Perspectivas sobre la microbiología del suelo
Como todos sabemos, la humanidad se enfrenta a una variedad de crisis, como la crisis alimentaria, la escasez de energía, la escasez de recursos, el deterioro ecológico y la explosión demográfica. . Después de entrar en el siglo XXI, la humanidad se enfrentará a una serie de nuevos problemas derivados de la transición de la era de la utilización de recursos minerales limitados a la era de la utilización de recursos biológicos ilimitados. Las células microbianas no sólo son un sistema vivo con una gran superficie específica, una fuerte capacidad de transformación bioquímica y una rápida autorreplicación, sino que también tienen una diversidad de especies, genética, metabólica y ecológica, lo que las hace insustituibles para resolver diversas crisis únicas que enfrenta la humanidad. role. La descripción es la siguiente.
Microorganismos y alimentos
La producción de alimentos es un acontecimiento importante para la supervivencia de toda la humanidad. Los microorganismos pueden mejorar la fertilidad del suelo, mejorar las características de los cultivos (como la construcción de plantas fijadoras de nitrógeno), promover la producción de cereales, prevenir y controlar las enfermedades de los cultivos y las plagas de insectos, prevenir el mildiú y el deterioro de los cereales y convertir el excedente de cereales en azúcar y proteína unicelular. , diversas bebidas y condimentos, etc. juegan un papel importante.
Microorganismos y Energía
Actualmente, el problema del agotamiento de la energía fósil preocupa seriamente a países de todo el mundo. Los microorganismos tienen ventajas únicas en la producción de energía: ① Convierten la celulosa, extremadamente abundante en la naturaleza, en etanol. Se estima que la producción anual de paja vegetal de mi país alcanza entre 500 y 600 millones de toneladas. Si se hidroliza y fermenta el 10%, se pueden producir entre 7 y 8 millones de toneladas de alcohol combustible, y el residuo restante aún se puede utilizar como alimento y fertilizante para garantizar el suministro normal de potasio y fósforo al suelo. Se ha descubierto que las bacterias anaeróbicas termófilas como Closiridium thermocellum pueden descomponer directamente la celulosa para producir etanol. (2) Utilizar metanógenos para convertir la biomasa, el recurso renovable más abundante en la naturaleza, en metano. Este es un movimiento estratégico importante que beneficia al país y a la gente, la ecología y las generaciones futuras. ③Utilice microorganismos como bacterias fotosintéticas, cianobacterias o fusobacterias anaeróbicas para producir "energía limpia": hidrógeno. ④ El gas producido o sus metabolitos son fermentados por microorganismos para aumentar la tasa de recuperación. ⑤ Investigar y poner en práctica las baterías microbianas.
(3) Microorganismos y recursos
Los microorganismos pueden convertir recursos renovables como la celulosa, que es inagotable en la tierra, en diversas materias primas industriales como la industria química, la industria ligera y productos farmacéuticos. Además del tradicional etanol, acetona, butanol, ácido acético, glicerina, alcohol isopropílico, metiletilcetona, ácido cítrico, ácido láctico, ácido málico, ácido fumárico y ácido metilenosuccínico, estos productos también pueden producir ácido salicílico, ácido urinario, etc. Ácido de cabeza, ácido acrílico, ácido adípico, acrilamida, ácido sebácico, ácidos grasos de cadena larga, glicoles de cadena larga, 2,3-butanodiol, aceite de ácido gamma-linolénico y polihidroxibutirato. Dado que la ingeniería de fermentación tiene las ventajas de muchos tipos de metabolitos, amplias fuentes de materias primas, bajo consumo de energía, altos beneficios económicos y menos contaminación ambiental, reemplazará gradualmente a la industria química que requiere altas temperaturas, alta presión y alto consumo de energía. y graves "tres desperdicios".
Los microorganismos también desempeñan un papel único en el desarrollo y utilización de los recursos minerales metálicos. La tecnología de lixiviación bacteriana mencionada en el Capítulo 9 puede disolver y extraer continuamente más de diez metales como cobre, níquel y uranio contenidos en minerales, relaves y escoria de baja ley abandonados a largo plazo, convirtiéndose en nuevos recursos importantes.
