第二节 微生物学技术与产业
微生物广泛分布于土壤、水、空气以及动植物的体内或体表，寄生、腐生或自养生活。虽然少数种类的微生物可引起人类及动植物生病或者使工农业产品和生活用品腐蚀、霉烂，但是大多数微生物对人类是有益的。尤其是随着科学技术的进步与学科的相互渗透和交叉，微生物已在工业、农业、环境保护、资源利用与食品等各行各业发挥越来越重要的作用。
一、微生物与农业
近十年来，世界农业出现的土地资源退化和农业生态环境恶化等问题，使人们更加关注生物系统农业的研究。相继形成了替代农业、低投入农业、有机农业以及持续农业等新的农业体系和观念。从总体上来说，这些体系和观念的共同点都是主张农业生产要遵循生态学原理，合理开发资源、保护农业资源与环境、减少产品污染、降低化学合成物的使用量。土壤微生物在养分持续供给、肥料管理措施、有害生物综合防治及土壤保持中起着举足轻重的作用（孙海新，2013）。下面从生物肥料和生物农药两方面来描述微生物在农业领域中的应用。
（一）生物肥料
1．生物肥料的概念
生物肥料，又称微生物肥料，是指含有特定微生物活体的制品，应用于农业生产，通过其中所含微生物的生命活动，增加植物养分的供应量或促进植物生长、提高产量、改善农产品品质及农业生态环境。目前，微生物肥料包括微生物接种剂、复合微生物肥和生物有机肥三类。为了发展现代农业，实现农业可持续发展，对肥料行业的发展提出了新的更高的要求。而生物肥料在提升耕地质量、治理农业面源污染、提升农产品品质等方面具有不可替代的作用。大力推广生物肥料的应用是实现农业可持续发展的一项重大举措。
2．生物肥料的功能特点
生物肥料的作用主要表现为提供或活化养分、产生促进作物生长活性物质、促进有机物料腐熟、改善农产品品质、增强作物抗逆性、改良和修复土壤等几个方面。
生物肥料可以活化土壤养分，一是利用微生物的固氮功能，为作物直接提供营养；二是利用微生物溶磷、解钾、溶解钙镁硫等中量元素的功能，使营养物质形态活化，增加养分的有效性，提高肥料利用率（陈文新，2014）；生物肥料可产生促进作物生长的活性物质，比如许多微生物可以产生植物激素，促进作物生长；生物肥料可促进有机物料腐热，微生物将有机物料矿质化和腐殖质化，转化形成大量优质的有机肥料，增加土壤有机质和土壤肥力（黄韶华，1995）；生物肥料可改善农产品品质，不同类型的微生物肥料，可以从外形、色泽、口感、香气、单果重、千粒重、大小、耐储运性能等不同方面，改善农产品品质；生物化肥可增强作物抗逆性，主要表现在抑制病虫害发生（产生抗生素，病情指数降低）、抗倒伏、抗旱、抗寒及克服连作障碍等方面。
另外，生物肥料还可改良和修复土壤。应用微生物肥料进行土壤改良和修复，在实践中被证明是有效的技术手段。通过微生物代谢活动，直接或间接地将土壤环境中的有毒有害物质（如残留农药、重金属等）的浓度降低，从而将毒性降低，或实现完全无害化。此外，微生物肥料还可以改善土壤的容重、团粒结构、养分供给、微生物种群结构与数量等指标（周泽宇，2014）。
（二）生物农药
1．生物农药概念
从广义上来说，利用活体微生物或其产生的代谢产物来防治病虫草害的农药称为微生物农药。从狭义上来说，只利用活体微生物来进行病虫草害防治的农药称为微生物农药，包括病毒、细菌、真菌等微生物活体（陈源，2012）。生物农药的传统定义是指可以用来防治病虫草等有害生物的生物活体，如利用细菌、放线菌、病毒、真菌、线虫及拮抗微生物等来控制病虫草害的制剂（梁知洁，2001）。随着其发展，又将生物的代谢产物、转基因产物等扩充到其中，包括微生物农药、农用抗生素、植物源农药、生物化学农药和转基因植物等(Congress &Te,1991)。
2．生物农药分类
生物农药分为3大类。
（1）微生物源农药。它们是以微生物为活性成分的农药，这类农药可以杀死多种害虫。例如：有些真菌可以控制杂草，另外一些真菌可以控制蟑螂，一些细菌可以控制植物疾病。目前应用最广泛的微生物农药是Bt，可以控制卷心菜、马铃薯及其他作物的害虫。
（2）植物农药或转基因植物农药。它们是将基因植入植物体内的农药。如科学家从Bt杀虫蛋白中提取基因，再植入植物体内使植物具有杀死害虫的活性(Douville,2007)。
（3）生物化学农药。它们是以非毒性机理控制害虫的天然源物质，包括信息素、荷尔蒙、植物生长调节剂、排斥剂及酶。
3．生物农药的特点
（1）选择性强，对人畜安全，是目前市场开发范围大并应用成功的生物农药产品。它们只对病虫害有作用，一般对人畜及各种有益生物比较安全，对非靶标生物的影响也比较小。生物农药是生物活体，假如不考虑生态环境因素，那么生物农药对非靶标生物几乎是没有杀伤力的。生物农药中昆虫病原真菌、细菌、病毒等均是从感病昆虫中分离出来，经过人工繁殖再作用于该种昆虫，加上生物农药大多数都是通过影响害虫进食而达到杀虫目的，因此使用生物农药是很安全的（张锡贞，2004）。
（2）无污染，对生态环境安全。微生物农药有控制有害生物的作用，主要是利用某些特殊微生物或微生物的代谢产物所具有的杀虫、防病、促生功能。其有效活性成分完全存在和来源于自然生态系统，在环境中会自然代谢，参与能量与物质循环。它的最大特点是极易被太阳光、植物或各种土壤微生物分解，其作用过程是一种来于自然、归于自然的物质循环方式。作物施药后对水体、土壤、大气都不会产生污染，也不会在作物中残留（武军彦，2014）。
（3）效果好，防治期更长。一些生物农药品种（昆虫病原真菌、昆虫病毒、昆虫微孢子虫、昆虫病原线虫等）具有在害虫群体中水平或经卵垂直传播的能力，在野外一定的条件下，具有定殖、扩散和发展流行的能力，不但可以对当年当代的有害生物发挥控制作用，而且对后代或者翌年的有害生物种群起到一定的抑制作用，具有明显的后效作用（王晓娜，2014）。
综上所述，生物肥料的功能特点，决定了其在维持土壤肥力，恢复、保持土壤质量，以及实现农业可持续发展中具有不可替代的作用。据有关资料统计，我国微生物肥料在国家生态示范区、绿色和有机农产品基地中已成为肥料主力军，其用量已超过400万吨，约占我国微生物肥料年产量的50%。生物肥料行业的生产企业、科研单位和推广部门，应把握好当前良好的发展机遇，推动生物肥料行业发展，助力我国农业可持续发展。而生物农药具有低毒性、选择性强、低残留、高效且能迅速分解、不易产生抗药性等一系列的优于化学农药的特点，它的作用方式是以控制病虫害为主，而不具有强烈的杀灭病虫害作用。针对可持续发展和绿色农业的需要，开发利用生物农药任重而道远。
