極端環(huán)境下的微生物分析研究 環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)

極端環(huán)境下的微生物分析研究環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)摘要：地球上存在著各種不同的、強(qiáng)烈抑制一般生物生長(zhǎng)的極端環(huán)境，如高溫、高鹽、高酸、高堿、高壓、寡營(yíng)養(yǎng)等等。在這些異常環(huán)境中，有微生物生存和生長(zhǎng)，例如嗜酸微生物、嗜堿微生物、嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜鹽微生物、嗜壓微生物等。極端環(huán)境微生物有廣闊的應(yīng)用前景，有待我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)研究。關(guān)鍵詞：極端環(huán)境、嗜酸微生物、嗜堿微生物、嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜鹽微生物、嗜壓微生物 瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院將2005年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予澳大利亞科學(xué)家巴里?馬歇爾和羅賓?沃倫，就是為了表彰他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致胃炎和胃潰瘍的細(xì)菌。馬歇爾和沃倫是1983年發(fā)現(xiàn)幽門(mén)螺桿菌的，這一發(fā)現(xiàn)迅速在國(guó)際消化病學(xué)界引起了巨大轟動(dòng)。幽門(mén)螺旋桿菌[1]是一種革蘭陰性桿菌，對(duì)人類(lèi)“情有獨(dú)鐘”，是目前所知能夠在人的胃中生存的惟一微生物種類(lèi)。幽門(mén)螺旋桿菌外形常常為S形或弧形彎曲，菌體長(zhǎng)為3微米，寬為0.5微米；菌體一端長(zhǎng)有2－6根長(zhǎng)約3－5微米的鞭毛，可以使細(xì)菌方便地穿過(guò)胃粘膜而定居至胃上皮細(xì)胞，又能產(chǎn)生大量尿素酶，分解尿素在菌體周?chē)纬梢还蓧A性的“氨云”，可以抵抗胃中的酸性環(huán)境，免受胃酸殺死。以上介紹的幽門(mén)螺旋桿菌就是一種典型的極端環(huán)境下的微生物，它適應(yīng)于胃酸的強(qiáng)酸環(huán)境，是一種嗜酸微生物[2]。地球上存在著各種不同的、強(qiáng)烈抑制一般生物生長(zhǎng)的極端環(huán)境，如高溫、高鹽、高酸、高堿、高壓、寡營(yíng)養(yǎng)等等。在這些異常環(huán)境中，有微生物生存和生長(zhǎng)。微生物適應(yīng)于異常環(huán)境，是自然選擇的結(jié)果。極端環(huán)境中的微生物為了適應(yīng)生存，逐步形成了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、機(jī)能和遺傳因子，以應(yīng)答相應(yīng)的強(qiáng)烈限制性因子(脅迫因子)。異常環(huán)境所具備的生態(tài)條件，實(shí)際上正是這種環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)微生物所要求的。20世紀(jì)70年代以來(lái)，極端環(huán)境微生物已成為微生物學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)域及新的資源寶庫(kù)。下面就為大家介紹幾種極端環(huán)境下的微生物：1.嗜酸微生物和嗜堿微生物(acidophilic，alkalophilicmicroorganisms)1.1嗜酸菌[3]能在pH為2以下的環(huán)境中生長(zhǎng)，自養(yǎng)菌氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)和氧化亞鐵硫桿菌(T．