古菌及极端微生物知识讲解
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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。
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。
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。
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
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.
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 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。
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
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。
M. smithii是唯一一种生长在人类肠道的甲烷 短杆菌 (图)。
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，
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。
嗜热微生物酶类工业应用实例
嗜热性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经 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
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。
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
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
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。
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。
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。
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
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.
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 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。
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
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。
M. smithii是唯一一种生长在人类肠道的甲烷 短杆菌 (图)。
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，
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。
嗜热微生物酶类工业应用实例
嗜热性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经 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
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。
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
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