古菌及极端微生物资料讲解.ppt

古菌及极端微生物 2014 3 12 古菌 古菌常被发现生活于各种极端自然环境下 如大洋底部的高压热溢口 热泉 盐碱湖等 在我们这个星球上 古菌代表着生命的极限 确定了生物圈的范围 热网菌 Pyrodictium 能够在高达113 的温度下生长 最适生活温度80 105 具有独特的细胞结构 隐蔽热网菌Pyrodictiumoccultum 1977年 美国深海潜水器 阿尔文 号在洋中脊地区发现了从海底冒出浓烟般的热泉 令人难以置信地是 在喷出热泉的 黑烟囱 周围水温250 350 265大气压的海水中 竟存在着一个极其奇特 黑暗而酷热的生命世界 隐蔽热网菌即生活于其中 黑烟囱是由海底地壳的裂缝制造的 大量溶解了地底金属元素和硫化物的液体从裂缝中喷出之后 一遇到冰冷的海水就形成了浓密的黑色烟雾 嗜热性蛋白酶 淀粉酶及糖化酶已经在食品加工中发挥了重要作用 例如 用淀粉生产高果糖时 普通的葡萄糖异构酶在中温条件下催化果糖产量很少 而提高温度将催化果糖的生产 目前 已从嗜热的Thermologa中分离出一种超高温嗜热的木糖异构酶 这种酶也能把葡萄糖转化为果糖 这样 就能在高温的条件下进行果糖的生产 从而提高果糖的产量 嗜热微生物酶类工业应用实例 古菌的分布 古菌还广泛分布于各种自然环境中 土壤 海水 沼泽地中均生活着古菌 很多产甲烷的古菌生存在动物的消化道中 如反刍动物 白蚁或者人类 古菌通常对其它生物无害 且未知有致病古菌 甲烷短杆菌 大部分的甲烷短杆菌生长于反刍动物 人类和其它动物的肠道中 或是腐朽的植物 以及缺氧的废水烂泥中 M smithii是唯一一种生长在人类肠道的甲烷短杆菌 图 分类 目前 可在实验室培养的古菌主要包括三大类 1 产甲烷菌 2 极端嗜热菌3 极端嗜盐菌 1 产甲烷菌 产甲烷菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的 能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群 产甲烷细菌是能产生甲烷的一大类群 因此包括了球形 杆形 螺旋形 长丝状等不同形态 一些产甲烷细菌 a 亨氏甲烷螺菌 b 史氏甲烷短杆菌 c 巴氏甲烷八叠球菌 d 马泽氏甲烷八叠球菌 e 布氏甲烷杆菌 f 黑海甲烷袋状菌 一 古生菌的形态 与细菌相似 产甲烷菌代谢途径 产甲烷菌生活在厌氧条件下 它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量 在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的糖酵解途径 三羧酸循环 氨基酸和核苷酸代谢 产甲烷菌是自养型的生物 它能利用环境中的化学能 因而产甲烷菌中发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋白 产甲烷菌是目前发现唯一能固氮的古细菌 安徽怀宁 沼气 点亮 新家园 怀宁县积极推行无公害化畜牧养殖 引导规模养殖场 养殖大户大力发展沼气工程 现已建设户用沼气池6600口 节柴灶2000个 图为该县平山镇牧之金养殖场的工人正在往大型沼气池里装运原料 沼气在养殖业的应用 云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站 工程位于云南省洱源县 整个工程由农业部沼气科学研究所设计与启动调试 工程采用高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理200头奶牛产生的鲜牛粪3 46t d 尿及冲洗废水4 2t d 年产沼气约7 3万m3 沼气作为生活用能集中供给当地70多户村民和养殖场职工使用 沼气在养殖业的应用 蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程 工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区 蒙牛总部 工程采用高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场存栏10000头奶牛的鲜牛粪280t d 尿及冲洗废水360t d 日产沼气10000m3 d 日发电20000kW h d 年减排COD9125t CO2当量2 4万t TN487t TP96t 沼渣沼液供周边约10万亩牧草种植地利用 该工程是目前我国最大的牛场粪污处理沼气发电工程 沼气在发电方面的应用 产甲烷杆菌的应用前景 1废水处理 现有的厌氧生物处理工艺大多要求在中温或高温的范围内进行 通常要对废水与废物进行加热 这种作法消耗能源 削弱了厌氧生物处理的优越性 