自嗜熱性生物被發現後，一般認為能以最適生長溫度做為標準，生物依 照生存溫度可分為數個區段 (圖一)，其中最適生存溫度高於 45-50°C 者即 屬於嗜熱性生物。Stetter (1996) 於深海中高溫高壓環境的熱泉噴口 (deep-sea hydrothermal vents 或 deep-(deep-sea black smoker)，發現可於生長於 113 °C的 Pyrolobus fumarii。之後 Stetter (1996) 將嗜熱性生物依照最適生長溫度 (Topt) 重新界定為超嗜熱性生物 (hyperthermophiles, Topt > or = 80°C)，極嗜熱性生 物 extreme thermophiles, Topt 70°C to 80°C)，與中度嗜熱性生物 (moderate thermophiles, Topt 45°C to 70°C)，此定義一直被延用至今 (Stetter, 1996 ; Mesbah and Wiegel, 2008 ; Wagner and Wiegel, 2008)。
(2) 嗜熱性生物的生存環境
嗜熱性生物 (主要為嗜熱性微生物) 群落的存在環境為各種高溫環境。
這些高溫環境大多與火山活動有關，包括溫泉、間歇泉、火山和深海中的熱 泉噴口，且已成為主要的嗜熱菌的主要分離源。此外，人類活動產生的高溫 環境，如堆肥、煤灰處理場 (coal refuse piles)、工業廢水處理系統、造紙或 食品工業、熱水器及其冷卻水等也發現有嗜熱菌的存在 (Oshima and Moriya, 2008)。甚至在地殼深層也發現有嗜熱菌 (Gold, 1992)。不過除了熱源環境外，
Marchant 等人也於愛爾蘭地區的低溫或常溫土壤中，分離出至少包含兩個 種共 53 株的 Geobacillus 屬嗜熱菌 (Marchant et al., 2002)。另外許多天然 地熱環境也存在多極端因子，因此許多嗜熱性微生物常常也是嗜複極端因子 性生物 (polyextremophilic organism)。
(3) 嗜熱性生物的種類與分布
細菌、真菌、藻類以及古生菌都可能是嗜熱性微生物，其中以原核生物
圖一、嗜冷性、嗜中溫性、嗜熱性與嗜超熱性微生物生存溫度關係圖。(Madigan and Marrs, 1997)
Figure 1. Relation of temperature and growth rates for a typical psychrophilic, mesophilic, thermophilic and hyperthermophilic microorganisms.
The respective optimal growth temperatures Topt are indicated on the graph.
界的細菌以及古生菌的種類最為龐大。目前發現以下細菌屬中，均為嗜熱菌 的有：Desulfotomaculum (Campbell & Postgate, 1965)、Thermus (Brock & Freeze, 1969)、Chloroflexus (Pierson & Castenholz, 1974)、Thermothrix (Caldwell et al., 1976)、Sulfobacillus (Golovacheva & Karavaiko, 1978)、Meiothermus (Nobre et al., 1996a )、Thermotoga (Robert et al., 1986)、Rubrobacter (Suzuki et al., 1988)、
Thermoleophilum (Zarilla & Perry, 1984)、Sphaerobacter (Demharter et al., 1989)、
Rhodothermus (Alfredsson et al., 1988)、Thermosipho (Huber et al., 1989)、
Hydrogenophilus (Hayashi et al., 1999)、Anoxybacillus (Pikuta et al., 2000)、
Geobacillus (Nazina et al., 2001)、Caldimonas (Takeda et al., 2002)、Roseiflexus (Hanada et al., 2002) 與 Silanimonas (Lee et al., 2005) 等。此外有些菌屬中包 含 嗜 高 溫 及 嗜 中 溫 的 物 種 ， 例 如 Deinococcus (Brooks & Murray, 1981;
Ferreira et al., 1997)、Bacillus (Fritze et al., 1990)、Marinobacter (Gauthier et al., 1992；Shieh et al., 2003)、Pseudoxanthomonas (Chen et al., 2002a; Finkmann et al., 2000) 與 Thermomonas (Busse et al., 2002) 等屬，可見地球上嗜熱性微生 物種類豐富，且有許多不同菌屬或是菌種的新穎嗜熱菌不斷地被發現 (魏，
