微生物生态学-3.3在强酸环境中的微生物1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 在强酸环境中的微生物,酸性环境：,废煤堆及其排出水，,酸性温泉，,废铜矿及其排出水,美国黄石国家公园的温泉,一、酸性环境中的微生物,嗜酸菌是一种能在低,pH,条件下生长和繁殖的极端环境微生物，通常在,pH2,5,生长很好，,pH5.5,以上生长不好。,一、酸性环境中的微生物,抗酸微生物,专性嗜酸微生物,能在强酸环境中生长或生存，但是最适生长,pH,在,4,9,之间的微生物,必须在,pH,3,的环境中才能生长的微生物,化能自养菌,Fe(,),氧化菌,T.,ferooxidans,氧化亚铁硫杆菌,嗜中温菌,黄铁矿环境,Fe(,),和,S,0,氧化菌,T.,ferooxidans,S.,acidocaldarius,嗜酸热硫化叶菌,嗜热菌,地热地区,S,0,氧化菌,Thiobacillus,sp,嗜中温菌,Thiomicrospora,异养菌,A.,coyptum,嗜中温菌,与,T.ferooxidans,培养物有关,Th.,acidophilum,嗜中温菌,煤排出物,B.,acidocaldrius,酸,热芽孢杆菌,嗜热菌,含,S,0,的温泉,嗜酸微生物类型,嗜酸硫杆菌的煎鸡蛋形菌落,嗜酸细菌：氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、酸热芽胞杆菌,专性嗜酸微生物,极端酸性环境都含有硫酸根离子，而且有机物浓度很低,;,在废煤矿中，含有高浓度的硫酸（,pH1.5-4,）、铁，是由于自养的硫杆菌氧化硫化矿中含硫化合物的结果,酸性环境中还存在,氧化亚铁钩端螺旋菌,，氧化二价铁为三价铁，分解黄铁矿，,不能直接氧化硫,嗜酸真核微生物：椭圆酵母、点滴酵母、酿酒酵母可分别在,pH2.5,，,2,和,pH1.9,中生长,在,pH2,的废铜矿中可以分离到红酵母,Acontium,velatium,和,头孢霉,可在,1.25 mol/L,的硫酸中生长，培养基中含有,4,的硫酸铜，是目前发现的,抗酸能力最大,的微生物,藻类,从酸性温泉中可以分离到,Cyanidium,caldarium,，最适生长,pH2,3,，在,pH5,以上不能生长,二、微生物抗酸的分子机理,嗜酸菌细胞质,pH,值为,7,，细胞内的大多酶最适,pH,值也接近,7,，要求细胞壁或细胞膜能通过某些方式阻止环境中,H,进入细胞,环境中的,H,影响细胞表面的电荷平衡，影响细胞的稳定性，与营养物反应使细胞无法利用营养物质，还会使无毒化合物有毒，水解细胞中的高分子多聚物，使细胞死亡。,嗜酸菌细胞表面上存在有大量的重金属离子,，如,Cu,2+,，可以与周围,H,+,进行交换，从而阻止,H,+,对细胞的损伤；许多嗜酸菌能抗高浓度的重金属离子,嗜酸细菌的细胞壁和细胞膜中含有一些特殊的化学成分，能抗酸,。,硫杆菌的外膜,LPS,含有较少的磷、使细胞膜稳定,;,硫化叶菌细胞膜中含,C,40,的,烷基甘油二醚,，这种长碳氢 链使生物膜在高温下保持流动性,;,硫脂、环丙烷脂肪酸；,含有抗酸水解的蛋白质，,如氧化硫硫杆菌的鞭毛能抗强酸和高温，是该菌能合成抗酸水解的蛋白质,;,嗜酸细菌通过长期进化适应了,SO,4,2-,环境，并且细胞中存在有某种活力很大的去除,SO,4,2-,的体系；另外,SO,4,2-,极性大，透过脂类双层膜的非特异性穿透能力较小。