8微生物生态学-3.1极端自然环境中的微生物1

极端环境中的微生物生命的极限记录温度：121℃（菌株121）在零下二十摄氏度的环境中细菌仍然能够存活盐浓度:5.5MNaCl(32%)（嗜盐菌）pH:pH1.0-1.7（阿曼嗜酸亚铁原体）第三章极端自然环境中的微生物第一节低温环境中的微生物第二节高温环境中的微生物第三节酸性环境中的微生物第四节强碱环境中的微生物第五节高盐环境中的微生物第六节高压环境中的微生物第七节高辐射环境中的微生物极端自然环境特有的物化条件指存在有某些特有物理和化学条件以及某些特有微生物的自然环境。高低温，强酸碱，高压，高盐，干燥，辐射，低营养等特有的微生物嗜冷菌(Psychrophiles)，嗜高温菌(Termophiles)，嗜盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌(Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物，这些微生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。研究极端环境中微生物的意义研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答因子，对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。研究其生理生化特性，可用于量度地球上生命生存的理化极限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值；可探索出新的生理途径，生产新酶和新的生物制剂，使用于特殊环境条件，如煤脱硫、冶炼金属、处理有毒废水、高压深油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。研究成果可以大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物技术等领域的应用。第一节低温环境中的微生物嗜冷菌（psychrophiles）耐冷菌（psychrotrophs）0℃以下或3～20℃能生长的微生物，最适生长温度不超过15℃，最高生长温度不超过20℃。0～5℃可生长繁殖，最适生长温度可达20℃以上的微生物低温微生物嗜冷微生物（psychrophiles）耐冷菌（psychrotrophs）嗜中温微生物（mesophilies）0℃以下或3～20℃能生长的微生物，最适生长温度不超过15℃，最高生长温度不超过20℃。0～5℃可生长繁殖，最适生长温度可达20℃以上的微生物13～45℃下能生长的微生物低温微生物一、低温环境中的微生物1、低温环境长期低温：深海，地球两极的土壤，冰川和高空短期低温：大多数地区的冬季期间（红雪现象：嗜寒水藻）2、微生物种类嗜冷菌：主要是细菌（噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏感，分布范围窄）；酵母菌；古细菌耐冷菌：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌嗜冷菌绝大多数是G-菌长期低温：深海，两极，冰川，高空短期低温：冬季某些低温环境中的微生物低温环境微生物生长或生存温度高空芽胞杆菌0℃丁香假单胞菌-2℃南极上空节杆菌，短杆菌冰川，山洞节杆菌，假单胞菌，黄杆菌-5℃～18℃低温湖泊假单胞菌，弧菌，黄杆菌，不动杆菌和各种粘细菌长期冻结的湖泊噬纤维菌地球两极的土壤固氮菌在1℃下固氮芽胞杆菌，微球菌-7℃42万年的南极东方湖（LakeVostok）3593m处的冰芯中分离到的活细菌。分离自淡水湖及海湾水中的耐冷细菌群细菌群海水淡水Azotobactersp.++反硝化菌++蛋白质分解菌++紫色非硫细菌++绿色硫细菌++硫酸盐还原菌++硫氧化菌+-纤维分解菌++在低温下生长的微生物还有酵母、真菌和藻。嗜冷菌——雪藻高温对嗜冷菌的影响对物质运输的影响低温下，低温微生物吸收和氧化外源葡萄糖的能力最强，温度升高，能力下降温度升高，细胞膜失去吸收外界环境营养物功能对代谢速率和呼吸酶的影响嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20度便失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温下生长的原因之一。