2006)。
在高溫的環境中，溫度與酸鹼度是影響嗜熱菌分佈的最主要因子。好氧 產胞的桿菌群如 Bacillus spp.、Geobacillus spp.、Alicyclobacillus spp. 和 Sulfobacillus spp. 等可以存活於 pH 2-9 的高溫環境。好氧非產胞桿菌如 Thermus spp.、Meiothermus spp. 和 Rubrobacter spp. 等，則多分佈於中性或 鹼性的環境中 (Pask-Hughes & Williams, 1975；Brock & Boylen, 1973)。而厭 氧 性 嗜 熱 菌 如 Clostridium spp. 則 在 非 強 酸 性 的 環 境 中 廣 泛 地 分 佈
圖二、高溫原核生物最佳生長溫度 (Topt) 與最佳生長酸鹼度 (pHopt) 分佈圖。
(Kristjansson, 1992)
Figure 2. The distribution of optimal growth temperature and pH of the high-temp prokaryotes.
Hollow symbol : Archaea, and solid symbol : Bacteria. ○: methogens; △:
aerobic archaea; □: anaerobic archaea; ■: aerobic bacteria; ●: anaerobic bacteria
(4) 嗜熱性生物的生理特性
生存於高溫環境的嗜熱性細菌為了適應，常會發展出獨特的生理特性與 細胞結構以應付惡劣的生存環境，如耐熱的細胞膜、DNA 修補系統及具熱 穩定性的酵素系統等 (Stetter, 1998)。在細菌細胞的主要成份中，脂質、核酸 及蛋白質皆是對熱敏感的物質，因此存於嗜熱性細菌中的這些物質，都有其 獨特的特性以確保其熱穩定性，以 Thermotoga maritima 細胞膜的脂質為例，
主要為 n-fatty acid、diabolic acid 和 glycerol ether lipid (15, 16-dimethyl-30-glyceryloxytriacontanonicacid) 等脂肪酸，而在這些脂肪酸中，ether lipid 在 高溫下具不易被水解的特性，其存在可以增加膜的熱穩定性 (De Rosa et al., 1989)。除脂質的修飾有助於細胞膜的穩定外，嗜熱性細菌的 DNA 多為高 G+C 比例，可以增加 DNA 雙股螺旋的穩定性，加上其具有 reverse gyrase，
可以增加正向的超螺旋以幫助穩定高溫下的 DNA 分子結構 (Kikuchi and Asai, 1984；Bouthier de la Tour et al., 1990)。在蛋白質方面，目前並無法以胺 基酸的組成作為蛋白質是否具熱穩定性的依據，同源的嗜熱菌與中溫菌其蛋
表三、嗜熱菌全細胞的生物技術應用 (Urbieta et. al., 2015) Table 3. Biotechnological applications of whole-cell thermophiles.
Whole cell application Thermophile Action
Biofuel production Caldicellulosiruptor bescii, Caldanaerobius polysaccharolyticus
Xylan degrading activity
Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum
Butanol production
Caldicellulosiruptor saccharolyticus Consolidated bioprocess for anaerobic hydrogen production
Methanoculleus thermophiles and other autochthonous thermophiles from coal mine
Methane production from coal mine substrates
Bioremediation Geobacillus sp.,
Anoxybacillus flavithermus, Thermus thermophiles, Thermococcus zilligii
Biosorption of toxic metals
Thermus scotoductus, Pyrobaculum. islandicum, Thermoanaerobacter sp.,
Thermoterrabacterium ferrireducens
Immobilisation of radionuclides
Aeribacillus sp., Geobacillus sp.
