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科学时报每周聚焦：生物经济

花匠小妙招
2024-09-04 18:50

生物技术：强国未敢小视弱国

□本报记者王静

“尽管生物科技的进步似乎被浓缩在少数几个工业化国家，但依然有很多因素使发展中国家能有广泛的机会参与新的生物经济。因为大部分的发展中国家都有富饶的自然资源，能够通过现代生物科技在医药、农业和畜牧业等方面受益。而大部分的生物科技研发前期投资都出自发达国家，发展中国家需要做的是基于自己的优势和需求与国际技术伙伴建立合作关系。生物技术的许多领先科研支出已经被工业化国家承担，发展中国家只需要在适合的科技基础上根据自己的实力和需要，建立有效的国际技术合作。为此，生物科技能为发展中国家开辟一条有无限可能和机遇的工业之路……”这是马来西亚前任科学、工艺及环境部部长在不久前北京举行“首届国际生物经济高层论坛”上说的一番话。

据生物技术领域的专家们介绍，生物技术与其它学科不一样，有十分明显的特征。

首先，生物技术的发展资源依赖性强，其产业的发展基础在于对生物资源尤其是功能基因的占有和开发利用方面，拥有丰富的生物资源就拥有发展生物产业的良好基础。其次，生物技术通用性强，各项重大的突破性生物技术并不仅仅局限于某一种动植物或微生物，容易实现在不同应用领域的技术转移。第三，生物科技产品呈现多样性，生物技术的应用渗透到社会经济生活的各个层面，广泛用于农业、畜牧业、医药、环保、轻化工等国民经济重要领域，可开发出提高人类健康水平、提高农牧业和工业产量与质量、改善环境的各种各样的新产品。第四，生物产品市场垄断性差，因为生物技术的通用性强和产品多样性强，使得任何跨国公司或国家无法仅仅凭借几个软硬件技术体系的优势垄断世界市场。

生物技术的这些特征使得强国无法小视技术上暂时落后的国家。

从生物技术最近几年的实际发展情形看，发展中国家常有出现令发达国家始料未及的成果。

例如，美国作为科技强国，不仅最先制定了生物科技发展计划，在科学前沿的布局和资金投入方面远远超过了发展中国家，并开展了治疗性克隆的研究、艾滋病研究、基因组测序、干细胞研究等等。在此基础上，美国已经批准了117种以上生物技术药品和疫苗的研制，这些药物或疫苗针对200多种疫病而开发，包据各种癌症、早老性痴呆症、心脏病、糖尿病、硬化症、艾滋病等，在科学研究上可谓占尽了先机。

然而，中国在生物技术的应用方面却领先于美国。据美国冷泉港生物科技有限公司大陆地区总经理傅仲华介绍，近年来，中国的生物芯片已经应用于临床，中国的一些企业在国家发改委和科技部支持下，分别在北京、上海、西安建立了3个生物芯片产业化基地。这表明，中国不仅科研上获得了一批具有知识产权的新基因、新表达系统，而且生物工程药物也从模仿进入了创制阶段。在国家支持下建立的一系列关键平台技术，具备了大规模基因测序和生物芯片、生物信息的研究条件，使得动植物转基因技术更加成熟。其中，如两系法杂交水稻大面积推广，抗病虫害的转基因烟草、棉花和抗腐烂番茄等，已进入商业化生产阶段。此外，中国还有20多种基因药物获准上市，数十种基因药物已进入实用化阶段。

这些已证明中国的生物经济发展的速度超出了人们的想象。

在“首届国际生物经济高层论坛上”，印度工商联合会生物技术委员会主席Krishna Ella说，“印度的生物技术产业有潜力在生物技术方面变得十分强大。因为在过去5年内，印度在此领域启动公司的数量显著增加。尽管目前产业规模为5亿美元，但预期将会以每年25%～30%的速度增长，全球市场份额在5年内也会从2%上升至10%。”

由此可见，以资源占有为最大特征、垄断性较差的生物经济，为拥有丰富生物资源的发展中国家在21世纪的未来生物经济中把握发展机遇、寻求赶超发达国家的契机、实现跨越式发展提供了可能，从而为广大发展中国家，特别是生物资源丰富的发展中国家提供了一次难得的历史发展机遇。胜败将以市场竞争结果为定论。

可持续发展必须融入地球大体系的物质循环

□南京工业大学校长、中国工程院院士欧阳平凯

化学工业以不可再生化石资源为原料、以化学催化剂为手段实现物质的转化，是世界上最大的基础产业之一。19世纪至20世纪，以化学工业为经济基础的近代工业文明取得了辉煌的成就，现代化学工业利用高度浓缩的化石资源大大促进了生产力的发展，短短一两百年内的发展相当于过去人类社会几千年的进步。进入21世纪，全球面临化石资源、能源紧缺、环境污染日益加剧、气候变迁等诸多严重社会经济发展问题，必须彻底变革目前的生产与经济发展模式，由高消耗、高污染的传统经济发展模式转向低消耗、附加值高的可持续的循环经济发展模式。

在地球长达40亿年的历史中，生命通过生物加工过程的改造，终于形成今天美丽而温和的地球环境，也形成了现在精确、高效、科学、稳定的生态系统。人类社会的可持续发展必须融入地球大体系的物质循环之中，融入这个和谐的生态环境，可持续发展的工业必须是以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式。遵循生物的规律规划发展路线，无论是对我们所在的星球，还是对人类社会的和谐发展，都是一种必然的途径。因此，我们应大力发展生物经济。

实际上生物经济并不是现在才有的新鲜事物。从远古时期一直到工业化之前，人们种的、吃的、烧的、驱赶骑乘的都是生物，几千年文明依存的就是基于传统生物技术的“旧”生物经济。时至今日，人类考虑发展新的生物经济模式，既是社会发展的强烈需求，又因现代生物技术的进步而获得其可能性。当前社会迫切需要解决化工文明下的资源、能源、人口、环境问题——例如化石燃料燃烧后大量释放的CO2、SOx、NOx等，被认为是局部环境污染、酸雨及温室效应等环境问题的根源，固定这些污染物最好的选择就是生物手段——而随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的突破性进展，人类设计、构建新一代工业生物技术，高效快速地将各类可再生生物质资源转化为新的资源和能源终于成为可能。

工业生物技术是人类生物技术发展史上继医药生物技术、农业生物技术之后的第三次浪潮，其发展将解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题，是工业可持续发展的最有希望的技术。我国十分重视工业生物技术的发展，国家中长期科学与技术规划将工业生物技术列为重点研究领域，“973”计划将生物催化项目立项，“863”计划也增列了工业生物技术专题。我国没赶上工业革命的发展时代，目前全球正处于基于熵工程原理的第二次工业技术革命时代，中国应利用生物经济的发展机遇，将工业生物技术与现代工业技术组合，特别是和以化石原料为基础的化工技术的组合，优势互补，可以迅速转化为生产力，提升工业竞争力，带动新一轮的产业进步，实现中华民族的振兴。

我国发展生物经济，应整体规划农业、工业生物产业的发展，更好地把农业、农民致富的问题和城市的可持续发展结合起来。国家应首先发展转基因高产作物，以及抗旱性或耐水性强的高能作物，其次要把高能作物投入工业生物技术，生产社会急需的资源、能源，解决人民衣食住行各方面的问题。发展工业生物技术，一是要和精细化工紧密结合，发展生物医药，在全球竞争中取得经济效益，购入我国缺少的能源、资源；一是要大力发展可再生、可生物降解、应用前景广阔的生物材料，促进工业的换代革命。

创新是当代科技、经济发展的基本前提。发展生物工业，既要注意原始创新，也要注意集成创新，也就是把化工技术和生物技术集成起来，产生新的工业生物技术。同时也要注意加大国际合作，进行消化、吸收、再创新。中国的工业生物技术和国外基本上是同步发展的，农业生物技术在一些方面比国外做得更好，但是严格来讲，国外一些研究机构资金比我们雄厚，研究的组织化程度也比我们高。我国的大学关注基础研究，但国家层面上的产学研体系还未完全建成，科研上的国际合作和科技成果的引进、消化，仍然相当必要，同时应大力加强以企业为核心，高等院校、研究院所共同发展的创新研发模式。

