低溫環(huán)境中的微生物

1、第一節(jié)第一節(jié) 低溫環(huán)境中的微生物低溫環(huán)境中的微生物一、低溫環(huán)境中的微生物一、低溫環(huán)境中的微生物長期低溫：深海長期低溫：深海 地球兩極的土壤地球兩極的土壤 冰川和高空冰川和高空短期低溫：大多數(shù)地區(qū)的冬季期間短期低溫：大多數(shù)地區(qū)的冬季期間1.低溫環(huán)境低溫環(huán)境嗜冷微生物（嗜冷微生物（psychrophiles）最適生長溫度為最適生長溫度為15或更低，或更低，最高生長溫度為最高生長溫度為20，最低生長溫度為最低生長溫度為0或更低或更低。如：如：噬纖維菌，短桿菌，噬纖維菌，短桿菌， 弧菌等。弧菌等。psychrotrophs05可生長繁殖，可生長繁殖，最適生長溫度可達(dá)最適生長溫度可達(dá)20以上以上的微生物

2、。的微生物。如：芽胞桿菌，節(jié)桿菌，假單胞菌等。如：芽胞桿菌，節(jié)桿菌，假單胞菌等。2.2.微生物種類微生物種類 嗜冷微生物主要為革蘭氏陰性細(xì)嗜冷微生物主要為革蘭氏陰性細(xì)菌，而革蘭氏陽性菌相對較少。菌，而革蘭氏陽性菌相對較少。 能在低溫環(huán)境下生長的微生物不能在低溫環(huán)境下生長的微生物不僅局限在原核微生物，也存在嗜冷僅局限在原核微生物，也存在嗜冷酵母菌、真菌和藻類。酵母菌、真菌和藻類。二、二、高溫對嗜冷菌的影響高溫對嗜冷菌的影響 在低溫條件下在低溫條件下低溫微生物吸收和氧化外源葡萄低溫微生物吸收和氧化外源葡萄糖糖 的能力最強(qiáng)，溫度升高，能力下降的能力最強(qiáng)，溫度升高，能力下降 在低溫條件下在低溫條件下，

3、嗜冷微生物的細(xì)胞膜蛋白和細(xì)，嗜冷微生物的細(xì)胞膜蛋白和細(xì)胞膜具有功能，而在高溫條件下，便失去功能。胞膜具有功能，而在高溫條件下，便失去功能。1.1.對物質(zhì)運(yùn)輸?shù)挠绊憣ξ镔|(zhì)運(yùn)輸?shù)挠绊?.2.對代謝速率和呼吸酶的影響對代謝速率和呼吸酶的影響 與嗜中溫菌相比，嗜冷菌的代謝速率相對比較與嗜中溫菌相比，嗜冷菌的代謝速率相對比較低，并且隨著溫度的降低，嗜冷菌的生長速率降低，并且隨著溫度的降低，嗜冷菌的生長速率降低較快。低較快。 嗜冷菌的呼吸酶對溫度敏感，在嗜冷菌的呼吸酶對溫度敏感，在2020下下便失活，便失活，這是為什么嗜冷菌必須在低溫下生長的原因之一。這是為什么嗜冷菌必須在低溫下生長的原因之一。3.3.對

4、蛋白質(zhì)合成的影響對蛋白質(zhì)合成的影響a.a.抑制蛋白質(zhì)的合成抑制蛋白質(zhì)的合成 對嗜冷菌來說，當(dāng)環(huán)境溫度超過最高生長溫度時(shí)，會(huì)對嗜冷菌來說，當(dāng)環(huán)境溫度超過最高生長溫度時(shí)，會(huì)直接抑制細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成。直接抑制細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成。 而且，嗜冷菌中的各種誘導(dǎo)酶、發(fā)光酶和蛋白酶對溫而且，嗜冷菌中的各種誘導(dǎo)酶、發(fā)光酶和蛋白酶對溫度相當(dāng)敏感。度相當(dāng)敏感。b.b.破壞核糖體的結(jié)構(gòu)和功能破壞核糖體的結(jié)構(gòu)和功能 一般一般情況下，溫度升高會(huì)影響嗜冷菌核糖體情況下，溫度升高會(huì)影響嗜冷菌核糖體RNARNA和蛋白和蛋白質(zhì)之間的正常結(jié)合，同時(shí)核糖體的天然結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。質(zhì)之間的正常結(jié)合，同時(shí)核糖體的天然結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。 對嗜冷

