极端微生物——生物活性物质的新源泉

极端微生物的研究及应用在自然界中，存在着一些绝大多数生物都无法生存的极端环境，诸如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等环境。

凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物，称为嗜极菌或极端微生物。

由于它们在细胞内造、生理、生化、遗传和种系进化上的突出特性，不仅在基础理论研究上有着重要的意义，而且在实际应用上有着巨大的潜力。

1 嗜热微生物1.1 嗜热微生物的定义及分布嗜热微生物也被称为嗜热菌或者高温菌。

嗜热微生物主要分布于温泉、堆肥、煤堆、有机物堆、强烈太阳辐射加热的地面、地热区土壤以及陆地和海底火山口等高温环境。

1.2 嗜热微生物的分类嗜热微生物分为耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌、超嗜热菌，根据嗜热微生物对高温环境的耐受程度不同，学者们作如下的区分（表1）。

1.3 嗜热微生物的应用1.3.1 嗜热酶及超级嗜热酶嗜热酶（55～80 ℃）和超级嗜热酶（80～113 ℃）具有与普通化学催化剂不同的高催化效率、很强的底物专一性、在高温条件下稳定性良好等优点。

这些酶在食品工业、造纸工业、烟草业、石油开采、医药工业、环境保护、液体燃料的开采、能源利用等领域中具有广阔的应用前景。

1.3.2 抗生素嗜热微生物生活在高温环境中，能够产生多种特殊的代谢产物，其中有一部分是抗生素类，为目前抗生素的开发和生产提供了新的思路，有较大的应用前景。

1.3.3 嗜热微生物菌体及其它活性物质嗜热微生物菌体可直接用于工业生产，同时嗜热微生物在高温的条件下还会产生维生素等物质。

2 嗜冷微生物2.1 嗜冷微生物的定义嗜冷微生物是适应低温环境生活的一类极端微生物。

2.2 嗜冷微生物的分类嗜冷微生物分为专性嗜冷菌、兼性嗜冷菌、极端嗜冷菌、耐冷菌，根据嗜冷微生物对低温环境的耐受程度不同，学者们作如下的区分（表2）。

2.3 嗜冷微生物的应用2.3.1 环境保护方面通过嗜冷微生物产生的冷适应酶来实现低温下的污染物生物降解。

极端环境微生物研究进展极端环境（extreme environment）泛指存在某些特殊物理和化学状态的自然环境，包括高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、高辐射和极端缺氧环境等，适合在极端环境中生活的微生物称为极端微生物（extremophiles）（Margesin and Schinner,2001; Rothschild and Mancinelli,2001; 陈骏等，2006；张敏和东秀珠，2006）。

具有独特的基因类型、特殊生态群落、特殊生理机理和特殊代谢产物。

一、海洋极端环境微生物1．海洋极端环境微生下微生物类型主要为细菌和古生菌，热泉微生物群落主要为异氧发酵菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等；冷泉微生物群落主要为ANME-2族的厌氧甲烷氧化古生菌、硫酸盐还原细菌和ANME-1族厌氧甲烷氧化古菌，这些极端微生物利用CH4和H2S等气体进行能量固定，有较高的生物丰度和较低的分异度，具有垂向和水平分带性，并能营生一套独特的宏体生物（王家生等，2007）。

2．油气资源的形成和演化与时间、温度和有机质组成密切相关（Seewald,2003），油气的产生、运移、圈闭和后期改造过程也大多是在一些特殊环境中进行的，极端微生物活动可能参与了整个过程。

3．探索海洋极端环境下微生物活动，不仅在理论上可将其作为特定地质微生物标志（geomicrobiological signature），揭示现代和地史时期海洋环境变化和地质环境变迁（党宏月等，2006）、探索生物圈与地圈之间协同演化、阐明生物多样性形成机制和认识生命极限等（汪品先，2003；中国大洋钻探学术委员会，2003），而且在实践中指导海洋深水油气田的开发和地史早期潜在烃源岩的寻找。

4．自第一个海底冷泉1984年首次报道后（Paull et al.,1984），迄今全球已至少发现共24处海底冷泉。

冷泉流体一般含有大量甲烷气体，在海底表面通常表现为泥火山，喷口附近发育独特的营甲烷化能自养生物群落，下伏的沉积物中通常伴有天然气水合物，在更深部位则通常为油气藏。

