极端环境微生物的研究进展

极端环境微生物的研究进展[摘要]极端微生物通常分为六个类群：嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物。极端环境中的微生物为了适应生存，逐步形成了独特的结构和生理机能，以适应环境。因此，研究适应机理并利用其特殊生理机能具有重要的理论和实际意义，极端微生物能产生多种极端酶和其他生物活性物质，极端微生物资源的开发利用有着广阔的前景。极端环境(extremeenvironment)泛指存在某些特殊物理和化学状态的自然环境，包括高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、高辐射和极端缺氧环境等，适合在极端环境中生活的微生物称为极端微生物(extremophiles)(MargesinandSchinner，2001【1】；RothschildandMancinelli，2001【2】；陈骏等，2006【3】；张敏和东秀珠，2006【4】)．海洋极端环境一般是指与正常海洋环境绝然不同的物理化学环境，主要包括海底热泉、海底冷泉和泥火山环境，其次还包括高盐度(卤水)、强酸化、缺氧和滞流等海洋环境。海洋极端微生物通常为化能自养生物(chemoautotroph)，在分类体系上属于细菌和古细菌类，生活在无光、无氧或少氧环境，能利用一些海底热催化反应过程中产生的还原性小分子(H2、H2S和CH4等)合成能量进行有机碳固定和新陈代谢，具有独特的基因类型、特殊生态群落、特殊生理机理和特殊代谢产物，有些属于内共生生物(endosymbiont)。一、极端微生物的种类及其生理特点1．1极端嗜热菌（Thermophiles）一般最适生长温度在90℃以上的微生物，被称做极端嗜热菌【5,6】。已发现的极端嗜热菌有20多个属，大多是古细菌，生活在深海火山喷口附近或其周围区域【7】。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，8O℃成果之一就是将水栖嗜热菌中耐热的TaqDNA聚合酶广泛用于基因工程的研究之中，以TaqDNA聚合酶为基础的PCR技术获得诺贝尔奖，给基因工程带来革命性的进步【13】。在医药工业中，利用嗜热菌获得了9种抗生素，其中热红菌素及热绿链菌素已工业化生产，并在医药领域得到应用。2.2嗜冷微生物环境保护方面：在寒冷环境下污染物生物降解能力的提高可通过低温微生物特有的冷适应酶实现，这一方法不但可使大规模的牲畜粪便厌氧耐冷分批消化成为可行，同时也使低温下鱼类加工厂中大量油渣以及寒冷地区污染物的生物降解都成为可能。例如Kolene【14】等在耐冷P．puttda中进行了嗜温型质粒介导的降解能力的转移和表达。该转移接合体在0℃食品及日化方面：Brechley【15】。发现冷活性，β一半乳糖苷酸可用于降解奶制品中乳糖含量，使许多对乳糖敏感的人能饮用。此外冷活性酶可在食品低温加工过程中起重要作用，其中以脂酶和蛋白酶最具潜力。脂酶可应用于许多方面如作为食品的风味改变酶、去污剂添加物，或立体特异性催化剂等【16，17】。2．3嗜酸微生物对嗜酸菌应用研究较多的是无机化能自养菌，这些嗜酸菌氧化Fe²、元素硫以及硫化物的生理特性，被用在冶金、环保和农业等领域。用细菌从矿石中提取金属称作细菌浸出或生物湿法冶金。自从2O世纪4O年代末首次从酸性矿水中分离到硫杆菌以来，细菌提出在冶金工业上获得成功应用主要是铜、铀和金3种金属的回收【18-20】。人们也在尝试利用硫杆菌分解磷矿粉，通过提高其溶解度来增加磷矿粉的肥效。近十几年来，由于环境污染的日益严重和由此产生的环境保护攻策，使生物方法洁净煤技术的研究受到关注。嗜酸硫杆菌还可以用来处理古硫废气，改良土壤等。用嗜热嗜酸的硫化叶菌(Sulfolobus)脱除煤炭中的硫化物，不仅无机硫化物去除率高，还可去除有机硫化物【21-23】。2．4嗜碱微生物碱性酶有在高pH下稳定的特点，因此可应用于许多涉及到碱性环境的工业生产中。在发酵工业中，嗜碱菌可作为许多种酶制剂的生产菌，例如嗜碱芽孢杆菌产生的弹性蛋白酶适宜在高pH条件下裂解弹性蛋白。