極端環(huán)境微生物的研究進(jìn)展

極端環(huán)境微生物的研究進(jìn)展[摘要]極端微生物通常分為六個類群：嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜堿微生物、嗜鹽微生物、嗜壓微生物。極端環(huán)境中的微生物為了適應(yīng)生存，逐步形成了獨特的結(jié)構(gòu)和生理機能，以適應(yīng)環(huán)境。因此，研究適應(yīng)機理并利用其特殊生理機能具有重要的理論和實際意義，極端微生物能產(chǎn)生多種極端酶和其他生物活性物質(zhì)，極端微生物資源的開發(fā)利用有著廣闊的前景。極端環(huán)境(extremeenvironment)泛指存在某些特殊物理和化學(xué)狀態(tài)的自然環(huán)境，包括高溫、低溫、強酸、強堿、高鹽、高壓、高輻射和極端缺氧環(huán)境等，適合在極端環(huán)境中生活的微生物稱為極端微生物(extremophiles)(MargesinandSchinner，2001【1】；RothschildandMancinelli，2001【2】；陳駿等，2006【3】；張敏和東秀珠，2006【4】)．海洋極端環(huán)境一般是指與正常海洋環(huán)境絕然不同的物理化學(xué)環(huán)境，主要包括海底熱泉、海底冷泉和泥火山環(huán)境，其次還包括高鹽度(鹵水)、強酸化、缺氧和滯流等海洋環(huán)境。海洋極端微生物通常為化能自養(yǎng)生物(chemoautotroph)，在分類體系上屬于細(xì)菌和古細(xì)菌類，生活在無光、無氧或少氧環(huán)境，能利用一些海底熱催化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的還原性小分子(H2、H2S和CH4等)合成能量進(jìn)行有機碳固定和新陳代謝，具有獨特的基因類型、特殊生態(tài)群落、特殊生理機理和特殊代謝產(chǎn)物，有些屬于內(nèi)共生生物(endosymbiont)。一、極端微生物的種類及其生理特點1．1極端嗜熱菌（Thermophiles）一般最適生長溫度在90℃以上的微生物，被稱做極端嗜熱菌【5,6】。已發(fā)現(xiàn)的極端嗜熱菌有20多個屬，大多是古細(xì)菌，生活在深?；鹕絿娍诟浇蚱渲車鷧^(qū)域【7】。如斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的古細(xì)菌，最適生長溫度為100℃，8O℃成果之一就是將水棲嗜熱菌中耐熱的TaqDNA聚合酶廣泛用于基因工程的研究之中，以TaqDNA聚合酶為基礎(chǔ)的PCR技術(shù)獲得諾貝爾獎，給基因工程帶來革命性的進(jìn)步【13】。在醫(yī)藥工業(yè)中，利用嗜熱菌獲得了9種抗生素，其中熱紅菌素及熱綠鏈菌素已工業(yè)化生產(chǎn)，并在醫(yī)藥領(lǐng)域得到應(yīng)用。2.2嗜冷微生物環(huán)境保護(hù)方面：在寒冷環(huán)境下污染物生物降解能力的提高可通過低溫微生物特有的冷適應(yīng)酶實現(xiàn)，這一方法不但可使大規(guī)模的牲畜糞便厭氧耐冷分批消化成為可行，同時也使低溫下魚類加工廠中大量油渣以及寒冷地區(qū)污染物的生物降解都成為可能。例如Kolene【14】等在耐冷P．puttda中進(jìn)行了嗜溫型質(zhì)粒介導(dǎo)的降解能力的轉(zhuǎn)移和表達(dá)。該轉(zhuǎn)移接合體在0℃食品及日化方面：Brechley【15】。發(fā)現(xiàn)冷活性，β一半乳糖苷酸可用于降解奶制品中乳糖含量，使許多對乳糖敏感的人能飲用。此外冷活性酶可在食品低溫加工過程中起重要作用，其中以脂酶和蛋白酶最具潛力。脂酶可應(yīng)用于許多方面如作為食品的風(fēng)味改變酶、去污劑添加物，或立體特異性催化劑等【16，17】。2．3嗜酸微生物對嗜酸菌應(yīng)用研究較多的是無機化能自養(yǎng)菌，這些嗜酸菌氧化Fe2、元素硫以及硫化物的生理特性，被用在冶金、環(huán)保和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。