Wir können die "verbotene Zone des Lebens" nicht betreten, aber sie leben hier hartnäckig

In der Natur gibt es einige Umgebungen, in denen normale Organismen nicht überleben können, wie z. B. hohe Temperaturen, niedrige Temperaturen, hohe Säure-, Alkali- und Salzwerte, hoher Druck, hohe Strahlung usw.

Doch selbst in diesen extremen Umgebungen, die allgemein als für Leben verbotene Zonen gelten, gibt es immer noch einige Mikroorganismen, die hartnäckig überleben. Wir nennen diese Mikroorganismen Mikroorganismen in extremen Umgebungen oder einfach extreme Mikroorganismen.

Lernen wir heute diese zähen kleinen Kerle kennen.

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Psychrophile Bakterien

Einige kälteliebende Mikroorganismen leben in den arktischen und antarktischen Regionen der Erde, in Eiskellern, in ganzjährig schneebedeckten Hochgebirgen, in der Tiefsee und in Permafrostgebieten. Obligatorische Psychrophile sind an ein Leben in einer Umgebung unter 20 °C angepasst und sterben, wenn die Temperatur über 20 °C liegt.

Antarktischer Eisberg. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Es gibt einen Typ obligat Psychrophiler, der die Proteinsynthese einstellt, wenn die Temperatur 22 °C übersteigt.

Die Zellmembran obligat Psychrophiler enthält eine große Menge ungesättigter Fettsäuren, wobei die Menge mit sinkender Temperatur zunimmt, wodurch die Fluidität der Membran bei niedrigen Temperaturen gewährleistet wird. Auf diese Weise können die Zellen bei niedrigen Temperaturen kontinuierlich Nährstoffe aus der äußeren Umgebung aufnehmen.

Fakultative Psychrophile verfügen über einen weiten Temperaturbereich für ihr Wachstum und können bis zu einer Höchsttemperatur von 30 °C überleben. Psychrophile Mikroorganismen sind die Hauptursache für den Verderb von Lebensmitteln, die bei niedrigen Temperaturen gelagert werden.

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Thermophile

Thermophile, allgemein als Hochtemperaturbakterien bekannt, sind in heißen Quellen, Kompost, geothermischen Böden, vulkanischen Gebieten und Unterwasservulkanen weit verbreitet. Die am besten geeignete Wachstumstemperatur für fakultative Thermophile liegt zwischen 50 und 65 °C, während die für obligate Thermophile zwischen 65 und 70 °C liegt.

In Island gibt es thermophile Bakterien, die in 98 °C heißen Quellen wachsen können. Ein thermophiles, fakultativ autotrophes Bakterium, Sulfolobus acidocaldarius, wurde einst aus den schwefelhaltigen heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark in den Vereinigten Staaten isoliert. Es kann bei Temperaturen über 90 °C wachsen. In den letzten Jahren hat dieses Bakterium große Aufmerksamkeit erhalten und kann zur bakteriellen Laugung von Erzen sowie zur Entschwefelung von Erdöl und Kohle eingesetzt werden.

Geothermiegebiet. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

In manchen Schlämmen, heißen Quellen und geothermischen Tiefseewässern leben thermophile Bakterien, die Methan produzieren können. In ihrer Umgebung herrschen hohe Temperaturen, hohe Salzkonzentrationen und ein sehr hoher Druck, was ihre Isolierung und Kultivierung im Labor erschwert.

Thermophile Pilze kommen häufig in heißen Umgebungen wie Komposthaufen, Heuhaufen und Holzschnitzelhaufen vor , wo sie beim Abbau organischer Stoffe helfen.

In der Fermentationsindustrie können thermophile Bakterien zur Herstellung einer Vielzahl von Enzympräparaten wie Cellulase, Protease, Amylase, Lipase, Inulinase usw. verwendet werden. Die von diesen Mikroorganismen produzierten Enzympräparate weisen eine gute thermische Stabilität und eine hohe katalytische Reaktionsrate auf und lassen sich bei Raumtemperatur leicht lagern.

