极端温度微生物生存机理及应用研究进展

极端温度微生物生存机理及应用研究进展

李淼

(中山大学生命科学学院广东)

摘要：极端温度微生物是生物对极冷与极热环境适应的特殊种类，研究微生物对于极端温度环境的生存机理对探索生命的起源、微生物的育种及开发利用等具有重要意义。本文大致介绍了嗜热微生物、嗜冷菌和耐冷菌的生物类群，阐述了微生物在面临极端环境温度的适应机理多样性，总结其在环境应用的研究进展。最后旨在综合对比这两类极端微生物的生存机理和实际生产生活应用。

关键词：微生物；极端环境；生存机理；环境应用

极端微生物(extreme microorganism)是指一般生物无法生存的极端环境中（高温、寒冷、高盐、高压、高辐射等）能够正常生存的微生物群体的统称。一般把在高温环境中生长的微生物叫嗜热菌（thermophiles），包括一些细菌及古细菌。他们广泛分布在草堆、厩肥、温泉、火山地及海底火山附近等处。普通耐热菌的最高生长温度在45℃-55℃之间，低于30℃也能生长，而超嗜热菌最高生长温度可达80℃-110℃，最低生长温度也在55℃左右。同时，在地球这个大生态系统中也存在着广泛的低温环境。如占地球表面14%的两极地区及海洋深处（90%的海水其平均温度为5℃或更低）等[1]，在这些特殊环境中生活着一类微生物即低温微生物（halophilic microorganism）。

极端高温与极端低温环境都会对生物膜结构以及蛋白质结构造成巨大的影响。了解高温微生物与低温微生物的生存机理，有助于人们开展深一层次的蛋白与膜分子结构研究。本文在目前已有的研究基础上，就高温微生物与低温微生物的生存机理以及在环境应用的最新进展做一简要对比综述，为进

一步研究提供参考。

1 高温微生物概述

通常把最适生长温度高于45℃的微生物称

为嗜热菌。嗜热菌并非单一的菌属或菌群，

其中有些嗜热细菌，其同届菌中皆为嗜热

菌，如红色嗜热杆菌（Rhodothermus）、嗜

热好氧杆菌（Thermoaerobium）、嗜热厌氧

杆菌（Thermoanaerobaeterium）、球杆菌（Sphaembaeter）等，也有高温菌及中温菌

并存的菌属，如芽孢杆菌、奇异球菌（Deincooccus）、假黄色单胞菌（Pseudoxanthomonas）等。嗜热菌按其生

长的耐热程度不同可分为5类（表1）[2]。目

前，对嗜热菌的耐热性主要从细胞壁的结

构、类脂的敏感性、DNA结构的稳定性以及

蛋白质的热稳定性等方面进行研究。

表1 嗜热菌的分类/℃

Tab.1 The classification of thermophiles /℃

分类最适生长温度最高生长温度最低生长温度

耐热菌 45-55 <30 碱性嗜热菌 50-65 <30

专性嗜热菌 65-70 >40-42 极端嗜热菌 >65 >70 >40 超嗜热菌 80-110 55左右

2 低温微生物概述

根据低温微生物的生长

温度特性可细分为两类： 2.1 嗜冷菌

嗜冷菌（psychrophiles ）是指生活在低温下且其最高生长温度不超过20℃，最适宜温度在15℃，在0℃可生长繁殖的微生物。嗜冷菌绝大多数为G + ，已鉴定的嗜冷菌属于假单胞菌、弧菌、无色杆菌、黄杆菌、嗜纤维菌和螺菌等。G + 比G - 菌出现的频率小得多，厌氧菌也少，少数嗜冷芽孢梭菌不仅存在于自然界，也存在于冷藏食品和酸奶中

[3]

