冬日悄然而至，溫泉成為許多人放松身心的首選。泡在熱氣騰騰的溫泉池中，享受寒意驅散后的愜意感受。然而，你是否好奇，在一個共享的溫泉池中泡澡，真的完全安全嗎？

溫泉是由地下自然涌出的高溫泉水形成的，雖然高溫環境確實能殺滅大部分微生物，但也有一些特殊的微生物具備適應高溫的能力，甚至能夠在這樣的環境中生存和繁衍。

近年來，科學家們對溫泉以及熱泉中的微生物群落展開了廣泛研究。例如，美國黃石國家公園和新西蘭地熱區的溫泉已被深入調查，以揭示其微生物多樣性。同樣，在我國，科學家們也對云南、西藏、海南等地區的溫泉進行了系統研究，為我們更全面地了解溫泉生態提供了寶貴數據。

不同地理位置的溫泉擁有獨特的微生物群落

溫泉的微生物結構和多樣性深受溫度、pH值等物理化學特性的影響。

在海口地區的三大溫泉——海甸島榮域溫泉、火山口開心農場溫泉和西海岸海長流溫泉，這些溫泉均為堿性水環境。研究表明，溫度、pH值、磷、硝酸鹽氮和鎂等理化因子對海口溫泉中的真菌和細菌群落具有顯著影響。這些因子的不同組合與水平共同塑造了溫泉微生物群落的結構與多樣性，為我們理解溫泉生態系統提供了重要線索。

（T：溫度; TP：總磷；NN：硝態氮；Ca：鈣；Mg：鎂；Se：硒；Cd:鎘；Pb：鉛）

（圖片來源：參考文獻1）

海口地區3個不同的溫泉的真菌群落和細菌群落個數

（圖片來源：參考文獻1）

一些嗜熱微生物展現出在不同地熱區域中生存的驚人適應能力。2021年，新西蘭奧克蘭大學的研究人員對陶波火山區（Taupo Volcanic Zone）6個溫泉池的水樣進行了深入分析，發現一種名為硫桿菌（Acidithiobacillus）的微生物廣泛分布于各種地熱環境中。這些溫泉的pH范圍從極酸性的1.00到中性的7.50不等，溫度跨度更是驚人，從17.5℃到92.9℃，顯示出這種微生物對極端環境的高度適應性。

6個地熱環境的pH值、溫度范圍以及水的化學性質

（圖片來源：參考文獻2）

為什么它們可以在溫泉中存活？

研究者通過對Acidithiobacillus的基因組序列進行分析，發現了一些嗜熱微生物在高溫環境下的基因組適應性。

1.高GC含量：我們知道所有生物的基因組都是由種核苷酸組成的，包括腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T），嘌呤和嘧啶之間靠氫鍵連接。Acidithiobacillus的基因組具有較高的GC含量。GC堿基對由于有三個氫鍵，比AT堿基對的兩個氫鍵更穩定，這使得富含GC的DNA在高溫下更穩定。

2.高脯氨酸含量：生物體的蛋白質都是由20種氨基酸組成的，其中脯氨酸是一種能夠增加蛋白質熱穩定性的氨基酸，因為它能夠減少蛋白質主鏈的構象自由度。簡單來說，如果把蛋白質比作一條可以自由彎曲的鏈條，那么普通氨基酸就像靈活的鏈節，而脯氨酸就像鏈條中的一個僵硬環節，限制了鏈條在某些方向上的彎曲，這種限制有助于蛋白質形成特定的三維結構。因此，這種特性可能幫助Acidithiobacillus在高溫環境中維持其蛋白質的結構和功能。

3.基因組精簡：研究發現臺灣溫泉菌株的平均基因組大小只有2.1±0.3Mbp明顯小于Acidithiobacillus參考基因組（3.3±0.4Mbp），存在基因組精簡的現象。適應高溫的原核生物存在基因組精簡的現象，這有助于微生物在資源有限的環境中更高效地利用基因組復制所需要的資源，從而提高其在高溫環境中的適應性。

4.pH穩態機制：Acidithiobacillus具有多種與pH穩態相關的酶和蛋白，如氨基酸脫羧酶、Na+/H+反向轉運蛋白（Na+/H+ antiporters）和質子泵ATP酶。氨基酸脫羧酶催化氨基酸脫羧反應，產生二氧化碳和相應的胺。這個過程會消耗細胞內的氫離子，從而幫助降低細胞內的酸度。Na+/H+反向轉運蛋白通過將細胞內的鈉離子與細胞外的質子交換來調節pH。而質子泵ATP酶通過水解ATP來提供能量，將質子從細胞內泵出到細胞外，從而直接降低細胞內的酸度。

冬日泡溫泉安全嗎？

從微生物角度來看，目前研究尚未發現嗜熱菌對人體有直接危害，因此單純從嗜熱菌的角度來說，泡溫泉通常是安全的。嗜熱菌是一類極端微生物，主要適應高溫環境，而溫泉的水溫通常在30-40℃之間，這遠低于嗜熱菌的最佳生長溫度（通常在50℃以上）。因此，嗜熱菌在常見溫泉條件下的活躍性受到一定限制。

然而，溫泉水的衛生狀況卻是影響安全性的關鍵。如果溫泉水源或池內水質受到污染，可能會滋生某些致病菌，例如常見的大腸桿菌或軍團菌。溫泉通常的水溫（30-45℃）雖然對某些病原體有一定抑制作用，但不足以完全殺滅耐高溫的微生物，這些致病菌能在相對較低溫度下生存，并有可能對人體健康構成威脅，特別是在開放性傷口或免疫力較低的情況下。

