1、古菌及極端微生物,2012生物技術(shù) 2014.3.12,古菌,古菌常被發(fā)現(xiàn)生活于各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部的高壓熱溢口、熱泉、鹽堿湖等。 在我們這個(gè)星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的范圍。 熱網(wǎng)菌（Pyrodictium）能夠在高達(dá)113的溫度下生長。,最適生活溫度80105，具有獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。,隱蔽熱網(wǎng)菌Pyrodictium occultum,1977年，美國深海潛水器“阿爾文”號在洋中脊地區(qū)發(fā)現(xiàn)了從海底冒出濃煙般的熱泉。令人難以置信地是，在噴出熱泉的“黑煙囪”周圍水溫250-350、265大氣壓的海水中，竟存在著一個(gè)極其奇特、黑暗而酷熱的生命世界。隱蔽熱網(wǎng)菌即生活于其中。

2、,黑煙囪是由海底地殼的裂縫制造的，大量溶解了地底金屬元素和硫化物的液體從裂縫中噴出之后，一遇到冰冷的海水就形成了濃密的黑色煙霧。,嗜熱性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已經(jīng)在食品加工中發(fā)揮了重要作用。例如：用淀粉生產(chǎn)高果糖時(shí)，普通的葡萄糖異構(gòu)酶在中溫條件下催化果糖產(chǎn)量很少，而提高溫度將催化果糖的生產(chǎn)。目前，已從嗜熱的Thermologa中分離出一種超高溫嗜熱的木糖異構(gòu)酶，這種酶也能把葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，這樣，就能在高溫的條件下進(jìn)行果糖的生產(chǎn)，從而提高果糖的產(chǎn)量。,嗜熱微生物酶類工業(yè)應(yīng)用實(shí)例,古菌的分布,古菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古菌。很多產(chǎn)甲烷的古菌生存在動(dòng)物的消化道中，

3、如反芻動(dòng)物、白蟻或者人類。古菌通常對其它生物無害，且未知有致病古菌。,甲烷短桿菌,大部分的甲烷短桿菌生長于反芻動(dòng)物、人類和其它動(dòng)物的腸道中, 或是腐朽的植物, 以及缺氧的廢水爛泥中。 M. smithii是唯一一種生長在人類腸道的甲烷短桿菌 (圖)。,分類,目前，可在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的古菌主要包括三大類: 1.產(chǎn)甲烷菌、 2.極端嗜熱菌 3.極端嗜鹽菌。,1、產(chǎn)甲烷菌,產(chǎn)甲烷菌是一群迄今 為止所知的最嚴(yán)格厭氧 的、能形成甲烷的化能 自養(yǎng)或化能異養(yǎng)的古菌群。 產(chǎn)甲烷細(xì)菌是能產(chǎn)生甲烷的一大類群，因此包括了球形、桿形、螺旋形、長絲狀等不同形態(tài)。,一些產(chǎn)甲烷細(xì)菌: (a)亨氏甲烷螺菌; (b)史氏甲烷短桿菌

4、 (c)巴氏甲烷八疊球菌; (d)馬澤氏甲烷八疊球菌; (e)布 氏甲烷桿菌; (f)黑海甲烷袋狀菌.,一.古生菌的形態(tài):與細(xì)菌相似,.產(chǎn)甲烷菌代謝途徑,產(chǎn)甲烷菌生活在厭氧條件下，它們通過甲烷的生物合成形成維持細(xì)胞生存所需的能量。在產(chǎn)甲烷菌中存在原核細(xì)胞和真核細(xì)胞所共有的糖酵解途徑，三羧酸循環(huán)、氨基酸和核苷酸代謝。產(chǎn)甲烷菌是自養(yǎng)型的生物，它能利用環(huán)境中的化學(xué)能。因而產(chǎn)甲烷菌中發(fā)現(xiàn)了許多無機(jī)物進(jìn)入細(xì)胞所需的通道蛋白，產(chǎn)甲烷菌是目前發(fā)現(xiàn)唯一能固氮的古細(xì)菌。,安徽懷寧：沼氣“點(diǎn)亮”新家園,懷寧縣積極推行無公害化畜牧養(yǎng)殖，引導(dǎo)規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖大戶大力發(fā)展沼氣工程，現(xiàn)已建設(shè)戶用沼氣池6600口，節(jié)柴灶2

