我們無法踏入的“生命禁區(qū)”，它們卻在這里頑強(qiáng)生活

在自然界中，有些環(huán)境是普通生物不能生存的，如高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高壓、高輻射等。

然而，即便是在這些通常被認(rèn)為是生命禁區(qū)的極端環(huán)境中，仍然有些微生物在頑強(qiáng)的生活著，我們將這些微生物叫做極端環(huán)境微生物或簡稱為極端微生物。

今天，讓我們來認(rèn)識一下這些生命力頑強(qiáng)的小家伙們吧。

01

嗜冷菌

在地球的南北極地區(qū)、冰窖、終年積雪的高山、深海和凍土地區(qū)，生活著一些嗜冷微生物。專性嗜冷菌適應(yīng)在低于 20℃ 以下的環(huán)境中生活，高于 20℃ 即死亡。

南極冰山。圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

有一種專性嗜冷菌，在溫度超過 22℃ 時，其蛋白質(zhì)的合成就會停止。

專性嗜冷菌的細(xì)胞膜內(nèi)含有大量的不飽和脂肪酸，而且會隨溫度的降低而增加，從而保證了膜在低溫下的流動性，這樣，細(xì)胞就能在低溫下不斷從外界環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。

兼性嗜冷菌生長的溫度范圍較寬，最高溫度達(dá)到 30℃ 時還能生活。嗜冷微生物是導(dǎo)致低溫保藏食品腐敗的根源。

02

嗜熱菌

嗜熱菌俗稱高溫菌，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。兼性嗜熱菌最適宜生長溫度在 50~65℃ 之間，專性嗜熱菌最適宜生長溫度則在 65~70℃ 之間。

在冰島，有一種嗜熱菌可在 98℃ 的溫泉中生長。在美國黃石國家公園的含硫熱泉中，曾經(jīng)分離到一株嗜熱的兼性自養(yǎng)細(xì)菌——酸熱硫化葉菌，它們可以在高于 90℃ 的溫度下生長。近年來，這種細(xì)菌已受到了廣泛重視，可用于細(xì)菌浸礦、石油及煤炭的脫硫。

地?zé)釁^(qū)。圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

在一些污泥、溫泉和深海地?zé)岷Ｋ?，生活著能產(chǎn)甲烷的嗜熱細(xì)菌，生活的環(huán)境溫度高，鹽濃度大，壓力也非常高，在實驗室很難分離和培養(yǎng)。

嗜熱真菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高溫環(huán)境中，有助于一些有機(jī)物的降解。

在發(fā)酵工業(yè)中，嗜熱菌可用于生產(chǎn)多種酶制劑，例如纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等，由這些微生物中產(chǎn)生的酶制劑具有熱穩(wěn)定性好、催化反應(yīng)速率高，易于在室溫下保存。

近年來，嗜熱菌研究中最引人注目的成果之一就是將水生棲熱菌中耐熱的 Taq DNA 聚合酶用于基因的研究和遺傳工程的研究以及基因技術(shù)的廣泛應(yīng)用中。

03

嗜酸菌

嗜酸菌分布在酸性礦水、酸性熱泉等地區(qū)。其中，嗜酸硫桿菌是一種能進(jìn)行化能自養(yǎng)和化能異養(yǎng)生長的細(xì)菌，最適生長 pH 值在 3.0~3.5 之間的環(huán)境中。

如氧化硫硫桿菌在 pH 值低于 0.5 的環(huán)境中仍能存活，專性自養(yǎng)嗜酸的氧化亞鐵硫桿菌能氧化硫和鐵，并產(chǎn)生硫酸，這兩種細(xì)菌都是極端嗜酸菌。

冰島熱泉。圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

在酸性環(huán)境中，還生活著一些嗜酸嗜熱的芽嗜酸硫桿菌，在 60~65℃、pH3~4 的條件下，生長速率達(dá)到最大。這種細(xì)菌能利用碳水化合物或氨基酸作為營養(yǎng)源。

同樣在酸熱環(huán)境中生長繁殖的還有一種微生物，它叫做嗜酸熱原體，最適生長溫度為 59℃，最適 pH 為 2 左右，無細(xì)胞壁，對營養(yǎng)要求相當(dāng)復(fù)雜，必須利用酵母膏作為營養(yǎng)基質(zhì)，還必須有天然的有機(jī)營養(yǎng)才能生長。

