第二节　极端微生物及环境适应机制

一、极端微生物的分类及环境适应机制

根据极端微生物的生存环境和生理特点可将其分为嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物和抗辐射微生物等。其中在一种以上极端环境生存的微生物成为多重嗜极微生物。部分多重嗜极微生物及其环境耐受极限见表1-2［3，4］。

（一）嗜冷微生物

1.嗜冷微生物的分类

嗜冷微生物（psychrophiles）也称低温微生物，最早由Forster于1887年在冷冻保存的鱼中发现。此后，先后出现了几种嗜冷微生物的定义和分类：

1902年，Schmidt-Nielso将能够在0℃以下生长的微生物命名为嗜冷微生物。

1962年，Ingraham和Stokes给出了更准确的定义。他们将在0℃以下、一周或两周内能够生长出肉眼可见菌落的微生物称为嗜冷微生物，并分为专性嗜冷微生物（obligate psychrophiles）和兼性嗜冷微生物（facultative psychrophiles）［5］。专性嗜冷微生物适于在20℃以下的环境中生存，高于20℃即死亡；兼性嗜冷微生物可在低温下生长，也可以在20℃以上的环境生长。

1975年，Morita等［6］将嗜冷微生物分成两大类：嗜冷微生物和耐冷微生物（psychrotrophs）。嗜冷微生物是指最适生长温度不高于15℃，最高生长温度不高于20℃，最低生长温度不高于0℃的微生物；耐冷微生物是指在0℃下能够生长繁殖，最适生长温度为20～25℃的微生物。

然而，也有学者认为温度的限定标准是主观确定的，这一标准并不适用于多数真核生物；用生长速率的标准定义最适生长温度，不能如实反映微生物的生长状态，因此不赞成Morita的标准［7，8］。目前，关于嗜冷微生物的定义尚未达成共识。

2.嗜冷微生物的多样性

寒冷环境在地球上非常普遍。覆盖地球三分之二以上的海洋深水温度大多在5℃以下；在两极地区，低温环境更是占据统治地位；除此以外，还有许多人造低温环境，如冷库等。

在已知的嗜冷微生物中，细菌是数量和种类最多的一类。目前，已从各种土壤、砂岩、湖泊和海洋中分离到大约100多种革兰阴性和阳性细菌，分别来自产碱杆菌属（Alcaligenes）、别单胞菌属（Alteromonas）、水螺菌属（Aquaspirillum）、节杆菌属（Arthobacter）、芽孢杆菌属（Bacillus）、拟杆菌属（Bacteroides）、短杆菌属（Brevibacterium）、冰冷杆菌属（Gelidibacter）、甲烷类球菌属（Methanococcoides）、产甲烷菌属（Methanogenium）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、细杆菌属（Microbacterium）、微球菌属（Micrococcus）、Moritella菌属、Octandecabacter菌属、胶鞘藻属（Phormidium）、发光杆菌属（Photobacterium）、极地杆菌属（Polaribacter）、极胞菌属（Polaromonas）、Psychroserpens 菌属、希瓦菌属（Shewanella）和弧菌属（Vibrio）［9］。Moritella菌属物种几乎均为嗜冷微生物。除细菌外，科学家已在南极土壤和湖泊中发现有放线菌、霉菌、酵母菌生存，并在冰雪、海冰中发现低温藻类［10］。

最近对南极土壤中微生物群落的研究表明（土壤温度在-0.5～3.8℃），极端寒冷环境可能存在着高密度的微生物群落。Cowan等［11］以微生物群落的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）含量为基础，推测每克土壤中含活细菌细胞的数量为3×106～2×109个。Rivkina等［12］以吸收进细胞脂质内的14C乙酸为标记，测量永久冻土中非自养微生物的生存能力。结果显示，非自养微生物群落的倍增时间在5℃时为1天，在-10℃时为20天，-20℃时仍可检测到存活的非自养微生物（推算的倍增时间为160天）。文献报道，迄今为止发现的最嗜冷微生物为Polaromonas vacuolata（一种从南极海水中分离得到的γ-变形菌门成员），其最适生长温度为4℃，最低0℃，最高12℃［13］。