5、000個(gè)。圖為該縣平山鎮(zhèn)牧之金養(yǎng)殖場的工人正在往大型沼氣池里裝運(yùn)原料。,沼氣在養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用,云南洱源縣三營鎮(zhèn)太陽能加熱中溫發(fā)酵沼氣站,工程位于云南省洱源縣，整個(gè)工程由農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所設(shè)計(jì)與啟動(dòng)調(diào)試。工程采用高濃度畜禽廢物高效厭氧消化技術(shù)處理200頭奶牛產(chǎn)生的鮮牛糞3.46 t/d，尿及沖洗廢水4.2 t/d，年產(chǎn)沼氣約7.3萬m3，沼氣作為生活用能集中供給當(dāng)?shù)?0多戶村民和養(yǎng)殖場職工使用,沼氣在養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用,蒙牛澳亞示范牧場沼氣發(fā)電綜合利用工程,工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市和林格爾縣盛樂經(jīng)濟(jì)園區(qū)（蒙?？偛浚こ滩捎酶邼舛刃笄輳U棄物高效厭氧消化技術(shù)處理牧場存欄10000頭奶牛的鮮牛糞28

6、0 t/d，尿及沖洗廢水360 t/d，日產(chǎn)沼氣10000m3/d，日發(fā)電20000 kWh/d; 年減排COD 9125 t，CO2當(dāng)量2.4萬t，TN 487 t，TP 96 t。沼渣沼液供周邊約10萬畝牧草種植地利用。該工程是目前我國最大的牛場糞污處理沼氣發(fā)電工程。,沼氣在發(fā)電方面的應(yīng)用,產(chǎn)甲烷桿菌的應(yīng)用前景,1廢水處理,現(xiàn)有的厭氧生物處理工藝大多要求在中溫或高溫的范圍內(nèi)進(jìn)行，通常要對廢水與廢物進(jìn)行加熱，這種作法消耗能源，削弱了厭氧生物處理的優(yōu)越性，。利用嗜冷產(chǎn)甲烷菌實(shí)現(xiàn)低溫厭氧生物處理過程，可從本質(zhì)上突破低溫厭氧工藝的技術(shù)瓶頸，進(jìn)而大大拓展厭氧生物處理技術(shù)的應(yīng)用范圍并降低廢水處理的成本

7、。,2釀酒工業(yè)上的應(yīng)用,瀘州老窖古釀酒窖池群是全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，自公元1573年開始釀造濃香型曲酒一直延續(xù)至今.,80年代首次從瀘州老窖泥中分離出氫營養(yǎng)型的布氏甲烷桿菌CS菌株，揭示了釀酒窖池是產(chǎn)甲烷古菌存在的又一生態(tài)系統(tǒng),窖泥中棲息的產(chǎn)甲烷古菌既是生香功能菌，又是標(biāo)志老窖生產(chǎn)性能的指示菌.,3產(chǎn)甲烷菌在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用,生物成因：煤層氣是在較低的溫度條件下，有機(jī)質(zhì)通過各種不同類群細(xì)菌的參與或作用，在煤層中生成的以甲烷為主的氣體. 產(chǎn)甲烷菌對煤層氣的形成起著重要的作用，目前已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌有低溫型、中溫型和嗜熱型.,地表深處煤層中生成大量生物成因氣的有利條件是：大量有機(jī)質(zhì)的快速沉積、充裕的

