低温环境中的微生物

1、第一节第一节 低温环境中的微生物低温环境中的微生物一、低温环境中的微生物一、低温环境中的微生物长期低温：深海长期低温：深海 地球两极的土壤地球两极的土壤 冰川和高空冰川和高空短期低温：大多数地区的冬季期间短期低温：大多数地区的冬季期间1.低温环境低温环境嗜冷微生物（嗜冷微生物（psychrophiles）最适生长温度为最适生长温度为15或更低，或更低，最高生长温度为最高生长温度为20，最低生长温度为最低生长温度为0或更低或更低。如：如：噬纤维菌，短杆菌，噬纤维菌，短杆菌， 弧菌等。弧菌等。psychrotrophs05可生长繁殖，可生长繁殖，最适生长温度可达最适生长温度可达20以上以上的微生物

2、。的微生物。如：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌等。如：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌等。2.2.微生物种类微生物种类 嗜冷微生物主要为革兰氏阴性细嗜冷微生物主要为革兰氏阴性细菌，而革兰氏阳性菌相对较少。菌，而革兰氏阳性菌相对较少。 能在低温环境下生长的微生物不能在低温环境下生长的微生物不仅局限在原核微生物，也存在嗜冷仅局限在原核微生物，也存在嗜冷酵母菌、真菌和藻类。酵母菌、真菌和藻类。二、二、高温对嗜冷菌的影响高温对嗜冷菌的影响 在低温条件下在低温条件下低温微生物吸收和氧化外源葡萄低温微生物吸收和氧化外源葡萄糖糖 的能力最强，温度升高，能力下降的能力最强，温度升高，能力下降 在低温条件下在低温条件下，

3、嗜冷微生物的细胞膜蛋白和细，嗜冷微生物的细胞膜蛋白和细胞膜具有功能，而在高温条件下，便失去功能。胞膜具有功能，而在高温条件下，便失去功能。1.1.对物质运输的影响对物质运输的影响2.2.对代谢速率和呼吸酶的影响对代谢速率和呼吸酶的影响 与嗜中温菌相比，嗜冷菌的代谢速率相对比较与嗜中温菌相比，嗜冷菌的代谢速率相对比较低，并且随着温度的降低，嗜冷菌的生长速率降低，并且随着温度的降低，嗜冷菌的生长速率降低较快。低较快。 嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，在嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，在2020下下便失活，便失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温下生长的原因之一。这是为什么嗜冷菌必须在低温下生长的原因之一。3.3.对

4、蛋白质合成的影响对蛋白质合成的影响a.a.抑制蛋白质的合成抑制蛋白质的合成 对嗜冷菌来说，当环境温度超过最高生长温度时，会对嗜冷菌来说，当环境温度超过最高生长温度时，会直接抑制细胞中蛋白质的合成。直接抑制细胞中蛋白质的合成。 而且，嗜冷菌中的各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温而且，嗜冷菌中的各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相当敏感。度相当敏感。b.b.破坏核糖体的结构和功能破坏核糖体的结构和功能 一般一般情况下，温度升高会影响嗜冷菌核糖体情况下，温度升高会影响嗜冷菌核糖体RNARNA和蛋白和蛋白质之间的正常结合，同时核糖体的天然结构发生改变。质之间的正常结合，同时核糖体的天然结构发生改变。 对嗜冷

5、菌来说，过高的温度还会影响其他可溶性亚细胞对嗜冷菌来说，过高的温度还会影响其他可溶性亚细胞成分的功能。成分的功能。4.4.对细胞结构的影响对细胞结构的影响a.a.破坏细胞壁破坏细胞壁 例如：用例如：用3737处理嗜冷红弧菌处理嗜冷红弧菌2h2h，细胞壁成分分解。，细胞壁成分分解。b.b.破坏正常破坏正常的细胞的细胞形状形状 3030处处理异常芽孢杆菌时，细胞分裂干扰受变成丝状。理异常芽孢杆菌时，细胞分裂干扰受变成丝状。c. .影响正常细胞表面影响正常细胞表面的的电荷电荷 用大于用大于2121温度处理专性嗜冷红弧菌，细胞膜的磷脂被释放温度处理专性嗜冷红弧菌，细胞膜的磷脂被释放到环境中，增加电泳过

