1、古菌及极端微生物 2014.3.12 古菌 古菌常被发现生活于各种极端自然环境下，如大洋底部的高压热溢口、热泉、盐碱湖等。 在我们这个星球上，古菌代表着生命的极限，确定了生物圈的范围。 热网菌（ Pyrodictium）能够在高达 113 的温度下生长。 最适生活温度80105，具有独特的细胞结构。 隐蔽热网菌Pyrodictium occultum 1977年，美国深海潜水器 “ 阿尔文 ” 号在洋中脊地区发现了从海底冒出浓烟般的热泉。令人难以置信地是，在喷出热泉的 “ 黑烟囱 ” 周围水温 250-350 、 265大气压的海水中，竟存在着一个极其奇特、黑暗而酷热的生命世界。隐蔽热网菌即生
2、活于其中。 黑烟囱是由海底地壳的裂缝制造的，大量溶解了地底金属元素和硫化物的液体从裂缝中喷出之后，一遇到冰冷的海水就形成了浓密的黑色烟雾 。 嗜热性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶 已经在食品加工中发挥了重要作用。例如：用淀粉生产高果糖时，普通的葡萄糖异构酶在中温条件下催化果糖产量很少，而提高温度将催化果糖的生产。目前，已从嗜热的 Thermologa中分离出一种超高温嗜热的 木糖异构酶 ，这种酶也能把葡萄糖转化为果糖，这样，就能在高温的条件下进行果糖的生产，从而提高果糖的产量。 嗜热微生物酶类工业应用实例 古菌的分布 古菌还广泛分布于各种自然环境中，土壤、海水、沼泽地中均生活着古菌。很多产甲烷的古菌生
3、存在动物的消化道中，如反刍动物、白蚁或者人类。古菌通常对其它生物无害，且未知有致病古菌。 甲烷短杆菌 大部分的甲烷短杆菌生长于反刍动物、人类和其它动物的肠道中 , 或是腐朽的植物 , 以及缺氧的废水烂泥中。 M. smithii是唯一一种生长在 人类肠道 的甲烷短杆菌 (图 )。 分类 目前，可在实验室培养的古菌主要包括三大类 : 1.产甲烷菌、 2.极端嗜热菌 3.极端嗜盐菌。 1、产甲烷菌 产甲烷菌是一群迄今 为止所知的最严格厌氧 的、能形成甲烷的化能 自养或化能异养的古菌群。 产甲烷细菌是能产生甲烷的一大类群，因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不同形态。 一 些产甲烷细菌 : (a)
4、亨氏甲烷螺菌 ; (b)史氏甲烷短杆菌 (c)巴氏甲烷八叠球菌 ; (d)马泽氏甲烷八叠球菌 ; (e)布 氏甲烷杆菌 ; (f)黑海甲烷袋状菌 . 一 .古生菌的形态 :与细菌相似 .产甲烷菌代谢途径 产甲烷菌生活在 厌氧 条件下，它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量。在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的 糖酵解途径，三羧酸循环、氨基酸和核苷酸代谢 。产甲烷菌是自养型的生物，它能利用环境中的化学能。因而产甲烷菌中发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋白，产甲烷菌是目前发现唯一能固氮的古细菌。 安徽怀宁：沼气“点亮”新家园 怀宁县积极推行无公害化畜牧养殖，引导规模养殖场、养殖大
5、户大力发展沼气工程，现已建设户用沼气池 6600口，节柴灶2000个。图为该县平山镇牧之金养殖场的工人正在 往大型沼气池里装运原料。 沼气在养殖业的应用 云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站 工程位于云南省洱源县，整个工程由农业部沼气科学研究所设计与启动调试。工程采用高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理 200头奶牛产生的鲜牛粪 3.46 t/d，尿及冲洗废水 4.2 t/d，年产沼气约7.3万 m3，沼气作为生活用能集中供给当地 70多户村民和养殖场职工使用 沼气在养殖业的应用 蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程 工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区（蒙牛总部），工程采用
