发酵方法实质上和文明本身一样古老，然而仅从上世纪人们才开始了解发酵的过程。今天，微生物被用来制造各种各样的工业化合物。

微生物生活在世界上至少已有三十亿年了。它们可以在空气中，土壤中和水中被发现，并且可以在各种各样的气候条件下存在，从热泉和暖洋流到沙漠和结冰的废物。有些生活在酸性条件下；而有些生活在很强的碱性环境中；有些可以在浓盐溶液中生存和繁殖；而大洋深处的细菌可以忍耐相当高的压力。在极端环境中微生物活动一般是由微生物生态学家来研究的，然而今天微生物生理学家对这些微生物的生理和工业应用的潜力也怀有极大的兴趣。

许多复杂化合物的转化是在微生物的作用下进行的。有些微生物与高等动植物共生；有些进化成致病性的微生物。这些病原物在医学和经济上的重要性促进了对致病微生物的研究。但这些仅是微生物总群体中的一部分。微生物在自然界氮和硫元素的循环中扮演着必不可少的角色，它们也是这个世界上的化学清道夫。它们能利用植物和动物产生的有机物质；还能降解许多被释放到环境中的人造化学物质，如除莠剂和杀虫剂，以及分解有毒的化学工业的副产品。生物技术的新发展正愈来愈多地用到它们特殊的生物化学活性。

远在微生物作用的科学基础被建立以前，就发展了许多包含有微生物作用的方法。鲜为人知的是啤酒、酒精发酵以及发酵食物。较早的食物保藏方法是在干燥或盐渍的条件下避免微生物生长（降低可利用水）；或包藏在酸中（能杀死许多有害细菌）；或用加热的方法去杀死自然微生物群。尽管早在1676年列文虎克就发现了包括细菌在内的显微镜下的生物，然而直到十九世纪中叶才由巴斯德和他的同代人的工作阐明了发酵作用和腐败作用都是在微生物的作用下进行的。

在十九世纪末期，当医学微生物学家鉴定病原物和建立纯培养技术取得迅速进展的同时，微生物学的另一分支正在集中研究从土壤和水中得到的分离物的生理学。这一时期有自生和共生固氮微生物以及自养细菌的鉴定，后一种能利用无机碳源和能量。例如，硫杆菌可以固定二氧化碳，并从硫氧化到硫酸或从二价铁氧化到三价铁的过程中获得能量。许多硫杆菌可以耐比较酸性的环境。它们的活动可以用来淋溶低品位矿石。这一工作的开拓者是后来工作在巴黎的俄国科学家S. N. 维诺格拉斯基和德国科学家M. W. 贝捷林克。在达尔福的贝捷林克实验室里，经常会有请求培养奇异代谢活力微生物的人，但据A. J. 克鲁沃报告，贝捷林克认为这些细菌中的许多可以在这些请愿者的鞋子中发现。

化学转化

一个最古老的微生物参与化学转化的例子是醋的制造，巴斯德应请求去研究酒的腐败过程，发现酒的酸败是由于后来定名为醋化醋杆菌的细菌活动的结果。醋的商业生产是将酒放在大桶里，表面的酒精氧化生成醋。在醋的快速生产法中，酒或啤酒是以涓涓细流通过包有细树枝或制花的管道，细菌吸附在细树枝上形成一个薄膜，因为这个过程应用了连续培养法和固定化细胞法，这两种方法今天被用于工业化生产。几年以后发现醋杆菌的其它种能将葡萄糖氧化成葡萄糖酸，将甘露醇氧化成果糖和将丙醇氧化成丙酸。这种不完全氧化为制造有机化合物提供了一种方便的生物途径。用这种方法生产的产物之一是山梨糖，它是由山梨醇氧化而来的。在那时这种方法没有进一步发展，但后来这一反应用来生产山梨糖以生产抗坏血酸。