(D) Microorganismos y protección del medio ambiente
Hay muchos lugares donde se pueden utilizar microorganismos en la protección del medio ambiente: ①Utilice fertilizantes microbianos, pesticidas microbianos o antibióticos agrícolas para reemplazar diversos productos químicos deteriorados respetuosos con el medio ambiente. fertilizantes o pesticidas químicos; (2) utilizar PHB producido por microorganismos para producir productos plásticos médicos degradables para reducir la contaminación ambiental; ③ utilizar microorganismos para purificar las aguas residuales domésticas y las aguas residuales industriales tóxicas; ④ utilizar tecnología microbiana para controlar el grado de contaminación ambiental; usando Ames El método se utiliza para detectar "tres sustancias patógenas" en el medio ambiente, y el medio de cultivo EMB se utiliza para comprobar las bacterias patógenas intestinales en el agua potable.
(5) Los microorganismos y la salud humana
Los microorganismos están estrechamente relacionados con la salud humana. En primer lugar, diversas enfermedades infecciosas constituyen enfermedades humanas importantes, y el principal medio para prevenirlas y tratarlas son los fármacos producidos por diversos microorganismos, especialmente los antibióticos. Desde el establecimiento de la ingeniería genética, el alcance y la variedad de los metabolitos microbianos se han ampliado aún más. Los medicamentos de alta eficiencia como la insulina, el interferón y la interleucina, que en el pasado sólo podían ser producidos por animales, ahora son producidos por "bacterias diseñadas". ". Los medicamentos con hormonas esteroides, que están estrechamente relacionados con la reproducción humana y la anticoncepción, hace tiempo que pasaron de la producción química a la transformación microbiana. Además, una gran cantidad de productos biológicos relacionados con la salud humana y la longevidad, como vacunas, vacunas, toxoides, etc., son todos productos de microorganismos.
No es de extrañar que algunas personas estimen que la esperanza de vida promedio de los seres humanos haya aumentado 10 años desde la invención de las vacunas y más de 10 años desde el descubrimiento de los antibióticos. Por supuesto, prevenir el crecimiento excesivo de la población no es competencia exclusiva de la microbiología.
2. Características y tendencias de desarrollo de la microbiología moderna
En la actualidad, debido a la profundización gradual de la investigación en biología molecular, se utilizan ampliamente varios métodos y tecnologías nuevos en la investigación en microbiología. La penetración activa y la intersección entre disciplinas, así como el surgimiento de una gran cantidad de cuestiones relacionadas en la práctica de producción, han dado un gran impulso al desarrollo de la microbiología. En general, las características y tendencias de desarrollo de la microbiología moderna tienen los siguientes seis aspectos.
(A) El trabajo de investigación se está desarrollando en profundidad hasta el nivel molecular.
Debido al rápido desarrollo de la biología molecular, todas las ciencias de la vida se han actualizado al nivel molecular. La microbiología no es una excepción. En la actualidad, casi todos los temas en el campo de la microbiología se han estudiado en profundidad a nivel molecular, como la estructura y función celular, los mecanismos microbianos de absorción de nutrientes, el crecimiento, la reproducción y la diferenciación, los tipos metabólicos, las vías y la regulación, la herencia, la variación. y Evolución, infección e inmunidad, clasificación e identificación, y más.
(2) A partir de una investigación en profundidad sobre teorías básicas, se están formando una serie de nuevas disciplinas (o disciplinas potenciales).
Por ejemplo, micotoxinas (ciencia), plásmidos bacterianos (ciencia), reproducción molecular microbiana (ciencia), fisiología microbiana recombinante, genética de fusión de protoplastos, microbiología ambiental extrema, preservación de cepas (ciencia), fisiología variada de bacterias. fermentación, biología de metanógenos, biología de bacterias anaeróbicas, arqueas (ciencia), virus (ciencia), enzimología microbiana, bioquímica fijadora de nitrógeno, genética fijadora de nitrógeno, microorganismos.
