极端环境热泉水中嗜热微生物研究进展

极端环境热泉水中嗜热微生物研究进展摘要极端微生物是地球生物圈的重要组成部分，其中的嗜热微生物（thermophilicmicroorganism）是一类最适生长温度高于45°C的微生物，嗜热酶是从嗜热微生物中分离得到的一类热稳定性酶，由于嗜热酶分子内部有很多氢键、二硫键及紧密而有韧性的空间结构的存在，所以嗜热酶在高温条件下具有很强的稳定性，高温反应活性，以及对有机溶剂、去污剂和变性剂的较强抗性，嗜热酶在许多方面都有广泛的应用。论述了嗜热微生物适应环境的机制,探讨了嗜热微生物的生物地球化学意义。关键词嗜热微生物、热泉、嗜热酶、应用前言极端环境是指环境中存在的某些特有的物理和化学条件,,适合在极端环境中生活的微生物,称之为极端微生物(extremophiles),包括嗜热菌、嗜盐菌、嗜碱菌、嗜酸菌、嗜压菌、嗜冷菌以及抗辐射、耐干燥、抗高浓度金属离子和极端厌氧的微生物【1】。嗜热微生物（thermophilicmicroorganism）它们有其自己的适应机制和特定的新陈代谢能力，具有独特的基因类型、特殊的生理机制及代谢产物，是地球上的边缘生命形式【2】。嗜热酶是从嗜热微生物中分离得到的一类热稳定性酶，具有化学催化剂无法比拟的优点，尤其是在高温条件下保持极好的稳定性，使很多高温化学反应得以实现从而将极大的促进生物技术产业的发展。近年来，人们已从嗜热微生物中分离得到多种嗜热酶。【3】今后，还应继续在嗜热酶的结构与功能、应用等方面作深入而全面的研究。本文主要对嗜热酶的研究进展及应用作一综述。1极端环境地质1.1热泉，沸泉地质沸泉、热泉大多数成群地出露在一系列的南北向断陷盆地或地堑中，在这种应力环境中大气降水下渗的浅成循环水热流体较发育,其特点是:①热泉热液的矿化度低,M≤3.5g/L;②泉水区地热增温率高,热海热田35℃/100m,羊八井热田北区ZK4002孔深1850m处已达229.8℃,显示浅部已接近水汽化点温度【4】;③热泉热液升流带普遍出现井温倒置现象,显示侧向热流和冷流体的强烈混合。【5】热泉水氢氧同位素也表明大气降水是热泉的主要来源, 并证明了热泉热液是同远山区降水在地下经长时间迁移补给而非当地雨水补给的循环热液。壳幔热结构和深部热异常也是浅成高温热液循环系统形成发育的必要条件【6】。1.2热泉水化学类型和成因以阳离子和络阴离子团的毫摩尔分数xB>25%参与命名,则表1热泉为Cl--HCO-3型(热海大滚锅、蛤蟆咀)、HCO-3-Cl--Na+型(孔雀泉)、HCO-3-Na+型(瑞滇、硝塘、热水塘、瑞孔Ⅰ和羊应Ⅱ)、CO2-3-HCO-3-Na+型(邦那掌)、HCO-3-Cl--SO2-4-Na+型(羊应Ⅴ泉)、SO2-4-Al-(硫磺塘汽泉)热泉、沸泉水的化学成因演化是据水化学三个主要阴离子组分相对含量来判断的【7】。2嗜热菌在高温水中概况2.1　概述嗜热菌是一类生活在热环境中的微生物。如火山口及周围区域、温泉、工厂高温废水排放区、堆肥等。根据对温度的不同要求,嗜热微生物可划分为三类:(1)极端嗜热菌,最适生长温度在65℃以上,而最高生长温度和最低生长温度分别超过75℃和40℃以上【8】。已发现的极端嗜热菌有20多个属,大多是古细菌,生活在火山喷口附近或其周围区域，(2)专性嗜热菌,最高生长温度超过55℃,最适生长温度在40℃以上,而在40℃以下生长很差,甚至不能生长;(3)兼嗜热菌,既能在高于55℃下生长,又可在中温范围内生长【9】。2.2耐热机制现有资料表明,绝大多数革兰氏阳性嗜热细菌的细胞壁是由N-乙酰葡萄胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1,4糖苷键连接起来的聚糖链,以及由L型与D型交替排列的氨基酸组成的短肽“尾”和肽“桥”构成的三维网状结构;典型的革兰氏阴性嗜热细菌的细胞外膜是由质膜-肽聚糖层-细胞外膜(蛋白、脂蛋白、脂多糖)构成的【10】。