3.嗜冷微生物的环境适应机制

嗜冷微生物对于低温的适应性依赖于多种存活策略。与常温菌不同，嗜冷微生物细胞膜中脂类含量较高，有助于其在低温条件下吸收环境中的营养物质［15］；其细胞膜含有较高水平的不饱和脂肪酸，并且能随温度降低而进一步升高，使细胞膜在低温条件下保持良好的流动性，这是其适应寒冷环境的重要策略［14］。嗜冷微生物中的低温酶一般具有良好的柔性，在低温条件下能快速进行构象调整以适应催化反应的需要，减少能量消耗；对底物的亲和力较强，提高对底物的利用效率。此外，嗜冷微生物（如Trichosporon pullulans、Bacillus psychrophilus、Aquaspirillum arcticum 和Arthrobacter globiformis）在环境温度突变（低温冲击）时会合成冷休克蛋白和冷驯化蛋白，作为转录增强子和RNA结合蛋白来发挥作用。

然而，即便是最嗜冷的微生物，其活性仍然依赖于细胞内存在的液态水。当细胞质冻结时，细胞可能保留其生存能力，但无法进行代谢活动。因此可通过细胞内水的凝固点确定允许嗜冷微生物生长的最低温度界限。细胞内累积某些有机和无机溶质（作为“抗凝”因子起作用），可在一定程度上降低嗜冷微生物生长的最低温度界限［3］。

（二）嗜热微生物

1.嗜热微生物的分类

根据最高生长温度可将嗜热微生物划分为三类：最高生长温度为55～60℃的微生物属于嗜热微生物（thermophile），80～85℃属于极端嗜热微生物（extremely thermophile），85℃以上属于超嗜热微生物（hyperthermophile）。所有已知的嗜热细菌均属于嗜热微生物和极端嗜热微生物，而绝大多数嗜热古菌属于超嗜热微生物［15］。

2.嗜热微生物的多样性

地球上存在多种适于嗜热微生物生存的天然热环境，这些环境多数与火山活动有关，如温泉、火山和深海热泉等。此外，嗜热微生物也可在堆肥和煤矸石堆、家用或工业热水系统及高温工业过程（如纸加工和食品加工）等环境中生存［11］。

目前已从堆肥、土壤、鸟巢材料、木屑及其他环境分离到一些嗜热真菌，分别属于接合菌（如Rhizomucor miehei，R.pusillus）、子囊菌（如Chaetomium thermophile，Thermoascus aurantiacus）和丝状菌类（如Acremonium alabamensis，A.thermophilum）。某些藻类（如Achanthes exigua，Mougeotia sp.）和原生动物（如Cothuria sp.Oxytricha falla）也能在高温下生长［16］。

Kashefi等［21］报道从摩斯拉深海热泉（北太平洋）水样中分离到一种称为Strain 121的嗜热古菌，其可将Fe3+还原到Fe2+，在85～121℃温度下维持生长。以黄石国家公园和其他热环境放大的16SrRNA基因序列为基础的分子生态学研究表明，在高温环境下嗜热微生物的真实多样性远高于培养物种的多样性。这些环境中生存着至今未被培养出来的微生物，根据微生物分类学，它们属于新的科、目、纲，甚至界［17，18］。