,细菌冶金,氧化,Fe,2+,和,S,0,的细菌能产生酸性的含有,Fe,3+,的溶液，,Fe,3+,可氧化矿石的大量成分，能使,Cu,2+,，,U,4+,，,Sn,2+,，,Zn,2+,，,Ni,2+,，呈可溶状态,三、嗜酸菌的应用,利用,氧化亚铁硫杆菌,通过微生物沥取法可以从低含量的矿物中大量提取,Cu,，能耗小。,如,FeO,硫杆菌可把可将,S,或硫代硫酸盐氧化成硫酸和将氧化亚铁氧化成高铁的能力，氧化率达,95,100,并放出能量,2FeS,2,+7O,2,+2HO,2,2FeSO,4,+,2H,2,SO,4,2FeSO,4,+,2H,2,SO,4,+,1/2O,2,Fe,2,（,SO,4,）,3 +HO,2,生成的,Fe,2,（,SO,4,）,3,是强氧化剂和溶剂，可溶解矿石。如溶解铜矿（,CuS,），,从中浸出铜元素。,CuS,+ Fe,2,（,SO,4,）,3,Cu SO,4,+,2FeSO,4,+,S,溶出的,Cu SO,4,液再加入铁屑、废铁等便可将铜置换出来。生成的,FeSO,4,和,S,还可在这类细菌作用下再次氧化成,H,2,SO,4,和,Fe,2,（,SO,4,）,3,，而循环使用。,CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu,用这类微生物来开矿冶金称为细菌冶金，是开采贫矿和尾矿的有效办法，用细菌浸出,Cu,的速度比完全氧化快,56,60,倍。,煤和石油脱硫,生产肥料,利用嗜酸热硫化叶菌氧化无机硫和有机硫化物，减少二氧化硫污染。,利用硫杆菌氧化元素硫或硫化物产生硫酸，来分解磷矿粉，提高高氟硫酸钙的溶解度，提高肥效。,氧化亚铁硫杆菌,第四节 在强碱环境中的微生物,在地球上高碱性环境不多；,最有名的强碱环境是石灰湖（,Soda lakes,）,和沙漠，,pH,在,10,左右；,某些稀碱性的泉水、沙漠土壤和含有正在腐烂蛋白质的土壤也是碱性环境；,人工造成的碱性环境：食品和其他工厂排出的废水。,这些环境中的,碳酸盐,是造成高,pH,的原因，分离嗜碱微生物的培养基中必须含有碳酸盐,某些环境中的嗜碱菌还是嗜盐菌，如石灰湖中的嗜碱菌，培养基中需添加氯化钠,一、在强碱环境中的微生物,嗜碱微生物（,Alkalophilic,microorganisms,）,是指,碱性,环境中最适生长的微生物，可区分为耐碱菌和专性嗜碱菌。,耐碱微生物,：在,pH8.5,9.0,之间最适生长，,中性条件下,亦能生长的微生物。,专性嗜碱微生物,：一般情况下在,pH,7,时不能生长，最适生长的,pH,值,9,左右，,pH10,以上还能生长的微生物。,天然碱湖中存在广谱微生物；,含盐量低的碱湖以耐盐碱藻类为主；,高盐碱湖以厌氧光合细菌、嗜盐、嗜盐碱古细菌为主；,嗜碱菌的分布,Bacillus,巴氏芽孢杆菌,pH 9.010.0,坚强芽孢杆菌,嗜碱芽孢杆菌,球形芽孢杆菌,pH 11,泛酸芽孢杆菌,pH 11,B.rotans,pH 11,黄杆菌（碱性泉水中）,pH 11.4,放线菌,pH 7.011.0,蓝细菌,螺旋藻（石灰湖富营养化的蓝细菌）,pH 8.0,11.0,，,耐盐,2,7,念珠织线藻,pH 