极端嗜热菌：多样性、适应性和应用

地球上有几个极端环境，不适合人类居住大多数生物。但令人惊讶的是，在过去的几十年里人们发现在这种极端的环境中繁荣昌盛。“极端分子”，意思是“极端之爱”是特别适合居住的实体其他实体无法生存的恶劣环境。这个发现极端微生物的数量不仅推动了生物技术产业寻找新产品从中，也让研究人员思考了外星生命的存在。最不适宜居住的环境包括物理或化学极端，如或低温、辐射、高压、缺水、高盐度、pH值极端情况和氧气限制。在所有这些地方都发现了微生物环境条件，如嗜热、嗜冷、嗜酸和嗜碱菌。像耐辐射球菌这样的细菌，能够抵御极端伽马辐射和Moritella sp.，能够在大气压下生长>已报告1000 atm。死海等环境已经饱和NaCl浓度，可容纳极端嗜盐菌，如盐卤杆菌。高度酸性环境，如西班牙的力拓河或埃塞俄比亚的嗜酸菌生长最适pH值为零或接近零另一方面，嗜碱菌和铜绿微囊藻则栖息在天然碱性环境中苏打湖的pH值可以达到12.0左右。许多厌氧原核生物可以生存在完全缺氧环境中使用除氧气。在本章中，我们将非常简要地讨论所有极端微生物的多样性及其适应机制。

超嗜热菌是喜欢在其中最佳生长的微生物极端炎热的环境，最适生长温度为80°C以上。大多数嗜高温菌以古细菌为代表；只有少数细菌，如降铁地温杆菌和属的成员据报道，Aquifex和Thermotoga在接近100°C的温度下生长。另一方面，一些古生菌，如Methanopyrus kandleri、Geogemma巴罗西火山、富马里火山、库库卡尼火山、隐伏火山等。与陆地温泉、海洋热液喷口或其他高温热泉隔离据报道，即使在沸点以上，环境也能得到最佳增长水。这一惊人微生物群的发现不仅为我们提供了模型系统来研究生物分子，并了解其适应的分子机制如此高的温度，甚至不接近其他生命形式所能忍受的温度，但也推动了生物技术行业寻找新产品，尤其是具有独特特性的酶。本章已经穷尽回顾了地球表面不同的高温环境和高温环境中的微生物多样性；适应机制嗜热细胞，尤其是膜的适应结构，维持核酸和蛋白质的结构；和他们的人类福利的不同应用。 

嗜冷菌可以定义为莫奈拉王国的成员在最低温度范围内永久繁荣。因为我们星球上的大多数通常是寒冷的，嗜冷菌在广泛的栖息地中很常见。广泛基因组学、转录组学和蛋白质组学领域的研究表明嗜冷菌具有几种适应性特征，可以在其体内生存和生长寒冷的栖息地。在不同的蜂窝实体（例如，酶、伴侣；蛋白质合成机械、能量生成系统和代谢途径已有报道。嗜冷菌中的所有这些修饰都是被认为是抵御这些严峻的环境挑战不可或缺的。这个本章重点介绍了解生物多样性的知识现状嗜冷微生物的低温适应机制。此外，嗜冷生物中的修饰生物分子，主要是酶和保留下来的材料，具有鲜明的特点，被发现对一些应用领域包括分子生物学研究、生物修复、洗涤剂配方和食品工业。生物技术和工业意义本章还讨论了嗜冷菌。 

嗜酸菌是指通常生长在pH值3.0或以下的生物体。它们通常发生在富含铁和硫的环境中。这些生物有能力氧化硫和铁，产生硫酸，从而使环境呈酸性。嗜酸菌普遍存在的环境称为酸性矿山排水（AMD）或酸性岩石排水（ARD）。酸的产生有助于溶解环境中的几种矿物；因此，嗜酸菌在生物冶金中发挥着重要作用。嗜酸菌是一组多样的生物，属于生命的所有三个领域，即细菌、古菌和Eukarya。其中许多是专性化石营养菌，少数是嗜酸异养菌。通常，化感器是将亚铁和硫分别氧化为铁和硫酸盐的化感器。在生长过程中，它们产生或分泌有机废物，这些废物对专性化能营养菌有毒，但通常被嗜酸异养菌清除。由于酸性环境，与细胞质相比，细胞外的质子浓度[H+]始终较高，因此这些生物体很容易产生跨膜的pH梯度。由此产生的pH梯度形成质子动力（PMF），利用质子动力耦合ADP和Pi，在ATP酶的帮助下生成ATP分子。然而，质子从外部连续流入细胞导致细胞质质子化或细胞质酸化，这可能导致有害影响，如DNA或蛋白质等几种大分子的变性或失活。因此，嗜酸菌必须进化出抵抗或耐受低pH值的机制。已经提出了几种机制，如质子不渗透性、反膜电位等，以解释它们在低pH值下保持系统内稳态平衡的能力。本章详细讨论了嗜酸微生物的多样性及其耐酸机理。

