极端微生物及其应用研究进展*

李沛霖，李力

（福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117）

在高/低温、高/低pH值、干旱、高压、高盐、高辐射等大多数微生物无法生存的环境中，如温泉、热泉、冷泉、干旱土壤、盐湖、酸矿排水池等都是极端环境，某些在极端环境中能进行生长繁殖的特殊微生物为极端微生物。极端微生物细胞内的蛋白质、核酸、脂肪的结构及酶的特性等都有别于其他普通环境的微生物，因此，对极端环境微生物的研究不仅为生命起源与演化提供理论基础，而且有利于开发新型的微生物资源。利用极端微生物特殊的遗传背景和代谢途径，设计和重构生物合成途径以期获得高价值产品，可实现经济和社会效益的提高。本文就嗜热、嗜冷/耐冷、嗜酸、嗜碱及嗜盐微生物及其应用进行综述，并对极端微生物研究面临的挑战和未来的研究方向提出了初步的探讨。

1 嗜热微生物及其应用

嗜热微生物是在高温环境中生存的微生物，包括最适生长温度为45～80 ℃的嗜热菌和最适生长温度为80 ℃以上的极端嗜热菌[1]，它们主要分布于火山、热泉、温泉及堆肥等高温地区，如Synechococcus lividus（63～67 ℃）、Pyrolobus fumarii（106 ℃）等。超嗜热菌位于系统进化树的根部且分支较短，其生存的极端环境与生命起源时地球上的环境相似，因而极端嗜热菌可能是与地球上所有生物祖先最接近的生命形式[2]，这也可能是极端嗜热菌多为古菌、最适生长温度通常高于真菌和细菌的原因。目前的研究显示，嗜热菌耐热的生物学机制主要与其生物被膜、细胞壁、细胞膜、核酸、蛋白质及代谢活动的热适应性有关[3]。例如：硫磺矿硫化叶菌（Sulfolobus solfataricus）在60～85 ℃时，随着温度的升高，生物被膜数量有明显地增加[4]，其中16S rRNA和23S rRNA部分的甲基化修饰对于维持结构的热稳定性也十分有益[5]；Thermotoga maritima的核糖核酸酶HII可通过减少溶剂可及的疏水表面来提高热稳定性，其表达稳定的酰基蛋白可在高温环境中辅助脂肪酸的合成[6]等。

嗜热微生物产生的热稳定的酶在生物、化学技术工业中发挥了重要的作用。来源于热泉的水生栖热菌Thermus aquaticus中的Taq-DNA聚合酶可以耐受90 ℃以上的高温而不失活，因此被应用于可将微量D N A 大幅度扩增的聚合酶链式反应。来自Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus的热稳定酯酶对于仲醇酯具有高度的S-立体选择性，且对有机溶剂耐受，对有机合成中实现动力学拆分提供了有利的选择[7]。编码Pyrococcus furiosus的麦芽糊精结合蛋白用于开发一种耐热标签蛋白表达系统，可应用于生产耐热疫苗抗原[8]。来自Fervidobacterium changbaicum的嗜热脂肪酶具有显著的甘油三酯水解活性。基于Thermotoga maritima中含有的a-淀粉酶的转基因植物，能低成本地促进淀粉转化为可发酵糖[9]。在拟南芥中表达来源于Pyrococcus furiosus的超氧化物还原酶增强了其对热、光和活性氧的耐受性，为提高作物植物的胁迫耐受性提供了一种手段[10]。来源Methanocaldococcus jannaschii的一种小型热休克蛋白可形成耐热、均匀的球形胶囊，因而可应用于纳米结构的设计[11]。嗜热菌中的氢化酶赋予了其产生氢气的能力，如Pyrococcus furiosus、Thermococcus kodakarensis、Thermotoga maritima、Thermotoga neopolitana和Thermotoga elfii等，这为生物质转化为燃料产品提供了资源储备。

此外，还在嗜热菌中发现了醛缩酶、脱氢酶以及水解酶等，在食品、农业、化工、制药和废物处理等方面发挥着重要作用。嗜热菌同时也生产活性次级代谢产物，如Thermobifida fusca通过非核糖体多肽生物合成途径产生fuscachelin类化合物，该类成分对植物生长具有促进作用[12]。

