古菌及極端微生物專家講座

古菌及極端微生物生物技術(shù).3.12古菌及極端微生物專家講座第1頁古菌古菌常被發(fā)覺生活于各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部高壓熱溢口、熱泉、鹽堿湖等。在我們這個星球上，古菌代表著生命極限，確定了生物圈范圍。熱網(wǎng)菌（Pyrodictium）能夠在高達(dá)113℃溫度下生長。古菌及極端微生物專家講座第2頁最適生活溫度80－105，含有獨(dú)特細(xì)胞結(jié)構(gòu)。隱蔽熱網(wǎng)菌Pyrodictiumoccultum古菌及極端微生物專家講座第3頁1977年，美國深海潛水器“阿爾文”號在洋中脊地域發(fā)覺了從海底冒出濃煙般熱泉。令人難以置信地是，在噴出熱泉“黑煙囪”周圍水溫250-350℃、265大氣壓海水中，竟存在著一個極其奇特、黑暗而酷熱生命世界。隱蔽熱網(wǎng)菌即生活于其中。古菌及極端微生物專家講座第4頁黑煙囪是由海底地殼裂縫制造，大量溶解了地底金屬元素和硫化物液體從裂縫中噴出之后，一碰到冰涼海水就形成了濃密黑色煙霧。古菌及極端微生物專家講座第5頁嗜熱性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已經(jīng)在食品加工中發(fā)揮了主要作用。比如：用淀粉生產(chǎn)高果糖時，普通葡萄糖異構(gòu)酶在中溫條件下催化果糖產(chǎn)量極少，而提升溫度將催化果糖生產(chǎn)。當(dāng)前，已從嗜熱Thermologa中分離出一個超高溫嗜熱木糖異構(gòu)酶，這種酶也能把葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，這么，就能在高溫條件下進(jìn)行果糖生產(chǎn)，從而提升果糖產(chǎn)量。嗜熱微生物酶類工業(yè)應(yīng)用實(shí)例古菌及極端微生物專家講座第6頁古菌分布古菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古菌。很多產(chǎn)甲烷古菌生存在動物消化道中，如反芻動物、白蟻或者人類。古菌通常對其它生物無害，且未知有致病古菌。古菌及極端微生物專家講座第7頁甲烷短桿菌大部分甲烷短桿菌生長于反芻動物、人類和其它動物腸道中,

或是腐朽植物,

以及缺氧廢水爛泥中。

M.smithii是唯一一個生長在人類腸道甲烷短桿菌

(圖)。

古菌及極端微生物專家講座第8頁分類

當(dāng)前，可在試驗(yàn)室培養(yǎng)古菌主要包含三大類:1.產(chǎn)甲烷菌、2.極端嗜熱菌3.極端嗜鹽菌。古菌及極端微生物專家講座第9頁1、產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌是一群迄今為止所知最嚴(yán)格厭氧、能形成甲烷化能自養(yǎng)或化能異養(yǎng)古菌群。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是能產(chǎn)生甲烷一大類群，所以包含了球形、桿形、螺旋形、長絲狀等不一樣形態(tài)。古菌及極端微生物專家講座第10頁一些產(chǎn)甲烷細(xì)菌:(a)亨氏甲烷螺菌;(b)史氏甲烷短桿菌(c)巴氏甲烷八疊球菌;(d)馬澤氏甲烷八疊球菌;(e)布氏甲烷桿菌;(f)黑海甲烷袋狀菌.一.古生菌形態(tài):與細(xì)菌相同古菌及極端微生物專家講座第11頁.產(chǎn)甲烷菌代謝路徑

產(chǎn)甲烷菌生活在厭氧條件下，它們經(jīng)過甲烷生物合成形成維持細(xì)胞生存所需能量。在產(chǎn)甲烷菌中存在原核細(xì)胞和真核細(xì)胞所共有糖酵解路徑，三羧酸循環(huán)、氨基酸和核苷酸代謝。產(chǎn)甲烷菌是自養(yǎng)型生物，它能利用環(huán)境中化學(xué)能。因而產(chǎn)甲烷菌中發(fā)覺了許多無機(jī)物進(jìn)入細(xì)胞所需通道蛋白，產(chǎn)甲烷菌是當(dāng)前發(fā)覺唯一能固氮古細(xì)菌。古菌及極端微生物專家講座第12頁安徽懷寧：沼氣“點(diǎn)亮”新家園