二、微生物与食品产业
以自然界中食品原料为基质，通过微生物的代谢活动，利用适宜的工艺和设备条件制得的食品叫作发酵食品，也叫酿造食品。其生产已有悠久的历史，对现代食品工业及人们生活产生了重要的影响。利用微生物生产的现代食品产业称为食品发酵产业。微生物发酵食品的原料丰富，一般以谷物、豆类、果蔬类为主；发酵技术的应用已扩展到三大类产品的生产中：一是生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生产食品添加剂；三是生产保健品。由于是自然发酵，一般是多菌种发酵，酶系复杂，有多种微生物共同参与，同时在发酵过程中还得保持各种微生物之间的协调性（龙立利，2014）。微生物代谢的酶类将原料中的蛋白质、糖类、脂肪等分解成氨基酸、寡糖为其生长提供营养，同时也形成风味物质的前体，而代谢生成的乙醇、乙醛、乳酸、丁酸乙酯等则直接形成产品的风味（陈楠，2013）。
（一）传统发酵食品
1．酒类
啤酒的原料为大麦、酿造用水、酒花、酵母以及淀粉质辅助原料（玉米、大米、大麦、小麦等）和糖类辅助原料等。传统的游离酵母发酵啤酒周期为20~30d。酵母在固定化载体中增殖快，生长良好，具有较高的稳定性，使用寿命可达两个月。用固定化酵母发酵啤酒的周期为一个星期，生产周期大大缩短，固定化酵母发酵啤酒方法特别适合于夏季、秋季对啤酒需求旺盛的季节使用（王人悦，2014）。
2．发酵乳制品
发酵乳制品是良好的原料乳经过杀菌并且在特定的微生物作用下进行发酵所获得的，经过这种工艺处理的乳制品一般都具有很特殊的风味，并且有很高的营养价值和很好的保健作用。酸奶的发酵过程使奶中的糖、蛋白质有20%左右被水解成为小的分子（如半乳糖和乳酸、小分子肽和氨基酸等），奶中脂肪含量一般是3%~5%。酸奶更易消化和吸收，其发酵过程使得各种营养素的利用率得以提高。
3．调味品
酱油是人们常用的一种食品调味料。它是用蛋白质原料和淀粉质为原料，利用曲霉及其他微生物的共同发酵作用酿制而成的。酱油生产中常用的霉菌有米曲霉、黄曲霉和黑曲霉等。曲霉菌株应符合如下条件：不产黄曲霉毒素；蛋白酶、淀粉酶活力高，有谷氨酰胺酶活力；生长快速、培养条件粗放、抗杂菌能力强；不产生异味，制曲酿造的酱油制品风味好（张丹，2012）。
4．泡菜
泡菜主要是新鲜蔬菜通过原料处理后由乳酸菌发酵而成的一种传统蔬菜发酵制品(Kim & Chun,2005)。蔬菜经以乳酸菌为主要菌群的多种微生物发酵后，质地脆嫩爽口，营养丰富，富含维生素、胡萝卜素和钙、铁、磷等微量元素，具有开胃、健脾、促进消化、降低胆固醇、预防高血压等保健功效，一直以来深受人们喜爱。其腌制加工的主要微生物学原理是新鲜蔬菜在一定食盐浓度溶液中，借助自然条件下附着在蔬菜表面的有益微生物，其中以乳酸菌为主，或通过人工接入乳酸菌，使蔬菜中的可发酵型糖类等物质发酵产酸，利用食盐溶液的高渗透压，抑制有害微生物生长，同时还伴随一系列乙醇发酵和醋酸发酵等生化反应，从而形成了泡菜等发酵制品的独特风味。泡菜中常见的乳酸菌主要有植物乳杆菌、短乳杆菌、肠膜明串珠菌和双歧杆菌等（李文婷，2012）。
目前，我国蔬菜发酵产业中的泡菜加工产业已初具规模，主要集中在四川省，四川泡菜全国市场占有率达50%以上，产品远销日本、韩国、美国、澳大利亚、欧盟、东南亚等近20多个国家和地区。年加工鲜菜300多万吨，总产值已达到100多亿；其中产值1000万元以上的泡菜加工企业100多家（不含辣椒豆瓣），总产值50亿元以上，其中省级农业产业化重点龙头企业30多家，国家级农业产业化重点龙头企业3家。国内已形成以四川地区为主的泡菜发酵的研究与产业化应用的“产学研”相结合的科技创新团队，重点关注泡菜加工专用原料品种的选育、原料基地建设，泡菜加工新工艺、新品种研发，标准化技术规程制定和完善等工作；绿色功能菌（群）发酵调控和直投式功能菌发酵泡菜关键技术等研究与产业化应用，泡菜发酵用菌种的产业化生产，增香调味技术、小包装泡菜保质技术等成果的开发和应用，推动了四川省从传统的作坊式泡渍泡菜向规模化、多元化泡菜发展，为不断开发泡菜新产品奠定了基础。开发的低盐泡菜、早餐泡菜、清酱泡菜和泡山野菜等各式新产品，受到消费者的青睐和市场认可。
（二）食品添加剂
1．氨基酸
L-苯丙氨酸用红酵母菌种进行二级发酵，培养具有苯丙氨酸解氨酶活性的培养物，以此作为生物催化剂，在肉桂酸-氨水液中保温反应，由酶催化制得。L-缬氨酸以葡萄糖、尿素、无机盐等为原料，用产谷氨酸微球菌、产氨短杆菌、产气杆菌等为菌种发酵制得。L-异亮氨酸是以糖、氨、α-氨基丁酸等为原料，用黄色小球菌或枯草杆菌发酵而得。L-谷氨酰胺以葡萄糖等糖类为原料，经黄色短杆菌发酵制得。此外，赖氨酸、色氨酸、苏氨酸、亮氨酸、精氨酸、半胱氨酸、脯氨酸等氨基酸亦可由微生物发酵法制得（姬德衡，2002）。
2．木糖醇
木糖醇是一种具有营养价值的甜味物质，也是人体糖类代谢的正常中间体；木糖醇广泛用于食品和医药产业。酵母菌（假丝酵母属菌株）是发酵法生产木糖醇的最好菌株之一，影响产量的主要因素有培养温度、通气率、木糖浓度、氮源和pH值等。相关研究表明，通过破坏木糖醇脱氢酶基因XYL2，可以阻止木糖醇向木酮糖转化。通过复合培养基（最有效成分是甘油），可以促进细胞的生长和NADPH的产生，最终在发酵16h后木糖醇积累的浓度可达到48.6g/L。遗传性状改良菌株如木糖醇脱氢酶(XDH)缺陷性菌株，破坏由XYL3编码的酶木酮糖激酶(D-xylulokinase)后，木糖醇的积累量为26g/L（秦海青，2013）。此外，利用氧化还原电位的变化可以控制酵母菌发酵生产木糖醇(Sheu, et al.,2003)。
3．微生物多糖——普鲁兰多糖
