古生菌(极端微生物)在环境保护中的应用

古生菌（极端微生物）在环境保护中的应用
摘要：本文介绍了古生菌的特点及利用其极端性在环境保护方面的应用，综述了极端微生
物及其产生的极端梅在清洁生产、环保型生物材料的生产及环境污染治理中的应用前景及对环境保护的意义。

关键字：古生菌、极端环境、环境保护、污染治理、清洁环保
正文：现代基本把生物分为三大领域: 真核生物( Eucarya) ,细菌(Bacteria) 和古菌(Archaea) . 古菌作为三大领域之一的生物,具有其独特的性质,也是目前生物地球化学研究的热点之一. 古菌和细菌一样,是原核生物,即细胞核没有核膜包裹,细胞核与细胞质没有明显界限. 与真核生物和细菌相比, 古菌代表了生物圈的极限. 例如热网菌属(Pyrodictium) 能在高达121 ℃的温度下存活并生长. 这是至今为止所发现的最耐热生物. 在最初的时候,人们在火山口、盐湖等高热、高盐度、缺氧的极端环境发现有微生物,他们可以在极端恶劣的环境下生存。

现在对古生菌的研究主要集中在以下四个类群：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌以及嗜热嗜酸细菌。

他们和我们人类的生活息息相关，我们可以在很多方面都应用到他们。

尤其是在环境保护中的应用。

一、古菌及古菌的特点
古菌是最古老的生命体，古菌一些奇特的生活习性和与此相关的潜在生物技术开发前景，长期以来一直吸引着许多人的注意。

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。

古菌的细胞形态有球形、杆状、螺旋形、耳垂形、盘状，不同古菌
规则形状也不相同，有的很薄、扁平，有的有精确的方角和垂直的边构成直角几何形态，有的以单个细胞存在，有的呈丝状体或团聚体。

其直径大小一般在0.1~15μm，丝状体长度有200μm。

古菌的细胞结构与细菌不同，如古菌的细胞外膜就与细菌不同。

大多数古菌的细胞壁不含二氨基庚二酸（D－氨基酸）和胞壁酸，不受溶菌酶和内酰胺抗生素如青霉素的作用。

革兰氏阳性古菌的细胞壁含有各种复杂的多聚体，如产甲烷菌的细胞壁含假肽聚糖，甲烷八叠球菌和盐球菌不含假肽聚糖，而含复杂聚多糖。

革兰氏阴性古菌没有外膜，含蛋白质或糖蛋白亚基的表层，其厚度在20~40nm。

甲烷叶菌属、盐杆菌属和极端嗜热的硫化叶菌属、热变形菌属和热网菌属的细胞壁有糖蛋白；甲烷球菌属、甲烷微菌属、产甲烷菌属和极端嗜热的脱硫球菌属有蛋白质壁，蛋白质呈酸性。

古菌的细胞膜所含脂质与细菌的很不同，细菌的脂类是甘油脂肪酸酯，而古菌的脂质是非皂化性甘油二醚的磷脂和糖脂的衍生物。

古菌的细胞膜有两种：双层膜和单层膜。

古菌在代谢过程中，有许多特殊的辅酶。

古菌因有5个类群，所以，它们的代谢呈多样性。

古菌中有异养型、自养型和不完全光合作用3种类型。

古菌多数为严格厌氧、兼性厌氧，还有专性好氧
古菌的繁殖方式有二分裂、芽殖。

其繁殖速度较慢，进化速度也比细菌慢。

大多数古菌生活在极端环境，如盐分高的湖泊水中，极热、极酸和绝对厌氧的环境，有的在极冷的环境生存。

编辑本段古菌的分类按照古菌的生活习性和生理特性，古菌可分为三大类型：产甲烷菌、嗜热嗜酸菌、极端嗜盐菌。

从2001年起着手出版的《伯杰系统细菌学手册》第二版中，将原核生物分为古菌域和细菌域。

古菌域分类为泉古生菌门和广
古生菌门。

大多数泉古生菌门极端嗜热、嗜酸，代谢硫。

硫在厌氧呼吸中作为电子受体和无机营养的电子源。

它们多生长在含硫地热水或土壤中（如美国的黄石国家公园的富硫温泉）。

广古生菌门：产甲烷菌、极端嗜盐菌、热原体、古生硫酸盐还原菌、嗜热嗜酸菌
二、古菌在环境保护中的应用
1、古生菌产生的耐热木聚糖用于造纸工业的清洁生产
造纸工业中的化学漂白产生大量有毒、致癌的含氯废水, 给环境带来严重的污染, 因此生物漂白技术是造纸业实现清洁生产的发展方向。