(本报记者刘英楠/采访整理)

中国“三步曲”迈向生物技术强国

□本报记者王静

正因生物经济存在一系列强国“无可奈何”的特征，给发展中国家在国际科技、经济竞争带来了机遇，中国政府和科学家据此制定了中国生物经济发展的目标和“三步走”战略，从而实现中国的生物强国梦。

据科技部高新司介绍，中国生物经济的总体目标，是在未来20年成为生物技术的强国，在技术上跃居世界先进水平，并培育生物新产业，首先成为一个生物产业大国，使生物产业成为国民经济支柱产业之一。不仅大幅度加速国家经济的发展，而且要大幅度提高人民健康水平，大幅度改善生态环境，大幅度增强国家安全保障能力。总体目标：由积极跟踪为主转变为自主创新为主，使我国拥有一批具有自主知识产权的专利与标准；由单一技术突破为主转变为单一技术突破与多项技术的集成相结合，全面提高中国生物技术产业的整体素质与水平；由立足国内市场转变为面向国际市场，充分发挥中国优势，加速生物产业标准化、市场化、国际化；由国家投入为主导逐步转变为国家引导、全社会投入为主，加速企业尽快成为生物技术创新的主体。

“三步走”战略的第一步为技术积累阶段，2010年前完成；第二步为产业崛起阶段，2015年前完成；第三步为持续发展阶段，从2015年开始持续快速发展。

在生物技术积累阶段(2004～2010年)，克隆3000个新基因，近200个生物药进入临床，取得30个新药证书；取得3000项专利，总产值达到约3500亿元。

即让生物技术研究开发整体水平居发展中国家首位，农业生物技术等领域率先达到世界先进水平，论文总数达到世界前6位，专利总数进入前7位；生物产业园区初步形成，生物产业快速增长，农业生物产业进入世界前4位，医药生物产业进人世界前10位。生物产业总产值达到3500亿元左右(含食品、酒类等部分传统产品)，其中新兴生物技术产业(生物医药、转基因植物等)产值达800亿元。

在生物产业崛起阶段(2011～2015年)，生物技术研究开发整体水平进入世界先进行列，重点领域技术达到世界先进水平，论文总数达到世界前4位、专利总数进入前5位。生物产业的整体布局基本形成，生物产业进入快速崛起阶段。农业生物产业进入世界前3位，医药生物产业进入世界前8位。生物产业总产值力争达到1万亿元左右，其中新兴生物技术产业产值达3千亿元。

在生物产业持续发展的第三阶段(2016年以后),中国生物技术研究和开发的整体水平进入世界领先水平，论文总数达到世界前2位、专利总数进入前2位。生物产业总产值达到3万亿元左右，约占GDP的7%～8%，成为国民经济的支柱产业之一，并具有很强的国际竞争力，其中新兴生物技术产业产值达1万亿元。形成具有中国特色的生物经济新格局。以国家高新技术(经济技术)开发区、生物科技园区为主体，形成若干各具特色、产业规模达到千亿元以上并具有国际竞争能力的生物产业基地。基本格局是围绕“一轴(长江三角洲)、两翼(珠江三角洲和环渤海)、多中心(东北和西部)”的经济布局，形成相应的生物产业格局，成为世界生物产业强国。

“七路军”联动并进

工业——推进“绿色制造业”

以物质转化为基础的化学加工业是国民经济的支柱产业之一，其所需能源和原料大部分来源于化石资源等不可再生资源，而这些化石资源正在枯竭。生物技术将使工业生物产业直接和间接为我国相关工业带来4000亿元左右的新增产值。

农业——掀起绿色革命

超级稻、杂交油菜研究与应用保持世界领先水平；转基因棉花、水稻、玉米、草、树木逐步进入大规模应用阶段；胚胎移植技术、克隆技术加速动物品种的更新换代；生物肥料、生物农药进入规模化生产阶段；逐步替代化学农药和化学肥料；畜禽疫苗为基本控制高致病性禽流感、口蹄疫等重大疫病提供有效的技术手段；动物生长激素、新型饲料添加剂的应用，将大幅度提高畜牧业的生产效益。

医药——大幅度跃升

大幅度提高重大传染性疾病的预防能力；SARS、人用高致病性禽流感、HIV等疫苗进入或接近实用阶段；肝炎、结核、流感、天花等疫苗进一步改型，免疫能力大幅度提高；生物药研发与产业化能力大幅度提高，形成生物药、化学药、中药三足鼎立的药物新格局；针对癌症、心脏病、高血压、糖尿病、神经系统疾病等重大疾病，开发近200种生物药。生物芯片、PCR、基因诊断、免疫诊断等高技术使疾病的检测与诊断技术迈上一个新台阶；基因治疗、干细胞治疗等生物治疗技术开辟疾病治疗的新领域。

食品——促进第四代食品的诞生

糖、啤酒、味精、酱油、食醋、酶制剂等具有很大的发展空间，使相关产值达15000亿元。

能源——“绿金”代替“黑金”

缓解能源短缺压力，大力发展燃料酒、生物柴油、生物制氢、沼气发酵、微生物采油等技术。

环境——再造“秀美山川”

使用生物技术治理水污染；推动抗旱、抗盐草类及树木进入应用阶段，大幅度提高防沙治沙的技术水平，为西部生态环境的改善提供技术支撑；研究推广一批荒漠绿化植物新品种，大幅度提高荒漠地区的植被覆盖率，防止或遏制荒漠化势头等等。

安全——维护国家利益

建立严密的监测和检测网络与标准实验室；物理防护技术和装备达到国际先进水平；有效遏制外来生物入侵；建立健全我国濒危物种种质资源信息系统，保护生物多样性；建立转基因植物安全评价与监测技术系列化、标准化体系，为保障转基因植物安全提供技术支撑；中医药进一步现代化，使国际社会广泛接受中医药，形成4000亿元左右的产业。

不可忽略的安全隐患

□本报记者王静

科技是把“双刃剑”，既可造福于人类，也会祸害自然和社会。生物科技的发展不会例外，因而研究人员把生物安全问题与推进生物技术发展一齐提到了议事日程。

南京农业大学动物医学院张振兴、李玉峰研究员指出，当前中国大陆的生态安全、食物安全与社会安全等生物安全已成为一个严重的战略问题，直接影响大陆地区动物和人类的健康，影响到大陆地区养殖业的可持续发展。例如，随着中国养殖业的迅速发展，由于科学管理没有跟上，使动物疾病的发病率上升，死亡率增高，仅禽病的死亡率就占15%～20%，猪病的死亡率达8%～10%；疫病种类不断增多，截止到目前我国动物疫病大约有300种。

他们介绍，中国畜禽疫病的流行特点的主要表现是，疫病的流行特征发生变化，流行缓慢、症状不典型，以及散在发生和不显性感染病例增多。同时，一些病原出现了强毒型、超强毒型等；个体户、承包户“公司十农户”等养殖模式对疫病发生流行起了促进作用，造成病原的散播和扩散；病原血清型与病型增多、新的疫病增多、混合感染与并发症增多、人兽共患病增多、老疫病呈现新的发展趋势等。而多年来兽药生产管理与流通使用混乱，滥乱用药造成抗药菌株不断增多和药物残留严重超标，致使我国出口的动物性产品屡屡受阻；生态环境不断恶化、环境污染破坏严重、动物与动物产品安全性低下。

他们认为，我国大陆和我国台湾、香港地区禽鸟类禽流感(H5N1、H5N2、H5N3、H5N4、H9N2等亚型)与牛猪类口蹄疫(O型、A型、亚洲I型)的流行绝非偶然，与饲养管理、环境污染、生态破坏和生物安全失控等息息相关。