(3) La penetración, intersección e integración de la microbiología y otras disciplinas han formado una nueva disciplina de vanguardia.
En el desarrollo de las disciplinas, la interpenetración, intersección e integración entre disciplinas a menudo juega un punto de crecimiento y toma la delantera, no sólo produciendo una serie de nuevos conceptos, nuevas teorías y nuevas tecnologías, sino también produciendo una serie de disciplinas de nueva frontera de poderosa vitalidad. Esto puede ser un reflejo de los efectos de "complementariedad" y "ventaja híbrida" entre disciplinas. Hay muchos ejemplos de este tipo, como la microbiología analítica, la taxonomía química, la taxonomía numérica de microorganismos, la geoquímica microbiana, etc.
(D) La amplia aplicación de nuevas tecnologías y métodos en microbiología.
Impulsadas por las modernas matemáticas, física, química y muchas disciplinas técnicas y de ingeniería, se han creado ventajas sin precedentes para el desarrollo de la microbiología, que se reflejan principalmente en la provisión de nuevos métodos, nuevas tecnologías, nuevos instrumentos y nuevos equipos. y Nuevos reactivos. Por ejemplo, tecnología de etiquetado de isótopos, tecnología de microscopía electrónica, tecnología de difracción de rayos X, tecnología informática, tecnología de ultracentrifugación, tecnología de electroforesis, tecnología de cromatografía, tecnología de intercambio iónico, tecnología de espectrometría de masas, tecnología de espectrofotómetro, tecnología de alteración celular, tecnología de inmunología y aminoácidos automáticos. tecnología de análisis de ácidos, tecnología de síntesis automática de ácidos nucleicos, tecnología de determinación de secuencias de proteínas o ácidos nucleicos, tecnología de baja temperatura, nueva tecnología de cultivo microbiano, tecnología de conteo microbiano, tecnología de identificación rápida microbiana, tecnología de biocatalizador inmovilizado, etc. La aplicación generalizada de estas tecnologías ha promovido en gran medida el estudio de la estructura y función de las células microbianas, elevando gradualmente la investigación estática, descriptiva y cualitativa original a un nuevo nivel de dinámica, cuantitativa, secuenciación y posicionamiento.
(E) Expandirse a ecosistemas complejos y a macroescala.
En la biosfera, el ámbito de vida de los microorganismos es el más amplio y tridimensional. Después de que la gente investigara un poco sobre los microorganismos comunes que los rodeaban, su interés se dirigió gradualmente hacia espacios más amplios e inaccesibles y a diversos ecosistemas complejos, seguido del nacimiento y desarrollo de una serie de nuevas disciplinas. Como microbiología de ambientes extremos, microbiología de recursos, micología tropical, ecología subterránea, ecología microbiana del suelo, ecología microbiana terrestre, ecología microbiana marina, ecología microbiana atmosférica, ecología microbiana aeroespacial, etc.
(6) Se están fomentando y formando un gran número de ramas de la microbiología aplicada de alta tecnología.
La microbiología es una disciplina profundamente arraigada en la práctica productiva. La microbiología aplicada contemporánea incluye cada vez más subdisciplinas, que se caracterizan por una fuerte transversalidad, una alta conciencia y una amplia cobertura: ① Fuerte transversalidad. Por ejemplo, ingeniería de fermentación, metalurgia bacteriana, microbiología del tratamiento de agua, ingeniería genética de hongos, ingeniería ecológica microbiana, microbiología agrícola, bioindustria, etc. ②Alta autoconciencia.