3.嗜热微生物的环境适应机制

脂质、核酸和蛋白质等生物大分子本身不具备热稳定性，因此对于嗜热微生物而言，任何单一的保护机制均无法使其适应高温环境。嗜热微生物的环境适应机制包括以下几种：

（1）嗜热微生物的膜脂质含有更多的饱和脂肪酸及直链脂肪酸，使得嗜热微生物细胞膜具有更高的流动性。

（2）许多古菌拥有带蛋白质或糖蛋白的类结晶表面层（S层），能发挥外部保护屏障的作用。

（3）在某些极端嗜热菌中已发现了与DNA结合的组蛋白样蛋白质，能够保护DNA。

（4）极端嗜热菌含有一种反向促旋酶（一种Ⅰ型DNA拓扑异构酶），能引起DNA正超螺旋并稳定DNA。

（5）热休克蛋白可通过自身的变性在蛋白质稳定和再折叠中发挥作用。

（6）嗜热菌中的蛋白质也有一些特点，如疏水核心中结构级别较高，氢键和盐桥数量增加以及嗜热氨基酸（如自由度较少的脯氨酸残基）的比例较高。有报道称热稳定性高的蛋白质中精氨酸含量较高而丝氨酸含量较低。

（7）相容性溶质（如多胺类化合物）、细胞内K+以及某些细胞内溶质（如2，3-二磷酸甘油酸）累积可能有助于维持蛋白质稳定［19］。

（三）嗜酸微生物

1.嗜酸微生物的定义及生存环境

通常将最适生长pH低于3的微生物称为嗜酸菌（acidophiles）。它们广泛分布于各种酸性环境中，如含硫热泉、泥温泉等。这些环境通常与火山活动有关。另一种类型的酸性环境由微生物活动引起，化能自养菌可将环境中硫化物、硫元素和其他还原态硫化合物氧化生成硫酸，使周围介质酸化，此类微生物最佳生长pH范围大多较低；当富硫矿石露出表面时，化能自养菌对黄铁矿的氧化常导致形成高度酸化并载有Fe3+的废水［3］。

嗜酸氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans）在高于4～6的pH范围内不能生长，在低至pH 0.5时仍可生长［19］。古菌Picrophilus的最适生长pH为0.5，是目前已知最嗜酸的微生物，在pH 4以上会出现细胞溶解，且具嗜热特性（最适生长温度60℃）［20］。真核生物Dunaliella acidophila是从高度酸性水和土壤中分离到的一种单细胞绿藻，是已知的最嗜酸生物之一，在pH 0～3范围内可以生长，最适生长pH为1［21］；另一种极端嗜酸且具嗜热特性的藻类是Cyanidium caldarium（Rhodophyta，红藻门），最适生长pH为2～3，最低适生长pH 为0.2，最适生长温度57℃［22，23］。

2.嗜酸微生物的环境适应机制

研究已证实，尽管嗜酸菌的生长介质是酸性，但其细胞内pH近于中性，细胞的酶和代谢过程通常与中性细菌相同。

嗜酸微生物适应外部酸性环境的机制一般有“屏蔽说”、“泵说”和“道南平衡说”3种解释。其中“屏蔽说”占主导地位。该理论认为，细胞质膜是两种环境的渗透屏蔽物，使外部H+和OH-不能进入细胞内进而维持胞内pH近中性。

（四）嗜碱微生物

1.嗜碱微生物的分类

一般将最适生长pH高于9的微生物称为嗜碱微生物（alkaliphiles），其可耐受pH可高达10～12。中性条件或以下不能生长的嗜碱微生物称为专性嗜碱微生物（obligate alkaliphiles）；在pH中性或以下可以生长的嗜碱微生物称为兼性嗜碱菌（facultative alkaliphiles）。在高pH条件下能生长，但最适值不在碱性pH范围内的微生物称为耐碱微生物（alkalitolerant microorganism）［24］。

2.嗜碱微生物的多样性

嗜碱微生物在自然界分布广泛，生存的自然环境包括热泉、南极、碳酸盐湖及碳酸盐荒漠、极端碱性湖等；人为碱性环境有石灰水、碱性污水等［20］。古菌、细菌和真菌均存在嗜碱微生物。