他们呼吁，全社会上至政府官员下至百姓及兽医自身都应对“兽医”进行重新认识，诸如兽医的科学性、兽医的社会性、兽医的法律性、兽医的强制性和兽医的国际性等。国家应进行兽医行政体制改革，诸如实施官方兽医与执业兽医这些国际上通行的制度，建立完善的法律法规、建立重大疫病发布制度，以及实施养殖业的集约化、规模化、安全化生产经营，遏制个体户、承包户和“公司+农户”等分散式生产经营模式，从而从根本上有利于疫病控制，产品质量与安全、生态环境保护、出口贸易和全社会生物安全的实现。

中国检验检疫科学研究院李明福研究员介绍，植物种苗是支撑农业、林业生产的基础。经济和贸易的迅速发展，需要大量优质、健康的种苗花卉资源。随着经济和贸易的发展，种苗进出境贸易频繁。仅2002年，自荷兰进口的花卉种苗达582批次，价值数亿元。然而，由于种苗是传带有害生物的重要渠道，由此也可引发外来生物入侵、生物安全等问题，并产生严重的经济、生态和社会影响。

世界范围内，随苗木花卉传播的椰心叶甲、美洲斑潜蝇等有害生物，每年引起的直接经济损失高达数百亿元；上世纪90年代随种子传播的西瓜细菌性果斑病，对美国西甜瓜生产造成了毁灭性的打击；在中国，随马铃薯种薯传播的马铃薯病毒，引起马铃薯退化、品质下降，严重限制了中国马铃薯产业的发展。

种苗一直是动植物检疫工作的重点和难点。中国常年进口的植物种苗每年有百种，价值数十亿元。全国检验检疫部门从种苗上截获的疫情逐年上升，从2002年的1430批次上升到2003年的4404批次，其中，可经种苗传播的危险性病毒、细菌、类病毒、植原体、蜗、昆虫等有数百种。但种苗健康问题涉及方方面面，中国目前尚未建立起有效的种苗健康检测和签证技术体系，国内迄今还没有专业的植物种苗健康检测实验室，相关法规、标准、检测技术方法都十分缺乏，植物种苗疫情控制技术体系如脱毒处理、健康签证等技术平台也未建立，因此，在可预见的未来，由于种苗健康状况不佳所引发的生物安全问题还可能进一步显现。种苗检验检疫除了管理问题，也存在有大量的技术问题，如商业引种、快速检测、快速通关、异地种植等，随着大量种苗的引进和生产，种苗健康及检疫中的问题日益突出。

针对种苗健康及检验检疫问题，联合国粮农组织专门制定了《种质资源安全转运指南》，世界上检疫先进国家通过建立检测技术体系、加强疫情控制等手段，以确保种苗生产和贸易的顺利进行。例如美国针对不同类型的植物种苗如柑橘、马铃薯、蔬菜种子，法国针对葡萄，荷兰针对重要植物种苗如马铃薯、鳞球茎花卉等建立了健康检测实验室和签证技术体系，事实上起到了事半功倍的效果。

国家质检总局从防止外来生物入侵、保护我国农林业生产安全、维护正常的种苗贸易出发，根据自身的工作职责，将种苗检疫列为工作重点，并组织了种苗检疫工作组，开展高风险种苗检疫策略研究，力争有所突破。根据国外经验，解决种苗检疫问题，必须从种苗健康这一基础工作做起。

中国政法大学环境法研究和服务中心于文轩研究员说，转基因生物体的研究、开发、生产、运输、环境释放、贮存、销售、废弃物处理等活动存在大的风险性。为了尽可能降低转基因生物安全事故对生态环境和人类健康造成的或者可能造成的负面影响，就需要建立一套完整的转基因生物安全应急处理制度。我国目前的转基因生物安全立法尽管从某些方面就此作出了一些规定，但这些规定总体而言尚有待完善。基于对转基因生物安全应急处理制度国际法和国别法的研究，应从中国环境保护应急处理立法的概况出发，对中国目前转基因生物安全领域的应急处理制度进行系统分析，并基于此对中国转基因生物安全应急处理制度提出立法建议。

中科院广州生物医药与健康研究院院长陈凌研究员：“我们重点研发流感、艾滋病药物”

□本报记者刘英楠

“包括中国在内，世界各主要国家目前都认为，生物产业是21世纪亟须抢占的国际经济技术新制高点。即将严重威胁我国社会安全和人民健康的艾滋病和流感(包括禽流感)的防治研究，特别是预防性疫苗的研发，是我们目前确定的首要研究方向。”中科院广州生物医药与健康研究院(GIBH)院长陈凌研究员表示。

从国际上看，医药生物技术是生物技术中发展最快、最活跃的领域之一，同时是生物技术产业最成熟、竞争最激烈的领域。研发热点主要是肝炎、艾滋病等疾病的早期快速生物诊断，干细胞治疗、基因治疗、器官移植、人体器官克隆、纳米技术及生物制药等生物治疗研究，针对特定细菌、病毒、螺旋体等微生物及寄生虫的生物预防疫苗，以及应用重组DNA、细胞培养、生物反应器等技术，生产药品(试剂)、医疗诊断手段、医疗器械等相关产品的生物医药产业。

据统计，仅生物药品市场一项，全球2000年市值就达300亿美元，2003年达600亿美元，占整个医药工业销售额的10%以上。预计2010年世界生物技术药物和疫苗市场将增加到1500亿美元，占世界药物市场的25%；到2020年，利用基因重组技术研制的新药可能达到3000种。

陈凌认为，我国生物科技能力较强，在基因组测序能力、生物芯片、干细胞研究、组织工程蛋白质解析等领域居于世界前列。其中，生物医药技术及产品市场的发展良好，国家已批准20种基因工程药物和5种基因工程疫苗上市，全国进入临床研究的生物新药已达150多个，其中1/5为I类新药；现代生物企业已有2800余家，实现工业总产值600多亿元，在发展中国家居于领先地位。但与发达国家相比，生物医药产业在市场规模、资金规模、企业规模与国际化水平、生物技术研发水平、高端人才、投入机制等方面，都还存在较大差距。

专家指出，生物技术在艾滋病、肺结核、SARS、高致病性禽流感等疾病的治疗、预防方面，具有独特的作用。目前我国乙型肝炎病毒感染者超过1.2亿人，糖尿病患者超过2000万人，血吸虫病患者达到80万人，艾滋病病毒感染者约100万人，如无切实可行的预防控制方法，2010年感染者将达1000万人!这些疾病有效防治方法的开发，生物医药技术具有不可替代的作用。陈凌认为从国家及地方战略需求出发，我国必须加强生物医药与健康研究，并将战略重点放在对危害人民生命健康的重大传染病的有效防治手段的研发上，例如开发新型疫苗、诊断试剂和基因工程药物，降低传染病的发病率。同时应大力研发针对重大疾病的创新药物和诊断方法，逐步改变因生物医药与健康产业落后而形成的药物大量进口、药价过高的局面。

今年43岁的陈凌，上世纪80年代中期于原上海医科大学毕业，然后进入美国哈佛大学并取得博士学位。留校任教一段时间后，上世纪90年代后期加盟世界最大的企业默克公司，作为首席科学家组织艾滋病疫苗研究，在全球第一个完成艾滋病疫苗的猴子试验。他表示，中科院、广东省和广州市三方从2003年起共同筹建GIBH，就是希望通过引进国外高端人才和先进管理机制，建成在健康和生物医药领域具有自主创新和国际竞争能力的研究机构，并以此带动华南地区的生物医药产业发展。作为专家委员会成员参与了院长选聘工作的姚新生院士当时表示，陈凌有好的科学背景、比较好的组织能力，特别是有国际产业化运作的经验，对研究院成立后的工作思路也很清晰，因此最适合承担这一重任。

陈凌介绍，GIBH目前已顺利组建起流感(包括禽流感)防治、艾滋病疫苗等四支研究和攻关团队。其中前者的任务是早做准备、重点防范世界卫生组织(WHO)预测未来几年内可能再次发生的世界性流感大流行；由陈凌亲任首席科学家，美国科学院院士、世界著名流感研究科学家Peter Palese教授任科学总顾问，成员包括GIBH下属10个研究组；研究内容涵盖分子流行病学、分子诊断、疫苗、诊断性和治疗性单克隆抗体、化学和天然药物筛选、RNA干扰治疗技术及试剂、药物、疫苗试产等诸多方面。后者则针对当前全球特别是我国面临的严峻的艾滋病病毒传染形势，在陈凌原有工作基础上，努力研制更有效的新型艾滋病疫苗，同时探索其它可能的载体，以构建新型疫苗。