因此，在選擇溫泉時，應優先考慮水質管理嚴格、定期檢測的場所。即便如此，浸泡溫泉時也應避免將頭部完全沒入水中，并在泡溫泉后及時清洗身體，以降低潛在感染的風險。溫泉是一種健康的冬季休閑方式，但了解其衛生管理狀況并采取適當的防護措施才能更安全地享受這份愜意。

除了耐高溫，還有哪些極端微生物

極端微生物是指可以在其他陸地生物無法忍受甚至致命的環境中成長的微生物，它們可以在各種極端生態位中生存，包括極熱、極冷、高鹽、強酸和強堿、高壓和輻射等環境。有些微生物甚至能在有毒廢物、有機溶劑、重金屬等以前被認為不適合生命存在的環境中生長。

地球極端環境的多樣性 （圖片來源：參考文獻3）

1.溫度

地球表面的溫度范圍極為廣泛，從南極洲的極寒地區（-98.6℃）到深海熱液噴口（495℃），跨越了極端的冷熱環境。

目前已知的最耐寒微生物是可在-25℃環境生存的地熱雙歧古菌（Deinococcus geothermalis DSM 11300），最耐熱微生物是可在130℃環境下生存的巴羅斯地熱古菌（Geogemma barossii strain 121）。另外，一些通常在80℃ 以上的高溫下生長的超嗜熱菌，如甲烷嗜熱古菌（Methanopyrus kandleri strain 116），還必須在高壓條件下才能生長，因為高壓可以使水在更高溫度下保持液態。

2.酸度與堿度

極端pH值的環境也對微生物生存構成了巨大挑戰，目前已知的最低pH記錄來自美國加利福尼亞州沙斯塔縣的鐵山（pH 3.6），而最高pH記錄則是波蘭Chrzanow地區的戈爾卡湖（pH 13.3）。不過，至今還尚未發現可以在這些環境中生長的微生物。

目前已知的最耐酸微生物是大島嗜酸古菌（Picrophilus oshimae），其可在pH 0的酸性環境下生存，pH 0的環境有多酸呢？這么說吧，工業中常見的98%的濃硫酸pH就接近于0。

而最耐堿微生物蛇紋石單胞菌（Serpentinomonas sp. B1）能夠在pH 12.5的堿性環境中穩定生長，顯示了微生物對極端環境的驚人適應能力。

3.鹽分

地球上的鹽環境類型多種多樣，從海洋（鹽度約為3-4%）到溫泉（鹽度最高可達10.5%）再到蘇打湖（鹽度最高可達37.1%），覆蓋了從低鹽到高鹽的廣泛范圍。微生物的生長通常適應于鹽度在0%到35%之間的環境。

其中，目前已知能耐受最高鹽度的微生物是來自美國加利福尼亞州Searles湖的銀氏氯砷細菌（Halarsenatibacter silvermanii strain SLAS-1T），其最佳生長鹽度為35%氯化鈉（NaCl）。在常溫下，食鹽（NaCl）在水中的飽和溶解度約為36%-37%。35% NaCl接近飽和狀態，也就是說，你要想知道這種超耐鹽的細菌生活在多咸的水里，那你可以去嘗一嘗飽和食鹽水。

4. 壓力

在深海環境中，科學家發現了多種能夠在極高壓力下生存的嗜壓微生物。其中，目前已知的記錄保持者是嗜熱球菌（Thermococcus piezophilus），這是一種嗜熱古菌，它能在高達125 MPa的壓力下生存。125MPa的壓力相當于將每平方厘米面積承受約1250公斤的重量，類似于一輛小型汽車壓在一個拇指蓋大小的面積上。

5. 輻射

微生物受到的輻射包括紫外線、X射線、伽馬射線等。輻射通過直接或間接作用（如生成活性氧）對微生物細胞產生損害，損害DNA、蛋白質、脂質和RNA。抗輻射微生物，如耐輻射嗜熱古菌Thermococcus gammatolerans EJ3能夠抵抗高達30 kGy的伽馬射線。

通過純培養的極端微生物確定的生命極限 （圖片來源：參考文獻3）

總結

極端微生物展現了生命在極端環境下的適應能力，從高溫熱泉到深海高壓，它們通過獨特的基因組特征和代謝機制，能夠在常人難以忍受的環境中生存。

盡管溫泉中存在一些嗜熱微生物，但它們在常見溫泉水溫下通常不會對人體造成威脅。溫泉的安全性主要依賴于水質管理，因此選擇衛生狀況良好的溫泉場所至關重要。采取適當的防護措施，可以大大降低潛在的健康風險。

參考文獻：

1. 舒為,田曉玉 & 趙洪偉.(2020).海南海口溫泉真菌、細菌多樣性及其環境影響因素分析.微生物學報(09),262+2000-2011.doi:10.13343/j.cnki.wsxb.20200145.
2. Sriaporn, C., Campbell, K. A., Van Kranendonk, M. J., & Handley, K. M. (2021). Genomic adaptations enabling Acidithiobacillus distribution across wide-ranging hot spring temperatures and pHs.Microbiome,9(1), 135.
3. Merino, N., Aronson, H. S., Bojanova, D. P., Feyhl-Buska, J., Wong, M. L., Zhang, S., & Giovannelli, D. (2019). Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context.Frontiers in microbiology,10, 780.

出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監制：中國科普博覽