6、高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场存栏 10000头奶牛的鲜牛粪 280 t/d，尿及冲洗废水 360 t/d，日产沼气 10000m3/d，日发电 20000 kWh/d; 年减排 COD 9125 t， CO2当量 2.4万 t， TN 487 t， TP 96 t。沼渣沼液供周边约 10万亩牧草种植地利用。该工程是目前我国最大的牛场粪污处理沼气发电工程。 沼气在发电方面的应用 产甲烷杆菌的应用前景 1废水处理 现有的厌氧生物处理工艺大多要求在中温或高温的范 围内进行，通常要对废水与废物进行加热，这种作法消耗能源，削弱了厌氧生物处理的优越性，。 利用 嗜冷产甲烷菌 实现低温厌氧生物处
7、理过程，可从本质上突破低温厌氧工艺的技术 瓶颈，进而大大拓展厌氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理的成本。 2酿酒工业上的应用 泸州老窖古酿酒窖池群是全国重点文物保护单位，自公元 1573年开始酿造浓香型曲酒一直延续至今 . 80年代首次从泸州老窖泥中分离出氢营养型的 布氏甲烷杆菌 CS菌株 ，揭示了酿酒窖池是产甲烷古菌存在的又一生态系统 窖泥中栖息的产甲烷古菌既是生香功能菌，又是标志老窖生产性能的指示菌 . 3产甲烷菌在煤层气开发中的应用 生物成因 ： 煤层气是在较低的温度条件下，有机质通过各种不同类群细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主的气体 . 产甲烷菌 对煤层气的形成起着重要的
8、作用，目前已发现产甲烷菌有低温型、中温型和嗜热型 . 地表深处煤层中生成大量生物成因气的有利条件是：大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温，以及高 pH值的缺氧环境 . 今后对产甲烷菌的研究 可以主要集中在以下 3个方面 1.通过改进极端环境微生物分类鉴定技术，发现更多产甲烷菌的类群； 2.对产甲烷菌特征基因及其与代谢的关系进行更加细致的研究； 3.对产甲烷菌群与其它微生物的协同消化有机物的代谢进行研究，为环境的生物治理和生物能源的开发提供理论依据 . 甲烷是地球上主要的温室气体，对全球气候变暖的增温作用 大约占 15%，其相对二氧化碳的 增温效应值为 19。 1.甲烷古菌（又称甲烷菌）可
9、以释放出甲烷气，它可以生存在 极端的环境 ，包含了地底深处、沙漠、海洋深处、火山或地热区、盐湖或盐海、地球以外的星球等。就目前所知道的、可以在这么极端的环境下活下来的生物，全部都是有着上千万年以上的 太古生物 ，其中有甲烷菌。 2.甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存，但只要一遇到氧气就会死亡，它能适应摄氏 2度至 115度 ，和淡水到高盐环境，并且经过甲烷化过程产生能量； 卫星上拍摄地球甲烷 -棕色部分是甲烷 太空望远镜上拍摄火星甲烷 -黄（红）色部分是甲烷 产甲烷古菌可能是火星生命形式 一个美国科学家小组 2005年 12月 5日报告说，他们在格陵兰岛地下冰芯中发现了产甲烷古菌生存的证据。科学
10、家称，这种能在极端严酷条件下生存的微生物有可能在火星上生存。 研究人员认为产甲烷古菌很可能存在于火星上，并且是火星大气中甲烷的来源。为了验证这一设想他们制造一台荧光探测仪，用来探测产甲烷古菌新陈代谢时产生的微弱荧光，这台仪器能探测出每毫升土壤或地层中存在的 1个古菌，安装在新的火星车上寻找火星生命。 2、极端嗜盐古菌 这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐环境中的古菌。 细胞形态为杆形、球形和三角形、多角形、方形、盘形等多形态。革兰氏阴性，极生鞭毛。好氧或兼性厌氧。 胞内含有 类胡萝卜素（菌红素），产红色、粉红色、橙色或紫色等各不同色素。化能有机营养型。 盐沼盐杆菌 Halobacteriu
11、m spp. 细胞杆状 (0.5 1.2m 1.0 6.0m)。运动。有些菌株具有气泡囊。革兰氏阴性，好氧，化能异养型。 生活在盐湖、盐场及腐败的盐制品等中性盐环境中。 Halobacterium sp. 3、还原硫酸盐古菌 这一类主要是指古生球菌archaeoglobales 的古菌。细胞一般为不规则球形、三角形 ，直径在 0.42.0 m ，单个或成对，革兰氏阴性。 菌落可略呈绿黑色 ，在 420nm 处可产 蓝绿色荧光 ，严格厌氧。 闪烁古生球菌 A. fulgidus 分布于深海海底、热泉和地层深部储油层。化能自养，单极多生鞭毛，并产少量甲烷。 4、无细胞壁古菌热原体 在古生菌中，有一类 无细胞壁 的原核生物很象无细胞壁的 支原体 ，由于它们无细胞壁、嗜热、嗜酸、行好氧化能有机营养，所以被称为热原体（ Thermoplasma） 。 0.2m 到 1-5m。 有的种具有多根鞭毛，能够运动。
