張立奎 董昆明 繆 莉 涂傳燈

（揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院海洋科學(xué)研究所 江蘇·揚(yáng)州 225127）

極端環(huán)境下的微生物是微生物生態(tài)的重要組成部分。極端微生物(extremophiles)界定了生物圈的生命極限，它們不僅在揭示生命起源、探索生命進(jìn)化理論、探明極端生命過程、驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)作用等理論方面具有重要的意義，而且在環(huán)境保護(hù)、石油開采、能源利用、燃料乙醇生產(chǎn)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。另外，極端微生物特殊的生存環(huán)境，使其能夠產(chǎn)生許多性質(zhì)獨(dú)特的生物活性物質(zhì)，如極端酶、抗生素和代謝產(chǎn)物等。因此，極端環(huán)境下的微生物已成為國(guó)內(nèi)外微生物學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象和研究熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外很多微生物學(xué)教材中都已把極端環(huán)境下的微生物列為微生物的生態(tài)這一章的重要知識(shí)點(diǎn)，尤其這些知識(shí)點(diǎn)在環(huán)境類專業(yè)本科生微生物課程教學(xué)中占據(jù)著重要的位置。如何把這一特殊的微生物相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)講得清楚、講出興趣，讓學(xué)生們能夠理解并掌握，顯然是一個(gè)不小的教學(xué)挑戰(zhàn)。本文作者多年擔(dān)任揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院海洋資源與環(huán)境專業(yè)的微生物學(xué)教學(xué)工作，并一直從事深海極端嗜熱微生物的研究。通過從教學(xué)和科研兩個(gè)方面對(duì)極端微生物進(jìn)行了深入的探索，對(duì)于如何才能講授好極端微生物知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生能夠深入理解和認(rèn)知極端微生物，形成了具有特色的教學(xué)方法。本文總結(jié)了多年關(guān)于極端環(huán)境下的微生物知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)心得體會(huì)，拿出來與微生物學(xué)教學(xué)工作者交流探討，預(yù)期對(duì)于提高微生物學(xué)教學(xué)的效果具有一定的導(dǎo)向作用。

1 極端微生物的問題導(dǎo)向

1.1 極端微生物是什么

為闡明極端微生物的概念和種類，需要學(xué)生回顧微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的地位與作用以及其他非極端環(huán)境中微生物的相關(guān)知識(shí)。微生物是有機(jī)物的主要分解者，也是物質(zhì)循環(huán)中的重要成員，廣泛分布在陸地、水圈和大氣的生境中。本文以嗜熱微生物為例，采用問題導(dǎo)向教學(xué)方法講授極端環(huán)境下的微生物。首先，向?qū)W生拋出這樣的一個(gè)科學(xué)問題：在接近于沸水的高溫環(huán)境中是否有微生物的存在。然后，開始介紹極端微生物中重要成員之一，即嗜熱微生物。嗜熱微生物(thermophiles)是研究較為深入的極端微生物。按照其耐受溫度的不同，嗜熱微生物分為耐熱菌（最高生長(zhǎng)溫度45～55℃，最低生長(zhǎng)溫度＜30℃）、兼性嗜熱菌（最高生長(zhǎng)溫度50～65℃，最低生長(zhǎng)溫度＜30℃）、專性嗜熱菌（最高生長(zhǎng)溫度65～70℃，最低生長(zhǎng)溫度＜42℃）、極端嗜熱菌（最高生長(zhǎng)溫度＞70℃，最適生長(zhǎng)溫度＞65℃，最低生長(zhǎng)溫度＞40℃）和超嗜熱菌（最高生長(zhǎng)溫度80～113℃或122℃，最低生長(zhǎng)溫度～55℃）。通過嗜熱微生物的定義，讓學(xué)生去想象嗜熱微生物可能的生存環(huán)境，然后再給予解答。嗜熱微生物主要生活于熱泉、深海熱液口、火山口等高溫環(huán)境中，其成員主要為古菌和細(xì)菌，其中大部分超嗜熱微生物為古菌。這時(shí)對(duì)古菌進(jìn)行簡(jiǎn)單地介紹，并引入三域?qū)W說，這為以后學(xué)習(xí)微生物的分類做鋪墊。

