極端微生物的分類、生理結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

所謂的極端微生物是指在一般生物無法生存的極端環(huán)境（高溫、低溫、強(qiáng)堿、高鹽、高壓、高輻射等）中正常生存的微生物群的總稱。極端微生物主要包括嗜酸菌、嗜鹽菌、嗜堿菌、嗜熱菌、嗜冷菌及嗜壓菌等。由于它們具有特殊的基因型、特殊的機(jī)制及產(chǎn)物,對人類解決一些重大的問題如生命起源及演化等有很大的幫助,且在生物技術(shù)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景,已成為研究的熱門領(lǐng)域。目前,在極端微生物分類、生活環(huán)境、生理結(jié)構(gòu)及適應(yīng)機(jī)制、應(yīng)用等方面,都有了很大的發(fā)展。1古細(xì)菌16srna序列及分子進(jìn)化截至目前為止,已報道的極端微生物具有較廣的物種區(qū)系,但其中以古細(xì)菌為最多。近年來,基于古細(xì)菌16sRNA序列分析的分子進(jìn)化研究,初步表明其不同于真核生物和真細(xì)菌。因此,目前,分類學(xué)界將其分為真核生物(Eucaria)、真細(xì)菌(Bacteria)、古細(xì)菌(Archaea)三域。2極端微生物群2.1超嗜熱微生物最適生長溫度在45℃以上的微生物稱作嗜熱微生物(Thermophiles)。最適生長溫度在80℃以上的微生物稱為超嗜熱微生物(Hypethermophiles)。自1965年LouiseBrock在黃石國家公園82℃的溫泉中首先分離到極端嗜熱菌后,到目前為止,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)43個種,隸屬于21個屬的嗜熱和超嗜熱微生物,這些微生物多是從溫泉和海底火山口分離培養(yǎng)獲得。2.2耐冷微生物psychrotoelmanims最高生長溫度小于20℃,最適生長溫度小于15℃,最低生長溫度小于0℃的微生物稱為嗜冷微生物。有些微生物雖能在0℃或小于0℃以下生長,但都具有20℃～40℃的最高生長溫度,這種微生物稱作耐冷微生物(Psychrotolerantmicroorganisms)。嗜冷微生物生長在南極大陸或常年積雪的雪山或凍土等環(huán)境中。到目前為止,在這些低溫環(huán)境中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種嗜冷微生物,如細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌和微藻類等。2.3最適生長ph值的單一微生物一般認(rèn)為,嗜酸微生物指能在pH值1.0～5.0的環(huán)境中生長但在pH值5.5以上則不能生長的一類微生物。極端嗜酸微生物則可以生長的pH值上限3.0,最適pH值1.0～2.5。極端嗜酸微生物多分布于金屬硫礦床酸性礦水、生物濾瀝堆及含硫溫泉和土壤中,包括原核和真核兩大類。2.4嗜堿微生物由于許多微生物常因生長條件(如營養(yǎng)成分、生長因子、溫度)改變而改變其抗堿的能力,所以關(guān)于嗜堿和耐堿微生物還沒有一個確切的定義。許多人認(rèn)為最適pH值在9.0以上的微生物稱為嗜堿微生物。嗜堿微生物中在pH值中性或以下不能生長的稱為專性嗜堿微生物,否則為兼性嗜堿微生物,能在高pH值下生長,但最適pH值不在堿性范圍內(nèi)的微生物為耐堿菌。自1922年首先發(fā)現(xiàn)第1個堿性固氮菌后,目前有大量不同類型的嗜堿微生物已經(jīng)從土壤、堿性泉、堿湖及海洋中分離到,包括細(xì)菌、真菌和古細(xì)菌。嗜堿微生物多生長在特定地理環(huán)境條件和氣候因素下,人為因素或人為的工業(yè)過程(食品加工及制革等)及諸如氮化、硫酸鹽還原或氧化還原作用等生長代謝作用造成的堿性環(huán)境中。2.5極端嗜鹽菌的分離和鑒定極端嗜鹽菌是一類生活在高鹽度環(huán)境中的古細(xì)菌,從死海和死谷中都分離出了極端嗜鹽菌,我國也從新疆和內(nèi)蒙古的鹽堿湖中分離出一些極端嗜鹽菌。嗜鹽古細(xì)菌分為1科6屬,一般生活在10%～30%的鹽液中。