环境微生物学

环境微生物学环境微生物学第1页古菌分布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。在咱们这个星球上，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。环境微生物学第2页Pyrodictiumisageneraofsubmarinehyperthrmophilicarchaeawhoseoptimalgrowthtemperaturerangesfromapproximately80oC-105oC.Theyhaveauniquecellstructureinvolvinganetworkofcannulaeandflat,disk-shapedcells.隐蔽热网菌Pyrodictiumoccultum环境微生物学第3页1977年，地质学家对大陆漂移学说产生了浓厚兴趣，依据学说，太平洋板块和南美板块应该有一条断裂带，他们制造了一个名叫阿尔文号潜水艇，来到了赤道附近加拉帕戈斯群岛，当下潜到2500深海底时候，他们被眼前景象惊呆了：数十个高约2-5米柱状物正向海水中喷着黑色烟雾，阿尔文号好像穿梭在

“海底工厂”之中。更让他们诧异是这些黑烟囱周围还生活着大量奇形怪状生物，它们生存密度很高，俨然是一个庞大而有序生物群落。环境微生物学第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，这些喷发口在科学上被称为海底热液口。如今已经发觉了140多处这么喷口场。黑烟囱附近生物量往往是附近深海环境中生物量数万倍。海底热液高达300-400oC，而海底平均温度只有2摄氏度，其温度跨度之大也能够想象。隐蔽热网菌就生活在这里。环境微生物学第5页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。古菌分布环境微生物学第6页古细菌概念1977年由CarlWoese和GeorgeFox提出，原因是它们在16SrRNA系统发生树上和其它原核生物区分。这两组原核生物起初被定为古细菌(Archaebacteria)和真细菌(Eubacteria)两个界或亚界。Woese认为它们是两支根本不一样生物，于是重新命名其为古菌(Archaea)和细菌(Bacteria)，这两支和真核生物(Eukarya)一起组成了生物三域系统。

环境微生物学第7页在细胞结构和代谢上，古菌在很多方面靠近其它原核生物。然而在基因转录过程上，它们并不显著表现出细菌特征，反而非常靠近真核生物。比如，古菌转译使用真核开启和延伸因子，且转译过程需要真核生物中TATA框结合蛋白和TFIIB。

环境微生物学第8页古菌还含有一些其它特征。与大多数细菌不一样，它们细胞壁缺乏肽聚糖。而且，绝大多数细菌和真核生物细胞膜中脂类主要由甘油酯组成，而古菌膜脂由甘油醚组成。这些区分可能是对超高温环境适应。古菌鞭毛成份和形成过程也与细菌不一样。

环境微生物学第9页形态

单个古菌细胞直径在0.1到15微米之间，有一些种类形成细胞团簇或者纤维，长度可达200微米。它们可有各种形状，如球形、杆形、螺旋形、叶状或方形。它们含有各种代谢类型。值得注意是，盐杆菌能够利用光能制造ATP，尽管古菌不能像其它利用光能生物一样利用电子链传导实现光合作用。

环境微生物学第10页进化和分类

从rRNA进化树上，古菌分为两类：广古菌(Euryarchaeota)泉古菌(Crenarchaeota)另外未确定两类分别是：初古菌门(Korarchaeota)纳古菌(Nanoarchaeumequitans)环境微生物学第11页广古菌门(Euryarchaeota)包含了古菌中大多数种类，包含了经常能在动物肠道中发觉产甲烷菌、在极高盐浓度下生活盐杆菌、一些超嗜热好氧和厌氧菌，也有海洋类群。在16SrRNA系统发育树上，它们组成一个单系群。环境微生物学第12页古菌域(Archaea)－广古菌门盐杆菌纲(Halobacteria)甲烷杆菌纲(Methanobacteria)甲烷球菌纲(Methanococci)甲烷微菌纲(Methanomicrobia)甲烷火菌纲(Methanopyri)古球状菌纲(Archaeoglobi)热原体纲(Thermoplasmata)热球菌纲(Thermococci)