有很多年，微生物的方法无法与蓬勃发展的化学工业相竞争，但到1922年用生物学方法制造的化合物有：酒精、乙酸、柠檬酸、乳酸、丁醇、丁酸和丙酮。1915年由于急需丙酮造炸药，查姆 · 威兹曼将厌氧发酵生成丙酮和丁酸的方法发展成工业规模生产。稍后，英国政府任命了一个“酒精发动机燃料委员会”负责调研怎样扩大工业酒精生产和内燃机以酒精为燃料的方法。最近对厌氧细菌生理学的研究使丙酮 - 丁醇发酵最终产物比的控制因子清楚地揭示出来，并发现对于生物工程有潜在价值的新厌氧反应、新奇的酶和辅酶。

在几个国家中，微生物生产酒精又重新成为研究和发展的项目。除了应用改进的酶母菌株以外，还有应用细菌发酵的方法。在墨西哥找到发酵生产酒精饮料和龙舌兰酒的催化剂（菌株）。用经典的筛选方法和新的基因工程技术都得到了改善性能的新菌株，同时在培养条件和发酵装置的设计与操作方面也得到了改进。嗜热细菌也正在用于酒精生产。它在工业发酵中可在高温中进行，因此可以减少污染和冷却容器设备。

青霉素的抗细菌活性是由弗莱明在1928年发现的，但几乎直到=十年后，这种抗生素才被大量生产供医疗用，第一个工业生产青霉素的工厂用了大量的像今天实验室所用的容器进行培养，这种低效率的工厂很快就被在巨大的容器中深层培养青霉菌的工厂所取代。今天，抗生素的生产在世界范围内都是一个主要工业。工业生产抗生素的成功归结于：（1）筛选高产菌株；（2）为有关微生物的生长和抽提设计有效的工厂；（3）了解在这种规模中微生物生长和合成的生理学。

微生物也可以用于生物量的生产作为动物的饲料，这就是单细胞蛋白。已有许多应用细菌或真菌的生产单细胞蛋白的工厂已建立起来。

微生物生理和遗传

微生物生理学是关于研究所有影响微生物生长和繁殖因素的学科。其中包括氧气的需求（或在厌氧条件下氧气的排除），温度和生长的pH范围；作为碳源、氮源和能源的化合物；及任何其它少量需要的因子。自从1950左右应用微生物遗传学技术以后，我们对微生物生理的了解大大地增进了。第一阶段是通过测定缺失突变株的生长特性和发现哪些酶缺失阐明了代谢途径。后来，用微生物突变株研究了在微生物合成和降解途径中哪些是控制和调节位点。在最近这些年中，在细胞外重组DNA的基因工程技术，使克隆特定基因序列和在基因寄主细胞中扩增成为可能。基因克隆最伟大的成就之一是可以获得哺乳动物基因产物，如用细菌生产胰岛素和生长激素。这些技术也可用来克隆和扩增细菌基因。这也许是一种获得能产生有价值化学物质十分有效的微生物方法。这些化学物质可能是正常代谢途径的终产物或中间代谢物。类似地，通过重组可以得到能产；生高水平酶的菌株，这些酶可以用于固定化系统中转化化学物质。微生物生理学的研究现在渐渐地和遗传学及分子生物学的研究合为一体了。

氨基酸的微生物合成

在自然界，微生物在每一个可利用的小生境中都互相竞争。有些微生物已进化到仅在有丰富有机分子的环境中生长。例如乳酸杆菌在牛奶中生长旺盛，但将它们转移到实验室的无机盐培养基上必须供给自己不能制造的氨基酸方能生长。另一些细菌在含唯一碳源的无机盐培养基中生长能合成氨基酸，但将它们转进复杂培养基中便不再合成氨基酸了。在无机盐培养基中所有细胞成分不得不从头合成，而在丰富的复杂培养基中细菌是用现成的氨基酸和其它化合物。细菌有许多调节系统通过改变酶活力或有机分子摄取速率来控制生物合成途径，它们还可以通过控制基因表达来调节酶合成速率。