3極端微生物研究現(xiàn)狀由于極端微生物具有特殊的基因型,對人類解決一些重大的問題如生命起源及演化等有很大的幫助,同時極端微生物又具有獨特的生理特點和生化特性,因而目前對極端微生物的研究主要集中在兩個方面,一方面是極端微生物在工業(yè)、化工、食品等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值,其中尤以極端微生物特有酶類和抗生素等生物活性物質(zhì)最為引人注目;另一方面是各類型極端微生物對各種極端環(huán)境適應(yīng)或抗性的機(jī)理的研究。3.1生物活性物質(zhì)3.1.1發(fā)酵工藝及助劑酶作為大分子的活性物質(zhì),在應(yīng)用過程中常會出現(xiàn)不穩(wěn)定性,尤其在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和高滲極端條件下更容易失活。近年來,以極端酶研究為核心,利用基因工程技術(shù)開發(fā)了在極端條件下仍持高活性和穩(wěn)定性的新酶種。人們已從嗜熱菌中分離到多種嗜熱酶(55℃～80℃)及超級嗜熱酶(80℃～113℃),不僅具有化學(xué)催化劑無法比擬的優(yōu)點,而且高溫下穩(wěn)定性好,克服了中溫酶(22℃～55℃)及低溫酶(-2℃～20℃)在應(yīng)用過程中常出現(xiàn)的生物學(xué)不穩(wěn)定的缺點,從而使許多高溫化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn)。近年來,低溫酶的研究主要集中在耐冷機(jī)制和生物工程應(yīng)用方面。已有20多種低溫酶得到了純化或克隆表達(dá),主要可應(yīng)用于食品工業(yè)、低溫條件下的生物催化、洗滌添加劑、環(huán)境生物治理。嗜堿菌可以產(chǎn)生多種嗜堿酶,如由嗜堿桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(CGTase)可用于生產(chǎn)環(huán)糊精,與普通細(xì)菌產(chǎn)生的CGTase相比,嗜堿CGTase使環(huán)糊精的產(chǎn)率大大提高(達(dá)70%～90%),環(huán)糊精可直接自淀粉水解產(chǎn)物中結(jié)晶析出,不需要像傳統(tǒng)工藝那樣加入毒性有機(jī)溶劑去沉淀環(huán)糊精,使生產(chǎn)成本大大降低。蛋白酶及纖維素酶用于清潔劑,可以顯著提高洗滌效率,現(xiàn)已投入工業(yè)化生產(chǎn)。在日本,市場上40%的洗滌劑含有由嗜堿枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的堿性纖維素酶添加劑。嗜堿酶用于皮革工業(yè)的脫毛工藝,可顯著提高脫毛的效率和質(zhì)量,避免了舊工藝使用NaOH和Na2S對毛皮的損傷、使皮革腫脹、后續(xù)加工難以進(jìn)行的缺點。在日本,來自嗜堿菌的果膠酶(pectinase)已被用于提高紙張的質(zhì)量,將此酶用于1個新的漚麻工藝中可生產(chǎn)出高質(zhì)量的非木質(zhì)紙張,其強(qiáng)度比傳統(tǒng)紙張?zhí)岣咴S多。此外,嗜堿菌還能產(chǎn)生淀粉酶、脂肪酶、木聚糖酶、幾丁質(zhì)酶等,具有廣闊的應(yīng)用前景。嗜鹽酶能夠在較高鹽濃度下發(fā)揮作用,現(xiàn)已應(yīng)用的主要是利用嗜鹽菌生產(chǎn)SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等。3.1.2抗真菌活性化合物有報道稱,利用嗜熱菌Thermoactinomyces獲得了9種抗生素,其中熱紅菌素及熱綠鏈菌素已工業(yè)化生產(chǎn),并在醫(yī)藥領(lǐng)域得到應(yīng)用。Phoebe等發(fā)現(xiàn)了1個新種嗜熱菌Pseudomonasakbaalia,并從其發(fā)酵液中分離到具有抗真菌活性的化合物,命名為Pyochelin,這是首次關(guān)于極端微生物產(chǎn)生抗真菌化合物的報道。此外,具有抗癌活性的抗生素氨茴霉素(Anthramycin)亦來源于耐熱放線菌。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有上百株極端嗜鹽菌可以產(chǎn)生嗜鹽菌素,它是一類蛋白類抗生素,嗜鹽菌素與細(xì)菌素相似,是由質(zhì)粒編碼、核糖體合成的。不同的嗜鹽桿菌所產(chǎn)生的嗜鹽菌素其抑菌譜互不相同,除了嗜鹽菌之間相互抑制外,厲云等已發(fā)現(xiàn)由halobacteriumQD5產(chǎn)生的嗜鹽菌素對蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)也有一定的抑制作用。