极端微生物——生物活性物质的新源泉

李 江 李光友

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。

我们赖以生存的地球有许多地区被认为是生命的极限环境，例如地热环境、南北极区、盐湖区、酸碱泉和高寒及高压的深海环境。这些地方由于极端环境的生存条件太过恶劣，一度被认为是生命的禁区。然而，越来越多的研究表明，这些恶劣的环境条件却恰恰是某些极端微生物的天然栖息地。不断探索和深入研究生存于极端温度、酸碱度、盐度以及压力下的原核生物，不仅能够加深我们对于生命极限的了解，同时也能更好地阐明细胞早期的进化规律［1］。显而易见，由于细胞的复杂性及其功能的高度分化，高等生物是很难在这样的环境中生存的，极端微生物的发现极大地丰富和完善了生物的进化理论［2］。这些极端微生物通过进化适应生存于各种极端环境并演化为不同的种属，主要为古生菌和细菌，包括嗜热菌、嗜冷菌、嗜盐菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌等［3］。

仅仅在数年或数十年前，极端微生物还是非常稀缺的研究材料，全球只有很少的几个研究小组能够获得这样的资源。如今，尽管它们依旧披着神秘的外衣，但很多极端微生物已经成为较为常规的研究材料，用以进行适应机制及感兴趣的生物工程研究［1，4］。

事实上，一些极端微生物，特别是古生菌，具有特殊的代谢途径，其新颖的代谢产物具有广阔的应用前景［1，4］。当前，大量的极端微生物来源的代谢物质即将或已经被成功应用。譬如化学性质非常稳定的古生菌的膜脂已经被成功开发为新的药物载体［5］；古生菌组成成分的S层糖蛋白已经引起纳米工程材料领域专家的极大关注［6］；嗜盐菌合成的胞内和胞外聚合物在石油勘探以及合成可降解塑料方面具有巨大的应用潜力［7］；除此之外，极端微生物合成的各种酶类也是工业应用关注的焦点［1－2，4］。笔者就几种极端环境微生物的生存环境、生存机制及工业应用等作一概述。

1 嗜热菌

1.1 概述

嗜热菌广泛地分布在温泉、堆肥、地热区土壤、火山及海底火山地等环境中，最适生长温度可在60～80℃以上，美国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，在污泥、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，实验室很难分离和培养。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。

1.2 耐热机制

嗜热微生物之所以耐高温，其机理主要有以下几方面［8－9］：①绝大多数革兰氏阳性高温菌的细胞壁是由G2M及短肽构成的三维网状结构，增加了细菌的耐热性。②嗜热菌细胞膜中含高比例的长链饱和脂肪酸和具有分支链的脂肪酸，胞膜中含有甘油醚化合物。③呼吸链蛋白质的热稳性高。④由于tRNA的G，C碱基含量高，提供了较多的氢键，故其热稳性高。⑤细胞内含大量的多聚胺。⑥胞内蛋白质具抗热机制。⑦许多酶类由于蛋白质一级结构的稳定及钙离子的保护，耐热性高。⑧新的研究还表明，专性嗜热菌株的质粒携带与抗热性相关的遗传信息。

1.3 生物技术应用

嗜热酶具有酶制剂的制备成本低、动力学反应快、对反应冷却系统要求标准低、减少能耗、提高产物纯度等优点，因此在众多领域都得到了广泛应用。

（1）分子生物学研究：嗜热酶在商业上应用最为广泛的就是把嗜热细菌（Thermus aquatics）的耐热DNA聚合酶“Taq”，用于聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）中，由于耐热“Taq”酶的使用，才使PCR的专一性、收得率、灵敏度、DNA片段长度、复制的忠实性、操作简便性和自动化程度，有了明显的提高。PCR反应在科学研究和医疗等实际领域的应用中实现了新的飞跃。

（2）环境保护：在环境保护方面，主要体现在处理食品和造纸工业废水、芳香族化合物、氰化物、有机磷农药、重金属及其他有机难降解物质。利用高温酶处理木浆可以有效地祛除木质素，减少对化学漂白剂的用量，从而减少了对环境的污染。在污水处理及废物处理方面，人们不仅可以利用高温酶的耐热性，更重要的是利用它对有机溶剂的抗性。所以，在许多污染地区利用高温酶除去烷类化合物的污染有很大的优势［10］。

