1、极端环境中的微生物极端环境中的微生物第三章 极端自然环境中的微生物P19高低温，强酸碱，高压，高低温，强酸碱，高压，高盐，干燥，辐射，低营养等高盐，干燥，辐射，低营养等嗜冷菌嗜冷菌(Psychrophiles)，嗜高温菌，嗜高温菌(Termophiles)，嗜，嗜盐菌盐菌(Halophiles)、嗜压菌、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌、嗜酸菌(Acidophiles)、嗜碱菌、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、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。生物具有
2、一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。l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，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。对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。l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；限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值；l可探索出新的生理途径，生产新酶和新的生物制剂，使用于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、高压深特殊环境条件，如煤脱硫、冶炼金属、
3、处理有毒废水、高压深油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。p长期低温：深海，地球两长期低温：深海，地球两极的土壤，冰川和高空极的土壤，冰川和高空p短期低温：大多数地区的短期低温：大多数地区的冬季期间冬季期间（红雪现象：嗜寒水藻）（红雪现象：嗜寒水藻）00以下或以下或3 32020能生长的微生物，能生长的微生物，最适生长温度不超过最适生长温度不超过1515，最高生长温度不超过最高生长温度不超过2020。0 05 5可生长繁殖，可生长繁殖，最适生长温度可达最适生长温度可达2020以上的微生物以上的微生物13134545下能生长的微生物下能生长的微生物低温微生物低温微生物p
4、嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏对高温敏感，分布范围窄感，分布范围窄)p耐冷菌：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌耐冷菌：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌嗜冷菌绝大多数是嗜冷菌绝大多数是G-菌菌长期低温：深海，两极，冰川，高空长期低温：深海，两极，冰川，高空短期低温：冬季短期低温：冬季某些低温环境中的微生物某些低温环境中的微生物低温环境低温环境微生物微生物生长或生存温度生长或生存温度高空高空芽胞杆菌芽胞杆菌0 丁香假单胞菌丁香假单胞菌-2 南极上空南极上空节杆菌，短杆菌节杆菌，短杆菌冰川，山洞冰川，山洞节杆菌，假单胞菌，黄杆菌节杆菌，假单胞菌，黄杆菌-5 18 18 低
5、温湖泊低温湖泊假单胞菌，弧菌，黄杆菌，假单胞菌，弧菌，黄杆菌，不动杆菌和各种粘细菌不动杆菌和各种粘细菌长期冻结的湖泊长期冻结的湖泊 噬纤维菌噬纤维菌地球两极的土壤地球两极的土壤 固氮菌固氮菌在在1下固氮下固氮芽胞杆菌，微球菌芽胞杆菌，微球菌-7 42万年的南极东方湖（万年的南极东方湖（Lake Vostok）3593m处处的冰芯中分离到的活细菌。的冰芯中分离到的活细菌。在低温下生长的微生物还有酵母、真菌在低温下生长的微生物还有酵母、真菌和藻。和藻。嗜冷菌嗜冷菌雪藻雪藻二、低温微生物适应低温的分子机理二、低温微生物适应低温的分子机理增加增加不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动比例，
