微生物的抗逆性

抗逆性（stress resistance）是指微生物对其生存生长不利的各种环境因素的抵抗和忍耐能力的总称。当微生物处于对其生存生长不利的逆境（environmental stress）时，由于微生物不像动物那样可通过远距离运动逃离逆境，即使某些微生物有一定的运动能力，其运动距离也十分有限。因而，微生物的抗逆主要通过自身的生理与遗传适应机制来实现。微生物中的抗性，研究较多的主要是与人类实践关系密切的抗性，如抗药性、抗热性、耐高渗透压、耐酸、耐重金属离子等。

（一）抗药性

微生物对以抗生素为主的药物的抗性简称为抗药性。当某种抗生素长期作用于一些敏感（病原）微生物时，微生物通过遗传适应，对特定抗生素表现出抗药性。研究表明，微生物抗药性的获得是由于发生了特定的基因突变，有关基因突变成为抗药性基因这一事件，并非由抗菌药物所诱发，而是在微生物接触特定抗生素之前就已发生，因此，它与药物是否存在并无直接关系。但环境中较高的抗生素浓度对获得抗药性的突变菌株起到了筛选、保留和诱导其表达的作用，并使该突变菌株能在含抗生素的环境中幸存并进而生长繁殖成为优势群体。微生物还可以通过抗药性质粒的输入与遗传重组等途径获得抗药性。

微生物产生抗药性有以下几种具体方式：

1.抗性细胞产生酶，使药物失去活性 例如抗青霉素菌株和抗头孢霉素菌株能产生β-内酰胺酶，使这两种抗生素结构中的内酰胺键开裂而失去活性。又如革兰氏阳性及革兰氏阴性细菌的抗药品系，产生氯霉素转乙酰酶、卡那霉素磷酸转移酶等，使相应的抗生素失去作用活性。反应如下：

2.修饰和改变药物作用靶位 例如链霉素是通过结合到菌体核蛋白体的30S亚基上，改变其构型，干扰蛋白质合成，而达到抗菌效果。对链霉素产生抗性的菌株，单个染色体突变，导致30S核蛋白体亚单位的P10蛋白质组分的改变，链霉素不能与改变了的30S亚单位结合。这种失去核蛋白体上与链霉素结合的敏感位点的菌株，成为高度抗性菌株。

3.改变细胞对药剂的渗透性与增强外排作用 此种作用有几种情况：① 细胞可以通过代谢作用把药剂转换成一个衍生物，此衍生物外排的速度比原药剂渗入细胞的速度快。 ② 细胞可分泌酶，将药剂转变成不能进入细胞的形式。例如委内瑞拉链霉菌（S.venezuelae）由于改变膜透性，阻止四环素进入细胞并使四环素排出细胞，从而对四环素产生抗性。

4.形成救护途径 当某一药物封闭了某终产物合成途径中的一个步骤，而影响了该产物的供应量时，可通过形成另一个途径产生该产物，从而获得抗药性。这类途径通常称为救护途径（salvage pathway）。例如，在腺嘌呤核苷酸合成途径中，吖（氮杂）丝氨酸和重氮氧代正亮氨酸，抑制甲酰甘氨酰胺核糖-5-磷酸的酰胺化作用。这样细胞可以通过救护途径来获得腺嘌呤核苷酸，而不再需要甲酰甘氨酰胺核糖-5-磷酸，微生物就不再受上两种药物的抑制。

（二）微生物对高温的抗性

在温泉、堆肥以及锅炉排水处等高温环境中，也生长有微生物。按照它们所生长的最高温度又可以将其分为两种类型：生长的最高温度在75℃以上的嗜高温菌（也称高度好热菌）和生长最高温在55～75℃的嗜亚高温菌（也称中度嗜热菌）。后一类菌中又可分为在37℃以下环境中不能生长的专性嗜亚高温菌及在37℃以下也能生长的兼性嗜亚高温菌。高温菌及其生长最高温度见表5-7。

表5-7 高温菌及其生长最高温度

一般菌体在60℃左右就会因蛋白质变性等引起死亡，而这些嗜高温菌为什么能在一般蛋白质、核酸变性失活的高温下正常生长繁殖呢？经研究表明嗜高温菌的抗热能力是由菌体内的蛋白质、核酸、核糖体的热稳定性，菌体内所含脂肪酸类型以及存在于胞内的某些保护因子所决定的，这些因子的共同作用大大提高了菌体的抗热能力。

与嗜中温菌相比，嗜高温菌的酶对热更具抗性，将这些酶从细胞中提取后，仍能保持热稳定性。比较嗜高温和嗜中温菌的3-磷酸甘油醛脱氢酶（以下简称GAPDH）的性质，两者非常相似，但它们的热稳定性明显不同（表5-8）。

