嗜盐古细菌的耐盐机制及其应用价值研究进展*

崔云虹 宋青山

河套学院 内蒙古 巴彦淖尔 015000

引言

嗜盐类微生物（Halophiles）是横跨古生菌、细菌和真核三界物种的嗜盐类物种。嗜盐类细菌有轻度、中度和极端嗜盐菌三种[1]。嗜盐古细菌是嗜盐菌中目前研究最为广泛的一类菌。该类菌不仅在极端盐环境以及高温条件下生存，其代谢产物具有各种生物活性，被广泛研究和应用到各种生物技术相关领域中[2]。目前针对各种嗜盐古细菌的生理、代谢、生物应用等已有大量的研究，由于其物种架构和代谢过程复杂、培养条件苛刻等原因，目前对嗜盐古细菌系统化的生理以及代谢方面的解析依旧面临一定的困难，并且需要更加细致和深入的研究。本文主要围绕目前已知的嗜盐古细菌，较全面地探讨适应极端盐环境的原因、生物活性分子的类型以及其在生物技术领域中的相关应用、可能参与的代谢途径。

1 嗜盐古细菌的介绍

嗜盐古细菌是一类主要生活在高盐浓度环境中的古细菌。该类菌主要发现于广古菌门（Euryarchaeota）中[3]。盐杆菌纲是广古菌门中最大的系统发育类，由于其生长所需的极端盐度，已成为嗜盐适应研究的经典模型。这些菌绝大多数属于需氧生物，并生长于3-5 M NaCl浓度之间。嗜盐古细菌主要通过自身细胞质中大量的K+和Cl-来平衡此极端环境。

大多数嗜盐古细菌形状呈多样化，细胞膜中含有异戊二烯衍生物色素[4]，DNA中鸟嘌呤和胞嘧啶含量高，使其能够在含有高浓度阳离子的细胞质中共同稳定存在。嗜盐古细菌都含有多倍体基因组，为其在生态和进化上提供了很大的便利[5]。

嗜盐古细菌可以进行有氧和无氧呼吸，绝大多数嗜盐菌属于兼性好氧类菌。所有嗜盐菌属都可以利用氨基酸或有机酸作为碳源，还可以利用糖、甘油等碳源。某些种类的嗜盐古细菌还能够通过精氨酸的发酵在厌氧环境中生长。

2 嗜盐古细菌对环境的适应

嗜盐古细菌能够生活在极性盐环境中的原因是它们能够在高盐条件维持渗透平衡。此类菌通过在细胞内积累大量的无机离子来平衡外周高盐浓度环境。主要是通过Cl-子泵将Cl-由环境运输至嗜盐菌的细胞质中。一些嗜盐菌如Haloarcula marismortui、H.salinarum、H.morrhuae主要依赖细胞内的K+浓度来维持细胞膜表面渗透平衡[6]。一些嗜盐古细菌应对高盐浓度的机制是在细胞内积累氨基酸、糖和多元醇有机分子。在嗜盐古细菌中已发现甘油、糖基甘油、甜菜碱、脯氨酸等携带负电荷的渗透物质。此外，蔗糖和海藻糖是稳定微生物膜至关重要的渗透剂。

3 嗜盐古细菌生物活性分子在生物技术中的应用

嗜盐古细菌能够产生各种具有活性并且耐高盐高温的生物分子，因此在生物技术和工业应用方面具有非常大的应用潜力。

3.1 嗜盐古细菌蛋白酶

嗜盐古细菌的分离物中具有嗜盐和耐热的酶，它们在盐类和洗涤行业都具有潜在应用价值。嗜盐古细菌表面的胞外蛋白酶，其表面携带有大量带负电荷的氨基酸，在嗜盐菌表面能够与大量的水和盐结合，形成一层由水构成的薄层结构，可以有效防止嗜盐古细菌之间的相互碰撞，避免凝集。因此，这些高盐环境下得到的脱水蛋白酶在水、有机以及非水介质中能够表现良好的活性作用，常被用来合成各种工业用肽。嗜盐古细菌还因其能够产生耐热淀粉酶、脂肪酶和酯酶而受到广泛的关注。来源于Haloferax sp. HA10的耐热淀粉酶A在高温高盐下具有一定的活性，因此被频繁使用于工业领域。另外，脂肪酶和酯酶因具有底物特异性和高稳定性，主要用于生物燃料生产、纺织工业、废水处理及作为洗涤剂的添加剂。来源于H.cutirubrum,H.halobium和H.salinarum的限制性内切酶是目前在生物学中重要的工具酶。

3.2 膜蛋白

细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin, BR）是一种能够与视网膜色素团结合的完整膜蛋白。BR最早发现与H.salinarum产生的紫色膜斑块[1]。BR的六边形晶格结构具有耐化学、热和光化学降解的特点，因此使其在高温、强光强、离子强度高的生物材料中具有潜在的应用前景。BR甚至在光学领域也具有很大的潜力。BR也被认为是光电和生物传感器的优秀候选者。此外，BR在基因治疗、海水淡化和人工视网膜等方面也有应用。基于这些原因，BR是嗜盐古细菌中最受欢迎的嗜盐菌产物。

