**章 超嗜热微生物概述
根据*适生长温度的不同，可将微生物分为嗜冷（＜20℃）、嗜温（20～50℃）和嗜热（＞50℃）微生物。其中，嗜热微生物（thermophiles）还包括*适生长温度分别为 65～80℃和＞ 80℃且低于特定温度时停止生长的极端嗜热微生物（ extreme thermophiles），以及超嗜热微生物（hyperthermophiles）。实际上，极端嗜热和超嗜热微生物并没有严格的界限，一些能在80℃以上环境中生长且能正常发挥生态功能的极端嗜热微生物，在本书中也被称为超嗜热微生物。迄今为止，嗜热微生物领域的先驱学者 Thomas D. Brock和 Karl O. Stetter等已从火山、热泉和海洋热液喷口等地热区自然生境和堆肥等人工高温生境中分离到上百株超嗜热微生物。
在系统进化树上，超嗜热微生物主要集中于古菌和细菌根部的短分枝上，其特有的基因和生理机制使其具有极强的耐热性能，*适生长温度*高可达106℃，大部分能够耐受80～100℃高温，甚至能够在121℃下存活（Stetter，1996，2006，2013）。超嗜热微生物也因此成为各种超嗜热酶和代谢产物的重要来源，被广泛应用于生物、食品、采矿、能源和环保等多个行业的特定高温环境中。本章简要概述了现有超嗜热微生物的发现历程、进化位置、栖息生境、种质资源及应用前景等，以期为超嗜热微生物的系统研究和广泛应用提供更坚实的基础。
**节 超嗜热微生物的发现
一、超嗜热微生物的发现历程
嗜热微生物的发现与研究简史实质上就是生命的温度上限不断被刷新的过程（图1.1）。1879年，Miquel*次在土壤中发现了能在72℃条件下生长的嗜热细菌，后于1888年自法国塞纳河分离出了**株能够在70℃条件下生长的嗜热芽孢杆菌（Sharp etal.，1992；Jenkins，2005）。然而，直到20世纪60年代，研究者们开始关注到在热泉等一些极端高温环境中存在的生命，才真正开始极端（超）嗜热微生物的相关研究。
1965年，Thomas D. Brock及其研究小组在美国黄石国家公园研究光合微生物的不同温度梯度分布时，*次在温度高达90℃以上的热泉溢出液中发现了大量能够迅速生长的丝状微生物，并成功分离出了**株极端嗜热细菌——生长温度为 40～79℃（*适生长温度 70～72℃）的 Thermus aquaticus，以及**株超嗜热好氧古菌——生长温度为 55～85℃（*适生长温度 70～75℃）的 Sulfolobus acidocaldarius（Brock and Freeze，1969； Brock et al.，1972）。随后，包括*适生长温度为 70～75℃的 Thermomicrobium roseum在内的一批极端嗜热微生物在黄石公园热泉中被分离出来（ Jackson et al.，1973）。尽管这些极端嗜热微生物能在75℃的环境中迅速生长，但大部分在100℃时会被杀灭（Stetter，2013）。为此，研究者们开始走访世界各地温度高达100℃以上的低海拔热 /沸泉、深海热液区等，试图从中发现更多超嗜热微生物（Brock，1995）。
图1.1 早期研究发现的部分超嗜热微生物
Fig.1.1 Some hyperthermophiles discovered in the early stage
1981年，Stetter和 Zillig从冰岛热泉中分离出**株超嗜热产甲烷菌——生长温度高达 65～97℃（*适生长温度 83℃）的 Methanothermus fervidus和**株*适温度达到90℃的超嗜热厌氧古菌——能在 80～96℃下生长的 Thermoproteus tenax（Stetter et al.， 1981；Zillig et al.，1981）。随后，Stetter等又从意大利武尔卡诺火山下的海底硫质喷气口发现了*适生长温度高达 105℃的 Pyrodictium occultum（Stetter，1982；Stetter et al.， 1983）。1997年，Bl.chl等从深海热液喷口黑烟壁分离出 Pyrolobus fumarii，生长温度高达 90～113℃，生命的*适生长温度至此被刷新至 106℃（Bl.chl et al.，1997）。2003年， Kashefi和 Lovley发现分离自深海热液喷口水样的 Strain 121（与 Pyrodictium occultum的 16S rRNA序列相似性为96%）能够在高达121℃的沸水中存活，该菌也是目前在自然界中发现的生长温度*高的微生物。
此外，科研人员还陆续从深海热液沉积物中分离得到生长温度为70～103℃（*适生长温度 100℃）的 Pyrococcus furiosus、84～110℃（*适生长温度 98℃）的 Methanopyrus kandleri、85～108℃（*适生长温度 95～106℃）的 Hyperthermus butylicus、67～95℃（*适生长温度 85℃）的 Aquifex pyrophilus、68～102℃（*适生长温度 95℃）的 Stetteria hydrogenophila和 55～94℃（*适生长温度 83～85℃）的 Thermococcus thioreducens（Fiala and Stetter，1986；Kurr et al.，1991；Zillig et al.，1991；Huber et al.，1992；Jochimsen et al.，1997；Pikuta et al.，2007）。Jones等（1983）从高温高压的 2600 m深海热液口分离出的超嗜热产甲烷古菌 Methanococcus jannaschii，*适生长温度为 85℃，也是**个完成全基因组测序的古菌（ Bult et al.，1996）。进入21世纪以来，超嗜热微生物研究在诸如系统分类学、微生态学、基因组学、酶学和生物地球化学等多个学科中都得到了快速发展。
