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無所不在的微生物
貼出者為 slayers 於Monday, July 23 @ 10:38:50 CST

   作者:
  郭書萍 臺鹽實業股份有限公司 黃嘉嫻 臺鹽實業股份有限公司
   禽流感引起的恐慌籠罩著全球,而在經濟全球化的同時,世界各地的微生物也藉著全球旅人的遷移展開無國界的旅程。例如 SARS 原本是中國區域性的傳染病,但藉由各式交通工具的散布而成為全球性的災難。若當時發生大規模的感染,預測會比 1918 年第一次世界大戰後的「西班牙流行性感冒」,侵襲了全球五分之一人口的慘痛經驗來得更為嚴重。到底是何方神聖造成如此世界性恐慌呢? 在生活環境中,例如空氣、水、食物等,充滿著千百種、億兆個的微生物,它們無法以肉眼看見,卻幾乎無所不在。這些必須在顯微鏡下才現形的微小生物統稱為微生物,包括病毒、細菌、藻類、真菌、黴菌等。
  人類第一次知道微生物的存在,是在四百多年前由荷蘭小雜貨店商人列文虎克(Anton van Leeuwenhoek),透過自製顯微鏡觀察到雨水中有微小的生物。自發現細菌後,科學家開始對微生物產生興趣,思考周遭一些在那個時代認為理所當然的事,例如煮過的肉湯為何還會有細菌孳長。因為沒有人可以具體描述微生物,所以各自以觀察到的想法推理,因而衍生出「自然發生說」與「反對自然發生說」兩派理論。
  直到一百多年後,約 19 世紀左右,年輕的法國化學家巴斯德以鵝頸瓶實驗,推翻了微生物會自行產生的學說,重新開啟細菌學研究的大門,他也因此被推崇為細菌學的始祖。在 19 世紀這個科學萌芽的時代,產生了許多互相競爭的科學,也因為開放的討論,讓微生物及相關知識的累積遽增。
  在 19 世紀中葉前,中西方對於疾病發生的原因仍然眾說紛紜,直到 19 世紀末,才陸續證明許多疾病與微生物的關係。爾後研究工具如電子顯微鏡等的陸續發明,許多與微生物相關的學問開始大幅進展,包括基礎研究上的遺傳學、分子生物學、免疫學、公共衛生等,以及工業應用上的食品科技、發酵工業、能源替代等。
  根據研究,在每平方公分的廚房工作檯面上,可培養出 300 個細菌;浴廁的水龍頭把柄上,可培養出 1 萬個細菌;在廚房的抹布上,每平方公分更可培養出 1 億個細菌。細菌是地球上最古老的生物,分布廣泛,大部分的大小介於 0.5 到 1 微米之間。
  至今所知最大的細菌,是由德國麥斯賓克海洋微生物學院的生物學家舒爾斯(Heide Schulz),於 1999 年在非洲的納米比亞海岸發現的。其菌體成圓球狀,最大的直徑有 0.75 厘米,體積是一般細菌的數百萬倍,肉眼可見。因為排列成鏈狀,發出閃亮的白色,看起來很像珍珠項鍊,所以命名為 Thiomargarita namibiensis,意思是「納米比亞的硫磺珍珠」。這種細菌的細胞內充滿空泡,可以儲存大量養分,細菌本身也可透過調整空泡大小改變密度,以控制其在水中升降覓食,有如一部升降機。
  微生物分布廣泛,從冰冷的北極到熾熱的深海火山岩噴口,都可以找到其蹤跡。還好大都對人體無害,甚至許多微生物還是有益菌。在一般人觀念中,微生物會感染各種動、植物,引起病變甚至導致死亡。然而考量微生物對大多數動、植物及人類所做的有益貢獻,可說是瑕不掩瑜。
  以溫泉中發現的嗜熱細菌為例,為適應高溫的環境,這種細菌的蛋白質結構必須不會變性,在高溫下的生化反應才能正常進行。嗜熱細菌的研究造就了分子生物學中一項非常重大的革命,即 DNA 聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)技術的成功發展。PCR 是一個利用 DNA 聚合酶在試管內大量合成特定基因的技術,為分子生物領域帶來不少的震撼和影響,大大地加速了生物科技研究的腳步。
