极端微生物的应用

摘 要：极端微生物的研究对探索生命的起源、微生物的育种及开发利用等具有重要意义.综述了极端微生物的研究及其应用,从定义、分类与应用前景几个方面,介绍部分极端微生物的研究现状及其应用情况.

关 键 词：极端微生物；极端环境；分类；应用前景

中图分类号：Q93文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.006

在自然界中,存在着一些绝大多数生物都无法生存的极端环境,诸如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等环境.凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物,称为嗜极菌或极端微生物.由于它们在细胞内造、生理、生化、遗传和种系进化上的突出特性,不仅在基础理论研究上有着重要的意义,而且在实际应用上有着巨大的潜力[1].

1嗜热微生物

1.1嗜热微生物的定义及分布

嗜热微生物也被称为嗜热菌或者高温菌.嗜热微生物主要分布于温泉、堆肥、煤堆、有机物堆、强烈太阳辐射加热的地面、地热区土壤以及陆地和海底火山口等高温环境[2].

1.2嗜热微生物的分类

嗜热微生物分为耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌、超嗜热菌,根据嗜热微生物对高温环境的耐受程度不同,学者们作如下的区分（表1）.

1.3嗜热微生物的应用

1.3.1嗜热酶及超级嗜热酶嗜热酶（55～80℃）和超级嗜热酶（80～113℃）具有与普通化学催化剂不同的高催化效率、很强的底物专一性、在高温条件下稳定性良好等优点.这些酶在食品工业、造纸工业、烟草业、石油开采、医药工业、环境保护、液体燃料的开采、能源利用等领域中具有广阔的应用前景.

1.3.2抗生素嗜热微生物生活在高温环境中,能够产生多种特殊的代谢产物,其中有一部分是抗生素类,为目前抗生素的开发和生产提供了新的思路,有较大的应用前景.

1.3.3嗜热微生物菌体及其它活性物质嗜热微生物菌体可直接用于工业生产,同时嗜热微生物在高温的条件下还会产生维生素等物质.

2嗜冷微生物

2.1嗜冷微生物的定义

嗜冷微生物是适应低温环境生活的一类极端微生物[3].

2.2嗜冷微生物的分类

嗜冷微生物分为专性嗜冷菌、兼性嗜冷菌、极端嗜冷菌、耐冷菌,根据嗜冷微生物对低温环境的耐受程度不同,学者们作如下的区分（表2）.

2.3嗜冷微生物的应用

2.3.1环境保护方面通过嗜冷微生物产生的冷适应酶来实现低温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业、果汁提取工艺、肉类加工业、烘培面包工艺、乳酪制造业等食品制作方面.

2.3.3生物技术方面嗜冷微生物也用于生物降解或生物催化.混合培养的专一嗜冷微生物在污染环境中扩增和接种产生的酶可提高不耐火化学药品的降解能力.由于嗜冷微生物的特殊蛋白质结构,嗜冷微生物在生物催化方向上具有更大的优越性和更好的应用前景.

3嗜酸微生物

3.1嗜酸微生物的分布及定义

自然界存在许多强酸环境,如废煤堆及其排出水、酸性温泉、废铜矿、生物沥滤堆及酸性土壤等.其中,许多微生物的代谢活动也会产生酸性环境.生长在酸性环境中的微生物被称为嗜酸微生物[4].

3.2嗜酸微生物的分类

嗜酸微生物分为嗜酸型、耐酸型、极端嗜酸微生物,根据嗜酸微生物对酸性环境的耐受程度不同,学者们作如下的区分（表3）.

3.3嗜酸微生物的应用

3.3.1在冶金方面的应用冶金方面利用嗜酸微生物是将贫矿和尾矿中金属溶出并回收,即我们常说的生物湿法冶金.

3.3.2环境保护应用利用嗜酸微生物处理重金属,去除率可达到80%以上,而且处理成本比传统方法要降低很多.

3.3.3能源应用利用嗜酸微生物为催化剂,可以构建成为微生物燃料电池.

4嗜碱微生物

4.1嗜碱微生物的定义

一般把最适生长pH值在9.0以上的微生物称嗜碱微生物[5],其所耐pH值可高达10～12.到目前为止,嗜碱微生物还没有确切的定义.

4.2嗜碱微生物的分类

嗜碱微生物分为嗜碱菌、耐碱菌、专性嗜碱菌、兼性嗜碱菌,根据嗜碱微生物对碱性环境的耐受程度不同,学者们作如下的区分（表4）.

4.3嗜碱微生物的应用

4.3.1发酵工业嗜碱微生物可以作为许多酶制剂的生产菌.如洗涤剂酶和环糊精的生产都是利用嗜碱微生物的胞外酶获得的.

4.3.2造纸工业嗜碱微生物被应用于革脱脂、造纸木浆脱脂等.

4.3.3其他方面嗜碱微生物和碱性纤维素酶在碱性废水处理、化妆品、皮革和食品等方面也具有独特用途.在环境保护方面嗜碱微生物可发挥巨大作用；碱性淀粉酶可用于纺织品退浆及淀粉作粘接剂时的粘度调节剂；用于皮革工业中的脱毛工艺以提高脱毛效率和质量,利用嗜碱微生物进行苎麻脱胶.