1.2 極端微生物適應(yīng)環(huán)境的機(jī)制是什么

然后再引入新的問題：為什么這些嗜熱微生物能夠在高溫環(huán)境下生存，讓學(xué)生思考。根據(jù)學(xué)生的答案，結(jié)合最新的研究成果，向?qū)W生講授嗜熱微生物能夠生存在高溫環(huán)境中的可能機(jī)制。嗜熱微生物之所以耐高溫，原因在于它們具有特殊的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定的蛋白組分及受保護(hù)的基因組，同時(shí)其生活方式多為化能自養(yǎng)，通過攝取無機(jī)物等簡(jiǎn)單物質(zhì)就能夠產(chǎn)生能量。為了激發(fā)學(xué)生對(duì)嗜熱微生物的科研興趣，需要向?qū)W生展示一些在國(guó)際主流期刊雜志上發(fā)表的最新關(guān)于嗜熱微生物的研究成果，并向?qū)W生介紹研究嗜熱微生物的模式微生物：Sulfolobus solfataricus和Thermococcus kodakarensis分別是研究極端嗜熱泉古菌和廣古菌的模式微生物，而Thermus thermophilus為研究極端嗜熱細(xì)菌的模式微生物。

1.3 極端微生物具有什么樣的生態(tài)功能和用途

這樣學(xué)生會(huì)對(duì)嗜熱微生物有了更進(jìn)一步的了解。在此基礎(chǔ)上，提出新的問題：嗜熱微生物到底有什么功能和用途。結(jié)合前面學(xué)習(xí)過微生物生態(tài)的知識(shí)，微生物驅(qū)動(dòng)物質(zhì)元素的生物地球化學(xué)作用。同樣，作為微生物的種群之一，極端微生物也參與了生物地球化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)物質(zhì)元素的循環(huán)。在高溫環(huán)境中，極端嗜熱微生物能夠直接吸附礦物顆?；蛘咄ㄟ^分泌代謝產(chǎn)物，從而改變環(huán)境中pH值和氧化還原條件，進(jìn)一步影響元素的地球化學(xué)循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，極端嗜熱微生物能夠參與處理金屬硫化礦和驅(qū)動(dòng)Fe元素的地球化學(xué)循環(huán)。此外，極端嗜熱微生物在高溫環(huán)境中具有較強(qiáng)的生物降解和生物轉(zhuǎn)化功能，能夠使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物。因此，極端嗜熱微生物在驅(qū)動(dòng)元素物質(zhì)的地球化學(xué)循環(huán)中起到非常重要的作用。極端嗜酸熱微生物被認(rèn)為是現(xiàn)如今地球上最古老的生命形式，它們?cè)谏锏囊苯鹨约暗厍蚧瘜W(xué)元素的循環(huán)中扮演著十分重要的角色。例如，氧化亞鐵硫桿菌在黃銅礦(CuFeS2)、黃鐵礦(FeS2)等生物淋濾過程中具有廣泛的應(yīng)用。另外，極端嗜酸微生物直接影響酸礦水環(huán)境中Cu、Fe、Mn、Zn和S等元素的地球化學(xué)循環(huán)。

然后，在向?qū)W生展示極端微生物是產(chǎn)生極端酶的重要資源庫。從極端嗜熱細(xì)菌中首次分離得到熱穩(wěn)定的Taq DNA聚合酶，應(yīng)用到PCR反應(yīng)之后，陸續(xù)有很多的極端嗜熱古菌DNA聚合酶得到了開發(fā)利用。這些極端嗜熱酶的研究開拓了生物技術(shù)的新領(lǐng)域，推動(dòng)了分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展。除了源自極端嗜熱微生物DNA聚合酶被開發(fā)研究之外，從極端嗜熱古菌和細(xì)菌中克隆到纖維素酶、淀粉酶、木聚糖酶、海藻糖合成酶等基因，并在E.coli宿主菌中表達(dá)和純化。一些極端嗜熱酶能夠有效地節(jié)能減排，提高效率，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的生物轉(zhuǎn)化過程。雖然極端微生物在實(shí)驗(yàn)室條件下很難培養(yǎng)，但是利用宏基因組學(xué)技術(shù)從極端環(huán)境樣本中直接提取DNA，構(gòu)建基因文庫，進(jìn)而能夠開展極端酶的研究。

此外，可以向?qū)W生介紹，嗜熱微生物在環(huán)境保護(hù)方面的重要應(yīng)用。目前，工業(yè)廢水中的毒性有機(jī)物質(zhì)，例如芳香化合物，已對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。從鹽堿湖中分離得到的極端嗜鹽嗜堿微生物能夠高效地降解苯酚等芳香化合物。另外，人們從水污染處理場(chǎng)高溫環(huán)境中分離得到的一株耐高溫微生物，在 96℃高溫下能夠降解各種有機(jī)廢棄物，并且該微生物在120℃高溫下能夠發(fā)酵污染物，將其轉(zhuǎn)變成為重要的有機(jī)堆肥。因此，由極端微生物主導(dǎo)的生物治理方案將會(huì)成為治理環(huán)境污染的重要方向。

