极端微生物.ppt

极端环境中的微生物极端环境中的微生物CONTENTS一一、极端环境下微生物简介极端环境下微生物简介二二、适应机制适应机制三三、环境化学作用环境化学作用 四四、应用应用展望展望目录一、极端环境下微生物简介一、极端环境下微生物简介 极端微生物是依赖于一种或多种极端物化因子的特殊生命形式，在100以上或0以下、近饱和的盐度、pH10或pH2等极端环境下，具有极端的生命世界，已发现的生命形式包括嗜热菌、嗜冷菌、嗜碱菌、嗜酸菌、嗜盐菌、嗜压菌等，统称为极端微生物，它们构成了地球生命形式的独特风景线，其存在的原理与意义为更好地认知生命现象、发展生物技术提供了宝贵的知识源泉。球形嗜盐古菌嗜热碱芽孢杆菌嗜冷杆菌嗜热菌：分布于温泉、堆肥、地热区土壤、火山地区以及海底火山等环境中。嗜冷菌：分布于极地、冰窖、高山、深海、寒冷水体、冷冻土壤、保藏食品的低温环境等。包括真细菌、蓝细菌、酵母菌、真菌以及嗜冷古生菌。嗜盐菌：分布于高浓度的盐碱湖、盐场、盐矿和用盐腌制的食品中。种类既有极耐盐的古细菌，也有真细菌、放线菌和藻类。嗜酸菌：多分布于金属硫矿床酸性矿水，生物滤沥堆及含硫温泉和土壤中。包括原核真核两大类。二、适应机制二、适应机制1、嗜热菌 1）细胞膜中含高比例的长链饱和脂肪酸和具有分支链的脂肪酸，还含有甘油醚化合物。2）细胞壁是由G-M及短肽构成的三维网状结构，增加了其耐热性。3）呼吸链蛋白质的热稳性高。4）细胞内含大量多聚胺。5）胞内蛋白质具有热抗机制。6）tRNA的G、C碱基含量高，提供了较多的氢键，故热稳性高。2、嗜盐菌 1）在细胞内积累高浓度K+或Na+，或积累大量的小分子极性物质，如甘油、单糖、氨基酸等，这些极性小分子物质均可帮助细胞从高盐环境中获取水分，可在胞内随外界环境渗透压变化而增减其合成和降解的速率。2）细胞壁成分中不含肽聚糖，而以脂蛋白为主，高浓度Na+提高了细胞壁蛋白质亚单位之间的结合能力，维护细胞结构的完整性。3）菌体内有一系列适高浓度盐的酶，与中性酶相比，这类酶含有较高酸性氨基酸比率，酶分子表面具有水保持层，从而阻止酶分子的相互凝聚。3、嗜酸菌 嗜酸菌细胞内维持中性，适应外部酸性环境机制的解释主要有3种，即“泵说”、“屏蔽说”、“道南平衡说”。“屏蔽说”认为，细胞质膜是两种环境的渗透屏蔽物，使外部H+和OH都不能进入细胞内，进而维持胞内pH近中性；“泵说”认为，嗜酸微生物中存在H+/K+(Na+）反向转运功能的特殊蛋白，以维持细胞内环境接近中性，并保护易受酸破坏的组分；平衡说认为，细胞质膜存在高分子电解质，并形成所谓的Donnan电位(这种电位与正常的膜电位的电场方向相反，存在细胞膜中)以阻碍过量的H+进入膜内，从而维持膜内的中性状态。三、环境化学作用三、环境化学作用1、嗜热菌 由于嗜热菌具有特殊的代谢机制,因此它参与了许多生物地质化学反应。在微生物成矿、生物冶金、有机物的分解及元素的地球化学循环中起重要作用。在热环境中,嗜热菌不论是直接吸附矿物颗粒沉积到细胞表面，还是通过它们的代谢产物，都可以引起周围pH值和氧化还原条件的改变从而影响元素的环境化学循环。嗜热菌在高温条件下具有强大的生物降解能力,具有较强的生物转化功能，使有机物无机化。如可分解有机物的嗜热细菌有嗜热脂肪芽胞杆菌、枯草芽胞杆菌等；嗜热放线菌有高温单孢菌、嗜热高温放线菌等；嗜热真菌有白地霉、烟曲霉、微小毛壳菌和橙色热子囊菌等。2、嗜盐菌 其在揭示生物圈与地圈协同演化的奥秘、古环境变迁及生物进化方面有重大科学意义。通过对这些有限的来自地表下记录的研究可以揭示地球历史上地理的、地质的以及生物的事件。深海沉积物中存在大量的嗜盐并且嗜热的细菌,由于深海沉积的稳定和较好的非扰动性，大洋底部的深部沉积物中还保留有大量的古代微生物的遗迹，有的甚至长达200万年。从地下深部分离出的嗜盐古菌对了解和研究二叠系时期的古环境有重要作用，并可用于考察物种的演变历史，因而是研究生物进化的活化石。3、嗜酸菌 嗜酸热古菌被认为是地球上最古老的生命形式之一，因此它在生物冶金、元素的地球化学循环等方面起重要作用。一般认为酸矿水的形成与嗜酸菌有关，这些细菌可以氧化黄铁矿、黄铜矿以及一些含锰和锌的矿床并产酸，致使废弃矿坑中的酸度进一步变强，对周边地区的环境和矿产的流失都有非常大的影响。虽然嗜酸菌对Cu、Fe、Mn、Zn和S等元素在酸矿水环境中的地球化学循环有直接影响，但对酸矿水的生物治理也需要通过对嗜酸菌的研究来找到解决的途径。极端地质环境下的微生物群落相对简单，因而比较容易研究微生物和生物环境化学之间的特殊关系。极端微生物环境化学的研究将加速对生物圈和地圈长期协同演化的了解,不仅有助于揭示生命起源、生命极限、生命本质甚至其他生命形式等生命科学上最大的悬念，而且有助于认识生命与环境相互作用规律，为弄清古气候变化及地球的化学演化提供重大线索，也使某些新的生物技术手段的出现成为可能。