表5-8 不同菌的3-磷酸甘油醛脱氢酶特性的比较

从表5-8可见，嗜高温菌与嗜中温菌的酶在进化上具有同源性，其耐热性的不同则是由于酶分子的内部结构差异决定的。嗜热栖热菌的GAPDH相对分子质量低一些，可能是切掉一部分与酶活性无关的部分后，提高了酶的耐热性。因为相对分子质量较小的蛋白质一般比相对分子质量较大的蛋白质具有更大的热稳定性。

嗜高温菌蛋白质（酶）的热稳定性与维持其内部立体结构的化学键，特别是氢键、二硫键的存在及数量有关，一般是这些键的存在与数量增加，酶的热稳定性也增加；这些键断裂，酶的热稳定性降低或丧失。

嗜高温菌核酸中的（G＋C）mol％比嗜中温菌的高，因此使核酸熔点（Tm）较高，DNA的热稳定性也提高。例如芽孢杆菌属的嗜中温菌DNA的（G＋C）mol％为45，嗜高温菌的为53，前者DNA的Tm平均为87.8℃ ，而后者的Tm为90.7℃ 。在嗜高温菌的tRNA分子里，一方面（G＋C）mol％较高，另一方面在碱基分子里加入硫原子，从而提高了tRNA的热稳定性。例如在嗜热栖热菌的起始tRNA里就有这两种方式。碱基中这种硫原子主要是通过提高t R-NA几个环之间的结合能力，以此来提高tRNA的解链温度。

嗜高温菌的细胞膜中的脂肪酸成分以长链饱和脂肪酸含量高，并且主要是一些分支的长链饱和脂肪酸（即含有17，18和19个碳原子）。例如嗜热脂肪芽孢杆菌的生长温度从40℃提高到60℃时，高温培养的细菌细胞膜中16碳分支脂肪酸含量比40℃低温生长的含量增加了3～4倍，而不饱和脂肪酸含量却相应减少；在50～70℃不同温度下生长的水生栖热菌的细胞膜里，随着生长温度的提高，细胞膜中16碳的分支脂肪酸增加的比例最大，而不饱和脂肪酸的含量降低。这表明细胞膜中长链分支饱和脂肪酸含量增加是微生物提高抗热能力的一种方式。另外嗜高温细菌细胞膜中糖脂含量的增加也可能有利于提高它的抗热能力。例如嗜热栖热菌细胞膜中脂类物质的主要成分是糖脂，这种糖脂为一种呋喃半乳糖苷-吡喃半乳糖苷（-N-15-甲基-十六酰）-葡萄糖胺-葡萄糖基甘油二酯。

嗜高温菌对高温的适应与抵抗，除了自身大分子物质酶、核酸及细胞膜脂肪酸的组成等结构变化之外，还与一些保护因子的作用相关。保护因子有一些金属离子（Mg2＋，Ca2＋等）和一些低分子物质如多胺等。胞内的Ca2＋可以提高嗜高温菌蛋白酶、淀粉酶的热稳定性，提高Mg2＋浓度也可以提高嗜高温菌tRNA的解链温度（表5-9）。

表5-9 tRNA解链温度与镁离子浓度的关系

注：1.表中的数字为tRNA的解链温度（℃）。

2.先用1，2-二氨基环己烷四乙酸处理tRNA，以去掉与tRNA结合的Mg2＋，然后再加入不同浓度的Mg2＋，并测出各个浓度下的tRNA的解链温度。

高温菌与非高温菌细胞内均发现存在有主要是二胺、三胺和四胺等的碱性多胺类物质。其中四胺如热胺、热精胺或精胺等主要存在于嗜高温菌中，而二胺与三胺如腐胺、亚精胺主要存在于嗜中温菌中（表5-10）。研究表明多胺类物质可以提高菌体合成蛋白质与核酸的能力，提高核酸的稳定性，并对某些酶有激活作用。

表5-10 各种细菌的多胺组

注：“＋”表示有，但不是主要成分；“－”表示未能检出。

综上所述，高温性微生物通过酶蛋白、核酸及细胞膜等结构组成上的变化及一些保护因子的作用等综合抗热机制的组合与调控，使之获得了在高温环境中较稳定地生长繁殖的性能。这种耐热性的获得是微生物自身与外环境因子相互作用、长期选择进化的结果。