嗜极微生物之嗜碱微生物摘要：生长和繁殖是生物在任何环境中成功竞争的决定性因素。

人们已经发现许多极端环境，如地热环境、极地、酸性和碱性的泉，以及海洋深处的高压冷环境，都栖息着能够适应这些环境的特殊微生物。

本文中主要阐述的是嗜碱微生物，其中主要包括嗜碱微生物的生态分布、生理学、生物能力学、遗传学以及生物技术方面的应用。

关键词：嗜碱微生物碱性生长环境所谓极端环境是指只有一些有限的有机体能够生长的环境。

在这些严酷的环境中，有些有机体不仅可以存活，而且生长繁殖着。

在极端环境中栖息的微生物，被成为嗜极微生物，这个词是由MacElroy于1974年提出来的，现在已被广泛采用，作为一个有用的专用名称，来称谓各种极端环境中的微生物。

嗜极微生物主要包括：嗜盐微生物、嗜碱微生物、嗜酸微生物、嗜热微生物、嗜冷微生物和嗜热微生物等等。

嗜碱微生物是指那些最适生长在pH8.0以上，通常在pH9—10之间生长的微生物。

而能在高pH值条件下生长，但最适值并不在碱性pH值范围的微生物则称为嗜碱微生物。

在嗜碱微生物中，有些细菌在pH值中性或以下不能生长，称为专性嗜碱菌，而有些细菌在pH值中性或以下可以生长，称为兼性嗜碱菌。

嗜碱菌的价值已被广泛认识，首先是开发利用新的微生物资源；其次是微生物生理、遗传和分类乃至生命科学级相关学科许多领域的基础研究，如功能基因组学；再次是微生物进化，生命起源的研究提供新的材料。

一、嗜碱微生物的生态分布地球上碱性最强的自然环境是碳酸盐湖及碳酸盐荒漠，极端碱性的湖如肯尼亚的玛格达湖和埃及的wady natrun湖，都是地球上最稳定的碱性环境，那里的pH高达10.5—11.0。

我国的碱性环境则有青海湖等。

碳酸盐是这些环境碱性物质的主要来源。

还有人为产生的碱性环境如石灰水、碱性污水等。

嗜碱微生物有两个主要的生理类群：嗜盐嗜碱微生物和非嗜盐嗜碱微生物。

前者的生长需要碱性和高浓度盐。

柳耀建等（2000）从内蒙古监护中分离出一株嗜碱菌，七生长pH范围为8—13,为好氧型，杆状，能运动的革兰氏阴性菌，可产生碱性淀粉酶。

简答题及论述题微生物发酵制药章节1微生物发酵过程分几个时期？各有什么特征？答：微生物发酵分三个时期，分别是菌体生长期，产物合成期和菌体自溶期。

菌体生长期的特点是在这一段时间内，菌体的数量快速增加维持到一定的数量保持不变。

产物合成期的特点是产物量逐渐增加，生产速率加快，直最大高峰合成能力维持在一定水平。

菌体自溶期的特点是菌体开始衰老，细胞开始自溶产物合成能力衰退，生产速率减慢。

2生产菌种选育方法有哪些？各有何优缺点？如何选择应用？生产菌种的选育方法主要有以下几种一，自然分离发现新菌种二，自然选育稳定生产菌种三，诱变育种改良菌种四，杂交育种创新菌种五基因工程技术改造菌种，六合成生物学定制菌种。

自然分离发现新菌种优点是价格便宜，易于处理，缺点是操作繁琐不易获得新菌种。

自然选育稳定生产菌种的特点是简单易行，可达到纯化菌种，防止退化生产水平和提高产量，但效率及增产幅度低。

诱变育种改良菌种的特点是速度快，收效大，方法相对简单，但缺乏定向性，要配合大规模的筛选工作。

杂交育种创新群种是具有定向性，但其技术难度高。

基因工程技术改造菌种生产能力大，产品质量高工艺控制方便，合成生物学定制育种特点是菌种生产能力高，药物的研发和高效生产量高。

3菌种保藏的原理是什么？有哪些主要方法？各有何优缺点?菌种的保存原理是其代谢处于不活跃状态，生长繁殖受抑制的休眠状态，保持原有特性，延长生命时限。

其主要保存方法有以下几种一，斜面低温保存二，液体石蜡密封保存三，砂土管保存，四冷冻干燥保存，五液氮保存。

其优缺点分别是斜面低温保存。

优点是操作简单，使用方便，缺点是保存时间短，不能经常移植。

液体石蜡密封保存优点是保存时间长。

砂土管保存优点是保存时间长。

缺点是本方法只适宜于形成孢子和芽孢的菌种，不适用只有菌丝的真菌和无芽孢的细菌保存。

冷冻干燥保存的优点是保持细胞完整性，保存时间长，但对动物细胞的保存效果不好。

液氮保存的特点是目前最可靠的一种长期保存方法，可用于细菌，酵母和体外培养动物细胞，也是长期保存主种子批的主要方法。

极端环境微生物的研究进展文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208][摘要]极端微生物通常分为六个类群：嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物。