在GIBH最近提出的战略规划中，确定将四大类疾病作为研究工作重点和重大研究方向。除第一类是艾滋病、流感等传染病和新生疾病预防性疫苗的研发外，其它三类分别是：一、肿瘤，重点放在发病机理和药物靶标的研究，为新型诊断与治疗提供源头创新的方法和途径。二、代谢性疾病，重点放在糖尿病和肥胖症，在深入研究其发病机理的基础上，探索与创新防治方法与手段，包括新药的研究与开发；三、心血管病，以发病机理研究为向导，创新防治与药物开发为目标。通过以上的创新性研究与应用，构筑我国健康安全体系的重要组成部分。并为此确定建立临床前研究、非人灵长类动物疾病模型、RNA干扰技术和抗体技术四大生物医药技术平台。

纳米材料是否有毒？

——中科院高能所赵宇亮研究员谈纳米毒理学研究进展

□本报记者刘英楠

当这一领域尚处于早期阶段，并且人类受纳米材料的影响比较有限时，一定要对纳米材料的生物毒性给予关注。我们必须现在，而不是在纳米技术被广泛应用之后，才来面对这个问题。--美国纳米化学家Vicki Colvin

性能优良、好看好用的纳米材料，也很可能对人体带来潜在的毒害作用。最早从科学界传出的这条信息，最近引起政府、公众越来越多的关注。那么，纳米材料制成的产品，尤其是与人体直接接触或直接进入人体的人造纳米材料，是否会导致特殊的生物效应？如有毒害其效应到底多大？抱持这些问题，记者采访了中国科学院高能物理研究所纳米材料生物效应实验室赵宇亮研究员。

赵宇亮2001年底向高能所提议建立“纳米生物效应实验室”，利用高能所大科学平台的优势，结合核分析重点实验室长期开展的稀土和重金属生物效应、有机卤素毒理及环境毒理学研究的丰富经验，开展纳米材料的生物效应包括毒性的研究。实验室建成后从个体、器官组织、细胞、分子等层面出发，全面展开纳米尺度物质的生物效应研究，已在美欧专业杂志发表一系列研究成果。为帮助公众和有关科研人员客观认识纳米材料的毒性问题，记者请他全面介绍纳米材料毒理学的研究现状、已经建立的实验方法，并结合自己的研究对该领域进行综合评价。

“当物质细分到纳米尺度时，其性质发生很大变化，导致它们在生物体内的生理行为，也可能与常规物质有很大不同。因此，对宏观物质的安全性评价，包括对人体健康及生态环境的影响，也许并不适用于纳米尺度物质。”赵宇亮综合目前多项纳米材料生物效应研究结果指出，纳米颗粒在生物体内导致的一些特殊生理现象，仅利用现有的知识尚无法解释，但科学家也总结出一些规律：例如相同剂量下的同一纳米物质，呈现“尺寸减小，毒性增大”的趋势；又如纳米颗粒容易进入细胞，这正好成为纳米药物高效利用的基础，等等。

赵宇亮说：“目前对纳米材料毒理学的研究尚处于起步阶段。纳米物质与生命过程相互作用，产生的生物效应可能正面的，也有可能是负面的。其中，正面效应是纳米生物医药的基础；负面效应除应研究克服外，也需通过反向应用研究，同样应用到纳米医学诊断和治疗技术上——就像我们现在正在做的那样。”他介绍，到目前为止，科学家已对纳米二氧化钛(TiO2)、纳米二氧化硅、碳纳米管、富勒烯、金属富勒烯、纳米铁粉、纳米铜粉、纳米锌粉等几种纳米物质的生物效应进行了初步研究。

其中，纳米TiO2在涂料、抗老化、污水净化、化妆品、抗静电等方面存在广泛应用，因而产量较高，对其毒性研究也较多。赵宇亮总结，体内、体外实验研究结果指出，纳米尺度的TiO2颗粒与微米尺度的TiO2颗粒相比，对肺部的损伤稍大，这与纳米颗粒小的粒径和大的比表面积有直接关系。但纳米TiO2颗粒会发生聚集，形成较大的颗粒。用20 纳米的超细颗粒处理原代大鼠胚胎成纤维细胞，可能引起细胞凋亡。但这些体外实验结果无法推论到体内。目前将TiO2颗粒导入动物体内的实验方法，主要有支气管吸入法和支气管注入法两种。与注入法相比，吸入法更接近人类真实暴露情况，只是操作起来还有许多困难。

碳纳米管具有优越的力学、电子学和化学等性能，在很多领域应用前景广泛。便宜的大批量生产单壁碳纳米管的方法出现后，它们是否对人类健康产生影响，成为人们非常关心的问题。赵宇亮介绍，美国宇航局太空中心的一个研究小组将0.1毫克碳纳米管悬浮液，通过支气管注入大鼠和小鼠肺部。7天和90天后，组织病理学检验结果表明，所有的颗粒都会以一定的方式进入肺泡，甚至在长达90天的时间里都停留在肺部。单壁碳纳米管导致小鼠肺部的轻微炎症，很低浓度下也能引起肺部肉芽肿的形成(见图)。令人担心的是，由碳纳米管导致的肉芽肿，并不伴随通常情况下由石棉和无机粉尘引起的肉芽肿所特有的炎性症状。当然，这些研究还很初步。为解决碳纳米管的体内检测问题，北京大学刘元方院士等以125I(碘)原子为标记物，结合射线探测技术灵敏度高的优点，解决了动物体内碳纳米管相对定量的检测难题。

铁在环境中广泛存在，并是大气颗粒物主要成分，研究由大气污染而带来的健康损伤，铁在其中扮演着重要角色。有关学者研究大鼠吸入浓度为57微克/米3和90微克/米3的纳米铁粉颗粒物(72纳米，3天)对健康的影响，发现57微克/米3的纳米铁粉颗粒没有引起大鼠明显的生物学效应，而90微克/米3的铁粉颗粒引起了肺泡灌洗液内蛋白质总量明显升高等轻微的呼吸道反应。另有报道表明，呼吸道上皮细胞暴露于含铁的大气颗粒物后，细胞中铁蛋白的表达量升高。可见随着暴露剂量的升高，纳米铁粉已经表现出了轻微的毒副作用。

“要保证所观察的现象及由其得出的结论，全都来自物质纳米尺度特性对生物体的影响，单纯的生物学、医学和纳米技术均无法满足要求，纳米材料生物效应研究在研究方法学首先面临很大的挑战。”赵宇亮说，“严格地说，目前纳米材料的生物环境效应、毒性、安全性的研究刚刚起步，研究数据很有限，研究结果也很初步，甚至实验方法学都存在很大困难。正是因为这样，很容易使人们误认为所有纳米材料都有很大毒性。”

他最后强调，目前评价纳米颗粒物对人体的生物效应仍是一个难题，尽管这在纳米技术相关政策、法规和防护标准的制订中非常重要。和纳米科技本身一样，纳米尺度物质的生物效应研究，也将是一个长久的、持续的过程；要消除目前“凡纳米皆有毒”的误解，得到准确、客观、负责的科学结论，人们还需耐心等待几年或更长时间。

生物能源：能否造一个“绿色大庆”

□本报记者董晓瑞

发展生物能源是个战略问题

清华大学教授、原清华大学生物研究中心主任曹竹安教授告诉记者：“发展生物能源，从国家角度来看，是个战略问题。”

