[军事]8微生物生态学-31极端自然环境中的微生物1.ppt
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1、极端环境中的微生物,生命的极限记录 温度: 121 (菌株121) 在零下二十摄氏度的环境中细菌仍然能够存活 盐浓度: 5.5 M NaCl (32%) (嗜盐菌) pH: pH 1.0-1.7(阿曼嗜酸亚铁原体),第三章 极端自然环境中的微生物,第一节 低温环境中的微生物 第二节 高温环境中的微生物 第三节 酸性环境中的微生物 第四节 强碱环境中的微生物 第五节 高盐环境中的微生物 第六节 高压环境中的微生物 第七节 高辐射环境中的微生物,极端自然环境 特有的物化条件,指存在有某些特有物理和化学条件以及某些特有微生物的自然环境。,高低温,强酸碱,高压, 高盐,干燥,辐射,低营养等,特有的微生
2、物,嗜冷菌(Psychrophiles),嗜高温菌(Termophiles),嗜盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌(Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物,这些微生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。,研究极端环境中微生物的意义,研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答因子,对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。 研究其生理生化特性,可用于量度地球上生命生存的理化极限,对探索宇宙星球上的生物有参考价值; 可探索出新的生理途径,生产新酶和新的生物制剂,使用于特殊环境条件,如
3、煤脱硫、冶炼金属、处理有毒废水、高压深油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。 研究成果可以大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物技术等领域的应用。,第一节 低温环境中的微生物,嗜冷菌(psychrophiles) 耐冷菌(psychrotrophs),0以下或320能生长的微生物, 最适生长温度不超过15, 最高生长温度不超过20。,05可生长繁殖, 最适生长温度可达20以上的微生物,低温微生物,嗜冷微生物(psychrophiles) 耐冷菌(psychrotrophs) 嗜中温微生物(mesophilies),0以下或320能生长的微生物, 最适生长温度不超过15, 最高生长温度不超过20。,
4、05可生长繁殖, 最适生长温度可达20以上的微生物,1345下能生长的微生物,低温微生物,一、低温环境中的微生物,1、低温环境,长期低温:深海,地球两极的土壤,冰川和高空 短期低温:大多数地区的冬季期间,(红雪现象:嗜寒水藻),2、微生物种类,嗜冷菌:主要是细菌(噬纤维菌,短杆菌,弧菌(对高温敏感,分布范围窄);酵母菌;古细菌 耐冷菌:芽胞杆菌,节杆菌,假单胞菌,嗜冷菌绝大多数是G-菌,长期低温:深海,两极,冰川,高空 短期低温:冬季,42万年的南极东方湖(Lake Vostok) 3593m处的冰芯中分离到的活细菌。,在低温下生长的微生物还有酵母、真菌和藻。,嗜冷菌雪藻,高温对嗜冷菌的影响,
5、对物质运输的影响 低温下,低温微生物吸收和氧化外源葡萄糖的能力最强,温度升高,能力下降 温度升高,细胞膜失去吸收外界环境营养物功能,对代谢速率和呼吸酶的影响 嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感,高于20度便失活,这是为什么嗜冷菌必须在低温下生长的原因之一。,对蛋白质合成的影响 抑制蛋白质的合成 专性嗜冷菌在22.5度条件下,蛋白质的合成停止 各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相当敏感 破坏核糖体的结构和功能 温度升高,影响核糖体结构和功能,影响核糖体RNA和蛋白质之间的正常结合,核糖体的天然结构发生改变,对细胞结构的影响 破坏细胞壁 Vibrio psychroerythrus 在37度下2h,细胞壁分解
