古菌及极端微生物专家讲座

古菌及极端微生物生物技术.3.12古菌及极端微生物专家讲座第1页古菌古菌常被发觉生活于各种极端自然环境下，如大洋底部高压热溢口、热泉、盐碱湖等。在我们这个星球上，古菌代表着生命极限，确定了生物圈范围。热网菌（Pyrodictium）能够在高达113℃温度下生长。古菌及极端微生物专家讲座第2页最适生活温度80－105，含有独特细胞结构。隐蔽热网菌Pyrodictiumoccultum古菌及极端微生物专家讲座第3页1977年，美国深海潜水器“阿尔文”号在洋中脊地域发觉了从海底冒出浓烟般热泉。令人难以置信地是，在喷出热泉“黑烟囱”周围水温250-350℃、265大气压海水中，竟存在着一个极其奇特、黑暗而酷热生命世界。隐蔽热网菌即生活于其中。古菌及极端微生物专家讲座第4页黑烟囱是由海底地壳裂缝制造，大量溶解了地底金属元素和硫化物液体从裂缝中喷出之后，一碰到冰凉海水就形成了浓密黑色烟雾。古菌及极端微生物专家讲座第5页嗜热性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经在食品加工中发挥了主要作用。比如：用淀粉生产高果糖时，普通葡萄糖异构酶在中温条件下催化果糖产量极少，而提升温度将催化果糖生产。当前，已从嗜热Thermologa中分离出一个超高温嗜热木糖异构酶，这种酶也能把葡萄糖转化为果糖，这么，就能在高温条件下进行果糖生产，从而提升果糖产量。嗜热微生物酶类工业应用实例古菌及极端微生物专家讲座第6页古菌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。很多产甲烷古菌生存在动物消化道中，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。古菌及极端微生物专家讲座第7页甲烷短杆菌大部分甲烷短杆菌生长于反刍动物、人类和其它动物肠道中,

或是腐朽植物,

以及缺氧废水烂泥中。

M.smithii是唯一一个生长在人类肠道甲烷短杆菌

(图)。

古菌及极端微生物专家讲座第8页分类

当前，可在试验室培养古菌主要包含三大类:1.产甲烷菌、2.极端嗜热菌3.极端嗜盐菌。古菌及极端微生物专家讲座第9页1、产甲烷菌产甲烷菌是一群迄今为止所知最严格厌氧、能形成甲烷化能自养或化能异养古菌群。产甲烷细菌是能产生甲烷一大类群，所以包含了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不一样形态。古菌及极端微生物专家讲座第10页一些产甲烷细菌:(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.古生菌形态:与细菌相同古菌及极端微生物专家讲座第11页.产甲烷菌代谢路径

产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们经过甲烷生物合成形成维持细胞生存所需能量。在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有糖酵解路径，三羧酸循环、氨基酸和核苷酸代谢。产甲烷菌是自养型生物，它能利用环境中化学能。因而产甲烷菌中发觉了许多无机物进入细胞所需通道蛋白，产甲烷菌是当前发觉唯一能固氮古细菌。古菌及极端微生物专家讲座第12页安徽怀宁：沼气“点亮”新家园