利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程 可从本质上突破低温厌氧工艺的技术瓶颈 进而大大拓展厌氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理的成本 2酿酒工业上的应用 泸州老窖古酿酒窖池群是全国重点文物保护单位 自公元1573年开始酿造浓香型曲酒一直延续至今 80年代首次从泸州老窖泥中分离出氢营养型的布氏甲烷杆菌CS菌株 揭示了酿酒窖池是产甲烷古菌存在的又一生态系统 窖泥中栖息的产甲烷古菌既是生香功能菌 又是标志老窖生产性能的指示菌 3产甲烷菌在煤层气开发中的应用 生物成因 煤层气是在较低的温度条件下 有机质通过各种不同类群细菌的参与或作用 在煤层中生成的以甲烷为主的气体 产甲烷菌对煤层气的形成起着重要的作用 目前已发现产甲烷菌有低温型 中温型和嗜热型 地表深处煤层中生成大量生物成因气的有利条件是 大量有机质的快速沉积 充裕的孔隙空间 低温 以及高pH值的缺氧环境 今后对产甲烷菌的研究 可以主要集中在以下3个方面1 通过改进极端环境微生物分类鉴定技术 发现更多产甲烷菌的类群 2 对产甲烷菌特征基因及其与代谢的关系进行更加细致的研究 3 对产甲烷菌群与其它微生物的协同消化有机物的代谢进行研究 为环境的生物治理和生物能源的开发提供理论依据 甲烷是地球上主要的温室气体 对全球气候变暖的增温作用大约占15 其相对二氧化碳的增温效应值为19 1 甲烷古菌 又称甲烷菌 可以释放出甲烷气 它可以生存在极端的环境 包含了地底深处 沙漠 海洋深处 火山或地热区 盐湖或盐海 地球以外的星球等 就目前所知道的 可以在这么极端的环境下活下来的生物 全部都是有着上千万年以上的太古生物 其中有甲烷菌 2 甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存 但只要一遇到氧气就会死亡 它能适应摄氏2度至115度 和淡水到高盐环境 并且经过甲烷化过程产生能量 卫星上拍摄地球甲烷 棕色部分是甲烷 太空望远镜上拍摄火星甲烷 黄 红 色部分是甲烷 产甲烷古菌可能是火星生命形式 一个美国科学家小组2005年12月5日报告说 他们在格陵兰岛地下冰芯中发现了产甲烷古菌生存的证据 科学家称 这种能在极端严酷条件下生存的微生物有可能在火星上生存 研究人员认为产甲烷古菌很可能存在于火星上 并且是火星大气中甲烷的来源 为了验证这一设想他们制造一台荧光探测仪 用来探测产甲烷古菌新陈代谢时产生的微弱荧光 这台仪器能探测出每毫升土壤或地层中存在的1个古菌 安装在新的火星车上寻找火星生命 2 极端嗜盐古菌 这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐环境中的古菌 细胞形态为杆形 球形和三角形 多角形 方形 盘形等多形态 革兰氏阴性 极生鞭毛 好氧或兼性厌氧 胞内含有类胡萝卜素 菌红素 产红色 粉红色 橙色或紫色等各不同色素 化能有机营养型 盐沼盐杆菌Halobacteriumspp 细胞杆状 0 5 1 2 m 1 0 6 0 m 运动 有些菌株具有气泡囊 革兰氏阴性 好氧 化能异养型 生活在盐湖 盐场及腐败的盐制品等中性盐环境中 Halobacteriumsp 3 还原硫酸盐古菌 这一类主要是指古生球菌archaeoglobales的古菌 细胞一般为不规则球形 三角形 直径在0 4 2 0 m 单个或成对 革兰氏阴性 菌落可略呈绿黑色 在420nm处可产蓝绿色荧光 严格厌氧 闪烁古生球菌A fulgidus 分布于深海海底 热泉和地层深部储油层 化能自养 单极多生鞭毛 并产少量甲烷 4 无细胞壁古菌 热原体 在古生菌中 有一类无细胞壁的原核生物很象无细胞壁的支原体 由于它们无细胞壁 嗜热 嗜酸 行好氧化能有机营养 所以被称为热原体 Thermoplasma 0 2 m到1 5 m 有的种具有多根鞭毛 能够运动 热原体能抵御外界渗透压的变化 对抗外环境的低pH值和高热极端环境 是因为它们虽然没有坚韧的细胞壁 但发育出一种带有甘露糖和葡萄糖单位的四醚类脂 tetratherlipid 的脂多糖化合物 作为质膜的主要成分 同时 质膜中也含有糖肽 但没有固醇类化合物 这样的质膜使热原体表现出对渗透压 酸 热的稳定性 极端嗜热古菌 硫化叶菌 硫化叶菌是第一个分离鉴定的极端嗜热古细菌 Brock等 1970 生长在富硫的酸热泉中 温度达90 以上 pH1 1 5 极端嗜热古菌 极端嗜热或超嗜热 生长要求的温度范围为45 110 最适为70 105 且要求pH为1 3的高酸度环境 有化能自养 化能异养和兼性营养三种不同的营养类型 大多能代谢元素硫 能在好氧条件下将硫或H2S氧化为H2SO4 在厌氧条件下可还原元素硫为H2S 主要分布于含硫温泉 火山口 燃烧后的煤矿等环境 