6、程中泳动速度。到环境中，增加电泳过程中泳动速度。d.影响细胞的通透性影响细胞的通透性 热处理嗜冷微生物细胞时，会引起细胞的通透性发生变化或热处理嗜冷微生物细胞时，会引起细胞的通透性发生变化或引起细胞裂解。引起细胞裂解。5.5.对细胞分裂、基因调控和对细胞分裂、基因调控和RNARNA合成的影响合成的影响a. .温度升高，会影响低温微生物的温度升高，会影响低温微生物的细胞分裂细胞分裂。b.b.温度升高，低温微生物细胞中的阻遏蛋白能更温度升高，低温微生物细胞中的阻遏蛋白能更 紧密地与紧密地与DNADNA结合，阻碍结合，阻碍酶的形成酶的形成。c.c.嗜冷菌和耐冷菌在环境温度超过他们最适温度嗜冷菌和耐冷

7、菌在环境温度超过他们最适温度时时RNARNA合成合成停止。停止。三、微生物适应低温的分子机理三、微生物适应低温的分子机理 低温微生物可以通过信号传导来感受环境条件低温微生物可以通过信号传导来感受环境条件的变化。的变化。例如：耐冷菌丁香假单胞菌脂多糖和膜蛋白的磷例如：耐冷菌丁香假单胞菌脂多糖和膜蛋白的磷酸化和去磷酸化反应和温度变化有关。酸化和去磷酸化反应和温度变化有关。1.通过通过信号传导信号传导使低温微生物适应低温环境使低温微生物适应低温环境2.通过通过调整细胞膜脂类的组成调整细胞膜脂类的组成来适应低温环境来适应低温环境a.a.环境温度降低时，微生物细胞膜的不饱和脂肪酸含量会增环境温度降低时，

8、微生物细胞膜的不饱和脂肪酸含量会增 加，以维持细胞膜磷脂的半流动状态，使细胞膜在低温条加，以维持细胞膜磷脂的半流动状态，使细胞膜在低温条 件下仍能保持运输物质的能力和保持细胞膜上的酶发挥功件下仍能保持运输物质的能力和保持细胞膜上的酶发挥功 能。能。b.b.增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸的合成。增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸的合成。c.c.缩短酰基链的长度，增加脂肪酸支链的比例，减少环状脂缩短酰基链的长度，增加脂肪酸支链的比例，减少环状脂 肪酸的比例等肪酸的比例等, ,对维持膜的流动性具有重要意义。对维持膜的流动性具有重要意义。生长在生长在5的南极好氧菌，的南极好氧菌，细胞脂

9、质总脂肪酸中棕榈细胞脂质总脂肪酸中棕榈油酸、油酸等不饱和脂肪油酸、油酸等不饱和脂肪酸的含量超过酸的含量超过90。3.低温微生物的低温微生物的蛋白质和蛋白质合成蛋白质和蛋白质合成a.嗜冷菌合成大量的嗜冷菌合成大量的低温酶类低温酶类，弥补因低温导致的反应速率下，弥补因低温导致的反应速率下 降的问题。降的问题。b.嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类，在一定范围的不同温嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类，在一定范围的不同温 度下保持度下保持结构完整和催化功能结构完整和催化功能，维持生命现象。，维持生命现象。c.低温酶在低温下具有低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象高催化率和高柔顺分子构象。d.低温酶

10、不仅具有低温酶不仅具有高比活力高比活力，而且具有，而且具有高稳定性高稳定性。e.嗜冷菌中嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体蛋白质以单体和多聚体的形式存在（如嗜冷弧菌中的形式存在（如嗜冷弧菌中 异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）。异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）。4.低温微生物通过低温微生物通过产生产生冷激冷激蛋白蛋白适应低温环境适应低温环境 当生长温度从当生长温度从2121降到降到55时，嗜冷酵母能在时，嗜冷酵母能在12 h12 h内合成内合成2626种冷激蛋白（种冷激蛋白（cold shock protein），），以适应这种低温环境。以适应这种低温环境。四、嗜冷菌的应用四、嗜冷菌的应用低温酶主要有以下几个方面的用途：低温酶主要有以下几个方面的用途：（1 1）洗涤剂的添加剂）洗涤剂的添加剂（2 2）纺织工业用酶）纺织工业用酶（3 3）食品工业）食品工业（4 4）生物修复）生物修复（5 5）