对蛋白质合成的影响抑制蛋白质的合成专性嗜冷菌在22.5度条件下，蛋白质的合成停止各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相当敏感破坏核糖体的结构和功能温度升高，影响核糖体结构和功能，影响核糖体RNA和蛋白质之间的正常结合，核糖体的天然结构发生改变对细胞结构的影响破坏细胞壁Vibriopsychroerythrus在37度下2h，细胞壁分解细胞的正常形状30度处理异常芽孢杆菌时，细胞分裂所影响变成丝状正常的细胞表面电荷热处理Vibriopsychroerythrus，细胞膜的磷脂被释放到环境中，增加电泳泳动速度细胞的渗透性热处理嗜冷菌时，渗透压发生变化引起细胞裂解对细胞分裂、基因调控和RNA合成的影响温度升高，嗜冷菌细胞分裂受到影响温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA结合，阻碍酶的形成温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止温度升高，耐冷菌Micrococcuscryophilus中蛋白质和DNA含量不变，但由于RNA酶失活而导致RNA含量下降二、低温微生物适应低温的分子机理1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境膜蛋白的磷酸化、去磷酸化反应来感应温度变化耐冷菌Pseudomonassyringae脂多糖和膜蛋白的磷酸化和去磷酸化反应和温度变化有关2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通透性，保证膜的正常生理功能（膜的改变）增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动状态，保持物质转运能力和酶活力增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸的合成缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支链的比例，减少环状脂肪酸的比例等（有利于膜脂熔点的降低并在低温下保持液晶态）脂含量升高、膜面积增大（有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）生长在5℃的南极好氧菌，细胞脂质总脂肪酸中棕榈油酸、油酸等不饱和脂肪酸的含量超过90％。3.低温微生物的蛋白质和蛋白质合成（蛋白质的改变：酶分子的改变、其它蛋白质的改变）嗜冷菌合成大量的低温酶类，弥补因低温导致的反应速率下降的问题；嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类（同功酶），在一定范围的不同温度下始终保持代谢活力,维持生命现象。低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象。嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（Vibrio中异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）4.低温微生物通过产生冷冲击蛋白（coldshockprotein）适应低温环境当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母能在12h内合成26种冷冲击蛋白。5tRNA的改变嗜冷菌的tRNA转录后被修饰的程度较低，而这些修饰仅是维持tRNA的基本结构。维持较好的柔性以及动力学上的流动性。应对全球变化可能对人类的危害冰箱中低温微生物的生长对食品防腐的挑战葡萄球菌在低温下产生毒素；链球菌可在冷牛奶中产酸;变形杆菌在低温下引起鸡蛋变黑为研究生物的进化提供材料为古气候的重建提供信息为探索诸如火星等外星生命存在的可能性提供线索三、低温微生物的潜在应用低温微生物对受污染环境的原位清洁作用泄漏于土壤、海洋中的原油、废弃物等的生物降解耐冷菌能矿化甲苯等多种污染物抗冻基因的获取与应用植物病原菌假单胞菌在零下3－5度通过产生冰核蛋白在叶子上形成冰晶引起植物冻害，基因敲除与植物抗冻食品发酵工业中的应用节约能源并减少中温菌污染从低温微生物中得到脂酶、蛋白酶和－半乳糖肝酶在食品工业中应用洗衣粉中低温酶开发7.低温微生物活性物质的潜在应用——环境保护、医药、食品、日化等领域1)多不饱和脂肪酸（PloyunsaturatedFattyAcids,PUFAs）2)抗紫外线物质3)抗菌、抗肿瘤物质4)低温酶一株南极稀有放线菌的发酵液中分离到具有抗肿瘤活性的物质G905A，经鉴定其结构与肿瘤抗生素sandramycin相同。