。嗜冷菌主要分布于常冷的环境如南北两

极地区、高山、冰川、冰窟、冷库、深海和土壤等低温环境中。嗜冷菌的分布受环境温

度限制且数量少。嗜冷菌对温度的变化很敏感，20℃以上很快引起死亡。

2.2 耐冷菌

耐冷菌（psych-rotrophs ）的最高生长温度高于20℃，最适温度高于15℃，在0-5℃可生长繁殖。耐冷菌相对于嗜冷菌，可以再较宽的温度范围内生长，从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到。但若在底物丰富的条件下，嗜冷菌在0℃的生长会超过耐冷菌。 低温微生物具有广泛的微生物区系，已发现的低温微生物既有真菌、蓝细菌、又有酵母菌、真菌和藻类[4]。

3 适应生存机制

极端高温和极端低温环境都会给细胞带来巨大的生存挑战。高温微生物与低温微生物在长期生物进化过程中形成了一系列适应高温、低温的机制。这些机制在营养物质的吸收和转运、DNA 的复制合成、蛋白质的合成等方面有着独特的生物学意义。 3.1 膜机制

典型的生物膜由脂质双层及膜蛋白组成。细

胞膜具有液体样的物理特征，即流动性。随

着环境温度的变化可表现为流动相或凝胶相。低于相变温度（Tc ）时，细胞膜表现为

凝胶相；高于Tc 时，表现为流动相。 3.1.1 细胞膜耐受高温

保持生物膜的生物活性关键在于维持膜的流动相。嗜热菌的细胞膜外有多个隐窝，这有利于耐高温。嗜热菌的细胞膜磷脂双分子层中有很多结构特殊的复合类脂，主要是甘油脂肪酰二酯。重要的是，嗜热菌的细胞膜中含有饱和脂肪酸的比例比不饱和脂肪酸大。增加磷脂烷基链的长度、增加异构化支链的比率或者增加脂肪酸饱和度都可维持膜的液晶态，从而使嗜热菌耐受高温。

3.1.2 细胞膜耐受低温 当温度降低时，许多生物通过改变膜磷脂碳氢链的饱和度来代偿膜由液晶态到凝胶态的过渡，这类反应称为同态粘性反应（homeoviscous adaptation ）。低温微生物在低温环境中饱和脂肪酸转变为不饱和态，温度降低导致杆菌属膜上去饱和酶合成增加，同时酶的稳定性提高。当嗜冷菌处于低于最适生长温度的环境时，不饱和脂肪酸量增加

[5]

。所有这些变化都是为了提高脂类互溶性，从而使膜的稳定性提高。

3.2 休克蛋白机制

温度改变对于从细菌到哺乳动物所有生物来讲是最常见的应激。现在已对热休克反应和冷休克反应进行了较深入的研究。通过研究热休克蛋白与冷休克蛋白的结构与功能可揭示新的基因表达调控的方式。高温时，热休克主要涉及细胞中蛋白质的变性，使之在合成时不能正确折叠。为了克服这一问题，生物体通过热诱导产生热休克蛋白（Heat Shock Proteins, Hsp ）作为分子伴侣，帮助蛋白质正确折叠。

冷休克反应是生物体在低温时产生冷休克蛋白（Cold Shock Protein,Csp ）的适应性过程。Csp 家族首先在大肠杆菌中被Jores 等人发现，随后又在枯草杆菌中发现不同数目被诱导出的蛋白质[6]。现已在许多原核生物和真核生物中发现冷休克蛋白的诱导合

成[7]。有4种微生物冷休克蛋白的空间结构已经确定。Csps作为转录激活因子，mRNA 伴侣，抗冻蛋白（anti-freeze Protein）等参与转率、翻译、影响mRNA功能等[8]。冷休克蛋白对于细胞在低温生长是必须的，其具有结合DNA或RNA的功能，能在其他蛋白质合成被完全阻断时候有效转录翻译。这主要是由于冷休克蛋白mRNA都含有一个下游盒，在低温条件下能增强翻译起始。3.3 酶机制

极端温度下微生物若要保证酶的生物活性，则要特异性的保护蛋白质的结构不受到高温或者低温的破坏。高温微生物着重于稳定蛋白质的极端刚性结构，保护蛋白质空间构象不至于由于热运动的搅动而破坏。低温微生物则降低了蛋白质稳定性，增加了柔顺性，保证了酶的高催化效率。

