极端环境微生物资料
极端环境中微生物多样性及其在生物修复中的应用研究
极端环境中微生物多样性及其在生物修复中的应用研究自然界中存在着各种各样的生物，其中微生物是最为微小且最为丰富的一类生物，它们能够生存于极端环境中，具有良好的适应性和生存能力。
在极端环境中，微生物的多样性能够提供有价值的生物资源，而利用微生物在生物修复中的应用则是一项重要的研究方向。
一、极端环境中微生物的多样性1.极端环境的种类极端环境是指我们通常生活中很难想象的、具有极端条件的环境，如极寒、极热、高温高压、高辐射等。
这些环境都具有极高的物理化学条件和极端的生物学环境。
2.极端环境中微生物的多样性微生物在不同的环境中，会展现出不同的优势和适应性。
比如，极地、高原和漠区等极端环境中的微生物，具有重要的环境调节功能和生物学多样性。
这些微生物具有影响力的特点包括能够忍受低温、高盐等极端环境条件。
因此，这些微生物被广泛作为生物资源研究的重要对象。
二、微生物在生物修复中的应用研究1.生物修复的定义和意义生物修复是一种基于生物多样性的污染治理方法，它通过利用微生物、植物和动物等生物资源，将污染物转化为无害的物质，并恢复生态系统的生态功能。
生物修复具有环保、经济、可持续等优点，已成为当前环境治理工作的重要手段。
2.微生物在生物修复中的应用微生物在生物修复中起着举足轻重的作用。
它们能够降解污染物、修复受污染环境，同时还能够为其他生物提供营养和保护环境。
比如，废水处理工程中的微生物，能够将有机物质转化为无机物质，达到废水净化的目的。
在重金属污染环境中，微生物能够吸收重金属离子，防止它们进入到人体内。
3.微生物在生物修复中的应用案例微生物在生物修复中的应用具有广泛的应用场景。
欧洲有一项研究利用角蛤和细菌协同作用，将污染物降解转化为无害的物质，以达到生长环境恢复的目的。
在中国的陕西省，植物与细菌联合修复枯山水池水环境，使得COD、NH4+、NO3-等多种污染物有着较好的去除效果。
三、结论微生物的多样性在极端环境中具有重要的生物学和生态学价值，利用微生物在生物修复中的应用，已成为环境污染治理的重要手段之一。
3.1极端自然环境中的微生物1
一、高温环境中的微生物
一般嗜热菌可以分为三类：
① 专性嗜热菌：最适生长温度在65℃ -70℃之间，当 生长温度低于35℃时，生长便停止。 ② 兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和 嗜中温菌生长温度（13℃ -45℃ ）之间，其最适生 长温度在55℃ -65℃之间。 ③ 抗热菌：最适生长温度在20℃ ～50℃之间，但也能 在室温下生长。
一、高温环境中的微生物
嗜热微生物（thermophilic microorganisms） 包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、 甲烷菌、甲基营养菌、硫氧化菌、硫还原菌、 假单胞菌、放线菌、原生动物、藻和真菌等。
地热泉
不同类群微生物生长的最高温度 微生物类群 生长的最高温度（ ℃ ） ≤65 原生动物 ≤60 藻 ≤62 真菌 ≤73 蓝细菌 ≤73 光合细菌 ≤90 化能自养菌 ≤90 异养菌
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
嗜冷微生物（psychrophiles）
嗜中温微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物
2、微生物种类
嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏 感，分布范围窄)
耐冷菌：芽孢杆菌，节杆菌，假单胞菌
嗜冷菌绝大多数是G-菌
对细胞基因调控和RNA合成的影响
温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧 密于DNA结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停 止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白质和DNA含量不变，但由 于RNA酶失活而导致RNA含量下降
二、低温微生物适应低温的分子机理
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 的冰芯中分离到的活细菌。
极端微生物
2.4 嗜碱微生物
1、嗜碱微生物：最适生长pH在9以上的微生 物 。主要有巴氏芽孢杆菌、嗜碱芽孢杆菌 等。 专性嗜碱微生物 ： 中性条件不能生长 ； 耐碱微生物（碱营养 巴氏芽孢杆菌 微生物）：中性条件甚至酸性条件都能生长。
2、嗜碱微生物有两个主要的生理类群：盐嗜 碱微生物和非盐嗜碱微生物 。前者的生长 需要碱性和高盐度(达33% NaCl+ Na2CO3)。 代表性种属有：外硫红螺菌、甲烷嗜盐菌、 嗜盐碱杆菌、嗜盐碱球菌等。
二、微生物嗜酸的分子机理
• 环境中的H＋影响细胞表面的电荷平衡，影 响细胞的稳定性，与营养物反应使细胞无 法利用营养物质，还会使无毒化合物有毒， 水解细胞中的高分子多聚物，使细胞死亡。
嗜酸菌细胞质pH值为7，细胞内的大多酶最 适pH值也接近7，要求细胞壁或细胞膜能通 过某些方式阻止环境中H＋进入细胞
• 嗜盐微生物的应用 (1)利用菌体发酵，可生产离聚化合物。如聚 羟基丁酸(PHB)可用于可降解生物材料的开 发，又可生产食用蛋白添加剂、表面活性 剂等。 (2)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。 (3)可用于高盐污水的处理。