怀宁县主动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，节柴灶个。图为该县平山镇牧之金养殖场工人正在往大型沼气池里装运原料。沼气在养殖业应用古菌及极端微生物专家讲座第13页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开启调试。工程采取高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理200头奶牛产生鲜牛粪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员使用沼气在养殖业应用古菌及极端微生物专家讲座第14页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），工程采取高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场存栏10000头奶牛鲜牛粪280t/d，尿及冲洗废水360t/d，日产沼气10000m3/d，日发电0kW·h/d;年减排COD9125t，CO2当量2.4万t，TN487t，TP96t。沼渣沼液供周围约10万亩牧草种植地利用。该工程是当前我国最大牛场粪污处理沼气发电工程。沼气在发电方面应用古菌及极端微生物专家讲座第15页产甲烷杆菌应用前景1废水处理现有厌氧生物处理工艺大多要求在中温或高温范围内进行，通常要对废水与废物进行加热，这种作法消耗能源，减弱了厌氧生物处理优越性，。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技术瓶颈，进而大大拓展厌氧生物处理技术应用范围并降低废水处理成本。古菌及极端微生物专家讲座第16页2酿酒工业上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布氏甲烷杆菌CS菌株，揭示了酿酒窖池是产甲烷古菌存在又一生态系统窖泥中栖息产甲烷古菌既是生香功效菌，又是标志老窖生产性能指示菌.古菌及极端微生物专家讲座第17页3产甲烷菌在煤层气开发中应用生物成因：煤层气是在较低温度条件下，有机质经过各种不一样类群细菌参加或作用，在煤层中生成以甲烷为主气体.产甲烷菌对煤层气形成起着主要作用，当前已发觉产甲烷菌有低温型、中温型和嗜热型.地表深处煤层中生成大量生物成因气有利条件是：大量有机质快速沉积、充裕孔隙空间、低温，以及高pH值缺氧环境.古菌及极端微生物专家讲座第18页今后对产甲烷菌研究能够主要集中在以下3个方面1.经过改进极端环境微生物分类判定技术，发觉更多产甲烷菌类群；2.对产甲烷菌特征基因及其与代谢关系进行愈加细致研究；3.对产甲烷菌群与其它微生物协同消化有机物代谢进行研究，为环境生物治理和生物能源开发提供理论依据.古菌及极端微生物专家讲座第19页甲烷是地球上主要温室气体，对全球气候变暖增温作用大约占15%，其相对二氧化碳增温效应值为19。古菌及极端微生物专家讲座第20页1.甲烷古菌（又称甲烷菌）能够释放出甲烷气，它能够生存在极端环境，包含了地底深处、沙漠、海洋深处、火山或地热区、盐湖或盐海、地球以外星球等。就当前所知道、能够在这么极端环境下活下来生物，全部都是有着上千万年以上太古生物，其中有甲烷菌。2.甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存，但只要一碰到氧气就会死亡，它能适应摄氏2度至115度，和淡水到高盐环境，而且经过甲烷化过程产生能量；古菌及极端微生物专家讲座第21页卫星上拍摄地球甲烷--棕色部分是甲烷古菌及极端微生物专家讲座第22页太空望远镜上拍摄火星甲烷--黄（红）色部分是甲烷古菌及极端微生物专家讲座第23页产甲烷古菌可能是火星生命形式一个美国科学家小组年12月5日汇报说，他们在格陵兰岛地下冰芯中发觉了产甲烷古菌生存证据。科学家称，这种能在极端严酷条件下生存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，而且是火星大气中甲烷起源。为了验证这一构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微弱荧光，这台仪器能探测出每毫升土壤或地层中存在1个古菌，安装在新火星车上寻找火星生命。

古菌及极端微生物专家讲座第24页2、极端嗜盐古菌

这是一类生活在很高浓度甚至靠近饱和浓度盐环境中古菌。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、橙色或紫色等各不一样色素。化能有机营养型。古菌及极端微生物专家讲座第25页盐沼盐杆菌Halobacteriumspp.细胞杆状(0.5～1.2μm×1.0～6.0μm)。运动。有些菌株含有气泡囊。革兰氏阴性，好氧，化能异养型。生活在盐湖、盐场及腐败盐制品等中性盐环境中。古菌及极端微生物专家讲座第26页Halobacteriumsp.

古菌及极端微生物专家讲座第27页3、还原硫酸盐古菌

这一类主要是指古生球菌archaeoglobales古菌。细胞普通为不规则球形、三角形，直径在0.4~2.0μm，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。古菌及极端微生物专家讲座第28页闪烁古生球菌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，并产少许甲烷。古菌及极端微生物专家讲座第29页4、无细胞壁古菌－热原体在古生菌中，有一类无细胞壁原核生物很象无细胞壁支原体，因为它们无细胞壁、嗜热、嗜酸、行好氧化能有机营养，所以被称为热原体（Thermoplasma）。0.2μm到1-5μm。有种含有多根鞭毛，能够运动。古菌及极端微生物专家讲座第30页热原体能抵抗外界渗透压改变、反抗外环境低pH值和高热极端环境，是因为它们即使没有坚韧细胞壁，但发育出一个带有甘露糖和葡萄糖单位四醚类脂(tetratherlipid)脂多糖化合物，作为质膜主要成份。同时，质膜中也含有糖肽，但没有固醇类化合物，这么质膜使热原体表现出对渗透压、酸、热稳定性。古菌及极端微生物专家讲座第31页极端嗜热古菌－硫化叶菌硫化叶菌是第一个分离判定极端嗜热古细菌(Brock等，1970)，生长在富硫酸热泉中，温度达90℃以上，pH1～1．5。古菌及极端微生物专家讲座第32页极端嗜热古菌极端嗜热或超嗜热，生长要求温度范围为45℃~110℃，最适为70℃~105℃，且要求pH为1~3高酸度环境。有化能自养、化能异养和兼性营养三种不一样营养类型。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、燃烧后煤矿等环境。古菌及极端微生物专家讲座第33页火叶菌属延胡索酸火叶菌（Pyrolobusfumarii），一个生活在113℃大西洋热液喷口古菌。古菌及极端微生物专家讲座第34页一个新发觉微型海底生物

