嗜熱菌在工業中的應用研究進展

余然 李瑞

摘要：嗜熱菌作為一種能夠在高溫環境下生存的微生物，目前已經被多國廣泛應用于工業、農業、畜牧業、環保等眾多領域。在廢水廢料的厭氧處理，礦產資源的開發，堆肥發酵、生產酶制劑等方面得到廣泛的應用。本文綜述了嗜熱菌的分類、特點、作用機制，以及在工業領域的研究進展，為促進嗜熱菌在相關領域的廣泛應用提供理論參考。

關鍵詞：嗜熱菌;耐高溫;應用價值;研究進展

一、嗜熱菌概述

1.1嗜熱菌分類

嗜熱菌（Thermophiles）俗稱高溫菌，也稱嗜熱微生物，是一類生活在高溫環境中的微生物，廣泛分布在溫泉、堆肥、地熱區土壤、火山地區以及海底火山地等。根據他們的耐熱程度，可把嗜熱菌分為五個不同的類群：耐熱菌、兼性嗜熱菌、專性嗜熱菌、極端嗜熱菌和超嗜熱菌。

1.1.1耐熱菌

耐熱菌最高生長溫度介于44℃和55℃之間，在30℃以下也可生長，已經報道的耐熱菌有高溫神袍菌屬和石油神袍菌屬，形態有桿狀和球形變化，均為革蘭氏陰性。

1.1.2兼性嗜熱菌

兼性嗜熱菌生長溫度介于55℃到65℃之間。一些兼性嗜熱菌如D-葡萄嗜熱古細菌菌株JW能夠被相關酶催化而產生耐高溫酶如木糖異構酶，其最適作用溫度受pH影響，已經報道的兼性嗜熱菌有Anoxybacillus屬、Geobacillus屬等。

1.1.3專性嗜熱菌

專性嗜熱菌的最適生長溫度介于65℃到70℃之間，但不能在低于40℃-42以下生長。其中如海棲熱袍菌Thermotoga maritima是一種生長在55-90℃的海底火山口附近、嚴格厭氧的細菌，是極耐熱性半纖維素酶的重要來源[2]。

1.1.4極端嗜熱菌

極端嗜熱菌最高生長溫度高于70℃，最適溫度高于65℃，最低生長溫度高于40℃。目前已經發現主要是Thermotoga屬的一些菌種，它們能產生熱穩定的木聚糖酶，穩定性在80-105℃。

1.2嗜熱菌的耐熱機制

1.2.1細胞膜的耐熱機制

嗜熱菌的細胞膜外有多個隱窩，有利于耐高溫。嗜熱菌細胞膜的脂雙分子層中有甘油脂肪酰二酯，隨著溫度的升高，復合類脂中烷基鏈彼此間隔擴大，而極性部分作為膜的雙層結構則保持整齊液晶狀態，且嗜熱菌的細胞膜中含有飽和脂肪酸的比例比不飽和脂肪酸大，也可維持膜的液晶態，從而使嗜熱菌的細胞膜耐受高溫。

1.2.2遺傳物質的耐熱機制

一般來說，嗜熱菌的G-C%含量與其生長溫度呈正相關的關系，DNA分子中G-C配對越多，解鏈所需的溫度就越高。嗜熱棲熱菌DNA的G-C%高達60-70%。此外，組蛋白和核小體在高溫下均有聚合成四聚體甚至八聚體的趨勢，這能保護裸露的DNA免受高溫降解。

二、嗜熱菌在現代工業中的應用

2.1有機廢水的治理

很多工業廢水的排放溫度都超過了45℃，運用嗜熱菌可以直接對高溫廢水進行處理，從而節省了冷卻設備和運行費用[10]，嗜熱菌通過好氧途徑、厭氧途徑、酶解等途徑對有機污染物進行降解，相關的嗜熱菌預處理技術能夠有效地打破污泥絮體結構，溶解微生物細胞，處理效率高，穩定性好，能夠有效殺死病原體且剩余的污泥含量少。

2.2高溫堆肥技術與有機污染土壤的治理

如今治理污染土壤經常采用的方法是堆肥法，將傳統堆肥和生物修復結合一起，因為微生物對底物降解一般都是在較高溫度下進行的（45～65℃），堆肥過程中代謝產生大量熱量在基質中積累，溫度升高，嗜熱菌代謝快、活性高、酶的熱穩定性好，適應該環境并且能夠發揮作用提高發酵效率，解決養殖過程中糞便以及尸體高溫處理中的問題，同時嗜熱菌能夠除去低濃度有機污染土壤中殘余污染物。

2.3嗜熱菌產酶

許多嗜熱菌產生的酶在較高的溫度和pH下仍能保持較高活力，傳質速率高、耐有機溶劑，可以降低酶制劑的制備成本、提高酶促效率、減少能耗，在工業上有著廣闊應用前景。其中新發現的用量較大的幾種常溫酶對應的嗜熱酶有脂肪酶、蛋白酶、淀粉工業用酶、纖維素酶、木聚糖酶、脫鹵酶等，篩選出產酶效率較好且酶活性較高的菌株，其在生物合成和轉化中應用將更加廣泛。

2.4微生物采油技術

利用微生物采油關鍵看所用菌種的優良，通過研究菌種代謝途徑途徑以及相應的工藝條件，自然篩選的菌種很難同時滿足既能較好地適應環境，又能具有良好的驅油性能，而耐熱、耐鹽、產芽孢、產表面活性劑的嗜熱菌對原油降解呈現出良好特性，因而有著良好的應用價值和發展前景。

2.5基因工程中應用

TaqDNA聚合酶的發現對于PCR技術的應用具有里程碑意義，它是在美國黃石公園里熱泉中發現并成功分離嗜熱細菌海棲熱袍菌所得，因其具有耐高溫性，在需要高溫環境的PCR反應中不需要每個循環加酶，使PCR技術變得簡捷且大大降低了成本，因此TaqDNA聚合酶取代了之前的DNA聚合酶，PCR技術也得以大量應用。

2.6煤炭脫硫

目前在煤炭能源凈化利用領域中，在燃燒前使用微生物脫硫可以去除煤炭中細微的硫化物，能夠提高酶的質量、降低運轉成本，減少環境污染。若使用一般的菌體，會因生長慢、細胞量小而是脫硫效率較低，而嗜熱菌如嗜熱脫硫桿菌等生長速度快，短期內可得到較多菌株，脫出無機硫的同時也可脫除部分有機硫，引起了人們極大的關注。

三、展望

嗜熱菌因其具有耐高溫和極強的分子穩定性，在工業上具有廣闊的應用價值，我們仍在不斷開發嗜熱菌的應用潛能使其轉化為生產力。由于嗜熱菌的來源有限、培養條件苛刻，有時能夠用于工業生產的表達產物產量較低，因此隨著新技術的誕生和應用、對新型嗜熱菌的分離和高溫酶反應條件的探索，嗜熱菌的開發和應用將展示出更加廣闊的前景。

參考文獻：

[1]張樹正.微生物多樣性的全球影響[J].生物學通報，1995，30（1）：1-2.

[2]歐平;嗜熱菌的研究進展[J].賀州學院報，2009，（04）：136-140.