微生物学理论指导：古生菌的生态
微生物之古细菌
真核生物的生存环 境很广泛，也是根 据不同真核生物的 代谢类型而有不同 的生存环境。
形态
细菌的基本形态有三： 真核生物范围很广， 球形、杆形和螺旋形。 有大有小，形态各 此外，有的细菌还有 异。 荚膜，鞭毛以及芽孢。 但在不利的生活环境 下或菌龄老时会出现 不规则的多形性。
特征
古细菌
细菌
真核
中间代谢
亚基)
d、甲烷螺菌：无细胞壁，只有 一层由蛋白质纤维组成的鞘
1、产甲烷菌
（2）培养方法 专性厌氧，需要在特殊环境下操作；
目前最好的是厌氧手套箱
厌氧培养箱
2、极端嗜盐古菌
分为5大群、8属、19种
生活环境：高盐环境 细胞形状：细胞形态为链状、 杆状、球状等多形态。革兰氏阴性， 极生鞭毛。好氧或兼性厌氧。
5、RNA聚合酶AB’B’型
营养类型：化能异养，不发酵（好氧或兼性厌氧有关）
3 热原体
• 无细胞壁、嗜热嗜酸、好氧、化能有机营养，所以被称为热
原体Thermoplasma
• 有的种具有多根鞭毛，能够运动 • 质膜的主要成分是一种带有甘露糖和葡萄糖单位的四醚类脂
(tetratherlipid)的脂多糖化合物。同时质膜中也含有糖肽，
但没有固醇类化合物，这样的质膜使热原体表现出对渗透压、 酸、热的稳定性。
嗜酸热原体
Thermoplasma acidophilum
4、古生硫酸盐还原菌 专性嗜热，好氧、兼性厌氧、严格厌氧，革兰 氏阴性，杆状、丝状或球状。大多数种是硫代谢菌，
经常在温泉中发现。
4、古生硫酸盐还 原菌
分布于深海海底、热泉和地层深部储油层。化能 自养，单极多生鞭毛，并产少量甲烷。
延胡索酸火叶菌
（Pyrolobus fumarii）， 一种生活在113℃大西洋 热液喷口的古菌。
古菌对生态系统的调节作用
古菌对生态系统的调节作用随着人类的技术日益发展，对于自然界的认知也越发深入。
科学家们发现，自然界中存在着一种神秘微生物——古菌，其具有极强的生存能力，可以在高温、高辐射、高压力等极端环境下存活。
近年来，人们开始关注古菌在生态系统中的作用，研究表明，古菌对于维持生态平衡具有重要的调节作用。
一、古菌在土壤中的作用地球上的土壤含有丰富的微生物，而古菌便是其中之一。
古菌在土壤中可以分解有机物质，释放出一些有益的养分，如氮、磷、钾等，既减少了土壤中有害物质的积累，又为植物的生长提供了养分，使得土壤呈现出良好的肥力状态。
此外，古菌在土壤中还可以分解甲烷、硝酸盐等有机物质，从而减缓大气中这些有害物质的积累，有助于维护全球的大气环境平衡。
二、古菌在水生生态系统中的作用水生生态系统对于整个自然界的生态平衡具有重要的影响，而古菌在其中也发挥了它的重要作用。
古菌参与了水生生态系统中的氮循环和硫循环等过程，通过分解和转化有害物质，减少了水中的有害物质的含量，促进了水生生物的生长和繁殖。
此外，古菌在水中还可以参与沉降物的分解，减轻河流的淤积，保持水流通畅。
三、古菌对于生物间关系的调节作用生态系统中的各种生物之间的关系错综复杂，而古菌则可以通过各种微生物的群落结构与动态相互作用，发挥着调节作用。
例如，在牛肚菌群落中，古菌可以通过抑制其它微生物，控制牛肚菌的比例，从而维持群落的稳定性。
此外，古菌在动植物肠道中也存在很高的数量，参与了维持肠道菌群平衡的重要过程，促进了免疫系统的正常发挥。
综上所述，古菌在生态系统中的作用十分重要，其通过分解和转化有害物质、参与循环过程、调节微生物群落结构等方式，为维持生态平衡做出了重要贡献。
在未来的研究和开发中，人们应更加重视古菌的生态价值，保护好这个自然界中神秘而伟大的微生物。
第3章 古菌
适应性：古菌具有独特的生理机制和代谢途径，以适应极端环境
代谢途径与能量来源
古菌的代谢途径：与其他微生物相似，古菌也通过糖酵解、三羧酸循环等途径进行代 谢
古菌的能量来源：古菌主要通过厌氧呼吸或光合作用等方式获取能量
古菌的代谢特点：古菌的代谢途径和能量来源与其他微生物有所不同，具有独特的生 理特性
古菌的分类
热原体：生活在高温环境 中的古菌
极端嗜盐古菌：生活在高 盐度环境中的古菌
甲烷生成古菌：能够产生 甲烷的古菌
极端嗜酸古菌：生活在酸 性环境中的古菌
古菌的发现与分布
古菌的发现：对极端环境中的微生物的研究和探索 古菌的分布：分布在全球各地的极端环境，如高温、高压、高盐度等
古菌的生理特性
生长环境与适应性
古菌的适应环境：古菌适应于极端环境，如高温、高压、高盐度等，具有较为特殊 的代谢途径和能量来源
基因组与蛋白质组
基因组：古菌的基因组比细菌更大，包含更多的基因，能够编码更多的蛋白质 蛋白质组：古菌的蛋白质组也相对复杂，具有更多的功能和种类 基因组与蛋白质组的关联：古菌的基因组和蛋白质组之间存在密切的关联，共同维持古菌的生理功能
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古菌代谢途径的研究：深入了解古 菌的代谢途径，为生物能源和生物 制药等领域提供新的思路。
古菌在极端环境中的适应性：研究古 菌在极端环境中的适应性机制，为环 境保护和生态修复提供理论支持。
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在环境保护领域的应用
生物降解：古菌能够降解有机污染物，对环境保护具有重要意义 污水处理：古菌可用于污水处理，提高水质并减少污染 土壤修复：古菌能够修复被污染的土壤，改善土壤质量 温室气体减排：古菌能够减少温室气体的排放，有助于减缓气候变化
古生菌
古生菌的名称由来
戊斯革命 20世纪70年代，美国科学家卡尔·戊斯靠分析由DNA序列决定的另
一类核酸—核糖核酸（RNA）的序列分析来确定微生物的亲缘 关系，发现并不是所有的微小生物都是亲戚。他们发现产甲烷的 微生物在微生物世界是个异类，因为它们会被氧气杀死，会产生 一些在其它生物中找不到的酶类，因此他们把产生甲烷的这类微 生物称为第三类生物。乌斯把这类第三生物定名为古生菌 （Archaea），成为和细菌域、真核生物域并驾齐驱的三大类生 物之一。这一变革被称为戊斯革命 。
三角形
方形
杆状
不 规 则 形
六、古生菌的细胞结构
像其它生物一样，古生菌 细胞有细胞质、细胞膜和 细胞壁三种结构。
1、细Байду номын сангаас壁结构 （1）假肽聚糖 产甲烷菌的细胞壁含假 肽聚糖
（2）酸性杂多糖 2分子N-乙酰氨基半乳糖和1分子葡萄糖醛酸组成的三 糖单位经反复连接而成的古生菌细胞壁。
甲烷八叠球菌和盐球菌不含假肽聚糖，而含复杂聚多糖。
一、古生菌的概念
是一类很特殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。 具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统； 也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体 对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内 含子并结合组蛋白； 此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细 胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质 为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D 型氨基酸和二氨基庚二酸。
（二）生存环境 最先发现喜好高温的古生菌来自美国黄石公园。 古生菌生活的环境常常是极端环境，如高温、高盐、高酸、高碱、 高压等。 在动物的消化道中同样存在，如反刍动物、白蚁和人类。 古生菌通常对其它生物无害，且未知有致病古生菌。
3水处理微生物学-古菌——【环境微生物学】
一、古菌的分类
1、产甲烷菌__广古生菌门 2、嗜热嗜酸菌 泉古生菌
门胞壁、鞘、荚膜、细胞质膜、原生质、核质
2、培养方式 专性厌氧培养：Hungate厌氧滚管法、厌氧手套箱等
嗜热嗜酸菌
包括古生硫酸还原菌和极端嗜热古菌 专性嗜热（70~105℃）、G-、杆状、丝状或球状、嗜 酸性或中性。 多为硫代谢菌
本节内容结束
第二章 原核微生物 第一节 古菌域
原核生物界
1．光能营养原核生物门 Ⅰ蓝绿光台细菌纲（蓝细菌类） Ⅱ红色光合细菌纲 Ⅲ绿色光合细菌纲
2．化能营养原核生物门 I细菌纲 Ⅱ立克次氏体纲 Ⅲ柔膜体纲 Ⅳ古细菌纲
一、古菌的特点
1、形态 薄而扁平，直角几何立体形态 2、细胞结构 细胞膜的结构不同，多为酸性的 脂蛋白 3、代谢 特殊的辅酶，如产甲烷菌的F420 4、呼吸类型 多为严格厌氧或兼氧，少数好氧 5、繁殖速度 慢，世代时间长，进化时间长 6、生活习性 极端环境：如酸碱性、热、氧等
极端嗜盐古菌
适应高浓度NaCl在 80~300g/L，依靠钠、氯、镁离子 维持细胞的结构和硬度。 细胞壁主要成分为脂蛋白
环境微生物学2-1古菌
细菌界和真细菌界。古细菌生活在一些极端环境中，真细 菌界的细菌为常见细菌和蓝绿藻。 我国王大耜教授提出六界：病毒界、原核生物界、真核原 生生物界、真菌界、动物界和植物界。
综合微生物的细胞结构、化学组成，尤其对
DNA、RNA及它们特殊的生活环境进行了深入细
温度/℃ 最低 最适 82 105
革
pH 兰 氏
最高
染
色
110 嗜酸
与O2 电子 营养源 关系 受体
厌氧 S0
S0 、H2
细胞壁
70 70～80 80
G-
2～3
好氧 O2
糖、
脂蛋白
谷氨酸、 多糖
热变形菌属
70
（Thermoproteus）
97 2.5～ 6.5
厌氧 Fe2+ S0
葡萄糖、 糖蛋白 氨基酸、 乙醇、
（五）繁殖方式与繁殖速率
古菌繁殖方式有二分裂、芽殖。其繁殖速率较慢， 进化速率也比细菌慢。
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（六）生活习性
大多数古菌生活在极端环境的湖泊、海洋水中，它们的生活 环境具有下述特点 ： 盐分高 极酸 绝对厌氧的环境 极热 极冷 在南极，它们的量占南极海岸表面水域原核生物总量的34%以上。 古菌的代谢途径特殊，有的古菌有热稳定性酶和其他特殊酶。 产甲烷菌生长在富含有机物的厌氧环境中，如沼泽、温泉、淡水、 海水沉积物、在反刍动物瘤胃和肠道中，粪便、污水处理厂剩余污泥 的厌氧消化罐、有机固体废弃物厌氧堆肥或填埋中。
系统发育进化树 （Phylogenetic trees）
进化树可以是有根的(rooted)，也可以是无根的（ unrooted），分为“有根树”和“无根树”两类。
古菌的生化特性和生态学功能研究
古菌的生化特性和生态学功能研究古菌是一种生活在极端环境下的微生物，比如高温、高压、强辐射、酸碱、高盐等极端环境，它们可以生活在一些其他生物不能生存的地方，比如热液喷口、海底黑烟团、矿物化土壤等等。
古菌具有独特的生化特性和生态学功能，在生命科学、地质学、天文学等领域有着广泛的研究价值。
一、生化特性1. 基因表达调控机制古菌具有先进的基因表达调控机制，与细菌和真核生物都不同。
比如，古菌基因启动子的组成和活动方式与真核生物类似，而不像细菌那样使用一些共同的启动子；同时古菌还具有独特的转录因子家族，这些因子参与了基因表达的调控，例如TFB（转录因子B）和TBP（转录因子B结合蛋白）。
2. 基因组结构古菌的基因组结构也非常独特，它们的染色体结构与真核生物类似，由多个线性片段组成。
此外，古菌还有许多以前未见过的基因，其中包括许多酶和代谢途径，例如水解酶，硫代解酶，以及一些非编码RNA等。
3. 代谢途径古菌一些独特的代谢途径，能够自主光合作用，通过氧化亚硫酸根或硫化氢氧化产生ATP，或通过去氧醣胺酸反应超除氨基的质子，从而产生能量。
还有一些独特的代谢途径，例如硝化作用。
4. 蛋白质合成和修饰古菌的蛋白质合成和修饰也非常独特，古菌中存在许多不同于真核生物和细菌的修饰方式，例如N-糖基化、N-咪唑基化等；古菌的tRNA也存在独特的结构和翻译机制。
二、生态学功能1. 生态系统中的重要角色古菌可以在很多特殊环境中生存，这使得它们在生物圈中扮演着重要的角色。
比如，它们是地球上最早的生命形式之一，因此对于了解地球生命演化的过程至关重要。
古菌还存在于某些极端环境中，如极地和矿物化土壤，这些环境会造成一些化学反应，如硫酸化和碳化等，进而改变环境及其他生态系统的生态学。
2. 营养循环过程古菌中的一些酶和代谢途径可以参与丰富大气成分和地面成分的元素循环。
古菌可以从硫离子，硫化物、硫酸、亚硝酸根离子等中生产能量，进而支撑生态系统。
古生菌的生理生态特点
古生菌的生理生态特点董怡萱（食品科学与工程2班生命科学学院黑龙江大学哈尔滨 150080）摘要：很多古菌是生存在极端环境中的。
一些生存在极高的温度（经常100℃以上）下，比如间歇泉或者海底黑烟囱中。
还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸或强碱性的水中。
然而也有些古菌是嗜中性的，能够在沼泽、废水和土壤中被发现。