四、应用展望四、应用展望 极端微生物的研究虽然起步晚，但是发展很快，极端微生物特殊的多样化适应机制及其代谢产物将使某些新的生物技术手段成为可能，在食品工业、环境保护、医药工业、能源利用、遗传研究、生产特殊酶制剂等多种生产和科研领域中发挥着重要的作用，具有广阔的研究与应用前景。此外，采用基因工程技术，对极端微生物性状、功能进行有益改良，进而为人类服务，是一条崭新的道路。1、嗜热菌的应用 处理食品和造纸工业废水、芳香族化合物、氰药、重金属及其他有机难降解物质时，利用高温酶处理木浆可以有效地祛除木质素，减少对化学漂白剂的用量，从而减少了对环境的污染。在污水处理及废物处理方面，不仅可以利用高温酶的耐热性，更重要的是利用它对有机溶剂的抗性。所以，在许多污染地区利用高温酶除去烷类化合物的污染有很大的优势。在石油开采过程中，利用粘胶混合细沙在岩石床上加压，出现裂缝后，用超嗜热酶可以提高油和气的流动性，加速石油或天然气的流出。另外，嗜热菌对某些矿物具有特殊的浸溶能力，对某些金属具有较强的耐受能力，为矿产资源开发提供了美好的前景。1）降解纤维素类物质的嗜热酶 通过纤维素酶系的转换，可以把不溶性的纤维素水解为寡糖、纤维二糖和葡萄糖分子。目前，已从嗜热微生物中分离了几种热稳定性纤维素酶，如从Thermotoga mar-itime MSB8中分离一种分子量为27kDa蛋白，其最适温度为95，最适pH值为6.07.0。有 些 极 端 嗜 热 酶 如Aeaerocellum thermophilum、P.fueiosu能产生溶纤酶，能水解微结晶纤维素.这些酶的最适温度都在95以上，有的甚至在115的高温下仍然具有活性。2）热稳定的木聚糖酶 这一类酶主要是Thermotoga属的一些种,其中热稳定性较好的是从Thermotoga neapoli-tana分离的酶，它们的稳定性在80105，丹麦Novordisk酶公司开发了一种最适pH为10，最适温度为7085，用于造纸工业的木聚糖酶。3）降解蛋白质的热稳定性酶 从Desulfurococcus strain SY系分离得到的一种胞内蛋白酶，在95的高温中半衰期为4.3 h。从Thermococcus stetteri中分离出一种高热稳定性的丝氨酸类蛋白酶，它的分子量为68kDa，该酶不仅具有高的热抗性，而且能抵抗其他的化学变性剂的作用。2、嗜盐菌的应用 嗜盐菌在高盐污水的处理、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。采用好氧生物活性炭法处理高盐有机废水草甘膦生产废水，通过对嗜盐菌进行筛选，并用活性炭对其进行固定，在好氧条件，并在一定盐度、pH、温度下，该嗜盐菌复合活性炭对草甘膦废水的COD去除率可达75%以上。极端嗜盐菌产生的以细菌视紫质为代表的一类含视黄醛蛋白质有望应用于生物电子方面。目前正试图将菌视紫素制成离体物，用于合成ATP、太阳能电池、生物芯片等，淡化海水，以及解决诸如宇航中人类能源不足等问题。美国密苏里州的一个制药厂排放生产废水390m3/d，含盐量7.4%，CODcr为7400mg/L，主要处理单元有ZenoGem系统活性污泥系统厌氧处理系统SBR反应器，出水水质达到国家排放标准。C.H.Liang等对高盐度有机废水进行吹脱和冷却预处理后，再利用SBBR(序批式生物膜反应器)处理，取得了良好效果。嗜盐碱放线菌Nocardioides sp.M6能快速降解污染物2，4，6-三氯酚可应用于环境治理，利用其嗜盐特性除去工业废水中的磷酸盐，还可用于开发盐碱地等。3、嗜酸菌的应用 嗜酸菌有多种机制使其有耐重金属特性，在矿物加工和生物浸出技术方面有很大应用价值。在冶金应用方面，利用嗜酸菌将贫矿和尾矿中金属溶出并回收的方法称为生物湿法冶金。如浸磷微生物异养型可以利用葡萄糖等有机物生长，产生有机酸分解磷矿。在环境保护方面，利用嗜酸菌处理污泥中的重金属，Cu、Zn、Ni、Cd等的去除率可达80%以上，而且处理成本比传统的无机酸溶解法低得多。另外，嗜酸菌还被广泛应用到重金属污染土壤的生物修复、耐热酶的提取、硫铁矿烧渣的综合治理、厌氧废水处理系统中H2S的去除以及煤和石油中硫的脱除等方面。用嗜酸硫杆菌脱除煤中无机硫，欧共体已投产建成煤日处理量1.2吨的生物脱硫试验厂。嗜热嗜酸菌(如硫化叶菌)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、改良土壤等。生物技术回收金属和煤炭脱硫较常规方法的优越性在于设备简单、操作方便、投资少、能消除或减少环境污染等。极端微生物的研究与应用，将是取得现代生物技术优势的重要途径，世界各国在其研究开发方面竞争激烈。我国的微生物科学研究水平依然落后，特别是微生物技术的基础研究更为薄弱，加强极端微生物的研究，将是我国生物技术实现跨越式发展的一次机会。谢谢大家！