6、使细胞膜脂类处于流动状态，保持物质转运能力和酶活力状态，保持物质转运能力和酶活力 增加不饱和脂肪酸的组入，增加不饱和脂肪酸增加不饱和脂肪酸的组入，增加不饱和脂肪酸的合成的合成缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支链的比例，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）（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）（有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）生长在生长在5的南极好氧菌，细胞脂质总脂肪酸中棕榈油的南极好氧菌，细胞脂质总脂肪酸
7、中棕榈油酸、油酸等不饱和脂肪酸的含量超过酸、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低温微生物的蛋白质和蛋白质合成嗜冷菌合成大量的低温酶类，弥补因低温导致的反应速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；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定范围的不同温度下始终保持代谢活力,维持生命现象。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。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（嗜冷菌中蛋白
8、质以单体和多聚体的形式存在（Vibrio中中异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）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（低温微生物通过产生冷冲击蛋白（cold shock protein）适应低温环境）适应低温环境当生长温度从当生长温度从2121降到降到55时，嗜冷酵母时，嗜冷酵母能在能在12 h12 h内合成内合成2626种冷冲击蛋白。种冷冲击蛋白。三、低温微生物的潜在应用三、低温微生物的潜在应用1)多不饱和脂肪酸（多不饱和脂肪酸（Ployunsaturated Fatty Acids,PUFAs）2)抗紫外线物质抗紫外线物质3)抗菌、抗肿瘤物质抗菌、抗肿瘤
9、物质4)低温酶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活性的物质G905A，经鉴定其结构与肿瘤抗生素，经鉴定其结构与肿瘤抗生素sandramycin相同。相同。已被研究的微生物低温酶类已被研究的微生物低温酶类思考题：思考题：1 1、低温微生物对低温的耐受情况、低温微生物对低温的耐受情况2 2、低温微生物生存在低温条件时的一般机理、低温微生物生存在低温条件时的一般机理3 3、低温微生物的潜在应用、低温微生物的潜在应用正在喷发的火山（正在喷发的火山（10001000）、流出的火山岩浆（在）、流出的火山岩浆（在500500以上）、在这些
10、火山周围的土壤和水以上）、在这些火山周围的土壤和水深海中地热区深海中地热区沸腾的温泉（沸腾的温泉（9393109109）、非沸腾的温泉）、非沸腾的温泉受太阳光直接辐射的物体表面（受太阳光直接辐射的物体表面（60607070）工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水堆肥等堆肥等嗜热微生物（嗜热微生物（thermophilic microorganisms）包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、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、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。假单胞菌、放