3.嗜碱微生物的环境适应机制

嗜碱微生物能够维持细胞质pH在中性和弱碱性范围内。Na+-H+反向运输是嗜碱菌细胞质碱化的基本原因。嗜碱微生物通过Na+—H+反向运输将Na+向周围介质排出，并将H+运输至胞内。除了调控H+运输外，细胞还需重新吸收Na+。Na+偶合的同向转运和Na+驱动的鞭毛旋转可维持Na+平衡［25］。目前已从嗜碱菌Bacillus15 C中得到嗜碱微生物Na+—H+反向运输相关基因。除Na+—H+反向运输外，细胞外被作为胞内中性环境与胞外碱性环境的分隔，也是嗜碱微生物适应环境的原因之一。

（五）嗜盐微生物

1.嗜盐微生物的定义及分类

嗜盐微生物（halophiles）是指生长最适盐浓度大于0.2mol/L（氯化物）的微生物。根据其生长的最适盐度，可将微生物分为以下6类（表1-3）：

2.嗜盐微生物的多样性

嗜盐微生物通常生存于盐湖、盐碱地、海水、晒盐池和盐渍食物等高盐环境中。目前从高盐环境中分离到杜氏盐藻、皮盐杆菌、盐沼盐杆菌、鳕盐球菌等。高盐海水及湖水具有粉色、红紫色即与有色嗜盐微生物（如杜氏盐藻）有关。

3.嗜盐微生物的环境适应机制

对于嗜盐微生物的环境适应机制，目前认为主要存在两种机制。

某些微生物（如Halobacteriales和Salinibacter）通过在细胞质内累积高浓度渗透调节剂（主要是KCl）维持渗透平衡，这种机制称为“内盐策略（the salt-in-cytopim strategy）”；多数极端嗜盐微生物包括古菌、细菌采用此种机制。利用内盐机制的微生物，细胞内蛋白质通常含有大量酸性氨基酸，有利于蛋白质形成水合外层，维持正常的构型和功能，且这些微生物的蛋白质通常需要内盐才具备活性和稳定性。

另外一些微生物（如杜氏藻属和其他真核生物）则通过累积相容性溶质维持渗透平衡，这种机制称为“相容性溶质策略（compatible solutes strategy）”。这种情况下，细胞内大分子等活性物质不需要特殊适应机制［26］。

（六）嗜压微生物

1.嗜压微生物的分类

从深海中分离到的微生物通常无法在正常大气压下生存，需要加压环境维持生长，这些微生物被称作嗜压微生物（barophiles）。最适生长压力为正常压力，但能耐受高压的微生物称为耐压微生物。大部分嗜盐微生物和耐压微生物属于γ-变形菌纲［25］。

嗜压微生物必须生活在高静水压条件下，仅分布在深海底部和深油井等少数环境。目前已从深海底部压强108Pa处分离到嗜压菌Pseudomonas bathycetes；从油井深部约4×107Pa处分离到耐压的硫酸盐还原菌；在太平洋水深4000m处，已发现有4种酵母菌；在6000m深海中，已发现Micrococcus（微球菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）、Vibrio（弧菌属）和Spirillum（螺菌属）等细菌。

2.嗜压微生物的环境适应机制

嗜压微生物的耐压机制目前尚不清楚，部分学者认为其与微生物在高压下所产生的高分子量外壁蛋白有关；也有学者认为，海底微生物的孢子是嗜压微生物生存的基础。目前已进行了压力对细胞膜、蛋白质和基因表达影响的相关研究，结果表明，在高压环境中，嗜压微生物膜内单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的相对量会增加。不饱和度增加使膜更具流动性，可抵消高压导致的黏性增加；中度嗜压菌希瓦菌（Shewanella sp.）拥有压力调节操纵子，能在不同压力下产生不同的DNA结合蛋白［27］；光细菌SS9在不同压力下可表达两种外膜蛋白质（孔蛋白）［28］。这些细胞质膜蛋白被认为是受膜流动性控制的压力传感器。