据中国科学院微生物研究所江宁研究员介绍，与有限的化石能源相比，生物能源具有可再生和取之不尽的优势，在多次世界性石油危机中被重新认识，并得到快速发展。在能源紧缺状况越来越严重的情况下，全球各国都在加紧抢占生物能源的制高点。1980年美国科学基金会向总统提出的研究报告中，特定研究课题的首项即为“光合作用——发展有效利用太阳能的作物”。在1995年度联邦科学预算中，美国国会批准能源部有关“生物环境”投入的数额竟大于核物理和聚变，达4.45亿美元；欧盟自上个世纪90年代初开始，就高度重视生物能源战略，欧盟委员会提出，到2020年，运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代；日本有生物能源“阳光计划”；印度有“绿色能源工程计划”；加拿大惊呼本国生物能源行业落后于美欧和日本，大力调整政策迎头赶上；目前，瑞士正准备种植10万公顷石油植物，借此解决每年50%左右的石油需求量；英、法、俄等国也相继开展了能源植物的研究与应用。

曹竹安说，发展生物能源，中国当然不能缺席，也不能落后，否则就会在生物能源上出现“石油主要靠进口”一样的被动局面。中国生物技术发展中心主任王宏广指出，发展可再生能源是解决我国能源安全的必然选择，生物能源必须被重视起来。

“解决能源危机，生物能源虽然不是唯一的途径，但其重要性不言而喻。另外，生物能源的可再生性和其资源的丰富性也是许多其它能源所不能相比的”，曹竹安说，“我国目前的各种荒地的总量加起来与现有的可耕地面积一样大，用来发展生产生物能源资料，总量非常丰富。”显然，“中国已具备大规模发展生物能源的条件”，中国生物技术发展中心副主任马宏建说。

三大关键问题：技术、环保和粮食安全

江宁告诉记者，目前的生物能源技术主要有沼气、燃料乙醇、生物制氢和生物柴油。“沼气是最适合中国发展需要的一个技术，因为中国60%的居民在农村，一家一户式的沼气池可以满足家庭日常的取暖、做饭等日常能源需要，在我国南方，沼气甚至被用来取暖和塑料大棚保温。”马宏建告诉记者。目前，沼气使用主要在我国的农村地区，尤其是南方，一般一家一个沼气池，基本上形成了“猪—沼—果”的模式。马宏建说：“如果能把这些沼气池集中起来，从中得到的能量相当于一条西气东输管道输送的天然气总量，而对这些沼气池的投资却远比对一条西气东输管道的投资小。”江宁介绍道，一旦沼气能够集中到90%以上，就能够用管道集中输送，就像输送天然气一样，而成本将会小得多；燃料乙醇是我国目前规模最大、技术发展最为成熟的生物能源。江宁介绍道，燃料乙醇的主要生产原料是余粮、能源植物以及秸秆等，利用这些原料，通过微生物发酵就可大规模地进行生产，产出的乙醇以一定的比例掺入汽油可作为汽车的燃料，替代含铅汽油，功效可提高15%左右。发展燃料乙醇也非常符合我国的情况，马宏建说：“我国每年有7亿吨秸秆的产出，直接燃烧污染环境，假如我们把7亿吨秸秆充分利用，就可以转化为1亿吨燃料酒精，相当于三个‘大庆’。此外，南方的木薯、北方的甜高粱都可以大量地用来发酵产出乙醇。”利用生物通过微生物发酵得到氢气就是生物制氢，江宁说，目前，我国科学家已获得了能高效产氢的微生物，可以小规模地进行生物制氢；生物柴油是利用生物酶将植物果实、菜籽、植物导管乳汁或动物脂肪油等油脂分解后得到的液体燃料，其热值和热点类似于石油炼制出的柴油，并且完全可以代替柴油，江宁告诉记者，我国已有多个科学家小组在从事生物柴油的研究开发。另外，利用低档菜籽油和餐饮业废油作原料，也能提炼出生物柴油，这个途径也已经越来越多地被使用。

生物能源最大的优势就是环保。“利用的就是太阳能，真个使用过程是一个太阳能循环过程，清洁无污染。”马宏建说。江宁告诉记者，其中，沼气的推广使用在提高农民生活质量的同时也节约了资源、保护了环境，燃料乙醇不但能代替部分汽油；而且排放的尾气更清洁；生物制氢为的就是的到然绕产物只有水、世界上最清洁的能源——氢；而与普通柴油相比，使用生物柴油的汽车尾气中有毒有机物排放量仅为1/10，颗粒物仅为20%，二氧化碳和一氧化碳排放量仅为10%，不仅如此，生物柴油的原料来源广泛并有可再生性，如大豆油、菜籽油，而使用“废油”提炼出生物柴油更是“变废为宝”。

发展生物能源会不会危及粮食安全？王宏广说，我国的生物能源发展遵循“不与人争粮、不与粮争地”的原则。据马宏建介绍，我国的粮食并不是很富裕，能够余出来用做工业转换的只有七八千万吨，而制造一吨酒精需要两三吨粮食，按目前的用量来看，我国的粮食是足够的，但是全面、大量地使用，却是远远不够的。“大量地使用秸秆是一个很好的方法，”马宏建说，“一吨粮食可以产生一吨多的秸秆，目前中国秸秆产量为六七亿吨，把秸秆集中起来做燃料酒精，这个收效还是非常可观的。”此外，马宏建说，能源生物都种植在荒岭、丘地等地带，能够大量利用农村的荒地、盐碱地、沼泽地，就地大量解决农村劳动力就业，提高农民收入，有利于解决“三农”问题，可以使“三农”中存在的陈化粮“卖不出去”的问题得到一定的缓解。“生物能源不会危及粮食安全，相反，它对于农民倒是一件好事。”曹竹安说。

产业化：技术、成本两道坎

“任何一种行业，只有实现了产业化，才能真正地发展起来。”曹竹安说。而“产业化”正是生物能源发展的“痛”处所在。缺少龙头企业、产业化链缺失，采访中，专家们表示，技术、成本是摆在生物能源产业化面前的两道坎。

江宁告诉记者，由于设备及提高甲烷含量等技术问题，沼气的规模化生产目前很难实现，对此，曹竹安说，我国目前中小级沼气池很多，但是集中起来使用却非常难，这样就很难实现产业化的开发使用；生物制氢方面的技术限制最严重，目前的技术水平还停留在实验室的阶段；生物柴油的合成和提炼技术虽然比较成熟，但若实现产业化，目前的技术还有一定的差距；燃料乙醇的制造技术本身并没有什么问题，但燃料乙醇的生产原料的利用率低下却不能不忽视，江宁介绍道，虽然我国的秸秆产量很高，但是秸秆的利用率、转化率却非常地低，“我国在燃料酒精技术方面与国外最大的差距，就是秸秆的利用率。”马宏建说。

技术的不足以及其他方面的问题也带来了成本方面的障碍。石元春院士曾说过，生物能源产业化“最大的问题就是当前生物能源产品的成本与价格尚难与石油基产品竞争”，生物柴油的高成本使得目前市场上生物柴油的价格比石油要高得多，几乎是石油价格的两倍，“这样的价格差距，肯定没有竞争优势，而且汽车等用油的使用量很大，人们难以支付比石油高出这么多价格的替代品”。曹竹安告诉记者。此外，秸秆的收集、废油的收集和集中处理，从产业化角度算来也有一个不小的成本在里面，“收集难、加工也难”，整个的成本就高了上去。

据马宏建介绍，目前，我国正在大力发展能源生物技术。据悉，今后我国生物产业发展的重点中包括了能源生物产业，并提出在能源生物技术领域，要使燃料酒精逐步进入实用阶段，形成大规模生产能力；生物柴油生产工艺取得重大突破，生产成本大幅度下降，逐步成为新的可替代能源；初步完成生物制氢的中试开发，为发展新能源提供技术储备；微生物采油、采矿技术达到或接近世界先进水平，亟须提高石油、采矿工业的经济效益。

除此之外，“综合利用与产品多元化、发展生物能源要与生物产品相结合也是降低成本与调节产量的重要途径。”曹竹安说。

中科院大连化物所赵宗保研究员：突破生物柴油原料瓶颈有“三招”发展木本油料植物加快微生物油脂研究倡导油料作物发展

□本报记者刘英楠

“在我国发展生物柴油产业，不仅是应对日益严峻的能源形势所必须，也是舒缓能源消费结构矛盾的客观要求，还可促进我国环境保护和农业产业结构调整。但要突破生物柴油产业发展的原料瓶颈，制定科学的发展战略，必须深入研究国情，理性分析自然和资源条件，从多方面着手，狠抓油脂资源的开发，发展创新油脂生产技术。”中科院大连化物所赵宗保研究员这样说。