13,抗最高,pH,值的微生物,嗜碱光合细菌,外硫红螺菌属,pH 9.010.0,荚硫菌属,古细菌,嗜盐碱杆菌属,pH 8.49.9,，,耐盐,12,30,甲基营养菌,pH 8.49.9,二、微生物抗碱的分子机理,P37,pH,值高，影响细胞中的代谢氧化还原反应，使代谢产物和离子形成不溶性沉淀物（铁、钙、镁离子）,酶分子的折叠和酶活力直接受到,pH,的影响,细胞膜外所有结构（细胞壁、外膜、鞭毛、酶等）需抗碱,鞭毛,嗜碱细菌鞭毛含有较少的碱性氨基酸或受到修饰能抗碱,嗜碱细菌鞭毛运动能量来自膜两侧的钠离子强度和梯度，而,E.coli,中鞭毛的驱动力来自质子流入细胞,细胞壁,嗜碱杆菌细胞中磷和中性糖含量较少，带有更多的带,负电荷,物质,在碱性条件下生长时，酸性化合物含量增加,细胞壁中含有较多的糖醛酸磷璧质,细胞膜,含有异常成分，双单酰基甘油磷酸，角鲨烯和类异戊二烯，高浓度的阴离子磷脂，不饱和、分枝链的脂肪酸,基于上述原因，嗜碱微生物细胞膜的,熔点低,，流动性大，在,pH,值条件下膜完整性较差，生长受到抑制，钾离子渗透性明显增加，这是为什么自然界中,嗜热嗜碱,的真细菌较少的原因。,呼吸作用和氧化磷酸化作用,嗜碱杆菌的明显特征是含有高浓度的呼吸链组分，细胞色素浓度高（细菌颜色特别深）,主动运输,嗜碱微生物在高,pH,值条件下氨基酸的运输速率要快,Na,+,/H,+,反向载体,嗜碱微生物在高碱环境下生长时其细胞质,pH,不超过,9.5,，说明这些细菌能在膜两侧建立逆向的跨膜质子梯度,嗜碱细菌细胞膜上存在,Na,+,/H,+,反向载体，能催化细菌细胞排出钠离子并摄入,氢离子，,使细胞质的,pH,保持相对稳定状态,蛋白质合成和酶,细胞蛋白质合成在碱性条件下具有较大的活力,三、嗜碱菌的应用,p40,蛋白酶：,洗涤剂的添加剂，不受表面活性剂和助剂的影响，在碱性条件下提高去污能力；嗜碱杆菌产的蛋白酶稳定、产量高，酶是可溶的，可长时间保存；碱性蛋白酶用于动物皮革的去毛作用，克服,石灰硫酸钠,处理法环境污染的缺点；碱性的弹性蛋白酶在,pH11,下降解动物组织的弹性蛋白、角蛋白和胶原蛋白,环状糊精葡萄糖转移酶：,使淀粉转化为环状糊精（,CDs,）,淀粉酶,：水解淀粉，最适,pH,为,10.5,纤维素酶：,处理化工和纺织工业排出的碱性废水,木聚糖酶：,转化木聚糖为木聚二糖和寡聚糖，处理人造纤维废物,果胶酶：,果胶裂解酶用纸张生产工艺改良,碱性脂肪酶和青霉素酶,工业酶制剂,抗生素,嗜碱链霉菌产生抗生素：,内酰胺类抗生素，诺卡地霉素，抗霉素,A,，肽类抗生素等,嗜碱链霉菌在,pH10.3,条件下产生抗霉素,A,在污水处理和环境保护中的作用,工业排放的碱性废水处理，分泌纤维素酶将碱性纸浆废液转化为单细胞蛋白,麻纺行业中嗜碱细菌或碱性果胶酶进行麻脱胶，解决碱法脱胶工艺中污染严重的问题,破坏作用,在建筑水泥中常加入酪蛋白改进水泥的流动性，但抗碱的梭状芽孢杆菌（,pH12,）能产生挥发性有机酸和胺，破坏酪蛋白的特性,第五节 高盐环境中的微生物,自然界有许多含有高浓度,NaCl,的环境,天然的盐湖和死海,海湾和沿海礁石池,用于生产盐的太阳蒸发池和制盐场,用盐腌过的食品,一、嗜盐微生物的类型,抗盐微生物,在高浓度,NaCl,环境中发现的嗜盐微生物主要有微藻和嗜盐细菌,最适,生长的盐浓度在,0,0.3 mol/L,NaCl,之间，,能生长的盐浓度在,0,1 mol/L,NaCl,之间,(5.8%),。