由于实验室中嗜压菌培养的方法学问题，目前对微生物耐压、嗜压分子机制的了解远落后于对其他应激机制的了解。

（七）抗辐射微生物

1.抗辐射微生物的定义及多样性

某些微生物可以耐受极高水平的伽马射线辐射，因此成为抗辐射微生物（radiation-resistant microorganisms）。抗辐射奇异球菌（Deinococcus radiodurans）接触＞25kGy（2.5Mrad）的伽马辐射后仍能保持生存能力，而人类的伽马辐射致死剂量是5Gy［3］；红色杆菌属（Rubrobacter）也能够在高水平伽马辐射中存活［29～31］；细菌域中一些其他种属也显示出较低的抗辐射能力，包括不动杆菌属（Acinetobacte）［32］、拟色球藻属（Chroococcidiopsis）［33］、薄层菌属（Hymenobacter）［34］、动球菌属（Kineococcus）［35］、库克菌属（Kocuria）［36］和甲基杆菌属（Methylobacterium）［37］的一些物种。此外，一些古菌物种也具备抗辐射能力，包括强烈火球菌（Pyrococcus furiosus）［38］、Pyrococcus abyssi［39］、Thermococcus gam matolerans［40］、Thermococcus marinus［41］和 Thermococcus radiotolerans［42］。

地球上的自然放射源的辐射水平非常低，但这些原核生物却能抵抗高剂量辐射，其原因尚不清楚。部分研究表明，抗辐射微生物的DNA修复能力可能是对长期干燥环境的适应性响应，而非对离子辐射的适应性结果［42］。环境证据也支持这种观点，大部分抗辐射细菌均发现于干土环境，仅从一个荒漠土壤样本中就已分离到9种奇异球菌属（Deinococcus）抗辐射新物种［43］。

2.抗辐射微生物的环境适应机制

抗辐射微生物自身保护机制之一是通过色素方式屏蔽辐射。暴露在高水平光照下的微生物一般含有类胡萝卜素和其他吸收波长在400～500nm范围的色素［44］以及可以吸收UV的色素。蓝藻细菌在细胞外鞘内累积吸收UV的化合物伪枝藻素（scytonemin）可有效过滤辐射；另一种在蓝藻细菌中广泛分布的UV保护性化合物为类菌胞素氨基酸（mycosporine-like amino acids）。这些 UV吸收性物质大多溶解在细胞质中［45］。

抗辐射微生物最重要的抗辐射机制是DNA修复机制。奇异球菌属拥有一套独特的DNA修复系统，能利用原核生物中都含有的正常DNA修复酶快速修复损伤DNA，并可采用多重染色体进行同源重组［46］。最近已在奇异球菌属中发现另一特殊的DNA修复途径，可促进DNA单链及双链的断裂修复［47］。奇异球菌属这种特殊DNA修复模式也存在于芽孢杆菌属的休眠内孢子中，后者也可抵抗极度干燥环境，这从另一方面对抗辐射和抗干燥之间的关联性提供了支持［48］。

（八）其他极端微生物

寡营养细菌是一种能在每升含0.2～16.8mg溶解有机碳的介质中生长的微生物。在自然生态系统下，寡营养细菌和富营养细菌共存，其比例取决于特定微生物在特定环境中占据优势的能力。寡营养细菌个体微小（细胞体积0.02～0.12μm3），俗称超微细菌（ultramicrobacteria，UMB），通常生存于低营养的海水、淡水及土壤中，其环境适应机制因种属而异。寡营养细菌特别是海水中的寡营养细菌在低营养环境下呈球形，以增加表面面积与体积的比例，提高营养吸收能力。在此状态下，寡营养细菌往往停止生长，但仍保持存活。寡营养细菌具有极强的从大气中摄取营养物质的能力。氢气、氮气、一氧化碳等气体在任何环境中都微量存在，因此可能被寡营养细菌作为营养储备。

产甲烷古菌通常被认为是极端微生物，在多种盐度范围、低温及高温环境下已分离到产甲烷古菌，如从南极分离得到了Methanococcoides burtonii和Methanogenium frigidum，从热泉分离得到了Methanopyrus kandleri、Methanococcus jannaschii和Methanotorris igneus，从锡瓦什湖分离得到了Methanohalobium evestigatum。

