极端微生物开发利用研究进展

氨基酸发酵论文

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极端微生物开发利用研究进展

摘要：极端微生物是生物对极端环境适应的特殊种类，研究极端微生物的特性对探索生命起源、微生物的育种及开发利用等具有重要意义。本文介绍了它们的特点和应用价值，旨在为极端微生物的开发利用提供一定的参考依据。

关键词：极端微生物；开发利用；应用价值

The progress of extremophilic microorganisms and their

exploitation

Abstract：Extremophilic microorganisms are special kinds of beings adapted to extreme environment.Study the characteristics of extremophilic microorganisms has important significance to for exploring the origin of life,breeding of microorganisms,and their development and utilization.This article summarized and purporting to provide a certain reference in development of utilization of extremophilic microorganisms.

Keywords：extremophilic microorganism;exploitation;value

1 概念

极端微生物（Extremophiles），又称嗜极菌，是一些能够在极端环境下生长的微生物，包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜金属、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型[1]。所谓极端环境，是指高温、低温、高pH、低pH、高盐度、高压等普通微生物所不能生存的环境。为了方便研究，一般将极端环境的条件确定如表1。开展极端微生物的研究，对于认识极端生命的本质，了解极端生命的嗜极机制及其与环境互作的规律，以及极端微生物独特资源的开发和利用，都具有极其重要的意义。本文介绍嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压等极端微生物及其开发利用进展。

表一极端环境条件[2]

Table 1 Extreme environments[2]

极端环境条件极端环境条件pH <3、>9 有机溶剂>1 %

温度<10 ℃、>70 ℃重金属汞、镉等

盐度>15 % 其他紫外线、X射线等

压力>400 atm

2 类型

2.1 嗜热菌（thermophiles）

2.1.1 生理特点

嗜热菌俗称高温菌，广泛分布在温泉、堆肥、地热区土壤、火山及海底火山地等，最适生长温度可在90 ℃以上，美国学者Baross从火山喷口分离出的一些细菌甚至可生活在250 ℃环境中。已发现的极端嗜热菌有20多个属，大多为古细菌。此外，污泥、温泉和深海地热海水中，还生活着能产甲烷的嗜热细菌，其环境温度高，盐浓度大，压力也非常高。而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[3]。

2.1.2 主要活性物质及其开发利用

（1）嗜热酶已从嗜热菌中分离到多种嗜热酶（55-80 ℃）及超级嗜热酶（80-113 ℃）。其不仅具有化学催化剂无法比拟的优点，如催化效率高和底物专一性强，而且高温下稳定性好，因而可克服中温酶（22-55 ℃）及低温酶（-2-20 ℃）在应用过程中常出现的生物学不稳定的缺点，从而使许多高温化学反应得以实现[4]。其中，耐热DNA聚合酶的发现，使聚合酶链反应（PCR）技术的自动化得以实现，大大推动了生物工程的发展。与普通DNA聚合酶相比，它可使PCR过程中高温变性（90 ℃以上）、低温退火（55-60 ℃）、适温延伸（70℃左右）均可在酶一次加入的情况下反复循环，从而实现了自动化。而且，有的耐热DNA聚合酶还具有逆转录活性，可用于cDNA文库的单酶法构建和扩增，可克服mRNA二级结构对反转录过程的抑制作用，简化构建和扩增过程。目前应用最多的耐热DNA聚合酶是Taq 聚合酶，此外还有Tth聚合酶、Tca聚合酶等[5]。

（2）抗生素已有报道称，利用嗜热菌Thermoactinomyces获得了9种抗生素，其中热红菌素及热绿链菌素已工业化，并在医药领域得到应用[4]。

（3）其它活性物质Kplan等[4]利用Pseudomomonas thermophila中的一种嗜热需氧菌生产出了多种B族维生素，还利用嗜热菌对2,4,6-三硝基甲苯进行了转化。

