極端微生物的研究及應用

摘 要： 極端微生物的研究對探索生命的起源、微生物的育種及開發利用等具有重要意義。綜述了極端微生物的研究及其應用，從定義、分類與應用前景幾個方面，介紹部分極端微生物的研究現狀及其應用情況。

關鍵詞：極端微生物；極端環境；分類；應用前景

中圖分類號：Q93 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.006

在自然界中，存在著一些絕大多數生物都無法生存的極端環境，諸如高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高毒、高滲、高壓、干旱或高輻射強度等環境。凡依賴于這些極端環境才能正常生長繁殖的微生物，稱為嗜極菌或極端微生物。由于它們在細胞內造、生理、生化、遺傳和種系進化上的突出特性，不僅在基礎理論研究上有著重要的意義，而且在實際應用上有著巨大的潛力[1]。

1 嗜熱微生物

1.1 嗜熱微生物的定義及分布

嗜熱微生物也被稱為嗜熱菌或者高溫菌。嗜熱微生物主要分布于溫泉、堆肥、煤堆、有機物堆、強烈太陽輻射加熱的地面、地熱區土壤以及陸地和海底火山口等高溫環境[2]。

1.2 嗜熱微生物的分類

嗜熱微生物分為耐熱菌、兼性嗜熱菌、專性嗜熱菌、極端嗜熱菌、超嗜熱菌，根據嗜熱微生物對高溫環境的耐受程度不同，學者們作如下的區分（表1）。

1.3 嗜熱微生物的應用

1.3.1 嗜熱酶及超級嗜熱酶 嗜熱酶（55～80 ℃）和超級嗜熱酶（80～113 ℃）具有與普通化學催化劑不同的高催化效率、很強的底物專一性、在高溫條件下穩定性良好等優點。這些酶在食品工業、造紙工業、煙草業、石油開采、醫藥工業、環境保護、液體燃料的開采、能源利用等領域中具有廣闊的應用前景。

1.3.2 抗生素 嗜熱微生物生活在高溫環境中，能夠產生多種特殊的代謝產物，其中有一部分是抗生素類，為目前抗生素的開發和生產提供了新的思路，有較大的應用前景。

1.3.3 嗜熱微生物菌體及其它活性物質 嗜熱微生物菌體可直接用于工業生產，同時嗜熱微生物在高溫的條件下還會產生維生素等物質。

2 嗜冷微生物

2.1 嗜冷微生物的定義

嗜冷微生物是適應低溫環境生活的一類極端微生物[3]。

2.2 嗜冷微生物的分類

嗜冷微生物分為專性嗜冷菌、兼性嗜冷菌、極端嗜冷菌、耐冷菌，根據嗜冷微生物對低溫環境的耐受程度不同，學者們作如下的區分（表2）。

2.3 嗜冷微生物的應用

2.3.1 環境保護方面 通過嗜冷微生物產生的冷適應酶來實現低溫下的污染物生物降解。

2.3.2 食品方面 嗜冷微生物常用于牛奶加工業、果汁提取工藝、肉類加工業、烘培面包工藝、乳酪制造業等食品制作方面。

2.3.3 生物技術方面 嗜冷微生物也用于生物降解或生物催化。混合培養的專一嗜冷微生物在污染環境中擴增和接種產生的酶可提高不耐火化學藥品的降解能力。由于嗜冷微生物的特殊蛋白質結構，嗜冷微生物在生物催化方向上具有更大的優越性和更好的應用前景。

3 嗜酸微生物

3.1 嗜酸微生物的分布及定義

自然界存在許多強酸環境，如廢煤堆及其排出水、酸性溫泉、廢銅礦、生物瀝濾堆及酸性土壤等。其中，許多微生物的代謝活動也會產生酸性環境。生長在酸性環境中的微生物被稱為嗜酸微生物[4]。