用細(xì)菌從礦石中提取金屬稱作細(xì)菌浸出或生物濕法冶金。自從2O世紀(jì)4O年代末首次從酸性礦水中分離到硫桿菌以來，細(xì)菌提出在冶金工業(yè)上獲得成功應(yīng)用主要是銅、鈾和金3種金屬的回收【18-20】。人們也在嘗試?yán)昧驐U菌分解磷礦粉，通過提高其溶解度來增加磷礦粉的肥效。近十幾年來，由于環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和由此產(chǎn)生的環(huán)境保護(hù)攻策，使生物方法潔凈煤技術(shù)的研究受到關(guān)注。嗜酸硫桿菌還可以用來處理古硫廢氣，改良土壤等。用嗜熱嗜酸的硫化葉菌(Sulfolobus)脫除煤炭中的硫化物，不僅無機硫化物去除率高，還可去除有機硫化物【21-23】。2．4嗜堿微生物堿性酶有在高pH下穩(wěn)定的特點，因此可應(yīng)用于許多涉及到堿性環(huán)境的工業(yè)生產(chǎn)中。在發(fā)酵工業(yè)中，嗜堿菌可作為許多種酶制劑的生產(chǎn)菌，例如嗜堿芽孢桿菌產(chǎn)生的彈性蛋白酶適宜在高pH條件下裂解彈性蛋白。堿性酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用促使很多特殊特征的洗滌用酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，例如，堿性蛋白酶可用于隱眼鏡的清洗【24】、分子生物學(xué)實驗中核酸的分離【25】、害蟲的防治【26】、絲綢的脫膠【27】和麻的去木質(zhì)等等【28】。堿性果膠酶的應(yīng)用也深入到其它的生物技術(shù)領(lǐng)域以及植物病毒的純化【29】和造紙【30】等方面。由嗜堿芽孢桿菌生產(chǎn)的木聚糖酶能夠水解木聚糖產(chǎn)生木糖和寡聚糖，可用來處理人造纖維廢物，而堿性β-甘露聚糖酶降解甘露聚糖產(chǎn)生的寡糖可作為保健品的添加劑。2．5嗜鹽微生物嗜鹽菌其機制【31】已較清楚，在一定條件下能大量積累聚羥基丁酸用于可降解生物材料的開發(fā)，目前主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如外科手術(shù)、病人碳源外充等。利用菌體發(fā)酵方面，可用以生產(chǎn)聚羥基丁酸(PHB)、胞外多糖類物質(zhì)(如EPS、PAVE)等多聚化合物，也有用來生產(chǎn)食用蛋白、食品添加劑、酶的保護(hù)劑和穩(wěn)定劑、表面活性劑、抗微生物化合物、類激素物質(zhì)、EPA等，也可用來除去工業(yè)廢水中的磷酸鹽、開發(fā)鹽堿地、開發(fā)能源等。另外，嗜鹽菌體內(nèi)類胡蘿卜素、β-亞油酸等含量較高，可用于食品工業(yè)。嗜鹽菌的酶是工業(yè)上耐鹽酶的重要來源，研究人員正在探索把嗜鹽極酶用到提高從油井中提取原油量的方法中，用嗜鹽極酶可分解掉瓜兒豆膠的粘性【32】。極端嗜鹽菌產(chǎn)生的以細(xì)菌視紫質(zhì)為代表的一類含視黃醛蛋白質(zhì)作用機理有望應(yīng)用于生物電子方面。目前正試圖將菌視紫素制成離體物，用于合成ATP、太陽能電池、淡化海水、生物芯片等方面的研究，以及解決諸如宇航中人類能源不足等問題．通過基因工程手段，使細(xì)胞內(nèi)積累甜菜堿、山梨醇、甘露醇、海藻糖等相容性溶質(zhì)，能夠不同程度地提高轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽性．從利用嗜鹽菌看，有利用生產(chǎn)SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等【33】。2．6嗜壓微生物耐高溫和厭氧生長的嗜壓菌有望用于油井下產(chǎn)氣增壓和降低原油粘度，借以提高采油率。日本發(fā)現(xiàn)的深海魚類腸道內(nèi)的嗜壓古細(xì)菌．8O%以上的菌株可以生產(chǎn)EPA和DHA，最高產(chǎn)量可達(dá)36%和24%。已經(jīng)有人通過基因重組，使這些菌有效生產(chǎn)DHA。另外，嗜壓菌還可以用于高壓生物反應(yīng)器。