二、超嗜热微生物的进化位置
嗜热微生物的系统分类学始于 1977年，Carl R. Woese根据 16S rRNA序列在分子水平上将原核生物分为真细菌（ Eubacteria）和古细菌（ Archaebacteria）两个类群，随后又提出由真核生物域（ Eukarya）、古菌域（Archaea）和细菌域（Bacteria）构成的生命三域进化系统（图1.2）。超嗜热微生物出现在古菌域和细菌域中，且绝大多数为古菌，处于系统发育树根部，分支较短。此外，由于其生存的极端环境（如高温、高压、缺氧和富含还原性气体等）与地球的原始环境相似，科学家们提出超嗜热微生物可能是生命*早起源的假说（ Woese et al.，1990）。化石证据也表明，嗜热微生物可能在 32亿年前就已经存在（Rasmussen，2000）。
然而，一些实验证据却与该假说相悖（ Forterre，1996）。例如，通过分析常温微生物 Escherichia coli的 DNA聚合酶Ⅰ和来源于 Thermus aquaticus的Taq聚合酶的结构与功能，发现超嗜热的Taq聚合酶可能起源于常温微生物。因此，有的学者认为地球上*早的生命形式可能是常温微生物，超嗜热微生物的耐热特性可能是通过水平基因转移获得的（Korolev et al.，1995；López-Garcia et al.，2015）。目前，关于地球上*早生命形式的研究尚未有定论（曾静等，2015），但有关超嗜热微生物基因组学、蛋白质组学及生理生化性质等的研究将有助于揭示地球生命的起源。
图1.2 基于小亚基 rRNA的进化树（Stetter，2006）
Fig.1.2 Small subunit rRNA-based universal phylogenetic tree
第二节 超嗜热微生物的生境
嗜热微生物生长、繁殖并组成群落的特异性环境被称为热生境，其热能主要来自地热、自热、光照和人为加热等。其中，地热生境是*为典型的嗜热微生物栖息地，其热量来源于地球内部刚性岩石圈之下流动的高温地幔物质。一般情况下，地幔物质虽然无法到达地表，但能够加热周围的大片岩石区域；还能通过与渗入地下的大气降水、深海冷水间形成对流，以热液、蒸汽的形式上升溢出地表，形成热泉、喷气口和热液喷口等特殊生境（图 1.3）；甚至能在地壳薄弱或断裂处以熔浆的形式喷发从而形成火山。
图1.3 超嗜热微生物的典型生境
Fig.1.3 Habitat of hyperthermophiles
A. 美国黄石国家公园热泉；B. 弥漫硫磺蒸汽的意大利武尔卡诺火山；C. 深海热液喷口的黑烟囱（Dick，2019）；D. 北京顺义超高温堆肥工厂
无论是在陆地还是海洋，都能产生诸如此类的地热景观，随之产生的热量和涌出的各种矿质元素也塑造了各种*特的热生境。此外，微生物学家推测，在地壳深处的油井、地热工厂热井中，也存在主要由嗜热、超嗜热微生物构成的地下微生物群落及地下生物圈（Deming and Baross，1993；Takai et al.，2001）。热生境的多样性孕育了嗜热微生物的多样性和微生物代谢的多样性，而新的热生境的发现往往能推动嗜热微生物新菌种的发掘与研究。
一、陆地地热生境
陆地地热生境以热泉和喷气口为主，其中，喷气口又分为硫质喷气口和沸泥池等，通常位于火山附近。由于大气压的限制，陆地地热生境的温度一般不会高于该地区水的沸点，从中分离出来的超嗜热微生物*适生长温度大多处于 80～90℃。例如，在美国黄石国家公园 82～88℃的热泉泄水渠上部发现的 Thermosphaera aggregans和 Thermocrinis ruber，*适生长温度分别为 85℃和 80℃（Huber et al.，1998）。
地热温度梯度大于30℃/km的地区被称为“热斑”。全球范围内具有明显热斑特征的区域主要分布在环太平洋地热带、地中海–喜马拉雅地热带、大西洋中脊地热带和红海–亚丁湾–东非大裂谷地热带。我国境内的地热区主要分布在 4个水热活动密集带，包括藏南–川西–滇西密集带（含近 60处沸泉）、东南沿海地区密集带、胶辽半岛密集带、台湾及其邻近岛屿密集带（含 8处沸泉），主要为温泉、热泉，*高温度为120℃（喷气口）（汪集肠和孙占学，2000）。一般而言，陆地地热生境中含有丰富的硫元素，从中分离的超嗜热微生物通常还具有嗜酸性。例如，在温度高达 100℃、pH 1.7～6.5的冰岛酸性热泉中发现的 Tbermoproteus tenax，其*适生长温度和 pH分别为 90℃和 5.0（Zillig et al.， 1981）。在日本箱根大涌谷酸性温泉分离出的Sulfurisphaera ohwakuensis，其*佳生长条件为 85℃、pH 2.0（Kurosawa et al.，1998）。
二、海洋地热生境
海洋地热生境以海底热液喷口为主，一般具有高温、高盐分、高静水压、酸性，且富含硫化物、H2、CH4、CO2、金属物质等特点。深海冷水与熔融岩浆在将近1000℃的条件下相互反应，形成富含各种还原态有机物和CH4、H2、H2S、S等无机物，以及含Fe、Mg、Zn等重金属和含Si的高温流体（Dick，2019）。这些高温流体在喷出地壳时，与低温且富含氧化态物质的海水混合，促使多金属硫化物颗粒或者硫酸盐颗粒析出并沉积，通常形成能喷发300～400℃热液的“黑烟囱”或“白烟囱”，有时也形成喷发速度和热液温度相对较低的喷穴或热液卤池。
在全球海洋系统中，纵贯大西洋、印度洋、太平洋的三条洋脊彼此连接成环，在整体
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