極端微生物開發(fā)利用研究進展.doc

氨 基 酸 發(fā) 酵 論 文年 級 學(xué) 院 專 業(yè) 生物工程 學(xué) 號 姓 名 任課教師 極端微生物開發(fā)利用研究進展摘要：極端微生物是生物對極端環(huán)境適應(yīng)的特殊種類，研究極端微生物的特性對探索生命起源、微生物的育種及開發(fā)利用等具有重要意義。本文介紹了它們的特點和應(yīng)用價值，旨在為極端微生物的開發(fā)利用提供一定的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：極端微生物；開發(fā)利用；應(yīng)用價值The progress of extremophilic microorganisms and their exploitationAbstract：Extremophilic microorganisms are special kinds of beings adapted to extreme environment.Study the characteristics of extremophilic microorganisms has important significance to for exploring the origin of life,breeding of microorganisms,and their development and utilization.This article summarized and purporting to provide a certain reference in development of utilization of extremophilic microorganisms.Keywords：extremophilic microorganism;exploitation;value1 概念極端微生物（Extremophiles），又稱嗜極菌，是一些能夠在極端環(huán)境下生長的微生物，包括嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜壓、嗜金屬、抗輻射、耐干燥和極端厭氧等多種類型1。所謂極端環(huán)境，是指高溫、低溫、高pH、低pH、高鹽度、高壓等普通微生物所不能生存的環(huán)境。為了方便研究，一般將極端環(huán)境的條件確定如表1。開展極端微生物的研究，對于認識極端生命的本質(zhì)，了解極端生命的嗜極機制及其與環(huán)境互作的規(guī)律，以及極端微生物獨特資源的開發(fā)和利用，都具有極其重要的意義。本文介紹嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜壓等極端微生物及其開發(fā)利用進展。表一 極端環(huán)境條件2Table 1 Extreme environments2極端環(huán)境條件極端環(huán)境條件pH 9有機溶劑1 %溫度70 重金屬汞、鎘等鹽度15 %其他紫外線、X射線等壓力400 atm2 類型2.1 嗜熱菌（thermophiles）2.1.1 生理特點嗜熱菌俗稱高溫菌，廣泛分布在溫泉、堆肥、地熱區(qū)土壤、火山及海底火山地等，最適生長溫度可在90 以上，美國學(xué)者Baross從火山噴口分離出的一些細菌甚至可生活在250 環(huán)境中。已發(fā)現(xiàn)的極端嗜熱菌有20多個屬，大多為古細菌。此外，污泥、溫泉和深海地熱海水中，還生活著能產(chǎn)甲烷的嗜熱細菌，其環(huán)境溫度高，鹽濃度大，壓力也非常高。而嗜熱真菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高溫環(huán)境中，有助于一些有機物的降解3。2.1.2 主要活性物質(zhì)及其開發(fā)利用（1）嗜熱酶 已從嗜熱菌中分離到多種嗜熱酶（55-80 ）及超級嗜熱酶（80-113 ）。其不僅具有化學(xué)催化劑無法比擬的優(yōu)點，如催化效率高和底物專一性強，而且高溫下穩(wěn)定性好，因而可克服中溫酶（22-55 ）及低溫酶（-2-20 ）在應(yīng)用過程中常出現(xiàn)的生物學(xué)不穩(wěn)定的缺點，從而使許多高溫化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn)4。其中，耐熱DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)，使聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)的自動化得以實現(xiàn)，大大推動了生物工程的發(fā)展。與普通DNA聚合酶相比，它可使PCR過程中高溫變性（90 以上）、低溫退火（55-60 ）、適溫延伸（70左右）均可在酶一次加入的情況下反復(fù)循環(huán)，從而實現(xiàn)了自動化。而且，有的耐熱DNA聚合酶還具有逆轉(zhuǎn)錄活性，可用于cDNA文庫的單酶法構(gòu)建和擴增，可克服mRNA二級結(jié)構(gòu)對反轉(zhuǎn)錄過程的抑制作用，簡化構(gòu)建和擴增過程。目前應(yīng)用最多的耐熱DNA聚合酶是Taq聚合酶，此外還有Tth聚合酶、Tca聚合酶等5。