具有很高的价值。电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，电子显微镜的放大倍数目前可以达到百万，分辨率可达到0.1nm，但是通常样品需要进行相应的预先处理。显微技术的不断进步，使人们可以看到更多细微结构，推进微生物的结构与功能研究。

格陵兰冰层发现存活12万年细菌、好氧芽孢杆菌、厌氧杆菌、厌氧球菌

接合菌、子囊菌、担子菌、马尔尼菲青霉菌 

人类呼吸道病毒B814株负染电镜图、人冠状病毒229E株RNP的负染电镜图、新冠病毒冷冻电镜图、新冠病毒全病毒三维结构图

（图片来源：电子显微学报,2020,39(06):787-789.）

　　3. “检测”微生物

　　病原微生物是导致人类诸多疾病的罪魁祸首。其中常见的食源性致病菌包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、单增李斯特菌和沙门氏菌等，这些致病细菌是引发食品安全危害的重要因素，严重时会危害人类健康。因此，食品中致病微生物快速、准确的检测方法对于食源性疾病诊断和保证食品安全至关重要。微生物传统检测技术主要借助分离培养的方式对培养结果进行直接鉴定或生化鉴定。微生物的分子检测技术是在分子水平上分析鉴定样品中的微生物，具备检测时间短、特异性强、灵敏度高等优点，实现了微生物检测从定性到绝对定量的质的发展。常见的微生物分子检测技术包括荧光定量PCR技术、核酸杂交技术、基因芯片技术、单分子实时测序技术、纳米孔单分子测序技术等。

　　中国标准化研究院农业食品标准化研究所生物技术实验室搭建有微生物技术平台，具备良好的软硬件设施，配备有超净工作台、生物安全柜、倒置显微镜、荧光定量PCR仪、多功能酶标仪、全自动微生物鉴定系统等仪器设备，可依据GB 4789国家标准对样品进行检测，以及开展微生物遗传学与分子生物学研究。

　　4. “利用”微生物

　　实际上人们在生产与日常生活中已经积累了不少关于微生物作用的经验规律，并且应用这些规律创造财富，减少和消灭病害。民间早已广泛应用的酿酒、制醋、发面、腌制酸菜泡菜、盐渍、蜜饯等等，这些都是人类在食品工艺中控制和应用微生物活动规律的典型例子。积肥、沤粪、翻土压青、豆类作物与其它作物的间作轮作，是人类在农业生产实践中控制和应用微生物生命活动规律的生产技术。种痘预防天花是人类控制和应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面的宝贵实践。尽管早期这些没有上升为微生物学理论，但都是控制和应用微生物生命活动规律的实践活动。

　　如今，微生物技术已是现代生物技术不可或缺的重要组成部分。工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。通过微生物发酵工程制取的单细胞蛋白、菌体蛋白或微生物发酵饲料等被广泛地应用于畜牧业与种植业的生产中。随着技术的进步，微生物发酵的工艺技术、工程设备、检测控制等多方面发生了重大变化，抗生素工业生产达到了前所未有的水平。微生物技术现在还广泛应用于水环境的治理，利用特定的微生物处理技术，分离水体中的氮元素，不但能以环保节能的方式获得额外丰富的作物肥料，更可以降低化学治污所产生的经济成本与环境成本。

　　5. “改造”微生物

　　随着生物技术，特别是微生物的基因组工程、代谢工程、合成生物学等技术的快速发展，基于微生物构建非天然的高效生物制造系统变得日益简便。构建微生物细胞工厂可以合成有机酸、有机醇、有机胺等小分子产物以及多糖、聚酯等大分子产物，还可以高效生产植物天然产物、抗生素、淀粉等各种目标产品，并实现重要资源的回收利用。通过遗传改造和代谢进化，构建出高效生产丁二酸的大肠杆菌细胞工厂，丁二酸产量达125 g/L；在此基础上，又将丁二酸合成途径分为若干个功能模块进行改造提升，最终获得丁二酸生产速率和产量提升的新菌种。萜类化合物和苯丙素类等植物天然产物的人工合成菌种也取得突破，青蒿素的微生物合成就是成功的典范，将青蒿素前体的产量提升至25 g/L。设计构建的新金分枝杆菌工业菌种可以高效生产黄体酮前体支链醇、A环开环物（谷内酯）、A-环酮酸、雄烯二酮等一系列甾体化合物及中间体，使19-去甲雄烯二酮合成反应步骤由原来化学转化的14 步，缩短至生物转化的2 步，实现以大豆甾醇为原料规模化生产。通过改造微生物进行物质加工与合成的生产方式，有望彻底改变传统生产模式，触发新的产业变革。

不同微生物细胞工厂合成不同分子量化学品的未来展望

（图片来源：化工学报,2021,72(12):6109-6121.）

　　生物经济是以生物资源及现代生物技术为基础，涉及生物产品与服务的研发、生产、流通、消费、贸易等，是继农业经济、工业经济、数字经济之后的第四个经济形态，也称第四次浪潮。2022年5月，国家发展改革委发布的《“十四五”生物经济发展规划》指出：依托生物制造技术，实现化工原料和过程的生物技术替代，推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造与生物技术深度融合。微生物技术作为底层技术，衍生出许多颠覆性、革命性的技术，是生物技术创新的源泉，未来将在赋能生物经济中大有可为。

　　参考文献

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　　张佳星, 陈勇, 李赛.冷冻电镜断层成像技术破解重构新冠病毒全分子结构难题[J].电子显微学报,2020,39(06):787-789.

　　张晓龙, 王晨芸, 刘延峰, 李江华, 刘龙, 堵国成.基于合成生物技术构建高效生物制造系统的研究进展[J].合成生物学,2021,2(06):863-875.

　　张媛媛, 曾艳, 王钦宏. 合成生物制造进展[J]. 合成生物学, 2021, 2(2):145-160.

　　郑煜堃, 孙青, 陈振, 于慧敏.微生物细胞工厂生产化学品的研究进展——以几种典型小分子和大分子化学品为例[J].化工学报,2021,72(12):6109-6121.

　　文章作者：赵琳、张梦妍、云振宇  中国标准化研究院农业食品标准化研究所

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