普鲁兰多糖(Pullulan)最早是1938年由R.Bauer发现的一种特殊的微生物多糖。该多糖是由α-1,4糖苷键连接的麦芽三糖重复单位经α-1,6糖苷键聚合而成的直链状多糖，分子量在2万~200万，聚合度100~5000。普鲁兰多糖以其优良的理化特性，如易溶于水且不离子化，不凝胶化，热稳定性好，黏度受外界因素影响较小，并且不会污染环境，在众多领域得到广泛的应用。另外，其还具有良好的成膜性、阻气性、可塑性，黏性较强，且无毒无害、无色无味等，已广泛应用于医药、食品、轻工、化工和石油等领域。2006年5月19日，国家卫生部发布了第8号公告，普鲁兰多糖为新增四种食品添加剂产品之一，可在糖果、巧克力包衣、膜片、复合调味科和果蔬汁饮料等中用作被膜剂和增稠剂。一般商品分子量在20万左右，大约由480个麦芽三糖组成。
普鲁兰多糖是一种由出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)发酵所生产的类似葡聚糖、黄原胶的胞外水溶性黏质多糖，出芽短梗霉是一种生活史极为复杂的类酵母型真菌，各种形态之间的相互演化受较多因素影响。国内相关研究单位开展了对发酵法生产普鲁兰多糖的研究，并对其生产菌株进行了诱变改造。综合文献报道结果表明，基于透析培养制备的出芽短梗霉G-58菌悬液，同步性优于普通培养方式，且便于控制接种量，在OD600为0.442，接种种龄为36h，在培养温度为28℃，初始pH为7.0，装液量为50mL/250mL，摇床转速200r/min的条件下可培养出芽短梗霉G-58，发酵结果不仅粗多糖产量高，色素含量低，且发酵实验的整体稳定性得到了有效提高，分批发酵实验重现性良好。发酵时以蔗糖和葡萄糖为碳源的G-58菌株产糖量高且色素含量低；不同的氮源培养基中，有机氮源优于无机氮源，复合氮源优于单一氮源，其中酵母膏结合碳酸铵的复合碳源形式具有较好的产糖效果。具有较高普鲁兰多糖产量的G-58菌体形态，多为带有黄色素的厚垣孢子与肿胀细胞。在发酵抑制剂的影响方面，在发酵液中添加抑制剂碘乙酸与氟化钠，可对糖酵解过程中关键性酶3-磷酸甘油醛脱氢酶与丙酮酸激酶产生作用，从而可推断出芽短梗霉G-58的菌体生长及多糖合成途径；糖酵解抑制剂会在一定程度上影响出芽短梗霉G-58的菌体生长及多糖合成，并推断认为出芽短梗霉G-58的生长代谢是以EMP途径为基础，并在HMP途径或其他途径的共同作用下完成的，并且HMP途径代谢通量的增加能够促进出芽短梗霉菌体的生长，而胞外多糖的合成则在很大程度上依赖于EMP途径并受其代谢通量变化的影响。
4．不饱和脂肪酸
二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)是一种对人体非常重要的多不饱和脂肪酸，广泛应用于医药、食品和饲料工业中。DHA是一种常用的食品营养强化剂，添加在牛奶或奶粉、食用油等产品中。DHA主要分布在海洋生物中，但通过提取鱼油生产DHA存在资源有限、产量不稳、纯化工艺复杂、鱼腥味难以去除等缺点。通过微生物生产的DHA则具有产量稳定、成本低、提取工艺简单、纯度高等优点。微生物发酵生产DHA主要利用裂殖壶菌和藻类，只有实现高细胞密度才有可能实现DHA的高产率（韦海阳，2013）。
（三）发酵法生产保健食品
1．维生素
酵母菌在工业生产上应用十分广泛。首先，其营养要求低，生长快，培养基廉价，便于工业化生产；由于细胞生长有一定的好氧性，可进行细胞高密度培养，在发酵罐中细胞干重能达到120g/L（张剑峰，2009）；培养红酵母可发酵生产β-胡萝卜素，β-胡萝卜素在人体中代谢后可转换为维生素A，因此，β-胡萝卜素又称维生素A的前体。而维生素C的发酵法生产，早在20世纪70年代已经研究成功，“二步法”发酵生产维生素C的生产工艺早已并投入工业化生产。此外，维生素B2由阿氏假囊酵母等微生物发酵后，从发酵液中分离、提取制得。维生素B12由黄杆菌、丙酸杆菌等细菌及灰色链霉菌等微生物经培养发酵后分离精制而得（姬德衡，2002）。
2．灵芝发酵产品
灵芝子实体是人类认识并最初利用灵芝的基本结构，开发利用灵芝子实体的常规方法有如下几种。一是利用灵芝子实体直接粉碎加工为灵芝粉粗品；二是以灵芝子实体粗提取物为原料加工成保健产品；三是以灵芝子实体提取出的活性成分为原料的产品。近几年来，国内研究单位将灵芝菌种接种到具有高蛋白的脱脂大豆液体培养基中，经三天发酵后，添加奶粉、糖、稳定剂等辅料，经均质、杀菌制得新型营养保健饮料——灵芝蛋白奶（肖智杰，2006）。此工艺将发酵液及菌丝全部用于饮品之中，增加了大豆游离氨基酸的含量，消除了豆腥味。
3．担子菌
将担子菌集中到以粗纤维粉为主的培养基上让菌丝大量生成，提取菌丝蛋白或利用农副产品下脚料制成培养液，用发酵罐发酵法生产菌丝体提取蛋白，可制成营养价值高，含多糖、维生素丰富的防癌保健食品，此方法现已在我国多地应用。如猴菇营养液、云芝糖肽液、灵芝猴头羹、灰树花保健汁、美菇竹荪液和金灵锗营养液等（康德灿，2001），其产品备受大众青睐。
随着人们生活水平的不断提高，营养意识的加强以及食品发酵学科的不断发展，食品发酵技术已由原来的传统发酵工艺转变到现代食品发酵工艺，发酵食品生产效率与科技创新不断进步，微生物相关食品产品不断更新发展。由于自然界蕴藏着极其丰富的天然微生物资源，未来几年现代发酵工程必将为食品工业提供更有营养、更保健的丰富多样的发酵食品，以满足人类对健康与营养的需求。
三、微生物与资源利用
人类对资源不合理的开采以及工业化进程的加快，作为与食品资源息息相关的土地资源在不断退化，农业生态环境恶化等问题日益突出。另外，人类的工业是建立在化石能源基础之上的，而其特点是必然要消耗大量不可再生资源，以及产生大量温室气体的排放并破坏生态环境，由此引起人类社会面临人口剧增下的资源匮乏、能源危机和环境恶化等一系列问题，解决这些问题的关键在于寻求一条可持续发展的道路。现代微生物技术可在资源利用效率提高、资源节约和资源开发等方面起到积极的作用，这种作用对目前地球上日益匮乏的自然资源的利用或挖掘具有重要意义。
（一）微生物转化提高中药材的药理性
自然界中存在的微生物具有很强的分解转化物质的能力，并能产生丰富的代谢产物，利用微生物的生长代谢和生命活动来炮制药物，能比一般的物理化学手段更大幅度地改变药性，提高疗效，扩大适应症范围。通过微生物培养方法对中草药中的多种成分进行结构修饰，以期增加已有的活性，降低副作用，产生新的活性成分，解决中药中成分不明确、副作用以及效率发挥差特别是药材浪费等问题，也为药物合成提供了新的途径。