3.2 嗜酸微生物的分類

嗜酸微生物分為嗜酸型、耐酸型、極端嗜酸微生物，根據嗜酸微生物對酸性環境的耐受程度不同，學者們作如下的區分（表3）。

3.3 嗜酸微生物的應用

3.3.1 在冶金方面的應用 冶金方面利用嗜酸微生物是將貧礦和尾礦中金屬溶出并回收，即我們常說的生物濕法冶金。

3.3.2 環境保護應用 利用嗜酸微生物處理重金屬，去除率可達到80%以上，而且處理成本比傳統方法要降低很多。

3.3.3 能源應用 利用嗜酸微生物為催化劑，可以構建成為微生物燃料電池。

4 嗜堿微生物

4.1 嗜堿微生物的定義

一般把最適生長pH值在9.0以上的微生物稱嗜堿微生物[5]，其所耐pH值可高達10～12。到目前為止，嗜堿微生物還沒有確切的定義。

4.2 嗜堿微生物的分類

嗜堿微生物分為嗜堿菌、耐堿菌、專性嗜堿菌、兼性嗜堿菌，根據嗜堿微生物對堿性環境的耐受程度不同，學者們作如下的區分（表4）。

4.3 嗜堿微生物的應用

4.3.1 發酵工業 嗜堿微生物可以作為許多酶制劑的生產菌。如洗滌劑酶和環糊精的生產都是利用嗜堿微生物的胞外酶獲得的。

4.3.2 造紙工業 嗜堿微生物被應用于革脫脂、造紙木漿脫脂等。

4.3.3 其他方面 嗜堿微生物和堿性纖維素酶在堿性廢水處理、化妝品、皮革和食品等方面也具有獨特用途。在環境保護方面嗜堿微生物可發揮巨大作用；堿性淀粉酶可用于紡織品退漿及淀粉作粘接劑時的粘度調節劑；用于皮革工業中的脫毛工藝以提高脫毛效率和質量，利用嗜堿微生物進行苧麻脫膠。

5 嗜鹽微生物

5.1 嗜鹽微生物的分布及定義

在自然界中，有許多含有高濃度鹽分的環境，如美國猶他大鹽湖（鹽度為2.2 %）、著名的死海（鹽度為2.5%）、里海（鹽度為1.7%）、海灣和沿海的礁石池塘等。在這些高鹽環境中仍然存在許多抗高滲透壓微生物，即嗜鹽微生物。

5.2 嗜鹽微生物的分類

嗜鹽微生物分為弱嗜鹽微生物、中度嗜鹽微生物、極端嗜鹽微生物，各自最適生長鹽濃度如表5。

5.3 嗜鹽微生物的應用

利用菌體發酵，可生產高聚化合物。除去工業廢水中的磷酸鹽，用于開發鹽堿、生產嗜鹽酶。嗜鹽古菌和紫膜蛋白能通過構型的改變儲存信息，可作為生物計算機芯片的新材料，還可用于高鹽污水的處理。

6 嗜壓微生物

6.1 嗜壓微生物的定義

需要高壓才能良好生長的微生物稱嗜壓微生物。最適生長壓力為正常壓力，但能耐受高壓的微生物被稱為耐壓微生物。

6.2 嗜壓微生物的分類

嗜壓微生物分為耐壓菌、嗜壓菌、極端嗜壓菌，各自的最低生長壓、最適生長壓、最高生長壓如表6。

6.3 嗜壓微生物的應用

耐高溫和厭氧生長的嗜壓菌有望用于油井下產氣增壓和降低原油粘度，借以提高采油率。日本發現的深海魚類腸道內的嗜壓古細菌，80%以上的菌株可以生產EPA和DHA，最高產量可達36%和24%。已經有人通過基因重組，使這些菌有效生產DHA。另外，嗜壓菌還可以用于高壓生物反應器。