（3）能源利用：目前，人们利用的主要能源物质为煤和石油，利用高温微生物除硫，所需能量少，避免了好煤的流失及对环境的污染，既提高了煤的质量，又降低了成本［11］。嗜热细菌木聚糖异构酶，能缓解能源危机和环境污染日益严重的情况，并促进资源的再生，尤其对农副产品及林产品的木质废弃物，以及以农产品和林产品为原料的木业和造纸厂废弃物中的木糖的利用，特别是通过微生物转化木糖产生乙醇的研究已经成为热点。

（4）石油开采：石油开采过程中，利用粘胶混合细沙在岩石床上加压，出现裂缝后，用超嗜热酶可以提高油和气的流动性，加速石油或天然气的流出［11］。

2 嗜冷菌

2.1 概述

地球上80% 以上的生物圈为永久性低温地区（温度常年低于5℃），包括90% 的海洋两极地区、常年积雪的高山、冰川、极地和高山湖泊、部分温带湖泊湖底静水层等；根据温度变化程度的大小，可将低温环境分为稳定低温环境和不稳定低温环境。从稳定低温环境（深海和冰洞）分离的嗜冷菌通常为专性嗜冷菌。相比之下，在不稳定低温环境难以分离专性嗜冷菌，从其中分离的兼性嗜冷菌生长的温度范围较宽，在极端环境条件下有较强的生存能力。嗜冷菌种类繁多，在已知的嗜冷菌中，细菌是数量和种类最多的一类，涉及30多个属，其中属于革兰氏阴性的Pseudomonas属和革兰氏阳性的Bacillus属的较多，这些嗜冷菌广泛地分布于各种低温环境中［12］。中国国家海洋局第一海洋研究所，每年都有科研人员赴南北极参加科考，带回了大量宝贵的材料，分离出1000多株纯化培养的极地菌株保存于低温菌种库中，为极地微生物的环境适应机制和极地资源的开发利用提供了保障。

2.2 适冷机制

嗜冷菌适应低温的机制主要有以下几方面［13］：①不饱和脂肪酸含量增加。②缩短酰基链的长度，增加脂肪酸支链的比例和减少环状脂肪酸的比例等，增加膜的流动性。③嗜冷菌中的蛋白质在低温下能保持结构上的完整性。④嗜冷菌中的酶在低温下具有很高的活性，保持了嗜冷菌在低温下生命活动的正常进行。⑤嗜冷菌在0℃下具有合成蛋白质的能力，从而保证了低温下蛋白质的正常合成。⑥冷休克蛋白的产生使得冷休克基因能正常表达。

2.3 生物技术应用

低温酶在工业上的应用优势在于这类酶催化反应的最适温度较低，可以节约能源。

（1）洗涤纺织：低温脂肪酶及蛋白酶可作为洗涤剂的添加剂，这种洗涤剂可直接加入未经加热的自来水中用来洗衣服，既经济实惠又可保护衣物［14］。中国水产科学院黄海水产研究所孙谧研究员研制开发的低温蛋白酶制剂已成功地应用于洗涤领域，具有广阔的应用前景。嗜冷性纤维素酶可以用于生物抛光和石洗工艺过程，能降低温度上的工艺难度和所需酶的浓度，而且嗜冷酶的快速自发失活可提高产品的机械抗性。

（2）食品加工：奶酪是西方人常用食品，在其加工过程中需用凝乳酶，由于来源于小牛的凝乳酶价格昂贵，人们把目标转向重组凝乳酶和微生物凝乳酶。目前，微生物凝乳酶的应用受到一定限制，其原因主要是微生物凝乳酶有较高的热稳定性，在奶酪制作后续工艺中需要在较高温度下将其灭活，而过高的温度会影响奶酪的风味，并耗费较多能量，但稳定性较弱的嗜冷菌凝乳酶有助于解决这一问题［15］。此外，我们从极地微生物中分离获得的冰点活性低温蛋白酶在0～5℃对有较高酶活性和耐盐性的特点，对海洋高附加值蛋白资源（金枪鱼）在冰鲜保藏过程中进行酶解，使其达到保鲜和改良风味的目的，作为风味酶在冰鲜海产品加工过程中具有广阔的应用前景。

（3）植物保护：一些兼性嗜冷的假单胞菌可产生冰核蛋白，提高冰点，易使农作物遭受冻害。人们可以在农田中撒播不产生冰核蛋白的突变体菌株，使其占优势，减轻冻害对农作物造成的影响。另外，还可以变不利为有利，利用这类微生物人工造雪制冰，可节约大量能源［16］。

