中华学生百科全书-第250部分

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物有机物中产生的能量维持生命。当动物死后，被微生物分解，微生物从中
获得能量，同时将有机物分解成二氧化碳、水、甲烷和氨等，可再被植物利
用。这样，能量在动物、植物、微生物中循环不止，它不断被消耗又不断再
生。因此，你不用担心它会用完，除非这个大循环中有一环中断。
“万物生长靠太阳”。根据计算，每一秒钟由太阳照射到地球上的能量，
相当于燃烧　500　万吨煤所放出的热量，一年高达　8×1023卡，相当于　170　万
亿吨煤的热量。现在全世界一年消耗的能量还不到它的万分之一。但是，到
达地球表面的太阳能仅有千分之一至千分之二被植物所吸收，其余的又散发
到宇宙中去了。每年通过光合作用固定在储存能源中碳的数量，是全世界总
的能源消耗量的　10　倍，其中只有　0．5％被人们所利用。能否将浪费掉的太阳
能捕捉回来？能否将植物中的能量全部利用？回答是：能！生物工程正是通
过培养捕捉太阳能的大师——绿色植物，来折射出太阳的光辉。
运用生物工程开发生物能源除可缓解能源紧张，创造经济效益外，还可
创造生态效益和社会效益。它不但可以从废弃的植物中获得沼气，酒精，还
可通过热解而产生炭和油，等等。因而在所有新能源中，生物能源格外引人
注目。
“石油可以栽种”，“植物能产石油”，乍听这话你会认为这是无稽之
谈，但事实却胜于雄辩。1961　年，美国化学家梅尔温·卡尔文博士曾因一本
关于光合作用的著作而获诺贝尔奖金。70　年代，他从橡胶中产生胶汁得到启
示，决心研究、寻找石油植物。他从世界各地搜集了　3000　多种含碳氢化合物
的植物标本，进行了　2000　多种植物的栽培和制取石油的试验，结果发现大戟
科的许多植物所产生的一种乳状汁液中，竟含有高达　30～40％的类似石油的
碳氢化合物，稍加处理就可作为石油的代用品。他还发现某些沙漠植物的汁
液，其化学成分几乎同原油一模一样。这些发现使人们激动不已，因为形成
矿物石油需几百万年，而人工栽种植物石油只要一年至多年即可收获。现在，
世界上许多国家已建立起“石油农场”、“石油林场”、“石油植物种植场”，
植物石油也开始在能源市场占有一席之地了。
氢，也是人们盼望得到的一种能源，它热值高、无毒，被认为是最清洁
的能源。但利用物理、化学方法产氢耗能大、成本高、难以推广。在绿叶中，
空气中的二氧化碳在植物体内可与从水分子脱离出来的氢原子发生化合作
用，形成碳水化合物。由于绿色植物合成有机物是在叶绿体中进行的，美国
于　1973　年设计了一台以叶绿体产生燃料氢的装置，用　1　毫克叶绿体生产出了
15　微升的氢，但这台装置只工作了一刻钟。后来，前苏联和英国人又用　1　克
叶绿体在　1　小时内生产了　1　公升氢气，6　小时后叶绿体失效了，这是因为叶
绿体的寿命不长。在植物中它可以不断自动更新，而在实验室就行不通了。
因此，科学家正在模仿叶绿体的机理，制造一个长寿的“人造树叶”。一旦
它研究成功，就能利用工厂来制造氢气了。
在新能源中，生物能源（主要是生物质能）看得见、摸得着、靠得住，

没有潜在危机。因此，无论是发达国家、发展中国家、不发达国家，都很重
视它的开发利用，开发利用生物能源已成为当今国际潮流。许多国家纷纷制
订计划并开始实施，如日本、瑞士的“绿色能源计划”美国的“生物质能计
划”、巴西的“生物质能国家计划”、菲律宾的“木电计划”，等等，我国
也制订了新能源的开发及利用的总目标。生物工程将接受　21　世纪的重托，承
载着几代科学家寻觅新能源的梦想之舟已经向绿色王国徐徐驶去。我们相
信，只要地球上存在绿色生命，生物能源将永不枯竭！

