Seminar Ⅱ
2002级研究生：张海涛
导 ? 师,张卫 研究员
2004.9.28
海洋生物产品工程组（ G1812）
极端环境微生物介绍
传统微生物培养方式的局限
极端环境微生物培养
讨论与展望
主要内容
极端环境微生物
微生物的多样性表现在其生长环境，几乎整个生物
圈环境，都有微生物存在。虽然大多数微生物只能在
温和中性环境中生长，但有些微生物却能在特殊的环
境中生存，例如高温、低温、高盐、高碱、高酸、高
压、高辐射等环境。这些微生物由于适应特殊环境的
结果，形成独特的机能、结构和遗传基因。 这类微生
物称为极端微生物 (extremophiles)，因为具有特殊
的基因类型、生理机制及代谢产物，是一群新型且具
有很大开发潜力的生物资源 ……,
极端环境
不同生物的 pH极限
红色为古细菌, 蓝色为细菌, 浅绿色为藻类, 棕色为
真菌, 黄色为原生动物, 绿色为植物, 紫色是动物 。
不同生物的温度极限
红色为古细菌, 蓝色为细菌, 浅绿色为藻类, 棕色为
真菌, 黄色为原生动物, 绿色为植物, 紫色是动物 。
极端环境微生物
通俗的讲，极端环境微生物是指生长在
极端环境下的一大类微生物。
它们偏好极端的环境，如高温，低温，
高盐，极端 pH，极端营养条件等等。
还包括一些能耐受极端条件，如强辐射，
强毒性等一些非常规理化环境。
许多的极端环境微生物还生存在人类未
能探知的环境。
Life in extreme environments,Lynn J,Rothschild & Rocco
L,Mancinelli Nature,2001,Vol,409,1092-1101
极端环境微生物的研究意义
由于极端环境微生物能产生许多独特的稳定蛋
白，在生物技术产业上有很高的价值，它们产
生的许多酶已经在市场上得到广泛的应用。
在生物学上，极端环境微生物的意义也不能被
低估，通过对 16s rDNA的研究,Woese在
1990年提出了新的分类系统。
对极端环境微生物中古细菌的研究，显示这一
类微生物和已知的微生物有显著的差别，从而，
提出了新的分类系统，即三元界分类系统－ 古
菌、细菌和真核生物。
极端环境微生物在工业上的应用
Life in extreme environments,Lynn J,Rothschild &
Rocco L,Mancinelli Nature,2001,Vol,409,1092-1101
传统的微生物分离培养方法
传统微生物培养缺陷
通用培养基对大多数极端环境下难培
养微生物 (99%以上 )没有选择性。
培养条件很难与自然条件一致。
对微生物领域认识的局限。
极端环境微生物培养进展
近年来，随着分子生物学技术和其他
相关技术在微生物分离检测中的应用，
越来越多的极端环境微生物被检测到。
随着培养的研究深入和技术水平的提
高，许多微生物从不可培养状态达到了
纯培养状态。
而对培养出微生物的性质研究也有了
许多新的进展。
极端环境微生物的培养意义
通过实验室培养技术手段，实现极端环
境微生物的可培养。
发现新的生物资源，是生物多样性开发
和保护研究的重要方面。
研究其生理生化特征，为其将来能大规
模应用奠定基础。
未可培养微生物的培养思想
选定培养目标。
确定培养方案。
实现可培养化。
极端环境微生物培养方法归纳
模拟自然环境分离获得纯培养。
采用荧光标记已探测菌基因，追踪分离。
极端营养研究，实现微生物分离培养。
Isolating,Uncultivable”
Microorganisms in Pure Culture in
a Simulated Natural Environment
T,Kaeberlein,K,Lewis,S,S,Epstein
Biology Department,Northeastern University,Boston,MA
02115,USA;
Marine Science Center,Northeastern University,Nahant,
MA 01908,USA,
Science,2002 Vol,296,1127-1129
作者依据膜过滤原理和固定化技术，设计了
一种新型的培养方式。在自然环境中，营养物质
和代谢废物能通过膜，而细菌则在固定化培养过
程中形成菌落。对于其生长机理的研究则有利于
对环境中微生物的未可培养机理进行探讨。
研究结果
通过这种培养方法培养出来
的微生物中（ 86± 7） ％以上
在培养皿上不能得到培养。
其中得到能够在常规方法纯
培养的都属于生长速度相对比
较快速的微生物。
通过这种新方法分离得到了
新目级别的新物种。
其中的一株菌 MSC1不能在
培养皿上独立生存，只有和其
他的细菌（ MSC2,MSC4 或
MSC5）一起才能维持生存。
Cultivation of the ubiquitous SAR11
marine bacterioplankton clade
Michael S,Rappe,Stephanie A,Connon,Kevin L,Vergin
& Stephen J,Giovannoni