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和生理机能，以适应环境。

因此，研究适应机理并利用其特殊生理机能具有重要的理论和实际意义，极端微生物能产生多种极端酶和其他生物活性物质，极端微生物资源的开发利用有着广阔的前景。

极端环境(extreme environment)泛指存在某些特殊物理和化学状态的自然环境，包括高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、高辐射和极端缺氧环境等，适合在极端环境中生活的微生物称为极端微生物(extremophiles)( Margesin and Schinner，2001【1】；Rothschild and Mancinelli，2001【2】；陈骏等，2006【3】；张敏和东秀珠，2006【4】)．海洋极端环境一般是指与正常海洋环境绝然不同的物理化学环境，主要包括海底热泉、海底冷泉和泥火山环境，其次还包括高盐度(卤水)、强酸化、缺氧和滞流等海洋环境。

海洋极端微生物通常为化能自养生物(chemoautotroph)，在分类体系上属于细菌和古细菌类，生活在无光、无氧或少氧环境，能利用一些海底热催化反应过程中产生的还原性小分子(H2、H2S和CH4 等)合成能量进行有机碳固定和新陈代谢，具有独特的基因类型、特殊生态群落、特殊生理机理和特殊代谢产物，有些属于内共生生物(endosymbiont)。

一、极端微生物的种类及其生理特点1．1 极端嗜热菌（Thermophiles）一般最适生长温度在90℃以上的微生物，被称做极端嗜热菌【5,6】。

已发现的极端嗜热菌有20多个属，大多是古细菌，生活在深海火山喷口附近或其周围区域【7】。

如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，8O℃以下即失活；德国的斯梯特(K Stette)研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的巴罗斯(J．Baroos)发现一些从火山喷口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中，嗜热菌的营养范围很广。

极端微生物——生物活性物质的新源泉李江;李光友【摘要】It is now recognised that extreme environments, once thought to be too hostile to permit survival of living organisms, are the natural habitat of certain microorganisms known as extremo-philes. The discovery and characterisation of a wide array of microorganisms that thrive under extreme values of temperature, acidity, alkalinity, salt concentration and pressure led not only to major improvements in the understanding of the environmental conditions limiting life, but also in the descriptions of early stages of cellular e-volutiont Meanwhile the search results of adaptation mechanism and metabolites of extremophiles have markedly facilitated and improved our theory and technology in the biogeochemistry and bio-technological applications.%曾经被认为是“不毛之地”的极端环境,实际上却孕育着大量鲜活的微生物,它们被称为“极端微生物”.极端微生物的发现,对于研究生命起源、系统进化等方面具有重要的启示作用；对于极端微生物的生存机制研究和代谢产物的应用研究,已经使某些新的生物技术手段成为可能,改变了整个生物技术领域的面貌.【期刊名称】《自然杂志》【年(卷),期】2011(033)005【总页数】6页(P275-280)【关键词】极端环境;极端微生物;适应机制;活性物质;生物技术【作者】李江;李光友【作者单位】国家海洋局海洋生物活性物质重点实验室,山东青岛266061;国家海洋局海洋生物活性物质重点实验室,山东青岛266061【正文语种】中文曾经被认为是“不毛之地”的极端环境，实际上却孕育着大量鲜活的微生物，它们被称为“极端微生物”。

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。

极端环境微生物的适应机制及利用摘要：极端环境微生物是指生活于极端环境中的微生物，它们定义了生命的边界。

对极端环境微生物适应机制的研究以及新的极端酶的发现，使得解决工业生产的苛刻条件与蛋白酶易变性的矛盾成为可能。

本文分别对嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌6 种极端微生物的适应机制和应用进行了总结。

关键词：极端微生物，适应机制，应用随着人类对生存家园地球乃至整个宇宙的探索开发，人们对原本被视为生命禁区内的生命（极端环境微生物）产生了极大的好奇心。

极端环境微生物( extremophiles)是指在一般生物无法生存的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压、高辐射、太空等异常环境中生存的微生物群体的统称[1]，例如嗜热菌( Thermophiles )、嗜冷菌( Psychrophiles ) 、嗜碱菌( Alkali- philes)、嗜酸菌( Acidophiles) 、嗜盐菌( Halophiles)、嗜压菌( Piezophiles) 等。

由极端环境微生物适应极端环境所形成的特殊生理特性以及代谢产物，在基础研究、环境保护、食品化工及医学等多个领域中都有巨大应用潜力。

本文分别对嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌6 种极端微生物的适应机制和应用进行了简要概述。