已被研究的微生物低温酶类酶种类来源菌株酶的最适反应温度主要应用范围蛋白酶假单胞菌20℃去污、食品、皮革、纺织、分子生物学胰蛋白酶Colwellia-likestrain12℃医药、去污、食品-半乳糖苷酶Colwellia-likestrain15℃乳品工业柠檬酸合成酶南极细菌DS2-3R31℃生物转化丙氨酸消旋酶Bacillussp.0℃酶活较高，35℃失活食品储藏、抗菌剂脂酶Pseudomonassp.25-35℃食品、去污、化妆品、医药第二节高温环境中的微生物自然界中存在许多自然和人工的高温环境•正在喷发的火山（1000℃）、流出的火山岩浆（在500℃以上）、在这些火山周围的土壤和水•深海中地热区•沸腾的温泉（93℃～109℃）、非沸腾的温泉•受太阳光直接辐射的物体表面（60℃～70℃）•工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水•堆肥等深海热泉MorningGloryPool温泉最大的特点是它们的颜色随着水温的变化而不同。从1999年5月起，中国科学家联合起来，开始测定这种嗜热菌的全基因组DNA（脱氧核糖核酸）序列。科研人员从培养的细菌中提取了基因组DNA，构建了测序模板文库，还建立了反映测序进展与存在问题以及用于组装、注释、寻找基因的软件。在基因测序中，获得了单机日产、序列读长、准确率等指数与国际同行并驾齐驱的好结果。科研人员已测定这个微生物基因组的260多万个碱基对，基因组的准确率达到99.99％以上，从而获取了国内第一张微生物基因组的“完成图”。科学家已发现了2808个基因，其中1481个是功能已知的基因，另外1327个基因的功能还不清楚。这标志着我国基因组研究又向前迈出重要一步。据悉，这是迄今为止中国人首次破译微生物的遗传密码，嗜热菌也成为除病毒外国内第一个遗传密码被破译的微生物。嗜热微生物（thermophilicmicroorganisms）包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、甲烷菌、甲基营养菌、硫氧化菌、硫还原菌、假单胞菌、放线菌、原生动物、藻和真菌等。一、高温环境中的微生物地热泉不同类群微生物生长的最高温度微生物类群生长的最高温度（℃）原生动物≤65藻≤60真菌≤62蓝细菌≤73光合细菌≤73化能自养菌≤90异养菌≤90二、高温环境中的微生物在55℃或55℃以上生长的微生物都叫做嗜热菌。①专性嗜热菌：最适生长温度在65℃～70℃之间，当生长温度低于35℃时，生长便停止。②兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和嗜中温菌生长温度（13℃～45℃）之间，其最适生长温度在55℃～65℃之间。③抗热菌：最适生长温度在20℃～50℃之间，但也能在室温下生长。一般嗜热菌可以分为三类：微生物生长温度说明抗热菌Bacilluslicheniformis20~50在90℃以上淀粉酶仍有活力B.subtilis其遗传背景很清楚，是克隆其它嗜热杆菌基因的良好宿主，兼性嗜热菌B.coagulans30~60L-乳酸的产生菌Streptomycesthermoviolanceus在55℃以上可以产生抗生素Kluyveromycesmarxianus25～50在48℃下可以发酵的酵母菌Torulathermophila酵母菌Aspergillusfumigatus从堆肥中得到的真菌Melanocatpusalbomyces从土壤中得到的真菌微生物生长温度（℃）说明专性嗜热菌35Bacillussearothermophilis40～80孢子热稳定B.acidocaldarius耐热嗜酸菌Thermusadaticus45～79在基因放大过程（PCR）中所用的Tag聚合酶Thermononassporachromogena37～65在堆肥中常见的放线菌Mastigocladuslaminosus35～64蓝细菌Synechococcuslividus55～74蓝细菌Mathanobacteriumthermoautotrophicum45～75产甲烷Clostridiumthermohydrosulfuricum40～68厌氧菌C.thermocellum40～68在厌氧下降解纤维素Thermoanaerobiumethanolicus35～78在厌氧条件产生乙醇从海底的热火山口分离得到的坎氏甲烷嗜高热菌生长最低温度是84℃，最适温度是98℃，在110℃下也能生长（高于水的沸点）。水生嗜热杆菌(Thermusaquaticus)Thermus:正常生长在55℃左右，耐热可至75～80℃，其孢子可在pH6.1的溶液中沸煮24小时而不失活热网菌属（Pyrodictium），最低生长温度是82℃