非高温菌用人工条件如适度热处理等，细胞可通过热激反应（heat shock response，HSR）或称为热休克反应而提高耐热能力。它是生物长期进化中形成的一种复杂的细胞保护机制。细胞受到热激时胞内合成热激蛋白（heat shock protein，Hsp）以帮助有机体度过不良环境。无论原核生物还是高等真核生物，当环境温度升高或是其他环境变化时体内有相对分子质量从10kDa到110kDa不等的热激蛋白表达。Hsp还在体内充当分子伴侣（molecular chaper-ones），帮助新合成多肽或使错误折叠蛋白完成正确折叠后运送至目的地。这也可能是Hsp帮助细胞度过不良环境，使之具有保护细胞的作用机制之一。有些热激蛋白基因在正常生长条件如细胞分裂周期、发育分化阶段表达。研究发现，尽管热激蛋白表达调控发生在多个水平，但主要是在基因转录水平，热休克因子（heat shock transcription factor，HSF）就是负责hsp基因转录的一类蛋白因子，HSF的种类繁多，但都通过特异结合hsp基因启动子上游序列即热激应答元件（heat shock element，HSE）促进hsp基因表达，对热激反应起正调节作用。

微生物耐热机制的研究不仅有利于人们在分子水平上了解高温性微生物耐热的机理和解析生物细胞的抗热进化历程，同时也为人工控制条件下改善工业微生物菌株及其产物的耐热性，从而提高相关工业生产的经济效益提供了理论依据与实践指导。

（三）微生物对极端pH值的抗性

一般微生物在pH7左右的范围内生长时，如环境pH稍有变化，微生物可以通过自身代谢调节维持细胞内pH的相对稳定。如通过合成一定的氨基酸脱羧酶或氨基酸脱氨酶，催化部分氨基酸分解生成有机胺或有机酸，对环境起到一定的缓冲作用，以免pH的剧烈变化。在极端pH条件下（＜pH4.0或＞pH9.0），一般微生物的生长会受到抑制甚或死亡。而有些耐酸细菌或耐碱细菌仍能继续生长。例如嗜酸热原体（Thermoplasma acidophilum）生长要求pH值为0.5～3.0，环状芽孢杆菌（Bacillus circulaus）能在pH11.0的环境中生长。但这两种细菌细胞内的pH值却是中性的。胞内的酶只有在pH7左右时才有活性。

嗜酸细菌如何维持胞内pH在近中性范围之内，其机制还不完全了解，目前一般认为是由于细胞膜对氢离子的不透性所引起，从而能避免质子进入细胞。嗜碱细菌主要是通过主动分泌OH－离子的方式来保持胞内pH在中性附近。

不论是嗜酸细菌还是嗜碱细菌，细胞壁与细胞膜在维持胞内pH的稳定上都起着重要作用。

（四）微生物对重金属离子毒害的抗性

在微生物正常生长中仅需要微量重金属离子，一般在0.1mg／L或更少量就可以满足，过量会产生毒害作用。但在一些重金属离子含量甚高的环境中，也有微生物生长。例如，在一些含铜量达到68000mg／L的泥炭沼泽地的土壤中和含铜量达100mg／L水和泥土里仍有真菌生长；在含有砷、锑的酸性矿泉水中，虽然它们的浓度大大超过对生物产生毒性的水平，也仍然有由藻类、真菌、原生动物和细菌组成的微生物群落存在。微生物免除高浓度重金属离子毒害的机制，据研究有：

（1）通过改变细胞膜透性，阻止金属离子进入细胞

微生物在高浓度重金属溶液中，可以通过改变细胞膜透性，阻止金属离子进入细胞。例如，在酸性矿泉水里生长的真菌，在pH为2～3时，即使Cu SO4的浓度达到1mol／L，也不能进入细胞。而当pH中性时，真菌对4×10－5mol／LCu SO4也敏感。这表明真菌对Cu2＋的抗性与环境中pH变化有密切关系。

（2）产生某种螯合剂，抵抗金属离子的毒害

微生物能产生某种螯合剂，抵抗金属离子的毒害。例如砷、锑等金属，可以在细胞内或细胞外，与微生物产生的螯合剂形成复合物，避免这些金属使酶失活或不被微生物细胞吸收。

（3）通过酶促反应，使有毒物质转变成无毒化合物。

对重金属毒害作用产生抗性的第三种方式是通过酶促反应，使有毒物质转变成无毒化合物。Hg Cl2能与细胞酶蛋白中的巯基结合，使酶失活。一些微生物可以由甲基钴胺素作辅酶及提供甲基，使Hg Cl2转变成甲基汞或二甲基汞，不再与巯基结合，避免了其毒害作用，甲基汞可被假单胞菌、金黄色葡萄球菌及肠道细菌还原成金属汞。