  使 PCR 技術成功的關鍵物質,就是嗜熱細菌體內的 DNA 聚合酶。事實上,這個關鍵物質是由一位來自臺灣的研究生於 1976 年在美國攻讀碩士學位時發現的。他發現由黃石公園溫泉分離出的嗜熱性細菌,其 DNA 聚合酶具有耐高溫的特性。這份論文後來被 Cetus 公司的米利斯(Kary B. Mullis)所應用,並在 1988 年改以溫泉菌分離的 DNA 聚合酶進行 PCR 的方法重新發表。
  這項技術使他獲得了 1993 年諾貝爾化學獎,是近年來分子生物領域的重大成就。若沒有這些特殊環境下生存的微生物所衍生的「特殊工具」,人類基因解碼可能還遙遙無期呢! 微生物與我們日常生活息息相關,古代為了保存多餘的食物,各民族都發展出各種利用微生物醃漬或發酵的方法,以抑制因壞菌生長可能造成的食物腐敗,並可增添食物的美味及提升營養價值。除了大家熟知的優酪乳、葡萄酒是利用微生物發酵技術生產外,也許您還不知道,巧克力的顏色及美味也是一群微生物的傑作。
  巧克力是以可可豆為原料,可可豆莢打開一段時間後,微生物會在豆莢內的黏液物質中開始繁殖發酵。初期是酵母菌把糖分轉化為酒精,並分解果膠,降低苦味物質。當發酵至一定的酒精濃度時,酵母菌會逐漸死亡,取而代之的是乳酸菌類細菌繼續繁殖發酵。然後把豆子乾燥,再由黴菌接棒繼續發酵。最後以高溫烘焙方式殺死微生物,就成為製作巧克力的原料,它具有特殊色澤、濃郁獨特的香味,為人們生活帶來了浪漫的享受。
  農漁產業 在土壤中無以計數的微生物,日以繼夜地分解地面上各種動植物屍體,把各種有用的礦物質及有機物質重新送回大自然,再次提供其他生物循環利用。這些微生物包括根瘤菌,又稱共生性固氮菌,能夠幫助固定大氣中的氮元素,讓植物從土壤中吸收硝酸離子以合成胺基酸,可以減少肥料用量及增加植物收穫量。另外,枯草桿菌可產生長期存活的內生孢子及抗生物質,可以與土壤中的致病菌長期競爭生長,誘導植物產生抗病性,進而降低農藥的使用量,達到防治植物病害及促進植物生長的目的。
  在河川及海洋中,有些微生物可以幫助分解各種污染及廢棄物,達到淨化水質的目的。因此可以應用在養殖漁業上,例如混合使用芽孢桿菌群、光合菌、硝化菌等,除了可以分解魚池中殘餘的魚飼料及魚排泄物,解決養殖場所水質污染的問題外,也可以抑制水產養殖業致病原菌群的生長,提高養殖業漁獲量。
  生物復育 生物復育(bioremediation)或稱生物整治、生態復育,主要是利用微生物的代謝活動來減少污染地區污染物的濃度,或降低其毒性。利用生物復育最大的特點是可以對大面積的環境污染進行整治復育,目前最常應用於石油污染及農田農藥污染的整治上。生物復育最著名的成功案例是在 1989 年,美國愛克森石油公司的運油船在阿拉斯加擱淺,造成一千多萬加侖石油外洩並污染海洋。
  愛克森公司使用微生物進行油污分解清除,使得近百公里的環境得以免遭荼毒。另外,有些生物科技公司專門篩選以有毒污染物或重金屬為食物的微生物,來解決農田或地下水污染的問題。例如美國化學學會就提出利用細菌清除農田鎘污染的方案,利用微生物把土壤中可溶性鎘吸收轉化為不可溶的沈澱物,如此就不會被農作物吸收,也可降低地下水的污染。
  發酵產業 利用微生物進行發酵生產,其實很早就出現在人類的歷史中了,像是乳酪、酒類、麵包的製作等。但是微生物發酵工業的大規模發展,則是在第一次及第二次大戰期間,利用微生物發酵和類似的科技,製造軍備相關的化合物,以及第二次大戰後用於大量抗生素的生產。此外,目前又因為石油價格日益高漲及潛在的短缺問題,傳統的微生物發酵再度引起人們的興趣。
