极端微生物在工业方面的运用

有关极端微生物在工业方面的运用的综述

[摘要]：有些微生物却能在特殊的环境中生存, 例如高温、低温、高盐、高碱、高酸、高压、

高辐射等环境, 这类微生物称为极端微生物(extremophiles), 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.

[关键词] 极端微生物;极端酶;工业运用

前言

作为地球的边缘生命现象, 极端微生物颇为耐人寻味.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.尤其是极端微生物产生的极端酶在极端的条件下具有高

的活性和稳定性, 而传统酶工业中的酶在高温、强碱、强酸等极端环境下易出现失活状态, 这使酶工程的应用范围有一定的局限性, 极

端酶正好弥补了这方面的缺陷.这使得极端微生物酶的研究将会成为

酶学研究和微生物资源开发利用的新方向.本文对极端微生物的主要

类群及工业应用和研究方法进行了简要概述和分析.

正文

1.极端微生物的主要类群

1.1嗜热微生物

最适生长温度高于45℃～ 50℃的微生物称为嗜热微生物, 最适生长温度在 80℃以上的微生物称为超嗜热微生物.这样的高温只能在某些特定的自然环境发现, 例如温泉、堆肥、火山地区以及海底火山、强烈太阳辐射加热的地面以及热水器等等.1965年, 美国科学家Thomas D.Brock在美国黄石国家公园的热泉中, 首次分离到一株极端嗜热细菌———水生栖热菌(Thermusaquaticus), 它们可以在高于80℃的热泉水中生长.20 多年后, 该菌的

Taq-DNA 聚合酶成为世界上最抢手的生化工具酶.

1.2嗜冷微生物

专性嗜冷微生物适应在0℃或更低温度下能生长, 其最适生长温

度低于15℃, 最高生长温度小于20℃.它们主要分布在地球的南

北极地区、冰窖、终年积雪的高山、深海和冻土地区.在这些低温的环境中已经发现了多种类型的微生物, 例如细菌、古菌、真菌

和微型藻类.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.

1.3嗜酸微生物

主要分布在一些特定的环境中, 在这些环境中存在某种由硫或其

化和物形成的酸性条件, 如酸性矿水、酸性热泉等地区, 嗜酸菌

能在pH 为 2以下的环境中生长, 如自养型氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)和氧化亚铁硫杆菌

(T.ferrooxidans)氧化硫为硫酸, 从中获取能量,同时使环境pH 值下降到 1～ 1.5, 这两种细菌都是极端嗜酸菌.此外, 在酸性

环境中, 还生活着许多嗜酸的真核微生物, 如椭圆酵母、红酵母等.

1.4嗜碱微生物

嗜碱微生物通常生活在碱性环境中, 例如碱湖、盐碱湖、盐碱地、碱性泉甚至海洋等.专性嗜碱细菌的最适生长pH>10, pH<8.5～

9.0 时不能生长;兼性嗜碱细菌的最适生长 pH≥10,但在中性pH 条件下亦能生长.嗜碱菌体内也是中性的, 胞内酶既不嗜碱也不

耐碱, 但它们的体外酶具耐碱和嗜碱性.已分离到的嗜碱细菌中, 大多数为好氧菌, 分类上多属于芽孢杆菌属(Bacillus), 在普通土壤中很容易发现它们.它们具有把自身周围环境变成碱性的能

力.由于大部分碱湖伴有高盐浓度, 所以许多嗜碱菌同时也是嗜

盐菌.

1.5嗜盐微生物

高盐环境通常是指含有高于海水盐浓度的特殊环境.嗜盐菌通常

分布在晒盐场、盐湖、腌制品中以及世界上著名的死海中, 能够在盐浓度为 15%～ 20%的环境中生长, 有的甚至能在32%的盐水中生长.极端嗜盐菌有盐杆菌(Halobacterium)和盐球菌

(Halococcus), 属于古菌.

2.极端微生物酶的开发与利用

2.1嗜热及耐热菌来源的高温酶的开发

耐热酶的获得可能直接与产业应用相连接，嗜热及耐热菌中存在着各种各样的耐热蛋白质，是耐热酶开发的最佳途径。其中嗜热菌中高温酶开发的最成功的例子是 Teq. DNA polymerase，该酶来自于水生栖热菌(Themas aquaticus)，这是一株最适生长温度为 95 ℃的超嗜热菌，正是由于这类高温酶的发现，才使现有的PCR 连续反应成为现实，仅此酶每年的销售额就达 8 000 万美元。

在 45～50 ℃从自然界筛选了大量的耐热海因酶产生菌，其中 24 株同时具有较高的海因酶和氨甲酰水解酶活性，17 株为 L-氨基酸生产菌，7 株生产 D 型氨基酸。自行筛选的天然菌

BacillusMH602 转化10g/L的苄基海因可生产近9 g/L-苯丙氨酸，具有很强的生产性，同时该菌中两酶在 35～45 ℃范围具有很好的稳定性。

有些耐热酶的获得可能直接与产业应用相连接，在超嗜热的细菌中，存在着各种各样的耐热酶和蛋白质，如 Sulfolobus. tokodaii 中新代谢系——鼠李糖合成酶系 [6] ，该酶系的存在对古细菌来说有什么特别重要的作用？这对研究地球环境史与生物进化具有重要的理论价值。在研究该酶系的表达时，发现相关酶在 80 ℃的热处理中表现了极大的稳定性。这些耐热酶或蛋白的形成机理和结构特点的也将为工业生物催化的发展提供有力的理论指导。

2.2嗜盐或耐盐菌来源的高强度酶的开发

在含 5%～15％NaCl 培养基中生长的微生物为嗜盐菌，而在 15％以上氯化钠培养基上生长的为超嗜盐菌。不同的嗜盐菌细胞内渗透压调节方法均有很大差异，有些超嗜盐菌会随着外界盐分的增加将K + 或 Na + 泵入细胞内以调节压差。嗜盐菌中的渗透压调节物质还有甘油、甜菜碱、脯氨酸、海藻糖等物质Halomonas elongata 在不同条件下能把渗透压调节物大量排出胞外，故有bacterial milking 之称。如在含 15％氯化钠培养基中生长积蓄调节物，培养菌体放入 3％氯化钠的培养基中即可排出渗透压调节物，再通过不同的氯化钠浓度的培养基进行循环合成、排出、通过非细胞破坏的方法即可生产大量的渗透压调节物。多数嗜盐