王玉阁及其团队早在2008年就利用米曲霉菌株对玉屏风散进行微生物转化（王玉阁，2008），观测正常小鼠抗氧化功能和免疫抑制小鼠免疫功能的影响。通过实验测定小鼠外周血和肝组织中特殊指标的亚群的百分比和比值，得出的结论是玉屏风散转化液组酶的活性高于对照组和玉屏风散煎剂组，MDA生成量低于对照组和玉屏风散煎剂组。经过米曲霉生物转化的玉屏风散可提高正常小鼠的抗氧化能力，更能提高免疫抑制小鼠的免疫功能。
赵红晔及其研究团队试验了玉屏风散的微生物转化液对小鼠免疫体制的影响（赵红晔，2010）。他们以血清溶血素和外周血为检测指标，实验结果表明，玉屏风散转化液可以增强小鼠的体液免疫能力，其作用比玉屏风散强，其作用机理是促进脾脏抗体细胞的形成，促进血清溶血素的生成，提高外周血中蛋白含量，从而增强免疫力。
（二）微生物对中草药中有效成分的转化
将中草药中一种特定的有效成分提取出来，经微生物转化后寻找新的化合物，然后对新的化合物进行药理筛选来确定转化是否有益。
最早是Peterson等在1952年利用微生物黑根霉在孕酮11位上导入α-羟基，使其转化形成α-羟基孕酮，使孕酮合成皮质酮只需要三步反应，收率高达90%。青蒿素是1971年从药用植物黄花蒿中分离到的一种化合物，具有高效低毒的抗疟疾活性，研究人员从18个菌种中筛选出一个能够催化转化青蒿素的菌株，进行了优化试验，使主产物的转化率达到了56%以上。邓欢欢等将北桑寄生(Loranthus tanakae Franch.et Sav.)提取物与沼泽红假单胞菌共同培养（邓欢欢，2014），通过高效液相色谱法(HPLC)分析经沼泽红假单胞菌微生物转化后的北桑寄生化学成分的变化。实验结果表明，经沼泽红假单胞菌混合培养后北桑寄生的化学成分发生了很大的变化，转化液中其上清液成分减少，沉淀物成分中至少增加了4种代谢产物。研究表明，通过沼泽红假单胞菌可以对北桑寄生提取物成分进行生物转化，将水溶性化合物（转化液上清液）转化为脂溶性化合物（转化液沉淀物中的成分），研究成果为光合细菌在其他中药中的生物转化奠定了基础。
（三）甾体化合物的微生物转化
雄烯二酮(AD)和雄二烯二酮(ADD)是甾体激素药物不可替代的中间体，几乎所有甾体激素药物都可以以AD(D)为起始原料进行生产。以廉价的甾体化合物制备AD(D)受到越来越多的重视（梁建军，2012）。Leec等采用活化氧化铝载体固定化Mycobacterium sp.NRRL B-3683细胞(Leec,1992)，将浓度为1g/L的胆固醇底物进行分批发酵生物转化，使ADD的生产强度达到每天0.191g/L，摩尔转化率为77%，固定化微生物的半衰期超过了45d。
（四）微生物生物转化法合成天然香料香精
直接从自然界的原料中获取香料其含量低，且天然香料与合成香料存在巨大的价差，高者甚至达到200倍。因此，针对有价值的香料化合物进行微生物转化法生产是自然资源开发的一条重要途径。这种微生物转化法利用微生物细胞或酶转化天然前体或全程合成（微生物发酵）来生产各种天然香料（陈虹，2011）。如用微生物转化法合成香兰素，这是一种奶油风味的物质，可广泛应用于冰激凌、巧克力、乳制甜点等里面，堪称世界上使用最广的增香剂。利用枯草芽孢杆菌转化香兰素的前体物质可以使香兰素的转化率达到14%（姜欣，2007），大大减少成本。2-苯乙醇是一种具有柔和细腻的玫瑰气味的芳香醇，存在于玫瑰、茉莉、百合和丁香等多种植物的精油中，价格昂贵，利用酿酒酵母和毕赤酵母可合成天然2-苯乙醇；目前，马克斯克鲁维酵母菌株可使2-苯乙醇的转化率高达83%(Etschmann,2004)。
利用微生物的生物转化作用生产酯类物质可解决香料紧缺和天然原料提取价格昂贵的问题，有巨大的经济意义，同时可解决由于提取香料的过程导致的资源耗费和环境污染等问题。许多细菌和霉菌都具有合成芳香化合物的能力，如枯草芽孢杆菌能够全程合成吡嗪类物质，从而赋予酱油、豆汁、豆瓣酱和酱香型白酒特有的香味(Larroche, et al.,1999)；而酵母菌合成天然香料的能力则更强，多种酵母均有合成酒香味（酯类物质）的能力，如乳酸克鲁维酵母可合成果味花香味的帖烯(Drawet & Barton,1978)，香气掷孢酵母可合成香味内酯(Tahara,1972)。同时也可以避免由于消费者对天然香料的喜爱导致价差悬殊问题。总的来说，将微生物转化技术应用于香料的生产有很大的发展前景和良好的经济效益，必将在未来的香料市场大放异彩。
（五）油气藏存二氧化碳的微生物转化利用
对二氧化碳的捕集埋藏是近年来二氧化碳减排的有效手段之一。返注的二氧化碳主要用于地质封存，或是用于提高石油的采收率，利用这些方法返注的二氧化碳事实上并没有消失，不排除再次排放到大气中的可能性。埋藏二氧化碳通过微生物转化生成甲烷技术，就是利用油气藏中的内源微生物，以埋藏的二氧化碳为底物，通过二氧化碳还原途径合成甲烷的技术。合成原料是埋藏的二氧化碳，合成地点是枯竭的油气藏，合成媒介是油气藏内源微生物，产物为甲烷。此项技术因为兼具二氧化碳减排的环保意义，生物合成甲烷的再生能源意义以及延长油气藏寿命和潜在经济收益等优势，具有广泛的应用前景。二氧化碳的捕集、埋存和油气藏的多样性为技术的实施提供了可能性（魏小芳，2011）。
除此之外，食品加工业或生物工业中产生的下脚料甚至包括废水、废物与废气等都可通过微生物的生长与代谢活动产生对人类有用的化学品或食品新资源等，因此，科学合理地利用微生物这一重要生命体对地球上资源的有效利用和开发起到积极的作用。
四、微生物与环境
人类在改造自然的各种生产活动中包括现代工农业生产活动，由此不可避免地引起了环境（大气、水体和土壤等）污染及生态破坏等问题。微生物在环境治理中扮演着重要的角色，微生物的代谢活性高，在环境治理中因其投资少、处理效率高、运行成本低和二次污染少等优点而得到越来越广泛的应用，是处理环境污染的最好载体，主要包括废水治理、固体废物处理、重金属污染治理和养殖环境的原位修复等方面，以下将从目前微生物在环境污染或修复中应用的研究现状及进展进行简述。
（一）微生物在废水治理中的应用
污染水体的微生物修复技术是新近发展起来的一项水体环境清洁的生物技术，具有低投资、高效益、便于应用的特点，具有很大的发展潜力。特别在“五水共治”备受重视的今天，这项技术尤其重要。目前发展起来的代表性技术有如下几种。