用极端微生物中的嗜碱菌产生的耐热木聚糖酶代替氯及其衍生物,可以避免污染的同时减少纸浆成分的损失。

在高温下,木聚糖酶可以打开细胞壁,在漂白阶段促进木质素的去除。

而目前市场上的木聚糖酶在70 ℃以上时迅速变性,用这些酶处理纸浆时,必须先将纸浆冷却处理后再加热以进行下一个工艺步骤,既浪费时间和能量,又比较繁琐。

因此,利用耐热木聚糖酶进行漂白显示了普通酶无法比拟的优越之处,正在成为关注和开发的目标。

迄今为止, 只发现少数几种超嗜热极端微生物能分泌具有高热稳定活力的木聚糖酶。

其中大多数来自Thermotogasp1FjSS3 - B11、T1maritime 、T1neapolitana 以及Thermotoga thermarum。

这些酶主要在80～105 ℃具有酶活。

几个编码木聚糖酶的基因已经被克隆和测序, 来自T1maritima 的木聚糖酶基因在大肠杆菌中被克隆和表达。

经比较研究发现, 该酶比目前用于造纸业中的最好的木聚糖酶更具有应用价值。

因此极端微生物产生的耐热木聚糖酶用于造纸业的漂白过程, 可实现清洁生产, 从源头削减污染, 对环境保护有重要意义。

2、古生菌用于环保型生物材料的生产
以石油为原料制造的塑料在自然环境条件下不易被生物降解, 燃烧时又产生大量的有害气体, 造成的白色污染问题日益严重, 人们一直在致力于可生物降解塑料的研究和开发。

以微生物发酵法产生的PHA (聚β2羟基烷酸) 为原料制造的新型塑料, 可被多种微生物完全降解, 开发应用前景十分可观。

极端嗜盐菌比普通细菌产生的PHA 中的PHV (聚β2羟基戊酸) 含量较高, 可解决目前以PHB (聚β2羟基丁酸) 制备的塑料韧性不够的问题; 而且由于嗜盐菌在低盐中细胞自溶的特点,将大大简化后处理生产工艺, 有望降低成本, 为目前生产的PHB 由于价格问题而限制大规模生产提供新的出路, 因此极端嗜盐菌产生的PHA 将是用于降低白色污染的重要的环保型生物材料, 对环境保护有重要的意义。

3、古生菌用于清洁能源的生产
乙醇是理想的清洁能源, 利用极端微生物中的嗜热菌的高温酒精发酵, 可实现发酵和蒸馏的同步化, 可解决发酵周期长等问题。

工业生产中的有机废物、废水和农业废弃物既是巨大的环境污染源, 同时又是再生能源的主要资源, 据统计, 我国农作物秸秆年产出量为6104 亿吨。

秸秆、废渣等在高温、酸、碱等条件下易于处理, 极端微生物及其极端酶能够在此类极端环境中实现普通微生物不能完成的对纤维素半纤维素的有效转化。

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。

4、古生菌用于洁净煤技术
当前, 煤炭是我国主要的能源之一, 然而大多数煤中都含有很高的无机或有机硫成分, 通常含量约0125 %～7 % , 煤燃烧产生的SO2 直接进入大气中, 促进了酸雨的形成, 所以对煤的直接利用已引起了严重的环境污染。

在煤脱硫处理的方法中,微生物除硫既能除去煤中的有机硫, 又能除去无机硫, 因而具有较高的经济价值和社会效益, 对环境保护有重要意义。

微生物除硫中发挥作用的微生物主要是极端嗜酸菌。

研究表明, 可以利用嗜酸硫杆菌脱除煤中的无机硫, 利用嗜热嗜酸菌(如硫化叶菌)既能脱除煤中无机硫, 也能脱出有机硫。

5、古生菌用于极端环境中的污染治理
利用生物方法治理极端环境中的污染物时, 普通微生物甚至在实验室构建的工程菌在实际应用中不能发挥作用, 而极端微生物则是作用的主体。