环境微生物学第13页主要类群1、产甲烷古菌2、极端嗜盐古菌3、还原硫酸盐古菌4、无细胞壁古菌环境微生物学第14页1、产甲烷古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。产甲烷细菌是都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。环境微生物学第15页嗜热自养甲烷杆菌

Methanobacteriumthermoautotrophicum0.2-1.0mmx1.2-120mmOptimumtemperaturerangesfrom35-70oCCellsstainGramnegative环境微生物学第16页亨氏甲烷螺菌

Methanospirillumhungatei

环境微生物学第17页大个别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)。

甲烷短杆菌属Methanobrevibacterspp.环境微生物学第18页

产甲烷古菌是一个极其古老微生物，能在无氧、无阳光条件下生存，借助化学反应能量或地热等进行新陈代谢，甲烷是其代谢产物。研究人员分析从格陵兰岛地下3千多米深处采集冰芯样本底部，发觉其中甲烷浓度异常高，而周围大致同一深度却只有少许产甲烷古菌生存。研究人员认为，冰芯中高浓度甲烷应该就是漫终年代中积累产甲烷古菌代谢产物，他们分析这些产甲烷古菌代谢速率后发觉古菌已在地下生存了10万年之久，在地下3千多米严酷环境下产甲烷古菌代谢极其迟缓，它们产生甲烷却逐步积累起来。环境微生物学第19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。

环境微生物学第20页这几年随太空科技越来越发达，对于火星有不少研究，科学家在火星上放置了两台火星车，对于火星上各种物质开始研究，然而火星上到底是否有生命?火星上面极有可能有甲烷古菌，甲烷古菌能够生存在非常恶劣环境，是人类所知道古菌类最多一群，它曾经在二十三亿年前称霸过地球，它也是地球上当前唯一能够产生甲烷微生物。用太古生物能在恶劣环境生存角度来看，外层空间中到底生命存在是否问题，只是还没有发觉而已。

环境微生物学第21页甲烷古菌（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。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；有不少高等生物体内含有甲烷古菌，还能够帮助高等生物分解废物后放出气体，地球上暖化现象地球暖化现象除二氧化碳外，甲烷菌也是主要原因之一。

环境微生物学第22页火星大气中发觉甲烷气体有一些科学家表示，这很有可能就是火星上面有生命存在主要证据。这一消息和说法引发了不少人浓厚兴趣与大胆猜测。火星上面有两辆火星车（勇气号与机遇号）已经发觉了不少证据，说明了火星上曾有湿润历史环境，也曾经有过狂暴、酷热时期，气候干燥缺水，经常有天体撞击和火山暴发。科学家在美国地质学联合会年会上说，这些证听说明了火星上有生命体并连续存在可能性越来越大。

环境微生物学第23页机遇号与勇气号项目首席科学家说，机遇号从火星上找到了4个相关证据：1、火星车上阿尔法粒子X射线分光计在岩床中发觉了不少硫。其它仪器观察显示，那些硫以硫酸盐形式存在。这也更深入说明岩石曾经浸泡在水中。2、火星车上在岩石上拍到嵌有小球照片，那些小球并不是集中在岩石特定岩层中。3、火星车在岩石上面发觉了有许多奇怪小孔。矿物盐晶体在位于咸水中岩石里面成长，因为腐蚀或溶解而消失，经常会产生这些特征。4、火星车穆斯鲍尔分光计在岩石中发觉了黄钾铁矾水合硫酸铁矿物质，岩石处于酸性湖泊或酸性温泉环境下有可能会形成这种矿物质。环境微生物学第24页由此证实曾有液态水从其着陆区域岩石上流过。如此能够见得，只要有水就很可能存在细菌等微生物。不过科学家认为，若是火星上有生命，那么它们一定不一样于地球上生命体形式。火星探测器发觉火星上存在甲烷气体。早期生命体很可能是甲烷合成物质，所以科学家猜测火星上有过生命物质。科学家说，火星生命体有可能在含有大量酸性物质、盐分和高寒地域释放甲烷。