1．固定化微生物技术
固定化微生物技术是指利用化学的或物理的手段将游离的微生物定位于限定的空间区域，并使之不悬浮于水但仍保持其生物活性、可反复利用的方法。用固定化微生物技术对城市污水中的污染物（如硝基苯）降解处理实验研究（唐凤舞，2009）的结果表明，在pH值为8.0，固定化颗粒与污水的质量比例为16%，温度为25℃时，硝基苯去除率达97.9%, COD去除率达89.2%，出水水质稳定。固定化微生物方法还可去除苯酚、重金属和醇类（固定化藻类），除油及城市废水等。
2．生物膜技术
生物膜法是使微生物附着在惰性的滤料上，形成膜状的生物集群，从而对污水起到净化效果的生物处理方法。生物膜法具有运行费用低廉、管理方便等特点，对进水的水质与水量变化有着很强的适应能力。张凤君等采用中空纤维膜作为无泡供氧及生物膜载体，采用包埋固定化技术进行挂膜及污水处理研究（张凤君，2005），试验结果表明，采用PVA（聚乙烯醇）作为包埋剂，且包泥量为1∶1的情况下，COD和氨氮的去除率分别稳定在90%和80%左右。
3．低温微生物对污染水体的治理
近年来，低温微生物技术主要被用于治理地下水、海洋和湖泊水体污染，被公认为是对湖泊、地下水等大面积水体污染最有生命力的修复技术。在西方很多国家，低温烃降解菌已在一些有毒有害有机污染的修复计划中得到应用，在废水处理中具有广阔的前景。通过实验研究（孟雪征，2001），发现在冬季低温时，在曝气池内投加耐冷复合菌群可以使COD去除率由35%提高到89%，该项研究结果为寒冷地区冬季生活污水的处理提供了新的解决办法。这些应用特点的技术关键点是筛选获得具有低温环境条件下发生作用的特殊微生物。
（二）微生物在大气污染中的应用
工业生产（包括食品加工、化工及轻纺等行业）排放的废气，甚至包括有一定致毒性的无机物如硫化物类、有机物如苯类等或其他恶臭气体，这些排放的废气如不加以处理会对大气环境产生严重污染而影响人类健康。处理方式之一是采用微生物烟气脱硫技术，利用自养生物脱硫，营养要求低，这种方法不需高温、高压和催化剂，使用设备要求简单；无二次污染，处理费用为湿法脱硫的50%。利用细菌进行脱硫技术的研究有较多的研究报道，如利用氧化亚铁硫杆菌已使脱硫率达95%以上，日本利用该菌已使H2S脱除率达99.99%，国内利用该菌对炼油厂催化干气或工业废气脱硫，H2S去除率分别为71.5%和46.91%；国外用脱氮硫杆菌的耐受株T.denitrificans F在厌氧条件下脱硫率达80%（张树政，1995）。
治理大气污染就不能不提生物过滤法，该技术在20世纪50年代中期最先用于处理空气中低浓度的臭味物质，到20世纪80年代，德、美、荷兰等国相继用此法控制生产过程中的挥发性气体和有毒气体。生物过滤法还可去除空气中的异味、挥发性物质和有害物质，包括控制（去除）城市污水处理设施中的臭味、化工过程中生产的废气、受污染土壤和地下水中的挥发性物质、室内空气中低浓度污染物等。
当然利用微生物方法还可用来固定CO2，实现CO2的资源化，同时产生很多附加值高的产品。毕立锋等通过异养脱氮菌对大气中NOx进行脱除技术的研究（毕列锋，1998）。因此，将生物技术用于有机废气的治理具有费用低、效率高等优点，在德国、荷兰、日本及北美国家得到广泛应用。
（三）微生物在治理重金属污染中的应用
重金属污染的微生物修复是指利用微生物的生物活性对重金属的亲和吸附或将其转化为低毒产物，从而降低重金属的污染程度。重金属离子污染土壤和水体后，由于其难降解性和毒性，被定为第一类污染物。震惊世界的日本“水俣病”和“骨痛病”就是分别由含汞废水和含镉废水污染环境所造成的。重金属污染由于其毒性作用及其通过食物链的积累导致的严重的生态和健康问题，已成为重要的环境问题。近年来，生物修复技术在处理大量复合有机物及少量金属污染方面受到广泛关注(Rajendran, et al.,2003; Soccolc, et al.,2003;Malik,2004)，但目前有关重金属修复方面报道相对较少。
在长期受某种重金属污染的土壤和水体中，生存有较大数量的、能适应重金属污染的环境并能修复重金属污染的微生物类群。如土壤中分布有多种可使铬酸盐或重铬酸盐还原的细菌，如产碱菌属(Alcaligenes)、芽孢杆菌属(Bacillus)、棒杆菌属(Coryhebacterium)、肠杆菌属(Enterobacteiace)、假单胞菌属(Pseudomonas)和微球菌属(Micrococcus)等，这些菌能将高毒性的Cr6+还原为低毒性的Cr3+。Minamisawa等研究证明利用生物材料是处理废水中重金属的经济、有效的方法(Minamisawa, et al.,2004); Yasemin等利用包埋法对白腐真菌(Phanerochaete chrysosporium)固定化后进行Hg2+和Cd2+吸附的实验(Yasemin, et al.,2002)，结果指出在15~45℃的变化温度范围内，其生物吸附能力没有显著变化。因此，Phanerochaete chrysosporium在低温重金属修复方面具有较好的经济价值和社会效益。
（四）微生物在养殖环境等原位修复中的应用
1．养殖水体环境的修复
近年来水产养殖业迅速发展，养殖水体环境逐渐恶化。净水微生物无毒、无副作用，无残留，无二次污染，不产生抗药性，能够有效地改善养殖水体生态环境、维持水生生态平衡、增强水生生物免疫力和减少水产动物疾病的发生，因此得到越来越广泛的应用（贺艳辉，2005）。主要净水微生物包括光合细菌(PSB)、芽孢杆菌(Bacillus)、硝化细菌、酵母菌、放线菌、蛙弧菌、基因工程菌、复合菌剂等。目前国内研究较多的是光合细菌对养殖环境的生物修复作用，如去除或转化水体中由于养殖所投饵料引起水质恶化的氮、磷等元素，以改善水质与微生态平衡等。
2．石油污染物的原位修复
修复环境中污染的石油及多环芳烃(PAHs)越来越多地受到人们的重视，其中的方法之一是利用植物与菌群联合修复。在植物—微生物修复过程中目前主要关注的问题有，微生物菌群本身的固氮能力，以便评价贫瘠土壤中微生物是否能够靠自身提供氮源；向土壤添加基质后的植物—微生物联合修复作用等。