7 抗輻射微生物

7.1 抗輻射微生物的定義

對于輻射這一不良環境因素僅有抗性或者是耐受性，而并非具有“嗜好”，我們將這一類微生物稱為抗輻射微生物。

7.2 抗輻射微生物的分類

抗輻射微生物可以分為兩類，一類屬于異常球菌屬的抗輻射微生物，另一類是其他屬的原核抗輻射微生物。

異常球菌屬的抗輻射微生物是包含抗輻射微生物最多的屬，截止至目前為止，已經報道了48個種。而其他屬的原核抗輻射微生物以Thermococcus和紅色桿菌屬的抗輻射微生物的輻射抗性水平最高。

7.3 抗輻射微生物的應用

在環境工程方面的應用：污染環境的生物修復、污染環境的監測。在醫學方面的應用：抗氧化藥物的開發、疫苗的開發應用、保健品的開發。在農業方面的應用：培育具有抗輻射特性的農作物。在其它領域的應用：防曬化妝品的開發、航空航天防輻射宇航服的設計、電化學制造業中表面金屬和氧化物納米陣列的制造。

綜上所述，抗輻射微生物的研究在諸多的領域是具有意義的。盡管這些研究還有許多未轉變為工業生物技術，但是應用的前景廣闊。

8 嗜金屬微生物

8.1 嗜金屬微生物的定義

嗜金屬微生物是一種以金屬為食來維持自身的正常新陳代謝，并且將金屬以單質的形式從化合物中游離出來，并富集到一起的微生物。

8.2 嗜金屬微生物的分類

嗜金屬微生物大致可以分為兩類，一是好氧性菌（好氣腐蝕菌），二是厭氧性菌（厭氣腐蝕菌）。好氣腐蝕菌是指有氧存在才能生長繁殖的腐蝕菌，如鐵細菌、硫桿菌（其中包括氧化硫硫桿菌、脫氮硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌）等。厭氣腐蝕菌是指不需要氧存在就能生長繁殖的腐蝕菌，如硫酸鹽還原菌。

8.3 嗜金屬微生物的應用

嗜金屬微生物對金屬的腐蝕并非嗜金屬微生物本身直接對金屬或金屬材料的直接作用，而是嗜金屬微生物為了維持自身的正常生命活動而產生的結果。

之前我們的研究方向一直都關注在如何對嗜金屬微生物產生的后果進行防治的方面，目前對嗜金屬微生物的研究方向已經日趨多元化了，更多的學者發現了嗜金屬微生物的益處。我們可以通過嗜金屬微生物除去水中的重金屬，如Cr6+、Cr3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等，甚至包括水中的非金屬As3+、As5+都可以通過嗜金屬微生物進行去除。在冶金工業中利用嗜金屬微生物，也是我們目前對嗜金屬微生物的一項利用。還有科學家發現，嗜金屬微生物很有可能與黃金的形成有關。

9 展 望

學者們對于極端微生物的研究雖然起步較晚，但是極端微生物的研究發展速度是很快的，目前我們已經取得了一定的成果，展現出了極端微生物廣闊的研究與應用前景。但是極端微生物大量投入工業化生產的技術目前尚不成熟，因此，我們對于極端微生物的深入研究和如何將這些極端微生物更好地運用于工業生產，將其轉化成為工程菌就具有了重要的意義。

參考文獻：

[1] 周德慶.微生物學教程[M].2版.北京：高等教育出版社，2002.

[2] 陳朝銀，劉麗，賁昆龍.棲熱菌屬熱穩定DNA聚合酶[J].生物技術，2001（4）：31-34.

[3] 唐兵，唐曉峰，彭珍榮，等.嗜冷菌研究進展[J].微生物學雜志，2002（1）：51-53.

[4] 何正國，李雅芹，周培瑾.極端嗜酸微生物[J].微生物學通報，1999，26（6）：452.

[5] 李雅琴.嗜酸菌及其應用[J].微生物學通報，1998，25（3）：170-172.