极端环境中的微生物

     在自然界中，存在着一些可在绝大多数微生物所不能生长的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射强度等极端环境下生活的微生物，例如嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌或耐辐射菌等，它们被称为极端环境微生物或简称极端微生物。

    微生物对极端环境的适应，是自然选择的结果，是生物进化过程的动因之一。了解极端环境下微生物的物种、遗传特性及适应机制，不仅可为生物进化、微生物分类积累资料，提供新的线索，还可直接利用它的特殊基因、特殊机能，培育更有用的新种。因此，研究极端环境中的微生物，在理论上和实践一都且重要的意义。

1．嗜热菌(thermophiles)

    嗜热菌广泛分布在草堆、厩肥、温泉、煤堆、火山地、地热区土壤及海底火山附近等处。在湿热草堆和厩肥中生活着好热的放线菌和芽孢杆菌，它们的生长温度在45—65℃，有时甚至可使草堆自燃。一些人为的高温环境，如工厂的热水装置和人造热源等处也是嗜热微生物生长的良好环境。

    嗜热菌的代谢快、酶促反应温度高和增代时间短等特点是中温菌所不及的，在发酵工业、城市和农业废物处理等方面均具有特殊的作用。但嗜热菌的良好抗热性也造成了食品保存上的困难。

    近年来，由于把嗜热菌的耐热DNA多聚酶“Taq”用于多聚酶链式反应（PCR）中，使该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。PCR是一种DNA分子的体外扩增技术，在1985年由美国Cetus公司人类遗传学实验室的学者所发明。它可使目的DNA分子在体外快速扩增。在正常机体内，DNA的合成必须有一个DNA多聚酶、一个现存的单链DNA模板、一个小片段的RNA引物和若干种合成底物等条件下。在体外，如能满足这些条件，也可实验现DNA的扩增。正常的DNA分子是双链的，它必须在高温下才能解开，而高温又会DNA多聚酶失活。因此，在双链DNA分子解开、复制、再解开、再复制的扩增过程中，必须不断添加DNA多聚酶。1988年后，由于使用了耐热的“Taq”，才使PCR的专一性、收得率、灵敏度、DNA片段长度、复制的忠实、操作简便性和自动化程度有了明显的提高。例如，使用自动化仪器可使48个样品在4小时内同时扩增106 倍。PCR已广泛应用于各种遗传病、病毒病的诊断，胎儿性别的鉴定，司法工作以及人类学和动物学等的研究工作中。在基本理论研究中，PCR也有广泛的应用，例如核苷酸的分析，以及染色畸变和基因突变的研究等。

2．嗜冷菌

    嗜冷菌分布在南北极地区、冰窖、高山、深海和土壤等的低温环境中。嗜冷菌可分为专性和兼性两种，专性嗜冷菌对20℃以下的低温环境有适应性，20℃以上即死亡，如分布在海洋深处、南北极及冰窖中的微生物；兼性嗜冷微生物易从不稳定的低温环境中分离到，其生长的温度范围较宽，最高生长温度甚至可达30℃。嗜冷菌是导致低温保藏食品腐败的根源。

3．嗜酸菌

    大多数微生物生长在pH4.0—9.0的范围内，最适生长pH接近中性。嗜酸菌分布在酸性矿水、酸性热泉和酸性土壤等处，极端嗜酸菌能生长在pH3以下。如氧化硫硫杆菌的生长pH范围为0．9—4．5，最适pH为2.5，在pH0.5下仍能存活，能氧化硫产生硫酸。(浓度可高达5％一10％)。氧化亚铁硫杆菌，为专性自养嗜酸杆菌，能将

还原态的硫化物和金属硫化物氧化产生硫酸，还能把亚铁氧化成高铁，并从中获得能量。这种菌已被广泛用于铜等金属的细菌沥滤中。

4．嗜碱菌

在碱性和中性环境中均可分离到嗜碱菌，专性嗜碱菌可在pHll一pHl2的条件下生长，而在中性条件下却不能生长，如巴氏芽孢杆菌在pHll时生长良好，最适pH为9.2，而低于pH 9时生长困难。

5．嗜盐菌(halophiles)

    嗜盐菌通常分布在晒盐场、腌制海产品、盐湖和著名的死海等处。如盐生盐杆菌和红皮盐杆菌等。其生长的最适盐浓度高达15％一20％，甚至还能生长在32％的饱和盐水中。嗜盐菌是一种古细菌，它的紫膜具有质子泵和排盐的作用，目前正设法利用这种机制来制造生物能电池和海水淡化装置。

6．嗜压菌(barophiles)

    嗜压菌仅分布在深海底部和深油井等少数地方。嗜压菌与耐压菌不同，它们必须生活在高静水压环境中，而不能在常压下生长。例如，从深海底部压力为l01.325MPa处，分离到一种嗜压的假单胞菌；据报道，有些嗜压菌甚至可在141．855MPa的压力下正常生长。由于研究嗜压菌需要特殊的加压设备，特别是不经减压作用，将大洋底部的水样或淤泥转移到高压容器内是非常困难的，于是使得对嗜压菌的研究工作受到一定限制，有关嗜压菌和耐压菌的耐压机制目前还不清楚。

7.抗辐射的微生物

  与上述不同的是，抗辐射微生物对辐射仅有抗性或耐受性，而不是“嗜好”。与微生物有关的辐射有可见光、紫外线、x射线和Y射线，其中生物接触最多、最频繁的是太阳光中的紫外线。 生物如果没有对紫外线损伤的防御机制，也许地表就是生物难以生存的极端环境，。然而生物具多种防御机制，或能使它免受放射线的损伤，或能在损伤后加以修复。抗辐射的微生物就是这类防御机制很发达的生物，把它们分离培养，可作为生物抗辐射机制研究的极好材料。．学全面深入的发展。

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