嗜热菌细胞膜的脂质双分子层中有很多特殊的类脂,主要是甘油脂肪酰二酯。通过调节磷脂的组分可维持细胞膜在高温下的液晶态【11】。此外,增加磷脂酰烷基链的长度、异构化支链的比率及脂肪酸饱和度都可使嗜热菌的细胞膜耐受高温【12】。3嗜热酶3.1嗜热酶的种类嗜热酶有许多种，各种酶的作用各不相同，目前已开发的嗜热酶有：1）降解淀粉类的嗜热酶：极端耐热淀粉酶、热稳定的葡萄糖糖化酶(1,4-glucanohydrolase) 、热稳定的支链淀粉酶、热稳定的环糊精糖基2）降解纤维素类物质的嗜热酶：热稳定性纤维素酶【13】；3）热稳定的木聚糖酶；4）降解几丁质的热稳定性酶：热稳定的几丁质酶；5）降解蛋白质的热稳定性酶：热稳定的蛋白酶；6）葡萄糖异构酶和木糖异构酶；7）DNA聚合酶等。3.2嗜热酶的特点嗜热酶是一类主要来源于嗜热微生物的热稳定酶,能够在高温下长时间保持活性而不变性,其特点可概括为三点：1）作用的最佳温度高嗜热酶作用最佳温度大多数在60～80℃之间【14】,但也有少数例外。2）具有良好的耐热性【15】3）具有良好的PH和热稳定性例如,由Thermoactinomycessp.E79产生的嗜热蛋白酶,在pH5.0～12.0范围内,酶活相当稳定；由Bacillussp.B18产生的嗜热蛋白酶在pH5.0～12.0范围内,酶活也相当稳定；BacillusstearothermophilusHY269产生的嗜热蛋白酶在70℃、80℃时,pH稳定范围分别为pH6.0～10.0、pH6.0～8.0【16】。3.3嗜热酶的热稳定机制嗜热酶的耐热性主要是由其分子内部结构决定的。维持嗜热酶内部立体结构的化学键，主要是氢键、二硫键的存在及数量与其热稳定性有关。一般认为，当这些键存在及数量增加时，酶的热稳定性增强；这些键断开，则酶的热稳定性降低或丧失。嗜热酶分子的许多微妙构造很可能与其稳定性有关【17】。这些包括：稍长的螺旋结构，三股链组成的β-折叠结构，C和N端氨基酸残基间的离子作用以及较小的表面环等。这些构造形成了嗜热酶紧密而有韧性的空间结构，从而提高其稳定性。酶蛋白为适应热环境会发生结构改变，但每一种酶的热适应机制不尽相同。一些酶在高温条件下结构发生了重排，使一些空间短距离基团相互作用，堆积的结构更优化，内部空洞的数量和体积减少，在分子内部形成了一个疏水作用很强的疏水核，同时分子外部的极性表面积增加，所有这些都有利于增强嗜热酶的稳定性【18】。4嗜热菌的地球生态应用4.1生物地质化学反应由于嗜热菌具有特殊的代谢机制, 因此它参与了许多生物地质化学反应。在微生物成矿、生物冶金、有机物的分解及元素的地球化学循环中起重要作用。在热环境中,嗜热菌不论是直接吸附矿物颗粒沉积到细胞表面,还是通过它们的代谢产物,都可以引起周围pH值和氧化还原条件的改变从而影响元素的地球化学循环【19】。一方面嗜热菌通过吸附(收)作用聚集成矿元素,为矿床提供部分矿源;另一方面嗜热菌还可通过新陈代谢作用,产生特殊的氧化还原条件,导致矿物的溶解、迁移和沉淀,如黄铁矿、白铁等,都由嗜酸嗜热性的还原硫细菌还原硫酸盐产生H2S,再与金属离子反应而生成;嗜热菌与热液频繁接触捕获的铁离子,当细胞死亡后,与细胞残骸结合形成铁硫化物【20】,在特殊的还原微环境中,沉淀形成四方硫铁矿、白铁矿和黄铁矿,这样就形成铁硫化物矿化的生物模板。4.2食品酿造工业食品加工过程中,通常要经过脂肪水解,蛋白质消化、纤维素水解等处理过程。嗜热蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经在食品加工过程中发挥了重要作用。一些具有耐热活性的α-淀粉酶已用于淀粉加工、酒精、啤酒及其他发酵工业生产【21】。嗜高温水解酶给食品工业带来生机,消化蛋白酶加工纤维使食品更具风味和有益健康。