古菌及极端微生物

隐蔽热网菌 Pyrodictium occultum

1977年，美国深海潜水器“阿尔文”号在洋中脊地区 发现了从海底冒出浓烟般的热泉。令人难以置信地是， 在喷出热泉的“黑烟囱”周围水温250-350℃、265大 气压的海水中，竟存在着一个极其奇特、黑暗而酷热 的生命世界。隐蔽热网菌即生活于其中。
古菌及极端微生物
2014.3.12
古菌
古菌常被发现生活于各种极端自然环境
下，如大洋底部的高压热溢口、热泉、 盐碱湖等。
在我们这个星球上，古菌代表着生命的极限，
确定了生物圈的范围。 热网菌（Pyrodictium）能够在高达113℃的 温度下生长。
最适生
活温度 80－ 105， 具有独 特的细 胞结构。
分类
目前，可在实验室培养的古菌主要包括 三大类: 1.产甲烷菌、
2.极端嗜热菌
3.极端嗜盐菌。
1、产甲烷菌
产甲烷菌是一群迄今
为止所知的最严格厌氧 的、能形成甲烷的化能 自养或化能异养的古菌群。 产甲烷细菌是能产生甲烷的一大类群， 因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝 状等不同形态。
一.古生菌的形态:与细菌相似
地表深处煤层中生成大量生物成因气的有利条件 是：大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低 温，以及高pH值的缺氧环境. 生物成因：煤层气是在较低的温度条件下，有机 质通过各种不同类群细菌的参与或作用，在煤层 中生成的以甲烷为主的气体. 产甲烷菌对煤层气的 形成起着重要的作用，目前已发现产甲烷菌有低 温型、中温型和嗜热型.
2、极端嗜盐古菌
这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度
盐环境中的古菌。 细胞形态为杆形、球形和三角形、多角形、 方形、盘形等多形态。革兰氏阴性，极生鞭 毛。好氧或兼性厌氧。 胞内含有 类胡萝卜素（菌红素），产红色、 粉红色、橙色或紫色等各不同色素。化能有 机营养型。
盐沼盐杆菌Halobacterium spp.
闪烁古生球菌A. fulgidus
分布于深海海底、热泉和地层深部储油层。
化能自养，单极多生鞭毛，并产少量甲烷。
4、无细胞壁古菌－热原体
在古生菌中，有一类无细胞壁的原核生物
很象无细胞壁的支原体，由于它们无细胞 壁、嗜热、嗜酸、行好氧化能有机营养， 所以被称为热原体（Thermoplasma）。 0.2μm 到 1-5μm。 有的种具有多根鞭毛，能够运动。
卫星上拍摄地球甲 烷 --棕色部分是 甲烷
太空望远镜上拍摄火 星甲烷--黄（红）色 部分是甲烷
一个美国科学家小组2005年12月5日报
产甲烷古菌可能是火星生命形式
告说，他们在格陵兰岛地下冰芯中发现 了产甲烷古菌生存的证据。科学家称， 这种能在极端严酷条件下生存的微生物 有可能在火星上生存。 研究人员认为产甲烷古菌很可能存在于 火星上，并且是火星大气中甲烷的来源。 为了验证这一设想他们制造一台荧光探 测仪，用来探测产甲烷古菌新陈代谢时 产生的微弱荧光，这台仪器能探测出每 毫升土壤或地层中存在的1个古菌，安 装在新的火星车上寻找火星生命。
Deinococcus peraridilitoris球菌是耐辐射球 菌一个鲜为人知的亲戚，被称之为地球上最强 悍的细菌，曾入选《吉尼斯世界纪录大全》。 据悉，这种球菌能够经受住寒冷、真空、干旱 和辐射考验。其强大生存能力的关键在于拥有 多个基因组拷贝。
图片展示的是在红海附近盐滩发现的细菌 Haloquadratum walsbyi。这一地区含盐度 极高，能够幸存下来可谓一个奇迹。方形超扁 平古细菌Haloquadratum walsbyi之所以能 够在这种恶劣条件下生存，是因为它们的表面 体积比是所有地球生物中最高的，能够有效阻 止因所在地区含盐度过高慢慢萎缩。
一些产甲烷细菌: (a)亨氏甲烷螺菌; (b)史氏甲烷短杆菌
(c)巴氏甲烷八叠球菌; (d)马泽氏甲烷八叠球菌; (e)布 氏甲烷杆菌; (f)黑海甲烷袋状菌.