2.6 嗜压微生物
• 在海洋深处以及深油井中，分布着一些嗜压微生物，它们 生存的环境中压力达一千多个大气压，在常压下它们却是 不能生存的。有人曾经在太平洋靠近菲律宾的10897米深 的海底分离到嗜压的细菌。还发现嗜压的酵母菌。需要高 压才能良好生长的微生物称为嗜压微生物。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。 嗜压微生物生长的生态环境:海洋深处和海底沉积物平均 水压超过4.05×107Pa(400个大气压)。
4、嗜碱微生物的机制 (1)钠钾离子质子泵反向运输是嗜碱菌细胞质碱化基 本原因，为了使其发挥作用，需要胞内有足够的 钠离子，钠离子的跨膜循环是必要的。 (2)相关嗜碱菌钠离子／氢离子反向运输的基因已经 从嗜碱菌Bacillus c—25中得到了克隆。 (3)细胞外被是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔， 它是嗜碱微生物嗜碱性的重要基础。 (4)嗜碱微生物可产生大量的碱性酶，为嗜碱微生物 的生存提供了条件。
极端环境下的微生物
• 在55°C或以上的生长的微生物都叫嗜热菌。
不同类群微生物生长的最高温度
微生物类群
生长的最高温度°C
真菌
≤62
蓝细菌
≤73
光合细菌
≤73
化能自养菌
≤90
异养菌
≤90
• 嗜热微生物包括蓝细菌、光合细菌、芽 孢杆菌、乳酸菌、甲烷菌、甲基营养菌、
硫氧化菌、硫还原菌、假单胞菌、放线 菌、原生动物、藻和真菌等。
• morning glory pool 温泉水温在85°C 时，泉内藻类为白色；82°C为肉红色； 74°C浅黄色；68°为黄绿色。
• 热变形菌，生长温度为70-97°C。在 富硫的温泉及其他热的水环境中找到。
应用：
• 1、嗜热菌可用于细菌浸矿、石油及煤炭的脱 硫。
• 2、利用嗜热菌对废水废料进行厌氧处理，可 提高反应速度，消灭污水污物中的病原微生 物。
古菌，常见的主要有芽孢杆菌属， 链霉菌属，微球菌属，假单胞菌属， 酵母。
• 嗜碱菌包括好氧嗜碱菌和厌氧嗜碱菌两 个生理类群。
• 厌氧嗜碱菌中，有些同时是是热的，如 霍氏厌氧分支状菌，嗜热热球菌，争论 梭菌等。
• 适应机制：嗜碱菌的生活环境为碱 性而细胞内却是中性，这种适应主
要取决于细胞壁所起的屏障作用和 细胞膜对PH调节作用。
嗜盐菌：生存在高浓度盐分的 环境中的微生物
• 如美国的犹他大盐湖（盐度为2.2%）、死 海（2.5%）、里海（1.7%）、海湾和沿海 的礁石池塘等。在这些环境中仍然存在抗高 渗透压微生物。
• （1）抗盐微生物，最适生长盐浓度低 于0.3mol/LNaCl,可生长的盐浓度小于 1mol/LNaCl，主要为肠道细菌和各种微 藻，如伸长盐单胞菌，绿色杜氏藻。
微生物生态学极端自然环境中的微生物
12℃ 15℃ 31℃
丙氨酸消旋酶
脂酶
Bacillus sp.
Pseudomonas
0℃酶活较高， 食品储藏、抗 35℃失活 菌剂 25-35℃ 食品、去污、 化妆品、医药
思考题： 1、低温微生物对低温的耐受情况
2、低温微生物生存在低温条件时的一般机理
3、低温微生物的潜在应用
第二节 高温环境中的微生物
嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（Vibrio中
异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）
4.低温微生物通过产生冷冲击蛋白（cold
shock protein）适应低温环境
当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母 能在12 h内合成26种冷冲击蛋白。
三、低温微生物的潜在应用
应对全球变化可能对人类的危害
对细胞分裂、基因调控和RNA合成的影 响
温度升高，嗜冷菌细胞分裂受到影响 温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA 结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白 质和DNA含量不变，但由于RNA酶失活而导致 RNA含量下降
对蛋白质合成的影响
抑制蛋白质的合成 专性嗜冷菌在22.5度条件下，蛋白质的 合成停止 各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相 当敏感 破坏核糖体的结构和功能 温度升高，影响核糖体结构和功能，影 响核糖体RNA和蛋白质之间的正常结合，核糖 体的天然结构发生改变
对细胞结构的影响
破坏细胞壁 Vibrio psychroerythrus 在37度下2h，细胞壁 分解 细胞的正常形状 30度处理异常芽孢杆菌时，细胞分裂所影响变成 丝状 正常的细胞表面电荷 热处理Vibrio psychroerythrus ，细胞膜的磷脂 被释放到环境中，增加电泳泳动速度 细胞的渗透性 热处理嗜冷菌时，渗透压发生变化引起细胞裂解
极端环境下的微生物生存和研究
极端环境下的微生物生存和研究微生物是一类古老的生物，也是我们生态系统中非常重要的组成部分。
无论是普通环境还是极端环境，微生物总能以惊人的方式存活下来。
而在极端环境下，微生物的生存方式和适应能力更是超乎我们的想象。
在极端环境里生活的微生物，常被称为“极端微生物”。
