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现代工业生物技术 对人类生活的影响
现代工业生物技术对人类生活的影响
摘要：工业生物技术是社会经济可持续发展的战略高技术，对于应对能源短缺、资源紧张、环境恶化、经济衰退、气候变化、食品安全等一系列严峻挑战，对于建设绿色、低碳与可持续的产业经济体系具有重大战略意义。现代工业生物技术正在改变着人类的生活与思维方式，其发展有可能重新实现了人与自然的共存与进化，但也不可避免地产生法律、社会、食品安全、工农业生产、能源、环境等一些新的问题，令人们深思。
关键词：工业生物技术；发展趋势；现状；展望
前言：
在19—20世纪，人类的化学工业文明取得了辉煌成就，其主要特征是以化石资源为物质基础。化石资源是储量有限的不可再生资源，正走向衰竭。据估计，可开采石油储量仅可供人类使用约50年，天然气约75年，煤炭200—300年。进入21世纪，面临化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面，转向以可再生生物资源为原料，可再生生物能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式是必然趋势，这种加工模式的核心技术就是工业生物技术。
20世纪后半叶开始，分子生物学的突破性成就引发了现代生物技术发展的三次浪潮。这三次浪潮推动着一个以生物催化和生物转化为特征，以生物能源、生物材料、生物化工、生物冶金等为代表的现代工业体系的形成，在全球范围内掀起了一场新的现代工业技术革命。
工业生物技术是指以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模地生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等产品的生物技术[1]。它是人类由化石(碳氢化合物)经济向生物(碳水化合物)经济过渡的必要工具，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。
生物技术在工业上的应用主要分为两类，一是以可再生资源(生物资源)替代化石燃料资源；二是利用生物体系如全细胞或酶为反应剂或催化剂的生物加工工艺替代传统的、非生物加工工艺。
工业生物技术的核心是生物催化。由生物催化剂完成的生物催化过程具有催化效率高、专一性强、反应条件温和、环境友好等优势[2]。
中国高度重视工业生物技术的发展，2005年9月，由国家科技部中国生物技术发展中心组织了“首届国际生物经济高层论坛”在北京召开。在2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中把“新一代工业生物技术”作为“前沿技术”列入规划。工业生物催化和生物转化的研究，是中国参与生物技术国际竞争的一个难得的机遇和切入点，也是我国生物技术应用研究的一个战略重点[3]，其最终目标是通过生物学、化学和过程科学的交叉，建立以生物催化和生物转化为基础的新生物加工体系[4]。
进入21世纪，随着化石资源与能源危机、环境危机的日益加剧，为了实现人类社会、经济的可持续发展，进一步建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前制造加工工业的生产模式，解决人类所面临的资源、能源和环境的问题。人类必须对传统的基于化学过程的物质加工模式（化学加工或化学制造）进行革命性转变，转向以生物可再生资源为原料，基于生物过程的环境友好的高效的物质加工模式。以生物经济取代化石经济是一种必然趋势，而生物经济的核心技术是工业生物技术。着眼于发展环境友好、过程高效的工业生物技术，有望对社会发展产生巨大的引领和带动作用，为实现人与自然和谐发展提供有效途径。
研究内容：
一、工业生物催化剂改性和提高
生物催化剂是生物催化和转化技术的核心。生物催化剂快速定向改造新技术已被用于上百个酶的进化，大大提高了生物酶的活性和效率。今后生物催化剂的研发与改进需要追求如下目标：性能更好(包括选择性、热稳定性、溶剂耐受性等)、催化范围更广、催化功能更多、催化速度更快、生产成本更低。这些目标可具体量化为：酶的温度稳定性提高到120℃—130℃、酶活性比现有的在水或有机溶剂中其活性增加100—10000倍、产率提高10—100倍、酶转化率达到现有化学催化剂的水平；耐久性达到几个月至几年；提高了固定化酶或微生物的活性。近年来，这方面的研究工作主要集中在极端微生物、未培养微生物、共生微生物、非水相催化、分子定向进化、合理化设计等。
二、极端和未培养微生物资源库和极端微生物功能基因组学技术
工业生物催化面临产品低耗、高价值化和产品形式多样化的挑战，要应对这一挑战，必需首先获得合适的生物催化剂。生物催化剂的来源主要有两种，一是从已有的菌种或酶种资源库中直接获得，二是从大自然中筛选获得。可是这些现有的资源库远远不能满足工业生物催化的需求。
从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物催化剂技术的主要特点，大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。但是，目前人类筛选生物催化剂的范围十分有限，仅占微生物总数的0.1％～1％，需要拓展筛选的范围。