人类和动物从他们吃的食物中获得蛋白质，然后这些蛋白质被消化酶降解成为氨基酸。这些氨基酸又被合成为新的蛋白质。有些蛋白质，特别是植物蛋白质，缺乏人类和动物生长所必需的氨基酸，其中有赖氨酸和色氨酸。添加这些氨基酸可以改善缺蛋白质的营养价值。这些氨基酸可以用化学合成或利用合适微生物采用生物学方法制造。生物学方法的一个优点是它产生自然的L - 型异构体而化学过程产生D - 型和L - 型氨基酸的外消旋混合物，仅氨基酸的L - 型异构体可用于蛋白质的合成。另外，有些氨基酸在工业上可作为合成几种其它有机化合物的中间体。表1列出了几种用生物方法以工业规模生产的氨基酸。早期的方法是寻找自然的能合成所需氨基酸并能将其分泌到环境中的微生物，谷氨酸棒杆菌就是其中之一，它在日本用来生产谷氨酸单钠——一种增加食物风味的添加剂（味精）。

细菌合成氨基酸过程的调节一般是通过抑制酶的活性或终端产物阻遏酶的合成来进行。当几种氨基酸是由分支途径合成的其调节就变得更复杂了。在不同种的微生物中鉴别出了几种不同的调节系统。有一组细菌在代谢途径的第一步有三种酶它们分别受三种终端产物中的一种调控。在另一些细菌中第一步反应只有一个酶，在两种氨基酸的同时作用下受到抑制。因为在合成蛋白质中这三种氨基酸都是必需的。这样就产生了一个问题。荚膜红假单胞菌可以在无机盐培养基中生长，但是同时加入赖氨酸和苏氨酸后其生长就受到了抑制。这种生长抑制作用可以通过加入第三种氨基酸甲硫氨酸来解除。看起来这似乎是一个低能的调节系统，但是不要忘记实验室内的条件，这些生物在自然界环境中不一定能遇到。这些细菌在它们的正常生活中或许从来没有遇到过达到生长抑制浓度的苏氨酸和赖氨酸。分析调节系统使我们能够筛选到对某种氨基酸合成解除控制的突变株。

铜绿假单胞菌有一个天冬氨酸激酶，它受苏氨酸和赖氨酸强烈联合抑制，但主要受苏氨酸的抑制。在这种微生物中赖氨酸合成的主要调节因素是苏氨酸对天冬氨酸激酶的调节。缺失高丝氨酸脱氢酶基因的突变株因为不能产生高丝氨酸，所以不能生长，除非向环境中加入高丝氨酸或甲硫氨酸和苏氨酸。当这一菌株生长在含低浓度高丝氨酸的无机盐培养基中，它向培养基中分泌赖氨酸。在这种情况下突变菌体内的苏氨酸浓度太低不足以抑制代谢途径的第一步反应，中间代谢产物就都流向了赖氨酸的合成，具有类似突变的细菌被用于工业生产。

在最近几年，更复杂的遗传学方法已被用于氨基酸生产菌株的构建。图三显示了芳香族氨基酸色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸生物合成的分支代谢途径。构建色氨酸生产菌株的方法是筛选解除色氨酸支路中反馈酶活抑制和终端产物对酶合成抑制的突变株，还要有解除分支途径第一个酶的调节控制和阻断苯丙氨酸和酪氨酸的合成的突变，使普通中间产物都转向色氨酸支路。生长条件很重要并且通过调节主要碳源的浓度和加入，一些合成色氨酸所需要的其它中间产物，色氨酸产量可以进一步提高。

开发任何过量产生代谢产物的新菌株都需要遗传学和生理学的调研。日本是主要用生物学方法的生产氨基酸生产国，但现在有些国家也在生产某些氨基酸。

分解代谢

在自然界，很少有地方我们能发现单一种类的微生物。一个例外的生态小生境例子是在黄石公园的热泉中有一类特殊嗜热细菌可以在接近沸点的热水中生长。在大部分气候条件下，土壤和水中的微生物区系是由许多不同种属组成的，它们可以有不同类型的分解代谢。

