淺談微生物的生理機(jī)制

淺談微生物的生理機(jī)制

極端環(huán)境是指一般微生物無法生存的環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境下生存的微生物必須有特殊的生理機(jī)制來適應(yīng)環(huán)境。研究和應(yīng)用給人類帶來了許多好處。1古細(xì)菌與真核生物的區(qū)分自七十年代,科學(xué)工作者從極端環(huán)境發(fā)現(xiàn)生物的新類群,最初根據(jù)16SrRNA(18SrRNA)序列分析的分子進(jìn)化的研究,說明它既不同于真細(xì)菌也不同于真核生物,因其形態(tài)接近真細(xì)菌而命名為古細(xì)菌.(其實(shí),古細(xì)菌并不比真細(xì)菌更為古老,根據(jù)對古細(xì)菌RNA的進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)它們與真核生物的關(guān)系要比真細(xì)菌的關(guān)系更為密切.古細(xì)菌與真核生物之間的分離,要比細(xì)菌與真核細(xì)菌的分離晚150萬年右左).極端環(huán)境的微生物均為古細(xì)菌.2極端環(huán)境中微生物的分類和特征2.1.海底火山噴口及其周圍區(qū)域的嗜熱菌(Thermophiles)嗜熱菌一般指在55℃以上的高溫環(huán)境中生長、繁殖的細(xì)菌.菌種不同,其生長溫度的上限也不同,有的可達(dá)90℃以上.在海底火山噴口及其周圍區(qū)域,溫泉工廠高溫廢水排放區(qū)?？砂l(fā)現(xiàn)不同菌種的嗜熱菌.如德國的斯梯特(K,Stetter)研究組,在意大利的海底火山噴口發(fā)現(xiàn)一族古細(xì)菌,能生活在110℃以上高溫中,最適溫度為98℃,降至84℃即停止生長,斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種嗜熱菌,最適生長溫度為100℃,80℃以下即失活.2.2養(yǎng)產(chǎn)氣泡的細(xì)菌在地球極地冰海環(huán)境中存在許多獨(dú)特的微生物分類群.如異養(yǎng)產(chǎn)氣泡的細(xì)菌(Octadecabacter)只在冰海和靠近冰海的環(huán)境存在.而PolaromonasVacuolata最適生長溫度為4℃,高于10℃則不能生長.2.3ph值對生物生長的影響這種微生物能生活在PH值1以下的環(huán)境.它們往往生長在火山區(qū)域含硫量極為豐富的地區(qū).如氧化硫桿菌,可以在PH值0.9—4范圍內(nèi)生長,最適PH=2.5左右;德國斯梯特就發(fā)現(xiàn)一族生活在96℃以上高溫,PH值低于1的環(huán)境中生物,它們被命名為Acidianusinfernus.嗜酸菌體內(nèi)環(huán)境保持PH值7左右;嗜酸菌往往也是嗜高溫菌.2.4極端嗜鹽微生物人們發(fā)現(xiàn)在高濃度鹽環(huán)境中,存在許多抗高滲壓的微生物.我國從新疆和內(nèi)蒙古的鹽堿湖中分離出了一些極端耐鹽菌.它們竟能在含0—15%Nacl的環(huán)境中生長.有些菌株可以在含5%—25%Nacl范圍中生長.極端嗜鹽微生物中唯一的真細(xì)菌是光合微生物的外硫紅螺菌屬;唯一的真核嗜鹽微生物是杜氏藻類.微生物學(xué)家瓊納斯克(H,Jannasch)在含鹽量高達(dá)36%鹽液中發(fā)現(xiàn)一種微生物,命名為Halophiles;微生物學(xué)家斯多肯尼亞斯(W,Stoeckenius)在嗜鹽中發(fā)現(xiàn)了一種呈四方形的古細(xì)菌.繁殖時(shí),先向一方延長,然后分裂成兩個(gè)四方形菌;再一起向另一方延長,進(jìn)而分裂成四個(gè).2.5嗜堿菌的生長和生長ph值嗜堿菌往往是嗜鹽菌,多生活在鹽堿湖和鹽池中,生活環(huán)境PH值可達(dá)11.5以上,最適PH值8—10,但在中性環(huán)境如PH值6.5以下,不能生長或生長非常緩慢.北京微生物研究所的徐毅分離到Natronorubrumgennov的兩個(gè)種.我國科學(xué)工作者從內(nèi)蒙古堿湖中分離出一株嗜堿菌No.10—1,其生長PH值為8—13,最適PH值為10—11.好氣,桿狀,能運(yùn)動(dòng).2.6淡水魚類的生長一般生活在最深的海底.美國海洋學(xué)家亞揚(yáng)諾斯(A,Yayanos)發(fā)現(xiàn)一些耐壓種,適于在0.7—0.8MPa的環(huán)境生長,低于0.4—0.5MPa則不能生長.有的竟能在1.3—1.4MPa環(huán)境生長.日本科學(xué)家也在300—600米深的深海魚類腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)了極端嗜壓菌.3極端環(huán)境中的微生物生理機(jī)制3.1分形鏈的脂肪酸其耐熱機(jī)制有以下幾個(gè)方面.