地球清洁工

近百年来，环境恶化的问题给人类带来了极大的麻烦。随着工业的高度
发展，废物、废气、废液泛滥成灾。仅美国一年便要产生有害物质　6000　万吨。
欧洲产生的有害物质也大致相当。其他各国便不必一一列举了，即使是发展
中国家，“三废”的排放量也相当可观的。全世界的“三废”不仅数量惊人，
而且还在以惊人的速度增大。拿污水来说，70　年代全世界污水年排放量为
4600　亿立方米，到本世纪末将增长　14　倍，达到近　70000　亿立方米。在整体
地球上，“三废”的产生和排放远远超过了大自然本身的净化能力。如果再
不抓紧治理“三废”，再不采取有力措施保护环境，人类在地球上很快将没
有立足之地了。
发酵工程的巨大威力使人们看到了彻底治理环境的曙光。
微生物治理环境这件事，可说是源远流长。多少年来，人类的生活中何
曾少过废物、废水。不过，由于工业不怎么发达，城市人口也不怎样密集，
这些废物、废水被伟大的自然界悄悄地消化掉了，不曾构成人类生存、发展
的威胁。大自然拥有神奇的净化力量，而微生物则是净化力量的主力军。这
些不起眼的小不点无声无息地战斗在环境保护的第一线，吃掉了废物、废水，
把它们转化成可供动植物再次利用的无害物质，使地球保持着生态平衡。只
有在进入工业社会以后，由于“三废”排放量剧增，那些自生自灭、各自为
战的微生物已无法应付，回天乏力，生态平衡才被打破，人类才面临环境恶
化的威胁。
最终，解决环境问题还得靠微生物，处理废物、废气、废水还得靠微生
物。不过不是那些各自为战的微生物“游击队”，而是融合着人类智慧的、
经过改造的微生物，是发酵工程的微生物“正规部队”。
你大概还记得　1991　年发生在美国西海岸的那场“油祸”吧？由于一艘满
载着　18　万吨原油的油轮失事，几百平方海里的海面被油层罩住了。报道此事
的电视新闻中有这么一个画面：一只海鸟呆呆地站在一块礁石上，由于浑身
的羽毛被原油粘住，它再也飞不起来了，只能在那儿等死。遭殃的何止是海
鸟，那海面上的油层不会轻易消失，它在海水和空气之间形成了隔绝层，破
坏了生态平衡，这一带的海洋生物面临着死亡的威胁。过不了数天，许多死
鱼泛起，密密麻麻地漂浮在海面上。如果有一点火星出现，就不定还会发生
一场海上大火，轰轰烈烈地烧上数天，海洋生态的破坏就更严重了。
那场“油祸”只是一个突出的例子。从　60　年代以来，海面的浮油污染已
经成了环境保护中最令人头疼的问题之一。浮油的来源不仅是油轮失事，还
有货轮和沿岸工厂排放污油，那更是经常性的事。其结果便是整个地球的海
洋表面上出现了一大片一大片的油污，久久不肯褪去。就在浮油污染日益严

重，几乎使人束手无策的时候，一些聪明的学者又想起了发酵工程这一法宝。
他们找到一种又一种以石油为食的微生物（那叫嗜烃菌），筛选出生命力最
强的菌株，供给最充分的营养，使它们活性更强，而且大量繁殖，然后配制
成一瓶一瓶的药液——浓缩的菌液。在被污染的海面上，只要洒上一定数量
的药液，不出一周，80％油污即会被这些微生物吞吃掉，产品则是二氧化碳
和菌体蛋白。菌体蛋白还是一些海洋生物的营养品呢！这种神奇的药液已经
商品化，可以大量生产了。彻底解决海面浮油污染已经是指日可待的事情。
与海面浮油污染相似的，是土壤的　DDT　污染。
DDT　是一种高效杀虫农药，从　20　年代起风行于全世界，但　60　年代即被
禁用。原因是它在使用后不会自行分解，而是积聚在土壤中。土壤中的　DDT
会通过农作物的根系进入农作物，然后又会进入人体积聚于人的肝脏，损害
人体健康。即使在　DDT　被禁用以后，这个问题仍未解决。因为经过数十年的
使用，DDT　在土壤中的浓度已经很高了，而且自然界的净化能力对它毫无办
法。这些　DDT　仍在不断地侵蚀人们的肝脏，医生们认为这是各类肝病，包括
肝癌，发病率持续上升的原因之一。
到　80　年代后期，人们终于找到了从全球的土壤中清除　DDT　的根本办法。
一些科学家移花接木，将一种昆虫的耐　DDT　基因转移到细菌体内，培育一种
专门“吃”DDT　的细菌，再大量培养，制成药液。这种药液喷洒到土壤中，
不出数天，土壤中的　DDT　就会被“吃”得一干干净。这样，人类数十年来的
这个“心腹之患”总算可以清除掉了。