作为柴油替代能源之一，由各种动植物油脂经酯化或转酯化工艺而得的生物柴油，具有能量密度高、润滑性能好、储运安全、抗爆性好、燃烧充分等优良使用性能，和可再生性、环境友好性及良好的替代性能，是最具发展潜力的大宗生物基液体燃料。目前，美国和欧洲、亚洲一些国家和地区，陆续建立商品化生物柴油生产基地，并把生物柴油作为代用燃料广泛使用。欧洲生物柴油已占成品油市场份额的5%。德国2002年底就形成了200万吨规模生物柴油的生产能力，美国、日本也都形成了几十万吨规模的生产能力。世界各国纷纷根据本国国情，选择合适的油脂原料发展生物柴油产业，如欧洲的菜籽油、美国的大豆油、东南亚的棕榈油、巴西的蓖蔴籽油等。

赵宗保指出，我国“十五”纲要提出需发展各种石油替代品，将发展生物基液体燃料确定为国家产业发展方向。海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源发展公司等，先后建立了年产生物柴油万吨级规模的装置。然而，我国现有油料作物年产油脂1000万吨左右，尚不足以满足国内食用油消费市场需求；近几年油脂进口量逐年递增，2004年超过700万吨，成为全球最大的食用油进口国。虽然目前多数国家是以油料作物或食用油所产生的废油为原料，但我国人均耕地不到0.1公顷，要完全以农产品为原料生产生物质燃料油并不现实，开拓油脂资源成为我国未来生物柴油产业发展的瓶颈。

赵宗保建议，应从以下三个方面着手保障我国未来油脂原料供应：首先，大力发展木本油料植物。木本油料植物抗逆性强、管理粗放，具有巨大的开发潜力和广阔的发展前景；在我国广大山区、沙区栽种乔灌木油料植物，不仅可以为我国生物质燃料油工业提供丰富的可再生原料，还可改善生态环境、增加农民收入。我国木本含油植物种类丰富，可用作建立规模化生物质燃料油原料基地的乔灌木种有近30种，而分布集中的可建作原料基地，并能利用荒山、沙地等宜林地进行造林，建立规模化良种供应基地的生物质燃料油植物10种左右。其中，麻疯树、黄连木、光皮树、油茶等适于在占我国国土面积约69%的山地、高原和丘陵地区生长，不与粮食争地，而且栽种一次、收获多年，是很好的生物柴油原料树种。

其次，加快微生物油脂研究。许多微生物，如酵母、霉菌和藻类等在一定条件下，能将碳水化合物转化为油脂贮存在菌体内，称为微生物油脂，大部分微生物油脂组成情况和一般植物油相近。最新研究表明，微生物油脂发酵能高效利用半纤维素和纤维素水解得到所有碳水化合物，和当前乙醇发酵工艺相比具有明显的原材料资源优势，对解决生物质经济公认世界难题之一“全糖转化利用”很有价值。我国农林废弃物资源丰富，仅作物秸秆年产量近10亿吨，是生物转化生产微生物油脂的潜在原料。同时，微生物油脂发酵技术还将为能源作物提供新的下游转化支撑技术。甘薯、木薯、菊芋等粗放种植的高糖植物，也是未来微生物油脂发酵的理想原料。微生物油脂发酵周期短，不受场地、季节、气候变化等的影响，基本不占用额外耕地资源，易于连续工业化生产，对我国油脂资源开发具有特殊的意义。目前基因工程改造技术不断进步、发酵成本不断下降，加快了微生物油脂规模化生产的进程。

第三，继续倡导油料作物发展。我国油脂资源短缺，进一步发展油料作物种植和品质改良，不仅可以舒缓油脂供应的紧张局势，对生物柴油产业也有一定的促进作用，是一项长期的任务。我国有丰富的草本油料作物资源，如油菜、大豆、棉花、蓖蔴等；但在扩大油料作物种植时，重点要放在可利用非耕地或利用农闲地的品种，以较好地协调我国粮食安全与能源安全的矛盾。如在长江流域和黄淮地区发展的冬油菜，仅利用耕地的冬闲季节生长，基本上不消耗地力，不影响主要粮食作物生产，不与主要粮食作物争地，是非常具有发展潜力的作物。据估计，我国有2670万公顷耕地可用于发展能源油菜，每年可为1700万吨生物柴油提供原料。

赵宗保最后强调，我国要解决油脂资源问题，保障生物柴油产业的健康发展，必须在理性认识综合国情的前提下科学决策，加大科技投入，发展创新的油脂生产技术。

各国生物柴油发展概况

汽车工业的可持续发展，越来越呼唤清洁燃料。经过科学家数十年艰辛努力，生物替代能源——生物柴油得到了迅速发展，并已开始规模化使用。

近年来，欧盟国家和美国政府纷纷制定优惠政策，鼓励本国企业发展生物柴油产业，并提供高额财政补贴支持农民种植油料作物，对生产的生物柴油给予税收优惠，以提高生物柴油价的市场竞争力，发展势头十分强劲。

美国：自20世纪90年代初开始将生物柴油投入商业应用，目前生物柴油已成为该国增长最快的石油替代燃油，2000年为5百万加仑/年，2002年达到12.5百万加仑/年。2003年7月美国农业部(USDA)拨款77万美元，委托美国生物柴油部(NBB)启动“生物柴油教育计划”，又拨出19万美元，用于奖励在生物柴油研发中作出突出贡献的Idaho大学的科研人员。

欧盟：2001年11月，欧盟理事会提议大力推广使用生物柴油，努力使生物替代燃料2005年达到2%的比例，到2010年达到5.57%，2020年达到20%左右。欧盟制定优惠政策鼓励开发和使用生物柴油，如免征生物柴油增值税，并规定机动车使用生物燃料占动力燃料总额的最低份额。欧洲各国在这方面行动较为一致，德国、法国、意大利、奥地利、比利时、丹麦、匈牙利、爱尔兰、西班牙等国也纷纷参与生物柴油研发领域的竞争，并制定了各自的发展战略，在生物柴油研究开发和产业化方面取得了相当的进展。

日本：1995年开始研究生物柴油，1999年建立了日产259吨用煎炸油为原料的生物柴油工业化生产实验装置。2003年生物柴油年产量达40万吨。

此外，南美的巴西、阿根廷、哥伦比亚和亚洲的韩国、印度以及俄罗斯等国也正积极发展生物柴油。

●2059年世界上最后一桶石油将被用尽

●传统化石能源日渐枯竭，世界开始将目光聚焦到了可再生能源与材料，这其中，“生物能源”已经浮出水面

●生物能源来源于太阳能，是太阳能的有机贮存。两院院士石元春说，“如果能利用现有生物资源的一半，就可建成年产5000万吨的绿色油田，这相当于一个大庆的年产量”

工业生物经济：微生物将扮演“主角”

□本报记者王静

众所周知，微生物是地球生命世界里的第二大类生物群，其多样性在维持生物圈和为人类提供广泛而大量的未开发资源方面已发挥重要作用。当以资源为基础的生物经济来临的时刻，微生物已经与工业、农业、医药、环保等各方面发生了密不可分的联系。科学家们认为，微生物必将在新工业革命中扮演主角。如果你有机会走进中科院微生物研究所，了解那里的科学家所开展的研究工作，你会吃惊地发现肉眼看不着的微生物有着难以想象的能量。仅以微生物在工业领域中将发挥的作用为例，你会看到微生物科学正在为工业革命开辟出一片全新的天地。