Biodegradation of recalcitrant aromatic
Anoxybacillus sp. Degradation of azo-dyes
Non characterised thermophiles Construction of biofilters for gas deodoration
Bioleaching Sulfobacillus sp., Ferroplasma sp., Acidianus infernus
Enhanced Cu extraction from chalcopyrite
Acidianus brierleyi, Acidianus manzaensis, Metallosphaera sedula, Sulfolobus metallicus
Metal solubilisation from nickel-copper sulphide
Improved compost quality by cellulolytic activity
表四、嗜熱菌產生的高分子於已知或潛在的生物技術應用 (Urbieta et. al., 2015)
Table 4. Recent reports on macromolecules produced by thermophiles with known or potential biotechnological applications.
Macromolecule Thermophile/Source Activity Industry/Bioprocess
Thermozymes
Aldolase Sulfolobus solfataricus, S. acidocaldarius, Thermoproteus texas, Hypertermus butilicus
Glucose oxidation Enzymatic fuel cell
Hydrogenase Pyrococcus furiosus Final stage of glucose oxidation by oxidative pentose phosphate cycle
Enhanced production of biohydrogen
Pullulanase Thermotoga neapolitana Hydrolysis of α-1, 6-glucosidic linkages
Biofuel production
α-Amylase Uncultured clone
(metagenomic screaning)
Starch hydrolysis at high temperature and high NaCl concentration
Biogas production
Endoxylanase Acidothermus cellulolyticus β-1, 4-xylan cleavage Biofuel production from lignocellulose
Chitinase Sulfolobus tokodaii Hydrolysis of β-1,
4-glycosidic bond in
Meiothermus ruber Keratin hydrolysis Feather degradation (industrial waste) Protease Microbial community from solid
state fermentation reactor
Degradation of hair waste from tannery
Leather industry
Lipase Geobacillus sp. Hydrolysis of divers lipid
substrates
Bacillus pumilus Degradation of palm oil Treatment of palm oil-containing wastewater
Reduction of the surface tension of water
Alcaligenes faecalis Decrease of surface tension at air-water interface, enhance of emulsification
Oil industry
Cyclic lipopeptides Bacillus licheniformis, B. subtilis, B. subtilis
Oil mobilization, enhance in oil recovery
Oil industry
* G6PD (glucose-6-phosphate dehydrogenas), 6PGD (6-phosphogluconate dehydrogenase), R5PI (ribose-5-phosphate isomerase).
解線狀纖維素 (如木醣、纖維素與半纖維素) 產生液態的生物燃料，