Dashti等从豆科植物蚕豆(Vicia faba)和羽扇豆(Lupinus albus)与细菌菌群联合修复石油污染土壤中筛选出11株能以石油为唯一碳源的菌株(Dashti, et al.,2009)，包括假单胞菌属(Pseudomonas)8株、芽孢杆菌属(Bacillus)2株及诺卡氏菌属(Nocardia)1株，并且根瘤植物对石油利用的能力高于非根瘤植物。Al-Mailem等发现盐节木(Halonemum strobilaceum)能够自然生长在阿拉伯湾高盐岸边(Al-Mailem, et al.,2010)，其根际微生物数量是无植被区的14~38倍，根际常见菌属为古细菌嗜盐杆菌属(Archaea Halobacterium sp.)、嗜盐球菌属(Halococcus sp.)、波茨坦短芽孢杆菌(Brevibacillus borstenlensis)、变形菌属(Proteus sp.)和盐单胞菌属(Halomonas sinaensis)，以上菌种均可以在1~4mol/L NaCl中生长，并且根际微生物菌群在含氮与不含氮培养基中均可减少石油含量。土壤中PAHs在植物—微生物菌群作用下的降解效率等也引起科学工作者的足够重视。
在土壤中通过加入基质，刺激土壤中微生物菌群生长，进而能够达到较为理想的植物—微生物联合修复效果。Agamuthua等研究表明，在含有有机废物（香蕉皮、酿酒谷物残渣和真菌堆肥）条件下(Agamuthua, et al.,2010)，麻疯树(J atropha curcas)对含油量（润滑油） 25000mg/kg和10000mg/kg土壤的油去除率达到56.6%和67.3%，植物根部无积累的碳氢化合物；在酿酒谷物残渣中微生物数量显著高于其余添加物，且油类降解率亦最高，达到89.6%和96.6%。牵牛花(Pharbitisnil L.)和菌群联合作用对石油降解率在27.6%~67.4%，比无植被时(10.2%~35.6%)显著增加；土壤石油浓度大于10000mg/kg时，菌群数量开始急剧下降；石油浓度小于10000mg/kg时，微生物可通过调节自身的代谢和酶系统来适应石油环境(Zhang, et al.,2010)。Mohsenzadeh等发现，蓼科首乌属植物(Polygonum aviculare L.)与根际真菌修复石油污染土壤时(Mohsenzadeh, et al.,2010)，来自石油污染区植被根际微生物的多样性比非污染区域高；镰刀菌属(Fusarium)微生物具有高耐油特点(10%V/V)，可用于石油重污染区；其中真菌在降解过程中起主要作用，而植物根系加速了这一过程。Lu等采用真桦鬼针草(Bidens maximowicziana)修复芘类(Pyr)污染土壤(Lu, et al.,2010), Pyr含量50天降低了79%。Mikkonen等研究山黄麻(Galega orientalis)对燃油根际修复时亦得到了类似结论(Mikkonen, et al.,2011)。Cheema等研究牛毛草及牛毛草、黑麦草、苜蓿和油菜籽联合修复作用发现(Cheema, et al.,2009)，联合植物修复方法，对菲(Phe)和Pyr的降解率分别能达到98.3%~99.2%和79.8%~86.0%，比单一植物修复的降解率有所提高。
（五）微生物技术在固体废物及其他污染物处理中的应用
利用微生物可以处理垃圾、尾矿、贫矿、冶金炉渣及农林废料等各种固体废弃物，主要有堆肥法、场地处理法和厌氧处理法等，最常用的是“堆肥法”。我国同济大学与无锡崇安区环卫科研站共同研究成功的生活垃圾快速高温堆肥二次发酵工艺，经微生物和机械联合处理后，堆肥不再带病害微生物，对农作物无害，且具有较高的肥效（湛树元，1998）。而国内近几年相继引进日本等研发的微生物菌剂用于固体有机废物（包括生活有机垃圾、厨余和环境中的固体废物）的减量化处理，并实现规模化实际应用。
环境中其他污染物的处理：微生物不仅用于大气、水、土壤中农药和垃圾的处理，还用作检测有毒化学品的指示生物。此外，还可做成微生物絮凝剂，净化污水；微生物絮凝剂是利用生物技术手段，通过微生物发酵、抽提、精制而成的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂。目前的微生物絮凝剂有PF101和NOC-1等种类，它们对大肠杆菌、酵母、泥浆水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥、纸浆废水和颜料废水等有较好的絮凝和脱色效果。
五、微生物与能源
生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。而微生物主要是通过发酵方式产生人类所需要的能源，比如甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物等（庞凤仙，2009）以及生物柴油产生菌等（贺静，2011）。在生态系统中，绿色植物及少数自养型微生物能够借助体内的光合色素将太阳能转换成生物能贮藏于体内。在生物体之间和不同生物之间的生物能的循环和能量流动过程中，异养型微生物作为生态系统中的物质循环的分解者，利用动植物残体等各种有机物，将其矿化分解最终使生物能以其最简单的无机物状态释放，这就是甲烷、乙醇和氢气产生菌等微生物与能源的基本关系。这种关系的重要意义在于使人类能够通过利用能源性微生物从而直接有效地使用生物能。能源性微生物在环境保护、非再生性能源节约与提高有关领域综合效益等方面都具有直接和显著的促进作用。以下简要介绍与不同类别能源产生相关联的代表性微生物。
（一）甲烷产生菌
