微生物生态学-3.1极端自然环境中的微生物1.ppt

1、极端环境中的微生物,生命的极限记录 温度：121（菌株121） 在零下二十摄氏度的环境中细菌仍然能够存活 盐浓度:5.5MNaCl (32%)（嗜盐菌） pH:pH1.0-1.7（阿曼嗜酸亚铁原体）,第三章 极端自然环境中的微生物P19,第一节 低温环境中的微生物 第二节 高温环境中的微生物 第三节 酸性环境中的微生物 第四节 强碱环境中的微生物 第五节 高盐环境中的微生物 第六节 高压环境中的微生物 第七节 高辐射环境中的微生物,极端自然环境 特有的物化条件,指存在有某些特有物理和化学条件以及某些特有微生物的自然环境。,高低温，强酸碱，高压， 高盐，干燥，辐射，低营养等,特有的微生物,嗜冷菌

2、(Psychrophiles)，嗜高温菌(Termophiles)，嗜盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌(Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物，这些微生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。,研究极端环境中微生物的意义,研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答因子，对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。 研究其生理生化特性，可用于量度地球上生命生存的理化极限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值； 可探索出新的生理途径，生产新酶和新的生物制剂，使用于特殊环境条件，如煤脱硫、冶

3、炼金属、处理有毒废水、高压深油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。,第一节 低温环境中的微生物,一、低温环境中的微生物,1、低温环境,长期低温：深海，地球两极的土壤，冰川和高空 短期低温：大多数地区的冬季期间,（红雪现象：嗜寒水藻）,嗜冷微生物（psychrophiles） 耐冷菌（psychrotrophs） 嗜中温微生物（mesophilies）,0以下或320能生长的微生物， 最适生长温度不超过15， 最高生长温度不超过20。,05可生长繁殖， 最适生长温度可达20以上的微生物,1345下能生长的微生物,低温微生物,2、微生物种类,嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏感，分布范围窄) 耐冷

4、菌：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌,嗜冷菌绝大多数是G-菌,长期低温：深海，两极，冰川，高空 短期低温：冬季,42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处的冰芯中分离到的活细菌。,在低温下生长的微生物还有酵母、真菌和藻。,嗜冷菌雪藻,高温对嗜冷菌的影响,对物质运输的影响 低温下，低温微生物吸收和氧化外源葡萄糖的能力最强，温度升高，能力下降 温度升高，细胞膜失去吸收外界环境营养物功能,P20-21,对代谢速率和呼吸酶的影响 嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20度便失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温下生长的原因之一。,对蛋白质合成的影响 抑制蛋白质的合成 专性嗜冷菌在22.5度条件下，蛋白

5、质的合成停止 各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相当敏感 破坏核糖体的结构和功能 温度升高，影响核糖体结构和功能，影响核糖体RNA和蛋白质之间的正常结合，核糖体的天然结构发生改变,对细胞结构的影响 破坏细胞壁 Vibrio psychroerythrus 在37度下2h，细胞壁分解 细胞的正常形状 30度处理异常芽孢杆菌时，细胞分裂所影响变成丝状 正常的细胞表面电荷 热处理Vibrio psychroerythrus，细胞膜的磷脂被释放到环境中，增加电泳泳动速度 细胞的渗透性 热处理嗜冷菌时，渗透压发生变化引起细胞裂解,对细胞分裂、基因调控和RNA合成的影响 温度升高，嗜冷菌细胞分裂受到影响 温

6、度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白质和DNA含量不变，但由于RNA酶失活而导致RNA含量下降,二、低温微生物适应低温的分子机理,通过信号传导使低温微生物适应低温环境,膜蛋白的磷酸化、去磷酸化反应来感应温度变化 耐冷菌Pseudomonas syringae脂多糖和膜蛋白的磷酸化和去磷酸化反应和温度变化有关,P21-22,调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通透性，保证膜的正常生理功能,增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动状态，保持物质转运能力和酶活力 增加

7、不饱和脂肪酸的组入，增加不饱和脂肪酸的合成 缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支链的比例，减少环状脂肪酸的比例等 （有利于膜脂熔点的降低并在低温下保持液晶态） 脂含量升高、膜面积增大 （有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）,生长在5的南极好氧菌，细胞脂质总脂肪酸中棕榈油酸、油酸等不饱和脂肪酸的含量超过90。,低温微生物的蛋白质和蛋白质合成,嗜冷菌合成大量的低温酶类，弥补因低温导致的反应速率下降的问题； 嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类（同功酶），在一定范围的不同温度下始终保持代谢活力,维持生命现象。 低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象。 嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（Vibr

