8微生物生态学-3.1极端自然环境中的微生物1
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微生物生态与环境工程中的微生物作用
2020/7/18
三、生态系统的分类
淡水生态系统
生 存 环 境
水体生态系统 陆地生态系统
海水生态系统
河流生态系统 湖泊生态系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生 存
水体生态系统
状 态
陆地生态系统
动物生态系统 植物生态系统 微生物生态系统
微 生 物 生 存 状 态
2020/7/18
土壤微生物生态系统 水体微生物生态系统 空气微生物生态系统
（一）水体富营养化的概念与发生
由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活 污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、 磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生 “水华”，使海洋发生“赤潮”。
与富营养化关系密切的藻类，被报道得较多的是蓝藻中的 微囊藻属(Microcystis)，腔球藻属(Coelosphaerium)和鱼腥 藻属(Anabaena)。
生态系统 = 生物群落 + 环境条件
生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物资循环、信 息传递。
生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生 存在地球陆地以上和海面以下个10km之间的范围，包括岩石 圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生 存环境的总体。
2020/7/18
2020/7/18
在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海 洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一 定的变化规律。
在海洋上部以含有好 氧性的微生物和藻类 为主，在深处主要以 兼性或厌氧性的微生 物为主。海洋微生物 的最大特点是耐盐或 嗜盐性的。
2020/7/18
（二）淡水微生物群落
河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类 和土壤中的相似。分布规律和海洋的相似。影响微 生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体 类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水 温、pH及水深等。
三、生态系统的分类
淡水生态系统
生 存 环 境
水体生态系统 陆地生态系统
海水生态系统
河流生态系统 湖泊生态系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生 存
水体生态系统
状 态
陆地生态系统
动物生态系统 植物生态系统 微生物生态系统
微 生 物 生 存 状 态
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土壤微生物生态系统 水体微生物生态系统 空气微生物生态系统
（一）水体富营养化的概念与发生
由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活 污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、 磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生 “水华”，使海洋发生“赤潮”。
与富营养化关系密切的藻类，被报道得较多的是蓝藻中的 微囊藻属(Microcystis)，腔球藻属(Coelosphaerium)和鱼腥 藻属(Anabaena)。
生态系统 = 生物群落 + 环境条件
生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物资循环、信 息传递。
生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生 存在地球陆地以上和海面以下个10km之间的范围，包括岩石 圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生 存环境的总体。
2020/7/18
2020/7/18
在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海 洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一 定的变化规律。
在海洋上部以含有好 氧性的微生物和藻类 为主，在深处主要以 兼性或厌氧性的微生 物为主。海洋微生物 的最大特点是耐盐或 嗜盐性的。
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（二）淡水微生物群落
河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类 和土壤中的相似。分布规律和海洋的相似。影响微 生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体 类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水 温、pH及水深等。
自然环境中的微生物
生态位分化
不同微生物占据不同的生 态位，形成复杂的生态关 系和食物链。
微生物对人类活动的响应
污染治理
微生物可用于降解污染物，净化水体和土壤 。
生物工程应用
通过基因工程改造微生物，实现生物燃料、 生物制品等的生产。
