極端環(huán)境微生物分析

極端環(huán)境微生物分析第一頁，共42頁。在高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高壓或高輻射、低營養(yǎng)等環(huán)境中，大部分微生物都不適宜生存，仍然有少數(shù)的微生物在頑強(qiáng)地生活著，這類微生物被稱為極端環(huán)境微生物或極端微生物。概念第二頁，共42頁。一、極端環(huán)境的生境特征1．高溫生境如溫泉、陸地或海底火山附近、堆肥、家庭及工業(yè)上使用的熱水及冷卻水等。第三頁，共42頁。2．低溫生境地球的南北極地區(qū)、冰窖、終年積雪的高山、深海和凍土地區(qū)均為低溫生境。3．高酸生境指pH5以下的生境。4.高堿生境一般指pH9以上的生境。第四頁，共42頁。5．高鹽生境指含2％以上至接近飽和濃度NaCl的生境。6．高壓生境在海洋深處以及深油井中還分布著一些嗜壓微生物，壓力達(dá)一千多個(gè)大氣壓，在常壓下它們卻是不能生存的。7.高輻射生境第五頁，共42頁。二、極端環(huán)境微生物的來源、種類及衛(wèi)生學(xué)意義1.嗜熱微生物（1）分布：廣泛分布于草堆、溫泉、煤堆、火山地、地?zé)釁^(qū)土壤及海底火山附近等處，包括好熱的放線菌、芽孢桿菌等。超嗜熱菌：最高113℃，最適80~110℃，最低~55℃第六頁，共42頁。在美國黃石公園的溫泉中存在一種嗜熱的古細(xì)菌92-93℃第七頁，共42頁。(2)嗜熱微生物的種類和特點(diǎn)耐熱菌：最高45~55℃，最低<30℃兼性嗜熱菌：最高50~65℃，最低<30℃專性嗜熱菌：最高65~70℃，最低42℃極端嗜熱菌：最高>70℃，最適>65℃，最低>40℃超嗜熱菌：最高113℃，最適80~110℃，最低~55℃嗜熱菌第八頁，共42頁。(3)嗜熱微生物的耐熱機(jī)制酶和蛋白質(zhì)有更強(qiáng)的耐熱性細(xì)胞膜中飽和脂肪酸含量高，更易形成疏水鍵，以確保在高溫下膜的穩(wěn)定性和正常生理功能能產(chǎn)生多胺、熱亞胺及高溫精胺，以穩(wěn)定核糖體等以及保護(hù)蛋白質(zhì)大分子免受高溫破壞其核酸有熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)生長速率快，合成大分子迅速，能及時(shí)彌補(bǔ)高溫對大分子的破壞第九頁，共42頁。生長速率高，代謝作用強(qiáng)；產(chǎn)物/細(xì)胞重量之比值較高；高溫下具有競爭優(yōu)勢，在發(fā)酵生產(chǎn)中可防止雜菌污染；所含耐高溫酶有重要的生產(chǎn)潛力和應(yīng)用前景；乙醇等代謝產(chǎn)物容易收得；發(fā)酵過程不需冷卻，可省去深井水消耗。(4)特點(diǎn)及應(yīng)用第十頁，共42頁。(5)嗜熱微生物的應(yīng)用超嗜熱菌的發(fā)現(xiàn)使人們相信生命不僅存在于地球上，還可能存在于宇宙中的其他星球上第十一頁，共42頁。2.嗜冷微生物Psychrophiles

最適生長溫度低于15℃、最高生長溫度低于20℃和最低生長溫度在0℃以下的微生物。嗜冷微生物遇到20℃高溫即死亡。與耐冷微生物的區(qū)別：在0℃生長、最適20～40℃嗜冷菌（雪藻）第十二頁，共42頁。嗜冷微生物(2)分布

廣泛分布于兩極地區(qū)、冰窖、高山、深海和土壤等的低溫環(huán)境中。第十三頁，共42頁。格陵蘭冰川下沉睡12萬年細(xì)菌第十四頁，共42頁。(3)嗜冷微生物生存機(jī)制