.产甲烷菌代谢途径
产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们通
过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所 需的能量。在产甲烷菌中存在原核细胞 和真核细胞所共有的糖酵解途径，三羧 酸循环、氨基酸和核苷酸代谢。产甲烷 菌是自养型的生物，它能利用环境中的 化学能。因而产甲烷菌中发现了许多无 机物进入细胞所需的通道蛋白，产甲烷 菌是目前发现唯一能固氮的古细菌。
美国科学家发现有一种古细菌能还 原氧化铁并且在100 ℃时还能生 长。当他们测试该细菌的耐热极限 时，发现在加热至121℃时仍具有 繁殖能力，24小时内数量可翻一 番。不仅如此，它在130 ℃下存 活两个小时后，再重新置于 103 ℃的环境下仍能继续生长。 与之相比，全世界耐热“冠军”、。
古菌的分布
古菌还广泛分布于各种自然环境中，
土壤、海水、沼泽地中均生活着古 菌。很多产甲烷的古菌生存在动物 的消化道中，如反刍动物、白蚁或 者人类。古菌通常对其它生物无害， 且未知有致病古菌。
甲烷短杆菌
大部分的甲烷短杆菌生长于反刍动物、人类
和其它动物的肠道中, 或是腐朽的植物, 以及 缺氧的废水烂泥中。 M. smithii是唯一一种生长在人类肠道的甲烷 短杆菌 (图)。
图中展示的细菌Halobacterium NRC-1是 地球上抗辐射能力最强的生物，能够经受住 1.8万Gy(吸收剂量)辐射——10Gy辐射便 可致人死亡。 Halobacterium NRC-1擅 长修复其自身的DNA。
图片展示的细菌Ferroplasma acidophilum能够在pH值为零的环 境下生存。这种细菌是在加利福尼亚 州一个金矿的有毒流出物中发现的， 能够将铁作为几乎所有蛋白质的核心
今后对产甲烷菌的研究
可以主要集中在以下3个方面 1.通过改进极端环境微生物分类鉴定技 术，发现更多产甲烷菌的类群； 2.对产甲烷菌特征基因及其与代谢的关 系进行更加细致的研究； 3.对产甲烷菌群与其它微生物的协同消 化有机物的代谢进行研究，为环境的生物 治理和生物能源的开发提供理论依据.
甲烷是地球上主要的温室
工程位于云南省洱源县，整个工程由农业部沼气科学研究所设计与 启动调试。工程采用高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理200头 奶牛产生的鲜牛粪3.46 t/d，尿及冲洗废水4.2 t/d，年产沼气约 7.3万m3，沼气作为生活用能集中供给当地70多户村民和养殖场职 工使用
蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程
沼 气 在 发 电 方 面 的 应 用
工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区（ 蒙牛总部），工程采用高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处 理牧场存栏10000头奶牛的鲜牛粪280 t/d，尿及冲洗废水360 t/d，日产沼气10000m3/d，日发电20000 kW· h/d; 年减排COD 9125 t，CO2当量2.4万t，TN 487 t，TP 96 t。沼渣沼液供周 边约10万亩牧草种植地利用。该工程是目前我国最大的牛场粪 污处理沼气发电工程。
2酿酒工业上的应用
泸州老窖古酿酒窖池群是全国重点文物保护单位， 自公元1573年开始酿造浓香型曲酒一直延续至今.
80年代首次从泸州老窖泥中分离出氢营养型 的布氏甲烷杆菌CS菌株，揭示了酿酒窖池是 产甲烷古菌存在的又一生态系统 窖泥中栖息的产甲烷古菌既是生香功能菌，又是 标志老窖生产性能的指示菌.
3产甲烷菌在煤层气开发中的应用
热原体能抵御外界渗透压的变化、对抗外环
境的低pH值和高热极端环境，是因为它们虽 然没有坚韧的细胞壁，但发育出一种带有甘 露糖和葡萄糖单位的四醚类脂(tetratherlipid) 的脂多糖化合物，作为质膜的主要成分。同 时，质膜中也含有糖肽，但没有固醇类化合 物，这样的质膜使热原体表现出对渗透压、 酸、热的稳定性。
气体，对全球气候变暖的 增温作用大约占15%，其 相对二氧化碳的增温效应 值为19。
1.甲烷古菌（又称甲烷菌）可以释放出
甲烷气，它可以生存在极端的环境，包 含了地底深处、沙漠、海洋深处、火山 或地热区、盐湖或盐海、地球以外的星 球等。就目前所知道的、可以在这么极 端的环境下活下来的生物，全部都是有 着上千万年以上的太古生物，其中有甲 烷菌。 2.甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存， 但只要一遇到氧气就会死亡，它能适应 摄氏2度至115度，和淡水到高盐环境， 并且经过甲烷化过程产生能量；
（Pyrolobus fumarii），一种 生活在113℃大西洋热液喷口的 古菌。
火叶菌属的延胡索酸火叶菌
一种新发现的微型海底生物
The newly discovered Nanoarchaeum
equitans (tiny cells) attached to its host Ignicoccus spec. (big cells). Bar 1，5 µm.