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

古菌及极端微生物专家讲座第35页左侧细菌名为“Herminiimonasglaciei”，是在格陵兰一条冰川下方2英里(约合3公里)处冰层中发觉，它是迄今为止发觉体积最小微生物。宾夕法尼亚州大学研究人员汇报说已成功让它清醒过来，在此之前，这种细菌预计已沉睡了12万年。古菌及极端微生物专家讲座第36页图片展示是1979年在深海火山口富含营养物质边缘发觉细菌——Pyrodictiumabyssi，它们是最初极端微生物。除了承受足以将潜艇压成薄煎饼大气压外，Pyrodictiumabyssi还经受住超出水沸点高温考验，惊人生存能力由此可见一斑。古菌及极端微生物专家讲座第37页Deinococcusperaridilitoris球菌是耐辐射球菌一个鲜为人知亲戚，被称之为地球上最强悍细菌，曾入选《吉尼斯世界纪录大全》。据悉，这种球菌能够经受住严寒、真空、干旱和辐射考验。其强大生存能力关键在于拥有多个基因组拷贝。古菌及极端微生物专家讲座第38页图片展示是在红海附近盐滩发觉细菌Haloquadratumwalsbyi。这一地域含盐度极高，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，是因为它们表面体积比是全部地球生物中最高，能够有效阻止因所在地域含盐度过高慢慢萎缩。古菌及极端微生物专家讲座第39页图中展示细菌HalobacteriumNRC-1是地球上抗辐射能力最强生物，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擅长修复其本身DNA。古菌及极端微生物专家讲座第40页图片展示细菌Ferroplasmaacidophilum能够在pH值为零环境下生存。这种细菌是在加利福尼亚州一个金矿有毒流出物中发觉，能够将铁作为几乎全部蛋白质关键构件。古菌及极端微生物专家讲座第41页Desulforudisaudaxviator可能是一个真实“自力更生”微生物。Desulforudisaudaxviator是在南非一个矿井发觉，矿井位于地下2英里处，完全与世隔绝。利用含铀岩石产生放射能作为能量，这种细菌能够从周围岩石和空气中获取所需全部营养物质并完成新陈代谢过程。它们是世界上已知唯一一个单种群生态系统。古菌及极端微生物专家讲座第42页美国科学家发觉有一个古细菌能还原氧化铁而且在100

℃时还能生长。当他们测试该细菌耐热极限时，发觉在加热至121℃时仍含有繁殖能力，24小时内数量可翻一番。不但如此，它在130

℃下存活两个小时后，再重新置于103

℃环境下仍能继续生长。与之相比，全世界耐热“冠军”、。古菌及极端微生物专家讲座第43页最近出版美国《科学》杂志称，科学家们以超出正常大气压1.7万倍压力把细菌置于金刚石夹板中挤压，有些微生物依旧能够生存和摄取化学食物。这个发觉是世界首次。古菌及极端微生物专家讲座第44页古菌及极端微生物专家讲座第45页在环境保护方面：嗜热酶在污水及废物处理方面有着其它方法无法比拟优越性。科学家们不但利用嗜热酶耐热性，更主要是利用它对有机溶剂抗性。当前已得到成功应用嗜热酶主要有:在基因工程中起主要作用DNA聚合酶，生产葡萄糖和果糖淀粉酶及用于氨基酸生产、洗涤和食品加工行业蛋白酶等。古菌及极端微生物专家讲座第46页在低温酶类当中，脂肪酶和蛋白酶含有相当大应用潜力。在食品工业中，脂肪酶可用于乳制品和黄油增香；生产可可脂，提升鱼油中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古菌及极端微生物专家讲座第47页嗜碱酶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耐碱蛋白酶，显著提升洗涤效率，在日本，市场40%洗涤剂含有该酶添加剂。由美国华盛顿州立大学研究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显著加强，改变