（4）环境保护：嗜冷菌的一个重要应用领域是环境保护，特别是通过生物降解作用在原位清除低温环境中的污染物方面显示出其独特的优势。中国国家海洋局第一海洋研究所的研究人员已筛选获得大量能够有效降解石油的极地微生物，并围绕石油降解微生物的降解特性及开发开展了大量的研究工作，嗜冷菌在消除海洋和低温环境油污过程中能起到至关重要的作用［17］。

3 嗜盐菌

3.1 概述

嗜盐菌指在高盐条件下生长的细菌。根据其对盐的嗜耐程度，可分为4类：最适生长盐度即氯化钠浓度＜2%的非嗜盐菌；最适生长盐度为2%～5%的弱嗜盐菌，多数海洋微生物属于这个类群；最适生长盐度为5%～20%的中等嗜盐菌和最适生长盐度15%～30%的极端嗜盐菌，其中部分极端嗜盐菌为嗜盐古菌。嗜盐菌主要生长在盐湖（中国的青海湖、美国大盐湖）、死海（黎巴嫩）、盐场等浓缩海水中，以及腌鱼、盐兽皮等盐制品上。

3.2 适盐机制

嗜盐古菌具有特有的适应高盐环境的生理机制［18］：①嗜盐古菌细胞壁成分以脂蛋白为主构成，不含肽聚糖，高浓度的Na＋和细胞壁蛋白亚基结合，形成离子键，维持细胞结构的完整性。②嗜盐古菌细胞有浓缩K＋，排出Na＋的选择能力，以细胞内积累高浓度K＋这种机制来对抗外界高渗环境。高浓度K＋对胞内核糖体、蛋白质、酶正常结构和功能的维持也是必须的。③嗜盐菌的酶在低盐浓度中会失活变性，由于其肽链中酸性氨基酸比例明显高于非嗜盐菌内蛋白中的酸性氨基酸的比例，“过量”的酸性氨基酸残基在蛋白表面形成负电屏蔽，促进蛋白在高盐环境中的稳定。

3.3 生物技术应用

（1）环境修复：人类活动产生的污染物，使一些天然盐环境遭受不同程度的污染，或者使环境受到污染物与高盐的双重污染。由于嗜盐微生物能够在高盐环境中栖息繁殖，因此，利用嗜盐微生物修复污染的天然盐环境或处理排放的高盐度有机污染物废水，不需要通过稀释、反渗透、离子交换、电渗透等方法降低待处理样品的盐度，具有操作简单和成本低廉等诸多优点［19］。所以，嗜盐微生物的环境修复机理与技术具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。

（2）生物电子：生物学向电子学渗透形成了生物分子电子学，极端嗜盐菌产生的以细菌视紫质为代表的一类含视黄醛蛋白质作用机理有望应用于此。在光照条件下视黄醛类蛋白能使介质酸化，嗜盐菌的紫膜可以吸收光能，将质子从细胞内转运到细胞外，产生跨膜化学电势，用以合成ATP，即它具有光驱质子泵的功能，是最简单的光能转换器，有可能利用它制成光开关、改写型光盘、信息存储器以及非线性光学材料。Br在光照射循环时，会按一定的顺序发生结构变化，结构变化过程中的不同状态就能起到光开关的作用，可以分别表示信息“0”或“1”，用来记录数字信息。目前，正尝试将菌视紫素制成离体物，用于合成ATP、太阳能电池、淡化海水、生物芯片等方面的研究以及解决宇航中人类能源不足的问题［20］。

（3）转基因植物：通过基因工程手段，使细胞内积累甜菜碱、山梨醇、甘露醇、海藻糖等相容性溶质，能够不同程度地提高转基因植物的耐盐性。嗜盐菌是极端环境微生物的重要类群之一，应用现代生物工程开发新的有价值的嗜盐菌种、基因库（包括特异性的基因资源）和新的应用领域是今后的努力目标。了解嗜盐机理，寻找到与耐盐有关的基因片段，再将此片段转移入植物体内，在此基础上构建耐盐植物，进而充分利用盐碱土壤具有重要意义。

（4）医药工业：嗜盐菌在一定条件下能大量积累PHB，主要用于可降解生物医学材料的开发，如人造骨骼支架、药物微球体、外科手术以及裹伤用品等。此外，目前发现有些嗜盐菌素对去盐作用不敏感，所以可能有比较广泛的应用领域，筛选抑菌谱广、性质稳定的嗜盐菌素，在理论和实践中具有重要意义［21］。