2 嗜冷微生物和耐冷微生物及其应用

嗜冷微生物是指最适生长温度接近或者低于15 ℃，最高生长温度低于20 ℃，最低生长温度为0 ℃或者更低的微生物。耐冷微生物是指在4 ℃或者以下能够生长，最高生存温度大于20 ℃的微生物[13]。地球海洋表面的平均温度大约为15℃，深海的温度甚至更低，一些高纬度地区也长期处于寒冷状态，因此广泛分布着嗜冷或耐冷菌，如在高海拔地区常看到血红色的积雪，就是由嗜冷的极地雪藻（Chlamydomonas nivalis）红色孢子造成的。低温微生物适应寒冷的机制主要包括细胞膜流动性增加、降低渗透压、抑制蛋白质在冷应激下折叠、分泌冷冻保护相关的蛋白或酶等[14]。如来源于北极的中慢生根瘤菌Mesorhizobiumsp.通过产生甘氨酸、甜菜碱、海藻糖、甘油、蔗糖、甘露醇和山梨醇等相容性溶质或生物表面活性剂来对抗冷冻；Lactococcus piscium通过上调甘油醛-3-磷酸脱氢酶的表达来克服糖酵解中的温度限制；Methanococcoides burtonii中的DEAD-box RNA解旋酶在低温适应过程中发挥着重要作用。

低温微生物产生的嗜冷酶在较低的温度下就可以发挥很高的催化活性，因而在化工、农业、食品以及化妆品等领域都有着广泛的应用前景。分子生物学常用的工具如DNA连接酶（Psychromonassp.SP041）、核酸内切酶（Psychromonas ingrahamii）和尿嘧啶-DNA糖基化酶（Vibrio salmonicida）、碱性磷酸酶（Sphingomonassp.BSAR-1、Shewanellasp.SIB1）等。其次，嗜冷菌也为医药领域的研究提供了可选择的途径，来自Psychrobactersp.可用于合成天然和非天然氨基酸的转氨酶，从Colwelliasp.中发现的多种抗氧化酶可用于抗氧化产品及抗癌药物的开发，从Aliivibrio salticida中发现的N-乙酰神经氨酸裂解酶对于合成唾液酸有着重要的意义[15]，来自Psychrobactersp.ANT206中硝基还原酶可用于开发新的抗生素、抗癌药物等。嗜冷菌在食品工业[16]也发挥着不可忽视的作用，如糖异构酶、a-淀粉酶等的利用，另一方面，使用嗜冷酶有助于保留挥发性分子，保留在高温下可能会丧失的风味、味道和营养价值[17]。在农业生产中，嗜冷微生物不仅可以缓解植物对寒冷的胁迫[18]，还能为植物提供有效的生物肥料和生物防治剂[19]。

3 嗜酸微生物及其应用

酸矿水、热泉或酸性土壤等酸性环境分布着极端嗜酸菌，包括硫杆菌属及古菌中的硫化叶菌属、热原体属和铁原体属等，pH值≤3是其最适生长的酸性条件。如从火山喷发形成的极端酸性土壤中分离得到Picrophilus oshimae的最适生长pH值为0.7，pH值大于4时细胞会发生裂解。嗜酸微生物对酸性环境的适应机制包括减少细胞膜的通透性、耐重金属、独特的跨膜电位差以及利用伴侣蛋白抗逆体系缓冲酸胁迫[2 0]等。如氧化嗜酸硫杆菌Acidithiobacillus thiooxidans的细胞形态随外界pH值变化而呈现不同的形态，胞外pH值为0.8时要比pH值为1.2时的细胞短而粗[21]；Acidiphi lium symbioticum可通过改变细胞结构来避免了重金属的毒性作用[22]等。

嗜酸微生物为工业用酸稳定酶提供了资源。来源于酸热脂环酸芽孢杆菌（Alicyclobacillus acidocaldarius）和酸居芽孢杆菌（Bacillus acidicola）的酸稳定a-淀粉酶满足了天然淀粉在进行工业生产时所需的酸性条件（pH值3.2～4.5)。嗜酸真菌臭曲霉（Aspergillus foetidus）中的酸稳定木聚糖酶可作为全麦面包的改进剂[23]，草酸青霉（Penicillium oxalicum）产生纤维素分解酶和半纤维素酶可高效生产阿魏酸，同时可用于功能性食品的开发、动物饲料和食品工业等[24]。具有铁和硫氧化能力的嗜酸微生物在生物冶金技术方面起着重要作用，例如使用硫杆菌（Acidithiobacillusspp.）催化氧化矿物的还原溶解有助于从褐铁矿中提取有价值的金属。嗜酸微生物还具有处理废水的作用，如弗式柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）表面的生物活性剂能有效去除废水中的重金属[25]。