（2） 抗生素 已有報道稱，利用嗜熱菌Thermoactinomyces獲得了9種抗生素，其中熱紅菌素及熱綠鏈菌素已工業(yè)化，并在醫(yī)藥領(lǐng)域得到應(yīng)用4。（3） 其它活性物質(zhì) Kplan等4利用Pseudomomonas thermophila中的一種嗜熱需氧菌生產(chǎn)出了多種B族維生素，還利用嗜熱菌對2,4,6-三硝基甲苯進行了轉(zhuǎn)化。2.2 嗜鹽菌（Extremehalophiles）2.2.1 生理特點嗜鹽微生物通常分布在曬鹽場、鹽湖、海洋等高鹽度環(huán)境中。嗜鹽微生物通過保持滲透平衡得以生存，它們可以積累NaCl或KCl至很高的水平。根據(jù)在不同鹽濃度下生長情況，Kushner6將嗜鹽菌分為5類：非嗜鹽菌、弱嗜鹽菌、中等嗜鹽菌、極端嗜鹽菌、耐鹽菌。2.2.2 主要活性物質(zhì)及其開發(fā)利用（1）嗜鹽酶 嗜鹽酶能夠在較高鹽濃度下發(fā)揮作用，現(xiàn)已應(yīng)用的主要是利用嗜鹽菌生產(chǎn)SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等8。（2）抗生素 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有上百株極端嗜鹽古菌可以產(chǎn)生嗜鹽菌素，它是一類蛋白類抗生素。厲云等10已發(fā)現(xiàn)由halobacterium QD5產(chǎn)生的嗜鹽菌素對蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）也有一定的抑制作用。Price等對嗜鹽菌素S8的進一步研究發(fā)現(xiàn)，嗜鹽菌素S8其性質(zhì)雖穩(wěn)定，但抑菌譜很窄，只對少數(shù)極端嗜鹽古菌有抑制作用，因此在生產(chǎn)上無應(yīng)用前景7。（3）其它物質(zhì) 嗜鹽菌尤其是嗜鹽藻類還可以產(chǎn)生胡蘿卜素，是強力抗氧化劑，具有抗癌、抗心血管疾病和抗白內(nèi)障的功能。有的嗜鹽菌還可以產(chǎn)生胞外多糖，具有優(yōu)良的流變性能，可被用作增稠劑、乳化劑、黏稠劑等用在食品、化妝品、藥品和石油工業(yè)中3。2.3 嗜堿菌（alkaliphiles）2.3.1 生理特性多數(shù)生活在鹽堿湖或堿湖、堿池中。最適生長在pH 8.0以上，通常在pH 910之間的微生物稱為嗜堿菌。有些菌在pH中性或以下不能生長，稱為專性嗜堿菌（obligate alkaliphiles），而有些菌在pH中性或以下可以生長，稱為兼性嗜堿菌（facultive alkaliphiles）。2.3.2 主要活性物質(zhì)及其應(yīng)用9,10（1）嗜堿酶 嗜堿菌可以產(chǎn)生多種嗜堿酶，主要有:由嗜堿桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶（CGTase）可用于生產(chǎn)環(huán)糊精。嗜堿酶用于皮革工業(yè)的脫毛工藝，可顯著提高脫毛的效率和質(zhì)量，避免了舊工藝使用NaOH和Na2S對毛皮的損傷，使皮革腫脹，后繼加工難以進行的缺點。此外，嗜堿菌還能產(chǎn)生淀粉酶、脂肪酶、木聚糖酶、幾丁質(zhì)酶等，具有廣闊的應(yīng)用前景。（2）抗生素類 目前已從嗜堿菌發(fā)現(xiàn)了一些具有抗菌活性的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)類型有-內(nèi)酰胺類、丁酰苷菌素、吩嗪類等，但均無太大工業(yè)生產(chǎn)價值。（3）其它活性物質(zhì) 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多由嗜堿菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，主要有：2-氨基苯、類胡蘿卜素、siderophores、膽酸衍生物、7,12-二酮基羥基膽烷酸、7-酮基去氧膽酸、酮基鵝去氧膽酸、甲酸、乙酸、苯乙酸等。2.4 嗜冷菌（psychrophiles）2.4.1 生理特點在地球的南北極地區(qū)、冰窖、終年積雪的高山、深海和凍土地區(qū)，生活著一些嗜冷微生物3。專性嗜冷菌生活在低于20以下的環(huán)境中，溫度高于20即死亡。嗜冷微生物能在0或更低溫度下生長，最適生長溫度為15或更低。有一種專性嗜冷菌，在溫度超過22時，其蛋白質(zhì)的合成就會停止11。2.4.2 主要活性物質(zhì)及其利用開發(fā)（1）低溫酶 近年來，低溫酶的研究廣泛開展，主要集中在耐冷機制和生物工程應(yīng)用方面。已有20多種低溫酶得到了純化或克隆表達。主要有：-半乳糖苷酶、丙氨酸脫氫酶、乙醇脫氫酶、-淀粉酶、天冬氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶、蛋白酶、幾丁質(zhì)酶、DNA連接酶、檸檬酸合成酶等，主要用于食品工業(yè)、低溫條件下的生物催化、洗滌添加劑、環(huán)境生物治理等12。來自嗜冷微生物的許多酶類的典型特征是在中等的溫度下高催化活性和低溫穩(wěn)定性相關(guān)，原因可部分解釋為與嗜溫和嗜熱酶類相比增加了分子的彈性。將這些酶類用于低溫保存等方面的研究已成為熱點16-19。一般認為酶類分子彈性的增加伴隨著穩(wěn)定性的的降低，而穩(wěn)定性與酶活性間存在平衡。