3.3.1 高温酶

研究表明在嗜热菌蛋白质的一级结构中，个别氨基酸的改变会引起离子键、氢键和疏水作用的变化，从而大大增加整体的热稳定性，这就是氨基酸的突变适应[9]。例如：通过对来自Bacillus stearothermophilus 的热稳定的3-甘油醛脱氢酶（GPDH-ST）与来自Bacillus coagulans的热不稳定的3-甘油脱氢酶（GPDH-CO）进行对比发现，由于GPDH-ST的丙氨酸被GPDH-CO的脯氨酸所替代，结果使其一级结构更易折叠，而且不易解开，从而提高了酶蛋白的热稳定性[10]。与常温菌相比，嗜热菌的蛋白在大小、亚基结构、螺旋程度、极性大小和活性中心都极为类似，但构成蛋白质高级结构的非共价力、结构域的包装、亚基与辅基的聚集，以及糖基化作用、磷酸化作用等却不尽相同。这说明，嗜热菌通过这些微妙空间相互作用来稳定自己的蛋白质。

3.3.2 低温酶

现在普遍认为，低温酶通过特定区域或整个蛋白结构柔顺性的提高，降低了自身的活化能，才能在低温下表现出高催化效率。当然同时这也导致酶的稳定性下降。与同类型嗜温、嗜热酶相比，低温酶普遍表现出低温条件下（0-30℃）催化活力高、酶的最适作用温度低、酶的热稳定性差等特征。低温丝氨酸碱性蛋白酶在5-15℃时，酶活力比中温酶高5倍，活化能更低，但稳定性远不如中温酶[11]。低温酶的主要适应特性，就是其在低温下的高周转率（K

cat

）和高催化效率（K

cat /K

m

）。它们可以弥补低温导致化学反应速率降低而带来的影响，为生物提供足够的代谢活力并维持足够的代谢通量[12]。

4 应用进展

4.1 高温微生物

嗜热酶具有化学催化剂无法比拟的优点，如催化效率高和底物专一性强，而且酶在高温条件下的稳定性极好。因而它可以克服中温酶（20℃-55℃）及低温酶（-2℃-20℃）在应用过程中常常出现的生物学性质不稳定现象，从而使很多高温化学反应过程得以实现。

4.1.1 嗜热酶PCR应用

嗜热酶在商业上应用最为广泛的就是把嗜热细菌Thermus aquatics（水生栖热菌）的耐热DNA聚合酶“Taq”用于多聚酶链式反应（PCR，DNA Polymerase Chain Reaction）中，由于耐热“Taq”酶的使用，才是PCR 的专一性、收得率、灵敏度、DNA片段长度、复制的忠实性、操作简便性和自动化程度有了明显的提高[13]。使该反应在科学研究和医疗等实际领域的应用中实现了新的飞跃。

4.1.2 有机高温废水处理

目前许多工业废水（大多数油田采油废水、焦化厂废水、食品加工厂废水、制药工业废水以及屠宰场废水等）的温度都超过了45℃，而传统生化废水处理所用的嗜温菌（25℃-40℃）不能直接用于处理高温废水。为了确保生化池中微生物的活性，高效降解废水中的有害物质，废水必须进入冷却塔冷却。而由于易腐蚀等原因，强制冷却成本较高。但嗜热菌能够直接处理高温废水，节省冷却设备费用。同时，由于嗜热菌代谢速度快，大约是中温过程的3-10倍[14]，从而缩短了废水处理的时间，提高了废水处理效率。此外，污泥产量少，也减少了污泥处置费用。

4.1.3 食品工业方面

由于常温条件下进行食品加工过程反应容易造成食品污染，所以很难用普通的中温酶来催化完成。嗜热性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经在食品加工过程中发挥了重要作用。例如用淀粉生产高果糖糖浆时，普通的葡萄糖异构酶在中温条件下催化果糖产量很少，而提高温度将促进果糖的生成。目前已从嗜热的Thermotoga中分离出一种超级嗜热的木糖异构酶，这种酶能够在高温下把葡萄糖转化为果糖，这样就能够提高果糖的产量。

