嗜熱菌在工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

余然 李瑞

摘要：嗜熱菌作為一種能夠在高溫環(huán)境下生存的微生物，目前已經(jīng)被多國(guó)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)保等眾多領(lǐng)域。在廢水廢料的厭氧處理，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，堆肥發(fā)酵、生產(chǎn)酶制劑等方面得到廣泛的應(yīng)用。本文綜述了嗜熱菌的分類(lèi)、特點(diǎn)、作用機(jī)制，以及在工業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，為促進(jìn)嗜熱菌在相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：嗜熱菌;耐高溫;應(yīng)用價(jià)值;研究進(jìn)展

一、嗜熱菌概述

1.1嗜熱菌分類(lèi)

嗜熱菌（Thermophiles）俗稱(chēng)高溫菌，也稱(chēng)嗜熱微生物，是一類(lèi)生活在高溫環(huán)境中的微生物，廣泛分布在溫泉、堆肥、地?zé)釁^(qū)土壤、火山地區(qū)以及海底火山地等。根據(jù)他們的耐熱程度，可把嗜熱菌分為五個(gè)不同的類(lèi)群：耐熱菌、兼性嗜熱菌、專(zhuān)性嗜熱菌、極端嗜熱菌和超嗜熱菌。

1.1.1耐熱菌

耐熱菌最高生長(zhǎng)溫度介于44℃和55℃之間，在30℃以下也可生長(zhǎng)，已經(jīng)報(bào)道的耐熱菌有高溫神袍菌屬和石油神袍菌屬，形態(tài)有桿狀和球形變化，均為革蘭氏陰性。

1.1.2兼性嗜熱菌

兼性嗜熱菌生長(zhǎng)溫度介于55℃到65℃之間。一些兼性嗜熱菌如D-葡萄嗜熱古細(xì)菌菌株JW能夠被相關(guān)酶催化而產(chǎn)生耐高溫酶如木糖異構(gòu)酶，其最適作用溫度受pH影響，已經(jīng)報(bào)道的兼性嗜熱菌有Anoxybacillus屬、Geobacillus屬等。

1.1.3專(zhuān)性嗜熱菌

專(zhuān)性嗜熱菌的最適生長(zhǎng)溫度介于65℃到70℃之間，但不能在低于40℃-42以下生長(zhǎng)。其中如海棲熱袍菌Thermotoga maritima是一種生長(zhǎng)在55-90℃的海底火山口附近、嚴(yán)格厭氧的細(xì)菌，是極耐熱性半纖維素酶的重要來(lái)源[2]。

1.1.4極端嗜熱菌

極端嗜熱菌最高生長(zhǎng)溫度高于70℃，最適溫度高于65℃，最低生長(zhǎng)溫度高于40℃。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)主要是Thermotoga屬的一些菌種，它們能產(chǎn)生熱穩(wěn)定的木聚糖酶，穩(wěn)定性在80-105℃。

1.2嗜熱菌的耐熱機(jī)制

1.2.1細(xì)胞膜的耐熱機(jī)制

嗜熱菌的細(xì)胞膜外有多個(gè)隱窩，有利于耐高溫。嗜熱菌細(xì)胞膜的脂雙分子層中有甘油脂肪酰二酯，隨著溫度的升高，復(fù)合類(lèi)脂中烷基鏈彼此間隔擴(kuò)大，而極性部分作為膜的雙層結(jié)構(gòu)則保持整齊液晶狀態(tài)，且嗜熱菌的細(xì)胞膜中含有飽和脂肪酸的比例比不飽和脂肪酸大，也可維持膜的液晶態(tài)，從而使嗜熱菌的細(xì)胞膜耐受高溫。

1.2.2遺傳物質(zhì)的耐熱機(jī)制

一般來(lái)說(shuō)，嗜熱菌的G-C%含量與其生長(zhǎng)溫度呈正相關(guān)的關(guān)系，DNA分子中G-C配對(duì)越多，解鏈所需的溫度就越高。嗜熱棲熱菌DNA的G-C%高達(dá)60-70%。此外，組蛋白和核小體在高溫下均有聚合成四聚體甚至八聚體的趨勢(shì)，這能保護(hù)裸露的DNA免受高溫降解。

二、嗜熱菌在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用

2.1有機(jī)廢水的治理

很多工業(yè)廢水的排放溫度都超過(guò)了45℃，運(yùn)用嗜熱菌可以直接對(duì)高溫廢水進(jìn)行處理，從而節(jié)省了冷卻設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用[10]，嗜熱菌通過(guò)好氧途徑、厭氧途徑、酶解等途徑對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解，相關(guān)的嗜熱菌預(yù)處理技術(shù)能夠有效地打破污泥絮體結(jié)構(gòu)，溶解微生物細(xì)胞，處理效率高，穩(wěn)定性好，能夠有效殺死病原體且剩余的污泥含量少。