Desulforudis audaxviator可能是一个真实的 “自力更生”的微生物。Desulforudis audaxviator是在南非一个矿井发现的，矿井位于 地下2英里处，完全与世隔绝。利用含铀岩石产生 的放射能作为能量，这种细菌能够从周围岩石和空 气中获取所需的所有营养物质并完成新陈代谢过程。 它们是世界上已知的唯一一个单种群生态系统。
产甲烷杆菌的应用前景
1废水处理 现有的厌氧生物处理工艺大多要求在中温 或高温的范围内进行，通常要对废水与废物 进行加热，这种作法消耗能源，削弱了厌氧 生物处理的优越性，。利用嗜冷产甲烷菌实 现低温厌氧生物处理过程，可从本质上突破 低温厌氧工艺的技术瓶颈，进而大大拓展厌 氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理 的成本。
左侧的细菌名为“Herminiimonas glaciei”，是在格陵兰一条冰川下方2英 里(约合3公里)处的冰层中发现的，它 是迄今为止发现的体积最小的微生物。 宾夕法尼亚州大学的研究人员报告说已 成功让它苏醒过来，在此之前，这种细
图片展示的是1979年在深海火山口富含营养物质的边缘 发现的细菌——Pyrodictium abyssi，它们是最初的极 端微生物。除了承受足以将潜艇压成薄煎饼的大气压外， Pyrodictium abyssi还经受住超过水沸点的高温考验， 惊人的生存能力由此可见一斑。
黑烟囱是由海底地壳的裂缝制造的，大 量溶解了地底金属元素和硫化物的液体 从裂缝中喷出之后，一遇到冰冷的海水 就形成了浓密的黑色烟雾。
嗜热微生物 在食品加工中发挥了重要作用。例如： 用淀粉生产高果糖时，普通的葡萄糖 异构酶在中温条件下催化果糖产量很 少，而提高温度将催化果糖的生产。 目前，已从嗜热的Thermologa中分 离出一种超高温嗜热的木糖异构酶， 这种酶也能把葡萄糖转化为果糖，这 样，就能在高温的条件下进行果糖的 生产，从而提高果糖的产量。
安徽怀宁：沼气“点亮”新家园
怀宁县积极推行无公 害化畜牧养殖，引导 规模养殖场、养殖大 户大力发展沼气工程 ，，现已建设户用沼 气池6600口，节柴灶 2000个。图为该县平 山镇牧之金养殖场的 工人正在往大型沼气 池里装运原料。
沼气在养殖业的应用
云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站
沼 气 在 养 殖 业 的 应 用
细胞杆状(0.5～1.2μm
×1.0～6.0μm)。运动。 有些菌株具有气泡囊。 革兰氏阴性，好氧，化 能异养型。 生活在盐湖、盐场及腐 败的盐制品等中性盐环 境中。
Halobacterium sp.
3、还原硫酸盐古菌
这一类主要是指古生球菌
archaeoglobales 的古菌。细胞一般为不 规则球形、三角形 ，直径在 0.4~2.0 μm ， 单个或成对，革兰氏阴性。菌落可略呈绿 黑色，在 420nm 处可产蓝绿色荧光，严 格厌氧。
极端嗜热古菌－硫化叶菌
硫化叶菌是第一个分离鉴
定的极端嗜热古细菌(Brock 等，1970)，生长在富硫的 酸热泉中，温度达90℃以上， pH1～1．5。
极端嗜热古菌
极端嗜热或超嗜热，生长要求的温度范围为
45℃~110℃，最适为 70℃~105 ℃，且要求 pH 为 1~3 的高酸度环境。 有化能自养、化能异养和兼性营养三种不同的营养 类型。大多能代谢元素硫，能在好氧条件下将硫或 H2S氧化为H2SO4，在厌氧条件下可还原元素硫为 H2S。 主要分布于含硫温泉、火山口、燃烧后的煤矿等环 境。