ferrooxidans)氧化硫?yàn)榱蛩?，從中獲取能量，同時(shí)使環(huán)境pH值下降到1~1.5，但是菌體內(nèi)的H+濃度呈中性或近于中性，體內(nèi)酶并不嗜酸，如T．ferrooxidans最適pH2~3，但其體內(nèi)在煤堆和酸性溫泉中分布有嗜酸、嗜熱菌。1.2嗜堿菌適于高堿性條件下生長(zhǎng)，專(zhuān)性嗜堿細(xì)菌的最適生長(zhǎng)pH＞10，pH小于8.5~9.0時(shí)不能生長(zhǎng)；兼性嗜堿細(xì)菌的最適生長(zhǎng)pH≥10，但在中性pH條件下亦能生長(zhǎng)[4]。嗜堿菌體內(nèi)是中性的，胞內(nèi)酶既不嗜堿也不耐堿，但它們的體外酶具耐堿和嗜堿性，例如一般菌的淀粉酶最適pH為7.0左右，而得自嗜堿菌的淀粉酶在pH=7時(shí)失活，pH9~11具活性，最適pH10~10.5；得自一般菌的脂肪酶和果膠酶的最適pH均為酸性，而得自嗜堿菌的，最適pH為堿性。嗜堿細(xì)菌常出現(xiàn)在天然或人為的高堿環(huán)境中(堿湖、水泥廠(chǎng)等)，但在中性或酸性環(huán)境中也有分布。已分離到的嗜堿細(xì)菌中，大多數(shù)為好氧菌，分類(lèi)上多屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)，盡管在普通土壤中很容易發(fā)現(xiàn)它們。它們具有把自身周?chē)h(huán)境變成堿性的能力。利用嗜堿菌處理堿性廢液不僅經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)便，且可變廢為寶。日本已有利用嗜堿細(xì)菌將堿性紙漿廢液轉(zhuǎn)化成單細(xì)胞蛋白的報(bào)導(dǎo)。此外，嗜堿細(xì)菌還有望用于化工和紡織工業(yè)中某些廢液的處理。2.嗜熱微生物(Thermophilicmicroorganisms)美國(guó)黃石公園內(nèi)有許多溫泉，水溫從20℃到100℃，其中生活著一些喜歡熱的微生物，用顯微鏡觀察，這些微生物呈桿狀。盡管目前還沒(méi)有搞清楚生活在沸水中的微生物是如何抵御高溫而不受損害的，但這并不妨礙對(duì)這種微生物的開(kāi)發(fā)和利用?？茖W(xué)家已經(jīng)將這種微生物體內(nèi)的酶(一種蛋白質(zhì))提取出來(lái)用于基因工程，由于基因工程的許多實(shí)驗(yàn)必須在近100℃的溫度下用酶來(lái)完成，這樣不怕熱的微生物就有了用武之處[5]。嗜熱微生物最適生長(zhǎng)溫度高于45℃~50℃，有異常的發(fā)育速度，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間短，代謝快，代時(shí)短，酶促反應(yīng)溫度高，對(duì)熱有良好的穩(wěn)定性。嗜熱菌的細(xì)胞膜富含飽和脂肪酸，從而使膜能在高溫下保持穩(wěn)定并具有功能；核酸中的GC含量高，有助于DNA的抗熱性；酶和蛋白質(zhì)具有較高的熱穩(wěn)定性，核糖體抗熱性高，亦即蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)具熱穩(wěn)定性。一般分布于火山口，溫泉，鹽田，鹽湖，煤堆，有機(jī)物堆，強(qiáng)烈太陽(yáng)輻射加熱的地面以及熱水器等。例如：2.1棲熱菌屬(Thermus)水生熱生境的常見(jiàn)菌，不運(yùn)動(dòng)，無(wú)鞭毛，不形成芽孢，桿狀或絲狀。最適生長(zhǎng)溫度70℃~72℃，最高79℃，最低40℃，通常產(chǎn)黃到鮮桔色的色素，在一些70多度溫泉的排水道中，棲熱菌屬的絲狀體纏繞成鮮桔色菌簇，肉眼即可見(jiàn)。2.2嗜熱脂肪芽孢桿菌(Bacillusstearothermophilus)，棲居于土壤中，孢子遍布于各個(gè)氣候帶，能在65℃生長(zhǎng)，在發(fā)熱的堆積物中迅速繁殖。當(dāng)食物適當(dāng)升高溫度時(shí)，其營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)很快，冷到室溫，營(yíng)養(yǎng)體即失去活性。