火叶菌属的延胡索酸火叶菌 Pyrolobusfumarii 一种生活在113 大西洋热液喷口的古菌 一种新发现的微型海底生物 ThenewlydiscoveredNanoarchaeumequitans tinycells attachedtoitshostIgnicoccusspec bigcells Bar1 5 m 左侧的细菌名为 Herminiimonasglaciei 是在格陵兰一条冰川下方2英里 约合3公里 处的冰层中发现的 它是迄今为止发现的体积最小的微生物 宾夕法尼亚州大学的研究人员报告说已成功让它苏醒过来 在此之前 这种细菌估计已沉睡了12万年 图片展示的是1979年在深海火山口富含营养物质的边缘发现的细菌 Pyrodictiumabyssi 它们是最初的极端微生物 除了承受足以将潜艇压成薄煎饼的大气压外 Pyrodictiumabyssi还经受住超过水沸点的高温考验 惊人的生存能力由此可见一斑 Deinococcusperaridilitoris球菌是耐辐射球菌一个鲜为人知的亲戚 被称之为地球上最强悍的细菌 曾入选 吉尼斯世界纪录大全 据悉 这种球菌能够经受住寒冷 真空 干旱和辐射考验 其强大生存能力的关键在于拥有多个基因组拷贝 图片展示的是在红海附近盐滩发现的细菌Haloquadratumwalsbyi 这一地区含盐度极高 能够幸存下来可谓一个奇迹 方形超扁平古细菌Haloquadratumwalsbyi之所以能够在这种恶劣条件下生存 是因为它们的表面体积比是所有地球生物中最高的 能够有效阻止因所在地区含盐度过高慢慢萎缩 图中展示的细菌HalobacteriumNRC 1是地球上抗辐射能力最强的生物 能够经受住1 8万Gy 吸收剂量 辐射 10Gy辐射便可致人死亡 HalobacteriumNRC 1擅长修复其自身的DNA 图片展示的细菌Ferroplasmaacidophilum能够在pH值为零的环境下生存 这种细菌是在加利福尼亚州一个金矿的有毒流出物中发现的 能够将铁作为几乎所有蛋白质的核心构件 Desulforudisaudaxviator可能是一个真实的 自力更生 的微生物 Desulforudisaudaxviator是在南非一个矿井发现的 矿井位于地下2英里处 完全与世隔绝 利用含铀岩石产生的放射能作为能量 这种细菌能够从周围岩石和空气中获取所需的所有营养物质并完成新陈代谢过程 它们是世界上已知的唯一一个单种群生态系统 美国科学家发现有一种古细菌能还原氧化铁并且在100 时还能生长 当他们测试该细菌的耐热极限时 发现在加热至121 时仍具有繁殖能力 24小时内数量可翻一番 不仅如此 它在130 下存活两个小时后 再重新置于103 的环境下仍能继续生长 与之相比 全世界耐热 冠军 最近出版的美国 科学 杂志称 科学家们以超过正常大气压1 7万倍的压力把细菌置于金刚石的夹板中挤压 有些微生物仍旧可以生存和摄取化学食物 这个发现是世界首次 在环境保护方面 嗜热酶在污水及废物处理方面有着其它方法无法比拟的优越性 科学家们不仅利用嗜热酶的耐热性 更重要的是利用它对有机溶剂的抗性 目前已得到成功应用的嗜热酶主要有 在基因工程中起重要作用的DNA聚合酶 生产葡萄糖和果糖的淀粉酶及用于氨基酸生产 洗涤和食品加工行业的蛋白酶等 在低温酶类当中 脂肪酶和蛋白酶具有相当大的应用潜力 在食品工业中 脂肪酶可用于乳制品和黄油的增香 生产可可脂 提高鱼油中n 3系多不饱和脂肪酸含量等 而蛋白酶在食品工业中更是大量应用于啤酒的处理 发酵食品生产奶烙时催熟作用都离不开它 嗜冷微生物酶类工业应用实例 嗜碱酶的主要工业用途是作为去污剂添加成份 洗涤试验表明 去污剂中加入嗜碱枯草菌的耐碱蛋白酶 显著提高洗涤效率 在日本 市场40 的洗涤剂含有该酶添加剂 由美国华盛顿州立大学研究的嗜冷碱性蛋白酶应用于洗涤剂工业 使加酶洗涤剂在冷水中洗涤效果明显加强 改变欧洲传统的热水洗涤方法 从而节约能源 嗜碱微生物酶类工业应用实例 微生物之所以耐高温 其机理主要有以下几方面 绝大多数革兰氏阳性高温菌的细胞壁是由G2M及短肽构成的三维网状结构 增加了细菌的耐热性 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 呼吸链蛋白质的热稳性高 由于tRNA的G C碱基含量高 提供了较多的氢键 故其热稳性高 细胞内含大量的多聚胺 胞内蛋白质具抗热机制 如增加分子内疏水性和分子外亲水性 共价结合等 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 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 极端微生物适应异常环境的机理 适应低温的机制主要有以下几方面 不饱和脂肪酸含量增加 缩短酰基