酶工程

酶工程的诞生

在生物工程中，有一位魔术师——酶工程。大自然中的各种生物在它的
指点下，协调地演奏起一章章如诗如画的生命交响曲来，世界因此而生机勃
勃、色彩斑斓。它又如熊熊燃烧之炬，点燃生命之火，使生命的光辉照耀千
秋万代。可以说，凡是有生命的地方就有酶在那里活动。无论是鸟兽鱼虫还
是花草树木，无论是高等的还是低等的，动植物都需要酶来维持生命。人，
更是须臾不可离酶，新陈代谢过程的各种阶段，都须“望‘酶’止渴”。还
有，当你品尝鲜嫩的猪肉，香酥的面包，品尝芳香四溢的葡萄酒；当你穿着
洁净的衣服，锃亮的皮鞋“潇洒”时；当你不慎染上某些疾病，医生为你诊
治时，等等，这里面都有酶参与，都有酶的功劳。你看，酶真是无所不能，
无处不在！
酶这么神奇，它究竟是一种什么物质？说起来很简单，酶是一种生物体
产生的具有催化功能的特殊蛋白质。它的魔力是在常温、常压下催化生物体
内的各种生物化学反应，而它本身却在这些变化中保持原样。它和化工厂里
的催化剂一样，可以自如地控制生物体内的化学反应，因此酶有“活催化剂”
之称。它有较强的高效性，如果没有酶的催化，生物的进化历程可能要退回
30　亿年。
极为有趣的是，古代以来人们一直利用酶酿酒、发酵制作面包、奶酪、
饴糖等等，却长时期不知道酶的存在。这样的历史竟不知不觉延续了数千年。
直到　19　世纪　30　年代，德国科学家施万发现了胃蛋白酶，化学家帕图和波索
兹发现了淀粉酶，90　年代布希纳兄弟从得到的纯净酵母液中发现了多种酶。
本世纪　20　年代，美国科学家萨姆纳从刀豆中提取出一种结晶形的新物质，弄
清了酶就是蛋白质，为此他获得诺贝尔化学奖金。从此，人们才逐步认清“庐
山真面目”，才意识到酶的重要作用，现代微生物酶技术才真正起步。
到现在为止，人类已经完全能确定其成分和功能的酶有　3000　多种。
酶有两大特点是引人注目的。一是高效，二是专一。
所谓高效，是指酶的催化能力的强大。对许多化学反应来说，往往可以
找到一些能加速反应的化学催化剂。然而，酶的催化能力要比化学催化剂高
出　107～1013倍。就拿纤维素的分解来说，用　5％的硫酸，在　4～5　个大气压、
100　多摄氏度的条件下，四五个小时只能使纤维稍稍松动。而一旦纤维素酶
出场，而且只是那么一点点纤维素酶，在常压、40　摄氏度的条件下，四五个
小时可以使　50％的纤维素分解成葡萄糖。这几乎就是牛胃里发生的反应，只
不过容器换了一下。
所谓专一，是指一种酶只能作用于具有一定结构的物质。形象一点的说
法就是“一把钥匙开一把锁”、“一个萝卜填一个坑”。纤维素酶只能把纤
维素分解成葡萄糖，碰到蛋白质、淀粉、脂肪之类，它是无动于衷的。同样，
那鹰胃里的胃蛋白酶，只对蛋白质“情有独钟”，对纤维和其他有机物分子
就毫无办法了。鹰胃里除了主力军胃蛋白酶之外，还有淀粉酶、纤维素酶、
脂肪酶等许多酶；牛胃里除了主力军纤维素酶之外，也还有胃蛋白酶、淀粉
酶、脂肪酶等许多酶。这些酶分工明确，各司其职，专找特定的对象“开刀”。
酶除了高效、专一这两大特点之外，还有一个显著的优点是它的催化作

用都是在常温、常压之下完成的。酶是生物催化剂，它是在生物体内起作用
的，当然与高温、高压无关了。
由于酶具有那么明显的优点，人们开始考虑，能不能把它从生物体内取
出来，专门来催化一些重要的化学反应呢？这样不是能在更广阔的天地里发
挥它的优势了吗？
于是，酶工程应运而生了。