11、线菌、原生动物、藻和真菌等。地热泉地热泉在在生长的微生物都叫做嗜热菌。生长的微生物都叫做嗜热菌。专性嗜热菌专性嗜热菌：最适生长温度在：最适生长温度在65 70之间，当之间，当生长温度低于生长温度低于35时，生长便停止。时，生长便停止。兼性嗜热菌（耐热菌）兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和：生长温度范围介于嗜热菌和嗜中温菌生长温度（嗜中温菌生长温度（13 45）之间，其最适之间，其最适生长温度在生长温度在55 65之间。之间。抗热菌抗热菌：最适生长温度在：最适生长温度在20 50之间，但也能之间，但也能在室温下生长。在室温下生长。一般嗜热菌可以分为三类：一般嗜热菌可以分为三类：微生物
12、微生物生长温生长温度度说明说明抗热菌抗热菌Bacillus licheniformis2050在在90以上淀粉酶仍有活力以上淀粉酶仍有活力B.subtilis其遗传背景很清楚，是克隆其其遗传背景很清楚，是克隆其它嗜热杆菌基因的良好宿主，它嗜热杆菌基因的良好宿主，兼性嗜热菌兼性嗜热菌B.coagulans3060L-乳酸的产生菌乳酸的产生菌Streptomyces thermoviolanceus在在55以上可以产生抗生素以上可以产生抗生素Kluyveromyces marxianus2550在在48下可以发酵的酵母菌下可以发酵的酵母菌Torula thermophila酵母菌酵母菌Asperg
13、illus fumigatus从堆肥中得到的真菌从堆肥中得到的真菌Melanocatpus albomyces从土壤中得到的真菌从土壤中得到的真菌微生物微生物生长温度（生长温度（）说明说明专性嗜热菌专性嗜热菌35Bacillus searothermophilis4080孢子热稳定孢子热稳定B.acidocaldarius耐热嗜酸菌耐热嗜酸菌Thermus adaticus4579在基因放大过程（在基因放大过程（PCR）中）中所用的所用的Tag聚合酶聚合酶Thermononasspora chromogena3765在堆肥中常见的放线菌在堆肥中常见的放线菌Mastigocladus lamin
14、osus3564蓝细菌蓝细菌Synechococcus lividus5574蓝细菌蓝细菌Mathanobacterium thermoautotrophicum4575产甲烷产甲烷Clostridium thermohydrosulfuricum4068厌氧菌厌氧菌C.thermocellum4068在厌氧下降解纤维素在厌氧下降解纤维素Thermoanaerobium ethanolicus3578在厌氧条件产生乙醇在厌氧条件产生乙醇水生嗜热杆菌水生嗜热杆菌(Thermus aquaticusThermus aquaticus)隐蔽热网（隐蔽热网（Pyrodictium occultum）微
15、生物微生物生长温度生长温度（）说明说明嗜酸热硫化叶菌嗜酸热硫化叶菌Sulfolobus acidocaldarius5090耐热嗜酸，氧化耐热嗜酸，氧化S，在细，在细菌浸矿中有潜在用途菌浸矿中有潜在用途Thermothrix thioparus5585氧化氧化SDesulfovibrio thermophilus5085SO42-还原菌还原菌Methanococcus jannaschii5095仅能利用仅能利用H2和和CO2产生甲产生甲烷烷抗高压嗜热菌抗高压嗜热菌Pyrodictium brockii80110在深海火山口分离的厌氧在深海火山口分离的厌氧自养菌自养菌嗜酸热硫化叶菌嗜酸热硫化叶
16、菌（Sulfolobus acidocaldarius）既嗜酸又嗜热，能利用S为能源，pH0.5，温度6575条件下生长，最高生长温度8590。在酸性温泉中能将二价铁氧化成三价铁，并利用CO2为碳源，用于细菌浸矿和处理石油和煤中的含硫化合物。极端嗜热菌极端嗜热菌 2003年发现的一株古菌“菌株121”甚至能在和灭菌锅相同的温度，即121下，24h内，细胞细胞数目加倍。超嗜热生物最初於1960年代在美国美国怀俄明州黄石黄石公园公园的热泉中发现。此后，又发现了50种以上。一些超嗜热生物生物需要至少90的高温才能够存活。尽管目前还没有发现能在121以上正常生活的生生物物，但它们的存在还是很有可能的（
17、菌株菌株121在130下两个小时仍存活，但换入103的新鲜培养基后不能繁殖）。大概不存在150或更高温度下存活的生物，因为DNA和其它对生命活动很重要的分子在此温度下会分解。能在高温条件下生长的原核微生物包括能在高温条件下生长的原核微生物包括光合细菌、化能自养细菌和一些异养菌。光合细菌、化能自养细菌和一些异养菌。l绝对厌氧的产甲烷细菌绝对厌氧的产甲烷细菌Methanococcus jannaschiil能代谢硫的好氧和厌氧细菌能代谢硫的好氧和厌氧细菌Sulfolobusl嗜热真菌一般存在于许多高温环境中，如堆肥、干草嗜热真菌一般存在于许多高温环境中，如堆肥、干草堆、谷仓和碎木堆中。堆、谷仓和碎
18、木堆中。l在蘑菇栽培过程中，嗜热真菌的存在有助于堆料中各在蘑菇栽培过程中，嗜热真菌的存在有助于堆料中各种多聚物的降解，为以后培养蘑菇提供营养物，并可以种多聚物的降解，为以后培养蘑菇提供营养物，并可以增加蘑菇产量，缩短堆料时间。增加蘑菇产量，缩短堆料时间。l在堆料过程中，许多嗜热真菌可以降解塑料的在堆料过程中，许多嗜热真菌可以降解塑料的增塑剂增塑剂和和聚乙烯聚乙烯。lCyanidium caldarium是一种唯是一种唯一能在一能在pH5、温度高于、温度高于50的的自然环境中生长的藻类。其最自然环境中生长的藻类。其最高生长温度为高生长温度为5560，广，广泛分布于酸性温泉和温度较高泛分布于酸性温
19、泉和温度较高的陆地中。的陆地中。l在酸性温泉排出水中，这种藻在酸性温泉排出水中，这种藻类通常与凝结芽孢杆菌以及真类通常与凝结芽孢杆菌以及真菌菌Dactylaria gallopara生活在一生活在一起，后两种微生物可以从中获起，后两种微生物可以从中获得营养。得营养。p26嗜热菌和常温菌若干特点的比较嗜热菌和常温菌若干特点的比较比较项目比较项目嗜热菌嗜热菌常温菌常温菌细胞膜的耐热性细胞膜的耐热性高高低低细胞膜的层次细胞膜的层次单分子层（类脂疏水端单分子层（类脂疏水端共价交联后形成）共价交联后形成）双分子层双分子层细胞膜成分细胞膜成分甘油甘油D型，其型，其C2、C3分子上接分子上接20C植烷植烷甘
20、油甘油D型，其型，其C2、C3分子上接分子上接20C植烷植烷DNA的的G+C mol%较高（平均较高（平均53.2）较低（平均较低（平均44.9）DNA的氢键数的氢键数较多较多较少较少DNA螺距螺距较短较短较长较长核糖体耐热性核糖体耐热性较高较高较弱较弱tRNA热稳性热稳性较强较强较弱较弱tRNA周转率周转率较高较高较低较低酶的耐热性酶的耐热性较高较高较低较低酶的稳定离子（酶的稳定离子（Ca2+、Zn2+、K+）含量较高含量较高含量较低含量较低酶中特定氨基酸（酶中特定氨基酸（Arg、Pro、Ile等）等）含量较高含量较高含量较低含量较低优点n嗜热菌时代时间短，缩短了合成次级代谢产物的生产周期n
21、发酵温度高，减少杂菌污染n减少冷却费用n温度高，培养基的粘度下降，减少搅拌动力n高温下，增加有机物和无机盐的溶解度n高温下，有利于生产挥发性物质，解除末端抑制n嗜热菌产生的酶具有常温下的高稳定性三、嗜热菌的应用三、嗜热菌的应用缺点n高温培养要求高n引起水蒸发，培养基成分的热不稳定性n现有的遗传学方法改造嗜热菌还有许多局限性工业酶制剂工业酶制剂n凝结芽孢杆菌和嗜热盐孢杆菌产的葡萄糖异构酶在凝结芽孢杆菌和嗜热盐孢杆菌产的葡萄糖异构酶在80度度下稳定下稳定30min，生产果糖浆，生产果糖浆n热纤梭菌的纤维素酶在热纤梭菌的纤维素酶在70度下稳定度下稳定15min，不受钙、镁，不受钙、镁离子影响，用于造