1.嗜热微生物一般把最适生长温度高于45℃的微生物称为嗜热微生物。

另外，还可根据它们的最适生长温度将其划分为嗜热微生物（45℃-60℃）、极端嗜热微生物（60℃-80℃）和超嗜热微生物（>80℃）。

目前发现的嗜热菌大都来自热泉、海底热液口、堆肥、火山等极端环境中，它们中大多数属于古细菌。

目前发现的生命最高生存温度为121-122℃[2]。

1.1适应机理嗜热微生物是如何适应高温而得以存活的呢？其适应机理主要包括以下几个方面：①蛋白质的热稳定性性提高。

超嗜热微生物的蛋白质的氨基酸组成与常温微生物并没有不同之处，超嗜热微生物蛋白质倾向于抵抗蛋白质的去折叠（unfolding) : 嗜热蛋白质具有拥有高度疏水的核心结构的趋势；蛋白质表面具有较多的电荷分布；蛋白质表面具有更多的离子键相互作用。

引言：随着科技的不断进步和研究的不断深入，我们对微生物世界的认识愈发全面。

在这个庞大而神秘的微观领域里，存在着大量的极端微生物，它们生活在极端环境中，拥有独特的生物特性和生存机制。

此前的《极端微生物不可估量的资源（一）》中，我们详细介绍了一些极端微生物的研究发现和应用前景。

在本文中，我们将继续深入探讨极端微生物的资源价值，探寻其更多可能性。

概述：正文：1.极端微生物在生物工程领域的应用1.1极端微生物的酶类资源1.2极端微生物的代谢途径1.3极端微生物的基因编辑技术1.4极端微生物的生物催化剂2.极端微生物在环境修复中的潜力2.1极端微生物的抗污染能力2.2极端微生物的土壤修复2.3极端微生物在水体净化中的应用2.4极端微生物在废弃物处理中的潜力3.极端微生物在药物开发中的作用3.1极端微生物的生物活性物质3.2极端微生物的抗菌特性3.3极端微生物的抗氧化能力3.4极端微生物在抗肿瘤药物领域的应用4.极端微生物在能源领域的发展4.1极端微生物的生物燃料产生4.2极端微生物的生物电池应用4.3极端微生物在生物气体生产中的潜力4.4极端微生物在太阳能利用中的应用5.极端微生物在食品工业的应用5.1极端微生物的酶类在食品加工中的应用5.2极端微生物的保鲜与保存5.3极端微生物在食品微生物学中的研究5.4极端微生物在食品添加剂的开发中的应用总结：极端微生物作为一种特殊的微生物群体，其资源价值不可估量。

从生物工程领域的应用、环境修复、药物开发、能源领域的发展到食品工业的应用，极端微生物都展现出丰富的潜力和广阔的前景。

通过大量的研究和应用探索，可以更好地利用乃至开发极端微生物的独特特性，为我们的生活和科学研究带来更多的可能性和机遇。

随着对极端微生物的深入研究，我们相信在不久的将来，它们将为人类带来更多的惊喜和突破。

科辱|SCIENCE 极端微生物巨生物制造•c-1◎翁彩红韩业君极端微生物是生长在极端环境中的微生物类群.经过长期的适应与进化，形成了特殊的生物多样性、遗传背景和代谢途径，能产生各类具有特殊功能的酶和活性物质，已经在生物燃料、医药、精细化工、食品、环境保护等领域中得到广泛应用本文从极端微生物与生物合成和极端微生物的多样性与应用等方面.阐述极端微生物的研究价值和应用潜力以及与生物制造的关系.井对极端微生物资源的开发利用进行了展望「极端微生物是独特的生物合成资源47端微生物是一类能够在极端环境，如高不局r温、寒冷、强酸、强碱、高压、高盐、高辐射等，正常生存繁殖的微生物群体，于1974年由马克艾罗伊(R. D.MacElroy)等人⑴最早提出。

在过去几十年里，极端微生物主要被发现存活于环境极其苛刻、通常无法维持生命的地区，如温泉、火山口、深海、南极和地热区等。

极端微生物在分类学上分布广泛，是功能多样化的群体，包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜盐、嗜压、嗜金属、抗辐射和耐干旱等微生物，每类微生物都逐步形成了自己独特的结构和生理机能，以适应外界极端生存环境。

极端微生物作为一类顽强的生物体，能产生具有优良的热稳定性的化合物，如极端酶和生物大分子，在生物技术方面具有潜在的应用价值，如耐热DNA 聚合酶应用于聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR),高温糖昔水解酶应用于生物燃料生产，活性物质类胡萝卜素应用于食品和化妆品，以及抗翁彩红，博士研究生：中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100190；中国科学院大学，北京100049。

韩业君，研究员：中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100190o yjhan@Weng Caihong,Doctoral Candidate:State Key Laboratory of Biochemical Engineering,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190;University of Chinese academy of sciences,Beijing100049.Han Yejun,Professor:State Key Laboratory of Biochemical Engineering,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190.生素、抗真菌药物的生产等0。