4 嗜碱微生物及其应用

嗜碱微生物是指能够在高碱环境下生存（pH值8.5～11)，在pH值为10左右的环境下生长最佳的微生物，包括专性嗜碱微生物（需要pH值＞9才能生存）、兼性嗜碱微生物（中性pH值也能生存）和耐碱微生物（pH值＜10时能生长）[26]。嗜碱菌主要分布于碳酸盐湖、碳酸盐荒漠等极端碱性生境，如肯尼亚的玛格达湖、美国的苏打湖等，pH值高达10.5～11.0。嗜碱菌的耐碱机制主要包括维持细胞内的pH值稳态、能量代谢相关蛋白和质子转运蛋白的适应性等。例如Alkalimonas amylolytica在不同pH值环境中生长时的膜蛋白质组和胞浆蛋白质组呈现差异表达以应对环境的刺激[27]。Bacillus pseudofirmusOF4的ATP合酶具有嗜碱特异性，从而创造胞内质子环境，克服了在碱性环境中非嗜碱微生物存在的ATP合成热力学障碍[28]等。

嗜碱微生物在造纸、洗涤酶和环糊精生产、化妆品、食品以及碱性废水处理等方面具有广泛的应用。在纺织工业中，传统的脱胶工艺使用高浓度的氢氧化钠，且伴随沸腾、洗涤和中和步骤，成本昂贵、耗时且导致环境污染，来源于的Bacillussp.MGcp-2碱性活性果胶酶已被成功地应用于亚麻、苎麻、黄麻和大麻纤维的脱胶工艺[29]。Bacillussp.Ⅲ-3产生的中性内切葡聚糖酶和碱性内切葡聚糖酶，可在洗涤剂或纺织品等工业中应用，与传统工业用酶菌株相比，其可在高碱性条件下培养，具有可有效抑制杂菌污染，有利于大规模的发酵生产的特点[30]。在纸张的回收过程中，Fusariumsp.中的内切葡聚糖酶具有脱墨作用，能将调色剂颗粒从印刷纸上去除[31]。Isoptericola jiangsuensis和Nocardioidessp.可产生耐碱甲壳素，可用于土壤的改良，从而抑制植物病原体或寄生虫的生长。腈类物质通常用于合成一些重要的有机化合物或制造橡胶和强力胶，但腈类不易降解且会对环境也有不利影响，Nitriliruptor alkaliphilusANL-iso2T中存在腈降解的腈水合酶/酰胺酶途径，可将异丁腈代谢为异丁酰胺、异丁酸盐和氨。嗜碱菌还具有生物风化的作用，使得一些营养元素通过风或水带入农田或田地，如风化细菌Arthrobacter nanjingensisA33T和Isoptericola nanjingensisH17T等。

5 嗜盐微生物及其应用

能在盐湖、死海等高盐环境中生存繁殖的微生物称为嗜盐微生物。根据嗜盐微生物对盐浓度的适应性和需要性，可将它们分为极端嗜盐菌（2.5～5.2 mol/L NaCl)、中等嗜盐菌（0.5～2.5 mol/L NaCl）和轻度嗜盐菌（0.2～0.5 mol/L NaCl)[32]，如盐杆菌（Halobacterium）、盐球菌（Halococcus）和盐脱氮副球菌（Paracoccus denitrificans）等。对于嗜盐菌能在高盐环境中生存和嗜盐机制包括：K+/Na+反转运蛋白使胞内外等渗而不脱水[33]、视紫红质的H+泵作用介导ATP合成以及合成相容性溶质以维持渗透平衡[34]等。例如嗜盐芽孢杆菌（Halobacillus halophilus）合成不同的相容性溶质以应对不同盐浓度的环境胁迫[35]；Halomonas elongata中的K+转运蛋白使得胞内积累高浓度的K+，因而可以排斥环境中的高浓度Na+进入，维持胞内环境的稳态[36]；Euhalothecesp.Z-M001编码胞外多糖生物合成酶和可溶性胡萝卜素结合蛋白的基因的转录水平随盐浓度而变化，从而达到其免受渗透/盐胁迫的目的[37]。