懷寧縣主動推行無公害化畜牧養(yǎng)殖，引導(dǎo)規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖大戶大力發(fā)展沼氣工程，，現(xiàn)已建設(shè)戶用沼氣池6600口，節(jié)柴灶個。圖為該縣平山鎮(zhèn)牧之金養(yǎng)殖場工人正在往大型沼氣池里裝運(yùn)原料。沼氣在養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)用古菌及極端微生物專家講座第13頁云南洱源縣三營鎮(zhèn)太陽能加熱中溫發(fā)酵沼氣站工程位于云南省洱源縣，整個工程由農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所設(shè)計與開啟調(diào)試。工程采取高濃度畜禽廢物高效厭氧消化技術(shù)處理200頭奶牛產(chǎn)生鮮牛糞3.46t/d，尿及沖洗廢水4.2t/d，年產(chǎn)沼氣約7.3萬m3，沼氣作為生活用能集中供給當(dāng)?shù)?0多戶村民和養(yǎng)殖場職員使用沼氣在養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)用古菌及極端微生物專家講座第14頁蒙牛澳亞示范牧場沼氣發(fā)電綜合利用工程

工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市和林格爾縣盛樂經(jīng)濟(jì)園區(qū)（蒙牛總部），工程采取高濃度畜禽廢棄物高效厭氧消化技術(shù)處理牧場存欄10000頭奶牛鮮牛糞280t/d，尿及沖洗廢水360t/d，日產(chǎn)沼氣10000m3/d，日發(fā)電0kW·h/d;年減排COD9125t，CO2當(dāng)量2.4萬t，TN487t，TP96t。沼渣沼液供周圍約10萬畝牧草種植地利用。該工程是當(dāng)前我國最大牛場糞污處理沼氣發(fā)電工程。沼氣在發(fā)電方面應(yīng)用古菌及極端微生物專家講座第15頁產(chǎn)甲烷桿菌應(yīng)用前景1廢水處理現(xiàn)有厭氧生物處理工藝大多要求在中溫或高溫范圍內(nèi)進(jìn)行，通常要對廢水與廢物進(jìn)行加熱，這種作法消耗能源，減弱了厭氧生物處理優(yōu)越性，。利用嗜冷產(chǎn)甲烷菌實(shí)現(xiàn)低溫厭氧生物處理過程，可從本質(zhì)上突破低溫厭氧工藝技術(shù)瓶頸，進(jìn)而大大拓展厭氧生物處理技術(shù)應(yīng)用范圍并降低廢水處理成本。古菌及極端微生物專家講座第16頁2釀酒工業(yè)上應(yīng)用瀘州老窖古釀酒窖池群是全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，自公元1573年開始釀造濃香型曲酒一直延續(xù)至今.80年代首次從瀘州老窖泥中分離出氫營養(yǎng)型布氏甲烷桿菌CS菌株，揭示了釀酒窖池是產(chǎn)甲烷古菌存在又一生態(tài)系統(tǒng)窖泥中棲息產(chǎn)甲烷古菌既是生香功效菌，又是標(biāo)志老窖生產(chǎn)性能指示菌.古菌及極端微生物專家講座第17頁3產(chǎn)甲烷菌在煤層氣開發(fā)中應(yīng)用生物成因：煤層氣是在較低溫度條件下，有機(jī)質(zhì)經(jīng)過各種不一樣類群細(xì)菌參加或作用，在煤層中生成以甲烷為主氣體.