3.3 生物可降解聚合物和胞外多糖

嗜盐古细菌体内存储有大量的聚羟基脂肪酸酯（PHAs）和胞外多糖（EPS）。PHA性质类似于聚丙烯，可作为合成塑料的替代品。此外，PHAs的生物可降解性、热塑性和生物相容性使其适合在医药、农业和食品工业中应用。EPS在胶凝剂、乳化剂、微生物采收率等方面有广泛的应用，还可以应用于化妆品、医药和生物医学等传统植物源聚合物无法满足纯度和特异性的领域。Haloferax、Haloarcula、Halococcus、Natronococcus和Halobacterium都可以产生大量的可用于商业开发的EPS。H.mediterrane也能够产生大量的PHAs，并且也能够生产阴离子性的EPS。

3.4 生物修复

嗜盐古细菌的一大特色应用就是可以用来治理工业污水。在含盐高达10% (w/v)的工业废水中添加H.salinarum可以有效地促进含盐废物的降解。嗜盐古细菌H.denitrificans和H.mediterranei具有较好的反硝化作用，因此被用作生物反应器来移除含盐类污水中的硝酸盐和亚硝酸盐。

3.5 食品发酵

由于嗜盐古细菌是在高盐条件下生存的卓越微生物，因此也可以被应用于制备鱼露、面糊和腌菜等含盐发酵食品中。嗜盐古细菌产生的胞外蛋白酶可以有效加快发酵过程，以及提高产品的质量，从而降低产品价格。

3.6 药物递送

嗜盐古细菌自身产生的气泡主要用于浮悬和在高盐环境下生存，降低溶解氧浓度。气体囊泡不仅为好氧嗜盐菌细胞提供O2，也正在成为新的生物技术应用、抗原显示和疫苗提供的潜在候选人。古细菌的细胞膜脂磷脂酶、胆盐、血清、氧化应激、高温和高pH值具有高稳定性，也可作为疫苗的潜在载体。嗜盐菌脂质制成的古菌体在小鼠体内作为疫苗/药物传递系统是安全无毒的。经鼻给药古菌极性脂已引起阳性免疫反应，无毒性，证明其有效使用疫苗。

3.7 纳米生物技术

嗜盐古细菌膜结构中的S层蛋白能够在适当的表面或悬浮液上自组装成单分子层，可以作为适用于纳米生物技术的基石，合成各种生物学分子。据报道由Halococcus salifodinaeBK6胞内合成的稳定银纳米颗粒（Stable Nano Particles, SNPs）对G+菌和G-菌均具有抗菌活性。该分离物对硝酸银具有耐受性。

4 嗜盐古细菌代谢的研究进展

有关嗜盐古细菌的代谢多样性目前在基因组水平上尚未有全面且深入的研究。在已经报道的嗜盐古细菌基因组中，发现有许多代谢反应的酶基因缺失的现象，说明嗜盐古细菌具有独特的代谢途径。然而，随着古生菌中新非同源酶的发现，这些通路缺口中的许多内容已被阐明。古菌还利用新的酶和前体来形成戊糖和合成芳香族氨基酸，绕过传统戊糖-磷酸途径的酶。对四种嗜盐古细菌（H.salinarum、H.marismortui、N.pharaonis、H.walsbyi）的基因组序列、代谢途径进行比较分析发现，它们有相似的有关于核苷酸生物合成和萜类为主脂类的代谢途径。H.marismortui、H.walsbyi和N.pharaonis都具有合成蛋白原氨基酸的生物途径，而H.salinarum缺失了能够合成5种基本氨基酸的生物合成能力。有关叶酸依赖蛋白酶代谢途径也发现有几处异同，可能是由于叶酸代谢的基因组不同。另外，H.marismortui具有多功能的糖和氮代谢，H.walsbyi编码一个独特的糖磷酸转移酶系统以及H.salinarum具有可变能量代谢的特点。它们的质粒具有精氨酸脱氨酶和细胞色素d氧化酶基因簇和甘油脱氢酶基因。N.pharaonis则不能分解代谢甘油和糖，而能编码一种古细菌型核酮糖二磷酸缩化酶，它可能与一种新的CO2固定途径有关。为了适应高盐环境，嗜盐古细菌可能通过代谢的增加或损失途径、质粒编码酶的获得以及分泌酶的利用等途径进行代谢。而嗜盐古细菌的生物基因组通常编码细菌型酶，而不是非同源古细菌变体。在甲羟戊酸途径中，IPP异构酶和二磷酸戊酸脱羧酶的存在，可能和嗜盐菌对异戊二烯的高需求有关。

5 结束语

近年来，有关嗜盐古细菌的研究主要集中在其在盐胁迫下维持渗透平衡的具体适应性和分子机制上。有很多研究对调查其多样性和系统发育关系很感兴趣，那是因为绝大多数嗜盐菌构成了古代的进化谱系。未来的研究可能会围绕嗜盐古细菌的具体物种的代谢进行更加深入的分析和探讨，以及与嗜盐类其他界的物种之间进行生理学、分子生物学方面的比较。有关盐生古菌代谢的基因组学、蛋白质组学方面的数据汇总为未来研究更多的嗜盐菌提供了非常有价值的资源。此外，许多预测的反应和酶与在模式物种H.salinarum中进行的酶活性测试和标记研究的可用实验数据为研究其他嗜盐古细菌提供了理论依据。