講授完上述知識(shí)點(diǎn)之后，從分布環(huán)境、適應(yīng)機(jī)制、生態(tài)功能和用途等方面對(duì)嗜熱微生物進(jìn)行總結(jié)，以加深學(xué)生對(duì)嗜熱微生物的印象。按照這樣問題導(dǎo)向的教學(xué)模式，依次講授其他的極端微生物的分布環(huán)境、適應(yīng)機(jī)制、和生態(tài)功能及其用途。然后做如下總結(jié)：極端微生物是指生長(zhǎng)在嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜鹽、嗜壓等極端環(huán)境下的微生物；按照其生存的極端環(huán)境，極端微生物可分為嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜堿微生物、嗜酸微生物、嗜壓微生物和嗜鹽微生物六大類。據(jù)報(bào)道，極端微生物生長(zhǎng)的最高溫度上限為122℃，最低溫度下限為-39℃，最高pH上限為11，最低pH值下限接近0，最高鹽濃度上限達(dá)到5.5 M，耐輻射劑量上限為20 kGy以上，最高耐受壓力上限為130 MPa以上等。通過這些研究發(fā)現(xiàn)的展示，引導(dǎo)學(xué)生得出如下結(jié)論：極端微生物界定了生命的極限邊界。

以問題導(dǎo)向的教學(xué)模式，通過對(duì)上述極端環(huán)境的微生物的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生理解極端微生物不僅是重要的科研對(duì)象，也是生物活性物質(zhì)的重要寶庫。探索極端微生物環(huán)境適應(yīng)的機(jī)理，有助于我們認(rèn)知極端生命過程，揭示生命起源演化。極端微生物具有獨(dú)特的代謝機(jī)制，能夠產(chǎn)生性質(zhì)新穎的代謝產(chǎn)物，因此它們?cè)诿钢苿?、抗生素、功能性結(jié)構(gòu)化合物等生物活性物質(zhì)方面具有廣闊的研究潛力與應(yīng)用前景。此外，極端微生物在驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)元素的循環(huán)方面具有重要的推動(dòng)作用。因此，極端微生物是極其重要的生物資源。最后，介紹一下我國(guó)關(guān)于極端微生物的研究概況。我國(guó)關(guān)于極端微生物的研究雖然起步晚，但是發(fā)展很快，目前已取得了一系列的重要成果。目前國(guó)內(nèi)很多科研院所、高校都已開展了極端微生物的相關(guān)研究。

2 結(jié)束語

環(huán)境微生物學(xué)是在環(huán)境類專業(yè)本科教學(xué)中大學(xué)二年級(jí)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。講授好極端環(huán)境下的微生物的知識(shí)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生理解微生物生態(tài)及其驅(qū)動(dòng)地球物質(zhì)元素的循環(huán)，以及后續(xù)更為專業(yè)的海洋微生物學(xué)、海洋生態(tài)學(xué)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，我們?cè)谡n前讓學(xué)生預(yù)習(xí)教材相關(guān)章節(jié)。選取3～5位對(duì)極端微生物感興趣的同學(xué)制作PPT課件，以“極端環(huán)境下的微生物”為題開展研究性教學(xué)。PPT課件講授完畢，教師讓其他學(xué)生針對(duì)PPT課件的內(nèi)容展開討論，并對(duì)學(xué)生的問題和回答，進(jìn)行總結(jié)與點(diǎn)評(píng)。此外，在下課前布置課外興趣拓展問題，如極端微生物與其他微生物有何異同、如何開發(fā)極端微生物產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)、極端微生物驅(qū)動(dòng)自然界物質(zhì)元素循環(huán)的機(jī)制等。課后則通過揚(yáng)州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，及時(shí)給學(xué)生布置課外作業(yè)，包括極端微生物的種類、性質(zhì)、理解性描述等選擇題和基于極端微生物生物地球化學(xué)作用的綜合題。

通過對(duì)以往學(xué)習(xí)過的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為本文所述的導(dǎo)向教學(xué)方法能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)微生物學(xué)知識(shí)的求知欲，利于培養(yǎng)其對(duì)極端微生物的科研興趣，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的積極性，使其較好地理解和掌握極端微生物知識(shí)內(nèi)容。通過結(jié)合極端微生物國(guó)內(nèi)外研究的最新進(jìn)展，進(jìn)一步豐富極端微生物的教學(xué)內(nèi)容、完善極端微生物的教學(xué)方法，為今后培養(yǎng)從事極端微生物科學(xué)研究的人才。