8、孔隙空間、低溫，以及高pH值的缺氧環(huán)境.,今后對產(chǎn)甲烷菌的研究,可以主要集中在以下3個(gè)方面 1.通過改進(jìn)極端環(huán)境微生物分類鑒定技術(shù)，發(fā)現(xiàn)更多產(chǎn)甲烷菌的類群； 2.對產(chǎn)甲烷菌特征基因及其與代謝的關(guān)系進(jìn)行更加細(xì)致的研究； 3.對產(chǎn)甲烷菌群與其它微生物的協(xié)同消化有機(jī)物的代謝進(jìn)行研究，為環(huán)境的生物治理和生物能源的開發(fā)提供理論依據(jù).,甲烷是地球上主要的溫室氣體，對全球氣候變暖的增溫作用大約占15%，其相對二氧化碳的增溫效應(yīng)值為19。,1.甲烷古菌（又稱甲烷菌）可以釋放出甲烷氣，它可以生存在極端的環(huán)境，包含了地底深處、沙漠、海洋深處、火山或地?zé)釁^(qū)、鹽湖或鹽海、地球以外的星球等。就目前所知道的、可以在這么極

9、端的環(huán)境下活下來的生物，全部都是有著上千萬年以上的太古生物，其中有甲烷菌。 2.甲烷菌只需二氧化碳和氫氣就能生存，但只要一遇到氧氣就會死亡，它能適應(yīng)攝氏2度至115度，和淡水到高鹽環(huán)境，并且經(jīng)過甲烷化過程產(chǎn)生能量；,衛(wèi)星上拍攝地球甲烷 -棕色部分是甲烷,太空望遠(yuǎn)鏡上拍攝火星甲烷-黃（紅）色部分是甲烷,產(chǎn)甲烷古菌可能是火星生命形式,一個(gè)美國科學(xué)家小組2005年12月5日報(bào)告說，他們在格陵蘭島地下冰芯中發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)甲烷古菌生存的證據(jù)。科學(xué)家稱，這種能在極端嚴(yán)酷條件下生存的微生物有可能在火星上生存。 研究人員認(rèn)為產(chǎn)甲烷古菌很可能存在于火星上，并且是火星大氣中甲烷的來源。為了驗(yàn)證這一設(shè)想他們制造一臺熒光探

10、測儀，用來探測產(chǎn)甲烷古菌新陳代謝時(shí)產(chǎn)生的微弱熒光，這臺儀器能探測出每毫升土壤或地層中存在的1個(gè)古菌，安裝在新的火星車上尋找火星生命。,2、極端嗜鹽古菌,這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽環(huán)境中的古菌。 細(xì)胞形態(tài)為桿形、球形和三角形、多角形、方形、盤形等多形態(tài)。革蘭氏陰性，極生鞭毛。好氧或兼性厭氧。 胞內(nèi)含有 類胡蘿卜素（菌紅素），產(chǎn)紅色、粉紅色、橙色或紫色等各不同色素。化能有機(jī)營養(yǎng)型。,鹽沼鹽桿菌Halobacterium spp.,細(xì)胞桿狀(0.51.2m 1.06.0m)。運(yùn)動(dòng)。有些菌株具有氣泡囊。革蘭氏陰性，好氧，化能異養(yǎng)型。 生活在鹽湖、鹽場及腐敗的鹽制品等中性鹽環(huán)境中。,Hal

11、obacterium sp.,3、還原硫酸鹽古菌,這一類主要是指古生球菌archaeoglobales 的古菌。細(xì)胞一般為不規(guī)則球形、三角形 ，直徑在 0.42.0 m ，單個(gè)或成對，革蘭氏陰性。菌落可略呈綠黑色，在 420nm 處可產(chǎn)藍(lán)綠色熒光，嚴(yán)格厭氧。,閃爍古生球菌A. fulgidus,分布于深海海底、熱泉和地層深部儲油層?；茏责B(yǎng)，單極多生鞭毛，并產(chǎn)少量甲烷。,4、無細(xì)胞壁古菌熱原體,在古生菌中，有一類無細(xì)胞壁的原核生物很象無細(xì)胞壁的支原體，由于它們無細(xì)胞壁、嗜熱、嗜酸、行好氧化能有機(jī)營養(yǎng)，所以被稱為熱原體（Thermoplasma）。 0.2m 到 1-5m。 有的種具有多根鞭毛，