產(chǎn)甲烷菌對煤層氣形成起著主要作用，當(dāng)前已發(fā)覺產(chǎn)甲烷菌有低溫型、中溫型和嗜熱型.地表深處煤層中生成大量生物成因氣有利條件是：大量有機(jī)質(zhì)快速沉積、充?？紫犊臻g、低溫，以及高pH值缺氧環(huán)境.古菌及極端微生物專家講座第18頁今后對產(chǎn)甲烷菌研究能夠主要集中在以下3個方面1.經(jīng)過改進(jìn)極端環(huán)境微生物分類判定技術(shù)，發(fā)覺更多產(chǎn)甲烷菌類群；2.對產(chǎn)甲烷菌特征基因及其與代謝關(guān)系進(jìn)行愈加細(xì)致研究；3.對產(chǎn)甲烷菌群與其它微生物協(xié)同消化有機(jī)物代謝進(jìn)行研究，為環(huán)境生物治理和生物能源開發(fā)提供理論依據(jù).古菌及極端微生物專家講座第19頁甲烷是地球上主要溫室氣體，對全球氣候變暖增溫作用大約占15%，其相對二氧化碳增溫效應(yīng)值為19。古菌及極端微生物專家講座第20頁1.甲烷古菌（又稱甲烷菌）能夠釋放出甲烷氣，它能夠生存在極端環(huán)境，包含了地底深處、沙漠、海洋深處、火山或地?zé)釁^(qū)、鹽湖或鹽海、地球以外星球等。就當(dāng)前所知道、能夠在這么極端環(huán)境下活下來生物，全部都是有著上千萬年以上太古生物，其中有甲烷菌。2.甲烷菌只需二氧化碳和氫氣就能生存，但只要一碰到氧氣就會死亡，它能適應(yīng)攝氏2度至115度，和淡水到高鹽環(huán)境，而且經(jīng)過甲烷化過程產(chǎn)生能量；古菌及極端微生物專家講座第21頁衛(wèi)星上拍攝地球甲烷--棕色部分是甲烷古菌及極端微生物專家講座第22頁太空望遠(yuǎn)鏡上拍攝火星甲烷--黃（紅）色部分是甲烷古菌及極端微生物專家講座第23頁產(chǎn)甲烷古菌可能是火星生命形式一個美國科學(xué)家小組年12月5日匯報說，他們在格陵蘭島地下冰芯中發(fā)覺了產(chǎn)甲烷古菌生存證據(jù)?？茖W(xué)家稱，這種能在極端嚴(yán)酷條件下生存微生物有可能在火星上生存。研究人員認(rèn)為產(chǎn)甲烷古菌很可能存在于火星上，而且是火星大氣中甲烷起源。為了驗(yàn)證這一構(gòu)想他們制造一臺熒光探測儀，用來探測產(chǎn)甲烷古菌新陳代謝時產(chǎn)生微弱熒光，這臺儀器能探測出每毫升土壤或地層中存在1個古菌，安裝在新火星車上尋找火星生命。

古菌及極端微生物專家講座第24頁2、極端嗜鹽古菌

這是一類生活在很高濃度甚至靠近飽和濃度鹽環(huán)境中古菌。細(xì)胞形態(tài)為桿形、球形和三角形、多角形、方形、盤形等多形態(tài)。革蘭氏陰性，極生鞭毛。好氧或兼性厭氧。胞內(nèi)含有類胡蘿卜素（菌紅素），產(chǎn)紅色、粉紅色、橙色或紫色等各不一樣色素?；苡袡C(jī)營養(yǎng)型。古菌及極端微生物專家講座第25頁鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細(xì)胞桿狀(0.5～1.2μm×1.0～6.0μm)。運(yùn)動。有些菌株含有氣泡囊。革蘭氏陰性，好氧，化能異養(yǎng)型。生活在鹽湖、鹽場及腐敗鹽制品等中性鹽環(huán)境中。古菌及極端微生物專家講座第26頁Halobacteriumsp.

