极端微生物的价值和利用现状

高级微生物学课程论文题目：极端微生物的价值和利用现状姓名：佀再勇专业：微生物学学号：2012304110037学院：生命科学技术学院2012年12月25日1极端微生物的价值和利用现状摘要：极端微生物在极端环境中为了生存，在进化过程中逐渐形成了独特的结构和生理机能，它们具有特殊的遗传背景和代谢途径。研究它们的生理特点和适应机制对探索生命起源、微生物的育种及开发利用等具有重要的理论和实践意义。本文主要针对极端微生物的种类、分布、生理特点及适应机制来综述它们的利用价值和应用前景。关键词：极端微生物;生理特点;适应机制；利用价值；应用前景极端微生物(Extremophiles)，又称嗜极菌，是一些能够在极端环境下生长的微生物。包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜金、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型的微生物。开展极端微生物的研究，对于揭示生物圈起源的奥秘，阐明生物多样性形成的机制，认识生命的极限及其与环境的相互作用的规律等，都具有极为重要的科学意义。极端微生物中发现的适应机制，还将成为人类在太空中寻找地外生命的理论依据。极端微生物研究的成果，将大大促进微生物在在医药、食品、化工、环保等领域的应用。１．嗜热微生物１．１概述极端嗜热微生物可分三类[1]：(1)极端嗜热菌,最适生长温度在65℃以上,最高生长温度超过75℃,最低生长温度超过40℃。(2)专性嗜热菌,最适生长温度在40℃以上,最高生长温度超过55℃。(3)兼性嗜热菌,既能在高于55℃下生长,又可在中温范围内生长。嗜热微生物是生活在高温环境的微生物，在海底火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区以及太阳辐射极高的地表等。在湿草堆和厩肥中生活着好热的放线菌和芽抱杆菌,它们的生长温度在45-65℃的范围,有时甚至可使草堆自燃。目前已发现20多个属，大多数是古细菌。最早发现嗜热微生物的地方是1965年美国黄石国家公园的热泉中,其水温高达82℃。目前发现的最嗜热的微生物是一种叫做热叶菌的古菌，能在113℃的极端环境下生长[2]。最近美国Baross从火山喷口分离出的一些细菌甚至可生活在250℃环境中。俄罗斯地堪察加里的温泉里(57℃-90℃)存在着红色栖红菌(Thermustuber);美国怀俄明州黄石国2家公园的热泉中,一种叫热容芽孢杆菌（Bacilluscaldolyticus)的细菌可在92℃-93℃高温度中生存。2008年4月18日中国海洋报道，国家海洋局第三海洋研究所章晓波研究员等人从深海热液区样品中分离纯化到一株烈性高温噬菌体，并完成了基因组测序和蛋白质组学分析[2]。李安明等从四川康定热泉中分离一株厌氧嗜热菌,其可发酵木聚糖。另外嗜热菌有些对温度要求较高，如斯坦福大学科学家发现的一种嗜热菌,最适生长温度为100℃,80℃以下即失活。１．2嗜热微生物的耐热机制微生物之所以耐高温，其机理主要有以下几方面：(1)绝大多数革兰氏阳性高温菌的细胞壁是由G—M及短肽构成的三维网状结构，增加了细菌的耐热性；(2)嗜热菌细胞膜中含高比例的长链饱和脂肪酸和具有分支链的脂肪酸，胞膜中含有甘油醚化合物增强了膜的稳定性；(3)由于tRNA的C碱基含量高，提供了较多的氢键，故其热稳性高；另外有较高的周转速率[2]。硫化的核甘酸使tRNA分子的构象变化受到限制并使邻近的碱基增加了堆聚力,利于热稳定性[3](4)细胞内含大量的多聚胺；(5)胞内蛋白质热稳定性较高，主要是一级结构上各处微小作用的综合结果。卢柏松对110种分别来自嗜热和常温微生物的同源蛋白序列比较,发现两者的20种氨基酸组成、疏水性氨基酸组成、疏水性指数以及荷电氨基酸组成上均存在明显差别。嗜热型蛋白质中氨基酸组成多以Leu、Pro、Glu和Arg为主,前者具有较高荷电氨基酸组成和平均疏水性。(6)许多酶类由于蛋白质一级结构的稳定及钙离子的保护，耐热性高；(7)新的研究还表明，专性嗜热菌株的质粒携带与抗热性相关的遗传信息[4]。１．