微生物生态学-3.1极端自然环境中的微生物

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:

5.5

M

NaCl(32%)

（嗜盐菌）

pH:

pH

1.0-1.7（阿曼嗜酸亚铁原体）1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2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3特有的微生物嗜冷菌(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。4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。5第一节低温环境中的微生物6一、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）7

嗜冷微生物（psychrophiles）耐冷菌（psychrotrophs）嗜中温微生物（mesophilies）0℃以下或3～20℃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℃。0～5℃可生长繁殖，最适生长温度可达20℃以上的微生物13～45℃下能生长的微生物低温微生物82、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9某些低温环境中的微生物低温环境微生物生长或生存温度高空芽胞杆菌0℃丁香假单胞菌-2℃南极上空节杆菌，短杆菌冰川，山洞节杆菌，假单胞菌，黄杆菌-5℃～18℃低温湖泊假单胞菌，弧菌，黄杆菌，不动杆菌和各种粘细菌长期冻结的湖泊噬纤维菌地球两极的土壤固氮菌在1℃下固氮芽胞杆菌，微球菌-7℃1042万年的南极东方湖（LakeVostok）3593m处的冰芯中分离到的活细菌。11分离自淡水湖及海湾水中的耐冷细菌群细菌群海水淡水Azotobactersp.++反硝化菌++蛋白质分解菌++紫色非硫细菌++绿色硫细菌++硫酸盐还原菌++硫氧化菌+-纤维分解菌++12在低温下生长的微生物还有酵母、真菌和藻。嗜冷菌——雪藻13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P20-2114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。15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16对细胞结构的影响破坏细胞壁Vibriopsychroerythrus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Vibriopsychroerythrus，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17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Micrococcuscryophilus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18二、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Pseudomonassyringae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P21-2219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）20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％。21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（Vibrio中异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）22低温微生物通过产生冷冲击蛋白（coldshockprotein）适应低温环境当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母能在12h内合成26种冷冲击蛋白。23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24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与应用

植物病原菌假单胞菌在零下3－5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25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（PloyunsaturatedFattyAcids,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。26已被研究的微生物低温酶类酶种类来源菌株酶的最适反应温度主要应用范围蛋白酶假单胞菌20℃去污、食品、皮革、纺织、分子生物学胰蛋白酶Colwellia-likestrain12℃医药、去污、食品-半乳糖苷酶Colwellia-likestrain15℃乳品工业柠檬酸合成酶南极细菌DS2-3R31℃生物转化丙氨酸消旋酶Bacillussp.0℃酶活较高，35℃失活食品储藏、抗菌剂脂酶Pseudomonassp.25-35℃食品、去污、化妆品、医药27思考题：1、低温微生物对低温的耐受情况2、低温微生物生存在低温条件时的一般机理3、低温微生物的潜在应用28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（93℃～109℃）、非沸腾的温泉受太阳光直接辐射的物体表面（60℃～70℃）工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水堆肥等29嗜热微生物（thermophilicmicroorganisms）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30不同类群微生物生长的最高温度微生物类群生长的最高温度（℃）原生动物≤65藻≤60真菌≤62蓝细菌≤73光合细菌≤73化能自养菌≤90异养菌≤9031一、高温环境中的微生物在55℃或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：32微生物生长温度说明抗热菌Bacilluslicheniformis20~50在90℃以上淀粉酶仍有活力B.subtilis其遗传背景很清楚，是克隆其它嗜热杆菌基因的良好宿主，兼性嗜热菌B.coagulans30~60L-乳酸的产生菌Streptomycesthermoviolanceus在55℃以上可以产生抗生素Kluyveromycesmarxianus25～50在48℃下可以发酵的酵母菌Torulathermophila酵母菌Aspergillusfumigatus从堆肥中得到的真菌Melanocatpusalbomyces从土壤中得到的真菌33微生物生长温度（℃）说明专性嗜热菌>35Bacillussearothermophilis40～80孢子热稳定B.acidocaldarius耐热嗜酸菌Thermusadaticus45～79在基因放大过程（PCR）中所用的Tag聚合酶Thermononassporachromogena37～65在堆肥中常见的放线菌Mastigocladuslaminosus35～64蓝细菌Synechococcuslividus55～74蓝细菌Mathanobacteriumthermoautotrophicum45～75产甲烷Clostridiumthermohydrosulfuricum40～68厌氧菌C.thermocellum40～68在厌氧下降解纤维素Thermoanaerobiumethanolicus35～78在厌氧条件产生乙醇34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(Thermusaquaticus)Thermus:正常生长在55℃左右，耐热可至75～80℃，其孢子可在pH6.1的溶液中沸煮24小时而不失活35热网菌属（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（Pyrodictiumoccultum）36微生物生长温度（℃）说明酸热菌嗜酸热硫化叶菌Sulfolobusacidocaldarius50~90耐热嗜酸，氧化S，在细菌浸矿中有潜在用途Thermothrixthioparus55～85氧化SDesulfovibriothermophilus50～85SO42-还原菌Methanococcusjannaschii50～95仅能利用H2和CO2产生甲烷抗高压嗜热菌Pyrodictiumbrockii80～110在深海火山口分离的厌氧自养菌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。37嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobusacidocaldarius）既嗜酸又嗜热，能利用S为能源，pH0.5，温度65－75条件下生长，最高生长温度85－90。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。38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121℃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。

391.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。40热变形菌严格厌氧，生长温度为70-97℃。pH在2.5～6.5之间，在富硫的温泉及其它热的水环境中找到。41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Sulfolobus42属名及种数形态DNAG+Cmol%生长温度/℃最适pH最低最适最高陆地火山分离物硫化叶菌属（4）裂叶状375575-85872-3酸菌属（2）球状316585-90952火棒菌属（2）杆状46741001026海底火山分离物火网菌属（3）盘状，有附丝62821051136火球菌属（2）球状38701001066-8热球菌属（3）球状38-577088986-743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。44Cyanidiumcaldarium是一种唯一能在pH<5、温度高于50℃的自然环境中生长的藻类。其最高生长温度为55℃～60℃，广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45二、高温下微生物生命的分子机理P2546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47呼吸链蛋白呼吸链的组分和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48tRNA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49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50嗜热菌和常温菌若干特点的比较比较项目嗜热菌常温菌细胞膜的耐热性高低细胞膜的层次单分子层（类脂疏水端共价交联后形成）双分子层细胞膜成分甘油D型，其C2、C3分子上接20C植烷甘油D型，其C2、C3分子上接20C植烷DNA的G+Cmol%较高（平均53.2％）较低（平均44.9％）DNA的氢键数较多较少DNA螺距较短较长核糖体耐热性较高较弱tRNA热稳性较强较弱tRNA周转率较高较低酶的耐热性较高较低酶的稳定离子（Ca2+、Zn2+、K+）含量较高含量较低酶中特定氨基酸（Arg、Pro、Ile等）含量较高含量较低51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52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改造嗜热菌还有许多局限性53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54若干嗜热菌和中温菌所产耐热酶的比较产生菌酶热稳定性酶活性半衰期