古菌及極端微生物專家講座第27頁3、還原硫酸鹽古菌

這一類主要是指古生球菌archaeoglobales古菌。細(xì)胞普通為不規(guī)則球形、三角形，直徑在0.4~2.0μm，單個或成對，革蘭氏陰性。菌落可略呈綠黑色，在420nm處可產(chǎn)藍(lán)綠色熒光，嚴(yán)格厭氧。古菌及極端微生物專家講座第28頁閃爍古生球菌A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地層深部儲油層。化能自養(yǎng)，單極多生鞭毛，并產(chǎn)少許甲烷。古菌及極端微生物專家講座第29頁4、無細(xì)胞壁古菌－熱原體在古生菌中，有一類無細(xì)胞壁原核生物很象無細(xì)胞壁支原體，因?yàn)樗鼈儫o細(xì)胞壁、嗜熱、嗜酸、行好氧化能有機(jī)營養(yǎng)，所以被稱為熱原體（Thermoplasma）。0.2μm到1-5μm。有種含有多根鞭毛，能夠運(yùn)動。古菌及極端微生物專家講座第30頁熱原體能抵抗外界滲透壓改變、反抗外環(huán)境低pH值和高熱極端環(huán)境，是因?yàn)樗鼈兗词箾]有堅韌細(xì)胞壁，但發(fā)育出一個帶有甘露糖和葡萄糖單位四醚類脂(tetratherlipid)脂多糖化合物，作為質(zhì)膜主要成份。同時，質(zhì)膜中也含有糖肽，但沒有固醇類化合物，這么質(zhì)膜使熱原體表現(xiàn)出對滲透壓、酸、熱穩(wěn)定性。古菌及極端微生物專家講座第31頁極端嗜熱古菌－硫化葉菌硫化葉菌是第一個分離判定極端嗜熱古細(xì)菌(Brock等，1970)，生長在富硫酸熱泉中，溫度達(dá)90℃以上，pH1～1．5。古菌及極端微生物專家講座第32頁極端嗜熱古菌極端嗜熱或超嗜熱，生長要求溫度范圍為45℃~110℃，最適為70℃~105℃，且要求pH為1~3高酸度環(huán)境。有化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和兼性營養(yǎng)三種不一樣營養(yǎng)類型。大多能代謝元素硫，能在好氧條件下將硫或H2S氧化為H2SO4，在厭氧條件下可還原元素硫?yàn)镠2S。主要分布于含硫溫泉、火山口、燃燒后煤礦等環(huán)境。古菌及極端微生物專家講座第33頁火葉菌屬延胡索酸火葉菌（Pyrolobusfumarii），一個生活在113℃大西洋熱液噴口古菌。古菌及極端微生物專家講座第34頁一個新發(fā)覺微型海底生物

ThenewlydiscoveredNanoarchaeumequitans(tinycells)attachedtoitshostIgnicoccusspec.(bigcells).Bar1，5μm.