,主要有肠道细菌和各种微藻，,G,-,细菌盐单胞菌（,Halomonas,）,也属于抗盐微生物。,H.elongata,是抗盐能力最大的微生物（,5.5mol/L,NaCl,）,中度嗜盐微生物,(,至少,0.5%,但不超过,26,),最适生长的盐浓度在,0.2,2.0 mol/L,NaCl,之间，能生长的盐浓度在,0.1,4.5 mol/L,NaCl,之间,(26.1%),。,主要有某些真细菌、蓝细菌和微藻，如死海和盐湖中存在的中度嗜盐的专性厌氧发酵细菌盐拟杆菌（,Halobacterioids,）、,生孢盐细菌（,Sporohalobacter,）、,盐厌氧细菌（,Haloanaerobium,），,它们能降解各种有机物。,极端嗜盐微生物,最适生长的盐浓度在,3.0,5.0 mol/L,NaCl,之间,(29%),，,能生长的盐浓度在,1.5,5 mol/L,NaCl,之间。,这些菌需要至少,1.5 mol/L,NaCl,（约,8,），通常生长最适浓度是约,3-5 mol/L,NaCl,（,17,29,）。,主要有盐杆菌和盐球菌，它们属于古细菌。,盐杆菌没有完整的细胞壁，在细胞膜外表面覆盖一层蛋白质亚基,杜氏藻,真核嗜盐微生物,有杜氏藻属的某些种。,嗜盐微生物中真细菌有光合细菌,-,外硫红螺菌属,(,Ectothiorhosospira,),嗜盐菌的分布,盐湖中的嗜盐紫色硫细菌（外硫红螺菌属和可变杆菌属），外硫红螺菌属最适盐浓度为,14,27,，最低,10,。,盐杆菌属存在咸鱼、盐湖及晒盐池，,盐杆菌,含有红色素，是独特的光合细菌，在死海中浓度达到,10,7,个,/ml,会出现红色。,盐湖和死海中迅在原生动物有鞭毛虫、纤毛虫和变形虫。,23,氯化钠培养基中，仅有杜氏藻金和嗜盐隐杆藻存在。,枝孢霉可以生存在,29,的氯化钠浓度中。,二、嗜盐微生物抗高浓度,NaCl,的分子机理,P46,1,、嗜盐菌的细胞结构稳定和细胞内,K,浓度的需要维持胞外高盐浓度。,嗜盐菌的细胞壁成分特殊，不含肽聚糖，以脂蛋白为主，需要高浓度的钾离子保护负电荷，消除分子间的排斥力。,嗜盐菌对环境中离子有选择作用，具有浓缩,K,和排斥,Na,的能力，是细胞内,K,浓度维持较高水平。,嗜盐菌细胞内的氯化钠浓度远低于周围环境中的氯化钠浓度。细胞膜对于钠离子有较低的通透性，钾离子毒性小，细胞排除,钠离子,积累,钾离子,。,2,、嗜盐菌的酶产生、稳定和活性发挥需要高盐浓度,嗜盐菌一些酶发挥活性的适宜盐浓度,酶,产生菌,酶,适宜盐浓度（,mol,）,淀粉酶,Micrococcus,halobius,晕轮微球菌,0.5-2.1,Halobacterium,halobium,盐生盐杆菌,1.0,Natronobacterium,sp.,一种嗜盐嗜碱杆菌,2.6,脱氢酶,Listeria,denitrificans,反,硝化李斯特氏菌,1.6,核酸酶,Micrococcus,varians,变异微球菌,2.0-3.0,Bacillus sp.,一种芽孢杆菌,2.1-3.1,磷酸化酶,Vibrio,casticola,肋生弧菌,0.6,蛋白酶,Halobacterium,salinarium,盐制品盐杆菌,2.1-4.2,盐杆菌含有较少的非极性氨基酸，减弱蛋白质的疏水作用，在高浓度钾离子溶液中，水量较少，使疏水键更好的相互作用，使蛋白质处于有活力构象。