12、能夠運(yùn)動(dòng)。,熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端環(huán)境，是因?yàn)樗鼈冸m然沒有堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，但發(fā)育出一種帶有甘露糖和葡萄糖單位的四醚類脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作為質(zhì)膜的主要成分。同時(shí)，質(zhì)膜中也含有糖肽，但沒有固醇類化合物，這樣的質(zhì)膜使熱原體表現(xiàn)出對滲透壓、酸、熱的穩(wěn)定性。,極端嗜熱古菌硫化葉菌,硫化葉菌是第一個(gè)分離鑒定的極端嗜熱古細(xì)菌(Brock等，1970)，生長在富硫的酸熱泉中，溫度達(dá)90以上，pH115。,極端嗜熱古菌,極端嗜熱或超嗜熱，生長要求的溫度范圍為 45110，最適為 70105 ，且要求 pH 為 13 的高酸度環(huán)境。 有化能自養(yǎng)、

13、化能異養(yǎng)和兼性營養(yǎng)三種不同的營養(yǎng)類型。大多能代謝元素硫，能在好氧條件下將硫或H2S氧化為H2SO4，在厭氧條件下可還原元素硫?yàn)镠2S。 主要分布于含硫溫泉、火山口、燃燒后的煤礦等環(huán)境。,火葉菌屬的延胡索酸火葉菌（Pyrolobus fumarii），一種生活在113大西洋熱液噴口的古菌。,一種新發(fā)現(xiàn)的微型海底生物,The newly discovered Nanoarchaeum equitans (tiny cells) attached to its host Ignicoccus spec. (big cells). Bar 1，5 m.,左側(cè)的細(xì)菌名為“Herminiimonas gl

14、aciei”，是在格陵蘭一條冰川下方2英里(約合3公里)處的冰層中發(fā)現(xiàn)的，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的體積最小的微生物。賓夕法尼亞州大學(xué)的研究人員報(bào)告說已成功讓它蘇醒過來，在此之前，這種細(xì)菌估計(jì)已沉睡了12萬年。,圖片展示的是1979年在深?；鹕娇诟缓瑺I養(yǎng)物質(zhì)的邊緣發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌Pyrodictium abyssi，它們是最初的極端微生物。除了承受足以將潛艇壓成薄煎餅的大氣壓外，Pyrodictium abyssi還經(jīng)受住超過水沸點(diǎn)的高溫考驗(yàn)，驚人的生存能力由此可見一斑。,Deinococcus peraridilitoris球菌是耐輻射球菌一個(gè)鮮為人知的親戚，被稱之為地球上最強(qiáng)悍的細(xì)菌，曾入選吉尼斯世界紀(jì)

15、錄大全。據(jù)悉，這種球菌能夠經(jīng)受住寒冷、真空、干旱和輻射考驗(yàn)。其強(qiáng)大生存能力的關(guān)鍵在于擁有多個(gè)基因組拷貝。,圖片展示的是在紅海附近鹽灘發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌Haloquadratum walsbyi。這一地區(qū)含鹽度極高，能夠幸存下來可謂一個(gè)奇跡。方形超扁平古細(xì)菌Haloquadratum walsbyi之所以能夠在這種惡劣條件下生存，是因?yàn)樗鼈兊谋砻骟w積比是所有地球生物中最高的，能夠有效阻止因所在地區(qū)含鹽度過高慢慢萎縮。,圖中展示的細(xì)菌Halobacterium NRC-1是地球上抗輻射能力最強(qiáng)的生物，能夠經(jīng)受住1.8萬Gy(吸收劑量)輻射10Gy輻射便可致人死亡。 Halobacterium NRC-1擅