Caldicellulosiruptor、Caldanaerobius 與 Clostridium spp. 產生的纖維素酶 與木聚醣酶展現有效的木質纖維素降解能力，具有生產多種液態生物燃料 的潛力 (Bhalla et al., 2013; Han et al., 2012; Su et al., 2013)。
(b) 生物採礦 (Biomining)
生物採礦包括不同的生物加工過程，主要的目的是提高從礦石中金屬 的回收率，生物浸取 (bioleaching) 和生物氧化 (biooxidation) 是兩種應用 在硫化礦物上的生物萃取過程，進行生物採礦的微生物須具備產生氧化和 酸性條件的能力，攻擊金屬硫化物使其釋放金屬至酸性溶液中變成可溶性 硫酸鹽，具備嗜酸性與可氧化鐵和硫等特性的原核生物適合參與生物浸取 和生物氧化的過程，從礦物溶液中釋放金屬，藉由微生物氧化硫產生的硫 酸保持低 pH 值的條件，以維持溶液中金屬離子的狀態 (Donati and Sand, 2007)。雖然生物採礦加工理論上可以應用在其他金屬，但主要商業應用 的發展是在銅的生物浸取和難處理的金礦石的生物氧化方面。大部分商業 生物浸取的應用是在 40-50°C 下運作，主要是因為研究較透徹的生物浸 取的微生物是中溫菌或中度嗜熱菌 (Donati and Sand, 2007)，然而使用嗜 熱菌的優點是在高溫下操作可以提高整體反應速率，此外也可以除去冷卻 系統所需的能量。
(c) 生物復育 (Bioremediation)
生物復育被視為生態友善的污染處理技術，利用微生物 (當地或是人 工引進的) 低成本的清除、控制或轉換環境中有機或無機污染物，使其變 成良性的產物 (Tabak et al., 2005)。使用嗜極性微生物處理受金屬汙染的 地方已變成有潛力的選擇 (Sen et al., 2014)，嗜熱菌經由生物復育可以固 化有毒的金屬離子，甚至是輻射汙染的熱水。
嗜熱酵素的優異的特性適用於溫度相關的特定產業，如紙漿、食品、
釀造和飼料加工產業。嗜熱菌對於嚴苛的條件具有高度的抗性，例如化學 變性劑、廣泛的 pH 值範圍與無水溶劑，嗜熱酵素包含纖維素酶、木聚醣 酶、果膠酶、幾丁質酶、澱粉酶、支鏈澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶、葡萄糖 異構酶、醇脫氫酶與酯解酶 (Bergquist et al., 2014; Chai et al., 2012; Elleuche et al., 2014; Kahar et al., 2013)，嗜熱酵素在工業應用扮演著重要角色。
嗜熱酵素最常用於澱粉與木質纖維素去生產生物燃料，轉化過程需要 高溫和低 pH 的條件，以及澱粉酶、葡糖澱粉酶與支鏈澱粉酶的催化反應，
為了生產生物燃料，木質纖維材料的複合結構必須先以化學和物理方法分 解，進而 得到纖 維素 、半纖維 素與木 質素 ，再由對 應的水 解酶 處理 (Elleuche et al., 2014)，考慮到預處理的條件，嗜極性水解酵素會比中溫酵 素來得更適合。
(e) 生物界面活性劑 (Biosurfactant)
生物界面活性劑是由微生物產生的兩性分子化合物，有助於提高非水 溶性化合物的乳化和分散。生物界面活性劑可以是醣酯、酯多醣、酯蛋白、
磷酯、羥基化交聯的脂肪酸與完整的細胞。因其毒性較低、較高的生物降 解能力、更好的環境相容性與高泡沫的形成，可在極端的溫度、pH 值和 鹽度下有較高的活性，生物界面活性劑在食品、農業、醫藥、石油、造紙 /紙漿行業的使用有顯著的增加 (Sharafi et al., 2014)。如在其他領域，嗜熱 菌已經證明生產的生物界面活性劑具有較高的熱穩定性，並提高其他極端 物 理 化 學 參 數 如 pH 和 鹽 度 的 抗 性 ， 迄 今 被 鑑 定 的 菌 屬 為 Aneurinibacillus、Geobacillus、Alcaligenes、Bacillus 和 Brevibacillus 屬 (Bharali et al., 2011; Joshi et al., 2008; Mnif et al., 2011; Sharafi et al., 2014)。
(6) 全球酵素市場概況
全 球 酵 素 市 場 可 分 為 工 業 酵 素 (industrial enzyme) 與 特 用 酵 素 (specialty enzyme) 兩大類，2006 年全球工業酵素市場為 22.52 億美元，其
中約 3/4 是用於食品、澱粉加工與清潔劑工業，2006 年市場已接近 50 億 (polymerase)、核酸酶 (nuclease) 與其他酵素。若依市場應用面來分類，則分 為 製 藥 與 診 斷 (pharmaceutical & diagnostic) 、 生 技 研 究 (research/biotechnology) 以及其他應用市場 (other end use market) (許，2007)。
因為基因解碼與分子生物學蓬勃發展，使得基因與蛋白質工程領域突飛
3. 臺灣的地熱環境與嗜熱菌的研究