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，且未知有致病古菌。
关键词：古生菌、微生物、极端环境Ancient lives the fungus the physiological ecology characteristicDong Yixuan（The 2th Food science and engineering, College of Life Science, Heilongjiang University,Harbin, 150080）Abstract：Many Archaea are the survival in the extreme environment. Some survivals in extremely high temperature (frequently 100℃above), for instance geyser or in seabed black chimney. Also some survivals in very cold environment or Gao Yan, strong acid or in alkalinity water. However also some Archaea are neutrophil, can in the bog, the waste water and the soil was discovered. Very prolificacy methane Archaea survival in animal's digestive tract, like ruminant, termite or humanity. The Archaea is usually harmless to other living thing, and unknown has the pathogenesis Archaea.Key words：Ancient lives the fungus, the microorganism, the extreme environment1977年，Carl Woese以16S和18S rRNA的寡核苷酸序列比较为依据，提出的独立于真细菌和真核生物之外的生命的第三种形式。
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最先发现的喜好高温的古生菌来自美国黄石公园。
古生菌的生活环境常常是极端环境，即普通常见的生物是很难生存的高温、强酸强碱或盐浓度很高的环境中。
例如温度超过100℃的深海地表的裂缝处、温泉、以及极端酸性或碱性的水中。
它们还存在于牛、白蚁和海洋生物的体内并且在那里产生甲烷。
它们生长在没有氧气的海底淤泥中，甚至生长在沉积在地下的石油中。
某些古菌在晒盐场上的盐结晶里生存。
对光敏感的菌红素使盐杆菌带有美丽的红色，菌红素可以将太阳的光能转变为古菌生活所需要的化学能。
便用来合成作为细胞能源的ATP.菌红素是一种蛋白质，在化学结构上和脊椎动物视网膜上的色素视紫质很相似。
要证明古生菌的生存环境类似地球形成的早期，最好是找到古老地质年代的化石遗存，探寻古生菌化石面临许多难题。
首先它们是很微小的生物，因此留下的是显微化石，科学家必须花费很多时间去加工样品，还要耐心地去看显微镜。
而更麻烦的是，如果发现了纤维生物的化石，怎样去区分古生菌和细菌的化石呢？
古生菌和细菌形状和大小相似，因此根据外形不容易确定。
于是要靠这些微小生物的显微化石中的化学成分来判断，我们可以叫它做化学化石，这些化学化石中存在形形色色的化合物，这就要求我们寻找那些特征性的化合物残迹。
合乎要求的是某种只存在于某一类生物中的化合物，例如只存在于古生菌中，而不存在于细菌或真核生物中的那些化合物，同时这些化合物在过去亿万年中不容易发生分解作用，即使发生了分解，分解产物也应该是可以预测的化合物。
上面说过，古生菌细胞里含有特征性的类异戊二烯化合物链，它们不容易被高温分解。
因此它成了一种表明古生菌存在的很好的化学标记。
德国科学家在古老的岩石中发现了这种化合物，据推测很可能是产甲烷菌留下的。
在西格林兰岛的某些地方存在大约38亿年前的古老的沉积层，其中就留下了古生菌的“化学指纹”，所以从古化石中证明古生菌在地球形成后的第一个十亿年中已经出现。