4 嗜酸菌

4.1 概述

自然界存在许多强酸环境，如废煤堆及其排出水、酸性温泉、废铜矿、生物滤沥堆及酸性土壤等，其中，许多微生物的代谢活动也会产生酸性环境。生长在酸性环境中的微生物被称为嗜酸微生物。嗜酸细菌主要包括自养嗜酸细菌和异养嗜酸细菌，如氧化亚铁硫杆菌（T.hiobacillus ferrooxidans）和隐蔽嗜酸菌（Acidiphilium cryptum）等；嗜酸真核生物包括嗜酸酵母、丝状真菌及少数的藻类［22］。很多情况下，嗜酸菌往往也是嗜高温菌。

4.2 适酸机制

有关嗜酸菌细胞内维持近中性pH值，适应外部酸性环境的机制一般有“泵说”、“屏蔽说”和“道南平衡说”3种解释［23］。另外，在常温型革兰氏阴性嗜酸菌，如T.ferrooxidans等的周质空间的高含量酶蛋白质，对其适应酸性环境有重要贡献。另外，质膜对质子的通透性间接由定位于膜上的脂质四聚体决定。这种跨膜四聚体能形成一层坚固的单层膜，使其在生长的pH范围内，质子几乎不能透过。从遗传学角度看，嗜酸菌具有能编码酸稳定蛋白质的基因，如铁氧化嗜酸细菌T.ferrooxidans中含铁质兰素基因，它可以编码稳定性的铁质兰素蛋白质。

4.3 生物技术应用

（1）生物冶金：利用嗜酸菌将贫矿和尾矿中金属溶出并回收的方法称生物湿法冶金（biohydro－metallurgy），生物湿法冶金与其他方法相比，反应温和，环境友好，能耗低，流程短。在矿石日益贫杂和环境问题突出的今天，生物湿法冶金技术将是有效的金属元素提取和废物利用的手段［24］。

（2）环境治理：氧化亚铁硫杆菌可用来处理酸性矿山废水［25］，即利用氧化亚铁硫杆菌氧化酸性矿山废水中的Fe2＋形成Fe3＋，接着Fe3＋就会水解形成沉淀析出。这种方法可以代替化学处理方法或者与化学处理方法联合使用。污水处理形成的污泥常含有大量的重金属，制约着污泥的再利用。利用嗜酸菌处理污泥中的重金属，Cu，Zn，Ni，Cd等的去除率可达80%以上，而且处理成本比传统的无机酸溶解法低得多；此外，嗜酸菌还被广泛应用到重金属污染土壤的生物修复、耐热酶的提取、硫铁矿烧渣的综合治理、厌氧废水处理系统中H2S的去除以及煤和石油中硫的脱除等方面。

5 嗜碱菌

5.1 概述

最适生长pH在8～10以上，通常生存pH为9～10的微生物，称为嗜碱菌。嗜碱菌种类繁多，包括细菌、真菌和古菌，常见的主要有芽孢杆菌属（Bacillus）、微球菌属（Micrococcus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、链霉菌属（Streptomyces）、酵母、丝状真菌及古菌。嗜碱微生物广泛地存在于多种环境中。在天然碱湖、碱性沙漠、热泉、南极以至马里亚纳海沟等极端自然环境下，都能分离出了嗜碱微生物。另一种是人类生活和生产活动引起的人工环境，如在水泥制造、染料制备、印染以及造纸食品加工等工业过程排出的碱性废水和碱性废渣的堆积、扩散、渗漏产生的局部碱性区域中，也有碱性微生物的存在。

5.2 适碱机制

嗜碱菌可以在pH10～11的条件下生长，但胞内要维持pH7～9以下。其适应机制包括：①钠离子－质泵反向运输是嗜碱菌细胞质碱化基本原因，为了使其发挥作用，需要胞内有足够的钠离子，钠离子的跨膜循环是必要的。②相关嗜碱菌钠离子／氢离子反向运输的基因已经从嗜碱菌Bacillus C－125中得到了克隆。③细胞外膜是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔，它是嗜碱微生物嗜碱性的重要基础。④嗜碱微生物可产生大量的碱性酶，为嗜碱微生物的生存提供了条件［26］。

