第四节 极端微生物

极端微生物（extremophiles）是指能在特殊的环境，如高温、低温、高盐、高碱、高酸、高压、高辐射等极端环境生存的微生物，通常可分为五个类群：嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物和嗜盐微生物，也有人认为还应该包括嗜压微生物和抗毒物微生物。这些微生物不仅代表着生命对于环境的极限适应能力，而且是生物遗传和功能多样性最为丰富的宝藏。极端环境中的微生物为了适应生存，逐步形成了独特的结构、生理机能和遗传因子，以适应环境。它不仅在生命起源、系统进化等方面给了人们许多重要的启示，而且极端微生物特殊的基因类型、生理机制及代谢产物，具有极大的应用价值。

一、极端微生物的分布与类群

1.极端嗜热微生物

极端嗜热微生物（hyperthermophiles）是指最适生长温度在80℃以上的微生物。与一般嗜热微生物不同，极端嗜热微生物在60℃以下会停止生长，有的极端嗜热微生物在90℃以下就会停止生长，如最高生长温度为113℃的极端嗜热古生菌延胡索酸火叶菌（Pyrolobus fumarii）。目前，人们已经从高温环境中分离得到90余种极端嗜热微生物。极端嗜热微生物分布于环境温度高达80～115℃的高温环境中，包括陆地高温环境、海洋高温环境及人造高温环境。陆地高温环境包括火山喷气孔、热泉及含有石油的地热层等。这类高温环境中盐浓度较低（0.1%～0.5%），环境pH变化范围广（pH0～10）。海洋高温环境包括浅海热液系统、深海热气排气口（又称黑烟囱）及活跃的海底火山等。这类高温环境中盐浓度较高（3%），环境pH呈弱酸性至弱碱性（pH 5～8.5）。人造高温环境包括发烟的煤矸石堆以及地热发电厂和核电站的流出物等。除了暴露在空气中的火山喷气孔的表层外，极端嗜热微生物所分布的高温环境主要是缺氧的环境。

极端嗜热微生物位于细菌和古生菌中。细菌中热袍菌属（Thermotoga）和产液菌属（Aquifex）属于极端嗜热微生物，生长温度最高的极端嗜热细菌是海栖热袍菌（Thermotogamaritima）和嗜火产液菌（Aquifex pyrophilus）。其中海栖热袍菌的最高生长温度为90℃，最适生长温度为80℃；嗜火产液菌的最高生长温度为95℃，最适生长温度为85℃。古生菌的泉古生菌门、广古生菌门、纳古生菌门和初古生菌门中均分布有极端嗜热微生物。纳古生菌门中骑行纳古菌（Nanoarchaeum equitans）是目前已知的最小生物，它寄生在极端嗜热古生菌Ignicoccus hospitalis的表面。目前已知的生长温度最高的极端嗜热古生菌分别来源于火裂片菌属（Pyrolobus）、热网菌科（Pyrodictiaceae）的Geogemma属和甲烷火菌属（Methanopyrus），如最高生长温度为113℃的延胡索酸火叶菌（P.fumarii）、最高生长温度为121℃的Geogemma barossii strain 121，以及生长压力为20MPa时最高生长温度为122℃的坎氏甲烷嗜热菌（Methanopyrus kandleri）strain 116。

2.嗜冷菌

嗜冷菌（psychrophiles）是指必须生活在低温条件下，在0℃以下生长繁殖，最适温度不超过15℃，最高温度不超过20℃的微生物。嗜冷菌主要分布于终年低温的环境中，如南北两极地区、冰川、高山、深海和冻土块等环境中。在南极异常寒冷的自然环境中，以嗜冷菌、耐冷菌为主的低温微生物在生态学方面具有明显的优势，它们能忍受经常遭遇到的大幅度快速的温度变化。研究表明，南极低温微生物大部分属耐冷型，小部分为嗜冷型。从南极海水中获取的155株细菌中，77%是耐冷型，23%为嗜冷型。低温微生物具有广泛的微生物类群，已发现的嗜冷微生物既有真细菌、蓝细菌，又有酵母菌、真菌和藻类。在嗜冷菌中研究最多的是真细菌，有自养菌也有异养菌，有好氧菌也有厌氧菌。

3.嗜盐菌

嗜盐菌（halophiles）是在海洋、盐湖、盐场以及腌制品等高盐环境中生存的微生物。根据微生物对盐浓度反应的不同程度，可将嗜盐微生物分为非嗜盐菌、弱嗜盐菌、中度嗜盐菌、极端嗜盐菌和耐盐菌等。其中，中度嗜盐菌生长的最适盐浓度为0.5～2.5mol/L（3%～15%）。中度嗜盐菌由具有不同生理生化特征的、分布于很多不同属的细菌组成，如螺旋菌（Spirochetes）、变形菌（Proteobacteria）、黄杆菌-拟杆菌（Flavobacterium-Bacteroides）、低（G+C）革兰阳性菌和高（G+C）革兰阳性菌。

