极端环境微生物资料

第十七章极端环境微生物在高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射、低营养等环境中，大部分微生物都不适宜生存，仍然有少数的微生物在顽强地生活着，这类微生物被称为极端环境微生物或极端微生物。概念一、极端环境的生境特征1．高温生境如温泉、陆地或海底火山附近、堆肥、家庭及工业上使用的热水及冷却水等。2．低温生境地球的南北极地区、冰窖、终年积雪的高山、深海和冻土地区均为低温生境。3．高酸生境指pH5以下的生境。4.高碱生境一般指pH9以上的生境。5．高盐生境指含2％以上至接近饱和浓度NaCl的生境。6．高压生境在海洋深处以及深油井中还分布着一些嗜压微生物，压力达一千多个大气压，在常压下它们却是不能生存的。7.高辐射生境二、极端环境微生物的来源、种类及卫生学意义•1.嗜热微生物•（1）分布：广泛分布于草堆、温泉、煤堆、火山地、地热区土壤及海底火山附近等处，包括好热的放线菌、芽孢杆菌等。超嗜热菌：最高113℃，最适80~110℃，最低~55℃在美国黄石公园的温泉中存在一种嗜热的古细菌92-93℃(2)嗜热微生物的种类和特点耐热菌：最高45~55℃，最低30℃兼性嗜热菌：最高50~65℃，最低30℃专性嗜热菌：最高65~70℃，最低42℃极端嗜热菌：最高70℃，最适65℃，最低40℃超嗜热菌：最高113℃，最适80~110℃，最低~55℃嗜热菌(3)嗜热微生物的耐热机制•酶和蛋白质有更强的耐热性•细胞膜中饱和脂肪酸含量高，更易形成疏水键，以确保在高温下膜的稳定性和正常生理功能•能产生多胺、热亚胺及高温精胺，以稳定核糖体等以及保护蛋白质大分子免受高温破坏•其核酸有热稳定性的结构•生长速率快，合成大分子迅速，能及时弥补高温对大分子的破坏•生长速率高，代谢作用强；•产物/细胞重量之比值较高；•高温下具有竞争优势，在发酵生产中可防止杂菌污染；•所含耐高温酶有重要的生产潜力和应用前景；•乙醇等代谢产物容易收得；•发酵过程不需冷却，可省去深井水消耗。(4)特点及应用(5)嗜热微生物的应用•超嗜热菌的发现使人们相信生命不仅存在于地球上，还可能存在于宇宙中的其他星球上2.嗜冷微生物Psychrophiles•最适生长温度低于15℃、最高生长温度低于20℃和最低生长温度在0℃以下的微生物。•嗜冷微生物遇到20℃高温即死亡。•与耐冷微生物的区别：在0℃生长、最适20～40℃嗜冷菌（雪藻）嗜冷微生物•(2)分布•广泛分布于两极地区、冰窖、高山、深海和土壤等的低温环境中。•格陵兰冰川下沉睡12万年细菌•(3)嗜冷微生物生存机制•细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，且其含量会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，有利于营养物质的吸收和代谢产物的分泌，因此能在低温条件下进行生命活动。•(4)嗜冷微生物的应用•低温酶制剂；低温食品腐败3.嗜酸微生物•只能生活在低于pH值4条件下，在中性pH值下即死亡的微生物，少数可生活在pH值2。与耐酸微生物的区别：耐酸微生物在中性pH值下能生活。•(2)类群：•主要是一些真细菌和古生菌如硫细菌属、硫化叶菌属、热原体属等。•(3)分布：酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤等处。•嗜酸硫杆菌（Thiobacillusacidophilus）的煎蛋型菌落•1995年分离到的一株古生菌（picrophils），能在pH值为0的条件下生长Ferroplasmaacidophilum（铁原体属嗜酸菌）•Ferroplasmaacidophilum能够在酸性极高(pH值为零)的环境下生存，这种环境下的硫酸就像是矿泉水。据悉，这种细菌是在加利福尼亚州一个金矿的有毒流出物中发现的，能够将铁作为几乎所有蛋白质的核心构件。幽门螺杆菌•(4)嗜酸机制细胞内pH值接近中性；酶最适pH值中性；壁膜排阻H+。•(5)嗜酸微生物的应用金属的湿法冶炼；煤脱硫•4.嗜碱微生物能专性生活在pH值10～11碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。它们多数为芽孢杆菌属。