3嗜热微生物的应用嗜热微生物的应用：(1)利用菌体产生的酶。普通的酶在高温条件下失活是限制广泛运用的瓶颈。如从嗜热古细菌中分离出来用于PCR技术的TaqDNA聚合酶。(2)利用菌体发酵生产多种酶制剂。如用极端嗜热菌生产纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶及菊糖酶这些酶制剂热稳定性好，催化反应速率高易于在室温下保存[4]。２．嗜冷微生物２．１概述能在5℃以下生长的嗜冷菌有两种类型,一类是从海水和某些冰窖中分离到的,对20℃以下稳定的低温环境有适应性,20℃以上即引起死亡；另一类是从不稳定的低温环境中分离到的,其最高生长温度可达30℃。3嗜冷微生物主要分布在冻土、冰窖、高山、深海和南北极等地区。已发现的嗜冷微生物有真菌、蓝细菌、古生菌、真细菌、藻类和酵母菌。如冷水中、冰箱中均存在着大量的耐冷菌。它们能在较宽的温度范围内生长，在许多低温环境中也可分离到。如Ray从南极土壤中筛到一株分泌酸性蛋白酶的耐冷菌[5]。２．2嗜冷微生物的耐冷机制嗜冷微生物在低温条件下细胞膜面积增大，提高了对营养物质的吸收能力[1]。嗜冷菌可以通过改变细胞膜脂类的组成来适应低温环境,细胞膜上饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比例发生变化,不饱和脂肪酸的比例增大[6]。通过产生高柔顺分子构象的低温酶类以适应低温环境，维持嗜冷微生物正常的代谢活动。当环境温度急剧下降时，可以合成冷休克蛋白，与mRNA结合后可促进翻译从而增强细胞抵御冷激胁迫的能力[7]。另外发现嗜冷菌tRNA转录后被修饰的程度较低，这些修饰仅是维持tRNA的基本结构，嗜冷菌中二氢尿嘧啶含量高，有助于tRNA局部构象，较好的柔性和流动性这也是对低温的一种适应[8]。２．3嗜冷微生物的应用利用冷适应酶的高活性能讲解低温环境的污染物，用于环境保护。Leahy等从土壤、淡水和海洋系统中分离的嗜冷微生物能广谱利用自然环境中存在的各种石油烃类污染物,并将其作为唯一的能源[6]。低温发酵可生产许多风味食品并且可节约能源减少温菌的污染，分离自嗜冷菌的脂酶、蛋白酶及β-半乳糖苷酶在食品工业和洗涤剂中有很大的潜力，低温淀粉酶、蛋白酶可以减少面发酵的时间，提高面包质量。低温纤维素酶可应用于生物抛光和石洗工艺，嗜冷微生物的冷适应性对疫苗等现代医药的研究与开发有重要的推动作用。另外，可以进行植物保护，一些兼性嗜冷的假单胞菌可产生冰核蛋白，提高冰点，易使农作物遭受冻害。人们可以在农田中撒播不产生冰核蛋白的突变体菌株，使其占优势，减轻冻害对农作物造成的影响[9]。３．嗜酸微生物3.1概述可分为嗜酸型(acidophiles)和耐酸型(acidplis),前者是一类生长在pH上限为3.0,最适生长在1.0-2.5之间的微生物。后者是一类生长在pH上限5.0,最适生长pH在3.0-4.5之间的微生物。若以菌种对营养要求，将分为化能自养菌和化能异养菌，前者已报道7个属5个种，后者已报道5个属10个种[5]。此类微生物主要生长在酸性环境,硫矿和金属硫化矿酸性矿水,煤矿排出4水、含硫的酸性土壤、酸热泉、火山湖、以及人工形成的酸性环境。３．2嗜酸微生物的耐酸机制研究表明，虽然嗜酸微生物生长的外部环境呈酸性,但通过一定的机制其细胞内部的pH值接近中性。细胞膜表面有大量金属离子可与周围的H+交换，同时定位有跨膜四聚体，这种跨膜四聚体形成一层坚固的单层膜，控制质膜对质子的通透性，保持对H+的低渗透性；细胞膜上的H+泵可有效地阻止H+进入细胞[6]。嗜酸菌细胞壁和细胞膜含有特殊的抗酸物质,如Sulfolobusacidocaldarius细胞膜中的环己烷和五环萜系衍生物和硫脂等嗜酸菌体内含有嗜酸酶；嗜酸菌携带有能编码酸稳定蛋白的基因[7]。从遗传学角度看，嗜酸菌具有能编码酸稳定蛋白质的基因，如铁氧化嗜酸细菌T.ferrooxidans中含铁质兰素基因，它可以编码稳定性的铁质兰素蛋白质[9]。３．４嗜酸微生物的应用(1)在生物冶金领域被广泛应用：化能自养型氧化硫硫杆菌等嗜酸菌，能够从金属硫化矿物里将铜、金等重金属浸出；1986年南非在Fairview金矿建成了一座日处理10t金精矿的细菌氧化提金厂,首次实现难处理金矿的细菌氧化的工业化生产,细菌氧化提金也随之迅速发展起来。