古菌及極端微生物專家講座第35頁左側(cè)細(xì)菌名為“Herminiimonasglaciei”，是在格陵蘭一條冰川下方2英里(約合3公里)處冰層中發(fā)覺，它是迄今為止發(fā)覺體積最小微生物。賓夕法尼亞州大學(xué)研究人員匯報說已成功讓它清醒過來，在此之前，這種細(xì)菌預(yù)計已沉睡了12萬年。古菌及極端微生物專家講座第36頁圖片展示是1979年在深?；鹕娇诟缓瑺I養(yǎng)物質(zhì)邊緣發(fā)覺細(xì)菌——Pyrodictiumabyssi，它們是最初極端微生物。除了承受足以將潛艇壓成薄煎餅大氣壓外，Pyrodictiumabyssi還經(jīng)受住超出水沸點(diǎn)高溫考驗(yàn)，驚人生存能力由此可見一斑。古菌及極端微生物專家講座第37頁Deinococcusperaridilitoris球菌是耐輻射球菌一個鮮為人知親戚，被稱之為地球上最強(qiáng)悍細(xì)菌，曾入選《吉尼斯世界紀(jì)錄大全》。據(jù)悉，這種球菌能夠經(jīng)受住嚴(yán)寒、真空、干旱和輻射考驗(yàn)。其強(qiáng)大生存能力關(guān)鍵在于擁有多個基因組拷貝。古菌及極端微生物專家講座第38頁圖片展示是在紅海附近鹽灘發(fā)覺細(xì)菌Haloquadratumwalsbyi。這一地域含鹽度極高，能夠幸存下來可謂一個奇跡。方形超扁平古細(xì)菌Haloquadratumwalsbyi之所以能夠在這種惡劣條件下生存，是因?yàn)樗鼈儽砻骟w積比是全部地球生物中最高，能夠有效阻止因所在地域含鹽度過高慢慢萎縮。古菌及極端微生物專家講座第39頁圖中展示細(xì)菌HalobacteriumNRC-1是地球上抗輻射能力最強(qiáng)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擅長修復(fù)其本身DNA。古菌及極端微生物專家講座第40頁圖片展示細(xì)菌Ferroplasmaacidophilum能夠在pH值為零環(huán)境下生存。這種細(xì)菌是在加利福尼亞州一個金礦有毒流出物中發(fā)覺，能夠?qū)㈣F作為幾乎全部蛋白質(zhì)關(guān)鍵構(gòu)件。古菌及極端微生物專家講座第41頁Desulforudisaudaxviator可能是一個真實(shí)“自力更生”微生物。Desulforudisaudaxviator是在南非一個礦井發(fā)覺，礦井位于地下2英里處，完全與世隔絕。利用含鈾巖石產(chǎn)生放射能作為能量，這種細(xì)菌能夠從周圍巖石和空氣中獲取所需全部營養(yǎng)物質(zhì)并完成新陳代謝過程。它們是世界上已知唯一一個單種群生態(tài)系統(tǒng)。古菌及極端微生物專家講座第42頁美國科學(xué)家發(fā)覺有一個古細(xì)菌能還原氧化鐵而且在100

℃時還能生長。當(dāng)他們測試該細(xì)菌耐熱極限時，發(fā)覺在加熱至121℃時仍含有繁殖能力，24小時內(nèi)數(shù)量可翻一番。不但如此，它在130

℃下存活兩個小時后，再重新置于103

℃環(huán)境下仍能繼續(xù)生長。與之相比，全世界耐熱“冠軍”、。古菌及極端微生物專家講座第43頁最近出版美國《科學(xué)》雜志稱，科學(xué)家們以超出正常大氣壓1.7萬倍壓力把細(xì)菌置于金剛石夾板中擠壓，有些微生物依舊能夠生存和攝取化學(xué)食物。這個發(fā)覺是世界首次。古菌及極端微生物專家講座第44頁古菌及極端微生物專家講座第45頁在環(huán)境保護(hù)方面：嗜熱酶在污水及廢物處理方面有著其它方法無法比擬優(yōu)越性?？茖W(xué)家們不但利用嗜熱酶耐熱性，更主要是利用它對有機(jī)溶劑抗性。當(dāng)前已得到成功應(yīng)用嗜熱酶主要有:在基因工程中起主要作用DNA聚合酶，生產(chǎn)葡萄糖和果糖淀粉酶及用于氨基酸生產(chǎn)、洗滌和食品加工行業(yè)蛋白酶等。古菌及極端微生物專家講座第46頁在低溫酶類當(dāng)中，脂肪酶和蛋白酶含有相當(dāng)大應(yīng)用潛力。在食品工業(yè)中，脂肪酶可用于乳制品和黃油增香；生產(chǎn)可可脂，提升魚油中n—3系多不飽和脂肪酸含量等。而蛋白酶在食品工業(yè)中更是大量應(yīng)用于啤酒處理，發(fā)酵食品生產(chǎn)奶烙時催熟作用都離不開它。嗜冷微生物酶類工業(yè)應(yīng)用實(shí)例古菌及極端微生物專家講座第47頁嗜堿酶主要工業(yè)用途是作為去污劑添加成份，洗滌試驗(yàn)表明，去污劑中加入嗜堿枯草菌耐堿蛋白酶，顯著提升洗滌效率，在日本，市場40%洗滌劑含有該酶添加劑。由美國華盛頓州立大學(xué)研究嗜冷堿性蛋白酶應(yīng)用于洗滌劑工業(yè)，使加酶洗滌劑在冷水中洗滌效果顯著加強(qiáng)，改變