嗜碱菌是一些主要的极端微生物，它们占据pH值通常比中性值高两个单位的地球生态位。尽管在罕见的地理区域大量发现，但这些生物具有它们的酶活性非常重要，这使它们能够在极端碱性条件下起作用，因此具有多种工业用途和生物技术应用。他们独特的适应方式和排他性资源利用能力使生物技术对其存在感兴趣研究。对嗜碱菌的研究揭示了这些微生物在苏打湖的生物修复及其对复杂有机物的降解效率它们产生的化合物和某种抗生素数量巨大对制药行业的重要性。遗传学研究的最新进展重组DNA技术使人们能够了解它们的基因它们的分类群特有的修饰，帮助研究人员利用重要商业碱的分离纯化编码序列活性酶。尽管有所有的有益影响嗜碱菌是持续研究中最具挑战性的任务和问题之一。本章将详细说明一些重要的嗜碱细菌在全球罕见的碱性区域，它们之间的差异，它们的代谢结构和基因组特征的活性、独特适应性和修饰并总结了从中分离出来的重要商业产品。 

盐碱环境是这个宇宙中最常见的极端栖息地之一。它们有两种主要类型，即“海盐”，即源自海水的海盐，以氯化钠为主；以及具有不同离子组成的非海水来源的“阿他拉索林”。来自生命各个领域的生物体已经适应在盐度从正常到饱和的环境中茁壮成长。特别是，嗜盐微生物已经发展出几种适应机制来应对渗透胁迫。耐盐或中度嗜盐菌使用外排泵，或在细胞质中积累中性相容溶质；极端嗜盐微生物积累钾离子，这是一种被称为盐化的策略，以匹配外部环境中的高离子组成。后者主要包括古生物成员，但细菌红色盐杆菌除外。嗜盐微生物的一般适应性特征也有助于它们在其他应激条件下茁壮成长，并克服其他应激条件，如抗抗生素、重金属和离子液体。这些微生物具有广泛的生理多样性，包括有氧和无氧光养生物、需氧异养生物和能够进行多种厌氧呼吸代谢的微生物。据报道，在盐碱环境中也存在纳米微生物。其巨大的代谢多功能性、低营养需求和适应机制，使其有望用于多种生物技术应用，如生产色素、生物聚合物、相容溶质和耐盐水解酶。它们还用于生物修复、食品保存和特殊发酵食品的制备。了解嗜盐菌也为天体生物学研究铺平了道路。本书的这一章总结了目前对嗜盐微生物多样性、适应性和应用的理解。

精神分裂症是一种极端嗜热的有机体，能够滋生和生存在高达10 MPa（1450 psi=99 atm）的极端静水压力下。多样性通过对深海环境进行分析，可以研究压电生物居住着来自生命所有三个领域的不同压电性生物。关于通过这一过程，获得了压电材料的生理学和适应性机制深海微生物的采集和培养。身体适应是在这些深海中，在高静水压力下生长的绝对必要条件环境。压褶剂具有脂质和脂肪酸的等粘滞适应性它随静水压力的变化而变化。然而，它们包含二十二碳六烯酸（DHA）（22:6n-3）、磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰甘油（PG）是主要成分，有助于适应这种极端环境。压电陶瓷承受超高压、极端压力的能力在低温和高温（2°C–100°C）等条件下如本章所述的应用程序。本章主要介绍压电材料微生物，包括它们不同的类群，它们在深海环境及其分子方法和几种应用。

水是最重要的物质之一，对微生物的细胞微模块活动和内务管理功能至关重要。然而，一些被称为嗜干菌的微生物已经适应了他们的生态位，并进化为利用很少的水。嗜干菌是一类极端微生物，可以在非常有限的水存在下生长和繁殖，水活度（aw）低至0.8。“嗜旱菌”一词来源于希腊语单词“xöros”，意思是“干”，“philos”意思是“情人”，表示他们喜欢在低海拔地区生长。据报道，在干旱的沙漠、食物腐败和高盐度环境、陨石和小行星上都有嗜旱菌的存在。由于这些生物体生活在不同的极端环境中，它们具有行为、生理、代谢和分子适应能力，能够在这些环境中生存。在本章中，我们讨论了嗜干细胞的多样性和不同的适应机制。