(2)在酸矿废水处理、煤炭脱硫、污泥生物脱毒、重金属污染。土壤生物修复等环境净化领域，也发挥了重要作用。（3）人们也在尝试利用硫杆菌分解磷矿粉，通过提高其溶解度来增加磷矿粉的肥效。另外，嗜酸乳杆菌能抑制腐败细菌生长，提高肠道有益菌数量，由嗜酸乳杆菌发酵牛奶而来的嗜酸菌酸奶和以嗜酸乳杆菌为原料的营养品普遍用于日常保健中。（4）优越性和潜在的应用价值：其中嗜酸热古细菌还是耐高温酶的重要来源,对它们的研究和应用无疑将开拓酶工业新的领域[10]。４．嗜碱微生物４．１概述嗜碱微生物是指生活在碱性土壤、碱湖、碱泉、碱性污水等自然形成或人工形成的高pH环境中的一类微生物（生长pH8，最适生长pH在10-12之间。碱微生物分为中性条件下不能生长的专性嗜碱微生物和中性甚至酸性条件都能生长的兼性嗜碱微生物两种类型。还有一种能在强碱环境下生长，但最适生长pH值不在碱性范围内的微生物称为耐碱微生物。自从1928年DownieA1W发现第一个嗜碱菌Stueptoccusfaecalis以来,大量不同类型的嗜碱菌已从土壤、碱湖、碱性泉甚至海洋中分离得到,包括细菌、真菌和古菌。已分离到的嗜碱菌有5Bacillus(芽抱杆菌属)、Micrococcus(微球菌属)、Corynebaeterium(棒杆菌属)、Streptomyees(链霉菌)、Pseudomonas(假单胞菌属)、Flavobaeterium(黄杆菌属)和chromobacter(无色杆菌属)等的一些种。４．2嗜碱微生物的耐碱机制与嗜酸微生物相似，虽然嗜碱微生物最适生长在pH10-12的碱环境中，主要取决于细胞壁所起的屏障作用和细胞膜对pH的调节作用。对嗜碱芽孢杆菌细胞壁成分进行分析并与枯草芽孢杆菌的细胞壁组分做了对比后发现,除了肽聚糖外,嗜碱芽孢杆菌细胞壁上还含有一些酸性物质,如半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、谷氨酸、天门冬氨酸和磷酸等,这些酸性物质带有负电荷,因此细胞表面可以吸附Na+和水合H+,并排斥OH-。另外，通过依赖Na+循环的Na+/H+反向运输系统和ATP驱动的H+将H+排入胞质内维持细胞内酸碱平衡保证生命大分子物质的活性和生理代谢活动的正常进行。相关嗜碱菌钠离子／氢离子反向运输的基因已经从嗜碱菌Bacillus－125中得到了克隆[9]。嗜碱微生物胞内含有高效碱性酶，是碱性微生物能够适应极端碱环境的重要因素。４．3嗜碱微生物的应用碱性酶在碱性环境中高效、稳定，作为洗涤剂的生物添加剂广泛使用。去污剂溶液的pH通常为8.0一10.5。由于嗜碱酶耐碱,可用作去污剂的添加成洗涤试验表明,去污剂中加入该耐碱蛋白酶,显著提高洗涤效率[11]。有碱性蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、淀粉酶等已商品化，而且酶本身对环境友好，能完全被生物降解对环境友好。其中，碱性蛋白酶、碱性脂肪酶在环保、制药、食品、生物感应器等多个领域广为应用。碱性纤维素酶在碱性pH范围内具有较高的活性和稳定性,其酶活性不受去污剂和其他洗涤添加剂的影响,不降解天然纤维素,具备洗涤剂用酶的条件[12]。另外，木聚糖酶能够水解木聚糖生成木糖和寡聚糖，可用来处理人造纤维废物和制造纸张。碱性β-甘露聚糖酶可以作为食品和饲料添加剂，在纺织、石油、日化行业中也多有应用。嗜碱菌作为一类有着特殊生理特征的微生物,在环境的原位修复及元素地球化学循环方面有重要意义从碱性富砷的盐湖中分离出两种可转化As(V)的还原嗜碱菌,它们能够利用As(V)作为电子受体,通过改变砷的价态来影响和改变砷在自然环境中的分布以及影响砷对其他生物的毒性。5.嗜盐微生物5.1概述目前发现的嗜盐微生物主要有三类:(1)抗盐微生物,最适生长盐浓度低于0.3mol/LNaCl,可生长的盐浓度小于1mol/LNaCl,主要为肠道细菌和各种微藻,如伸长盐单胞菌(Halomonaselongate)和绿色杜氏藻(Dunaliellavi