这些极端微生物生活在极端条件下，比如高温、高压、高酸碱度、高盐度、低温、低氧、低压等环境中，而且它们可以在这些极端环境下生长。
其中，一些最为经典的极端环境包括火山口、深海、极地、矿山、沼泽等，这些地方里的微生物通常会对环境特别适应，也有可能是该环境的原住民。
例如，在深海的黑色喀斯特温泉中，生活着一种名为霍夫曼兰提拉病毒（HRTV）的病毒。
这种病毒可以在热水涌出口的温度高达113°C的水中存活，并通过寄主细菌完成自我复制。
另一个著名的极端环境就是南极大陆上的冰盖，那里气温极低，只有零下70°C，昼夜温差也非常大。
但是，在这里仍然找到了许多微生物，比如古菌和真菌。
这些微生物可以通过“活化自由水”，或通过与冰矩阵的相互作用，来适应这种非常极端的条件。
除了极端环境，一些特殊场所也经常涌现出不同寻常的微生物。
例如，在遗址的受污染土壤或是放射性土壤里发现了一种称为反演杆菌（Deinococcus radiodurans）的微生物。
这种菌株能够承受巨大的辐射剂量，其基因组的损伤修复能力甚至能够将分成几部分的基因组矫正完整拼接起来。
极端微生物的研究对人类有很大意义。
首先，它们的特殊表现和生存机制，为环境适应的基础研究提供了重要的参考。
其次，我们可以从极端微生物中探索出新的药物和酶类等生化工具，并开发出新型生物技术和产品。
比如，反演杆菌的能力可以被用于辐射处理和基因工程领域，而产生特殊酶类的微生物也可以应用于工业发酵和污水处理等过程中。
在研究极端微生物时，科学家对这种生物的理解也不断发展。
我们发现，这些微生物的基因组往往相对较小，而且有很强的适应性，其多样性非常高。
极端环境下的微生物
《微生物的秘密世界》
用特殊的压力容器所作的研究表明， 嗜压细菌存在于深海鱼类的内脏中。
深海不仅高压且低温，所以存在于 深海的菌嗜压并嗜冷，为极端嗜压嗜冷 菌。其最适生长温度为2℃，高于10℃ 即将丧失大部分活性。
已知嗜压的细菌还有微球菌属、芽 孢杆菌属、弧菌属、螺菌属等的种类， 但上述种类也可以在普遍大气压条件下 生长。此外，还发现有嗜压的酵母菌。
（四）嗜压微生物的耐高压机理
耐高压或嗜高压微生物的耐高压机理
尚不清楚。但一般高压并不是杀死微生物， 压力只不过是能影响微生物的生理机能和 生物化学反应的速度。在高压下，蛋白质 合成以及细胞膜的运输功能等速度减慢， 致使极端嗜压菌的生长速度缓慢。
增加压力会降低酶与底物结合的能力，
为使细胞内所受的压力减至最小，极端嗜 压菌的酶将其蛋白质分子进行折叠。
能生长。这些专性嗜压菌虽然对高压环境能产生 相对的适应性，但是生长极为缓慢。例如，在3℃、 1000atm气压下培养假单胞菌，其延滞期大约为 4个月，增代时间为33天，一年后才达到静止期， 生长速率仅相当于常压微生物生长速率的1／ 1000。
（二）耐压微生物
最适生长压力为正常压力，但能耐 Байду номын сангаас高压的微生物被称为耐压微生物。
耐压微生物可以在400atm下生长， 它们在1atm和400atm下生长的速度几乎 相等，但代谢速度在1atm时比400atm时 快。耐压菌在500atm以上就不能生长。 (1atm=101.325kPa,上同）
（三）嗜压微生物的分布
海洋深处和海底沉积物平均水压超过 400标准大气压（4.05×10^7Pa）。从深海 底部1000标准大气压处（1.01×10^8Pa）， 分离到嗜压菌pseudomonas bathycetes， 从油井深部约400标准大气压下，分离到嗜 压耐热的硫酸盐还原菌。
极端环境下微生物
列举五种极端环境下微生物及其应用所谓极端环境是指高低温环境，高盐环境，高酸，高碱环境，高酸热环境，高压环境，还有其他特定环境如油田、矿山、火山地、沙漠的干旱地带、地下的厌气环境、原子炉等高放射能环境、高卤环境以及低营养环境等。
能够在这些具有强烈限制性因子的环境下顽强生存的微生物，一般统称为极端环境微生物。
【1.极端嗜盐菌】人们发现在高浓度盐环境中，存在许多抗高渗压的微生物。
我国从新疆和内蒙古的盐碱湖中分离出了一些极端耐盐菌。
它们竟能在含0—15%Nacl的环境中生长。
有些菌株可以在含5%—25%Nacl范围中生长。
极端嗜盐微生物中唯一的真细菌是光合微生物的外硫红螺菌属；唯一的真核嗜盐微生物是杜氏藻类。
微生物学家琼纳斯克在含盐量高达36%盐液中发现一种微生物,命名为Halophiles。
还有地中海嗜盐杆菌等应用：第一，医药工业：西班牙学者报道地中海嗜盐杆菌在高浓度NaCl介质中生长,聚B-羟基丁酸积累达细胞干重的45%,具有一定的应用前景。
PHB能用于医学领域可降解生物材料的开发,如人造骨骼支架、药物微球体、外科手术以及裹伤用品等。
此外,目前发现有些嗜盐菌素对去盐作用不敏感,所以可能有比较广泛的应用领域,筛选抑菌谱广、性质稳定的嗜盐菌素,在理论和实践中具有重要意义。
第二，环境生物治理：嗜盐碱放线菌Nocardioidessp. 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。
由于bR蛋白具有质子泵作用,在未来的太阳能利用技术设备中,还可用作海水淡化和研制天然的太阳能电池。
【2.极端嗜碱菌】多生活在盐碱湖和盐池中，生活环境PH值可达11.5以上，最适PH值8—10,但在中性环境如PH值6.5以下，不能生长或生长非常缓慢。
如嗜碱放线菌。
应用：第一，纤维素的降解：B-1,4木聚糖酶(E.C.3.2.1.8)是降解木聚糖的主要酶,降解木聚糖为木聚寡糖或木糖。
第五章极端微生物
一 低温环境中的微生物