5、菌來說，過高的溫度還會(huì)影響其他可溶性亞細(xì)胞對嗜冷菌來說，過高的溫度還會(huì)影響其他可溶性亞細(xì)胞成分的功能。成分的功能。4.4.對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響a.a.破壞細(xì)胞壁破壞細(xì)胞壁 例如：用例如：用3737處理嗜冷紅弧菌處理嗜冷紅弧菌2h2h，細(xì)胞壁成分分解。，細(xì)胞壁成分分解。b.b.破壞正常破壞正常的細(xì)胞的細(xì)胞形狀形狀 3030處處理異常芽孢桿菌時(shí)，細(xì)胞分裂干擾受變成絲狀。理異常芽孢桿菌時(shí)，細(xì)胞分裂干擾受變成絲狀。c. .影響正常細(xì)胞表面影響正常細(xì)胞表面的的電荷電荷 用大于用大于2121溫度處理專性嗜冷紅弧菌，細(xì)胞膜的磷脂被釋放溫度處理專性嗜冷紅弧菌，細(xì)胞膜的磷脂被釋放到環(huán)境中，增加電泳過

6、程中泳動(dòng)速度。到環(huán)境中，增加電泳過程中泳動(dòng)速度。d.影響細(xì)胞的通透性影響細(xì)胞的通透性 熱處理嗜冷微生物細(xì)胞時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞的通透性發(fā)生變化或熱處理嗜冷微生物細(xì)胞時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞的通透性發(fā)生變化或引起細(xì)胞裂解。引起細(xì)胞裂解。5.5.對細(xì)胞分裂、基因調(diào)控和對細(xì)胞分裂、基因調(diào)控和RNARNA合成的影響合成的影響a. .溫度升高，會(huì)影響低溫微生物的溫度升高，會(huì)影響低溫微生物的細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂。b.b.溫度升高，低溫微生物細(xì)胞中的阻遏蛋白能更溫度升高，低溫微生物細(xì)胞中的阻遏蛋白能更 緊密地與緊密地與DNADNA結(jié)合，阻礙結(jié)合，阻礙酶的形成酶的形成。c.c.嗜冷菌和耐冷菌在環(huán)境溫度超過他們最適溫度嗜冷菌和耐冷

7、菌在環(huán)境溫度超過他們最適溫度時(shí)時(shí)RNARNA合成合成停止。停止。三、微生物適應(yīng)低溫的分子機(jī)理三、微生物適應(yīng)低溫的分子機(jī)理 低溫微生物可以通過信號傳導(dǎo)來感受環(huán)境條件低溫微生物可以通過信號傳導(dǎo)來感受環(huán)境條件的變化。的變化。例如：耐冷菌丁香假單胞菌脂多糖和膜蛋白的磷例如：耐冷菌丁香假單胞菌脂多糖和膜蛋白的磷酸化和去磷酸化反應(yīng)和溫度變化有關(guān)。酸化和去磷酸化反應(yīng)和溫度變化有關(guān)。1.通過通過信號傳導(dǎo)信號傳導(dǎo)使低溫微生物適應(yīng)低溫環(huán)境使低溫微生物適應(yīng)低溫環(huán)境2.通過通過調(diào)整細(xì)胞膜脂類的組成調(diào)整細(xì)胞膜脂類的組成來適應(yīng)低溫環(huán)境來適應(yīng)低溫環(huán)境a.a.環(huán)境溫度降低時(shí)，微生物細(xì)胞膜的不飽和脂肪酸含量會(huì)增環(huán)境溫度降低時(shí)，