耐毒素菌（可耐受有机溶剂、烃类和重金属）、嗜旱、耐旱菌（可在极低水活度下存活，如真菌Xeromyces bisporus和生存在岩石中的石内微生物）也属于极端微生物。Inoue等［49］从日本土壤中分离到耐甲苯的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）IH-2000；Later等［50］和 Nakajima等［51］也分离得到几种耐甲苯的微生物；Sardesai等［52］从果阿邦曼多维河口沉积物和水样中分离到可耐受多种有机溶剂的Bacillus sp.SB1。这种菌株可在浓度为2%的正丁醇中生长，但在3%浓度下生长严重减缓。

革兰阴性菌通常比革兰阳性菌对有机溶剂耐受性更强。假单胞菌（P.putida、P.chlorophilus和P.syringe）对有机溶剂耐受性较高，可能与其细胞表面特性有关［53］。脂蛋白含量增加可能从物理上增强外部膜结构，有助于提高有机溶剂耐受。

二、极端微生物的产业应用

极端微生物具有独特的生理特征和适应机制，存在巨大的生物技术应用潜力，是非常重要的生物资源。20世纪90年代以来，极端微生物及其相关产物的应用价值逐渐引起人们的广泛关注，成为新的研究热点。其产业应用主要包括化学物质（主要为活性物质）的应用和极端微生物本身的产业应用。

极端酶是极端微生物产生的特殊酶类，又称嗜极菌，能够在极端温度、pH、压力和离子强度下表现出生物学活性，因此能够较好的解决工业生产所需的苛刻条件和酶稳定性之间的矛盾，在生物催化剂领域就有广阔的应用前景。目前极端酶已被应用于洗涤剂、食品工业、环境保护及有机固相酶催化合成。洗涤剂中的碱性蛋白酶即为极端酶，已占全世界洗涤剂产量的30%。从Thermococcus littoralis、Thermus aquaticus、Thermotoga maritime、Pyrococcus woesii和P.furiosus中得到的DNA聚合酶已被用于聚合酶链式反应。理想的淀粉糖化过程需要使用热稳定性酶，如无需Ca2+维持活性和稳定性的α-淀粉酶、淀粉普鲁南糖酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶，此类极端酶可在有限的pH范围内发挥有效的淀粉水解作用［54～59］。耐碱和耐热木聚糖酶在纸浆预漂白可以降低氯的用量［60～63］。

据报道，极端嗜热古生菌Thermococcus kodakaraensis KOD1的固定化耐热伴侣蛋白CpkA和CpkB对酶具有稳定化作用［64］。从嗜盐古菌中制得的myc致癌基因的真核同源基因已被用于检测癌症患者的血清，古菌同源产物比E.coli表达的重组蛋白质产生更多的阳性反应。

除蛋白质、酶类等生物大分子外，在极端微生物中发现的一些小分子物质如不饱和脂肪酸、抗生素及相容性溶质也已被应用于医药产业，作为溶剂或活性成分。其中相容性溶质也已通过转基因技术用于植物品种改良，以提高植物对水分胁迫和盐分胁迫的耐受能力。

绿藻Dunaliella bardawii被用于生产β-胡萝卜素。一种耐盐菌Marinobacter hydrocarbonoclasticus可降解多种脂肪烃和芳香烃［65］。最近，Nicholson和Fathepure［66］开发出一种高度浓缩的嗜盐培养菌，能在1～2周内降解苯、甲苯、乙苯和二甲苯。奇异球菌属的重组菌株能在放射性混合的废弃环境中降解有机污染物。表达甲苯加双氧酶的重组菌株能使高度放射（60Gy/h）环境中的甲苯、氯苯、2，3-二氯-1-丁烯和吲哚氧化。即使甲苯和三氯乙烯的水平比许多放射性废弃场所高，它们仍能维持对溶剂的耐受性，表明此类基因重组的极端微生物在被多种有机污染物并存在放射性核素及重金属污染的废弃场所中有潜在的生物修复作用［67］。极端微生物中部分生物分子的产业应用见表1-4［51］。