16、長修復(fù)其自身的DNA。,圖片展示的細(xì)菌Ferroplasma acidophilum能夠在pH值為零的環(huán)境下生存。這種細(xì)菌是在加利福尼亞州一個(gè)金礦的有毒流出物中發(fā)現(xiàn)的，能夠?qū)㈣F作為幾乎所有蛋白質(zhì)的核心構(gòu)件。,Desulforudis audaxviator可能是一個(gè)真實(shí)的“自力更生”的微生物。Desulforudis audaxviator是在南非一個(gè)礦井發(fā)現(xiàn)的，礦井位于地下2英里處，完全與世隔絕。利用含鈾巖石產(chǎn)生的放射能作為能量，這種細(xì)菌能夠從周圍巖石和空氣中獲取所需的所有營養(yǎng)物質(zhì)并完成新陳代謝過程。它們是世界上已知的唯一一個(gè)單種群生態(tài)系統(tǒng)。,美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有一種古細(xì)菌能還原氧化鐵并且在10

17、0時(shí)還能生長。當(dāng)他們測試該細(xì)菌的耐熱極限時(shí)，發(fā)現(xiàn)在加熱至121時(shí)仍具有繁殖能力，24小時(shí)內(nèi)數(shù)量可翻一番。不僅如此，它在130下存活兩個(gè)小時(shí)后，再重新置于103的環(huán)境下仍能繼續(xù)生長。與之相比，全世界耐熱“冠軍”、。,最近出版的美國科學(xué)雜志稱，科學(xué)家們以超過正常大氣壓1.7萬倍的壓力把細(xì)菌置于金剛石的夾板中擠壓，有些微生物仍舊可以生存和攝取化學(xué)食物。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是世界首次。,在環(huán)境保護(hù)方面：嗜熱酶在污水及廢物處理方面有著其它方法無法比擬的優(yōu)越性?？茖W(xué)家們不僅利用嗜熱酶的耐熱性，更重要的是利用它對有機(jī)溶劑的抗性。 目前已得到成功應(yīng)用的嗜熱酶主要有:在基因工程中起重要作用的DNA聚合酶，生產(chǎn)葡萄糖和果糖的

18、淀粉酶及用于氨基酸生產(chǎn)、洗滌和食品加工行業(yè)的蛋白酶等。,在低溫酶類當(dāng)中，脂肪酶和蛋白酶具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。在食品工業(yè)中，脂肪酶可用于乳制品和黃油的增香；生產(chǎn)可可脂，提高魚油中n3系多不飽和脂肪酸含量等。而蛋白酶在食品工業(yè)中更是大量應(yīng)用于啤酒的處理，發(fā)酵食品生產(chǎn)奶烙時(shí)催熟作用都離不開它。,嗜冷微生物酶類工業(yè)應(yīng)用實(shí)例,嗜堿酶的主要工業(yè)用途是作為去污劑添加成份，洗滌試驗(yàn)表明，去污劑中加入嗜堿枯草菌的耐堿蛋白酶，顯著提高洗滌效率，在日本，市場 40%的洗滌劑含有該酶添加劑。由美國華盛頓州立大學(xué)研究的嗜冷堿性蛋白酶應(yīng)用于洗滌劑工業(yè)，使加酶洗滌劑在冷水中洗滌效果明顯加強(qiáng)，改變歐洲傳統(tǒng)的熱水洗滌方法，從而

19、節(jié)約能源，,嗜堿微生物酶類工業(yè)應(yīng)用實(shí)例,微生物之所以耐高溫，其機(jī)理主要有以下幾方面: 絕大多數(shù)革蘭氏陽性高溫菌的細(xì)胞壁是由G2M 及短肽構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增加了細(xì)菌的耐熱性。嗜熱菌細(xì)胞膜中含高比例的長鏈飽和脂肪酸和具有分支鏈的脂肪酸,胞膜中含有甘油醚化合物。呼吸鏈蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)性高。由于tRNA 的G、C 堿基含量高,提供了較多的氫鍵,故其熱穩(wěn)性高。細(xì)胞內(nèi)含大量的多聚胺。胞內(nèi)蛋白質(zhì)具抗熱機(jī)制,如增加分子內(nèi)疏水性和分子外親水性,共價(jià)結(jié)合等。許多酶類由于蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及鈣離子的保護(hù),耐熱性高。新的研究還表明,專性嗜熱菌株的質(zhì)粒攜帶與抗熱性相關(guān)的遺傳信息。,極端微生物適應(yīng)異常環(huán)境的機(jī)理,適應(yīng)低