嗜盐微生物的应用主要包括发酵食品、耐盐酶催化相关反应、处理含盐废水以及产生独特的活性化合物等。嗜盐菌中的酶在一些传统的咸味发酵食品中发挥了作用，如Halobacteriumsp.SP1(1)的蛋白酶被用于鱼露的生产，Halalkalicoccus jeotgali.sp.nov.在韩国传统发酵海鲜虾中被分离得到[38]。胡萝卜素作为一种必需营养素，在天然食用色素、化妆品添加剂和保健食品市场上有很高的需求，杜氏藻（Dunaliella）用于生产胡萝卜素也是嗜盐微生物技术的成功案例之一[39]。许多嗜盐菌在胞内积累有机化合物，以保证在其高盐环境中的渗透平衡，如最早在嗜盐碱光合硫细菌Ectothiorhodospira halochloris中发现的渗透溶质四氢嘧啶，可以保护许多不稳定的酶和核酸免受高盐、高温、干燥和冷冻的影响，从而延长酶制剂的保质期和活性[40]。Halobacterium salinarum的光驱动质子泵视紫红质被作为一种光学材料，在太阳能电池、存储器、存储设备、生物传感器及光学微腔等中发挥着重要的作用[41]。嗜盐菌生产的酶，如DNA酶、脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶和明胶酶等水解酶，不仅耐盐、耐高温和耐有机溶剂，而且在生物燃料方面也有潜在的应用[42]。

6 总结和展望

在极端温度、极端pH值及高盐等极端环境下生存的微生物，代表了生命适应环境的多样性及其可能的范围，同时也展现了微生物面对极端环境条件胁迫时的鲁棒性。极端微生物在苛刻的环境中“安然无恙”的原因总结起来有以下几点：其一，通过调整细胞壁或细胞膜的结构或功能来维持细胞在极端环境下的内稳态，如嗜碱菌细胞壁中含有的大量带负电的酸性小分子可以用来中和细胞表面的H+；其二，通过调整细胞内蛋白质和核酸等大分子的活性或稳定性来保证新陈代谢的正常运行，如嗜热菌中DNA和tRNA中G和C两种碱基的含量都很高；其三，合成一些特殊物质来帮助自己应对环境的胁迫，如嗜冷微生物会在体内合成甘氨酸、甜菜碱、蔗糖和海藻糖等“冷冻保护剂”；其四，通过快速响应细胞内部损伤来快速启动DNA修复机制，如嗜热菌通过DNA修复体系进行修复高温所造成的基因组DNA损伤。

基于极端微生物在应对环境时演化出来的独特的适应性，其特殊的基因与产物在生物燃料、化工、食品、化妆品、环境保护、医药等各个领域得到了广泛的应用。第一，极端微生物内特有的酶因其优良的性能被应用于各个行业，如嗜热菌产生的Taq-DNA聚合酶因耐高温被应用于PCR技术，嗜碱细菌产生的蛋白酶由于具有碱性条件下催化活力高、热稳定性强的优点而作为洗涤剂的添加剂，嗜极微生物的酶对环境污染具有修复作用等。第二，利用极端微生物作为平台菌株生产目标化学品，如乙醇和氢气等生物燃料，为人类面临的能源问题提供了可选择的途径。第三，极端微生物的许多次级代谢产物，在工农业和医药领域具有广泛的应用前景，如嗜盐菌合成的聚羟基脂肪酸酯，具有耐水、生物可降解性及生物相容性等特点，因而可作为人体植入材料和药物缓释载体等。极端微生物特殊的基因与产物具有巨大的应用价值，为生命技术的研究注入了新鲜的血液，为工业、农业、人类健康的发展等提供了新的途径。

对极端微生物的研究对于人类认识自然和利用自然至关重要。一方面，极端微生物为阐明生命的起源、进化提供了理论基础，另一方面，极端微生物资源的开发和利用有利于提高人类生存质量。目前对于极端微生物的研究虽然已取得了很大的进展，但仍然面临着诸多挑战，如新型极端微生物的发现、采集、培养、遗传操作系统的建立、活性物质的生物合成途径等都是亟须解决的问题。因此，未来还需要更多的基础研究，并结合系统生物学、合成生物学、代谢工程学等技术方法，基于极端微生物的环境适应机制，设计开发能够进行工业化生产的极端微生物和衍生产品，从而推动生物修复、生物能源、工业制药、天体生物学等技术的革新。