8、io中异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）,低温微生物通过产生冷冲击蛋白（cold shock protein）适应低温环境,当生长温度从21降到5时，嗜冷酵母能在12 h内合成26种冷冲击蛋白。,应对全球变化可能对人类的危害 冰箱中低温微生物的生长对食品防腐的挑战 葡萄球菌在低温下产生毒素；链球菌可在冷牛奶中产酸;变形杆菌在低温下引起鸡蛋变黑 为研究生物的进化提供材料 为古气候的重建提供信息 为探索诸如火星等外星生命存在的可能性提供线索,三、低温微生物的潜在应用,低温微生物对受污染环境的原位清洁作用 泄漏于土壤、海洋中的原油、废弃物等的生物降解 耐冷菌能矿化甲苯等多种污染物 抗冻基因的获取

9、与应用 植物病原菌假单胞菌在零下35度通过产生冰核蛋白在叶子上形成冰晶引起植物冻害，基因敲除与植物抗冻 食品发酵工业中的应用 节约能源并减少中温菌污染 从低温微生物中得到脂酶、蛋白酶和半乳糖肝酶在食品工业中应用 洗衣粉中低温酶开发,低温微生物活性物质的潜在应用 环境保护、医药、食品、日化等领域,多不饱和脂肪酸（Ployunsaturated Fatty Acids, PUFAs） 抗紫外线物质 抗菌、抗肿瘤物质 低温酶,一株南极稀有放线菌的发酵液中分离到具有抗肿瘤活性的物质G905A，经鉴定其结构与肿瘤抗生素sandramycin相同。,思考题： 1、低温微生物对低温的耐受情况 2、低温微生物

10、生存在低温条件时的一般机理 3、低温微生物的潜在应用,第二节 高温环境中的微生物,自然界中存在许多自然和人工的高温环境,正在喷发的火山（1000）、流出的火山岩浆（在500以上）、在这些火山周围的土壤和水 深海中地热区 沸腾的温泉（93109）、非沸腾的温泉 受太阳光直接辐射的物体表面（6070） 工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水 堆肥等,嗜热微生物（thermophilic microorganisms）包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、甲烷菌、甲基营养菌、硫氧化菌、硫还原菌、假单胞菌、放线菌、原生动物、藻和真菌等。,一、高温环境中的微生物,地热泉,一、高温环境中的微生物,在55或

11、55以上生长的微生物都叫做嗜热菌。,专性嗜热菌：最适生长温度在65 70之间，当生长温度低于35时，生长便停止。 兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和嗜中温菌生长温度（13 45 ）之间，其最适生长温度在55 65之间。 抗热菌：最适生长温度在20 50之间，但也能在室温下生长。,一般嗜热菌可以分为三类：,从海底的热火山口分离得到的坎氏甲烷嗜高热菌生长最低温度是84，最适温度是98，在110下也能生长（高于水的沸点）。,水生嗜热杆菌 (Thermus aquaticus),Thermus: 正常生长在55左右，耐热可至7580，其孢子可在pH6.1的溶液中沸煮24小时而不失活,热网菌

12、属（Pyrodictium），最低生长温度是82，最适温度是105，最高生长温度是110。,隐蔽热网（Pyrodictium occultum）,多数嗜热生物属於古菌，很多嗜热生物也可以抵抗其它极端环境，如高酸度或辐射强度。,嗜酸热硫化叶菌 （Sulfolobus acidocaldarius）,既嗜酸又嗜热，能利用S为能源，pH0.5，温度6575条件下生长，最高生长温度8590。 在酸性温泉中能将二价铁氧化成三价铁，并利用CO2为碳源，用于细菌浸矿和处理石油和煤中的含硫化合物。,极端嗜热菌,超嗜热生物（极端嗜热生物） 2003年发现的一株古菌“菌株121”甚至能在和灭菌锅相同的温度，即12

13、1下，24h内，细胞数目加倍。 超嗜热生物最初於1960年代在美国怀俄明州黄石公园的热泉中发现。此后，又发现了50种以上。一些超嗜热生物需要至少90的高温才能够存活。 尽管目前还没有发现能在121以上正常生活的生物，但它们的存在还是很有可能的（菌株121在130下两个小时仍存活，但换入103的新鲜培养基后不能繁殖）。 大概不存在150或更高温度下存活的生物，因为DNA和其它对生命活动很重要的分子在此温度下会分解。,1. 原核嗜热微生物,能在高温条件下生长的原核微生物包括光合细菌、化能自养细菌和一些异养菌。,热变形菌严格厌氧，生长温度为70-97。pH在2.56.5之间，在富硫的温泉及其它热的水

14、环境中找到。,当温度超过80时，环境中存在的细菌主要为古细菌（Archae），如:,绝对厌氧的产甲烷细菌Methanococcus jannaschii,能代谢硫的好氧和厌氧细菌Sulfolobus,真菌,2. 真核嗜热菌,嗜热真菌一般存在于许多高温环境中，如堆肥、干草堆、谷仓和碎木堆中。 在蘑菇栽培过程中，嗜热真菌的存在有助于堆料中各种多聚物的降解，为以后培养蘑菇提供营养物，并可以增加蘑菇产量，缩短堆料时间。 在堆料过程中，许多嗜热真菌可以降解塑料的增塑剂和聚乙烯。,Cyanidium caldarium是一种唯一能在pH5、温度高于50的自然环境中生长的藻类。其最高生长温度为5560 ，广

