浅谈微生物的生理机制

浅谈微生物的生理机制

极端环境是指一般微生物无法生存的环境。在这个环境下生存的微生物必须有特殊的生理机制来适应环境。研究和应用给人类带来了许多好处。1古细菌与真核生物的区分自七十年代,科学工作者从极端环境发现生物的新类群,最初根据16SrRNA(18SrRNA)序列分析的分子进化的研究,说明它既不同于真细菌也不同于真核生物,因其形态接近真细菌而命名为古细菌.(其实,古细菌并不比真细菌更为古老,根据对古细菌RNA的进一步研究,发现它们与真核生物的关系要比真细菌的关系更为密切.古细菌与真核生物之间的分离,要比细菌与真核细菌的分离晚150万年右左).极端环境的微生物均为古细菌.2极端环境中微生物的分类和特征2.1.海底火山喷口及其周围区域的嗜热菌(Thermophiles)嗜热菌一般指在55℃以上的高温环境中生长、繁殖的细菌.菌种不同,其生长温度的上限也不同,有的可达90℃以上.在海底火山喷口及其周围区域,温泉工厂高温废水排放区常可发现不同菌种的嗜热菌.如德国的斯梯特(K,Stetter)研究组,在意大利的海底火山喷口发现一族古细菌,能生活在110℃以上高温中,最适温度为98℃,降至84℃即停止生长,斯坦福大学科学家发现的一种嗜热菌,最适生长温度为100℃,80℃以下即失活.2.2养产气泡的细菌在地球极地冰海环境中存在许多独特的微生物分类群.如异养产气泡的细菌(Octadecabacter)只在冰海和靠近冰海的环境存在.而PolaromonasVacuolata最适生长温度为4℃,高于10℃则不能生长.2.3ph值对生物生长的影响这种微生物能生活在PH值1以下的环境.它们往往生长在火山区域含硫量极为丰富的地区.如氧化硫杆菌,可以在PH值0.9—4范围内生长,最适PH=2.5左右;德国斯梯特就发现一族生活在96℃以上高温,PH值低于1的环境中生物,它们被命名为Acidianusinfernus.嗜酸菌体内环境保持PH值7左右;嗜酸菌往往也是嗜高温菌.2.4极端嗜盐微生物人们发现在高浓度盐环境中,存在许多抗高渗压的微生物.我国从新疆和内蒙古的盐碱湖中分离出了一些极端耐盐菌.它们竟能在含0—15%Nacl的环境中生长.有些菌株可以在含5%—25%Nacl范围中生长.极端嗜盐微生物中唯一的真细菌是光合微生物的外硫红螺菌属;唯一的真核嗜盐微生物是杜氏藻类.微生物学家琼纳斯克(H,Jannasch)在含盐量高达36%盐液中发现一种微生物,命名为Halophiles;微生物学家斯多肯尼亚斯(W,Stoeckenius)在嗜盐中发现了一种呈四方形的古细菌.繁殖时,先向一方延长,然后分裂成两个四方形菌;再一起向另一方延长,进而分裂成四个.2.5嗜碱菌的生长和生长ph值嗜碱菌往往是嗜盐菌,多生活在盐碱湖和盐池中,生活环境PH值可达11.5以上,最适PH值8—10,但在中性环境如PH值6.5以下,不能生长或生长非常缓慢.北京微生物研究所的徐毅分离到Natronorubrumgennov的两个种.我国科学工作者从内蒙古碱湖中分离出一株嗜碱菌No.10—1,其生长PH值为8—13,最适PH值为10—11.好气,杆状,能运动.2.6淡水鱼类的生长一般生活在最深的海底.美国海洋学家亚扬诺斯(A,Yayanos)发现一些耐压种,适于在0.7—0.8MPa的环境生长,低于0.4—0.5MPa则不能生长.有的竟能在1.3—1.4MPa环境生长.日本科学家也在300—600米深的深海鱼类肠道内发现了极端嗜压菌.3极端环境中的微生物生理机制3.1分形链的脂肪酸其耐热机制有以下几个方面.①细胞膜中含有高比例的长链饱和脂肪酸,和具有分枝链的脂肪酸;及甘油醚化合物,增加了膜的稳定性.②呼吸链蛋白质和细胞内大量的多聚胺,利于热稳定性.③tRNA的热稳定性较高,硫化的核甘酸使tRNA分子的构象变化受到限制并使邻近的碱基增加了堆聚力,利于热稳定性.3.2抗酸生物活性在其细胞壁和细胞膜上有阻止H+进入细胞内的成分.①膜表面存在大量的重金属离子如C2+u,其可与周围的H+的进行交换,从而阻止了H+对细胞的损伤.②细胞壁和膜上含有一些特殊的化学成分使得这些微生物具有抗酸能力.③泵的功能很强.基于以上因素,嗜酸菌体内保持中性并忍耐体外高酸浓度.3.3甘油.表现为细胞内各种酶的稳定和调节细胞内部的代谢活动.耐盐机制①在高盐环境中,细胞发生失水,引起细胞体积变小,而后对微生物细胞产生刺激作用,使细胞合成甘油.细胞内有高浓度的甘油,细胞重新生长并且体积恢复正常.甘油是细胞内各种酶的稳定剂.②极端嗜盐菌还积累或产生一些既维持细胞内外渗透压平衡,又有助于细胞代谢活动的相溶性物质,如积累K+,合成糖、氨基酸等.③其体内酶的产生、稳定和发挥活性都需要高浓度盐这一条件.与中性酶比较,发现其体内的酶所含的酸性氨基酸比率较高;尤其是在分子表面形成了一保护层,阻止了酶分子的相互凝聚.3.4n+a/h+反向载体嗜碱菌的酶是嗜碱的.细胞壁含有酸性多聚物,带负电荷,降低了细胞表面的PH值,细胞膜运输N+a是通过利用N+a/H+反向载体系统(该系统与△《与△PH有关).K+/H+反向载体和ATP酶驱运了H+排出质膜,也可以维持胞内PH的稳定性.已发现三个基因位置与N+a/H+反向载体有关.这些基因编码的蛋白质对于维持依赖N+a,胞内PH稳定性起着很重要的作用.3.5减少水体中糖含量,抑制水体糖等营养成分扩散其DNA中有一组能调压力影响的基因.这组基因能在0.3MPa下表达,并通过它减少某些蛋白质的产出率,从而在压力增加的条件下,可以减少膜的通道,达到阻止体内的糖和其它营养成分扩散到体外.4极端微生物的应用4.1极端嗜热菌①利用菌体产生的酶,进行废物处理降解纤维素.②用菌体发酵生产乙醇.③利用其产物在高温下生产生物表面活性剂.4.2含硫废气的处理用于冶金提取矿物;用于煤和石油脱硫处理含硫废气;生产肥料,改良土壤.如可利用氧化硫硫杆菌分解磷矿粉,提高磷矿粉的速效性,以便提高农作物的产量.4.3剂和稳定剂①用于生产食用蛋白、食品添加剂,酶的保护剂和稳定剂;除去工业废水中的磷酸盐,开发盐碱盐,开发能源.②在基因工程中,大肠杆菌产生嗜盐性芽孢杆菌的胞外木聚糖酶已获成功.4.4嗜碱菌的克氏原螯虾①用作洗涤剂的添加剂,粘度调节剂.②用于基因工程.已有人将嗜碱菌的纤维素酶,木聚糖木酶、淀粉酶、环状糊精葡萄糖转移酶等在中性菌中加以克隆和表达.4.5极端环境微生物的研究和应用问题其应用方面报道较少,只在高压生物反