Zu den bemerkenswertesten Errungenschaften der letzten Jahre bei der Erforschung thermophiler Lebewesen zählt die Verwendung der hitzebeständigen Taq-DNA-Polymerase aus Thermus aquaticus in der genetischen und gentechnischen Forschung sowie die breite Anwendung der Gentechnologie.

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Acidophilus

Acidophile Bakterien sind in Bereichen wie saurem Mineralwasser und sauren heißen Quellen verbreitet. Unter ihnen ist Acidithiobacillus ein Bakterium, das chemoautotroph und chemoheterotroph wachsen kann und dessen optimale Wachstumsumgebung ein pH-Wert zwischen 3,0 und 3,5 ist.

Beispielsweise kann Thiobacillus thiooxidans in einer Umgebung mit einem pH-Wert unter 0,5 überleben, und der obligat autotrophe acidophile Thiobacillus ferrooxidans kann Schwefel und Eisen oxidieren und Schwefelsäure produzieren. Beide Bakterien sind extreme Acidophile.

Heiße Quellen in Island. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

In einer sauren Umgebung leben auch einige acidophile und thermophile Acidithiobacillus. Ihre Wachstumsrate erreicht unter Bedingungen von 60–65 °C und einem pH-Wert von 3–4 ihr Maximum. Dieses Bakterium kann entweder Kohlenhydrate oder Aminosäuren als Nährstoffquelle nutzen.

Es gibt einen weiteren Mikroorganismus, der ebenfalls in sauren und heißen Umgebungen wächst und sich vermehrt. Es wird als azidophiles Thermoplasma bezeichnet. Seine optimale Wachstumstemperatur liegt bei 59 °C und sein optimaler pH-Wert bei etwa 2. Er hat keine Zellwände und seine Nährstoffanforderungen sind recht komplex. Es muss Hefepaste als Nährstoffmatrix verwenden und muss über natürliche organische Nährstoffe verfügen, um wachsen zu können.

Darüber hinaus leben viele acidophile eukaryotische Mikroorganismen in sauren Umgebungen, wie beispielsweise ellipsoidale Hefe und rote Hefe. Es gibt eine Art Cephalosporium, die in Schwefelsäure mit einer Konzentration von über 10 % wachsen muss und deren Nährmedium 4 % Kupfersulfat enthalten muss. Es handelt sich um den säurebeständigsten Mikroorganismus, der bisher entdeckt wurde.

Seit vielen Jahren werden acidophile Bakterien häufig zur bakteriellen Auslaugung von Metallen wie Kupfer eingesetzt. Darüber hinaus versucht man, mit Thiobacillus Phosphatgesteinspulver zu zersetzen und durch Erhöhung der Löslichkeit dessen Düngewirkung zu steigern.

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Alkaliphile Bakterien

Alkaliphile Mikroorganismen können in alkalischen Seen, einigen alkalischen Umgebungen und sogar in einigen neutralen Umgebungen isoliert werden. Obligat alkaliphile Mikroorganismen können bei einem pH-Wert von 11–12 wachsen, nicht jedoch bei neutralem pH-Wert. Dies ist beispielsweise bei Bakterien wie Bacillus pasteurianus und Bacillus alkaliphilus der Fall.

Alkalischer Strand. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Aus einer alkalischen Quelle mit hohem pH-Wert wurde ein gelbes Bakterium isoliert, das bei einem pH-Wert von 11,4 gut wächst.

In den eutrophen Gewässern des Lime Lake sind viele Cyanobakterien auch alkaliphil und ihr optimaler Wachstums-pH-Wert liegt zwischen 9 und 10. Eine Algenart kann sogar unter stark alkalischen Bedingungen von pH 13 wachsen. Dabei handelt es sich um den Mikroorganismus mit der höchsten bisher entdeckten Alkalinitätsresistenz.