2.2 嗜盐菌（Extremehalophiles）

2.2.1 生理特点

嗜盐微生物通常分布在晒盐场、盐湖、海洋等高盐度环境中。嗜盐微生物通过保持渗透平衡得以生存，它们可以积累NaCl或KCl至很高的水平。。根据在不同盐浓度下生长情况，Kushner[6]将嗜盐菌分为5类：非嗜盐菌、弱嗜盐菌、中等嗜盐菌、极端嗜盐菌、耐盐菌。

2.2.2 主要活性物质及其开发利用

（1）嗜盐酶嗜盐酶能够在较高盐浓度下发挥作用，现已应用的主要是利用嗜盐菌生产SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等[8]。

（2）抗生素现已发现有上百株极端嗜盐古菌可以产生嗜盐菌素，它是一类蛋白类抗生素。厉云等[10]已发现由halobacterium QD5产生的嗜盐菌素对蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）也有一定的抑制作用。Price等对嗜盐菌素S8的进一步研究发现，嗜盐菌素S8其性质虽稳

定，但抑菌谱很窄，只对少数极端嗜盐古菌有抑制作用，因此在生产上无应用前景[7]。（3）其它物质嗜盐菌尤其是嗜盐藻类还可以产生胡萝卜素，是强力抗氧化剂，具有抗癌、抗心血管疾病和抗白内障的功能。有的嗜盐菌还可以产生胞外多糖，具有优良的流变性能，可被用作增稠剂、乳化剂、黏稠剂等用在食品、化妆品、药品和石油工业中[3]。

2.3 嗜碱菌（alkaliphiles）

2.3.1 生理特性

多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中。最适生长在pH 8.0以上，通常在pH 9~10之间的微生物称为嗜碱菌。有些菌在pH中性或以下不能生长，称为专性嗜碱菌（obligate alkaliphiles），而有些菌在pH中性或以下可以生长，称为兼性嗜碱菌（facultive alkaliphiles）。

2.3.2 主要活性物质及其应用[9,10]

（1）嗜碱酶嗜碱菌可以产生多种嗜碱酶，主要有:由嗜碱杆菌产生的环糊精糖基转移酶（CGTase）可用于生产环糊精。嗜碱酶用于皮革工业的脱毛工艺，可显著提高脱毛的效率和质量，避免了旧工艺使用NaOH和Na2S对毛皮的损伤，使皮革肿胀，后继加工难以进行的缺点。此外，嗜碱菌还能产生淀粉酶、脂肪酶、木聚糖酶、几丁质酶等，具有广阔的应用前景。

（2）抗生素类目前已从嗜碱菌发现了一些具有抗菌活性的物质，其结构类型有β-内酰胺类、丁酰苷菌素、吩嗪类等，但均无太大工业生产价值。

（3）其它活性物质现已发现许多由嗜碱菌产生的代谢产物，主要有：2-氨基苯、类胡萝卜素、siderophores、胆酸衍生物、7,12-二酮基羟基胆烷酸、7-酮基去氧胆酸、酮基鹅去氧胆酸、甲酸、乙酸、苯乙酸等。

2.4 嗜冷菌（psychrophiles）

2.4.1 生理特点

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[3]。专性嗜冷菌生活在低于20℃以下的环境中，温度高于20℃即死亡。嗜冷微生物能在0℃或更低温度下生长，最适生长温度为15℃或更低。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[11]。

2.4.2 主要活性物质及其利用开发

（1）低温酶近年来，低温酶的研究广泛开展，主要集中在耐冷机制和生物工程应用方面。已有20多种低温酶得到了纯化或克隆表达。主要有：β-半乳糖苷酶、丙氨酸脱氢酶、乙醇脱氢酶、α-淀粉酶、天冬氨酸氨甲酰基转移酶、蛋白酶、几丁质酶、DNA连接酶、柠檬酸合成酶等，主要用于食品工业、低温条件下的生物催化、洗涤添加剂、环境生物治理等[12]。来自嗜冷微生物的许多酶类的典型特征是在中等的温度下高催化活性和低温稳定性相关，原因可部分解释为与嗜温和嗜热酶类相比增加了分子的弹性。将这些酶类用于低温保存等方面的研究已成为热点[16-19]。一般认为酶类分子弹性的增加伴随着稳定性的的降低，而稳定性