,3,、细胞膜上存在,H,离子,/Na,离子抗子,当在低氧浓度生长时，某些盐杆菌合成一种经修饰了的细胞膜称为,紫膜（,purple membrane,）,，,含有细菌视紫红质蛋白（,bacteriorhodopsin,）能吸收太阳光能量,。,视紫红质蛋白吸收太阳光能量，在细胞膜两侧产生跨膜,H,离子梯度，当质子梯度部分消失时，导致细胞排出钠离子。,紫膜（,purple membrane,）,，,含有细菌视紫红质蛋白（,bacteriorhodopsin,）,4,、嗜盐菌细胞内积累或产生相容性溶质以适应高盐浓度,积累,K+,；,合成糖（蔗糖、海藻糖、甘油葡糖苷等）；,合成氨基酸；,调节渗透压，维持细胞在高盐环境下正常进行代谢活动。,三、嗜盐菌的应用,生产化工原料,工业酶制剂,紫色膜的应用,细菌视紫素可驱动,ATP,合成，排盐作用用于海水淡化,应用于工业发酵,高盐浓度下合成抗生素、有机酸等，防止杂菌污染,在高浓度,NaCl,培养基中，杜氏藻细胞能合成大量的甘油（,80,干重，用于生产药物和化妆品，炸药）、,胡萝卜素（,10,20,，用于食品着色，癌细胞抑制剂，维生素,A,前体）和蛋白质。,抗盐单细胞红藻能合成脂肪酸和花生四烯酸（食品必需品），还产生水溶性胞外多糖和光合色素以及藻红素（无毒食品着色）。,螺旋藻合成丰富的蛋白质（,50,70,），食品添加可加快伤口愈合，,亚麻酸可抑制智力衰退,嗜盐杆菌合成的一些酶可以在异常条件下催化工业所需的特殊反应。,第六节 高压环境中的微生物,一、高压环境,海洋、深油井、地下煤矿和某些工业加压设备中。,在海洋中，每加深,10m,就要增加,1.0110,5,Pa,（约一个大气压）。太平洋,Challenger,海底的压力达,1.1810,8,Pa,在,海洋,中高压还伴随着,低温,（温度仅在,0,左右。）,一些湖泊底部也是高压环境，如俄罗斯的,Bayhal,湖底压力可达,1.6210,7,Pa.,在陆地中深度每增加,1m,，,压力增加,1.0110,4,Pa,，,而温度随着深度增加而提高。,二、耐高压微生物,深海，一种假单胞菌（,Pseudomonas,bathycete,）,可以在,1.0110,8,Pa,、,3,下生长，但生长非常缓慢。,3500m,以下的油井中存在一种嗜压耐热的硫酸盐还原菌，可以在,4.0510,7,Pa,、,60,105,下生长。,在深海中有些细菌为专性嗜压菌，仅在加压条件下能生长,人可以在海洋下,127m,处工作（,1. 5210,7,Pa,），压力敏感的微生物在压力高于,2.0210,7,Pa,不能生长,能量物质,同型乳酸发酵粪链球菌以不同物质为能源可耐受不同的压力,无机盐,生长温度,pH,值和离子强度,三、微生物抗最大压力的能力受许多环境因素的影响,P50,NaCl,可以有效提高海产弧菌和其他微生物抗高压的能力。,压力增加影响物质的解离反应，,pH,值发生变化，压力可以明显加强酸和碱对微生物的抑制效应。