15、泛分布于酸性温泉和温度较高的陆地中。 在酸性温泉排出水中，这种藻类通常与凝结芽孢杆菌以及真菌Dactylaria gallopara生活在一起，后两种微生物可以从中获得营养。,嗜热藻类,二、高温下微生物生命的分子机理P25,细胞膜p26 ： 增加脂肪酸烷基链的长度 降低烷基链的不饱和程度 增加甲基分枝链的比例,嗜热脂肪芽孢杆菌、栖热菌属细胞中含有高比例的长链饱和脂肪酸和具有分枝的脂肪酸，异和前异脂肪酰基链是主要的。 嗜热芽孢杆菌细胞膜中含有w环己基脂环族的脂肪酸，有利于在低pH和高温下维持膜的半渗透功能。 含类异戊醇，形成共价交联的双层膜，在广泛温度范围内保持膜的液晶状态,呼吸链蛋白 呼吸链的

16、组分和ATP酶的抗热性影响微生物的最高生长温度，嗜热脂肪芽孢杆菌中的ATP酶热稳定性高，对解离剂的抗性大,tRNA 从嗜热微生物中提取的tRNA热稳定性高（碱基取代，硫化） 多聚胺 多聚胺在调节核酸合成、蛋白质合成和细胞分裂方面起着重要作用 嗜中温菌中仅含有二聚胺和三聚胺，嗜热菌中含有更长链的多聚胺 嗜热脂肪芽孢杆菌含有精胺和亚精胺 多聚胺可以恢复无细胞抽提物的蛋白质合成能力 热亚精胺具有热抗性活力，高温下稳定核糖体和mRNA与氨基酸tRNA之间的一种三元复合物,蛋白质P28 氨基酸的取代 生长温度在某种程度上也会决定蛋白质的热稳定性 增加分子内离子键结合力而稳定蛋白质 合成热抗性蛋白 底物和

17、效应物可稳定某些酶 通过化学试剂对酶进行化学修饰或把酶通过共价键交联在不溶性的多聚物上，改变蛋白质的分子表面，提高酶的热稳定性 金属离子可稳定高温下的蛋白质分子 真菌和酵母中多羟基醇提高蛋白质的热稳定性 低水活度利用有机溶剂和水混合物制备的酶热稳定提高,优点 嗜热菌时代时间短，缩短了合成次级代谢产物的生产周期 发酵温度高，减少杂菌污染 减少冷却费用 温度高，培养基的粘度下降，减少搅拌动力 高温下，增加有机物和无机盐的溶解度 高温下，有利于生产挥发性物质，解除末端抑制 嗜热菌产生的酶具有常温下的高稳定性,三、嗜热菌的应用,缺点 高温培养要求高 引起水蒸发，培养基成分的热不稳定性 现有的遗传学方法

18、改造嗜热菌还有许多局限性,工业酶制剂 凝结芽孢杆菌和嗜热盐孢杆菌产的葡萄糖异构酶在80度下稳定30min，生产果糖浆 热纤梭菌的纤维素酶在70度下稳定15min，不受钙、镁离子影响，用于造纸废水的处理 嗜热菌产核酸内切酶 嗜热芽孢杆菌产热稳定性的菊糖酶，从菊糖生产高果糖浆,应用,嗜热酶作为生物催化剂的优点：,酶制剂的成本降低，稳定性提高，可在室温下分离提纯和包装运输，并能长久保持活性； 加快了动力学反应； 对反应的冷却系统要求降低，因而降低能耗，降低成本，并减少冷却过程对环境造成的污染； 嗜热酶催化反应（超过60）过程中很少杂菌污染，提高产品纯度，简化提纯过程； 生化过程在高温下进行能增加难溶性物质如淀粉类、纤维素类、多芳香类和脂类等的溶解性和可利用性，降低有机化合物的黏度而利于物质的扩散和混合。,废物处理和甲烷生产（高温型厌氧反应器） 能把有机物快速转化为甲烷，减少固体废弃物的停留 改进工作效率 嗜热菌生长效率较低，减少生物量 致病菌和病毒受到抑制 不用搅拌 培养基粘度下降，减少能量 甲烷可以作为燃料,堆肥 中温菌生长代谢产热，引起堆肥温度上升（80度） 高温菌主要有芽孢杆菌、链霉菌、高温单胞菌、糖单胞菌属和高温放线菌,堆肥,乙醇生产 高温发酵可以一边发酵一边进行乙醇蒸馏，防止