En la actualidad, impulsadas por la teoría y la práctica de la biología molecular, muchas disciplinas de la biología aplicada se están desarrollando hacia un propósito fuerte, una alta conciencia, una fuerte controlabilidad y una alta eficiencia. Entre ellas se encuentran varias disciplinas denominadas "ingeniería", como la ingeniería genética, la ingeniería celular, la ingeniería bioquímica, la ingeniería enzimática, la ingeniería de proteínas y la última ingeniería de vías. ③Amplia cobertura. En términos generales, el ámbito de aplicación de los microorganismos involucra principalmente la industria, la agricultura, la medicina, la protección del medio ambiente y la defensa nacional. Desde la perspectiva de la segmentación, cada campo principal se puede subdividir en varios subcampos, como metalurgia bacteriana (ciencia), microbiología del tratamiento de aguas residuales, microbiología de fermentación de biogás, microbiología aplicada del suelo, control biológico microbiano (ciencia), antibióticos agrícolas, hongos comestibles. , hongos medicinales, microbiología medicinal, microbiología de enfermedades humanas y animales, etc.
En tercer lugar, el papel de los microorganismos en el "siglo biológico"
Actualmente, muchos científicos con visión de futuro coinciden en que "el siglo XXI será el siglo de la biología". son los siguientes: ①Determinados por las leyes de desarrollo del movimiento material. Generalmente, el movimiento de la materia se desarrolla en la dirección de movimiento mecánico → movimiento físico → movimiento químico → movimiento de la vida. Las leyes de movimiento complejas deben basarse en leyes de movimiento simples. Los seres humanos tienen una comprensión profunda de las leyes objetivas del movimiento mecánico, físico y químico, lo que proporciona una buena base para que los humanos comprendan mejor las leyes del movimiento de la vida y plantea una tarea urgente. ②Está determinado por la diversidad del mundo biológico y la comprensión a largo plazo del mundo biológico. La diversidad del mundo vivo es una de sus principales características que lo distingue del mundo no vivo. La comprensión de la humanidad sobre la diversidad del mundo biológico se encuentra todavía en una etapa baja, y la diversidad del mundo biológico es precisamente la principal base material para la supervivencia humana. (3) está determinada por las cinco grandes crisis que enfrenta la humanidad contemporánea y la urgencia de su resolución. 4 Está determinada por la promoción de las ciencias de la vida por parte de otras disciplinas y la ley de "retroalimentación" o "retorno" de las ciencias de la vida.
La microbiología jugará un papel especialmente importante en el "siglo biológico". Entre las ciencias naturales, si las ciencias de la vida siguen siendo una "ciencia del amanecer", la microbiología sólo puede considerarse una "ciencia del amanecer"; si la microbiología es una "mina rica", entonces sigue siendo una "ciencia del amanecer" con una sola capa; despojado. Una bonanza de tierra vegetal”. Esto se debe a la gran diversidad de especies, tipos genéticos, metabólicos y ecológicos de microorganismos. La diversidad de microorganismos constituye la riqueza de los recursos microbianos, y la riqueza de los recursos microbianos determina su investigación, desarrollo y utilización a largo plazo.
Sólo se puede decir que el desarrollo humano de ricos recursos microbianos apenas ha comenzado. No importa cómo se estime, el número total de especies en la comunidad microbiana (incluidos los virus) debería exceder con creces el número total de especies en las comunidades animal y vegetal (alrededor de 15.000 especies conocidas), pero la primera es sólo 1/10 de este último como máximo. Según estimaciones científicas, el número de especies animales y vegetales que realmente existen en la naturaleza es al menos varias veces mayor que el número conocido en la actualidad.
Los siguientes hechos pueden demostrar plenamente cuán ricos serán los recursos microbianos: ① El número de nuevas especies microbianas aumenta rápidamente cada año, y cada año se registran 1.500 nuevas especies solo de hongos más grandes ② Alrededor de 1.500; Cada año se registran nuevas especies de microorganismos en el suelo. El 90% de los microorganismos no se pueden cultivar en el laboratorio y muchos de ellos se denominan "bacterias vivas". (3) Dado que se han encontrado virus correspondientes en casi todos los animales, plantas y microorganismos, es posible que entre los microorganismos el número de virus por sí solo pueda aproximarse o incluso superar el número total de otros animales, plantas y microorganismos, sin mencionar mencionar Algunos huéspedes pueden albergar varios virus al mismo tiempo (por ejemplo, ¡se han descubierto más de 300 virus solo en humanos! ④ Los seres humanos solo han estudiado realmente los microorganismos durante unos 130 años). ¡Sólo podemos imaginar cuántos recursos microbianos se podrán descubrir y utilizar en el futuro!