Department of Microbiology,Oregon State University,
Corvallis,Oregon 97331,USA
Nature,2002,Vol,418,630-633
研究过程
通过 DNA检测，首先发现 SAR11类细
菌在海洋中大量存在。
设计该菌种的特异探针，并对其荧光标
记，找到该菌位置。
对培养方法的探索，使该菌得到增殖达
到分离并纯培养。
研究结论
SAR11细菌是目前发
现的最小的细菌
（ 0.01μm3）。
其与目前已知的 ?－
蛋白细菌的最高相似度
只有 82％，是一类全新
的物种。
与普通细菌相比，
SAR11类细菌偏好于无
机营养成分，而不是复
合有机养料。
New Strategies for Cultivation
and Detection of Previously
Uncultured Microbes
Bradley S,Stevenson,* Stephanie A,Eichorst,John T,
Wertz,Thomas M,Schmidt,and John A,Breznak
Department of Microbiology and Molecular Genetics,
Michigan State University,East Lansing,Michigan
Applied and Enviromental Microbiology,2004,Vol,70
4748–4755
设计了针对分离
目标 Acidobacteria
和 Verrucomicrobia
的 PCR引物，同时
对照洗脱培养皿和
培养孔板进行 PCR
反应，确定培养目
标，然后进行培养
筛选，最后在使目
标达到了纯培养。
极大地减少了培养
过程中的盲目性，
提高了实验效率。
结论与思考
不同的微生物之间的培养方法有极大的差
异，因此对极端难培养微生物的培养不能
“一刀切”。
在研究培养方法时要充分借鉴其原始的生
活环境和生理条件。
现有的分子生物学探测微生物多样性方面
仍可能存在缺陷，未知基因的存在？未知
微生物存在的可能性？
微生物本身生理情况？生长速度的局限？
极端环境微生物培养之未来
极端环境微生物是一大类超越人们想象的
丰富的未开发资源。
得到菌株，实现培养将为人类开发这资源
提供更广阔的空间。
对其获得纯培养需要突破传统的分离观念，
在方法学上下功夫。
某些特殊情况下纯培养是难以实现的，而
共培养、共代谢是极端环境微生物培养的
一个方向。
2002级研究生：张海涛
导 ? 师,张卫 研究员
2004.9.28
海洋生物产品工程组（ G1812）
极端环境微生物介绍
传统微生物培养方式的局限
极端环境微生物培养
讨论与展望
主要内容
极端环境微生物
微生物的多样性表现在其生长环境，几乎整个生物
圈环境，都有微生物存在。虽然大多数微生物只能在
温和中性环境中生长，但有些微生物却能在特殊的环
境中生存，例如高温、低温、高盐、高碱、高酸、高
压、高辐射等环境。这些微生物由于适应特殊环境的
结果，形成独特的机能、结构和遗传基因。 这类微生
物称为极端微生物 (extremophiles)，因为具有特殊
的基因类型、生理机制及代谢产物，是一群新型且具
有很大开发潜力的生物资源 ……,
极端环境
不同生物的 pH极限
红色为古细菌, 蓝色为细菌, 浅绿色为藻类, 棕色为
真菌, 黄色为原生动物, 绿色为植物, 紫色是动物 。
不同生物的温度极限
红色为古细菌, 蓝色为细菌, 浅绿色为藻类, 棕色为
真菌, 黄色为原生动物, 绿色为植物, 紫色是动物 。
极端环境微生物
通俗的讲，极端环境微生物是指生长在
极端环境下的一大类微生物。
它们偏好极端的环境，如高温，低温，
高盐，极端 pH，极端营养条件等等。
还包括一些能耐受极端条件，如强辐射，
强毒性等一些非常规理化环境。
许多的极端环境微生物还生存在人类未
能探知的环境。
Life in extreme environments,Lynn J,Rothschild & Rocco
L,Mancinelli Nature,2001,Vol,409,1092-1101
极端环境微生物的研究意义
由于极端环境微生物能产生许多独特的稳定蛋
白，在生物技术产业上有很高的价值，它们产
生的许多酶已经在市场上得到广泛的应用。
在生物学上，极端环境微生物的意义也不能被
低估，通过对 16s rDNA的研究,Woese在
1990年提出了新的分类系统。
对极端环境微生物中古细菌的研究，显示这一
类微生物和已知的微生物有显著的差别，从而，
提出了新的分类系统，即三元界分类系统－ 古
菌、细菌和真核生物。
极端环境微生物在工业上的应用
Life in extreme environments,Lynn J,Rothschild &
Rocco L,Mancinelli Nature,2001,Vol,409,1092-1101
传统的微生物分离培养方法
传统微生物培养缺陷
通用培养基对大多数极端环境下难培
