極端環境中的微生物

     在自然界中，存在著一些可在絕大多數微生物所不能生長的高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高壓或高輻射強度等極端環境下生活的微生物，例如嗜熱菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜堿菌、嗜鹽菌、嗜壓菌或耐輻射菌等，它們被稱為極端環境微生物或簡稱極端微生物。

    微生物對極端環境的適應，是自然選擇的結果，是生物進化過程的動因之一。了解極端環境下微生物的物種、遺傳特性及適應機製，不僅可為生物進化、微生物分類積累資料，提供新的線索，還可直接利用它的特殊基因、特殊機能，培育更有用的新種。因此，研究極端環境中的微生物，在理論上和實踐一都且重要的意義。

1．嗜熱菌(thermophiles)

    嗜熱菌廣泛分布在草堆、廄肥、溫泉、煤堆、火山地、地熱區土壤及海底火山附近等處。在濕熱草堆和廄肥中生活著好熱的放線菌和芽孢杆菌，它們的生長溫度在45—65℃，有時甚至可使草堆自燃。一些人為的高溫環境，如工廠的熱水裝置和人造熱源等處也是嗜熱微生物生長的良好環境。

    嗜熱菌的代謝快、酶促反應溫度高和增代時間短等特點是中溫菌所不及的，在發酵工業、城市和農業廢物處理等方麵均具有特殊的作用。但嗜熱菌的良好抗熱性也造成了食品保存上的困難。

    近年來，由於把嗜熱菌的耐熱DNA多聚酶“Taq”用於多聚酶鏈式反應（PCR）中，使該反應在科學研究和醫療等實際領域的應用中實現了新的飛躍。PCR是一種DNA分子的體外擴增技術，在1985年由美國Cetus公司人類遺傳學實驗室的學者所發明。它可使目的DNA分子在體外快速擴增。在正常機體內，DNA的合成必須有一個DNA多聚酶、一個現存的單鏈DNA模板、一個小片段的RNA引物和若幹種合成底物等條件下。在體外，如能滿足這些條件，也可實驗現DNA的擴增。正常的DNA分子是雙鏈的，它必須在高溫下才能解開，而高溫又會DNA多聚酶失活。因此，在雙鏈DNA分子解開、複製、再解開、再複製的擴增過程中，必須不斷添加DNA多聚酶。1988年後，由於使用了耐熱的“Taq”，才使PCR的專一性、收得率、靈敏度、DNA片段長度、複製的忠實、操作簡便性和自動化程度有了明顯的提高。例如，使用自動化儀器可使48個樣品在4小時內同時擴增106 倍。PCR已廣泛應用於各種遺傳病、病毒病的診斷，胎兒性別的鑒定，司法工作以及人類學和動物學等的研究工作中。在基本理論研究中，PCR也有廣泛的應用，例如核苷酸的分析，以及染色畸變和基因突變的研究等。

2．嗜冷菌

    嗜冷菌分布在南北極地區、冰窖、高山、深海和土壤等的低溫環境中。嗜冷菌可分為專性和兼性兩種，專性嗜冷菌對20℃以下的低溫環境有適應性，20℃以上即死亡，如分布在海洋深處、南北極及冰窖中的微生物；兼性嗜冷微生物易從不穩定的低溫環境中分離到，其生長的溫度範圍較寬，最高生長溫度甚至可達30℃。嗜冷菌是導致低溫保藏食品腐敗的根源。

3．嗜酸菌

    大多數微生物生長在pH4.0—9.0的範圍內，最適生長pH接近中性。嗜酸菌分布在酸性礦水、酸性熱泉和酸性土壤等處，極端嗜酸菌能生長在pH3以下。如氧化硫硫杆菌的生長pH範圍為0．9—4．5，最適pH為2.5，在pH0.5下仍能存活，能氧化硫產生硫酸。(濃度可高達5％一10％)。氧化亞鐵硫杆菌，為專性自養嗜酸杆菌，能將

還原態的硫化物和金屬硫化物氧化產生硫酸，還能把亞鐵氧化成高鐵，並從中獲得能量。這種菌已被廣泛用於銅等金屬的細菌瀝濾中。

4．嗜堿菌

在堿性和中性環境中均可分離到嗜堿菌，專性嗜堿菌可在pHll一pHl2的條件下生長，而在中性條件下卻不能生長，如巴氏芽孢杆菌在pHll時生長良好，最適pH為9.2，而低於pH 9時生長困難。

5．嗜鹽菌(halophiles)

    嗜鹽菌通常分布在曬鹽場、醃製海產品、鹽湖和著名的死海等處。如鹽生鹽杆菌和紅皮鹽杆菌等。其生長的最適鹽濃度高達15％一20％，甚至還能生長在32％的飽和鹽水中。嗜鹽菌是一種古細菌，它的紫膜具有質子泵和排鹽的作用，目前正設法利用這種機製來製造生物能電池和海水淡化裝置。

6．嗜壓菌(barophiles)

    嗜壓菌僅分布在深海底部和深油井等少數地方。嗜壓菌與耐壓菌不同，它們必須生活在高靜水壓環境中，而不能在常壓下生長。例如，從深海底部壓力為l01.325MPa處，分離到一種嗜壓的假單胞菌；據報道，有些嗜壓菌甚至可在141．855MPa的壓力下正常生長。由於研究嗜壓菌需要特殊的加壓設備，特別是不經減壓作用，將大洋底部的水樣或淤泥轉移到高壓容器內是非常困難的，於是使得對嗜壓菌的研究工作受到一定限製，有關嗜壓菌和耐壓菌的耐壓機製目前還不清楚。

7.抗輻射的微生物

  與上述不同的是，抗輻射微生物對輻射僅有抗性或耐受性，而不是“嗜好”。與微生物有關的輻射有可見光、紫外線、x射線和Y射線，其中生物接觸最多、最頻繁的是太陽光中的紫外線。 生物如果沒有對紫外線損傷的防禦機製，也許地表就是生物難以生存的極端環境，。然而生物具多種防禦機製，或能使它免受放射線的損傷，或能在損傷後加以修複。抗輻射的微生物就是這類防禦機製很發達的生物，把它們分離培養，可作為生物抗輻射機製研究的極好材料。．學全麵深入的發展。

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