  近年來不論是化工或食品產業,許多原料多以發酵技術大量生產,只要投入的菌株適當,就可以得到想要的產物。例如以納豆菌發酵生產納豆菌和納豆激酶,或是純化後可以得到聚麩胺酸;酵母菌發酵產物可以是酒類或大家耳熟能詳的化妝品 SK-II 的酵母培養液 Pitera^(R);枯草桿菌發酵所得代謝物質含有可用於醫藥的抗生物質、蛋白質分解酵素、油脂分解酵素、澱粉分解酵素等,這些產物也可以應用於食品添加、清潔及化妝用品中。
  運用微生物發酵有許多優點,除了菌種多樣性之外,生產的速率快,單一產物的回收也較容易,因此能提高有效成分的濃度,且品質穩定度也易調控。最重要的是由於所有發酵產物都是天然來源,健康及安全性更有保障。
  醫療產業 抗生素是 1928 年佛萊明在一個偶然的機會下發現的。當時他正在研究葡萄球菌,放長假前,他把塗布有細菌的培養皿堆置在實驗室,度假回來後,同事發現培養皿被黴菌污染,但是黴菌周圍卻沒有細菌生長。對於這個現象,佛萊明猜測是黴菌產生了一種抗菌物質,透過培養基向外擴散,導致周圍的細菌無法生存。
  後來佛萊明以黴菌抽出物質處理細菌,發現確實可以殺死細菌,因為抽出物質來自於學名是 Penicillium notatum 的微生物,所以把這物質命名為盤尼西林(Penicillin)。抗生素是微生物的二次代謝物,並非其生長所需,但抗生素可以選擇性地滅殺病原菌,且不會對宿主造成傷害,因此又稱為「魔術子彈」。到目前為止,許多抗生素都還是以發酵方法生產。
  人類對生活品質及生活水準要求日益提高,在大部分人類可以豐衣足食的狀態下,進一步希望可以藉由科學的力量達到更理想的生活,生物科技產業的發展於是應運而起。生物科技的進步迅速,帶動與生物醫藥相關的產業,如生技醫藥、食品、醫療器材、環保等產業的快速成長。由於微生物有迅速大量生產的特點,在新一波的產業成長中將扮演非常重要的角色,以後人類和微生物的關係會更密不可分,它不僅在我們的環境中無所不在,且將遍布於各種產業中。
  抗生素的代表性來源    微生物               抗生物          革蘭氏陽性桿菌 Bacillus subtilis            Bacitracin 桿菌肽 Bacillus polymyxa           Polymyxin 多黏桿菌素            放線菌 Streptomyces nodosus          Amphotericin B Streptomyces venezuelae         Chloramphenicol 氯黴素 Streptomyces aureofaciens        Chlortetracycline 氯四環素、Tetracycline 四環素 Streptomyces erythraeus         Erythromycin 紅黴素  Streptomyces fradiae          Neomycin 新黴素 Streptomyces griseus          Streptomycin 鏈黴素 Micromonospora purpure         Gentamicin 健大黴素             真菌 Cephalosporium spp.          Cephalothin 頭孢金素 Penicillium griseofulvum         Griseofulvin 灰黃黴素 Penicillium notatum           Penicillin 青黴素

轉載自 國科會-科普知識 網站