碱性酶的发现和应用促使很多特殊特征的洗涤用酶的发现和应用，例如，碱性蛋白酶可用于隐眼镜的清洗【24】、分子生物学实验中核酸的分离【25】、害虫的防治【26】、丝绸的脱胶【27】和麻的去木质等等【28】。碱性果胶酶的应用也深入到其它的生物技术领域以及植物病毒的纯化【29】和造纸【30】等方面。由嗜碱芽孢杆菌生产的木聚糖酶能够水解木聚糖产生木糖和寡聚糖，可用来处理人造纤维废物，而碱性β-甘露聚糖酶降解甘露聚糖产生的寡糖可作为保健品的添加剂。2．5嗜盐微生物嗜盐菌其机制【31】已较清楚，在一定条件下能大量积累聚羟基丁酸用于可降解生物材料的开发，目前主要应用于医学领域，如外科手术、病人碳源外充等。利用菌体发酵方面，可用以生产聚羟基丁酸(PHB)、胞外多糖类物质(如EPS、PAVE)等多聚化合物，也有用来生产食用蛋白、食品添加剂、酶的保护剂和稳定剂、表面活性剂、抗微生物化合物、类激素物质、EPA等，也可用来除去工业废水中的磷酸盐、开发盐碱地、开发能源等。另外，嗜盐菌体内类胡萝卜素、β-亚油酸等含量较高，可用于食品工业。嗜盐菌的酶是工业上耐盐酶的重要来源，研究人员正在探索把嗜盐极酶用到提高从油井中提取原油量的方法中，用嗜盐极酶可分解掉瓜儿豆胶的粘性【32】。极端嗜盐菌产生的以细菌视紫质为代表的一类含视黄醛蛋白质作用机理有望应用于生物电子方面。目前正试图将菌视紫素制成离体物，用于合成ATP、太阳能电池、淡化海水、生物芯片等方面的研究，以及解决诸如宇航中人类能源不足等问题．通过基因工程手段，使细胞内积累甜菜碱、山梨醇、甘露醇、海藻糖等相容性溶质，能够不同程度地提高转基因植物的耐盐性．从利用嗜盐菌看，有利用生产SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等【33】。2．6嗜压微生物耐高温和厌氧生长的嗜压菌有望用于油井下产气增压和降低原油粘度，借以提高采油率。日本发现的深海鱼类肠道内的嗜压古细菌．8O%以上的菌株可以生产EPA和DHA，最高产量可达36%和24%。已经有人通过基因重组，使这些菌有效生产DHA。另外，嗜压菌还可以用于高压生物反应器。三、展望未来极端微生物广泛分布于地球上，它们在生态系统中发挥着重要作用，还为人类提供了丰富的微生物资源。进入21世纪以后，极端微生物及其相关产物的研究以及它们在现代生物工程中的潜在价值，逐渐引起人们的广泛关注，并成为一个新的研究热点。极端微生物多样性及应用的研究有重要的意义：1)极端环境微生物的基因，是构建遗传工程菌的资源宝库；2)极端环境下微生物的生态、结构、分类、代谢、遗传等均与一般生物有别，使得极端微生物所产生的活性物质拥有普通微生物活性物质所不具备的优良特性，为微生物乃至相关学科的许多领域提供新的课题和材料；3)为生物进化、生命起源的研究提供新的材料．但就总体情况而言，由于条件所限，许多极端微生物的培养受到限制，这极大地影响了极端微生物研究工作的进行。相信随着研究工作的深人开展，以及蛋白分子定点诱变与定向进化，蛋白组学等新的生物技术手段的运用，人们将对极端微生物及其酶类的研究意义和应用价值会有更深入的认识。四、参考文献：【1】Margesin，R．，Schinner，F．，2001．Biodegradationandbiore—mediationofhydrocarbonsinextremeenvironments．App1．Microbio1．Biotechno1．，56：65O一663．【2】Rothschild，I⋯J，Mancinelli，R．I⋯2001．Iifeinextremeen—vironments．№ture，409：1092—11Ol_【3】陈骏，连宾，王斌，等，2006．极端环境下的微生物及其生物地球化学作用．地学前缘，13(6)：l99—207．【4】张敏，东秀珠，2006．973项目“极端微生物及其功能利用的基础研究”研究进展．微生物学报，46(2)：336．【5】WoeseCR，KandlerO，WheelisML，eta1．