①細(xì)胞膜中含有高比例的長鏈飽和脂肪酸,和具有分枝鏈的脂肪酸;及甘油醚化合物,增加了膜的穩(wěn)定性.②呼吸鏈蛋白質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)大量的多聚胺,利于熱穩(wěn)定性.③tRNA的熱穩(wěn)定性較高,硫化的核甘酸使tRNA分子的構(gòu)象變化受到限制并使鄰近的堿基增加了堆聚力,利于熱穩(wěn)定性.3.2抗酸生物活性在其細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上有阻止H+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的成分.①膜表面存在大量的重金屬離子如C2+u,其可與周圍的H+的進(jìn)行交換,從而阻止了H+對細(xì)胞的損傷.②細(xì)胞壁和膜上含有一些特殊的化學(xué)成分使得這些微生物具有抗酸能力.③泵的功能很強(qiáng).基于以上因素,嗜酸菌體內(nèi)保持中性并忍耐體外高酸濃度.3.3甘油.表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)各種酶的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)部的代謝活動(dòng).耐鹽機(jī)制①在高鹽環(huán)境中,細(xì)胞發(fā)生失水,引起細(xì)胞體積變小,而后對微生物細(xì)胞產(chǎn)生刺激作用,使細(xì)胞合成甘油.細(xì)胞內(nèi)有高濃度的甘油,細(xì)胞重新生長并且體積恢復(fù)正常.甘油是細(xì)胞內(nèi)各種酶的穩(wěn)定劑.②極端嗜鹽菌還積累或產(chǎn)生一些既維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡,又有助于細(xì)胞代謝活動(dòng)的相溶性物質(zhì),如積累K+,合成糖、氨基酸等.③其體內(nèi)酶的產(chǎn)生、穩(wěn)定和發(fā)揮活性都需要高濃度鹽這一條件.與中性酶比較,發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)的酶所含的酸性氨基酸比率較高;尤其是在分子表面形成了一保護(hù)層,阻止了酶分子的相互凝聚.3.4n+a/h+反向載體嗜堿菌的酶是嗜堿的.細(xì)胞壁含有酸性多聚物,帶負(fù)電荷,降低了細(xì)胞表面的PH值,細(xì)胞膜運(yùn)輸N+a是通過利用N+a/H+反向載體系統(tǒng)(該系統(tǒng)與△《與△PH有關(guān)).K+/H+反向載體和ATP酶驅(qū)運(yùn)了H+排出質(zhì)膜,也可以維持胞內(nèi)PH的穩(wěn)定性.已發(fā)現(xiàn)三個(gè)基因位置與N+a/H+反向載體有關(guān).這些基因編碼的蛋白質(zhì)對于維持依賴N+a,胞內(nèi)PH穩(wěn)定性起著很重要的作用.3.5減少水體中糖含量,抑制水體糖等營養(yǎng)成分?jǐn)U散其DNA中有一組能調(diào)壓力影響的基因.這組基因能在0.3MPa下表達(dá),并通過它減少某些蛋白質(zhì)的產(chǎn)出率,從而在壓力增加的條件下,可以減少膜的通道,達(dá)到阻止體內(nèi)的糖和其它營養(yǎng)成分?jǐn)U散到體外.4極端微生物的應(yīng)用4.1極端嗜熱菌①利用菌體產(chǎn)生的酶,進(jìn)行廢物處理降解纖維素.②用菌體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇.③利用其產(chǎn)物在高溫下生產(chǎn)生物表面活性劑.4.2含硫廢氣的處理用于冶金提取礦物;用于煤和石油脫硫處理含硫廢氣;生產(chǎn)肥料,改良土壤.如可利用氧化硫硫桿菌分解磷礦粉,提高磷礦粉的速效性,以便提高農(nóng)作物的產(chǎn)量.4.3劑和穩(wěn)定劑①用于生產(chǎn)食用蛋白、食品添加劑,酶的保護(hù)劑和穩(wěn)定劑;除去工業(yè)廢水中的磷酸鹽,開發(fā)鹽堿鹽,開發(fā)能源.②在基因工程中,大腸桿菌產(chǎn)生嗜鹽性芽孢桿菌的胞外木聚糖酶已獲成功.4.4嗜堿菌的克氏原螯蝦①用作洗滌劑的添加劑,粘度調(diào)節(jié)劑.②用于基因工程.已有人將嗜堿菌的纖維素酶,木聚糖木酶、淀粉酶、環(huán)狀糊精葡萄糖轉(zhuǎn)移酶等在中性菌中加以克隆和表達(dá).4.5極端環(huán)境微生物的研究和應(yīng)用問題其應(yīng)用方面報(bào)道較少,只在高壓生物反