从宇宙粒子的形成开始，地球就暴露于各种类型的辐射。随着逐渐冷却和环境改造开始维持生命，首先是以病毒和细菌的形式。因此，抗辐射微生物被认为是地球上古老的生命形式之一。然而，今天，这是一个相对未被探索的研究领域。虽然成员很少，抗辐射细菌属于一个系统发育多样的群落对辐射剂量的耐受程度也各不相同。在大多数情况下抗性机制涉及DNA损伤和蛋白质氧化的存活。在在本章中，我们将讨论迄今为止发现的抗辐射细菌的多样性它们的一般抵抗机制，以及辐射和辐射引起的损伤。 

重金属，一组天然存在的元素众所周知，地壳具有广泛的生物学意义。人为的活动导致重金属不断增加，产生巨大的负面影响对环境中生命形式的影响，其水平超出安全范围。微生物总是第一组直接受到重金属在环境中的积累。重金属毒性显著影响微生物群落组成变化的微生物在任何生态系统中的功能。固有和获得的电阻特性导致污染地区耐药菌群的发展。一个大的从各种污染场所分离出了大量耐重金属细菌如工业废水、水产养殖、农业土壤、食品、河水和沉积物。耐药性的决定因素是质粒和染色体编码的在细菌中细菌、外排系统和酶解毒是两种常见机制偶尔还辅以隔离或生物累积。细菌的这些耐药性策略通常在生物修复策略。由于重金属的持久性和不降解性金属，很难清除环境中的污染物此外，重金属污染的传统处理方法复杂且成本密集型。因此，基于微生物的技术提供了有效、经济的生物修复重金属的生态友好应用污染环境。

极端亲和力，或在环境条件下茁壮成长的能力被认为是极端的通常是从人类的角度来决定的。从那以后从某种角度来看，生物体适应了稀少甚至缺乏分子氧的环境，可被视为极端微生物之一，即厌氧菌。在本章中厌氧微生物的各个方面，包括它们的不同分类群系统发育分布，以及它们被隔离的环境。由于原核生物分类学是一个动态过程，因此我们在这里强调了有效地归入分类群并具有培养代表性的生物体。在这个第节，古生菌和细菌-这两个领域分别讨论。类似在讨论适应机制时也保持了分离可能。由于这两个域共享某些属性，因此接下来的部分是在这两个领域之间没有分开。 

极端微生物是能够适应、生存和生长的微生物被认为对其他生命形式不利或致命的极端栖息地。喜欢各种据报道，在其他极端环境中，细菌也会在最低限度的培养基中生长没有额外的碳和能源。可以在其中生长的微生物低营养素浓度或明显缺乏营养素时，被称为寡养生物。相比之下，共营养细菌在资源或营养物质丰富的地方生长迅速丰富。许多寡养生物改变了它们的形态（表面积与体积比）随着营养物质浓度的变化。从不同的低营养栖息地，如海洋、土壤、沙漠土壤、超纯水，等各种寡养生物的分子和生理特性及其研究了其在生物修复中的应用。寡养生物也适用于原位生物修复，因为这些微生物可以在受污染的土壤上生长没有额外营养的地点。值得注意的是，寡养生物的适应能力将其转化为具有吸引力的工业来源。因此，寡养生物具有生物技术潜力，引导研究人员尝试隔离和研究来自各种低营养栖息地。本章的目的是讨论寡养生物的特性、适应性和应用。 

细菌化石代谢是最古老的代谢之一通常定义为某些微生物利用多种无机基质作为能量或电子源。虽然岩石肥大本身可以被认为是极端微生物，因为只有一些微生物（食岩者）具有利用多种无机化学品作为唯一能源的能力在系统发育上，不同类型的石养生物可以在各种极端条件下繁衍生息栖息地。它们除了具有良好的生态生理适应性外，还具有在这种情况下保持其岩石营养特性的多功能酶机械极端环境。在本章中，我们强调了铁的多样性，各种极端栖息地中的氢和硫嗜石极端细菌，以及它们在维持初级生产力、生态系统稳定性和矿产资源方面的作用循环/矿物学转换。此外，遗传决定因素和据报道参与这种岩石营养代谢的酶系统也进行了讨论。我们希望这篇文章能对以下领域提供一些新的见解极端嗜石症，这将最终提高我们对扩展了生命的新边界。 

极端嗜热菌是能够在恶劣环境中生存的生物体温度、pH值、高盐度、极端压力和高剂量辐射。它们分布在整个地球地表和水体。根据栖息地和极端情况对其进行分类它们栖息的环境，如寡养生物、嗜热生物、嗜冷生物、嗜盐生物、，嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌和嗜辐射菌。极端分子有一个巨大的对人类生活的影响。从中获得的酶现在用于工业微生物学、农业、制药和医疗诊断、生物修复、，以及更多领域。具有巨大的商业效益和先进的科学技术研究人员正在研究极端微生物，以便更好地了解它们的新陈代谢和新应用的生存策略。本章的重点是不同类型极端微生物在工业、科学研究、，医学和其他领域。