酶工程的发展

最原始的酶工程要追溯到人类的游牧时代。那时候的牧民已经会把牛奶
制成奶酪，以便于贮存。他们从长期的实践中摸索出一套制奶酪的经验，其
中关键的一点是要使用少量小牛犊的胃液。用现代的眼光看那就是在使用凝
乳酶。
此后，在开发使用酶的早期，人们使用的酶也多半来自动物的脏器和植
物的器官。例如，从猪的胰脏中取得胰蛋白酶来软化皮革；从木瓜的汁液中
取得木瓜蛋白酶来防止啤酒混浊；用大麦麦芽的多种酶来酿造啤酒；等等。
然而，随着酶的开发应用的扩展，这些从动植物中取得的酶已经远远不能满
足需要了。
人们把眼光转向了微生物。
微生物是发酵工程的主力军。在发酵工程里（或者说在自然界也一样），
微生物之所以有那么大的神通，能迅速地把一种物质转化为另一种物质，正
是因为它们体内拥有神奇的酶，正是那些酶在大显神通。说到底，发酵作用
也就是酶的作用。
微生物种类繁多，微生物繁殖奇快。要发展酶工程，微生物自然应该是
人们获取酶、生产酶的巨大宝库、巨大资源。事实上，目前酶工程中涉及到
的酶绝大部分来自于微生物。
所谓酶工程，可以分为两部分。一部分是如何生产酶，一部分是如何应
用酶。用微生物来生产酶，是酶工程的半壁江山。
酶的生产要解决一系列的技术问题，包括：
挑选和培育生产酶的微生物（要求繁殖快、安全、酶容易分离、符合应
用条件）；
确定适合的培养条件和培养方式；
大幅度地提高酶的产量；
将生产出来的酶进行分离提纯，提高酶的纯度；等等。
经过各国科学家的不懈努力，这些技术问题一一迎刃而解，酶的生产水
平不断提高，为酶的应用提供了坚实的基础。
这里值得一提的是通过基因重组来对产酶的菌种进行改造，获得生产性
能优秀的菌种。最明显的例子是α…淀粉酶的生产。
最初，从前是从猪的胰脏里提取α…粉酶的，这种酶在将淀粉转化为葡萄
糖的过程中是一个主角。随着酶工程的进展，人们开始用一种芽孢杆菌来生
产α…淀粉酶。从　1　立方米的芽孢杆菌培养液里获取的α…淀粉酶，相当于几
千头猪的胰脏的含量。然而，致力于酶工程研究的学者并不满足于这一点，
他们用基因工程的手段，将这种芽孢杆菌的合成α…淀粉酶的基因转移到一种
繁殖更快、生产性能更好的枯草杆菌的　DNA　里，转而用这种枯草杆菌生产α…

淀粉酶，使产量一下子提高了数千倍。
人体里的尿激酶，是治疗脑血栓和其他各种血栓的特效药。以前常见的
生产手段是从人尿中提取，其落后性显而易见，产量也毕竟有限。学者们从
人的肾脏细胞中分离出尿激酶基因，转移到大肠杆菌的　DNA　中，用　DNA　重组
后的大肠杆菌来生产人尿激酶。生产效率自然提高了不少。
通过基因重组来改造产酶的微生物，建立优良的生产酶的体系，被认为
是最新一代的酶工程（第四代酶工程）。这是酶工程与基因工程的结合点。
基因工程被称为生物工程的灵魂，在这里又一次展现了它的动人之处。
除了酶的生产之外，近些年来，酶工程又出现了一个新的热门课题，那
就是人工合成新酶，也就是人工酶。这是因为，人们发现光从微生物里提取
酶仍不能满足日益增长的对酶的需求，需要另辟新路。
人工酶是化学合成的具有与天然酶相似功能的催化物质。它可以是蛋白
质，也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的，它要求
人们弄清楚：酶是如何进行催化，关键是哪几个部位在起作用，这些关键部
位有什么特点……最终，对人工酶还有另一层要求，那就是简单、经济。
有人已经合成了一个由　34　个氨基酸组成的大分子，这个大分子具有跟核
糖核酸酶一样的催化作用。然而，人们仍然嫌它太复杂，继续寻找更简单、
更稳定、更小的人工酶，寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。
尽管人工酶的效益尚不明显，然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。
也许，在不久的将来，人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地，
而且地位不断上升，甚至压倒天然酶。