De los microorganismos que se han descrito, no más del 1% de las especies son utilizados por el ser humano. Por ejemplo, entre las aproximadamente 654,38+100.000 especies de hongos grandes, unas 2.000 especies son comestibles, pero hasta ahora sólo se han cultivado en laboratorios 80 especies, unas 20 especies se han cultivado comercialmente y sólo 5,6 especies.
En cuanto a los tipos metabólicos especiales de microorganismos, como el desarrollo de microorganismos en ambientes extremos, ¡todavía están en la línea de partida!
Cuarto, llevar a cabo vigorosamente la investigación microbiológica en China
Debido a razones históricas, todavía existe una gran brecha entre la microbiología de mi país y el nivel avanzado internacional. Como descendientes de la nación china, tenemos la obligación de hacer que el nivel científico y tecnológico de nuestro país alcance el nivel internacional, y los trabajadores de microbiología, naturalmente, están obligados a cumplir con su deber.
Para desarrollar la microbiología en mi país, debemos partir de las condiciones nacionales específicas de nuestro país, concentrar la principal mano de obra y recursos materiales en condiciones limitadas y atacar algunos proyectos con características chinas, una cierta base, y beneficios académicos, económicos y sociales obvios como un gran avance. Logre un gran avance, promueva uno y luego amplíe gradualmente los resultados. Por lo tanto, el foco de investigación actual debería estar en el estudio de la teoría aplicada.
(1) Identificación de clasificación y estudio de recursos
Mi país tiene un territorio vasto, un terreno complejo, tres zonas frías y calientes y entornos ecológicos diversos. Es uno de los pocos países. con una gran cantidad de recursos microbianos. Sin embargo, el equipo de clasificación y estudio de recursos es débil, la tecnología está atrasada y hay pocos resultados publicados. Según las estadísticas, el número de bacterias y hongos estudiados en mi país sólo representa entre el 5 y el 10% del número conocido en el mundo. En este campo, se deben hacer esfuerzos para investigar recursos de cepas con características chinas y perspectivas de aplicación para promover el desarrollo de la morfología, clasificación e identificación (especialmente nuevos métodos de identificación).
Por ejemplo, investigación de recursos de microorganismos fijadores de nitrógeno, clasificación e identificación de rizobios; detección y clasificación química de nuevos actinomicetos antagonistas: investigación de recursos de micorrizas: investigación de recursos de hongos comestibles y medicinales e investigación sobre clasificación de hongos. sistemas: Estudio de microorganismos entomógenos y recursos de baculovirus de insectos: aislamiento, detección y prevención de enfermedades de los principales patógenos de virus de cultivos; desarrollo de recursos proteicos unicelulares; estudio de recursos y cepas de microorganismos extremófilos (especialmente bacterias halófilas, alcalófilas y termófilas); investigar; esperar.
(2) Metabolismo fisiológico e ingeniería de fermentación
Los resultados de la investigación del metabolismo fisiológico pueden promover el desarrollo de muchos campos de aplicación, como la ingeniería de fermentación y la microbiología agrícola y médica. Hay muchos proyectos de investigación por realizar en este campo, como fisiología microbiana recombinante, fisiología microbiana inmovilizada, fisiología microbiana de cultivos mixtos, fisiología extremófila, fisiología bacteriana fotosintética, fisiología bacteriana anaeróbica, etc.; como antibióticos)); la cinética del cultivo continuo de múltiples etapas; el mecanismo de secreción de enzimas extracelulares, inhibidores y activadores de enzimas; investigación sobre materias primas de fermentación no cerealeras; sobre tasa de conversión y productividad (g/l·h): investigación sobre portadores de oxígeno en la fermentación líquida: mecanismo de descomposición microbiana de celulosa, lignina y hemicelulosa, investigación sobre biosensores, fermentación controlada por computadora en línea; investigación sobre el efecto inhibidor de la fermentación; ingredientes activos de la medicina herbaria china sobre los virus: el mecanismo del moho de los productos industriales; la investigación y utilización de metabolitos bacterianos anaeróbicos: espere un minuto.