在过去几十年的经济发展中，人类由于忽视了发展中的环境保护问题，目前环境状况十分严峻，已经严重影响经济的可持续发展，环境质量下降的趋势在继续。为此，世界各国的科学家和工程技术人员，针对环境污染问题和不同环境污染类型，发展了各种处理污染物的办法。包括化学法、物理法和生物法。虽然在污染物的处理中，物理、化学方法做出了一定的贡献，但由于这些方法存在投资大、成本高、二次污染等问题，而逐渐被生物法所代替。

所谓生物处理也叫生化处理，即指利用处理系统中的生物特别是微生物的代谢活动以及各种特性，来处理各种废弃物的过程。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，为从根本上解决环境问题提供了希望，因而越来越受到人们的青睐，被誉为21世纪治理环境污染的优选技术。

生物法区别于其它技术的最根本特点是消除污染物而不是分离转移污染物。

在中科院微生物所的一个实验室，你会看到科学家关于典型污染化合物——氯代硝基苯的微生物消除研究实验。氯代硝基苯是一种能导致突变、引发癌症、致畸的化学物质，在印染、农药等行业中作为中间体使用，在生产中往往因转化不彻底而残留，随废物而排放后，如果通过某种途径进入人体，会破坏肺、肝、肾的功能，并直接损害神经系统。

科学家在含有不同浓度的氯代硝基苯土壤中种植同一种植物，浓度越高的导致植物生存寿命越短；而在同样含量的氯代硝基苯花盆中加入某种微生物后，通过作物根须与微生物共同作用，植物生长十分茂盛。也就是说，微生物可降解氯代硝基苯。

目前，该实验室已经筛选出多种降解化学污染物的微生物菌种，不久将可在解决环境难题中施展才能。

在食品工业中，微生物已经成功应用于食品防腐，为生产企业开拓出良好的国际市场。

据业内人士介绍，在当前许多食品防腐剂中，绝大部分为化学合成物，如亚硝酸盐等，其实是有潜在的致癌作用的。但中科院微生物所3代科学家经过约十多年的努力，发现一种微生物乳酸乳球菌产生的一个小肽乳链菌肽(nisin)，对引起食品腐败的许多革兰氏阳性菌有强烈抑制作用，在低pH条件下具有热稳定性，特别是食用后可被消化道中的酶降解，不会出现传统抗生素所引起的抗药性和毒副作用。已被世界粮农组织和世界卫生组织的联合食品添加剂专家委员会确认为一种高效、无毒的天然食品防腐剂。由于第27位氨基酸的不同，自然界中存在两种nisin天然变异体，一种称之为nisin A,另一种称之为nisin Z。由于nisin Z具有更好的扩散性和溶解度，它的工业化生产及产品的应用开发对促进现代食品工业的发展、保障人民身体健康具有重要作用。

关于nisin Z的价值，科学家有着非常清醒的认识，在完成小试的基础上，他们与企业合作以蛋白胨、酵母粉等廉价原料代替牛奶做培养基，采用自主独创的后提取工艺路线，建成了世界上最大的、年产150吨nisin Z的专业化生产厂，实现了nisin Z的工业化生产，并在此基础上制定了我国nisin产品质量的行业标准。产品不仅占领了国内外市场，而且给肉制品、奶制品等行业的产品提高了质量，带动了我国现代食品工业的发展。

让科学家非常激动的是极端微生物，即在某种特定环境中存在的微生物。科学家说，极端微生物可为现有生物技术“改朝换代”。因为极端微生物是微生物在100℃以上的高温或0℃以下的低温，饱和的高盐或极端的高碱、高酸等环境下生存，不仅代表了生命适应环境的多样性及其可能的范围，对生命的起源、生命的进化或地外生命都具有非凡意义。同时，极端微生物的特殊的基因与产物，也会为工业、农业、人类健康的发展提供新的途径，为生物技术带来了革命性进步。

迄今，科学家对极端微生物的研究取得了许多重要的成果，除了基础研究外，应用研究领域当属美国T.D.Brock发现的Taq酶在PCR中的应用，它带来了分子生物学的革命。到20世纪90年代后期，极端微生物的研究得到了蓬勃发展，extremophiles一词被广泛使用，世界各国对极端微生物的系统分类、生态、生理、生化、遗传以及生物技术利用开展了系统的研究。

来自极端微生物的极端酶，可在苛刻条件下行使功能，将极大地拓展酶的应用空间，并是建立高效率、低成本生物技术加工过程的新基础，极端酶的应用可改变整个生物催化剂的面貌。因此对于国家而言，利用国土多样的地域环境及生物资源优势，从资源发掘、机制研究到应用开发，系统进行极端微生物这一重要遗传资源的认识、保护、开发和持续利用，是中国生物技术实现跨越发展的良机。

此外，微生物在农业上也已显示出特别功效。据科学家介绍，苏云金芽孢杆菌之所以能够杀虫，是由于它们的细胞内存在着有毒的蛋白质，叫做伴胞晶体，被昆虫吞食后中毒而死亡。这种活细胞对环境无毒无害，而且在动物的胃肠道内的酸性环境下蛋白晶体不能溶解，从而对人畜无毒，所以是一种高效安全的生物杀虫剂，可用来防治农作物害虫和杀灭蚊虫。目前我国已经有很多种不同牌号的BT杀虫剂产品。随着生物技术的发展，科学家已经能够从苏云金芽孢杆菌中提取出控制产生晶体蛋白的基因，并且把这段基因插入到棉花细胞中的染色体上，使这种杀虫基因成为棉花细胞中的一段。用这种棉花长大结出的种子大面积栽培时，带有这种杀虫基因的棉花苗便成了“杀虫棉花”。当害虫蚕食这种棉叶时便会中毒死亡。用一种特制的“基因枪”把杀虫基因射入棉花种芽内，随着棉花的长大，杀虫基因也会成为棉花遗传物质中的一个有效组分，在下一代棉种内依然可以找到这种杀虫基因，把这种棉花种籽种入棉田，当棉铃虫侵犯棉叶时，就会瘫痪死亡。

对生物农药的研究刚刚开始，相信在不久的将来，我们的农田将不再需要喷洒化学农药，农田将真正成为绿色的田野。

总之，微生物将会在生物经济中大放异彩。

绿色纺织 “酶”力无限

——江南大学校长陈坚教授认为，绿色纺织业应走生物催化之路

□本报记者刘英楠

作为我国传统产业、支柱产业，在国内生产总值和外贸出口总值中占据重要比例的纺织工业，被人称作中国加入WTO后“惟一保持进攻态势的行业”，实际上同时也是一直以来的污染大户。这种情况下，如何改进生产工艺，走清洁纺织之路，成为亟待解决的重要课题。江南大学校长陈坚教授认为，采用高效生物催化剂的酶法工艺替代传统的化学加工工艺，是纺织工业清洁生产技术未来最重要的发展方向之一。

污染问题老大难

纺织工业在我国经济中的地位堪称“举足轻重”。据了解，有数千家印染企业，其中生产规模在6000万米/年以上的大型棉印染厂就有数十家。2002年，我国纺织工业总产值达10644亿元，占国民生产总值10%，实现利润337亿元。其中，纺织品及服装出口创汇达618亿美元，占全国的19%。然而陈坚介绍，虽然我国纺织工业对国民经济作出了突出贡献，但总体上仍存在产业集中度不高、工艺技术装备落后和资源利用率低等问题。特别是，这一工业部门产生污染的情况十分严重，尤其在印染加工过程中，传统工艺耗费大量水和化学品，耗费资源的同时带来严重的环境、生态问题。

陈坚表示，传统的前处理工艺，已不能适应国际上绿色纺织品清洁化生产的发展趋势，并已严重影响到我国纺织品在国际市场上的竞争力。据粗略统计，我国每生产万米织物耗水250～400m3。一个年产5000万米的中型印染厂，全年耗水量2百万m3左右，相当一个数十万人口的城市全体居民的生活用水。由于印染生产的耗水量大，很多印染厂自行采水供给。虽然地下水蕴藏量比地面水高三倍多，但目前我国大部分地区均已严重超采。对此国家不得不实行收费限制，这样生产成本迅速上升。如改用城市自来水，费用更为昂贵。