三、展望未來極端微生物廣泛分布于地球上，它們在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，還為人類提供了豐富的微生物資源。進(jìn)入21世紀(jì)以后，極端微生物及其相關(guān)產(chǎn)物的研究以及它們在現(xiàn)代生物工程中的潛在價值，逐漸引起人們的廣泛關(guān)注，并成為一個新的研究熱點。極端微生物多樣性及應(yīng)用的研究有重要的意義：1)極端環(huán)境微生物的基因，是構(gòu)建遺傳工程菌的資源寶庫；2)極端環(huán)境下微生物的生態(tài)、結(jié)構(gòu)、分類、代謝、遺傳等均與一般生物有別，使得極端微生物所產(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，為微生物乃至相關(guān)學(xué)科的許多領(lǐng)域提供新的課題和材料；3)為生物進(jìn)化、生命起源的研究提供新的材料．但就總體情況而言，由于條件所限，許多極端微生物的培養(yǎng)受到限制，這極大地影響了極端微生物研究工作的進(jìn)行。相信隨著研究工作的深人開展，以及蛋白分子定點誘變與定向進(jìn)化，蛋白組學(xué)等新的生物技術(shù)手段的運用，人們將對極端微生物及其酶類的研究意義和應(yīng)用價值會有更深入的認(rèn)識。四、參考文獻(xiàn)：【1】Margesin，R．，Schinner，F(xiàn)．，2001．Biodegradationandbiore—mediationofhydrocarbonsinextremeenvironments．App1．Microbio1．Biotechno1．，56：65O一663．【2】Rothschild，I?J，Mancinelli，R．I?2001．Iifeinextremeen—vironments．№ture，409：1092—11Ol_【3】陳駿，連賓，王斌，等，2006．極端環(huán)境下的微生物及其生物地球化學(xué)作用．地學(xué)前緣，13(6)：l99—207．【4】張敏，東秀珠，2006．973項目“極端微生物及其功能利用的基礎(chǔ)研究”研究進(jìn)展．微生物學(xué)報，46(2)：336．【5】WoeseCR，KandlerO，WheelisML，eta1．Towardsanatu—ralsystemoforganisms：proposalforthedomainsArckaea[J]．BaeteriaandEucarya，1990，67：4576—4579．【6】StetterKO，F(xiàn)iahG，HuberG，eta1．Hyperthermophiliemi—croorganisms[J]．FEMSMicrobio1．Rev，1990，75：117—124．【7】、MichadW.AdamsW．FEMSMicrohlo]Rev．1994．(15)：261-277【8】LiuHuiqiang，ZhangLifeng，HanBin，eta1．Areviewonnewprogressinthestudiesofhalophilicbacteria[J]．JournalofXinjiangNormalUniversity(NaturalSciencesEdition)，2005，24(3)：84—88．[劉會強，張立豐，韓彬，等．嗜鹽菌的研究新進(jìn)展[J]．新疆師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，24(3)：84—88．]【9】ShenPing．Microbiology[M]．Beijing：HigherEducationPress，2000．[沈萍．微生物學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2000．]【10】徐毅等．嗜鹽古細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育分析．徽生物學(xué)報．1996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