在食品罐頭中生長(zhǎng)，造成“平酸”(flatsour，即產(chǎn)酸不產(chǎn)氣)的環(huán)境。2.3熱解糖梭菌(Clostridiumthermosaccharolyticum)嗜熱并發(fā)酵糖，最適生長(zhǎng)溫度55℃，45℃以下不生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)于土壤，為直或微彎的G+桿菌，以周生鞭毛運(yùn)動(dòng)，孢子端生。嗜熱菌在開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面也有著廣闊的前景：(l)在基因工程中，它可為基因工程菌的建立提供特異性基因。此外從嗜熱菌中提取出來(lái)的一些耐高溫的酶類(lèi)，也是生物工程不可缺少的重要工具。(2)在發(fā)酵工業(yè)中，可以利用其耐高溫的特性，提高反應(yīng)溫度，增大反應(yīng)速度，減少中溫型雜菌污染的機(jī)會(huì)。(3)利用嗜熱菌對(duì)廢水廢料進(jìn)行厭氧處理，可提高反應(yīng)速度，消滅污水污物中的病原微生物。(4)嗜熱菌對(duì)某些礦物有特殊的浸溶能力，對(duì)某些金屬具有較強(qiáng)的耐受能力，利用這類(lèi)微生物，為礦產(chǎn)資源(如黃銅礦、輝鉬礦)的開(kāi)發(fā)提供了有希望的前景。3.嗜冷微生物(Psychrophilicmicroorganisms)在0℃或更低溫度下能生長(zhǎng)，最適生長(zhǎng)溫度為15℃或更低，最高生長(zhǎng)溫度不超過(guò)20℃，細(xì)胞壁厚，細(xì)胞膜含有較高的不飽和脂肪酸(故在低溫下，細(xì)胞膜保持著半流動(dòng)性)，酶活性在低溫下較高。一般分布在兩極，高山，海洋，冰箱。南極氣溫平均-60℃~0℃，最高5℃，從那里分離到的微生物有芽孢桿菌屬，分枝桿菌屬(Mrcobacterium)、微球菌屬(Micrococcus)等細(xì)菌，鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬等放線(xiàn)菌，還有酵母菌[6]。冷育微生物(psychrotrophs)是指在5℃或更低溫度下有生長(zhǎng)能力者，不考慮其最適和最高生長(zhǎng)溫度。中科院微生物所從存放在冰箱內(nèi)的豆制品、豬肉、蔬菜等食品中分離到34株產(chǎn)生不良?xì)馕兜募?xì)菌，都可在5℃以下生長(zhǎng)，故都是冷育細(xì)菌。經(jīng)氣相色譜分析，產(chǎn)生不良?xì)馕兜脑蚴窃诩?xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中，產(chǎn)生了H2S、NH3和一些揮發(fā)性有機(jī)酸等代謝產(chǎn)物之故。嗜冷微生物的害處：(1)嗜冷微生物造成冷藏食品腐敗，冷藏血漿變質(zhì)，是冷藏食品和冷藏血漿的大敵。(2)在電冰箱的排氣口或蒸發(fā)器內(nèi)，常有霉菌生長(zhǎng)繁殖，其孢子或菌絲散布在室內(nèi)空氣中，通過(guò)呼吸進(jìn)入肺部，可引起過(guò)敏性肺炎。(3)食品。飲水污染嗜冷性的致病菌，往往引起胃腸炎。1982年，美國(guó)暴發(fā)一起波及三個(gè)州的胃腸炎。調(diào)查結(jié)果表明與飲用牛奶有關(guān)，是因?yàn)樵撓九Ｄ痰倪\(yùn)載工具污染了耶爾森氏菌(Yersinia)。該菌是美國(guó)醫(yī)學(xué)家在20世紀(jì)20年代中后期發(fā)現(xiàn)的。開(kāi)始，這種病菌引起的病例很少，故未引起醫(yī)學(xué)界重視，隨著電冰箱走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，該病在世界各地日益增多。耶爾森氏菌抗寒力強(qiáng)，在0℃以下仍能生長(zhǎng)繁殖，4℃更為適宜。各種蔬菜、水果最易受到它的污染。食用貯于冰箱的食物，可能引發(fā)耶氏菌腸炎，其癥狀與一般腸炎相似，腹瀉、腹痛、惡心、嘔吐等，但更厲害，通常稱(chēng)為“電冰箱病”[7]。