但是,來自自然界和蛋白質(zhì)工程研究的大量例子表明，涉及穩(wěn)定性和活性的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征很不相同，且獨立發(fā)生作用20,21。（2）抗生素類 1972年Yoshida自嗜冷鏈霉菌得到一種新的肽類抗生素，命名為冷霉素（cryomycin），體外具有很強的抗G+菌的活性13。2.5 嗜壓菌（piezophiles）和嗜酸菌（acidophiles）8,14,15嗜壓菌多為古細菌，一般生活在深海底，能夠耐受普通微生物所不能耐受的高壓。多數(shù)生長在17-18 mPa的環(huán)境中，高的達1104 mPa以上，低于14-18 mPa則不能生長。目前報道的最耐壓的是美國海洋學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一些菌種，能夠生長在113-114 mPa環(huán)境中。嗜酸菌一般指那些生長pH上限為310，最適生長pH在110-215之間的微生物。它們一般分布于金屬硫礦床酸性礦水、煤礦床酸性礦水及含硫溫泉和土壤中。目前，這兩種極端微生物目前研究較少。3 結(jié)語綜上所述，極端微生物所產(chǎn)生的活性物質(zhì)擁有普通微生物活性物質(zhì)所不具備的優(yōu)良特性，展現(xiàn)出了廣闊的研究與應(yīng)用前景。但是對于極端微生物的生理結(jié)構(gòu)特點和適應(yīng)機制，以及其活性物質(zhì)的穩(wěn)定機制等尚不是很清楚，工業(yè)化生產(chǎn)尚不成熟。進一步的深入研究具有重要的意義。參考文獻1 郝滌非.極端微生物及其應(yīng)用J.生物化學(xué)教學(xué),2006,31(6):2-4.2 方金瑞,黃維真.海洋極端微生物的分離及其開發(fā)研究J.中國海洋藥物,1996,57(1):51.3 顧覺奮,羅學(xué)剛.極端微生物活性物質(zhì)的研究進展J.中國天然藥物,2003,1(4):251-253.4 王柏婧,馮 雁,王師鈺,等.嗜熱酶的特性及其應(yīng)用J.微生物學(xué)報,2002,42(2): 259-262.5 陳朝銀,劉麗,賁昆龍.棲熱菌屬熱穩(wěn)定DNA聚合酶J.生物技術(shù),2001,11(4): 31-34.6 張永光,李文均,姜成林,等.嗜鹽放線菌的研究進展J.微生物學(xué)雜志,2002,22(4): 45-48.7 Price LB,Shand RF. Halocin S8:a 36-amino-acidmicrohalocin from the haloarchaeal strain S8aJ.J Bacteriology,2000,182(17):4951-4958.8 柳耀建,林 影,吳曉英.極端微生物的研究概況J.工業(yè)微生物,2000,30(3):53-55.9 Horikoshi K.Alkaliphiles:some applications of their products for biotechnologyJ.Microbiology and Molecular Biology Reviews,1999,63(4): 735-750.10 徐恒平,張樹政.嗜極菌的極端酶J.生物工程進展,1997,17(1): 2-5.11 辛明秀,馬延和.嗜冷菌和耐冷菌J.微生物學(xué)通報,1999,26(2):155,109.12 朱非,王珊,周培瑾.低溫酶適應(yīng)的分子機制及其在生物技術(shù)中的應(yīng)用J.微生物學(xué)報,2002,42(5): 640-644.13 Yoshida N,Tani Y,Ogata K. Cryomycin,a new peptide antibiotic produced only at low temperatureJ.J Antibiot,1972,25(11):653-659.14 何正國,李雅芹,周培瑾.極端嗜酸微生物J.微生物學(xué)通報(Microbiology),1999,26(6): 452.15 Abe F,Horikoshi K.The biotechnological potential of piezophilesJ.Trends in Biotechnology,2001,19(3): 102-10816 Bentahir M, Feller G, Aittaleb M,et al.Structural, kinetic, and calorimetric characterization of the cold-active phosphoglycerate kinase fromthe Antarctic pseudomonassp.TACII18J.J Biol Chem,2000,275:11147-11153.17 Kim SY, Hwang KY, Kim SH,et al.Structural basis for cold adaptation.Sequence, biochemicalproperties,and crystal structure of malate dehydrogenase from a psychrophile Aquaspirillium actricumJ.J Biol Chem,1999, 274:11761-11767.18 Fields PA: Review. Protein function at thermal