一个发现特殊生化活性的细菌的方法是，取土样加入灭过菌的含有单一碳源无机盐培养液的试管中，培养一二天后，取一小部分培养液加入含'同样培养基的新鲜试管内。这个过程重复几次后，在含有同样碳源的固体培养基上划线，可以获得由一个细菌繁殖而来的单菌落。这种方法被广泛地用于分离生长在外源有机物上的细菌。在化学污染源附近取得的土壤和水域的样品经常能得到有用的微生物。在汽油泵附近土壤中分离得到的细菌能利用辛烷和其它碳水化合物生长。在航空燃料污染的地方分离得到了可以利用环己烷的细菌。许多化学废物中的化合物不但对人类和动物而且对微生物也很有害，但是通过调节培养条件，保持其浓度在有害水平以下，用微生物菌株降解这些化合物仍然是可能的。

连续培养

微生物可以在试管或三角烧瓶中或在平面培养皿琼脂培养基的表面分批培养，也可以在一个容器中连续供应新鲜培养液建立一个培养系统，其体积可以通过一个溢流系统保持常量。这样当新鲜培养料流过，一些原来已在容器中的培养物流出。细胞密度可以通过限制一种必需营养的量来保持恒定，这样新鲜培养料的注入速率就可以控制生长速率。这是一个研究在不同生长速率和不同生长限制条件下微生物生理学十分有用的方法。它也可以用于研究不同微生物的竞争。如果两种微生物的生长速率差异显著，最终快速生长的微生物将取代较慢者。然而在自然界微生物是以混合的群落而存在的，从一个土样的实验已发现，在实验室连续培养中，一个稳定的微生物联合体可以建立起来，而没有一种微生物占优势。在这种情况下，我们观察到了一个微生物群落一起生存而不是简单的竞争动力学。能杀死茅草（Couch grass）的除草荆达拉波恩（2，2' - 二氯丙酸）

在自然环境中可以降解。一个来自土壤的在连续培养中建立的微生物群落被发现是由7种不同微生物组成的。其中三种的纯培养能在2，2' - 二氯丙酸中生长，但是没有一个能像完整的群落生长得那样快。

连续培养在实验室也用于关于微生物进化的实验。有些实验连续数月最后分离出了具有奇异特性的菌株。从2，2' - 二氯丙酸微生物群落成员之一衍生出的突变株表现出了奇迹般的脱卤素酶活力。在其它实验中分离出的菌株能够降解卤化的芳香族化合物，后者是十分使人感兴趣的，因为化学工业产生了许多是潜在污染源的芳香族卤化物，包括氯苯甲酸、氯酚、氯化苯氧基乙酸和氯化联苯，这项技术对于分离能够降解非生物物质的菌株是特别有用的。

目前趋势

目前对于微生物生理学和生物化学的强烈兴趣主要来自生物技术的要求所刺激。从微生物学建立起就有微生物应用于工业生产的例子，随着微生物遗传学惊人的崛起，就产生丁这样的倾向，许多微生物学家把他们的活力局限在有限的一群微生物中。这种集中的努力在详尽阐明基因结构和基因的表达方面获得了成功并直接导致了体外遗传操纵技术的产生。还有一些微生物学家在进行着另外一些不大相同的工作，他们在寻找新的微生物并分析其复杂的代谢途径。这两方面的研究在几年以前已会聚在一起并在许多类细菌中现在都能进行遗传学分析。许多具有奇异活力的菌株仍然不断地在自然波分离到和在实验室被筛选到，这类工作看样子还要继续下去。在体内和体外转移和重'组微生物基因的方法大大加快了对微生物世界的探索。

[Endeavour，1985第9期]