4.嗜鹽微生物(halophilicmicroorganisms)嗜鹽微生物：指在高鹽條件下可以生長(zhǎng)的細(xì)菌，其生長(zhǎng)離不開(kāi)高鹽環(huán)境。按照最佳生長(zhǎng)鹽度范圍可以分為三類(lèi)。海洋菌：最佳生長(zhǎng)鹽度1～3％中度嗜鹽菌：最佳生長(zhǎng)鹽度3～15％極度嗜鹽菌：最佳生長(zhǎng)鹽度15～30％[8]嗜鹽微生物分布于海洋、鹽湖以及用鹽保藏的食物。關(guān)于死海，有兩點(diǎn)確信無(wú)疑：①它是咸的；②死海并未完全死亡，水域中那一片片紫紅色的“云霧”，就是嗜鹽細(xì)菌的稱(chēng)雄之地。嗜鹽微生物的利弊：①嗜鹽菌引起食品腐敗和食物中毒。副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticu)是分布極廣的海洋細(xì)菌，也是引起食物中毒的主要細(xì)菌之一，通過(guò)污染海產(chǎn)品、咸菜、烤鵝等而致病。②嗜鹽菌可用于生產(chǎn)胞外多糖、聚羥基丁酸(PHB)、食用蛋白。調(diào)味劑、保健食品強(qiáng)化劑(有治癌防癌效果)、酶保護(hù)劑、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，還可用于海水淡化、鹽堿地開(kāi)發(fā)利用以及能源開(kāi)發(fā)等[9]。5.嗜壓微生物壓力可引起蛋白質(zhì)變性，使蛋白合成系統(tǒng)在6.89×107Pa下失活。但在深海之高壓下，卻存在著嗜壓菌，深海是高壓低溫域(＜5℃，所以存在于深海的菌嗜壓并嗜冷。從海底取樣并分離出的一株假單胞菌(P．bathycetes)，在1.013×108Pa，3℃下培養(yǎng)，經(jīng)潛伏期四個(gè)月后開(kāi)始繁殖，33天后菌量倍增，一年后達(dá)到靜止期。從深3500m，壓強(qiáng)約4.05×107Pa，溫度為60℃～105℃的油井中分離到一種嗜壓并嗜熱的硫酸鹽還原菌。已知嗜壓的細(xì)菌還有微球菌屬，芽孢桿菌屬，弧菌屬，螺菌屬等的成員。此外，還發(fā)現(xiàn)嗜壓的酵母菌。耐高溫和厭氧生長(zhǎng)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[10]。結(jié)語(yǔ)：現(xiàn)實(shí)生活中也存在很多極端環(huán)境，存在不少極端微生物，最常見(jiàn)的比如：冰箱是一個(gè)極端環(huán)境，在零下18攝氏度左右的環(huán)境下依然有很多嗜冷微生物存在，對(duì)人類(lèi)的健康不利，導(dǎo)致了人類(lèi)的冰箱??；又如現(xiàn)在人類(lèi)的食物一般都是靠加熱升溫滅菌，同樣也存在嗜熱微生物，不能被高溫殺死，也又可能導(dǎo)致人致病……因此，我們要充分利用極端環(huán)境微生物的利處，積極避免害處，更好的提高我們的生活質(zhì)量。極端環(huán)境微生物有廣闊的應(yīng)用前景，有待我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)研究，尤其我國(guó)地質(zhì)地貌復(fù)雜多樣，極端環(huán)境微生物資源豐富，有待我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)研究利用。參考文獻(xiàn)：[1]AnnibaleMontenero,AtrialfibrillationandHelicobacterpylori,Heart,2005,2:28-29[2]張靜,佘菲菲,陳月秀,陳豪,幽門(mén)螺桿菌ureB基因轉(zhuǎn)染胃上皮細(xì)胞及其對(duì)細(xì)胞的作用，微生物學(xué)報(bào),2005,1:6-7[3]畢力格,張和平,陳永福等,嗜酸乳桿菌MG2-1對(duì)大鼠血清脂質(zhì)代謝的影響研究,微生物學(xué)報(bào),2005,6:32-34[4]任妍紅,嗜堿微生物的開(kāi)發(fā)與利用,生物學(xué)通報(bào),1995,3:41-42[5]梁文,極端條件下的生命,大自然探索,