酶工程的“心脏”——固定化技术

80　年代，当酶工程方兴未艾之时，一些学者以饱满的热情和丰富的想象
力，向世人描绘了一份未来化学工业的蓝图；广阔的海滩上排列着密如蛛网
的反应槽和反应管，这些反应槽和反应管里面安装着各种固定化酶或固定化
细胞，彼此连通，组成了一个庞大的反应系统。反应系统的一端不停地输入
取之不尽的海水和空气，以及从其他工厂里输送来的一氧化碳和二氧化碳；
另一端源源不断地送出各种化工产品，如化肥、橡胶、有机酸等等。这里不
需要什么高温高压设备，也没有噪声、废水和废气……
这不是什么天方夜谭。步入　90　年代，以空气为原料，用酶工程生产氮肥
已初见端倪——用固定化酶来合成氨，已实现了少量的工业化生产。所使用
的酶，有的是从固氮菌中分离、提纯出来的固氮酶，有的则是根据固氮酶的
化学模型制成的人工模拟酶。预计，世界各国的大型氮肥厂将逐步改用酶工
程来合成氨，这样既可节约大量的高温高压设备，又能在世界范围内每年节
约相当于　10　亿吨石油的能源。
不仅是生产氮肥，用空气、水、一氧化碳和二氧化碳来生产形形色色的
化工产品，对酶工程而言，都不是办不到的事。
这里，很关键的是酶的固定化，它被称为是酶工程的中心。
酶作为各种化学反应的催化剂，除了具有高效、专一的优点之外，同时
也存在着一些缺点。例如，由于酶在本质上是蛋白质，在遇到高温、强酸、
强碱时就会失去活性，毫无催化功能可言。又如，酶的分离、提纯和生产，
要花费大量的时间，投入大量的技术和劳动，因而成本很高，价钱很贵。

对酶工程来说，最要命的是，酶催化反应往往是在稀释液体里进行的，
反应完毕，酶难以回收。也就是说，事实上酶只能使用一次。
一方面是酶的成本很高，一方面是酶可以反复使用成千上万次而事实上
只使用了一次，这不是太浪费了吗？酶的推广应用在这个问题上遇到了拦路
虎。
60　年代初，一位以色列科学家率先取得了突破。他发现，生物细胞里的
许多酶并不是独立在溶液里起作用，而是包埋在细胞膜里或其他细胞器里面
起作用的。于是，他试着把分离得到的酶结合到某种不溶于水的载体上，或
者是包埋于天然的或人工合成的膜上，这样就装配成了固定化酶。接着他又
对固定化酶的催化特性进行观察，出乎意料地发现，许多酶经过固定化以后，
活性丝毫未减，稳定性反而有了提高。在反应容器里，固定化酶可以反复利
用，成百次、成千次在发挥效能，以不变促成万变。这位以色列科学家万分
欣喜地将他的发现公诸于世。
这一发现是酶的推广应用的转折点，也是酶工程发展的转折点。
在这一发展的基础上，酶的固定化技术日新月异。它表现在两方面：
一方面是固定的方法。从目前来看，固定的方法有四大类：吸附法、共
价键合法、交联法和包埋法。所使用的载体材料和结合技术五花八门，层出
不穷。
另一方面是，被固定下来用于催化反应的，除了各种酶之外，又发展了
含有酶的细胞，这又叫固定化细胞。固定化细胞省却了酶的提取和纯化，而
且它具有多种酶，能催化一系列的反应，大大提高了效率。有意思的是，固
定化细胞还经历了从固定死细胞（其中的酶仍有活性）到固定活细胞的发展
过程。
与自然酶相比，固定化酶和固定化细胞具有明显的优点：
一、可以做成各种形状，如颗粒状、管状、膜状，装在反应槽中，便于
取出，便于连续、反复使用。
二、稳定性提高，不易失去活性，使用寿命延长。
三、便于自动化操作，实现用电脑控制的连续生产。
固定化技术使得酶工程的推广如同雨后春笋一般。从日本首先采用固定
化酶来生产氨基酸开始，到如今已有数十个国家采用固定化酶和固定化细胞
进行工业生产，产品包括酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等
等。今后酶工程发展的步伐，也将与固定化技术的提高紧紧相连。