• 紫色细菌群以g亚群的各种细菌,能产生w-3 多系脂肪酸，即DHA，总脂肪酸的含量为 0.8-8.0%；在南极海冰中，嗜冷弯曲菌属 菌株能合成异常的多烯脂肪酸、EPA和花 生四烯酸。
二 高温对嗜冷菌的影响
1对物质运输的影响
• 在低温下，嗜冷微生物的细胞膜蛋白质和细胞膜 具有功能，而在高温条件下，便失去功能。
嗜极端环境的微生物（extremophilic microorganism）
能适应生活在其他生物所无法生活的环境中：
有的能适应生活在火山周围温泉的高温条件下，
有的生活在地球两极地区的低温条件下， 有的生活在地球两极地区的低温条件下； 有的生活在深海的高压条件下； 有的生活在非常低或很高pH(pH0~3或pH10-12)，或 很高盐浓度条件下。
第五章 极端自然环境中的微生物
极端自然环境（extreme natural environment）：
指存在有某些特有物理和化学条件以及某些特有微 生物的自然环境。
其中特有物理和化学条件：包括低温、高温、高压、 强酸、强碱、干燥、高辐射、高盐和低营养等。特有 的微生物包括：嗜冷菌（ psychrophiles ），嗜高温菌 (thermophiles) ， 嗜 压 菌 (barophiles) ， 嗜 盐 菌 (halophiles) ， 嗜 酸 菌 (acidophiles) ， 嗜 碱 菌 (alkophiles) ，以及抗高辐射、抗干燥、抗低营养物浓 度和抗高浓度重金属离子的微生物。
三 低温微生物适应低温的分子机理
1 通过信号转导使低温微生物适应低温环境 • 微生物可以通过信号转导来适应环境和培 养基条件的变化，低温微生物也一样可以 通过信号转导来感受环境温度的变化。
极端环境下微生物
列举五种极端环境下微生物及其应用所谓极端环境就是指高低温环境,高盐环境,高酸,高碱环境,高酸热环境,高压环境,还有其她特定环境如油田、矿山、火山地、沙漠的干旱地带、地下的厌气环境、原子炉等高放射能环境、高卤环境以及低营养环境等。
能够在这些具有强烈限制性因子的环境下顽强生存的微生物,一般统称为极端环境微生物。
【1、极端嗜盐菌】人们发现在高浓度盐环境中,存在许多抗高渗压的微生物。
我国从新疆与内蒙古的盐碱湖中分离出了一些极端耐盐菌。
它们竟能在含0—15%Nacl的环境中生长。
有些菌株可以在含5%—25%Nacl范围中生长。
极端嗜盐微生物中唯一的真细菌就是光合微生物的外硫红螺菌属;唯一的真核嗜盐微生物就是杜氏藻类。
微生物学家琼纳斯克在含盐量高达36%盐液中发现一种微生物,命名为Halophiles。
还有地中海嗜盐杆菌等应用:第一,医药工业:西班牙学者报道地中海嗜盐杆菌在高浓度NaCl介质中生长,聚B-羟基丁酸积累达细胞干重的45%,具有一定的应用前景。
PHB能用于医学领域可降解生物材料的开发,如人造骨骼支架、药物微球体、外科手术以及裹伤用品等。
此外,目前发现有些嗜盐菌素对去盐作用不敏感,所以可能有比较广泛的应用领域,筛选抑菌谱广、性质稳定的嗜盐菌素,在理论与实践中具有重要意义。
第二,环境生物治理:嗜盐碱放线菌Nocardioidessp、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。
由于bR蛋白具有质子泵作用,在未来的太阳能利用技术设备中,还可用作海水淡化与研制天然的太阳能电池。
【2、极端嗜碱菌】多生活在盐碱湖与盐池中,生活环境PH值可达11、5以上,最适PH值8—10,但在中性环境如PH值6、5以下,不能生长或生长非常缓慢。
如嗜碱放线菌。
应用:第一,纤维素的降解:B-1,4木聚糖酶(E、C、3、2、1、8)就是降解木聚糖的主要酶,降解木聚糖为木聚寡糖或木糖。
生态学——极端环境下的微生物
1.主动脱去体内99％的水分， 1.主动脱去体内99％的水分，代谢率降到几乎等于零 主动脱去体内99 2.-271℃ 150℃ 2.-271℃、150℃ 3.600 600兆帕高压 3.600兆帕高压 4.pH值为1的强酸以及pH值为13 pH值为 pH值为13的强碱下 4.pH值为1的强酸以及pH值为13的强碱下 5.百万分之一毫米汞柱的近真空状态下 百万分之一毫米汞柱的近真空状态下( 5.百万分之一毫米汞柱的近真空状态下(接近太空的 环境) 环境) 6.它们能承受5.7万伦琴的 射线辐射... 6.它们能承受5.7万伦琴的X射线辐射... 它们能承受5.7万伦琴的X
南非矿井中自给自足的微生物 Desulforudis audaxviator
* 利用含铀岩石产生的放射能作为能量 * 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
* 2011年7月，加州斯克里普斯海洋研究所和 2011年 美国国家地理学会的科学家们确认了一种名 xenophyophore” 为“xenophyophore”的单细胞生物的最深 生存深度纪录11034米 生存深度纪录11034米 * 也是地球上已知最大的单细胞生物
擅长修复其自身 的DNA
* 能够经受住1.8万Gy(吸收剂量)辐射——10Gy辐射 能够经受住1.8 Gy(吸收剂量 辐射——10Gy辐射 1.8万 吸收剂量) ——10Gy 便可致人死亡
美国加州金矿毒液中的耐酸细菌 Ferroplasma acidophilum *能够在酸性极高(pH值为零)的环境下生存 能够在酸性极高(pH值为零)的环境下生存 (pH值为零 *将铁作为几乎所有蛋白质的核心构件
极端环境微生物
What happens to cells when water gets colder?