4.嗜酸微生物

嗜酸微生物（acidophilic microorganisms）最适生长pH在3.0以下，而且能够耐受极低的pH。该类微生物主要存在于酸性矿坑水、湿法（生物）冶金体系、地热区和火山区的火山喷口或海底热液喷口（也称海底火山）周围等酸性环境。目前发现的嗜酸微生物至少有13个属、33个种。这些微生物根据系统分类学可划分为细菌和古生菌；根据营养类型可划分为严格自养微生物、异养微生物和兼性自养微生物（混合营养生长微生物）；根据是否需要O₂可以划分为好氧生长和厌氧生长；根据最适生长温度可划分为常温微生物（30～35℃）、中度嗜热微生物（40～50℃）和极端嗜热微生物（65～80℃）；根据能源代谢特点和生理生化性质可划分铁氧化微生物、硫氧化微生物、铁硫氧化微生物、铁还原微生物、铁氧化还原微生物、异养微生物和厌氧微生物等。常见的铁氧化嗜酸微生物主要包括硝化螺旋菌门（Nitrospira）的钩端螺旋菌属（Leptospirillum）、广古生菌门的铁原体科（Ferroplasmaceae）和放线菌门（Actinobacteria）三类。硫氧化嗜酸微生物主要包括氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans）、喜温嗜酸硫杆菌（A.caldus）、A.albertensis、Thiomonas cuprina、Metallosphaera spp.和Sulfolobus spp.等；既能氧化铁又能氧化硫的嗜酸微生物主要有氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）、Sulfobacillus spp.和Acidianus spp.等。另外Metallosphaera属和Sulfolobus属的极端嗜热古生菌也能以Fe²⁺作为能源，但其氧化能力较弱。异养嗜酸微生物主要分布于嗜酸菌属（Acidiphilium）。

5.嗜碱微生物

根据微生物耐受碱的程度不同，可分为：耐碱微生物（alkalo tolerant microbes，pH7～9生长，pH＞9.5不能生长），嗜碱微生物（alkalophiles，pH10～12生长），极端嗜碱微生物（extreme alkaliphiles，最适生长pH为10或大于10，pH低于8.9～9则不生长，为专性极端嗜碱微生物），兼性嗜碱微生物（facultative alkaliphiles，能在两种或两种以上不同环境下生存和繁衍后代）。在嗜碱微生物中也存在兼性嗜碱菌，它既能在pH＞7，又能在pH＜7微酸性环境中生存。根据微生物耐受盐的程度不同，可分为嗜碱菌和耐盐性嗜碱菌。嗜碱菌生长不需要高的盐离子；而耐盐性嗜碱菌不仅需要pH大于9的环境，而且需要高的盐度（NaCl达33%）。

嗜碱微生物广泛地存在于碱性环境中，如碱性最强的碳酸盐湖及碳酸盐荒漠、烟碱湖。碳酸盐是这些环境碱性物质的主要来源。嗜碱菌是一个丰富多样的群体，从细菌到古生菌（Natronobacterium），从好氧菌到厌氧菌，从光能营养型细菌到化能异养型细菌都有存在。各种各样的嗜碱微生物，包括细菌、放线菌、真菌、酵母菌及噬菌体等都已被分离出来。已分离得到的嗜碱微生物包括芽孢杆菌属（Bacillus）、微球菌属（Micrococcus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、黄杆菌属（Flavobacterium）和无色杆菌属（Achromobacter）等的一些种。

6.嗜压微生物

嗜压微生物（piezophilic microbes）是一类依赖于高压条件才能良好生长的微生物。根据生长的最适压力不同，可分为耐压菌、嗜压菌和极端嗜压菌三类。耐压菌指在0.10～40.53MPa下都能生长的微生物；嗜压菌最适生长压力为40.53MPa。嗜压微生物只存在于深海底部、地下煤矿和深油井等少数地方。分离到的嗜压菌主要属于变形菌γ-亚群，如希瓦菌属（Shewanella）、莫里特拉菌属（Moritella）、科尔韦尔菌属（Colwellia）、发光杆菌属（Photobacterium）和嗜冷单胞菌属（Psychromonas）。

二、极端微生物的适应机制

1.嗜热机制

嗜热微生物的细胞膜组成、嗜热蛋白质和嗜热酶、遗传物质结构的稳定性等都与常温微生物不同。细胞膜中长链饱和脂肪酸比例高，疏水键强度大，耐高温水平提高；蛋白质一级结构氨基酸的组成和排列不同，一些金属离子如Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺对蛋白质的空间结构起稳定作用，使蛋白质在高温条件下具有稳定性；遗传物质，包括DNA和tRNA中G、C碱基含量都很高，使堆积力增大，不易解链，并且tRNA的周转率高，可保证一些重要酶的快速合成。