当高原或纬度高的寒冷地带的河流、湖泊及土壤被污染时, 嗜冷微生物可对污染物进行降解和转化。

应用低温微生物对广受污染的寒冷地域环境进行废物处理越来越受到人们的重视, 受污染寒冷土壤和水体的恢复可通过低温微生物的原位清洁作用来实现。

Whyte 等在加拿大被石油污染的土壤中发现大量的嗜冷烃降解菌, 对寒冷地区石油污染的生物修复有重要的意义。

arvinen 等进行了氯酚类的低温生物降解研究, 他们从地下水中分离到的耐冷高效氯酚降解菌用于好氧流化床, 净化地下水中的氯酚污染。

实验结果表明: 在5～7 ℃下, 氯酚负荷为740mgP (L•d) 时, 氯酚去除率达9919 %。

工业生产产生的酸性工业废水和碱性工业废水可以分别考虑用嗜酸微生物和嗜碱微生物进行处理, 可以大大简化处理程序, 降低处理成本。

而在高温高盐的极端环境中, 污染物的降解则需嗜热、嗜盐微生物。

6、嗜盐菌在高盐废水生物处理中的应用
污泥在含盐环境中经过适当的驯化可以适应高盐环境,但是污泥驯化所需的时间过长而且有些污泥能耐受的盐度范围是有限的。

盐田、盐湖中有丰富的嗜盐微生物,利用嗜盐微生物处理高盐废水是一种快速有效的方法,国内外已有关于这方面的报导,而且取得了较好的效果。

Woolard CR[ 27 - 28 ]利用从美国大盐湖中分离出的嗜盐菌处理盐度为1% ～15%的含酚废水。

研究结果表明,酚的去除率达到99% ,出水悬浮固体质量浓度约50 mg/L,低于普通污泥处理的含盐废水出水的悬浮固体;当盐度从1%突变到15%时,处理系统仍能对酚进行稳定有效地去除,这可能与反应器中同时存在耐盐微生物与嗜盐微生物有关。

G. T. Shin等用酵母菌处理泡菜生产废水,48 h 后可以完全除去废水的酸度, BOD 由11 000mg/L 降到< 3 200 mg/L, 去除率为70%。

M. H. Choi等用耐高渗透压酵母菌Pichia guilliermondiiA9处理泡菜生产废水, 24 h后废水BOD5 由1 210mg/L降到120 mg/L,去除率达到90%; NaCl质量分数为10%时,A9的生长没有受到抑制。

B. M. Peyton等将五种不同的嗜盐菌放在含盐质量分数10%以酚为培养基的介质中培养。

这五种菌都能将50 mg/L 的酚降解到2 mg/L。

其中一种菌能降解初始质量浓度为320 mg/L的酚溶液。

动力学分析表明:酚降解与酚浓度成零级关系,污泥增长量与污泥浓度成一级关系。

初始酚质量浓度为50 mg/L时,它们的污泥比增长速率在0122～0132h-
1 ,与非嗜盐菌降解酚的污泥比增长速率近似。

F. Kargi在生物转盘中,以嗜盐菌和活性污泥。

三、古生菌的发展前景
利用基因工程技术将极端微生物特异功能基因片段转入一般微生物体内或将一般微生物特异基因片段导入极端微生物中, 从而改造受体的生理功能,甚至创造新的物种. 例如利用大肠杆菌产生嗜盐性芽孢杆菌的胞外木聚糖[46]. 又如, 将嗜碱菌的纤维素酶、淀粉酶、B 甘露聚糖酶等在中性细菌中加以克隆和表达[47]. 再如Rawling[48]用遗传工程手段获得氧化亚铁硫杆菌抗砷菌株, 用于金精矿的浸出可提高金属的回收率. 再如Feller49]将一株耐冷型(Moraxella. sp)的脂酶基因在嗜温型大肠杆菌中克隆的表达. 总之, 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.综上所述, 极端微生物是一类古老而崭新的生命群体, 它的进一步研究, 为揭示极端生命形式的奥秘, 甚至对人类向外层空间的探索都有重大意义.
四、结论
在目前的工业生产和人类活动所排放的废弃物(如废水、废气、固体废物)中有些会处于一极端的环境状态(高温、低温、高盐、高pH值、低pH值等) 。

采用常规的生物技术进行净化,受极端环境条件的影响,致使生物处理效果差,效率低,有些则不能进行处理净化,其他处理方法(物化法、化学法)则存在着投资大、运行费用高等缺点。

此类废弃物的处理是目前环境保护中的难题,深入开展极端微生物生化特性及应用技术研究,对于拓宽生物技术在环境保护中的应用范围,提升环境生物技术水平有着重要意义,且具有广阔的应用前景。

极端微生物具有普通微生物不可比拟的抗逆能力, 极端微生物产生的酶在极端环境中保持活性, 对极端环境的污染生物治理起着主要作用; 同时, 极端微生物在清洁能源的生产和环保产品的开发方面具有巨大的应用潜力, 将有助于污染预防, 在源头上解决环境污染问题。

因此极端微生物在环境保护中发挥着重要的作用, 对于实现可持续发展战略有重要意义。

随着越来越多的极端微生物被分离鉴定、新产物的研究与生产、极端酶被分离纯化和极端酶工程研究的进展, 极端微生物及其产生的极端酶在环境保护中的应用将会进一步得到拓展。

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