Lipid membranes become semi-crystalline and lose integrity at low temperatures. When water freezes it makes ice crystals that are spiky and hard and destructive to cells. Also, when movements slow down, membranes tend to gel and transportation of ions across the cell membrane slows down. It is harder and harder for an organism to grow. Enzyme activity becomes very slow. Ice crystal formation can disrupt cell structure.
Cold polar seas and soils, Glaciers, deep-sea areas High mountains covered with snow Ice and brine pools from polar regions, High altitude snow fields and other high altitude habitats, Caves, Refrigerators, Upper atmosphere
alkophiles
halophiles barophiles Microorganisms resistant to radiation
1. High temperature environments and Thermophiles 1.1 background Hot springs (陆地热泉) Shallow submarine hydrothermal systems (浅海底热泉) abyssal hot vents (深海火山口)
极端环境下的微生物繁殖与生理学特性研究
极端环境下的微生物繁殖与生理学特性研究地球上存在着各种不同的环境，从极寒的阿拉斯加到炎热的撒哈拉沙漠，从湿润的热带雨林到干旱的戈壁荒漠，各种环境都有着不同的物理、化学和生物学特征。
对于微生物来说，这些环境对于它们的生存和繁殖都是有着很大影响的，而一些微生物甚至可以在极端的环境下生存和繁殖，这就是极端菌。
极端菌是一类可以在极端环境下生存和繁殖的微生物，包括超嗜盐菌、超酸菌、超碱菌、超热菌和超寒菌等。
这些微生物都具有非常特殊的生理学特性，使得它们可以在常人无法生存的环境下茁壮成长。
超嗜盐菌是一类可以在高盐度环境下生存和繁殖的微生物，包括古菌、细菌和真菌等。
这些微生物可以在NaCl浓度高达20%的环境下生存，而这种高浓度的盐水对于其他大多数生物来说都是致命的。
超嗜盐菌具有特殊的细胞壁和细胞膜，以便于它们在高浓度的盐水中保持细胞的完整性和稳定性。
此外，这类微生物还会产生大量的胞外多糖和蛋白质，以保持细胞的渗透和水平衡。
超深海菌则是可以在深海中生存和繁殖的微生物，这些菌在海底的热水喷口、海底沉积物和深海洋底都可以被发现。
这些微生物可以承受非常高的水压和极端的低温，而且它们还可以利用水中的高压和低温来进行生化反应。
由于深海环境中的光线非常稀少，这些微生物通常都是无色的，而它们的能量来源则来自于化学能量，比如硫化物、甲烷等。
超寒菌则是一类可以在极寒环境下生存和繁殖的微生物，他们可以在北极、南极等极端环境下存活。
由于低温环境下化学反应的速度很慢，这类微生物通常具有较低的基础代谢率和较高的蛋白质合成速率。
此外，它们还可以利用厚厚层的冰和雪来保护自己，但是这也会限制它们的物质交换。
超热菌则是一类可以在高温环境下生存和繁殖的微生物，包括热泉中的古菌和地下热水中的细菌等。
这些微生物可以在高达100℃的高温环境下生存，并且它们的酶活性也会随着温度的升高而增加。
这些微生物通常具有特殊的蛋白质结构和氨基酸序列，以便于它们在高温环境下保持生化反应和细胞的完整性。
极端环境中的微生物
在自然界中，有些环境是普通生物不能生存的，如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压、高辐射等。
然而，即便是在这些通常被认为是生命禁区的极端环境中，仍然有些微生物在顽强的生活着，我们将这些微生物叫做极端环境微生物或简称为极端微生物。
在地球的南北极地区、冰窖、终年积雪的高山、深海和冻土地区，生活着一些嗜冷微生物。
专性嗜冷菌适应在低于20℃以下的环境中生活，高于20℃即死亡。
有一种专性嗜冷菌，在温度超过22℃时，其蛋白质的合成就会停止。
专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质。
兼性嗜冷菌生长的温度范围较宽，最高温度达到30℃时还能生活。
嗜冷微生物是导致低温保藏食品腐败的根源。
嗜热菌俗称高温菌，广泛分布在温泉、堆肥、地热区土壤、火山地区以及海底火山地等。
兼性嗜热菌最适宜生长温度在50-65℃之间，专性嗜热菌最适宜生长温度则在65-70℃之间。
在冰岛，有一种嗜热菌可在98℃的温泉中生长。
在美国黄石国家公园的含硫热泉中，曾经分离到一株嗜热的兼性自养细菌——酸热硫化叶菌（Sulfolobus），它们可以在高于90℃的温度下生长。
近年来，这种细菌已受到了广泛重视，可用于细菌浸矿、石油及煤炭的脱硫。
在一些污泥、温泉和深海地热海水中，生活着能产甲烷的嗜热细菌，生活的环境温度高，盐浓度大，压力也非常高，在实验室很难分离和培养。
嗜热真菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高温环境中，有助于一些有机物的降解。
在发酵工业中，嗜热菌可用于生产多种酶制剂，例如纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等，由这些微生物中产生的酶制剂具有热稳定性好、催化反应速率高，易于在室温下保存。
近年来，嗜热菌研究中最引人注目的成果之一就是将水生栖热菌中耐热的Taq DNA聚合酶用于基因的研究和遗传工程的研究以及基因技术的广泛应用中。
嗜酸菌分布在酸性矿水、酸性热泉等地区，如氧化硫硫杆菌在pH值低于0.5的环境中仍能存活，专性自养嗜酸的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）能氧化硫和铁，并产生硫酸，这两种细菌都是极端嗜酸菌。