(3) Variación genética y selección de cepas
La investigación y mejora de los recursos de germoplasma microbiano es un trabajo indispensable en microbiología a largo plazo. Desde el surgimiento de la ingeniería genética, el mejoramiento genético microbiano ha alcanzado un nuevo nivel. En el campo de la variación genética y el mejoramiento de cepas, los temas que merecen mayor investigación incluyen:
Principios y técnicas de mejoramiento molecular microbiano, principios y técnicas de movimiento de especies de protoplastos; estabilidad genética de bacterias recombinantes; varios nuevos sistemas receptores-vector relacionados con la ingeniería de fermentación (como Bacillus, Corynebacterium, levaduras, actinomicetos, hongos filamentosos y algunos extremófilos). Genética de rizobios, introduciendo genes fijadores de nitrógeno en plantas distintas del frijol; celulosa, lignina y hemicelulosa: los principios genéticos de la resistencia a los medicamentos de las bacterias patógenas y los avances en la tecnología tradicional de detección de cepas, etc.
(4) Teoría ecológica y práctica de protección ambiental
En el campo de la investigación de la ecología microbiana, el trabajo en profundidad es poco común y hay mucho trabajo esperando que la gente lo estudie. . Por ejemplo, la investigación de nuevos grupos microbianos en el suelo, la estructura poblacional y la función de los microorganismos del suelo; * * *La base molecular del reconocimiento mutuo de organismos y microorganismos patógenos y sus huéspedes; la base teórica del uso de microorganismos para prevenir y controlar plagas; y enfermedades; cuestiones ecológicas microbianas en la elaboración del vino tradicional chino: investigación microecológica; tipos de microorganismos de moho y podredumbre, mecanismos de moho y métodos de control de la flora microbiana importante en la naturaleza (caballos, etc.); . ) y los intestinos de las cucarachas y su mecanismo de descomposición de la celulosa; ecología de degradación anaeróbica, bacterias degradantes orgánicas refractarias, utilización integral de "tres desechos" ecología microbiana marina y hongos tóxicos y micotoxinas;
(5) El mecanismo y la práctica de la infección y la inmunidad.
Los contenidos de investigación en esta área incluyen principalmente: mecanismos moleculares de bacterias patógenas; aislamiento, identificación y patogenicidad de bacterias anaeróbicas patógenas; aislamiento e identificación de nuevas bacterias patógenas, nuevos productos biológicos; , ingeniería genética y producción de vacunas, vacunas de ingeniería genética multivalentes, investigación sobre anticuerpos monoclonales: espere.
(6) Otros
Investigación sobre métodos microbiológicos; tecnología moderna de preservación de cepas; establecimiento de una base de datos microbiana; estandarización de reactivos de laboratorio; kit comercial de identificación de cepas simple y rápido;
* * *
En resumen, podemos saber que los microorganismos son un equipo enorme en el mundo biológico. El alcance de sus efectos, ya sean beneficiosos o perjudiciales para las personas, depende principalmente de la comprensión y el control de sus actividades por parte de las personas. Innumerables hechos demuestran vívidamente que desde que los humanos han comprendido los microorganismos y han ido dominando gradualmente sus reglas de actividad, ha sido posible hacer que los microorganismos que antes no eran rentables sean rentables, los pequeños se vuelven rentables y los dañinos se vuelven diminutos, inofensivos e incluso beneficiosos, promoviendo así en gran medida el progreso humano. Este es el propósito fundamental de nuestro estudio de la microbiología.