In den letzten Jahren wurden auch alkaliphile Bakterien entdeckt, die zur Photosynthese befähigt sind. Alkaliphile Bakterien können als Produzenten vieler Enzympräparate in der Fermentationsindustrie eingesetzt werden. Beispielsweise eignet sich die vom alkaliphilen Bacillus produzierte Elastase zur Einwirkung auf Elastin und ihre Aktivität bei der Spaltung dieses Proteins kann unter Bedingungen mit hohem pH-Wert erheblich verbessert werden.

Von alkaliphilen Bakterien produzierte Proteasen haben die Vorteile einer hohen katalytischen Aktivität und starken thermischen Stabilität unter alkalischen Bedingungen und werden häufig als Zusatzstoffe in Reinigungsmitteln verwendet.

Es gibt auch Xylanase, die von alkalophilen Bacillus produziert wird und Xylan hydrolysieren kann, um Xylose und Oligosaccharide zu produzieren. Sie kann daher zur Behandlung von Kunstfaserabfällen verwendet werden, während die durch alkalische β-Mannanase produzierten Oligosaccharide, die Mannan abbauen, als Zusatzstoff für Gesundheitsprodukte verwendet werden können.

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Halophile

Halophile Bakterien kommen häufig in Salzfeldern, Salzseen, eingelegten Produkten und dem weltberühmten Toten Meer vor. Halophile Bakterien können in einer Umgebung mit einer Salzkonzentration von 15 bis 20 % wachsen, und einige können sogar in 32 % Salzwasser wachsen.

Zu den extremen Halophilen zählen Halobacterium und Halococcus, die zu den Archaea gehören. Halobacterium-Zellen enthalten rote Pigmente. Wenn sie in großer Zahl in Salzseen und im Toten Meer wachsen, lassen sie diese Umgebungen rot erscheinen.

Einige halophile Bakterien haben violette Membranen in ihren Zellen, die ein Protein namens Bakteriorhodopsin enthalten, das Energie aus dem Sonnenlicht absorbiert.

Salzsumpf. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Halophile Bakterien können Lebensmittelverderb und Lebensmittelvergiftungen verursachen. Vibrio parahaemolyticus ist ein weit verbreitetes Meeresbakterium und einer der Hauptverursacher von Lebensmittelvergiftungen. Es verursacht Krankheiten, indem es Meeresfrüchte, eingelegtes Gemüse, Gänsebraten usw. verunreinigt.

Tatsächlich haben sie jedoch in vielen Bereichen Beiträge geleistet – halophile Bakterien können zur Produktion von extrazellulären Polysacchariden, Polyhydroxybuttersäure (PHB), essbaren Proteinen, Gewürzen, Nahrungsergänzungsmitteln, Enzymschutzmitteln, Computerspeichern usw. verwendet werden. Sie können auch zur Meerwasserentsalzung, zur Umwandlung und Nutzung von salzhaltigen und alkalischen Böden sowie zur Energieerzeugung eingesetzt werden.

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Barophile

Es gibt auch einige barophile Mikroorganismen, die in der Tiefsee und in tiefen Ölquellen verbreitet sind. Der Druck in der Umgebung, in der sie leben, beträgt mehr als tausend Atmosphären, aber unter Normaldruck können sie nicht überleben. Jemand hat einmal barophile Bakterien aus dem 10.897 Meter tiefen Meeresboden des Pazifischen Ozeans in der Nähe der Philippinen isoliert.

Es wird erwartet, dass Barophile, die gegen hohe Temperaturen und anaerobes Wachstum resistent sind, dazu eingesetzt werden, den Gasdruck in Ölquellen zu erhöhen und die Viskosität des Rohöls zu verringern, wodurch die Förderraten verbessert werden.

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Es ist unglaublich, oder? In diesen kargen Böden, wo kein Gras wächst, leben tatsächlich diese Mikroorganismen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.

Und nicht nur das: Vielleicht können diese starken kleinen Kerle eines Tages mit dem Einfallsreichtum der Wissenschaftler zu unseren kleinen Helfern werden!

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor｜Guanshiruwei-Team

Produzent｜China Science Expo

Eingereicht von: Computer Information Network Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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