6、 细胞的正常形状 30度处理异常芽孢杆菌时,细胞分裂所影响变成丝状 正常的细胞表面电荷 热处理Vibrio psychroerythrus,细胞膜的磷脂被释放到环境中,增加电泳泳动速度 细胞的渗透性 热处理嗜冷菌时,渗透压发生变化引起细胞裂解,对细胞分裂、基因调控和RNA合成的影响 温度升高,嗜冷菌细胞分裂受到影响 温度升高,嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA结合,阻碍酶的形成 温度升高,嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止 温度升高,耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白质和DNA含量不变,但由于RNA酶失活而导致RNA含量下降,二、低温微生物适应低温的分子机理,通过信号传导使低温
7、微生物适应低温环境,膜蛋白的磷酸化、去磷酸化反应来感应温度变化 耐冷菌Pseudomonas syringae脂多糖和膜蛋白的磷酸化和去磷酸化反应和温度变化有关,调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通透性,保证膜的正常生理功能(膜的改变),增加不饱和脂肪酸比例,使细胞膜脂类处于流动状态,保持物质转运能力和酶活力 增加不饱和脂肪酸的比例,增加不饱和脂肪酸的合成 缩短脂肪酸链的长度,增加脂肪酸支链的比例,减少环状脂肪酸的比例等 (有利于膜脂熔点的降低并在低温下保持液晶态) 脂含量升高、膜面积增大 (有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力),生长在5的南极好氧菌,细胞脂质总脂肪酸中棕榈油酸、油酸等不
8、饱和脂肪酸的含量超过90。,低温微生物的蛋白质和蛋白质合成(蛋白质的改变:酶分子的改变、其它蛋白质的改变),嗜冷菌合成大量的低温酶类,弥补因低温导致的反应速率下降的问题; 嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类(同功酶),在一定范围的不同温度下始终保持代谢活力,维持生命现象。 低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象。 嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在(Vibrio中异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感),低温微生物通过产生冷冲击蛋白(cold shock protein)适应低温环境,当生长温度从21降到5时,嗜冷酵母能在12 h内合成26种冷冲击蛋白。,5 tRNA的改变 嗜冷菌的tRN
9、A转录后被修饰的程度较低,而这些修饰仅是维持tRNA的基本结构。维持较好的柔性以及动力学上的流动性。,应对全球变化可能对人类的危害 冰箱中低温微生物的生长对食品防腐的挑战 葡萄球菌在低温下产生毒素;链球菌可在冷牛奶中产酸;变形杆菌在低温下引起鸡蛋变黑 为研究生物的进化提供材料 为古气候的重建提供信息 为探索诸如火星等外星生命存在的可能性提供线索,三、低温微生物的潜在应用,低温微生物对受污染环境的原位清洁作用 泄漏于土壤、海洋中的原油、废弃物等的生物降解 耐冷菌能矿化甲苯等多种污染物 抗冻基因的获取与应用 植物病原菌假单胞菌在零下35度通过产生冰核蛋白在叶子上形成冰晶引起植物冻害,基因敲除与植物
10、抗冻 食品发酵工业中的应用 节约能源并减少中温菌污染 从低温微生物中得到脂酶、蛋白酶和半乳糖肝酶在食品工业中应用 洗衣粉中低温酶开发,低温微生物活性物质的潜在应用 环境保护、医药、食品、日化等领域,多不饱和脂肪酸(Ployunsaturated Fatty Acids, PUFAs) 抗紫外线物质 抗菌、抗肿瘤物质 低温酶,一株南极稀有放线菌的发酵液中分离到具有抗肿瘤活性的物质G905A,经鉴定其结构与肿瘤抗生素sandramycin相同。,第二节 高温环境中的微生物,自然界中存在许多自然和人工的高温环境,正在喷发的火山(1000)、流出的火山岩浆(在500以上)、在这些火山周围的土壤和水 深
11、海中地热区 沸腾的温泉(93109)、非沸腾的温泉 受太阳光直接辐射的物体表面(6070) 工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水 堆肥等,深 海 热 泉,Morning Glory Pool温泉最大的特点是 它们的颜色随着水温的变化而不同。,从1999年5月起,中国科学家联合起来,开始测定这种嗜热菌的全基因组DNA(脱氧核糖核酸)序列。 科研人员从培养的细菌中提取了基因组DNA,构建了测序模板文库,还建立了反映测序进展与存在问题以及用于组装、注释、寻找基因的软件。在基因测序中,获得了单机日产、序列读长、准确率等指数与国际同行并驾齐驱的好结果。 科研人员已测定这个微生物基因组的260多万个碱基对
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