22、纸废水的处理离子影响，用于造纸废水的处理n嗜热菌产核酸内切酶嗜热菌产核酸内切酶n嗜热芽孢杆菌产热稳定性的菊糖酶，从菊糖生产高果糖嗜热芽孢杆菌产热稳定性的菊糖酶，从菊糖生产高果糖浆浆应用若干嗜热菌和中温菌所产耐热酶的比较若干嗜热菌和中温菌所产耐热酶的比较产生菌产生菌酶酶热稳定性热稳定性酶活性半酶活性半衰期衰期/min/min温度温度/嗜嗜热热菌菌脱硫球菌脱硫球菌碱性蛋白酶碱性蛋白酶7.57.5105105水生栖热菌水生栖热菌中性蛋白酶，中性蛋白酶，DNADNA聚合酶聚合酶1515，40409595，9595激烈火球菌激烈火球菌-淀粉酶，转淀粉酶，转化酶化酶240240，48h48h100100，
23、9595中中温温菌菌蓝棕青霉蓝棕青霉碱性蛋白酶碱性蛋白酶10105959黑曲霉黑曲霉酸性蛋白酶酸性蛋白酶60606161枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌-淀粉酶淀粉酶30306565嗜热酶作为生物催化剂的优点：嗜热酶作为生物催化剂的优点：n酶制剂的成本降低，稳定性提高，可在室温下分离提纯和包酶制剂的成本降低，稳定性提高，可在室温下分离提纯和包装运输，并能长久保持活性；装运输，并能长久保持活性；n加快了动力学反应；加快了动力学反应；n对反应的冷却系统要求降低，因而降低能耗，降低成本，并对反应的冷却系统要求降低，因而降低能耗，降低成本，并减少冷却过程对环境造成的污染；减少冷却过程对环境造成的污染；n嗜热酶
24、催化反应（超过嗜热酶催化反应（超过6060）过程中很少杂菌污染，提高产）过程中很少杂菌污染，提高产品纯度，简化提纯过程；品纯度，简化提纯过程；n生化过程在高温下进行能增加难溶性物质如淀粉类、纤维素生化过程在高温下进行能增加难溶性物质如淀粉类、纤维素类、多芳香类和脂类等的溶解性和可利用性，降低有机化合类、多芳香类和脂类等的溶解性和可利用性，降低有机化合物的黏度而利于物质的扩散和混合。物的黏度而利于物质的扩散和混合。废物处理和甲烷生产（高温型厌氧反应器）废物处理和甲烷生产（高温型厌氧反应器）n能把有机物快速转化为甲烷，减少固体废弃物的停留能把有机物快速转化为甲烷，减少固体废弃物的停留n改进工作效率
25、改进工作效率n嗜热菌生长效率较低，减少生物量嗜热菌生长效率较低，减少生物量n致病菌和病毒受到抑制致病菌和病毒受到抑制n不用搅拌不用搅拌n培养基粘度下降，减少能量培养基粘度下降，减少能量n甲烷可以作为燃料甲烷可以作为燃料堆肥堆肥n中温菌生长代谢产热，引起堆肥温度上升（中温菌生长代谢产热，引起堆肥温度上升（8080度）度）n高温菌主要有芽孢杆菌、链霉菌、高温单胞菌、高温菌主要有芽孢杆菌、链霉菌、高温单胞菌、糖单胞菌属和高温放线菌糖单胞菌属和高温放线菌堆肥堆肥乙醇生产乙醇生产n高温发酵可以一边发酵一边进行乙醇蒸馏，防高温发酵可以一边发酵一边进行乙醇蒸馏，防止产物抑制，减少冷却费用止产物抑制，减少冷却
26、费用n热纤梭菌和产乙醇嗜热厌氧菌混合发酵生产酒热纤梭菌和产乙醇嗜热厌氧菌混合发酵生产酒精精n嗜热脂肪芽孢杆菌失去合成乳酸脱氢酶用于高嗜热脂肪芽孢杆菌失去合成乳酸脱氢酶用于高温乙醇发酵温乙醇发酵细菌冶金和煤脱硫细菌冶金和煤脱硫n极端耐酸嗜热菌可以用于浸出和回收矿石中的极端耐酸嗜热菌可以用于浸出和回收矿石中的有用金属和去除煤中的无机和有机硫化合物有用金属和去除煤中的无机和有机硫化合物（嗜酸热硫化叶菌嗜酸热硫化叶菌）。）。石油开采石油开采n一般的石油采出率只有一般的石油采出率只有3040，具有分解石，具有分解石蜡能力的嗜热菌在微生物采油方面有重要作用，蜡能力的嗜热菌在微生物采油方面有重要作用，将这些菌注入油井中可以增产将这些菌注入油井中可以增产50。其它其它n合成次级代谢产物，抗生素、胞外酶及其它生物活性物质（速率快，周期短，产量高）n高温放线菌产热红素（Termorubin）和热绿胶霉素（Thermoviridin）n热紫链霉菌在50度下合成粒霉素（Granatimycin）