美国、日本、欧洲等国对新来源的菌种（包括极端微生物与未培养微生物）的研究非常重视，特别是耐热、耐酸碱、耐盐和耐有机溶剂等的极端微生物在工业生物催化应用上引起了人们极大的兴趣。如能提高生物催化反应温度，将会大大提高反应效率，缩短反应时间，降低成本。目前酶催化的最适温度为室温，如能提高到120℃以上，将会使目前的生物催化工艺反应效率提高20～50倍，大大降低成本。美国政府一份研究规划中指出，到2020年可实现酶在130℃下的催化反应。欧盟1997年启动了一项“极端细胞工厂”的研究计划。
未来极端微生物的主要研究方向为极端微生物的功能基因组学、蛋白质组学和转录组学，揭示微生物或酶在极端环境下保持稳定性的分子基础，对已知基因组序列极端微生物进行功能基因组学研究，有可能发现更多在极端物化条件下具有活性的新型生物催化剂，为开发新的工业生物催化工艺打下基础。
三、生物能源 生物能源主要包括生物乙醇、生物柴油、沼气、生物制氢等。为保障石油安全，美国、加拿大、欧盟、日本等国家在生物燃油的政策扶植和研发投入方面比较领先，取得了显著的社会效益和经济效益。
生物乙醇和生物柴油统称为生物燃油，是指从生物中提取燃油。与矿物燃油相比，生物燃油具有可生物降解、无毒性、对环境无害。并广泛可从可再生资源(例如粮食、油籽、糖类作物及其它植物)中提取的特点。生物燃油正成为储量日趋减少、价格逐年上升、对环境污染较重的矿物燃油的替代燃油。燃料乙醇是目前应用较广泛的生物燃料，是理想的汽油替代品，已在一些国家和地区广泛使用。
生物柴油产业发展也非常迅速，美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在大力发展生物柴油。欧盟是世界上最大生物柴油生产和消费地区，欧盟成员国主要以油菜为原料生产生物柴油。同时生物丁醇等新型生物液体燃料也在开发过程中。
展望：
中国工业生物技术是国际上发展较早、产业规模最大的领域之一。近年来，在微生物资源、基因组学、蛋白质组学、代谢工程、酶蛋白分子进化等研究领域呈现出快速成长的良好势头。产业技术水平与产品产量也呈快速增长趋势，如丙稀酰胺、谷氨酸、柠檬酸、维生素C、青霉素等产品的产量已进入世界的前例；又如丙稀酰胺、维生素C、1,6-二磷酸-果糖、黄原胶、L-苹果酸等产品的技术水平已达国际先进或领先；在生物能源方面也取得了较大的进展。但是我国生物技术的研究和产业技术总体水平与世界先进水平仍有较大的差距，国外代谢工程菌的工业化成功例子虽然不多，但在我国尚无一例代谢工程菌株进入中试试验。由于国外已积累了较丰富的构建及使用代谢工程菌株的经验，未来5年内预期将会有一批产品至少在中试规模用工程菌生产。我国相关大学和研究机构虽已开展了一些微生物功能基因组、代谢工程等的研究，但大多数研究仍停留在前期的单基因操作阶段，而生物能源、生物材料和精细化学品的生物制造的研究和技术水平落后于发达国家10—20年。无论是原始创新的基础研究，还是技术创新性研究，整体水平都落后于发达国家，因此急需加强与工业生物技术相关的应用基础和技术开发的研究。
当前，工业生物技术已成为工业可持续发展的核心，正推动着一个以生物催化和生物转化为特征，以生物能源、生物材料、生物化工和生物冶金等为代表的庞大的现代工业王国的形成，以及一场以化石为原料的工业经济迈向生物质经济的现代工业技术革命的到来。中国正处于全面建设小康社会、迈向中等发达国家的关键发展时期，应针对自身社会经济发展的战略需求，充分挖掘能源植物资源和极端环境微生物资源的特色，发挥传统工业生物技术产业的优势，把握新一代工业生物技术创新发展的机遇，形成可持续的自主科技创新能力，形成我国工业生物技术综合性研发基地和国际化企业集团，以此带动形成规模化经济示范区。
工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度，相关产业加速发展，已成为世界绿色经济的重要增长极。发展低碳经济，促进能源与化工原材料替代、工业节能减排，保障经济与环境协调发展迫切需要大力发展工业生物技术，国家已经部署了系列相关科技计划，并强化了保障措施。工业生物技术作为先导性战略高技术，争当实施创新驱动战略的突破口，预期经过“十二五”的科技攻关，产业技术水平将进入世界先进行列，为我国加快工业经济增长方式的转变和实现科技创新战略目标做出重大贡献。
参考文献：
1 Gavrilescu M, Chisti Y.Biotechnology-a
sustainable alternative for chemical industry.Biotechnology Advances, 2005, 23: 471-499.2 李祖义, 吴中柳, 陈颖.生物催化产业化进展.有机化学, 2003, 23(12): 1 446-1 451.3 中国生物产业发展战略研究课题组.抓住机遇积极推进我国生物产业的发展.宏观经济研究,2004, 12: 3-7.4 朱跃钊, 卢定强, 万红贵等.工业生物技术的研究现状与发展趋势.化工学报, 2004, (55): 1 950-1 956.
