嗜热菌在工业中的应用研究进展

余然 李瑞

摘要：嗜热菌作为一种能够在高温环境下生存的微生物，目前已经被多国广泛应用于工业、农业、畜牧业、环保等众多领域。在废水废料的厌氧处理，矿产资源的开发，堆肥发酵、生产酶制剂等方面得到广泛的应用。本文综述了嗜热菌的分类、特点、作用机制，以及在工业领域的研究进展，为促进嗜热菌在相关领域的广泛应用提供理论参考。

关键词：嗜热菌;耐高温;应用价值;研究进展

一、嗜热菌概述

1.1嗜热菌分类

嗜热菌（Thermophiles）俗称高温菌，也称嗜热微生物，是一类生活在高温环境中的微生物，广泛分布在温泉、堆肥、地热区土壤、火山地区以及海底火山地等。根据他们的耐热程度，可把嗜热菌分为五个不同的类群：耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌和超嗜热菌。

1.1.1耐热菌

耐热菌最高生长温度介于44℃和55℃之间，在30℃以下也可生长，已经报道的耐热菌有高温神袍菌属和石油神袍菌属，形态有杆状和球形变化，均为革兰氏阴性。

1.1.2兼性嗜热菌

兼性嗜热菌生长温度介于55℃到65℃之间。一些兼性嗜热菌如D-葡萄嗜热古细菌菌株JW能够被相关酶催化而产生耐高温酶如木糖异构酶，其最适作用温度受pH影响，已经报道的兼性嗜热菌有Anoxybacillus属、Geobacillus属等。

1.1.3专性嗜热菌

专性嗜热菌的最适生长温度介于65℃到70℃之间，但不能在低于40℃-42以下生长。其中如海栖热袍菌Thermotoga maritima是一种生长在55-90℃的海底火山口附近、严格厌氧的细菌，是极耐热性半纤维素酶的重要来源[2]。

1.1.4极端嗜热菌

极端嗜热菌最高生长温度高于70℃，最适温度高于65℃，最低生长温度高于40℃。目前已经发现主要是Thermotoga属的一些菌种，它们能产生热稳定的木聚糖酶，稳定性在80-105℃。

1.2嗜热菌的耐热机制

1.2.1细胞膜的耐热机制

嗜热菌的细胞膜外有多个隐窝，有利于耐高温。嗜热菌细胞膜的脂双分子层中有甘油脂肪酰二酯，随着温度的升高，复合类脂中烷基链彼此间隔扩大，而极性部分作为膜的双层结构则保持整齐液晶状态，且嗜热菌的细胞膜中含有饱和脂肪酸的比例比不饱和脂肪酸大，也可维持膜的液晶态，从而使嗜热菌的细胞膜耐受高温。

1.2.2遗传物质的耐热机制

一般来说，嗜热菌的G-C%含量与其生长温度呈正相关的关系，DNA分子中G-C配对越多，解链所需的温度就越高。嗜热栖热菌DNA的G-C%高达60-70%。此外，组蛋白和核小体在高温下均有聚合成四聚体甚至八聚体的趋势，这能保护裸露的DNA免受高温降解。

二、嗜热菌在现代工业中的应用

2.1有机废水的治理

很多工业废水的排放温度都超过了45℃，运用嗜热菌可以直接对高温废水进行处理，从而节省了冷却设备和运行费用[10]，嗜热菌通过好氧途径、厌氧途径、酶解等途径对有机污染物进行降解，相关的嗜热菌预处理技术能够有效地打破污泥絮体结构，溶解微生物细胞，处理效率高，稳定性好，能够有效杀死病原体且剩余的污泥含量少。

2.2高温堆肥技术与有机污染土壤的治理

如今治理污染土壤经常采用的方法是堆肥法，将传统堆肥和生物修复结合一起，因为微生物对底物降解一般都是在较高温度下进行的（45～65℃），堆肥过程中代谢产生大量热量在基质中积累，温度升高，嗜热菌代谢快、活性高、酶的热稳定性好，适应该环境并且能够发挥作用提高发酵效率，解决养殖过程中粪便以及尸体高温处理中的问题，同时嗜热菌能够除去低浓度有機污染土壤中残余污染物。

2.3嗜热菌产酶

许多嗜热菌产生的酶在较高的温度和pH下仍能保持较高活力，传质速率高、耐有机溶剂，可以降低酶制剂的制备成本、提高酶促效率、减少能耗，在工业上有着广阔应用前景。其中新发现的用量较大的几种常温酶对应的嗜热酶有脂肪酶、蛋白酶、淀粉工业用酶、纤维素酶、木聚糖酶、脱卤酶等，筛选出产酶效率较好且酶活性较高的菌株，其在生物合成和转化中应用将更加广泛。

2.4微生物采油技术

利用微生物采油关键看所用菌种的优良，通过研究菌种代谢途径途径以及相应的工艺条件，自然筛选的菌种很难同时满足既能较好地适应环境，又能具有良好的驱油性能，而耐热、耐盐、产芽孢、产表面活性剂的嗜热菌对原油降解呈现出良好特性，因而有着良好的应用价值和发展前景。

2.5基因工程中应用

TaqDNA聚合酶的发现对于PCR技术的应用具有里程碑意义，它是在美国黄石公园里热泉中发现并成功分离嗜热细菌海栖热袍菌所得，因其具有耐高温性，在需要高温环境的PCR反应中不需要每个循环加酶，使PCR技术变得简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技术也得以大量应用。

2.6煤炭脱硫

目前在煤炭能源净化利用领域中，在燃烧前使用微生物脱硫可以去除煤炭中细微的硫化物，能够提高酶的质量、降低运转成本，减少环境污染。若使用一般的菌体，会因生长慢、细胞量小而是脱硫效率较低，而嗜热菌如嗜热脱硫杆菌等生长速度快，短期内可得到较多菌株，脱出无机硫的同时也可脱除部分有机硫，引起了人们极大的关注。

三、展望

嗜热菌因其具有耐高温和极强的分子稳定性，在工业上具有广阔的应用价值，我们仍在不断开发嗜热菌的应用潜能使其转化为生产力。由于嗜热菌的来源有限、培养条件苛刻，有时能够用于工业生产的表达产物产量较低，因此随着新技术的诞生和应用、对新型嗜热菌的分离和高温酶反应条件的探索，嗜热菌的开发和应用将展示出更加广阔的前景。

参考文献：

[1]张树正.微生物多样性的全球影响[J].生物学通报，1995，30（1）：1-2.

[2]欧平;嗜热菌的研究进展[J].贺州学院报，2009，（04）：136-140.