2.嗜冷机制

低温条件下细胞膜的流动性较差。嗜冷微生物可通过改变细胞膜的组成（含有大量分支脂肪酸或短链和不饱和分支脂肪酸）来保持其流动性，并且脂肪酸的含量还随着温度的变化而变化。嗜冷微生物可产生多种嗜冷同工酶，酶组成中中性氨基酸含量增加，使其在低温条件下仍能保持酶活力。低温条件刺激具有感知温度能力的冷休克基因，mRNA正常表达，产生大量冷休克蛋白，而冷休克蛋白可能是嗜冷微生物嗜冷的关键因素。tRNA在转录时结合的二尿嘧啶比例提高，以保持低温条件下的流动性。

3.嗜盐机制

嗜盐菌细胞壁不含有肽聚糖，却有富含酸性氨基酸（带负电荷）的糖蛋白。在高盐浓度的溶液里，钠离子会结合在嗜盐菌的表面，屏蔽掉这些氨基酸所带的负电荷。发现的主要拟杆菌门嗜盐菌，和嗜盐古生菌一样能够合成细菌视紫红质，以光驱质子泵的方式产生能量。某些嗜盐菌具有Na ⁺/K ⁺反向转运功能，利用了光介导的H ⁺质子泵，具有向外排放Na ⁺和吸收并浓缩K ⁺的能力。胞内高浓度的K ⁺不仅能够调节胞内外渗透压的平衡，也是嗜盐菌酶与蛋白质保持活性的条件；嗜盐菌胞内积累相容性物质如糖类、甜菜碱和四氢嘧啶等，既能帮助正常的细胞代谢活动，又有助于平衡胞内外渗透压。嗜盐菌在酶的表面引入了酸性氨基酸的残基，能在蛋白质和酶表面形成一层薄薄的水保持层，阻止蛋白质分子与酶相互碰撞，从而避免了它们之间的凝集；同时，碱性氨基酸残基能与酸性氨基酸形成盐桥来消除盐离子的屏蔽效应。

4.嗜酸机制

嗜酸微生物的细胞膜是抵御外界酸性环境的重要保护伞，在酸性条件下，质膜上的脂质四聚体使质子几乎无法通过。脂质体囊泡结构在酸性条件下渗透H ⁺离子，聚集在膜上的金属离子也可以和H ⁺进行交换，以保持细胞内的中性环境。另外，跨膜电位差的迅速变化以及H ⁺离子的扩散作用也有利于嗜酸微生物的生存。

5.嗜碱机制

嗜碱微生物的某些基因与耐碱性有关。嗜碱单胞菌（Alkalimonas amylolytica）新型羧基转移酶的α亚基基因Aa-accA与盐碱性关系密切。将该基因转移到大肠杆菌和烟草悬浮细胞BY-2中表达，可提高大肠杆菌及烟草BY-2细胞的耐盐碱能力。嗜碱菌细胞壁含有大量酸性小分子，这些小分子带负电荷，可以中和细胞表面的H ⁺。另外，细胞膜上的Na ⁺/H ⁺反向载体、K ⁺/H ⁺反向载体和ATP酶共同作用，也将H ⁺排出细胞外，使pH维持在适宜范围内。嗜碱菌可产生嗜碱酶，碱性条件下在酶或蛋白质表面所形成的离子屏蔽效应，对它们的构象起稳定作用。

6.嗜压机制

嗜压微生物能够在高压下生存，其细胞膜脂肪酸的组成、压力调控元件、呼吸链组成的多样性、嗜压基因的表达、嗜压酶的表达、运动特征等都与常压微生物有显著区别。

三、极端微生物的应用价值

1.极端酶资源开发

研究各种极端微生物，可以开发利用嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜盐、嗜压的酶资源，生产各种具特殊性质的酶制剂，如淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖苷酶、木聚糖酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、DNA聚合酶等，应用于食品、农业、轻工、药品等行业。如超嗜热菌中的嗜热酶，在75～100℃具有良好的热稳定性。嗜冷酶在洗涤剂、环保、食品加工、化妆品、饲料、牙膏、医药等行业具有广泛的潜在价值。嗜压嗜热酶在化学工业有良好的应用前景。嗜碱酶主要用于去污剂工业、制革业、食品业和造纸业。耐有机溶剂极端微生物是一类能在较高浓度（体积分数一般介于10%～50%）的有机溶剂中存活的微生物。从该类极端微生物，可开发耐有机溶剂工业酶制剂，开发利用“溶剂双层发酵法”（采用耐有机溶剂微生物作为发酵菌，将难溶性底物溶于有机溶剂，在有机溶剂-水的双相体系中进行生物转化的培养方法）进行脂溶性物质的生物转化。