甲烷产生菌是一类重要的极端环境微生物，在地球生物化学碳素循环过程中起着关键作用（杨薇，2010）。其微生物构成以细菌为主，包括甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷八叠菌属(Methanosarcina)、甲烷球菌属(Methanoccus)等。甲烷产生菌的作用原理即沼气发酵过程，该过程的第一阶段是复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构单位物质的液化阶段；第二阶段是将第一阶段中产生的简单有机物经微生物作用转化生成乙酸；最后是在甲烷产生菌的作用下将乙酸转化为甲烷。也可通过甲烷产生菌在厌氧条件下直接降解脂肪酸来生产甲烷。甲烷产生菌是目前已有大量实际应用的一种微生物能源，国内相继开发利用工业发酵废液如酒糟废液和柠檬酸发酵废液等、农副产品下脚料、人畜粪便和其他工业生产中的废液等生产甲烷，用于照明和燃料等，产生的能源效益显著。如日产酒糟500~600m3的酒厂，可获得日产含甲烷55%~65%的沼气9000~11000m3，相当于日发电量12857~15714kW，日产标准煤17.1~20.9t，可以代替橡胶生产中烘干用油量的30%~40%。国内也有相关单位研究利用厨余或猪粪类发酵生产沼气并将其应用于燃料工业等。
随着能源危机和环境保护问题的日趋严重，国际上出现了由传统能源向可再生能源和新能源过渡的趋势，绿色生物能源是未来能源业建设的发展方向；世界各国都在积极开拓新能源与可再生能源的技术集成，燃料电池是近年来技术发展进步最快的产业之一，它是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置。燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、应用条件宽以及易维护的特点，已被誉为是一种继火电、水电、核电之后的第四代发电技术，必将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。我国的沼气资源非常丰富，将沼气用于发电是利用沼气的有效途径（梁亚娟，2004）。
（二）乙醇产生菌
乙醇产生菌生产的能源性物质，目前主要用于燃料和替代汽车等运输工具所使用的汽车用油，如汽油和柴油（王凡强，2006）。例如巴西用乙醇产生菌生产的乙醇1990年已达到1.6×107m3，足够供应200万辆汽车（每年）的驱动能源之需要。乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属(Saccharomyces)、裂殖酵母菌属(Schizosaccharomyces)、假丝酵母属(Candida)、球拟酵母属(Torulopsis)、酒香酵母属(Brettanomyces)、毕赤氏酵母属(Pichia)、汉逊氏酵母属(Hansenula)、克鲁弗氏酵母属(Kluveromyces)、隐球酵母属(Cryptococcus)、德巴利氏酵母属(Debaryomyces)、卵孢酵母属(Oosporium)和曲霉属(Aspergillus)等。乙醇产生菌的发酵作用机理是酒精发酵作用，即把葡萄糖酵解生成乙醇，微生物酵解葡萄糖的途径是EMP、HMP和ED。
在微生物发酵底物的利用方面，木糖是木质纤维水解物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖，以木糖发酵生产酒精，能使以木质纤维为原料的酒精发酵的产量在原有的基础上增加25%（王成军，2005），木糖的异构化是微生物代谢木糖的最初生化反应，自然界中木糖的代谢途径有两条，其一，在大多数能利用木糖的细菌中，木糖首先在木糖异构酶的直接作用下，转化为木酮糖，该酶不需要辅酶的参与；然后在木酮糖激酶的作用下转变成磷酸木酮糖，随后进入磷酸戊糖途径，与磷酸戊糖途径偶联的是ED途径，并通过ED途径产生乙醇。其二，在某些利用木糖的酵母及丝状真菌中，需经过两步氧化还原反应将木糖转化为木酮糖，首先在依赖于NAD(P)H的木糖还原酶的作用下将木糖转化为木糖醇；然后在依赖于NAD+的木糖醇脱氢酶的作用下将木糖醇转化为木酮糖，木酮糖经木酮糖激酶作用磷酸化后进入磷酸戊糖循环，经过一系列的生物化学反应生成乙醇。木糖法发酵生产酒精是一个新兴的领域，国内外对代谢相关基因的克隆、表达研究较多，相信随着现代生物技术等的快速发展，微生物能源这一新兴产业将会产生巨大的经济与社会效益。
（三）氢气产生菌
氢能具有燃烧热值高和产物无污染的特点，因此氢能被认为是最具有开发潜力的清洁能源之一（朱瑞艳，2006）。氢气产生菌生产的能源物质氢气，目前主要应用于燃料电池方面；氢气产生菌的主要种类有红螺菌属(Rhodospirillum)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、红微菌属(Rhodomicrobium)和蓝细菌类等。由于许多自养性和异养性微生物产氢的机制与条件还在研究过程中，所以该类微生物能源的使用尚处于试验阶段。氢气产生菌作用原理主要是丁酸发酵作用，除在丁酸菌作用下进行丁酸发酵外，氢气产生菌的其他分解有机物产生氢气的代谢机制目前尚未阐明清楚。已有的研究结果表明，氢气产生菌在含有葡萄糖培养基的10L发酵罐中，产氢气速度最高可达18~23L/h，并进而利用所产生的氢气推动功率为3.1~3.5V燃料电池的工作。
（四）柴油生产相关的微生物
生物柴油是指采用来自动物或植物脂肪酸单酯包括脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯及脂肪酸丙酯等与甲醇（或乙醇）经酯交换反应而得到的长链脂肪酸甲（乙）酯，是一种可以替代普通石油柴油的可再生的清洁燃料。和普通柴油相比，生物柴油具有以下优点：以可再生的动物及植物脂肪酸单酯为原料，可减少对石油的需求量和进口量；环境友好，无SO2和铅等有毒物的排放等。国内外对利用海洋藻类作为酯类的来源有较多研究。微生物油脂是指某些微生物在一定条件下将碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂等碳源转化为菌体内大量储存的油脂(Wynn, et al.,2001; Ratledge & Wynn,2002)；来源于微生物生产的油脂，由于微生物发酵周期短，不受季节及地域限制，且产柴油的微生物菌种资源丰富，正逐步得到越来越多的关注（宋安东，2011）。