极端微生物对极端环境的适应机理及应用研究进展

摘要 极端微生物在极端环境中生长繁殖，其必然有适应恶劣环境下的特殊细胞结构、生理机制、遗传基因等。对近几年的六大类极端微生物在分类、生存机制和应用方面的最新研究进展进行综述，为极端微生物菌种资源利用及代谢产物开发提供了一些理论依据。

关键词 极端微生物；极端环境；适应机理；应用

中图分类号 Q939.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）09-0249-02

Research Progress of Adaptation Mechanism and Application of Extreme Microbes Toward Extreme Environment

MENG Su-xiang 1 CAO Jian 1，2 *

（1 School of Bioengineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001； 2 Zhongyuan University of Technology）

Abstract Extreme microbes grow in the extreme environments，so they must own special cell structure，physiological mechanism and gene etc.In this paper，the latest studies on the survival mechanism，classification and application of six kinds of extreme microbes were reviewed，which can provide some theoretical basis for utilization and metabolites exploitation of extreme microbes strains resource.

Key words extreme microbes；extreme environment；adaptation mechanism；application

极端微生物是指生长在极端环境下，并依赖这些极端环境中的一种或几种极端因子生长的微生物的总称，包括嗜热、嗜冷、嗜盐、嗜酸、嗜碱、嗜压等多种类型的微生物。极端微生物是有着巨大应用价值的宝贵资源，这些微生物是生物圈的边界生命，近年来，对极端微生物的研究得到高度重视，特别是极端微生物应用方面，其代谢产物和菌体本身在生产生活方面的应用给人们带来了极大的利益。不仅在揭示生命起源、探索生命进化理论、生物多样性等方面带给研究者重要的启示和拓展，而且在环境保护、石油开采、能源利用、燃料乙醇生产，甚至人们的日常生活中都有广泛的应用。

1 嗜热微生物

嗜热菌是指生活在高温废水、热泉、火山等高温地带的一类微生物，根据最适温度的不同，分为极端嗜热菌（最适温度65 ℃以上）、专性嗜热菌（最适温度40 ℃以上）和兼性嗜热菌。嗜热微生物基本上都是真细菌和古细菌，已鉴定出的嗜热微生物有140种，分布于将近70属中[1]。

1.1 嗜热机理

嗜热微生物能够在高温条件下生长繁殖，必然有其独特的生存机制[2]，其细胞膜组成、嗜热蛋白质和嗜热酶、遗传物质结构的稳定性等都与常温微生物不同，概括起来主要有：细胞膜中长链饱和脂肪酸比例高，疏水键强度大，耐高温水平提高；蛋白质一级结构氨基酸的组成和排列不同，一些金属离子如Ca2+、Mg2+、Zn2+对蛋白质的空间结构起稳定作用，使蛋白质在高温条件下具有稳定性；遗传物质，包括DNA和tRNA中G、C碱基含量都很高，使堆积力增大，不易解链，并且tRNA的周转率高，可保证一些重要酶的快速合成。

1.2 嗜热菌的应用研究进展

嗜热菌是极端微生物中应用最广泛的一类微生物，国外进行了大量研究，嗜热菌中的嗜热酶更是被广泛开发利用。海藻糖是糖类中唯一对生物体具有神奇保护作用的一种糖，海栖热袍菌的海藻糖合酶基因在大肠杆菌中的表达，使得高温酶解法制备海藻糖成为现实[3]。葡糖醛酸酯酶是一种可降解植物细胞壁的新型酶制剂，将Sporotrichum thermophile的葡糖醛酸酯酶基因克隆到Pichia pastoris，表达后第1次得到嗜热葡糖醛酸酯酶[4]。在墨西哥油田，岩心驱替实验利用嗜热微生物、发酵微生物和厌氧微生物对常规技术提取后的重油进行恢复，具有明显的效果，恢复率达到19.8%[5]。利用地衣嗜热微生物Circinaria gyrosa模拟火星条件下极端微生物的生存能力，以评价地球外的可生存环境，作用120 h后，其光合作用不变，证明该嗜热菌具有很强的生存适应能力[6]。

2 嗜冷微生物

目前已知将近75%的地球生物圈基本属于低温环境，包括深海、极地、岩洞、高山和人工冷环境。根据最适温度的不同，将嗜冷微生物分为嗜冷菌（最适温度<15 ℃）和耐冷菌（最适温度>15 ℃）。已发现的嗜冷微生物有细菌、蓝细菌、真菌及嗜冷古生菌，绝大多数嗜冷微生物为革兰氏阴性菌。

2.1 嗜冷机理

低温条件下细胞膜的流动性较差，嗜冷微生物可通过改变细胞膜的组成（含有大量分支脂肪酸或短链和不饱和分支脂肪酸）来保持其流动性，并且脂肪酸的含量还随着温度的变化而变化。嗜冷微生物可产生多种嗜冷同工酶，酶组成中中性氨基酸含量增加，使其在低温条件下仍能保持酶活性。低温条件刺激具有感知温度能力的冷休克基因mRNA正常表达，产生大量冷休克蛋白，而冷休克蛋白可能是嗜冷微生物嗜冷的关键因素。tRNA在转录时结合的二尿嘧啶比例提高，以保持低温条件下的流动性[7]。