以棉织物前处理为例。在棉织物染整加工中，为使棉纤维获得优良的润湿性和白度，需要在前处理过程中去除为使织造顺利进行在经纱上施加的以淀粉、聚乙烯醇(PVA)为主体的浆料，以及会严重影响棉织物外观、服用性能和染整加工的棉蜡、果胶质和蛋白质等各种伴生物。目前国内外一直采用传统的强碱高温处理工艺对棉织物进行前处理，存在工艺复杂，流程长，设备庞大、纤维损伤大，水耗、能耗大等弊病，并且排放大量碱性强、色度深、化学需氧量(COD)极高的废水，已成为印染生产中最大的污染源。受处理技术限制，目前国内印染企业没有一家的废水经处理后能达到国家的排放标准，而且处理费用很高。

“要从根本上改变纺织工业高消耗、高污染的传统粗放型经济增长方式，必须大力推动和发展纺织工业清洁生产技术，实现纺织工业污染防治由‘末端治理’向‘源头预防’的转变。”陈坚介绍，相比传统的化学处理工艺，用高效生物催化剂参与的酶处理工艺可显著降低水耗、能耗，显著减少废水量、降低其处理难度，提高染料利用率、获得更佳染色效果，全面改善织物的品质，提高操作的安全性和简便程度，并能有效降低生产的综合成本。随着生化工程技术的发展及纺织绿色加工要求的提高，环境友好的酶处理工艺已成为纺织工业清洁生产技术未来重要的发展方向之一。

陈坚说：“目前，由欧洲倡导的3E系统(效能、经济、生态)、3R生产机制(一次准确性、快速反应性、重现性)、4R原则(节省、回收、回用、循环)已成为世界纺织染整工业技术发展的主流。未来社会对纺织业的要求，除产品质量这个永恒不变的内容外，更强调生态平衡和对环境的亲和性。可以预测，随着绿色环保意识与要求的不断加强，在未来的纺织加工业中，高效生物催化剂——酶必将有其更广阔的发展空间与更积极的发展前景。”

提升效益向酶看

“从总体上看，我国现在的纺织酶加工技术无论在加工理论和加工工艺上，还是在酶制剂的性能上，均和国外先进水平存在巨大差距。”陈坚介绍，我国3000多年前就已出现以微生物发酵进行麻类纤维生产的沤渍脱胶法(《诗经·陈风》记载：东门之池，可以沤麻。)；同样在战国时期，也出现了和沤麻类似的真丝“水湅法”，起作用的都是微生物产生的酶。我国古代用得最多的酶是胰酶，取自猪的胰脏，主要用于真丝的脱胶。该法早在唐代就已经形成了基本固定的工艺，比国外的同类研究(美国Marsh，1931年)至少早1200年。

据了解，20世纪90年代以前，酶在纺织上的工业化应用还仅局限在淀粉酶退浆和真丝脱胶等少数加工，然而之后其在纺织上的应用，却如火如荼地在全球开展起来。很短的时期内，牛仔布的酶洗(或称返旧整理)取代了传统的石磨洗，氧漂生物净化加工替代了传统的大量漂后水洗处理，真丝织物的酶法砂洗取代了化学法砂洗，以果胶酶为主体的棉织物酶精练加工开始出现并得到快速发展，生物抛光整理赋予棉织物传统化学加工无法获得的良好品质等等。目前，纺织酶加工工艺已经涉及到了几乎所有的纺织湿加工领域，纺织酶加工理论、酶加工设备和工艺也都有了很大发展。

陈坚认为，生化工程技术的发展、纺织绿色加工要求的提高以及对更高的产品品质的追求，是这些酶加工技术发展的巨大推动力。但与我国纺织业巨大的规模不相称的是，我国的纺织酶制剂市场基本上被这一领域世界领先的丹麦诺维信公司和美国杰能科国际有限公司所垄断。我国落后的原因何在？陈坚认为主要有两点：一是国内酶制剂研究、制造单位对纺织加工中可能用到的酶处理技术并未引起足够的重视和兴趣，纺织行业无奈只好采用传统的用于食品等领域的生化制剂，实际应用困难重重；二是目前国外的纺织专用酶制剂普遍价格较高，与传统纺织加工所用的化学用剂相比成本大幅上升，同时稳定性较差且不易储存，限制了酶加工工艺的广泛推广。

专家介绍，目前可以进行酶加工并获得工业化应用的工艺，还只是纺织加工的很小一部分，在纤维原料的品种适用性上也有很大限制。同时，普遍较低的酶制剂国产化水平使得国内企业难以与国外大公司竞争，极大地制约了我国纺织酶加工技术的研究与应用。因此，开发价格较低、稳定性好、性能突出的国产纺织专用酶制剂，目前来看仍然势在必行。陈坚说：“这是一个富有开拓前景的新领域，具有十分显著的社会效益和经济效益。”

研究聚集前处理

“虽然从20世纪80年代末开始，酶在纺织品染整加工中应用的研究热潮就已在国外掀起，到目前为止牛仔服装的生物酶洗等工艺也已用于工业生产，但各国对于棉织物生物酶前处理的研究起步都很晚，直到20世纪90年代才有资料报道，而且大都处在实验室的研究阶段。国际著名酶制剂生产公司如诺维信等，虽然已能生产碱性果胶酶，但价格较高且不适合中国的棉织物特点，尚未在国内得到大规模推广应用。因此深入研究各有关流程的酶处理工艺，对我国棉织物前处理过程的清洁生产来说任务相当紧迫。”陈坚表示，棉织物前处理工艺流程复杂，而棉纤维中的杂质又性质各异，因此用单一酶不能满足前处理去杂的要求。理想的工艺是生产出最关键的几种酶，进行必要的复配并确定最佳应用条件，然后将其应用于棉织物前处理的全过程。

为推动我国棉织物前处理工艺的全面“酶化”，陈坚带领江南大学有关人员，将研发重点锁定在PVA降解酶、角质酶、碱性果胶酶和过氧化氢酶这一酶制剂产品群的关键制备技术上。在国家“863”计划的支持下，他们从1999年开始着手选育具有自主知识产权的微生物，用以生产出四种酶的样品，研究其基本性质和作用机理，并优化它们在棉织物前处理中的应用条件；然后从自行筛选得到的微生物中分别克隆四种酶的编码基因，利用酵母或细菌的外源基因表达系统使这些基因过量表达，显著提高这四种酶的产率；最后在实验室研究的基础上，确定以高产率和低成本为综合目标的发酵及提取工艺，并完成中试，为工业化奠定基础。

陈坚介绍，关键的四种酶不但在棉织物前处理工艺中有广阔的用武之地，并且分别拥有一批其它的潜在用户。例如PVA降解酶，还可用于纺织工业含PVA废水的前处理，以及PVA制成的塑料薄膜的生物降解。角质酶具有水解环状低聚物(聚对苯二甲酸亚乙酯)、牛奶脂肪，降解聚己内酯的作用，同时具有脂肪酶等功能，可用于处理聚酯织物以改善织物外观，生产清洁剂和洗涤剂，降解毒害性化合物或农副产品的深加工等。其它碱性果胶酶和过氧化氢酶，也分别在医药、饮料、食品工业以及造纸工业、农作物保护、临床诊断试剂等方面有巨大潜力。

据了解，江南大学承担的“863”计划项目“用于纺织工业清洁生产的生物催化剂的研究”中，对碱性果胶酶和过氧化氢酶的研究已分别于今年1月和4月23日通过专家组验收。课题组研究并开发了两种酶的生产工艺，并对其进行了工业化应用试验。对PVA降解酶和角质酶生产与应用研究，近期也将陆续完成。研究证明，应用这一酶制剂产品群可以完全替代传统处理工艺，实现棉织物的全酶处理。

陈坚最后强调：“中共十六大报告中，明确提出了绿色工业、即新型工业化的概念。我们走可持续工业发展的绿色道路，建立绿色工业模式，必须尊重生态和生态经济规律，使工业生产系统的运行切实转移到良性的生态循环和经济循环的轨道上来，实现最佳生态、经济、社会三大效益的有机统一。”