細(xì)胞膜內(nèi)含有大量的不飽和脂肪酸，且其含量會(huì)隨溫度的降低而增加，從而保證了膜在低溫下的流動(dòng)性，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌，因此能在低溫條件下進(jìn)行生命活動(dòng)。第十五頁，共42頁。(4)嗜冷微生物的應(yīng)用

低溫酶制劑；低溫食品腐敗第十六頁，共42頁。

3.嗜酸微生物只能生活在低于pH值4條件下，在中性pH值下即死亡的微生物，少數(shù)可生活在pH值<2。

與耐酸微生物的區(qū)別：耐酸微生物在中性pH值下能生活。第十七頁，共42頁。第十八頁，共42頁。(2)類群：

主要是一些真細(xì)菌和古生菌如硫細(xì)菌屬、硫化葉菌屬、熱原體屬等。(3)分布：

酸性礦水、酸性熱泉和酸性土壤等處。嗜酸硫桿菌（Thiobacillusacidophilus）的煎蛋型菌落

第十九頁，共42頁。1995年分離到的一株古生菌（picrophils），能在pH值為0的條件下生長第二十頁，共42頁。Ferroplasmaacidophilum（鐵原體屬嗜酸菌）Ferroplasmaacidophilum能夠在酸性極高(pH值為零)的環(huán)境下生存，這種環(huán)境下的硫酸就像是礦泉水。據(jù)悉，這種細(xì)菌是在加利福尼亞州一個(gè)金礦的有毒流出物中發(fā)現(xiàn)的，能夠?qū)㈣F作為幾乎所有蛋白質(zhì)的核心構(gòu)件。第二十一頁，共42頁。幽門螺桿菌第二十二頁，共42頁。(4)嗜酸機(jī)制

細(xì)胞內(nèi)pH值接近中性；酶最適pH值中性；壁膜排阻H+。

(5)嗜酸微生物的應(yīng)用

金屬的濕法冶煉；煤脫硫第二十三頁，共42頁。4.嗜堿微生物

能專性生活在pH值10～11堿性條件下而不能生活在中性條件下的微生物。它們多數(shù)為芽孢桿菌屬。第二十四頁，共42頁。(2)分布

堿性鹽湖、碳酸鹽含量高的土壤中(4)嗜堿微生物的應(yīng)用

酶的開發(fā)：蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶，洗滌劑紅海鹽灘上的耐鹽細(xì)菌第二十五頁，共42頁。5.嗜鹽微生物

必須在高嗜鹽微生物鹽濃度下才能生長的微生物第二十六頁，共42頁。(2)種類：低度嗜鹽菌（3%NaCl）中度嗜鹽菌（3%-13%NaCl）極度嗜鹽菌（12%-30%NaCl）(3)分布：

曬鹽場、腌制海產(chǎn)品、鹽湖和死海第二十七頁，共42頁。(4)耐鹽機(jī)制

嗜鹽菌體內(nèi)含紫膜，紫膜的主要成分是一種以紫色的視黃醛為輔基的細(xì)菌視紫紅質(zhì)，它既起一個(gè)質(zhì)子泵的作用，同時(shí)又起排鹽作用，可為嗜鹽菌在高鹽環(huán)境下建立跨膜的Na+電化學(xué)梯度，并由此而完成一系列的生理生化功能第二十八頁，共42頁。6.嗜壓微生物

必須生活在高靜水壓的條件下分布在深海底部和深油井等少數(shù)地方第二十九頁，共42頁。1979年在深海火山口富含營養(yǎng)物質(zhì)的邊緣發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌

除了承受足以將潛艇壓成薄煎餅的大氣壓外，還經(jīng)受住超過水沸點(diǎn)的高溫考驗(yàn)。

外觀扁平，好似一個(gè)不規(guī)則的盤子，它們在中空管狀結(jié)構(gòu)“套管”—結(jié)構(gòu)上具極強(qiáng)的抗熱能力中積聚。