2.新型抗生素和其他生理活性物质开发

极端环境微生物在新型抗生素等生理活性物质开发领域具有相当的潜力。从各种极端微生物分离得到多种具特殊结构和特殊功能的抗生素：从一株嗜热菌分离得到了具有抗真菌功能的pyochelin；从一株嗜冷菌分离得到了抗肿瘤抗生素缩酚酸肽sandramycin；从一株嗜冷放线菌NTK14得到了有特殊氧桥结构的新化合物gephyromycin，可作谷氨酸收缩剂；从嗜碱放线菌AK-409的发酵液中分离得到了pyrocoll，具有抗菌和抗肿瘤作用；嗜碱杆菌YN-2000在细胞内能生成大量苯乙胺，可作为各种化学合成药物的中间体；从嗜碱棒状杆菌YUA25中分离出一种新型的醛糖还原酶抑制剂YUN001，主要用于治疗糖尿病；从弱嗜盐芽孢杆菌PHM-PHD-090发酵液分离到了一种新的异香豆素PM-94128，具有较强的抗肿瘤活性；嗜盐链霉菌（Streptomyces sioyaensis SA-1758）可代谢产生一种结构新颖的水溶性生物碱altemicindin，具有抑螨活性和抗肿瘤活性。极端微生物成为抗生素等生理活性物质开发的新资源。

3.极端微生物研发将促进现代生物技术发展

极端微生物的开发应用将提供缓解我国资源、环境压力，保障社会可持续发展的有效途径。嗜冷微生物在低温发酵等生物技术领域具有广阔的应用前景。嗜热微生物将在生命进化过程、生命物质温度极限及原理、生物技术新工艺新材料等方面提供知识与资源。嗜酸微生物可应用于湿法冶金技术，特别是低品位矿和不宜用火法冶炼的矿物。嗜盐微生物的应用潜力表现在酶、多聚物、脂质体、医药以及高盐环境的生物整治等方面。

极端嗜盐菌的质子泵“紫膜”蛋白，由于在吸收1个光子并泵出1个质子的过程中伴随着一系列中间态的出现并产生电场变化，有望用于光学信息处理和光储存、生物芯片和生物计算机、全息照相和存储、仿视觉功能人工视网膜、图像传感器和运动探测等高科技产业领域。在国际上，极端嗜盐菌产生的可降解生物材料正逐步取代不可生物降解的化学合成材料。

利用微生物混合菌群，尤其是嗜碱和嗜热微生物或产甲烷菌的合理组合，有望直接从秸秆发酵产生乙醇或甲烷，实现环境整治和可再生能源的有机结合。利用高温菌的高温酒精发酵，可实现发酵和蒸馏的同步化，提供了解决当前酒精发酵存在的乙醇浓度低（9%～15%）、发酵周期长和生产菌株耐受乙醇浓度低等问题的新思路、新途径和新技术；同时探索直接从纤维素类物质产生乙醇的代谢工程，可大大降低生产成本，将创造数亿元的效益。

4.在环境保护领域具有较大的应用价值

在环保领域，极端微生物具有特殊的应用价值。利用嗜酸硫杆菌可脱除煤中的无机硫；嗜热嗜酸菌（如硫化菌）既能脱除煤中无机硫，也能脱除有机硫。嗜酸硫杆菌还可以用来处理含硫废气、改良土壤。嗜碱微生物可应用于许多碱性环境的废水处理。例如，由嗜碱芽孢杆菌产生的木聚糖酶能够水解木聚糖产生寡聚糖和木糖，可用来处理人造纤维废物。碱性果胶酶可用于一些传统工业加工过程所产生废物的处理，如织物和植物纤维的处理、油的提取、污染果胶的污水处理等。嗜盐菌在高盐污水的处理、海水淡化、盐碱地改造以及能源开发等方面可发挥重要作用。例如，在环境生物治理方面，利用生物系统处理高盐有机工业废水在技术上是可行的。高温废水生物处理的基础是嗜热微生物。提高温度可显著提高活性污泥法处理含酚废水的效率。采用半连续进水生物反应器对屠宰废水进行高温好氧处理，高温处理效率10倍于中温处理效率。低温微生物在生物修复中的作用日益突出，主要应用在表面活性剂、原油及废水中微量油脂的降解等领域。寒冷环境下污染物生物降解能力的提高可通过低温微生物特有的冷适应酶实现，不但可使大规模的牲畜粪便厌氧耐冷分批消化，同时也使低温下鱼类加工厂中大量油渣以及寒冷地区污染物的生物降解成为可能。