8、微生物細(xì)胞膜的不飽和脂肪酸含量會(huì)增 加，以維持細(xì)胞膜磷脂的半流動(dòng)狀態(tài)，使細(xì)胞膜在低溫條加，以維持細(xì)胞膜磷脂的半流動(dòng)狀態(tài)，使細(xì)胞膜在低溫條 件下仍能保持運(yùn)輸物質(zhì)的能力和保持細(xì)胞膜上的酶發(fā)揮功件下仍能保持運(yùn)輸物質(zhì)的能力和保持細(xì)胞膜上的酶發(fā)揮功 能。能。b.b.增加不飽和脂肪酸的比例，增加不飽和脂肪酸的合成。增加不飽和脂肪酸的比例，增加不飽和脂肪酸的合成。c.c.縮短?；湹拈L度，增加脂肪酸支鏈的比例，減少環(huán)狀脂縮短?；湹拈L度，增加脂肪酸支鏈的比例，減少環(huán)狀脂 肪酸的比例等肪酸的比例等, ,對維持膜的流動(dòng)性具有重要意義。對維持膜的流動(dòng)性具有重要意義。生長在生長在5的南極好氧菌，的南極好氧菌，細(xì)胞脂

9、質(zhì)總脂肪酸中棕櫚細(xì)胞脂質(zhì)總脂肪酸中棕櫚油酸、油酸等不飽和脂肪油酸、油酸等不飽和脂肪酸的含量超過酸的含量超過90。3.低溫微生物的低溫微生物的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)合成a.嗜冷菌合成大量的嗜冷菌合成大量的低溫酶類低溫酶類，彌補(bǔ)因低溫導(dǎo)致的反應(yīng)速率下，彌補(bǔ)因低溫導(dǎo)致的反應(yīng)速率下 降的問題。降的問題。b.嗜冷菌合成產(chǎn)生不同類型的低溫酶類，在一定范圍的不同溫嗜冷菌合成產(chǎn)生不同類型的低溫酶類，在一定范圍的不同溫 度下保持度下保持結(jié)構(gòu)完整和催化功能結(jié)構(gòu)完整和催化功能，維持生命現(xiàn)象。，維持生命現(xiàn)象。c.低溫酶在低溫下具有低溫酶在低溫下具有高催化率和高柔順分子構(gòu)象高催化率和高柔順分子構(gòu)象。d.低溫酶

10、不僅具有低溫酶不僅具有高比活力高比活力，而且具有，而且具有高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性。e.嗜冷菌中嗜冷菌中蛋白質(zhì)以單體和多聚體蛋白質(zhì)以單體和多聚體的形式存在（如嗜冷弧菌中的形式存在（如嗜冷弧菌中 異檸檬酸脫氫酶的單體比二聚體對熱敏感）。異檸檬酸脫氫酶的單體比二聚體對熱敏感）。4.低溫微生物通過低溫微生物通過產(chǎn)生產(chǎn)生冷激冷激蛋白蛋白適應(yīng)低溫環(huán)境適應(yīng)低溫環(huán)境 當(dāng)生長溫度從當(dāng)生長溫度從2121降到降到55時(shí)，嗜冷酵母能在時(shí)，嗜冷酵母能在12 h12 h內(nèi)合成內(nèi)合成2626種冷激蛋白（種冷激蛋白（cold shock protein），），以適應(yīng)這種低溫環(huán)境。以適應(yīng)這種低溫環(huán)境。四、嗜冷菌的應(yīng)用四、嗜冷菌的應(yīng)用低溫酶主要有以下幾個(gè)方面的用途：低溫酶主要有以下幾個(gè)方面的用途：（1 1）洗滌劑的添加劑）洗滌劑的添加劑（2 2）紡織工業(yè)用酶）紡織工業(yè)用酶（3 3）食品工業(yè)）食品工業(yè)（4 4）生物修復(fù)）生物修復(fù)（5 5）