Pyrodictiumabyssi熱網(wǎng)菌第三十頁，共42頁。7.抗輻射微生物

對輻射具有較強(qiáng)抗性的微生物第三十一頁，共42頁。HalobacteriumNRC-1細(xì)菌Halobacterium(鹽桿菌屬)NRC-1是地球上抗輻射能力最強(qiáng)的生物，能夠經(jīng)受住1.8萬Gy(吸收劑量)輻射——10Gy輻射便可致人死亡。HalobacteriumNRC-1抗輻射能力幾乎是耐輻射球菌的兩倍，后者最初是在1950年發(fā)現(xiàn)的，

第三十二頁，共42頁。第三節(jié)極端環(huán)境微生物污染的預(yù)防與控制極端環(huán)境微生物由于其特殊的生物學(xué)特性和極端的生境和生態(tài)，一般很少對人和動(dòng)物健康構(gòu)成威脅可以利用他們在極端環(huán)境下能生長的特點(diǎn)來為人類生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生保健和科學(xué)研究服務(wù)第三十三頁，共42頁。第四節(jié)極端環(huán)境微生物的應(yīng)用前景對極端微生物進(jìn)行研究的主要內(nèi)容有：（1）極端微生物的多樣性及分類；（2）極端微生物的發(fā)現(xiàn)；（3）極端微生物耐受極端環(huán)境的機(jī)制；（4）極端微生物酶的分子機(jī)制；（5）極端微生物及極端微生物酶的工業(yè)化應(yīng)用。第三十四頁，共42頁。極端微生物的酶和代謝產(chǎn)物已成為生物技術(shù)創(chuàng)新的源泉嗜鹽古菌的質(zhì)子泵“紫膜”蛋白，已成為目前光電響應(yīng)元件和生物信息貯存領(lǐng)域最具開發(fā)前景的生物納米材料極端嗜鹽菌的PHA是合成生物可降解塑料的前體，將成為用于降低環(huán)境白色污染的有效途徑第三十五頁，共42頁。在發(fā)酵工業(yè)中，嗜熱菌可用于生產(chǎn)纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和菊糖酶等多種酶制劑，由這些微生物產(chǎn)生的酶制劑具有代謝酶促反應(yīng)溫度高、熱穩(wěn)定性好、催化反應(yīng)速率高和易于在室溫下保存等特點(diǎn)。水生棲熱菌中耐熱的TaqDNA聚合酶可耐受95℃左右的高溫而不失活，可用于PCR技術(shù)中。第三十六頁，共42頁。在醫(yī)藥方面，人類流感病毒適冷型突變株P(guān)IV3目前已被用于流感疫苗的研制中低溫菌株側(cè)耳（Pleurotusostreatus)可產(chǎn)生有醫(yī)用和營養(yǎng)價(jià)值的EPA用耐低溫酵母菌處理寒冷地區(qū)生活污水、化學(xué)污染物、魚類加工廠油渣等例如：2，4-二氯苯（木材的防腐劑和除草劑），1988年Gadd用厭氣嗜冷菌降解，降解溫度5-50℃第三十七頁，共42頁。冰核蛋白微生物：某些嗜冷細(xì)菌、真菌能使植物葉子和花表面形成冰核蛋白，觸發(fā)冰晶形成。應(yīng)用：1）可作為生物殺蟲劑，使害蟲在較高溫度下，體內(nèi)結(jié)冰而死

2）人工降水，在-5—-6℃，在一定高度噴灑冰核細(xì)菌，可形成雪第三十八頁，共42頁。由嗜堿芽孢桿菌產(chǎn)生的木聚糖酶能夠水解木聚糖產(chǎn)生木糖和寡聚糖，因此可用來處理人造纖維廢物。我國大面積的鹽堿地生物改造、高溫高鹽堿環(huán)境的污染治理。由嗜堿細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白酶具有堿性條件下催化活力高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)之優(yōu)點(diǎn)，常作為洗滌劑的添加劑。第三十九頁，共42頁。嗜鹽菌可用于生產(chǎn)胞外多糖、聚羥基丁酸(PHB)、食用蛋白、調(diào)味劑、保健食品強(qiáng)化劑、酶保護(hù)劑，還可用于海水淡化、鹽堿地改造利用以及能源開發(fā)等