•(2)分布碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中•(4)嗜碱微生物的应用酶的开发：蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶，洗涤剂红海盐滩上的耐盐细菌•5.嗜盐微生物必须在高嗜盐微生物盐浓度下才能生长的微生物•(2)种类：–低度嗜盐菌（3%NaCl）–中度嗜盐菌（3%-13%NaCl）–极度嗜盐菌（12%-30%NaCl）•(3)分布：晒盐场、腌制海产品、盐湖和死海•(4)耐盐机制嗜盐菌体内含紫膜，紫膜的主要成分是一种以紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质，它既起一个质子泵的作用，同时又起排盐作用，可为嗜盐菌在高盐环境下建立跨膜的Na+电化学梯度，并由此而完成一系列的生理生化功能•6.嗜压微生物必须生活在高静水压的条件下分布在深海底部和深油井等少数地方1979年在深海火山口富含营养物质的边缘发现的细菌除了承受足以将潜艇压成薄煎饼的大气压外，还经受住超过水沸点的高温考验。外观扁平，好似一个不规则的盘子，它们在中空管状结构“套管”—结构上具极强的抗热能力中积聚。•Pyrodictiumabyssi热网菌7.抗辐射微生物对辐射具有较强抗性的微生物HalobacteriumNRC-1细菌•Halobacterium(盐杆菌属)NRC-1是地球上抗辐射能力最强的生物，能够经受住1.8万Gy(吸收剂量)辐射——10Gy辐射便可致人死亡。HalobacteriumNRC-1抗辐射能力几乎是耐辐射球菌的两倍，后者最初是在1950年发现的，第三节极端环境微生物污染的预防与控制•极端环境微生物由于其特殊的生物学特性和极端的生境和生态，一般很少对人和动物健康构成威胁•可以利用他们在极端环境下能生长的特点来为人类生产、生活、医疗卫生保健和科学研究服务第四节极端环境微生物的应用前景•对极端微生物进行研究的主要内容有：（1）极端微生物的多样性及分类；（2）极端微生物的发现；（3）极端微生物耐受极端环境的机制；（4）极端微生物酶的分子机制；（5）极端微生物及极端微生物酶的工业化应用。•极端微生物的酶和代谢产物已成为生物技术创新的源泉•嗜盐古菌的质子泵“紫膜”蛋白，已成为目前光电响应元件和生物信息贮存领域最具开发前景的生物纳米材料•极端嗜盐菌的PHA是合成生物可降解塑料的前体，将成为用于降低环境白色污染的有效途径•在发酵工业中，嗜热菌可用于生产纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和菊糖酶等多种酶制剂，由这些微生物产生的酶制剂具有代谢酶促反应温度高、热稳定性好、催化反应速率高和易于在室温下保存等特点。•水生栖热菌中耐热的TaqDNA聚合酶可耐受95℃左右的高温而不失活，可用于PCR技术中。•在医药方面，人类流感病毒适冷型突变株PIV3目前已被用于流感疫苗的研制中•低温菌株侧耳（Pleurotusostreatus)可产生有医用和营养价值的EPA•用耐低温酵母菌处理寒冷地区生活污水、化学污染物、鱼类加工厂油渣等例如：2，4-二氯苯（木材的防腐剂和除草剂），1988年Gadd用厌气嗜冷菌降解，降解温度5-50℃•冰核蛋白微生物：某些嗜冷细菌、真菌能使植物叶子和花表面形成冰核蛋白，触发冰晶形成。应用：1）可作为生物杀虫剂，使害虫在较高温度下，体内结冰而死2）人工降水，在-5—-6℃，在一定高度喷洒冰核细菌，可形成雪•由嗜碱芽孢杆菌产生的木聚糖酶能够水解木聚糖产生木糖和寡聚糖，因此可用来处理人造纤维废物。•我国大面积的盐碱地生物改造、高温高盐碱环境的污染治理。•由嗜碱细菌产生的蛋白酶具有碱性条件下催化活力高、热稳定性强之优点，常作为洗涤剂的添加剂。•嗜盐菌可用于生产胞外多糖、聚羟基丁酸(PHB)、食用蛋白、调味剂、保健食品强化剂、酶保护剂，还可用于海水淡化、盐碱地改造利用以及能源开发等•嗜盐菌可用来生产食品物质，如杜氏澡可生产β-胡萝卜素。•细胞膜上的紫膜/视紫质（BR）有排盐作用，为海水淡化开辟了一条新思路。•紫膜是一种简单而精巧的光能转换器，吸收570nm处的绿色光谱。构像可改变，基态B,中间态K、L、M、N、O(PQ)，构像改变可导致电荷分离，可产生电信号，可用于机器人的人工视觉。•耐高温和厌氧生长的嗜压菌有望用于油井下产气增压和降低原油粘度，使采收率提高。•极端环境微生物的基因，是构建遗传工程菌的资源宝库。