5嗜盐微生物

5.1嗜盐微生物的分布及定义

在自然界中,有许多含有高浓度盐分的环境,如美国犹他大盐湖（盐度为2.2%）、著名的死海（盐度为2.5%）、里海（盐度为1.7%）、海湾和沿海的礁石池塘等.在这些高盐环境中仍然存在许多抗高渗透压微生物,即嗜盐微生物.

5.2嗜盐微生物的分类

嗜盐微生物分为弱嗜盐微生物、中度嗜盐微生物、极端嗜盐微生物,各自最适生长盐浓度如表5.5.3嗜盐微生物的应用

利用菌体发酵,可生产高聚化合物.除去工业废水中的磷酸盐,用于开发盐碱、生产嗜盐酶.嗜盐古菌和紫膜蛋白能通过构型的改变储存信息,可作为生物计算机芯片的新材料,还可用于高盐污水的处理.

6嗜压微生物

6.1嗜压微生物的定义

需要高压才能良好生长的微生物称嗜压微生物.最适生长压力为正常压力,但能耐受高压的微生物被称为耐压微生物.

6.2嗜压微生物的分类

嗜压微生物分为耐压菌、嗜压菌、极端嗜压菌,各自的最低生长压、最适生长压、最高生长压如表6.

6.3嗜压微生物的应用

耐高温和厌氧生长的嗜压菌有望用于油井下产气增压和降低原油粘度,借以提高采油率.日本发现的深海鱼类肠道内的嗜压古细菌,80%以上的菌株可以生产EPA和DHA,最高产量可达36%和24%.已经有人通过基因重组,使这些菌有效生产DHA.另外,嗜压菌还可以用于高压生物反应器.

7抗辐射微生物

7.1抗辐射微生物的定义

对于辐射这一不良环境因素仅有抗性或者是耐受性,而并非具有“嗜好”,我们将这一类微生物称为抗辐射微生物.

7.2抗辐射微生物的分类

抗辐射微生物可以分为两类,一类属于异常球菌属的抗辐射微生物,另一类是其他属的原核抗辐射微生物.

异常球菌属的抗辐射微生物是包含抗辐射微生物最多的属,截止至目前为止,已经报道了48个种.而其他属的原核抗辐射微生物以Thermococcus和红色杆菌属的抗辐射微生物的辐射抗性水平最高.

7.3抗辐射微生物的应用

在环境工程方面的应用：污染环境的生物修复、污染环境的监测.在医学方面的应用：抗氧化药物的开发、疫苗的开发应用、保健品的开发.在农业方面的应用：培育具有抗辐射特性的农作物.在其它领域的应用：防晒化妆品的开发、航空航天防辐射宇航服的设计、电化学制造业中表面金属和氧化物纳米阵列的制造.

综上所述,抗辐射微生物的研究在诸多的领域是具有意义的.尽管这些研究还有许多未转变为工业生物技术,但是应用的前景广阔.

8嗜金属微生物

8.1嗜金属微生物的定义

嗜金属微生物是一种以金属为食来维持自身的正常新陈代谢,并且将金属以单质的形式从化合物中游离出来,并富集到一起的微生物.

8.2嗜金属微生物的分类

嗜金属微生物大致可以分为两类,一是好氧性菌（好气腐蚀菌）,二是厌氧性菌（厌气腐蚀菌）.好气腐蚀菌是指有氧存在才能生长繁殖的腐蚀菌,如铁细菌、硫杆菌（其中包括氧化硫硫杆菌、脱氮硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌）等.厌气腐蚀菌是指不需要氧存在就能生长繁殖的腐蚀菌,如硫酸盐还原菌.

8.3嗜金属微生物的应用

嗜金属微生物对金属的腐蚀并非嗜金属微生物本身直接对金属或金属材料的直接作用,而是嗜金属微生物为了维持自身的正常生命活动而产生的结果.

之前我们的研究方向一直都关注在如何对嗜金属微生物产生的后果进行防治的方面,目前对嗜金属微生物的研究方向已经日趋多元化了,更多的学者发现了嗜金属微生物的益处.我们可以通过嗜金属微生物除去水中的重金属,如Cr6+、Cr3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等,甚至包括水中的非金属As3+、As5+都可以通过嗜金属微生物进行去除.在冶金工业中利用嗜金属微生物,也是我们目前对嗜金属微生物的一项利用.还有科学家发现,嗜金属微生物很有可能与黄金的形成有关.

9展望

学者们对于极端微生物的研究虽然起步较晚,但是极端微生物的研究发展速度是很快的,目前我们已经取得了一定的成果,展现出了极端微生物广阔的研究与应用前景.但是极端微生物大量投入工业化生产的技术目前尚不成熟,因此,我们对于极端微生物的深入研究和如何将这些极端微生物更好地运用于工业生产,将其转化成为工程菌就具有了重要的意义.