在啤酒中应用β-葡聚糖酶可以提高麦汁分离速度,降低啤酒浑浊度,减少胶状沉淀【22】。嗜热链球菌是TTC法检测牛乳中抗生素的指示菌,又是酸奶生产特定菌,它与保加利亚杆菌混合培养能产生出芳香适口的酸奶。β-半乳糖苷酶可用于生产低乳糖食品,改善乳制品的风味和营养,在水解过程中还会发生转糖苷反应,生成具有多种功能的低聚乳糖(GOS)【23】。4.3代谢工程方面嗜热菌在糖代谢、三羧酸循环、氨基酸代谢中除了催化每一步酶的热稳定性较高以外,还有一些区别性的特点。如高温菌的烯醇化酶为10或8聚体,而常温菌为2聚体,高温菌中的乙酰辅酶A和天门冬氨酸对丙酮酸羧化酶有双重作用,缬氨酸对乙酰乳酸合成酶的反馈抑制,高温菌中有2种类型的天门冬氨酸激酶存在等,为发现新的代谢途径提供了依据【24】。5总结展望极端地质环境下的微生物群落相对简单,因而比较容易研究微生物和生物地球化学之间的特殊关系。当前，嗜热微生物及其嗜热酶越来越受到人们的重视。但因嗜热酶的稳定性机理仍不太清楚、培养条件苛刻、虽然利用基因工程技术已在中温宿主中得到表达，但酶的表达量低等原因，其广泛应用受到限制。嗜热酶的研究还处于起步阶段, 有许多问题有待解决。但我们相信对极端微生物及其地球化学作用的认识、保护、开发和持续利用,将会为解释许多地质和生物现象,开发极端微生物资源、造福人类提供更为广阔的空间。参考文献【1】连宾.微生物地球化学作用及其在农业中的应用[J].地质地球化学,2005(6):71-75.【2】和致中,彭谦,陈俊英.高温微生物学[M].北京:科学出版社,2000.1-3.【3】BeadellJS,ClarkDS.Probingstability-activityrelationshipinthethermophilicproteasefromThermoplasmaacidphilumbyrandommutagenesis[J].Extremephiles,2001,5(1):3-10.【4】殷鸿福等.微生物成矿作用研究的新进展和新动向.地学前缘,2004;1(3)【5】连宾.微生物地球化学作用及其在农业中的应用[J].地质地球化学,1995(6):71-75.【6】ManroGK,MeHaleRH,SaulDJ,etal.Ageneencodingathermophilicalkalineserineprotenasefromthermussp.StrainRt41Aanditsexpessioninescherichiacoli[J].Microbiology,1995,141:1731-1738.【7】DEMINGJW.Psychrophilesandpolarregions[J].CurrentOpinioninMicrobiology,2002,5:301-309.【8】和致中,彭谦,陈俊英.高温菌生物学[M].北京:科学出版社,2000:156-162.【9】马挺,刘如林.嗜热菌耐热机理的研究进展[J].微生物学通报,2002,29:86-88.【10】卢柏松,王国力,黄培堂.嗜热与嗜常温微生物的蛋白质氨基酸组成比较[J].微生物学报,1998,38(1):20-25.【11】JAENICKER,BHMG.Thestabilityofproteinsinex-tremeenvironments[J].CurrentOpinioninStructuralBiolo-gy,2008,8(6):738-748.【12】WERYN,CAMBON-BONAVITAMA,LESONGEURF,etal.Diversityofanaerobicheterotrophicthermophilesisolatedfromdeep-seahydrothermalventsoftheMid-Atlantic 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