Towardsanatu—ralsystemoforganisms：proposalforthedomainsArckaea[J]．BaeteriaandEucarya，1990，67：4576—4579．【6】StetterKO，FiahG，HuberG，eta1．Hyperthermophiliemi—croorganisms[J]．FEMSMicrobio1．Rev，1990，75：117—124．【7】、MichadW.AdamsW．FEMSMicrohlo]Rev．1994．(15)：261-277【8】LiuHuiqiang，ZhangLifeng，HanBin，eta1．Areviewonnewprogressinthestudiesofhalophilicbacteria[J]．JournalofXinjiangNormalUniversity(NaturalSciencesEdition)，2005，24(3)：84—88．[刘会强，张立丰，韩彬，等．嗜盐菌的研究新进展[J]．新疆师范大学学报(自然科学版)，2005，24(3)：84—88．]【9】ShenPing．Microbiology[M]．Beijing：HigherEducationPress，2000．[沈萍．微生物学[M]．北京：高等教育出版社，2000．]【10】徐毅等．嗜盐古细菌的系统发育分析．徽生物学报．1996。36(2)：79～86【11】HeZhengguo，LiYaqin，ZhouPeijin，ela1．Acidophilicmicro—organism[J]．Microbiology，1999，26(6)：452—456．[何正国，李雅芹，周培瑾．极端嗜酸微生物[J]．微生物学通报，1999，26(6)：452—456．]【12】MaYanhe．Alkaliphilicmicroorganism[J]．Microbiology，1999，26(4)：309—313．[马延和．嗜碱微生物[J]．微生物学通报，1999，26(4)：309—313．]【13】ChenChaoyin，Liu．Li，KunLong，eta1．DNApolymerseofthermophile[J]。Technology，2001，11(4)：31—34．[陈朝银，刘丽，贲昆龙．栖热菌属热稳定DNA聚合酶．生物技术，2001，11(4)：31—34．]【14】KolencRJ．Tranferandexpressionofmesophilisplasmidmediateddegradetivecapacityinapsychrotmphicbacterium．AppliEnvironMicrobiol，1998，54【15】BrenchloyJE．JIndustrralMierobiol，1996，17．【16】肖春玲．微生物脂肪酶研究与应用．微生物学杂志，1997，17(4)．【17】EdwardsC．Microbiologyofextremeenvironments[M]，NewYork：McCrraw—HillPublishingCompany，1990：33—54．【18】HerbertRA，SharpRJ．MolecularBiologyandBiotechnologyofExtremophiles[M]．NewYork：BlackieGlasgow，1992：115—142．【19】马延和．新的生命形式一极端微生物[J]微生物学通报，l999，26(1)：80【20】MoseRossi，MariaCiaramella，RaffaeleCannio，etal，Ex—tremophiles2002[J]JournalofBacteriology，2003，185(13)：3683—3689【21】沈萍微生物学【M]北京：高等教育出版社，2000，295—298．【22】ZhangYongguang，Li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