极端微生物
美国黄石国家公园的温泉
一、酸性环境中的微生物
嗜酸菌是一种能在低pH条件下生长和繁 嗜酸菌是一种能在低 条件下生长和繁 殖的极端环境微生物，通常在pH2～5生 殖的极端环境微生物，通常在 ～ 生 长很好， 以上生长不好。 长很好，pH5.5以上生长不好。 以上生长不好
• 抗酸微生物
能在强酸环境中生长或生存， 能在强酸环境中生长或生存，但是 最适生长pH在 ～ 之间的微生物 最适生长 在4～9之间的微生物
• 专性嗜酸微生物
必须在pH≤3的环境中才能生长的 必须在pH≤3的环境中才能生长的 微生物
化能自养菌
嗜 酸 微 生 物 类 型
Fe(Ⅱ)氧化菌 Ⅱ 氧化菌 T. ferooxidans 嗜中温菌 黄铁矿环境
氧化亚铁硫杆菌
Fe(Ⅱ)和S0氧化菌 Ⅱ和 T. ferooxidans S. acidocaldarius 嗜热菌 地热地区
2、嗜碱微生物有两个主要的生理类群：盐嗜 碱微生物和非盐嗜碱微生物 。前者的生长 需要碱性和高盐度(达33% NaCl+ Na2CO3)。 代表性种属有：外硫红螺菌、甲烷嗜盐菌、 嗜盐碱杆菌、嗜盐碱球菌等。
3、嗜碱微生物的特征 嗜碱微生物生长最适pH在9以上，但胞内 pH都接近中性。细胞外被是胞内中性环境 和胞外碱性环境的分隔，是嗜碱微生物嗜 碱性的重要因素。其控制机制是具有排出 OH-的功能。嗜碱微生物产生大量的碱性酶， 包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性 pH4.5-11)、果胶酶(活性pH10.0)、支链淀 粉酶(活性pH 9.0)、纤维素酶(活性pH6-11)、 木聚糖酶(活性pH5.5-10)。这些碱性酶被广 泛用于洗涤剂或作其他用途。
嗜酸热硫化叶菌
S0氧化菌 Thiobacillus sp Thiomicrospora 嗜中温菌
06-1 极端环境微生物的培养
未可培养微生物的培养思想
选定培养目标。 确定培养方案。 实现可培养化。
极端环境微生物培养方法归纳
模拟自然环境分离获得纯培养。
采用荧光标记已探测菌基因，追踪分离。 极端营养研究，实现微生物分离培养。
Isolating “Uncultivable” Microorganisms in Pure Culture in a Simulated Natural Environment
极端环境
不同生物的pH极限
红色为古细菌，蓝色为细菌，浅绿色为藻类，棕色为 真菌，黄色为原生动物，绿色为植物，紫色是动物。
不同生物的温度极限
红色为古细菌，蓝色为细菌，浅绿色为藻类，棕色为 真菌，黄色为原生动物，绿色为植物，紫色是动物。
极端环境微生物
通俗的讲，极端环境微生物是指生长在 极端环境下的一大类微生物。 它们偏好极端的环境，如高温，低温， 高盐，极端pH，极端营养条件等等。 还包括一些能耐受极端条件，如强辐射， 强毒性等一些非常规理化环境。 许多的极端环境微生物还生存在人类未 能探知的环境。
T. Kaeberlein, K. Lewis, S. S. Epstein Biology Department, Northeastern University, Boston, MA 02115, USA; Marine Science Center, Northeastern University, Nahant, MA 01908, USA. Science, 2002 Vol. 296, 1127-1129
New Strategies for Cultivation and Detection of Previously Uncultured Microbes
极端环境微生物多样性和代谢适应性
极端环境微生物多样性和代谢适应性极端环境下的微生物多样性和代谢适应性地球上的极端环境包括，但不限于高温、低温、高压、低压、高盐、高酸、低氧等特殊条件。
在这些极端环境下，许多生命无法生存，但是一些微生物却能在这些条件下存活和繁衍。
这些微生物具有很高的适应能力，可以在特殊环境中生长和繁殖。
这种微生物称为极端环境微生物。
极端环境微生物可以分为三类：营养型、多生型和自养型。
其中，营养型微生物需要有机物来满足自身的营养需求，如铁杆菌和硫杆菌。
多生型微生物可以利用不同条件下不同的化合物来生存，如厌氧琥珀酸菌和硫杆菌。
自养型微生物可以从无机化合物中合成营养物质，如硝化菌和盐杆菌。
极端环境微生物具有很高的多样性。
在极端环境中，不同的微生物能通过不同的适应方式完成基本的生命活动。
例如，硫杆菌可以进行多种代谢途径来产生能量，如硫化氢和氧化磷酸根。
而氧化细菌则可以利用硫酸和硫酸盐来产生能量。
此外，一些厌氧细菌和古菌可以在高温、高压、低氧和高盐条件下生存。
极端环境微生物的适应方式极端环境微生物为适应特殊环境而发展出了许多特殊的功能和途径。
在高温环境下生存的微生物一般具有高温耐受性，这些微生物的细胞膜会通过特殊的脂质来增强稳定性。
这样的脂质可以增强细胞膜的热稳定性和生物活性。
同时，这些微生物的酶可以通过结构上的改变来增强其耐热性。
例如，嗜热菌的DNA聚合酶通过拥有特殊的氨基酸，可以在高温条件下仍保持酶活性。
在低氧条件下生存的微生物一般能够利用无氧代谢途径来产生能量。
以某些硫杆菌为例，这些微生物会通过氨基酸和糖类来加入氧（O2），并通过氧气被消耗掉，从而代替使用氧气进行细胞呼吸。
这些嗜氧的细胞则依靠硫酸盐来进行有氧代谢。
在高压环境下生存的微生物一般可以在特殊的胞器中产生酶，以适应那些高压场所。
例如，深海中的动物被发现有一种特殊的蛋白质——维克林，这种蛋白质可以在高压条件下保持极高的活性。
而对于一些其他类型的微生物，如芽胞杆菌和硫杆菌，则通过高渗透压来增强细胞的稳定度。
极端环境微生物资料
2．低温生境 地球的南北极地区、冰窖 、终年积雪的高山、深海和冻土地区均 为低温生境。
3．高酸生境 指pH 5以下的生境。
4. 高碱生境 一般指pH 9以上的生境。
5．高盐生境 指含2％以上至接近饱 和浓度NaCl的生境。
6．高压生境 在海洋深处以及深油 井中还分布着一些嗜压微生物,压力 达一千多个大气压,在常压下它们却 是不能生存的。
• (3)分布: 晒盐场、腌制海产品、盐湖和死海
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• (4)耐盐机制