养微生物 (99%以上 )没有选择性。
培养条件很难与自然条件一致。
对微生物领域认识的局限。
极端环境微生物培养进展
近年来，随着分子生物学技术和其他
相关技术在微生物分离检测中的应用，
越来越多的极端环境微生物被检测到。
随着培养的研究深入和技术水平的提
高，许多微生物从不可培养状态达到了
纯培养状态。
而对培养出微生物的性质研究也有了
许多新的进展。
极端环境微生物的培养意义
通过实验室培养技术手段，实现极端环
境微生物的可培养。
发现新的生物资源，是生物多样性开发
和保护研究的重要方面。
研究其生理生化特征，为其将来能大规
模应用奠定基础。
未可培养微生物的培养思想
选定培养目标。
确定培养方案。
实现可培养化。
极端环境微生物培养方法归纳
模拟自然环境分离获得纯培养。
采用荧光标记已探测菌基因，追踪分离。
极端营养研究，实现微生物分离培养。
Isolating,Uncultivable”
Microorganisms in Pure Culture in
a Simulated Natural Environment
T,Kaeberlein,K,Lewis,S,S,Epstein
Biology Department,Northeastern University,Boston,MA
02115,USA;
Marine Science Center,Northeastern University,Nahant,
MA 01908,USA,
Science,2002 Vol,296,1127-1129
作者依据膜过滤原理和固定化技术，设计了
一种新型的培养方式。在自然环境中，营养物质
和代谢废物能通过膜，而细菌则在固定化培养过
程中形成菌落。对于其生长机理的研究则有利于
对环境中微生物的未可培养机理进行探讨。
研究结果
通过这种培养方法培养出来
的微生物中（ 86± 7） ％以上
在培养皿上不能得到培养。
其中得到能够在常规方法纯
培养的都属于生长速度相对比
较快速的微生物。
通过这种新方法分离得到了
新目级别的新物种。
其中的一株菌 MSC1不能在
培养皿上独立生存，只有和其
他的细菌（ MSC2,MSC4 或
MSC5）一起才能维持生存。
Cultivation of the ubiquitous SAR11
marine bacterioplankton clade
Michael S,Rappe,Stephanie A,Connon,Kevin L,Vergin
& Stephen J,Giovannoni
Department of Microbiology,Oregon State University,
Corvallis,Oregon 97331,USA
Nature,2002,Vol,418,630-633
研究过程
通过 DNA检测，首先发现 SAR11类细
菌在海洋中大量存在。
设计该菌种的特异探针，并对其荧光标
记，找到该菌位置。
对培养方法的探索，使该菌得到增殖达
到分离并纯培养。
研究结论
SAR11细菌是目前发
现的最小的细菌
（ 0.01μm3）。
其与目前已知的 ?－
蛋白细菌的最高相似度
只有 82％，是一类全新
的物种。
与普通细菌相比，
SAR11类细菌偏好于无
机营养成分，而不是复
合有机养料。
New Strategies for Cultivation
and Detection of Previously
Uncultured Microbes
Bradley S,Stevenson,* Stephanie A,Eichorst,John T,
Wertz,Thomas M,Schmidt,and John A,Breznak
Department of Microbiology and Molecular Genetics,
Michigan State University,East Lansing,Michigan
Applied and Enviromental Microbiology,2004,Vol,70
4748–4755
设计了针对分离
目标 Acidobacteria
和 Verrucomicrobia
的 PCR引物，同时
对照洗脱培养皿和
培养孔板进行 PCR
反应，确定培养目
标，然后进行培养
筛选，最后在使目
标达到了纯培养。
极大地减少了培养
过程中的盲目性，
提高了实验效率。
结论与思考
不同的微生物之间的培养方法有极大的差
异，因此对极端难培养微生物的培养不能
“一刀切”。
在研究培养方法时要充分借鉴其原始的生
活环境和生理条件。
现有的分子生物学探测微生物多样性方面
仍可能存在缺陷，未知基因的存在？未知
微生物存在的可能性？
微生物本身生理情况？生长速度的局限？
极端环境微生物培养之未来
极端环境微生物是一大类超越人们想象的
丰富的未开发资源。
得到菌株，实现培养将为人类开发这资源
提供更广阔的空间。
对其获得纯培养需要突破传统的分离观念，
在方法学上下功夫。
某些特殊情况下纯培养是难以实现的，而
共培养、共代谢是极端环境微生物培养的
一个方向。