2.2 嗜冷菌的应用研究进展

2002年，美国首次完成了对1株北极耐冷菌的全基因测序工作。Allen et al[8]分离得到的伯顿拟甲烷球菌，是第1个被正式鉴定的嗜冷微生物。Steinberg et al[9]应用分子生物技术如定量PCR、16S rRNA、FISH、功能基因克隆文库（clone library）等研究嗜冷甲烷菌，进而分析微生物多样性及群落的动态变化。

利用嗜冷产甲烷菌生产沼气，对于解决低温条件下北方用户利用沼气越冬具有重要意义。嗜冷微生物产生的冷适应酶具有高级别的立体特异性，能够消耗极少的热源使反应发生，从而降低成本，如β-葡糖苷酶、果糖二磷酸醛缩酶、琼脂糖酶等[10]。日本研究人员从寒冷土壤和水中分离出能产生冷适应酶的Pseudomonas sp.PL-4，在北海附近，挪威ASA公司建立了用于分离冷适应酶的研究基地。倪永清等[11]通过对天山一号冰川底部产高效冷适应酶的嗜冷菌进行分离筛选，从125株菌中筛选到27株产蛋白酶的耐低温菌株，其中21 株为适冷菌，专性嗜冷菌有6株，大部分是革兰氏阴性菌，且40.7%为假单胞菌属（Pseudomonas）菌株，为嗜冷微生物种群的生物地理学研究提供了依据。

3 嗜盐微生物

嗜盐菌是指生活在盐浓度大于0.2 mol/L环境中的微生物，如死海、犹他大盐湖或人工腌制食品等环境中。根据最适盐浓度的不同，分为耐盐菌和嗜盐菌，耐盐菌又包括轻度嗜盐菌和中度嗜盐菌。海洋微生物大多为轻度嗜盐菌，中度嗜盐菌中真菌比例较大。嗜盐菌大多数是古细菌，并依赖于高盐环境，有的甚至能在饱和NaCl（5.5 mol/L）中生长。

3.1 嗜盐机理

赵婉雨等[12]在达布逊盐湖发现的主要嗜盐菌菌群拟杆菌门，和嗜盐古菌一样能够合成细菌视紫红质，以光驱质子泵的方式产生能量；另一菌群鞘脂杆菌在高盐环境下合成的鞘脂同样对细胞具有保护作用。还有一些研究表明，嗜盐菌细胞内含有大量的氨基酸、四氢嘧啶、甘油等相溶性溶质以维持细胞渗透压，而嗜盐酶中酸性氨基酸比例高，表面呈负电荷，以增加其稳定性。

3.2 嗜盐菌的应用研究进展

筛选嗜盐微生物对于提高酱腌菜的产品质量具有重要的实际应用价值。曲玲童等[13]从锦州腌渍小黄瓜中筛选到嗜盐微生物，并对该菌的发酵特性进行研究，在含7% NaCl的MRS培养基中32 ℃发酵培养20 h后，其产酸能力提高16.78%，产酸率为1.60%。在酱油工业中嗜盐蛋白酶发挥着举足轻重的作用。王 栋等[14]对高盐酱油发酵过程中米曲霉CICIMF0899产耐盐蛋白酶的作用进行了研究，与沪酿3042相比，发酵180 d时氨基酸态氮含量达0.62 g/100 mL，比沪酿3042高11.11%。

四氢嘧啶是一种相溶性物质，在青海湖中利用高效液相色谱技术获得5株具有四氢嘧啶高产潜力的野生菌株，其中中度嗜盐菌QHL5产四氢嘧啶最高产量达到325.47 μg/mL[15]，为相溶性物质的开发利用提供了依据。

利用嗜盐菌与新型生物工艺相结合处理高盐废水，是目前国内外高盐废水处理领域的一个重要研究方向，杨 静等[16]利用生物法处理高盐废水，通过添加嗜盐菌使微生物组成发生改变，进而使主体活性污泥的活性增加，使SBR法处理废水的效果显著增强。

4 嗜酸微生物

嗜酸菌指最适生长pH值为1.0～2.5，最适pH值上限为3的一类微生物。极端嗜酸菌多分布于废煤堆、金属硫矿床、生物滤沥堆及酸性温泉中。研究表明，在某些酸性环境中真核生物比原核生物具有更高的多样性，其中嗜酸真菌包括嗜酸酵母、丝状真菌及少数藻类。