4.2 低温微生物

在某些低温运行的生物处理中，低温菌内的低温酶能比嗜温/嗜热菌混合应用更能发挥功效。尤其在空间和运载速度要求不高的情况下，运用冷适应微生物的优势更为突出[15]。

4.2.1 生活污水处理

污水中一般含有较多的氮和磷，它们是导致水体富营养化的主要因素。氮和磷一般都采用生物法处理。但由于低温对微生物的影响，使低温污水中氮和磷的去除困难。已经有人从南极和北极分离到耐冷丝状蓝细菌（Cyanobacteria），它们在低温下对氮和磷有较高的去除率，从而为低温污水中氮磷的去除提供了新思路。

另外，寒冷地区冬季气温低，大多数中温菌已基本失去代谢外源物质的能力。此时耐冷菌起到了主要作用。研究表明，冬季低温时，在曝气池内投加耐冷菌可以使污水COD去除率由35%提高到89%，为寒冷地区冬季生活污水处理提供了新的方向[16]。

4.2.2 生产多聚不饱和脂肪酸（PUFA）

脂质是构成和维持细胞生命的重要大分子物质，也是人类赖以生存的重要工业原料。随着人们对组成脂质的不饱和脂肪酸（如GLA、ARA、EPA及DHA）生理功效的深入了解，寻求富含不饱和脂肪酸的新油源就显得日趋重要。不饱和脂肪酸可作为饮食补充以补偿必须脂肪酸的不足并回复正常的代谢功能。目前它们主要是从鱼油中获取，但由于种种限制因素影响，PUFA含量不稳定，不能满足人们需求，而用微生物发酵生产PUFA却不受原料限制，而且微生物发酵还具有快速的生产速率以及生产者质量和产量一致等特性。许多南极低温细菌、酵母、真菌都积聚有大量富含不饱和脂肪酸的脂质。Fukunaga等人（1995）筛选到一株南极好氧菌，在5℃低温生长时，细胞脂质总脂肪酸中棕榈油酸和油酸的含量超过90%[17]。因此极低的低温环境对那些通过生成PUFA 而保持细胞膜脂质流动性的菌株进行了自然选择，因此极地低温微生物在工业生产PFUA方面具有潜在可能性。

4.2.3医药及其他

低温微生物具备抗冻融能力，若能弄清其生理及分子机制，提取出有用的相关基因及产物，将会在基础研究和开发利用如鱼类抗冻蛋白[18]、植物抗冻医用疫苗、食品保鲜及低温发酵等方面带来好处。

5 总结与展望

综上所述，极端温度微生物是一类古老而崭新的生物。目前工业生产和人类活动所排放的废弃物大都处于极端温度状态，深入开展嗜热菌与嗜冷菌生化特性及应用技术研究，能够提升环境生物技术水平，且有广阔的应用前景。然而，综合现有的研究发现，针对嗜热嗜冷菌的研究仍然有盲点，仍然未能够把适应机制了解透彻。在以后的研究中，我们应该从分子或者基因的方面着手研究，期待可以联系生物进化论解释生命的起源与奥秘，甚至对人类向外层空间的探索都有重大意义。

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The Adaptive Mechanism of Extremophilic Microorganisms and

Environmental Application

Li Miao

（Department of Life Science, Sun Yet-Sen University，Guangdong，China）

Abstract Extremophilic microorganisms (EM) are special kinds of beings adapted to extreme enviroment.Study the characteristics of EM has important significance to for exploring the origin of life, breeding of microorganisms, and their development and utilization.

Their diversity of adaptive machanism and the study progress of thermophilic microorganisms and cryophilic microorganisms were summarized in this paper.

The differences in adaptive mechanism between thermophilic microorganisms and cryophilic microorganisms were discussed,and then the application in the field of environmental engineering were introduced.

Key words microorganisms; extreme environment; adaptive mechanism; environmental application