,温度稍高于生长温度时，抗压能力最大，温度进一步提高，抗压能力大大降低,影响细胞分裂,使分裂细胞无法形成横隔膜,蛋白质合成对高压高度敏感,大肠杆菌在压力超过,6.7910,7,Pa,时，蛋白质合成停止,作用于核糖体,影响,tRNA,吸附到核糖体上,抑制细胞膜上物质运输能力,高压抑制粪链球菌对乳糖的吸收,降低细胞内,K,含量,降低粪链球菌内,K,浓度,作用于原生动物的微管,干扰原生动物素正常有丝分裂,四、高压对微生物的损伤,五、抗高压微生物可以用于石油开采,微生物代谢产物,对,油层的作用,有机酸、无机酸、低分子量酸,提高孔隙度和渗透率；与碳酸岩石反应产生,CO,2,气体（,H,2,、,CH,4,、,CO,2,、,N,2,、,H,2,S,）,提高地层压力；溶解在原油中使原油黏度下降；溶解矿物中的硫，提高渗透率；使原油膨胀,生物表面活性剂和乳化剂,降低岩石、油、水系统中的表面张力，形成石油水乳状液,生物聚合物,封堵高渗透层，提高水驱油效率并降低水油比,醇类、酮类、醛类,溶解岩石孔隙中的原油，降低原油黏度,第七节 高辐射环境中的微生物,这些辐射作用通常对微生物均有害,环境的辐射作用,非电离辐射作用：紫外线、可见光、红外线辐射,电离辐射作用：,X,射线、,射线、,宇宙射线,自然界中非电离辐射源为太阳光,自然界中电离辐射源有两种：,人为的辐射源：核武器的制造和试验、核电站、电离辐射诊断仪和治疗仪,来自于地球外的电离辐射,外空的宇宙射线,来自于地球的电离辐射,含有放射性核素的岩石、土壤等,辐射源：,低剂量紫外线只会引起遗传变异，高剂量对微生物有致死作用,紫外线最有效的波长为,260nm,，臭氧可以过滤太阳光中的紫外线作用，臭氧浓度降低,1,，紫外线辐射强度增加,1,2.5,自然界中不同的微生物，抗辐射能力差别非常大，并且同一种微生物由于不同细胞所处的生长时期和生长条件不同也有不同的抗辐射能力。,一、抗辐射微生物,海洋鞭毛虫（紫外线,1.12,10,-2,J/mm,2,）,抗辐射微球菌存在于经过,射线处理过的罐头中,暗色孢科的不同菌株抗,射线的能力相差,100,倍，经过,X,射线处理过枯草芽孢杆菌孢子存活率相差,200,倍,对干燥和辐射均有惊人的抗性，它们能在,300,万,500,万的辐射下存活（,100,rad,的辐射可使人致死）。,嗜辐射微球菌为球形，常被联成对或四联球菌，且为好氧，嗜温，过氧化氢酶阳性；通常能利用小部分糖产酸。,耐辐射异常球菌（,Deinococcus,radiodurans,），,1999,年全基因组测序完成。,其基因组包含两个环状染色体，一个巨大质粒和一个小质粒。具有一个,DNA,修复机制的宽松阵列和许多重复序列。,如果此菌暴露在足够强的辐射下，染色体被分解成许多片断。在,12,24 h,内，它们将碎片拼接在一起。具有修复,DNA,的这一能力的主要原因是具有极其高效的,RecA,蛋白。,微生物细胞本身具有许多保护机构来防止辐射对细胞的有害影响，如产生大量的可以吸收辐射能量的色素物质；提高氧化酶浓度等。,DNA,修复机理,修复由电离辐射引起的,DNA,损伤,二、微生物抗辐射的分子机理,P53,光修复 光复合酶系在可见光作用下修复,T-T,二聚体,暗修复 切除修复和复制后重组修复,超快修复、快修复、慢修复,P54,抗辐射微球菌中的修复系统：,吸收紫外光的物质来隐蔽,DNA,DNA,本身具有较大的抗辐射能力,DNA,具有很高倍数,胞内损伤修复酶系活力很高,思 考 题,嗜盐古菌的主要种类、分布及其在高盐环境中生存的机理；,以酸热环境为例说明极端环境中微生物的研究意义和应用前景；,