4.1 嗜酸机理

嗜酸微生物的细胞膜是抵御外界酸性环境的重要保护伞，在酸性条件下，质膜上的脂质四聚体使质子几乎无法通过。脂质体囊泡结构在酸性条件下渗透H+离子，聚集在膜上的金属离子也可以和H+进行交换，以保持细胞内的中性环境。另外，跨膜电位差的迅速变化以及H+离子的扩散作用也有利于嗜酸微生物的生存[17]。

4.2 嗜酸菌的应用研究进展

嗜酸微生物的应用主要是其产生的嗜酸酶。Guazzaroni et al[18]建立了现代分析方法宏基因组学克隆新的嗜酸基因，为新的嗜酸酶的发现提供了新思路。

纤维素酶是利用可再生资源纤维素的关键酶，利用嗜酸纤维素酶制备燃料乙醇具有独特的优势，Wu et al[19]在嗜酸纤维素酶热稳定性改良方面取得重大突破。嗜酸淀粉酶如今在各个行业都有广泛的应用，Schwermann et al[20]在pH值小于4.6的条件下，从酸热脂环酸杆菌中克隆α-淀粉酶基因，并于大肠杆菌中表达，表达产物酶活性达到50%，这是目前人们了解最多的嗜热嗜酸淀粉酶。

5 嗜碱微生物

嗜碱菌是指最适生长pH值在9.0以上的一类微生物，分为专性嗜碱菌和耐碱菌。嗜碱微生物包括细菌、真菌和古生菌。嗜碱菌常生存在天然碳酸盐湖、碱性湖、热泉、造纸及食品加工造成的碱性废水、废渣环境中。

5.1 嗜碱机理

嗜碱微生物的某些基因与耐碱性有关。羡明杰等[21]在研究中首次发现，嗜碱单胞菌新型羧基转移酶的α亚基基因Aa-accA与盐碱性关系密切。将该基因转移到大肠杆菌和烟草悬浮细胞BY-2中表达，结果表明该基因可提高大肠杆菌及烟草BY-2细胞的耐盐碱能力。嗜碱菌细胞壁含有大量酸性小分子，这些小分子带负电荷，可以中和细胞表面的H+。另外，细胞膜上的Na+/H+反向载体、K+/H+反向载体和ATP酶共同作用，也将H+排出细胞外，使pH值维持在适宜范围内。

5.2 嗜碱菌的应用研究进展

刘文侠等[22]以兼性嗜碱芽孢杆菌Bacillus sp.N16-5作为表达载体，将外源基因导入其中，成功构建了2个嗜碱芽孢杆菌Bacillus sp.N16-5 表达载体，实现了外源基因在嗜碱芽孢杆菌中的表达。嗜碱芽孢杆菌是有机酸和碱性酶生产者，大多数的嗜碱微生物研究者都以此为对象。郭 岩等[23]筛选出一株高效嗜碱好氧反硝化细菌BMEN1，在最适条件下，脱硝速率1 h可达52.92 mg/OD，且没有NO2-产生；在模拟烟道气吸收液进行的脱硝试验中，16 h可完全脱除NO3-和NO2-（140 mg/L），证明该好氧嗜碱反硝化脱硝细菌具有极大的应用价值。

6 嗜压微生物

嗜压菌指依赖于高压条件才能良好生长的一类微生物，根据最适压力的不同，分为耐压菌、嗜压菌和极端嗜压菌三类。耐压菌指在0.10～40.53 MPa下都能生长的微生物；嗜压菌在0.1 MPa下也能生长，其最适生长压力为40.53 MPa；极端嗜压菌生长在10 000 m以下，当压力低于40.53 MPa时，压力成为其生长限制因子。嗜压微生物只存在于深海底部、地下煤矿和深油井等少数地方。

6.1 嗜压机理

嗜压微生物能够在高压下生存，其细胞膜脂肪酸的组成、压力调控元件、呼吸链组成的多样性、嗜压基因的表达、嗜压酶的表达、运动特征等都与常压微生物有显著区别。

6.2 嗜压菌的应用研究进展

嗜压微生物主要用于高压反应器和耐压酶的研制，嗜压菌是嗜压酶的主要来源。耐高温和可厌氧生长的嗜压菌有可能用于油井下产气增压和降低原油黏度，以提高采油率。

7 展望

极端微生物具有许多优良特性，为人们开启了一片全新而广阔的应用前景，并将由此产生巨大的经济和社会效益。目前，极端微生物正日益在环境保护、食品工业、洗涤行业、医药行业、能源利用等方面显现出优势。极端微生物不仅可以作为天然物质的重要来源，也是新化合物的重要来源，如目前从嗜盐菌中发现的嗜盐菌素、抗生素、抗肿瘤活性物质、胞外多糖等活性物质；深海中存在的嗜热、嗜冷、嗜压等多种极端微生物，则是一些新物质的重要源泉。目前，人们对极端微生物的生理代谢、遗传及酶学还不十分清楚，加之极端微生物生长条件苛刻，难以培养和分离，有必要进行更深入细致的研究，使其更好地为人类服务。

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