嗜盐菌体内含紫膜,紫膜的主要成分是一种以 紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质,它既起一个 质子泵的作用，同时又起排盐作用，可为嗜盐菌 在高盐环境下建立跨膜的Na+电化学梯度，并由 此而完成一系列的生理生化功能
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92-93 ℃
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(2)嗜热微生物的种类和特点
耐热菌:最高45~55℃,最低 <30℃ 兼性嗜热菌:最高50~65℃,最低 <30℃ 嗜热菌 专性嗜热菌:最高65~70℃,最低 42℃ 极端嗜热菌:最高>70℃,最适> 65℃,最低>40℃ 超嗜热菌:最高113℃,最适80~110 ℃,最低~55 ℃
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• 6.嗜压微生物 必须生活在高静水压的条件下 分布在深海底部和深油井等少数地方
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1979年在深海火山口富含营养物质的边缘发现的细菌 除了承受足以将潜艇压成薄煎饼的大气压外,还经受住超 过水沸点的高温考验。 外观扁平,好似一个不规则的盘子，它们在中空管状结构
“套管”— 结构上具极强的抗热能力中积聚。
• 水生栖热菌中耐热的TaqDNA聚合酶可耐 受95℃左右的高温而不失活，可用于PCR 技术中。
7极端微生物培养与观察学习资料
极端、体表微生物培养与染色观察比较实验特色▪拓宽了对微生物及其生活环境的认识；▪掌握极端微生物的培养技术；▪为极端微生物分子遗传学实验打下良好基础；▪补充丰富了传统微生物实验教学内容。
▪加深认识生命起源与进化，培养研究兴趣；极端微生物选择性生活在高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压、高辐射等被认为是生命禁区的极端环境中的微生物，称为极端环境微生物。
酸性热泉:嗜酸嗜热古菌盐湖：嗜盐古菌极端微生物的家园极端微生物形态S. solfataricus Haloquadratum重要极端微生物（1）嗜热细菌和古菌：Thermus thermophilus（细菌）、Thermotoga maritima （细菌）、Aeropyrum pernix、Pyrococcus. furiosus、Methanocaldococcus jannaschii、Archaeoglobus fulgidus；（2）嗜盐古菌：H.volcanii;（3）嗜酸嗜热古菌：Sulfolobus islandicus、Sulfolobus solfataricus、Sulfolobus acidocaldarius、Thermoplasma acidophilum;（3）嗜碱细菌：Bacillus halodurans;（5）耐盐碱古菌：Natronomonas pharaonis；（6）耐辐射细菌：Deinococcus radiodurans；（7）嗜冷细菌：Colwellia psychrerythraea.实验目的▪了解极端环境微生物生命特征及环境适应机理，掌握2种典型极端微生物培养技术；▪利用革兰氏染色，观察嗜热细菌、嗜盐古菌形态及染色特征；▪比较探究极端微生物和体表卫生的生长特性异同；实验菌株▪极端嗜热细菌：Thermus thermophilus嗜热栖热菌▪嗜盐古菌：Haloferax volcanii嗜热栖热菌▪培养基：Polypeptone，Yeast Extracts，NaCl，高温琼脂。
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2．低温生境 地球的南北极地区、冰窖 、终年积雪的高山、深海和冻土地区均 为低温生境。
3．高酸生境 指pH 5以下的生境。
4. 高碱生境 一般指pH 9以上的生境。
5．高盐生境 指含2％以上至接近饱 和浓度NaCl的生境。
6．高压生境 在海洋深处以及深油 井中还分布着一些嗜压微生物,压力 达一千多个大气压,在常压下它们却 是不能生存的。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
膜在低温下的流动性，有利于营养物质的
吸收和代谢产物的分泌，因此能在低温条
件下进行生命活动。
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• (4)嗜冷微生物的应用
•
低温酶制剂;低温食品腐败
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3.嗜酸微生物
• 只能生活在低于pH值4条件下,在中性pH值下即死 亡的微生物,少数可生活在pH值<2。
与耐酸微生物的区别:耐酸微生物在中性pH值下能 生活。
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Ferroplasma acidophilum（铁原体属嗜酸菌）
• Ferroplasma acidophilum能够在酸性极高(pH
值为零)的环境下生存,这种环境下的硫酸就像是
矿泉水。据悉,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
202有1/2/1蛋1 白质的核心构件。
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• 6.嗜压微生物 必须生活在高静水压的条件下 分布在深海底部和深油井等少数地方
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1979年在深海火山口富含营养物质的边缘发现的细菌 除了承受足以将潜艇压成薄煎饼的大气压外,还经受住超 过水沸点的高温考验。 外观扁平,好似一个不规则的盘子，它们在中空管状结构
“套管”— 结构上具极强的抗热能力中积聚。
7.高辐射生境
二、极端环境微生物的来源、种 类及卫生学意义
• 1.嗜热微生物 • （1）分布: 广泛分布于草堆、温泉、煤堆
、火山地、地热区土壤及海底火山附近等 处,包括好热的放线菌、芽孢杆菌等。
超嗜热菌:最高113℃,最适80~110 ℃,最低~55 ℃