3.2極端微生物的適應(yīng)性機(jī)制3.2.1提高熱熱穩(wěn)定性的機(jī)制極端嗜熱菌耐熱機(jī)制,一般是多種因子共同作用的結(jié)果。(1)膜的化學(xué)成分隨環(huán)境溫度的升高發(fā)生變化。如飽和脂肪酸含量升高,形成更多疏水鍵,增加了膜的穩(wěn)定性。耐熱古細(xì)菌膜上的雙層類脂發(fā)生結(jié)構(gòu)重排,也可增加耐熱性。(2)重要代謝產(chǎn)物能迅速合成,tRNA的周轉(zhuǎn)率提高。DNA中G、C的含量較高,促使生物體中的遺傳物質(zhì)更加穩(wěn)定。一些組蛋白也可增加DNA的耐熱性。(3)蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性提高。其天然結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中的個別氨基酸的改變導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性的改變。二級結(jié)構(gòu)中包括稍長的螺旋結(jié)構(gòu),三股鏈組成的β—折疊結(jié)構(gòu)、C—末端和N—末端氨基酸殘基間的離子作用以及較小的表面環(huán)等,使其中的酶形成非常緊密而有韌性的結(jié)構(gòu),利于熱穩(wěn)定。3.2.2極端嗜酸菌一般認(rèn)為這種菌具有高度韌性的膜,膜對H+和OH-具有不透性,其泵功能很強(qiáng),所以能使菌體內(nèi)保持中性,并忍耐體外高酸濃度。3.2.3高鹽濃度對于嗜鹽菌的作用嗜鹽菌從細(xì)胞結(jié)構(gòu)到組成成分都是構(gòu)成耐鹽的因素。(1)極端嗜鹽菌細(xì)胞膜上的紫膜含量在高鹽低氧的環(huán)境中,主要由以細(xì)菌視紫質(zhì)為代表的一類視紫醛蛋白組成。這是1個光驅(qū)“質(zhì)子泵”,可彌補(bǔ)高鹽濃度下底物有氧氧化所得能量的不足。(2)細(xì)胞壁不含肽聚糖而以脂蛋白為主,細(xì)胞壁的完整性由離子鍵維持,高Na+濃度對其細(xì)胞壁蛋白質(zhì)亞單位之間的結(jié)合和保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性是必需的。(3)極端嗜鹽菌還積累或產(chǎn)生一些維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡,又有助于細(xì)胞代謝活動的相溶性物質(zhì),如積累K+,合成糖、氨基酸等。(4)這類菌體內(nèi)的酶也是嗜鹽性的,其產(chǎn)生、穩(wěn)定和發(fā)揮活性都需要高濃度鹽這一條件。與中性酶比較,極端嗜鹽菌中的酶所含的酸性氨基酸比率較高尤其是在分子表面,從而形成水保持層,阻止了酶分子的相互凝聚,其中的個別氨基酸的保守性也有助于其適應(yīng)高鹽環(huán)境。3.2.4atp為細(xì)胞生長提供能量在該類菌中,Na+/H+反向載體可維持細(xì)胞質(zhì)pH值處于正常范圍,從ATP獲得能量,對Na+有專一性,不斷向細(xì)胞外排出Na+,使細(xì)胞建立起1個向內(nèi)的ΔμNa+,為細(xì)胞攝入溶質(zhì)提供能量;細(xì)胞膜上的Na+/溶質(zhì)同向載體利用ΔμNa+,進(jìn)行氨基酸、有機(jī)酸和部分離子的主動運輸。3.2.5壓力對蛋白質(zhì)表達(dá)的影響極端嗜壓菌的DNA中有1組能調(diào)節(jié)壓力影響的基因。這些基因在高壓下表達(dá),并通過它們減少某些蛋白質(zhì)的產(chǎn)出率,在壓力增加的條件下,可以減少膜的通道,從而阻止體內(nèi)的糖和基他營養(yǎng)成分?jǐn)U散到體外。3.2.6天冬氨酸殘基有人研究了幾種極端嗜冷古細(xì)菌中的嗜冷酶,認(rèn)為這類酶中含有大量帶負(fù)電荷的氨基酸殘基,特別是天冬氨酸殘基。分子表面的極性環(huán)狀結(jié)構(gòu)呈伸展?fàn)顟B(tài),分子內(nèi)缺少離子間作用力與疏水作用。這使酶分子呈松散狀態(tài),具有較大的可變性,導(dǎo)致酶的熱穩(wěn)定性降低。而對一些耐寒海洋魚類的耐冷機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn),其血清中的抗凍蛋白起很大的作用,這種抗凍蛋