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台灣近四十年來有關 嗜熱微生物的研究

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. 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. 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℃ 。.

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台灣近四十年來有關 嗜熱微生物的研究

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  1. 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

  2. 自然界對生物活力和演化產生重大影響的環境因子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

  3. 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℃。

  4. 地表溫泉與海底湧泉之形成

  5. Phylogenic Tree of Life Forms Based on rRNA Sequences

  6. 各類生物生存溫度上限（Brock, 1978）

  7. 某些超級嗜熱菌（van der Oost et al., 1998）

  8. 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

  9. 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。 台灣溫泉之分佈 (陳肇夏, 1994）

  10. 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。

  11. 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

  12. 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 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)。

  13. 台灣近四十年來嗜熱微生物相關研究之主題分類統計台灣近四十年來嗜熱微生物相關研究之主題分類統計 a包含篩選加速堆肥熟成微生物之研究。

  14. 台灣近四十年來嗜熱微生物耐熱酵素研究之分類統計台灣近四十年來嗜熱微生物耐熱酵素研究之分類統計

  15. 台灣近四十年來嗜熱微生物相關研究文獻數目之消長台灣近四十年來嗜熱微生物相關研究文獻數目之消長 a放線菌除外之好氧細菌，包括兼性厭氧生長者。

  16. 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。

  17. 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。

  18. 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。

  19. 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 acidocaldarius49-1的分離、酵素生產與酵素部分純化。

  20. Bacillus acidocaldarius49-1 (●)的生長溫度和pH值範圍

  21. B. acidocaldarius 49-1葡萄糖異構酶最適作用溫度

  22. B. acidocaldarius 49-1葡萄糖異構酶最適作用pH值

  23. B. acidocaldarius 49-1部分純化葡萄糖異構酶之最適作用pH值

  24. 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℃。

  25. 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.。

  26. 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S3-PY。 • 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。

  27. 溫度對Alterococcus agarolyticusS3-PY生長之影響

  28. 鹽度對Alterococcus agarolyticusS3-PY生長之影響

  29. Alterococcus agarolyticus S3-PY在5公升醱酵槽中的生長過程

  30. 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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