古菌及极端微生物

1、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。,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,

2、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。

3、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

4、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

5、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,3.46 t/d,，尿及冲洗废水,4.2 t/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

6、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,280 t/d,，尿及冲洗废水,360,t/d,，日产沼气,10000m3/d,，日发电,20000 kW,h/d;,年减排,COD,9125 t,，,CO2,当量,2.4,万,t,，,TN 487 t,，,TP 96 t,。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

7、,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

8、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

9、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

10、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,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,Halobacterium spp.,?,细胞杆状,(0.5,1.2m,1.0,6.0m),。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

11、腐,败的盐制品等中性盐环,境中。,?,Halobacterium sp.,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,0.42.0 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，

12、,所以被称为热原体（,Thermoplasma,）,。,?,0.2m,到,1-,5m,。,?,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

13、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,13,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,H,2,S,氧化为,H,2,SO,4,，在厌氧条件下可还原元素硫为,H,2,S,。,?,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,（,Pyrolobus fumarii,），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,?,The newly dis

14、covered,Nanoarchaeum,equitans,(tiny cells) attached to its host,Ignicoccus spec,. (big cells). Bar 1,，,5 ,m.,左侧的细菌名为“,Herminiimonas,glaciei,”,，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,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,Pyrodictium abyssi,，它们是最初

15、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，,Pyrodictium abyssi,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。,Deinococcus peraridilitoris,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,Haloquadratum walsbyi,。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,Haloquadratum

16、 walsbyi,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,Halobacterium NRC-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。,Halobacterium NRC-1,擅,长修复其自身的,DNA,。,图片展示的细菌,Ferroplasma,acidophilum,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,

17、Desulforudis audaxviator,可能是一个真实的,“自力更生”的微生物。,Desulforudis,audaxviator,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,

18、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