环境微生物学第25页

在分析甲烷古菌代谢速率后发觉，古菌已经在地下生存了10万年之久，在地下3千多米严酷环境下，甲烷古菌代谢很迟缓，10万年中它们新陈代谢产生能量，只够用来修补环境给本身基因所带来损伤，说不上繁殖发展。同时它们产生甲烷也逐步积累起来。研究人员认为，甲烷古菌很可能存在于火星上，也是火星大气中甲烷起源。火星大气中甲烷浓度大约为亿分之一，不过在火星环境中甲烷是不会稳定存在，因为太阳光很轻易让甲烷与氢氧基结合成为水和二氧化碳，而当前又没有证据证实火星上有连续出产甲烷化学过程，甲烷很可能是生物过程产生。

环境微生物学第26页

科学家依据火星大气中甲烷流失速度和冰芯附近产甲烷古菌代谢速率计算出：若产甲烷古菌是火星大气中甲烷起源，假设它们在零摄氏度环境下10米厚地层中平均分布，那么古菌分布浓度只要到达每毫升容积1个古菌，就能够稳定地维持火星大气中甲烷浓度。为了验证这一构想，他们当前正在制造一台萤光探测仪，用来探测产甲烷古菌新陈代谢时产生微弱萤光，这台仪器能够探测出每毫升土壤或地层中存在一个古甲烷菌，未来还能够安装在新火星车上寻找火星生命。环境微生物学第27页结论在火星上面，因为两辆火星车勇气号与机遇号探索，使咱们对于火星上面生命存在，也愈加认识。两辆火星车探索，在火星上面发觉了水及在火星大气中发觉甲烷，其中甲烷是生物所制造。在更近一步探测在每毫升土壤或地层中存在一个甲烷古菌。甲烷古菌，它只需二氧化碳和氢气就能生存，而且还会产生甲烷，使火星甲烷浓度维持一定。甲烷古菌还将成为人类在太空中找寻生命理论依据，宇宙中生命有着许多值得咱们学习地方。环境微生物学第28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。环境微生物学第29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。环境微生物学第30页Halobacteriumsp.

环境微生物学第31页《齐民要术》里面描述了在海滩上盐田，发觉到一定时候，这个盐池就会变红。按现在咱们知识，就是咱们现在认识嗜盐菌。

在我国西部地域有相当数量大盐湖。当前为止，在这些盐湖中找到3个新属，12个新种。环境微生物学第32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。环境微生物学第33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。环境微生物学第34页4、无细胞壁古菌－热原体属在古生菌中，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。环境微生物学第35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。环境微生物学第36页当前已知热原体只有三个种：嗜酸热原体(T.acidophilus)氧化硫热原体(T.thiooxidans)火山热原体(T.volcanium)。环境微生物学第37页ThermoplasmaacidophilumThiobacillusthiooxidansMS-A-115株环境微生物学第38页泉古菌门(Crenarchaeota)是古菌一个大分支，包含很多超嗜热生物，但在一些海洋里超微浮游生物中也占有相当百分比（还未成功培养），也有肠道中分离出种类（餐古菌目）。它们和其它古菌主要区分在于16SrRNA序列。从系统发育树上看，泉古菌分支相对较短，且非常靠近古菌基部。按照伯杰氏手册，当前本门只分一个纲和四个目（未包含餐古菌）。

环境微生物学第39页古菌域(Archaea)－泉古菌门纲：热变形菌纲(Thermoprotei)暖球形菌目(Caldisphaerales)

除硫球菌目(Desulfurococcales)

硫化叶菌目(Sulfolobales)

热变形菌目(Thermoproteales)

餐古菌目(Cenarchaeales)*

环境微生物学第40页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．