此外，在酸性環(huán)境中，還生活著許多嗜酸的真核微生物，如橢圓酵母、紅酵母等。有一種頭孢霉，需要在濃度為 10% 以上的硫酸中生長，并要求培養(yǎng)基中含有 4% 的硫酸銅，它是迄今發(fā)現(xiàn)的抗酸能力最強(qiáng)的微生物。

多年來，嗜酸細(xì)菌被廣泛用于銅等金屬的細(xì)菌浸出。另外，人們也在嘗試?yán)昧驐U菌分解磷礦粉，通過提高其溶解度來增加磷礦粉的肥效。

04

嗜堿菌

在堿湖及一些堿性環(huán)境中，甚至在一些中性環(huán)境中，可分離出嗜堿微生物。專性嗜堿微生物可在 pH11~12 的條件下生長，但在中性 pH 條件下卻不能生長。例如巴氏芽孢桿菌、嗜堿芽孢桿菌等細(xì)菌即是如此。

堿灘。圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

在高pH的堿水泉中，曾分離出一種黃桿菌，它在 pH11.4 的條件下生長良好。

在石灰湖出現(xiàn)富營養(yǎng)化的水體中，許多藍(lán)細(xì)菌也是嗜堿菌，它們最適的生長 pH 值在 9~10 之間，有一種藻類甚至能在 pH13 的強(qiáng)堿條件下生長，這是迄今發(fā)現(xiàn)的抗堿值最高的微生物。

近年來，人們還發(fā)現(xiàn)了嗜堿的能進(jìn)行光合作用的細(xì)菌。嗜堿菌在發(fā)酵工業(yè)中，可作為許多種酶制劑的生產(chǎn)菌。例如嗜堿芽孢桿菌產(chǎn)生的彈性蛋白酶適宜作用彈性蛋白，而且在高 pH 條件下裂解該種蛋白質(zhì)的活性可以大大提高。

由嗜堿細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白酶具有堿性條件下催化活力高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，常作為洗滌劑的添加劑。

還有由嗜堿芽孢桿菌產(chǎn)生的木聚糖酶能夠水解木聚糖產(chǎn)生木糖和寡聚糖，因此可用來處理人造纖維廢物，而堿性β甘露聚糖酶降解甘露聚糖產(chǎn)生的寡糖可作為保健品的添加劑。

05

嗜鹽菌

嗜鹽菌通常分布在曬鹽場、鹽湖、腌制品中以及世界上著名的死海中。嗜鹽菌能夠在鹽濃度為 15%~20% 的環(huán)境中生長，有的甚至能在 32% 的鹽水中生長。

極端嗜鹽菌有鹽桿菌和鹽球菌，屬于古菌。鹽桿菌細(xì)胞含有紅色素，所以在鹽湖和死海中大量生長時，會使這些環(huán)境出現(xiàn)紅色。

一些嗜鹽細(xì)菌的細(xì)胞中存在有紫膜，膜中含有一種蛋白質(zhì)，叫做細(xì)菌視紫紅質(zhì)，能吸收太陽光的能量。

鹽沼。圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

嗜鹽菌能引起食品腐敗和食物中毒，副溶血弧菌是分布極廣的海洋細(xì)菌，也是引起食物中毒的主要細(xì)菌之一，通過污染海產(chǎn)品、咸菜、烤鵝等致病。

但它們其實也在很多領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)——嗜鹽菌可用于生產(chǎn)胞外多糖、聚羥基丁酸（PHB）、食用蛋白、調(diào)味劑、保健食品強(qiáng)化劑、酶保護(hù)劑、計算機(jī)存儲器等，還可用于海水淡化、鹽堿地改造利用以及能源開發(fā)等。

06

嗜壓菌

在海洋深處以及深油井中，還分布著一些嗜壓微生物，它們生存的環(huán)境中壓力達(dá)一千多個大氣壓，在常壓下它們卻是不能生存的。有人曾經(jīng)在太平洋靠近菲律賓的 10897 米深的海底分離到嗜壓的細(xì)菌。

耐高溫和厭氧生長的嗜壓菌有望用于油井下產(chǎn)氣增壓和降低原油粘度，借以提高采收率。

圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

想不到吧，在那些寸草不生的“不毛之地”，其實還生活著這些肉眼難見的微生物。

不僅如此，或許有一天，在科研人員們的巧思下，這些堅強(qiáng)的小家伙們還能成為我們的小幫手哦！

出品｜科普中國

作者｜觀世入微團(tuán)隊

監(jiān)制｜中國科普博覽

選送單位：中國科學(xué)院計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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