2.2高溫堆肥技術(shù)與有機(jī)污染土壤的治理

如今治理污染土壤經(jīng)常采用的方法是堆肥法，將傳統(tǒng)堆肥和生物修復(fù)結(jié)合一起，因?yàn)槲⑸飳?duì)底物降解一般都是在較高溫度下進(jìn)行的（45～65℃），堆肥過(guò)程中代謝產(chǎn)生大量熱量在基質(zhì)中積累，溫度升高，嗜熱菌代謝快、活性高、酶的熱穩(wěn)定性好，適應(yīng)該環(huán)境并且能夠發(fā)揮作用提高發(fā)酵效率，解決養(yǎng)殖過(guò)程中糞便以及尸體高溫處理中的問(wèn)題，同時(shí)嗜熱菌能夠除去低濃度有機(jī)污染土壤中殘余污染物。

2.3嗜熱菌產(chǎn)酶

許多嗜熱菌產(chǎn)生的酶在較高的溫度和pH下仍能保持較高活力，傳質(zhì)速率高、耐有機(jī)溶劑，可以降低酶制劑的制備成本、提高酶促效率、減少能耗，在工業(yè)上有著廣闊應(yīng)用前景。其中新發(fā)現(xiàn)的用量較大的幾種常溫酶對(duì)應(yīng)的嗜熱酶有脂肪酶、蛋白酶、淀粉工業(yè)用酶、纖維素酶、木聚糖酶、脫鹵酶等，篩選出產(chǎn)酶效率較好且酶活性較高的菌株，其在生物合成和轉(zhuǎn)化中應(yīng)用將更加廣泛。

2.4微生物采油技術(shù)

利用微生物采油關(guān)鍵看所用菌種的優(yōu)良，通過(guò)研究菌種代謝途徑途徑以及相應(yīng)的工藝條件，自然篩選的菌種很難同時(shí)滿(mǎn)足既能較好地適應(yīng)環(huán)境，又能具有良好的驅(qū)油性能，而耐熱、耐鹽、產(chǎn)芽孢、產(chǎn)表面活性劑的嗜熱菌對(duì)原油降解呈現(xiàn)出良好特性，因而有著良好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

2.5基因工程中應(yīng)用

TaqDNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)對(duì)于PCR技術(shù)的應(yīng)用具有里程碑意義，它是在美國(guó)黃石公園里熱泉中發(fā)現(xiàn)并成功分離嗜熱細(xì)菌海棲熱袍菌所得，因其具有耐高溫性，在需要高溫環(huán)境的PCR反應(yīng)中不需要每個(gè)循環(huán)加酶，使PCR技術(shù)變得簡(jiǎn)捷且大大降低了成本，因此TaqDNA聚合酶取代了之前的DNA聚合酶，PCR技術(shù)也得以大量應(yīng)用。

2.6煤炭脫硫

目前在煤炭能源凈化利用領(lǐng)域中，在燃燒前使用微生物脫硫可以去除煤炭中細(xì)微的硫化物，能夠提高酶的質(zhì)量、降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本，減少環(huán)境污染。若使用一般的菌體，會(huì)因生長(zhǎng)慢、細(xì)胞量小而是脫硫效率較低，而嗜熱菌如嗜熱脫硫桿菌等生長(zhǎng)速度快，短期內(nèi)可得到較多菌株，脫出無(wú)機(jī)硫的同時(shí)也可脫除部分有機(jī)硫，引起了人們極大的關(guān)注。

三、展望

嗜熱菌因其具有耐高溫和極強(qiáng)的分子穩(wěn)定性，在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值，我們?nèi)栽诓粩嚅_(kāi)發(fā)嗜熱菌的應(yīng)用潛能使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。由于嗜熱菌的來(lái)源有限、培養(yǎng)條件苛刻，有時(shí)能夠用于工業(yè)生產(chǎn)的表達(dá)產(chǎn)物產(chǎn)量較低，因此隨著新技術(shù)的誕生和應(yīng)用、對(duì)新型嗜熱菌的分離和高溫酶反應(yīng)條件的探索，嗜熱菌的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將展示出更加廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張樹(shù)正.微生物多樣性的全球影響[J].生物學(xué)通報(bào)，1995，30（1）：1-2.

[2]歐平;嗜熱菌的研究進(jìn)展[J].賀州學(xué)院報(bào)，2009，（04）：136-140.