产油微生物包括酵母、霉菌、细菌和藻类，常见的有浅白色隐球酵母(Cryptococcus albidus)、弯隐球酵母(Cryptococcus albidun)、茁芽丝孢酵母(Trichospiron pullulans)、斯达氏油脂酵母(Lipomyces)、产油油脂酵母(Lipomy slipofer)、类酵母红冬孢(Rhodosporidiumtoru loides)、胶黏红酵母(Rhodotorula)等酵母，土霉菌(Asoergullus terreus)、紫瘫麦角菌(Clavicepspurpurea)、高粱褶孢黑粉菌(Tolyposporium)、深黄被孢霉(Mortierella isabellina)、高山被孢霉(Mortierella alpina)、卷枝毛霉(Mucor circinelloides)、拉曼被孢霉(Mortierella ramanniana)等霉菌，硅藻(diatom)和螺旋藻(Spirulina)等藻类（蒲海燕，2003）。研究发现，产油脂微生物可以利用甘油和糖蜜等作为碳源在胞内大量积累油脂(Zhu, et al.,2008; Fakas, et al.,2009)。Elbahloul等曾以葡萄糖为碳源，利用重组菌E.coli p发酵生产微生物生物柴油(Elbahloul & Steinbuchel,2010)。
（五）微生物用于开采石油
人们通过多种方法发现油田、开采油田，为人类提供重要的能源；在发现开采油田的过程中，微生物起着越来越重要的作用。石油等许多燃料是在多种微生物长期直接作用下形成的。没有众多微生物的改造、分解作用，古代的生物遗体不可能变成今天巨量的化石能源。微生物采油技术是指将筛选的微生物或微生物代谢产物注入油藏，利用微生物的代谢活动和产生的代谢产物，改变原油的某些物理化学特性，从而提高原油采收率的技术；应用微生物技术开采石油目前已被关注。相信在未来几年里，该技术将不断成熟，促进国内外能源工业的多样性发展。
（六）生物燃料电池
英国植物学家Potter早在1910年就发现有几种细菌的培养液能够产生电流，并成功制造出世界上第一个细菌电池，由此开创了生物燃料电池(biologic fuel cell, BFC)的研究。BFC是一类特殊的电池，它以自然界的微生物或酶为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能，不仅无污染、效率高、反应条件温和，而且燃料来源广泛，具有较大的发展空间。其工作原理与普通电池类似，即由阴极池和阳极池这一基本结构组成，在阳极池，溶液或污泥中的营养物在催化剂作用下生成质子、电子和代谢产物，通过载体运送到电极表面，再经过外电路转移到阴极；在阴极，处于氧化态的物质与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应生成水，就这样通过电子的不断转移来产生电能。根据所用催化剂的不同，BFC可分为以微生物整体做催化剂的微生物燃料电池(MFC)和直接用酶做催化剂的酶生物燃料电池(EBFC)。由于很多酶都是从微生物体内提取而来，因此，无论是微生物燃料电池还是酶燃料电池，都离不开微生物的参与。
自美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系Bruce Logon教授2004年在“Mechanical Engineering”上发表了有关将废水中高浓度有机污染物利用微生物燃料电池厌氧氧化转变成电力的论文以来，BFC就成为当时环境能源领域的热点课题之一。Habermann等(Habermann & Pommer,1991)致力于研究以含酸废水为原料的燃料电池；据报道（吴祖林，2005），利用微生物电池培养并富集了具有电化学活性的微生物；美国科学家找到一种嗜盐杆菌，其所含的一种紫色素可直接将太阳能转化为电能；还有人设计出一种综合细菌电池，即让电池里的单细胞藻类首先利用太阳能，将二氧化碳和水转化为糖，再让细菌自给自足地利用这些糖来发电。Pizzariello等发现，两极是葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶的燃料电池(Pizzariello, et al.,2002)，在不断补充燃料的情况下可以连续工作30d以上，具有一定的实用价值。
另外，如果生物体内的微生物能成功地应用于发电，那无疑将给能源匮乏的人类社会带来巨大效益。目前发达国家的研究机构如美国的马萨诸塞州大学、法国里昂生态中心、德国Geifswald大学等正在加紧开展此方面的研究工作，而国内报道较少。从现有结果看，微生物发电距离实际应用还有很多难题，以牛胃液中的微生物发电为例，发电的微生物只有在牛胃液这样一个复杂的环境中才能生存并发电，如何在工业生产中实现这样的环境、建造庞大的器皿、设定恒定的条件，是一个需要长期研究和很大投入的工作。此外，微生物发电所产生的电量小，距离投入商业运营预期遥远。即便如此，作为一种能源开发的新途径，重点可开展以下几方面的研究，包括微生物驯化、底物性质及优势微生物的鉴定等，采用与制氢微生物类似思路，筛选混合菌系接种电池，有可能增加电流输出，选择合适的催化剂—介体组合以及改善工艺条件和拓宽生物燃料电池的应用范围等等。相信在微生物学者、电化学家和工程学家的协同努力下，微生物发电技术未来必将在能源和环境领域发挥重要的作用。
总之，我国虽已探明有煤储量6000亿t，石油70亿t，水力发电6.8亿kW，但由于我国总的能源利用率已超过30%、能源分布不均匀、能源产量低和农村能源供应短缺等因素，致使能源供应趋于紧张。而因利用能源而导致严重的环境污染，如烟尘和SO2年排放量为2857万t，燃烧后的垃圾排放为年均573000万t，因薪柴之用破坏森林植被导致每年土壤流失50亿t；另外，我国年产木材采伐废物1000万t，油茶壳75万t，胶渣13万t，纤维板生产废液350万t和亚硫酸纸浆废液180万t。以这些废液为原料，通过微生物作用可获得沼气17.8×1011m3。微生物作用同时使上述废液的净化率达30%~60%，并可获得单细胞蛋白饲料约9万t（按1.7%得率计）。因此，微生物技术在能源开发与生产中也起到积极的作用，开发利用微生物能源，将对解决能源短缺问题起到积极的作用，同时将其作为一种清洁能源生产方式对污染治理和变废为宝及获得综合效益方面具有实际意义，能在生物能源生产发展中实现可持续发展（宋元达，2011）。