5.3 生物技术应用

（1）环境保护：在许多工业过程所排放的大量碱性废水，严重造成环境污染，有效选择嗜碱菌产生的胞外酶能降解那些排放的污染物（有机多聚物），这种方法既治理了污染废水，又获得了很大的经济效益。选用嗜碱菌处理碱性废液不仅经济简便，而且可以变废为宝。在对植物纤维加工方面，利用嗜碱细菌或其碱性胞外酶降解天然多聚物代替碱降解工艺，可以大大降低污染。在造纸工艺和麻纺行业中，用嗜碱菌产生的胞外酶代替传统的工艺，既能提高质量，又能减轻污染［27］。

（2）洗涤剂工业：碱性纤维素酶在碱性pH范围内具有较高的活性和稳定性，其酶活性不受去污剂和其他洗涤添加剂的影响，不降解天然纤维素，具备洗涤剂用酶的条件。研究表明，90%的污染附着在棉纤维之间，碱性纤维素酶作用于织物非结晶区，能有效地软化、水解纤维素分子与水、污垢结合形成的凝胶状结构，使封闭在凝胶结构中的污垢较容易地从纤维非结晶区中分离出来，最终达到令人满意的洗涤效果［28］。近年来，碱性纤维素酶已经被成功地应用于洗涤剂工业。

（3）造纸工业：在高碱性环境中存在有一类放线菌，嗜碱放线菌产生多种碱性酶和生物活性物质，如抗生素和酶的抑制剂在食品工业、造纸工业中有广阔的应用前景。嗜碱放线菌（Streptomyces thremoviolaceus）产生的木聚糖酶在65℃具有高酶活性和热稳定性等优点，同时可以提高纸质；嗜碱芽孢杆菌NT19降解半纤维素已成为制浆造纸的一种潜在原料［29］。

6 嗜压菌

6.1 概述

高压环境主要存在于深海、深油井和地下煤矿等，它们有着与陆地截然不同的生境，能在这里生存的微生物称为嗜压菌。就海洋生境来说，目前深海压力适应菌可分为三类［30］：①耐压菌，在1.013 ×105～4.053 ×107Pa都能生长。②嗜压菌，在1.013×105Pa下也具有生长能力，但高压下生长更好，4.053×107Pa是其最适生长压力。③极端嗜压菌，生活在海平面10000m以下，它们不仅耐受压力而且生长也需要有压力的环境，不能在低于4.053×107Pa压力下生长。目前已报道的可培养的深海嗜压菌主要有Shewanella，Photobacterium，Colwellia，Moritella和一个未定的属。

6.2 适压机制

有关嗜压微生物的耐压机制目前还很不清楚。有人认为，这与细菌在高压下所产生的高分子量的外壁蛋白有关；也有人认为，海底微生物的孢子是嗜压微生物生存的基础。研究表明，深海细菌的转录、翻译、酶的合成以及细胞膜的结构和功能都对压力作出了一系列的反应。在深海低温和高压下PUFAs在加强细胞膜的流动性和功能方面可能起重要作用。单不饱和脂肪酸也是细菌耐压生长的必要因素。除不饱和脂肪酸外，细胞的呼吸链系统也对嗜压生长能力产生重要影响［31］。

6.3 生物技术应用

高压微生物在食品科技领域应用的研究报道日益增多，并且有一些已经成功地实现了商业化，由此推动了高压生物技术基础研究，并且逐渐扩展到生物化学、细胞生物学、分子生物学、微生物学等学科，高压生物科学正日益引起人们的研究兴趣。耐高温和厌氧生长的嗜压菌有望用于油井下产气增压和降低原油粘度，借以提高采油率。另外，嗜压菌还可以用于高压生物反应器。

7 展望

极端微生物广泛分布于地球上，它们不仅在生态系统中发挥着重要作用，还为人类提供了丰富的微生物资源。进入20世纪90年代以后，极端微生物及其相关活性物质的研究以及它们在现代生物工程中的潜在价值，逐渐引起人们的广泛关注，并成为一个新的研究热点。就总体情况而言，由于条件所限，许多极端微生物的培养受到限制，这极大地影响了极端微生物研究工作的进行。随着研究工作的深入开展，以及蛋白分子定点诱变与定向进化，蛋白组学等新的生物技术手段的运用，人们将对极端微生物及其活性物质的研究意义和应用价值会有更深入的认识。

（2011年3月7日收到）

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