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在美国黄石公园的温泉中存在一种嗜热的古细菌
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(5)嗜热微生物的应用
• 超嗜热菌的发现使人们相信生命不仅存在 于地球上,还可能存在于宇宙中的其他星球 上
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2.嗜冷微生物 Psychrophiles
• 最适生长温度低于15℃、最高生长温度低 于20 ℃和最低生长温度在0 ℃以下的微生物。
• 嗜冷微生物遇到20 ℃高温即死亡。 • 与耐冷微生物的区别:在0 ℃生长、最适
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• (2)分布
红海盐滩上的耐盐细菌
碱性盐湖、碳酸盐含量高的土壤中
• (4)嗜碱微生物的应用
酶的开发:蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶,
洗涤剂
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• 5.嗜盐微生物
必须在高嗜盐微生物盐浓度下才能生长的 微生物
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• (2)种类:
– 低度嗜盐菌（3% NaCl） – 中度嗜盐菌（3%-13% NaCl） – 极度嗜盐菌 （12%- 30% NaCl）
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(3) 嗜热微生物的耐热机制
• 酶和蛋白质有更强的耐热性 • 细胞膜中饱和脂肪酸含量高,更易形成疏水键,以
确保在高温下膜的稳定性和正常生理功能 • 能产生多胺、热亚胺及高温精胺，以稳定核糖体
等以及保护蛋白质大分子免受高温破坏 • 其核酸有热稳定性的结构 • 生长速率快，合成大分子迅速，能及时弥补高温
对大分子的破坏
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(4) 特点及应用
• 生长速率高,代谢作用强; • 产物/细胞重量之比值较高; • 高温下具有竞争优势,在发酵生产中可防止杂菌
污染；
• 所含耐高温酶有重要的生产潜力和应用前景； • 乙醇等代谢产物容易收得； • 发酵过程不需冷却，可省去深井水消耗。
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20～40 ℃
嗜冷菌（雪藻）
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嗜冷微生物
• (2)分布
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广泛分布于两极地区、冰窖、高山、
深海和土壤等的低温环境中。
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• 格陵兰冰川下沉睡12万年细菌
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• (3) 嗜冷微生物生存机制
•
细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸,且
其 含量会随温度的降低而增加,从而保证了
• (3)分布: 晒盐场、腌制海产品、盐湖和死海
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• (4)耐盐机制
嗜盐菌体内含紫膜,紫膜的主要成分是一种以 紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质,它既起一个 质子泵的作用，同时又起排盐作用，可为嗜盐菌 在高盐环境下建立跨膜的Na+电化学梯度，并由 此而完成一系列的生理生化功能
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92-93 ℃
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(2)嗜热微生物的种类和特点
耐热菌:最高45~55℃,最低 <30℃ 兼性嗜热菌:最高50~65℃,最低 <30℃ 嗜热菌 专性嗜热菌:最高65~70℃,最低 42℃ 极端嗜热菌:最高>70℃,最适> 65℃,最低>40℃ 超嗜热菌:最高113℃,最适80~110 ℃,最低~55 ℃
第十七章 极端环境微生物
概念
在高温、低温、高酸、高碱、高盐、 高压或高辐射、低营养等环境中,大部 分微生物都不适宜生存,仍然有少数的 微生物在顽强地生活着，这类微生物 被称为极端环境微生物或极端微生物 。
一、极端环境的生境特征
1．高温生境 如温泉、陆地或海底火 山附近、堆肥、家庭及工业上使用的 热水及冷却水等。
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• (2)类群: • 主要是一些真细菌和古生菌如硫细菌
属、硫化叶菌属、热原体属等。
• (3)分布: 酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤等处。
• 嗜酸硫杆菌（Thiobacillus acidophilus） 的煎蛋型菌落
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• 1995年分离到的一株古生菌（picrophils）, 能在pH值为0的条件下生长
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幽门螺杆菌
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• (4) 嗜酸机制 细胞内pH值接近中性;酶最适pH值中性;
壁膜排阻H+。 • (5)嗜酸微生物的应用
金属的湿法冶炼；煤脱硫
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• 4.嗜碱微生物 能专性生活在pH值10～11碱性条件下而不 能生活在中性条件下的微生物。它们多数 为芽孢杆菌属。