嗜热微生物是一类生活在高温环境中的微生物,如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。近30年来,这一类微生物越来越广泛地引起了科学家们的重视和兴趣。特别是在水的沸点和沸点以上温度条件下能生活的细菌被发现后,更促进了对嗜热微生物的研究。
根据对温度的不同要求,嗜热菌可划分为3类:
(1)兼性嗜热菌:最高生长温度在40~50 ℃之间,但最适生长温度仍在中温范围内,故又称为耐热菌。
(2)专性嗜热菌:最适生长温度在40 ℃以上,40 ℃以下则生长很差,甚至不能生长。
(3)极端嗜热菌:最适生长温度在65 ℃以上,最低生长温度在40 ℃以上。
随着对嗜热菌研究的广泛开展和进行,新的菌种不断被发现。在这些新发现的菌种中,从意大利一处海底火山口附近的硫磺矿区分离到的一种极端嗜热菌Pyrodictium,最使科学家们感兴趣,它是迄今所知嗜热性最强的细菌。该处的海床由热矿沉积物和被硫覆盖的洞隙组成,海床上不断喷射出热海水和火山气。海床的温度为103℃。Pyrodictium生长的温度范围85~110℃,最适生长温度为105℃;pH值范围5~7;对盐分的适应范围很广,为1.2%~12%,最适盐度为1.5%;严格化能无机营养型,利用H2和元素硫形成大量的H2S;严格厌氧,暴露在氧气下,数分钟后即失活。该菌在保持H2/CO2气相条件、并供给硫的人工合成海水中能够生存,在培养过程中,加入酵母浸出液和蛋白胨可刺激其生长。
嗜热菌种类很多,营养范围亦非常广泛,但多数种类营异养生活,营自养生活的嗜热菌主要包括产甲烷细菌和硫化细菌,不过其中有一部分是混合营养型。
嗜热菌对pH值的要求,有两个绝然不同的范围,嗜酸嗜热的最适pH范围为1.5~4,而另一类群pH范围都是5.8~8.5。极端嗜碱的嗜热菌至今尚未发现。
嗜热菌为什么在高温下仍然能够不失活性并进行正常生长呢?
目前的研究工作认为有如下几方面的原因:
(1)类脂的敏感作用
嗜热菌细胞质膜的化学成分,随环境温度的升高不仅类脂总含量增加,而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加,即长链饱和脂肪酸增加,不饱和脂肪酸减少。脂肪酸熔点的高低和热稳定性呈如下顺序:直链饱和脂肪酸>带支链饱和脂肪酸>不饱和脂肪酸。
另外,饱和脂肪酸比不饱和脂肪酸能形成更多的疏水键,从而进一步增加膜的稳定性。
众所周知,细胞膜由双层类脂构成,但古细菌中嗜热菌其双层类脂进行了共价交联,成为两面都是水基的单层脂(如图①所示),并且保持了完整的疏水层,这种结沟,极大地增强了其耐热性。
(2)重要代谢产物的迅速再合成
嗜热菌中tRNA的周转率大于中温菌的周转率;并且,其DNA中的G-C含量高于中温菌的G-C含量。一般中温菌的G-C含量为44.9mol%,而嗜热芽饱杆菌DNA中的G-C含量为53.2mol%。G-C含量越高,DNA分子的解链温度也越高。嗜热菌在高温下不但热稳定性高,而且代谢快,其速率等于或大于热不稳定代谢物的转化,因此,重要代谢产物能够迅速再合成。
(3)蛋白质的热稳定性
目前科学家已从嗜热菌中分离出多种蛋白质,其中包括许多重要的酶类,它们的热稳定性高于中温型细菌的类似蛋白,而且,在细胞内生活状况下二这种差别更加明显。也就是说嗜热菌蛋白质的热稳定性取决于两个方面:一方面,其蛋白质的天然结构更加稳定;另一方面,嗜热菌细胞内存在着促进热稳定性的因素。买验证明,蛋白质一级结构中个别氨基酸的改变,就可导致其热稳定性的改变。嗜热菌蛋白质天然结构的稳定性,可能就是由于其中个别氨基酸的细微改变而引起的,至于究竟有哪些改变,还有待科学家的进一步研究。

嗜热菌-开发应用

嗜热菌在开发应用方面也有着广阔的前景: