Transcript 台灣近四十年來有關嗜熱微生物的研究 - 東吳大學

台灣近四十年來有關
嗜熱微生物的研究
李重義
東吳大學微生物學系
2002/04/15
1
自然界對生物活力和演化
產生重大影響的環境因子







溫度
氧化還原電位
pH值
鹽度、水活性
養份濃度
水壓
電磁及游離輻射
2
自然界的高溫環境




太陽輻射：陽光照射數小時/土壤可達
60 ℃ 。
燃燒：乾草堆、垃圾/自熱現象/常達
70℃或更高/無法持久。
人為熱源：工廠、發電廠/僅百餘年。
地熱：普遍存在且時代久遠/地表溫泉常
達90-100℃/海底湧泉甚至超過100℃。
3
地表溫泉與海底湧泉之形成
4
Phylogenic Tree of Life Forms
Based on rRNA Sequences
5
各類生物生存溫度上限
（Brock, 1978）
6
某些超級嗜熱菌（van der Oost
et al., 1998）
7
嗜熱微生物之研究方向







發現新物種、探討其生態和演化關係
生化、生理、遺傳或分子生物學等
遺傳工程研究
工業和能源
環保
微生物採礦
熱安定酵素或蛋白質的開發和研究
8
台灣溫泉之分佈 (陳肇夏, 1994）



西太平洋火山島弧中
花彩列島上。
境內溫泉有記錄者近
百處。
火山區溫泉有15處，
其中13處分佈於北台
灣的大屯火山群另兩
處則分佈在龜山島及
綠島。
9
本文主旨


台灣富於溫泉資源，嗜熱微生物相關
研究理應受到重視。乃嘗試蒐集相關
資料，對於過去四十年來台灣有關嗜
熱微生物的研究做一綜合報告。
一併報告本人近年相關研究之成果。
10
資料蒐集方法





全國博碩士論文摘要檢索系統
全國科技資訊網路
科 學 期 刊 文 獻 引 用 索 引 （ Science
Citation Index）資料庫
中文博碩士論文索引資料庫
「嗜熱」、「高溫 and 菌」或「溫泉」
等作為檢索字串
11
台灣近四十年來嗜熱微生物
相關研究之微生物分類統計a
微生物類別
文獻篇數
百分比（%）
藻類
4
4
真菌
23
21
放線菌
10
9
放線菌除外之好氧細菌b
45
42
厭氧細菌
20
19
古菌
5
5
合計
107
100
a
扣除14篇有關混合菌之廢水或堆肥研究。
b包括兼性厭氧生長者(facultative anaerobes)。
12
台灣近四十年來嗜熱微生物
相關研究之主題分類統計
研究主題
文獻篇數
百分比（%）
分類調查
36
30
廢水處理
12
10
堆肥處理a
8
7
燃料及化學品
11
9
酵素
51
42
抗生物質
2
2
孢子耐熱性
1
1
合計
121
a包含篩選加速堆肥熟成微生物之研究。
13
台灣近四十年來嗜熱微生物
耐熱酵素研究之分類統計
酵素種類
文獻篇數
百分比（%）
17
33
蛋白質（胜肽）水解酵素
7
14
纖維素水解酵素
5
10
脂質水解酵素
4
8
木聚醣水解酵素
3
6
洋菜水解酵素
1
2
酵母細胞壁溶解酵素
1
2
38
75
其他酵素
13
25
合計
51
澱粉水解酵素
小計
14
台灣近四十年來嗜熱微生物
相關研究文獻數目之消長
生物
相關
論文
嗜熱
微生
物相
關
堆肥
處理
燃
料
化
學
酵
素
1997-2001
(40)
(49) (30) (70) (64) (20) (39) (42) (100)
0
(64)
1992-1996
(29)
(30) (39) (30) (34) (25) (53) (17)
0
(9)
(24)
1987-1991
(18)
(7)
(13)
0
0
0
(6)
(42)
0
0
(2)
1982-1986
(9)
(9)
(9)
0
(2)
(40)
0
0
0
(73)
(6)
1977-1981
(3)
(3)
(4)
0
0
(15)
(3)
0
0
(18)
(2)
1961-1976
(<1)
(2)
(4)
0
0
0
0
0
0
0
(2)
文獻總數
9807
121
23
10
45
20
36
12
8
11
51
年代
真
菌
放
線
菌
好
氧
菌
a
厭
氧
菌
分
類
調
查
a放線菌除外之好氧細菌，包括兼性厭氧生長者。
廢
水
處
理
15
台灣溫泉位於火山區者



陽明山溫泉多為酸性溫泉，可達pH 2.0左
右；也有pH 6-7的碳酸泉。
綠島溫泉位於海岸邊，熱泉與海水混合，
可達65℃，pH 7-8。
龜山島佇立於宜蘭海灣外，近年發現其東
側海底有熱泉噴發，噴發時的熱水呈現高
溫（116℃）、高酸性（pH < 2）、低溶氧
的特質，同時含有大量金屬元素。
16
陽明山溫泉微生物的研究(I)



1980s 臺大農化研究所王西華教授等，分
離具吸附性高溫嫌氣糖化菌梭孢子桿菌
（Clostridium sp.），並探討菌體吸附基質
的吸附機構、吸附強度與基質糖化效率之
關係。
1990s後期
臺大植物研究所陳益明教授等研究高溫
紅藻Cyanidium caldarium。
17
陽明山溫泉微生物的研究(II)




1990s後期
海大水產養殖系劉嘉煉教授等分離產生澱
粉酶的Bacillus stearothermophilus。
師大生物所李銘亮教授等分離可產生酯解
酶的Bacillus acidocaldarius。
陽明大學微免所程樹德教授等分離純化出
一株嗜熱的古細菌(archaea)，經過深入研
究後發現為屬於 Sulfolobus 屬的新種，並
定名為Sulfolobus yangmingensis。
18
陽明山溫泉微生物的研究(III)


1990s後期
本人的實驗室自 1990 年開始嘗試從陽明
山酸性溫泉中分離嗜熱微生物，並於
1996 年開始陸續完成適酸耐熱葡萄糖異
構酶生產菌株Bacillus acidocaldarius 49-1
的分離、酵素生產與酵素部分純化。
19
Bacillus acidocaldarius 49-1 (●)
的生長溫度和pH值範圍
20
B. acidocaldarius 49-1
葡萄糖異構酶最適作用溫度
21
B. acidocaldarius 49-1
葡萄糖異構酶最適作用pH值
22
B. acidocaldarius 49-1部分純化
葡萄糖異構酶之最適作用pH值
23
綠島溫泉微生物的研究(I)



臺大海洋所謝文陽教授等於1990s分離出許多嗜
熱細菌，包括:
與 Rhodothermus marinus 類似而具紅色色素的
G(-)桿菌，最適溫度約65℃，需NaCl 。
與Thermus 屬類似而具黃色色素的G(-)桿菌，最
適溫度70℃。非嗜鹽但能耐7%的NaCl。
無色之嗜鹽G(-)桿菌，生長溫度介於35-65℃。
24
綠島溫泉微生物的研究(II)



能利用單一胺基酸為唯一氮源和碳源增殖的嗜鹽
嗜熱G(-)桿菌。生長溫度介於30-55 ℃。
好熱性脫氮細菌，最適溫度為70℃。
能分解洋菜的兼性厭氧嗜鹽嗜熱G(-)細菌。溫度
介於 38-58℃ 。進一步研究發現為新屬，命名為
Alterococcus agarolyticus, gen. nov., sp. nov.。
25
綠島溫泉微生物的研究(III)



1995年夏天本人的實驗室篩到可於約50℃生
長且能分解洋菜之嗜鹽嗜熱菌，命名為 S3PY。
此 菌 株 與 謝 文 陽 教 授 發 表 的 Alterococcus
agarolyticus 相同。
S3-PY 生 產 洋 菜 分 解 酵 素 的 較 佳 培 養 基 為
PYMA broth。酵素生產最適溫度為45℃。在
5公升醱酵槽中，酵素濃度隨菌體濃度增加
而增加，約在培養36小時之後達到最高值。
26
溫度對Alterococcus agarolyticus
S3-PY生長之影響
27
鹽度對Alterococcus agarolyticus
S3-PY生長之影響
28
Alterococcus agarolyticus S3-PY
在5公升醱酵槽中的生長過程
29
結語


台灣近四十年來嗜熱微生物之研究隨學界整
體研究能力增加而增加，並於 1992 年後開
始大幅增長，且於 1997 年後更為增加，其
中又以好氧細菌及/或酵素相關研究受到較
多重視。
台灣溫泉資源豐富，適合發展嗜熱微生物的
研究；唯關於微生物種類的多樣性以及研究
主題的豐富度方面，尚需在原有基礎上更加
努力。
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