生态恢复
利用微生物促进受损生态系统的恢复和重建 。
05
微生物的利用与保护
微生物在农业生产中的应用
竞争关系
资源竞争
微生物之间争夺有限的食物、水分、氧气和生存空间等资源，竞争激烈时会导致其中一些微生物死亡或被淘汰。
优势竞争
某些微生物在竞争中占据优势地位，通过快速生长和繁殖来排挤其他竞争者，获取更多资源。
寄生关系
专性寄生
一种生物必须依赖另一种生物才能生存 ，并对后者造成损害。例如，病毒必须 寄生在活细胞内才能生存和繁殖，它们 侵入细胞并利用细胞内的物质和能量进 行复制，导致细胞死亡。
微生物的特点与功能
特点
微生物具有体积小、数量庞大、分布 广泛、繁殖迅速等特点。
功能
微生物在自然界中发挥着分解有机物 、提供养分、参与物质循环等重要作 用。
微生物在自然界中的地位
生态平衡
微生物在维持生态平衡方面发挥 着关键作用，通过分解有机物， 将动植物残体和排泄物中的有机 物质转化为无机物质，供植物吸
利用微生物提高石油采收率，降低采油成本。
微生物制药
利用微生物生产抗生素、疫苗等生物药物，治疗 人类和动物疾病。
微生物在环境保护中的应用
生物修复
利用微生物降解有机污染物，治理土壤和水体污染。
生物监测
利用微生物对环境变化的敏感性，监测环境污染状况。
生物能源
利用微生物发酵产生生物燃料，如生物乙醇、生物柴油等。
微生物生态学复习资料
Microbial Ecology绪论1. 名词解释：微生物生态学:是研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。
微生态学：是生态学的一个层次，是研究正常微生物在细胞或分子水平上相关关系的科学环境、自然环境+生物环境生境、指生物的个体、种群或群落生活地域的具体环境。
生物＋非生物栖息地、生物生活或居住的范围的物理环境。
如林地生境中的不同树冠层、树干生态位、一个种群在生态系统中，在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。
基础生态位、一个物种能够占据的生态位空间，由物种的变异和适应能力决定，而非其地理因素。
基本生态位是实验室条件下的生态位，里面不存在捕食者和竞争。
实际生态位、自然界中真实存在的生态位。
物种流是指物种的种群在生态系统内或系统之间时空变化的状态。
2.微生物生态学的研究意义有哪些？①发现新的在工农业（如固氮）、食品（如发酵）、医药（如抗生素）和环境保护（如生物修复）方面有重要用途的微生物菌株（包括极端环境中微生物资源的发掘）；②微生物在地球物质化学循环中具有重要作用；③开发和利用自然界中的微生物资源，保护好微生物基因资源；④控制有害微生物，利用微生物净化环境，保护环境，维持环境生态平衡；⑤保护人类健康和保护生态平衡发挥微生物的最佳作用。
3.微生物生态学主要研究内容有哪些？①正常自然环境中的微生物种类、分布及变化规律；②极端自然环境中的微生物；③微生物之间、微生物与动植物相互关系；④微生物在净化污染环境中的作用；⑤现代分子微生物生态学的研究方法。
4.生态系统的功能有哪些？物种流能量流食物链营养级信息流5.什么是微生物生态系统？其特点是什么？是指各种环境因子如物理、化学及生物因子对微生物区系（即自然群体）的作用和微生物区系对外界环境的反作用。
特点：微环境稳定性适应性7.简述物种流的含义及其特点。
是指物种的种群在生态系统内或系统之间时空变化的状态。
不同生态系统间的交流和联系。
微生物生态学原理
12.5 微生物引起食品腐败的类型
2、鲜乳的变质过程 P171
① 抑制期（混合菌群期） 在新鲜的乳液中含有溶菌酶、乳素等抗菌物质，对乳中存在
的微生物具有杀灭或抑制作用。
② 乳链球菌期 乳链球菌、乳酸杆菌、大肠杆菌和一些蛋白质分解菌等迅速
繁殖，其中乳酸链球菌生长繁殖分解乳糖产生乳酸而居优势。 由于酸度的增高，抑制了腐败菌、产碱菌的生长。以后随着产 酸增多乳链球菌本身的生长也受到抑制，数量开始减少。
第一节 微生物生态学的基本概念
• 生态学和生态系统的概念。P159
• 微生物生态学的概念。 P160
是研究微生物和环境之间相互作用的科学。 微生物生态学的重要性。
第一节 微生物生态学的基本概念
3、种群关系和群落演替 P161
种群的概念
第一节 微生物生态学的基本概念
3、种群关系和群落演替 P161
环境中的微生物
牛体表面、牛舍的空气、挤奶用具、容器，挤奶工人 等携带的微生物。
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
三、 乳及乳制品的腐败变质 P171 2、鲜乳的变质过程
通常新挤出的乳，迅速冷却到0℃可保持48小时， 5℃可保持36小时，10℃可保持24小时，25℃可保持6 小时，30℃仅可保持2小时。在这段时间内，乳内细菌 是受到抑制的。
2、胀罐腐败
P169
酸 黑色硫化物
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
二、果蔬及其制品的腐败变质 1、新鲜果蔬的腐败变质 P170
① 微生物来源 ② 基本过程 植物表面防护层的破坏
2、果汁的腐败变质
第三节 食品腐败菌群及腐败类型
二、果蔬及其制品的腐败变质 1、新鲜果蔬的腐败变质 2、果汁的腐败变质 P170
3.1极端自然环境中的微生物1
一、高温环境中的微生物
一般嗜热菌可以分为三类：
① 专性嗜热菌：最适生长温度在65℃ -70℃之间，当 生长温度低于35℃时，生长便停止。 ② 兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和 嗜中温菌生长温度（13℃ -45℃ ）之间，其最适生 长温度在55℃ -65℃之间。 ③ 抗热菌：最适生长温度在20℃ ～50℃之间，但也能 在室温下生长。
一、高温环境中的微生物
嗜热微生物（thermophilic microorganisms） 包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、 甲烷菌、甲基营养菌、硫氧化菌、硫还原菌、 假单胞菌、放线菌、原生动物、藻和真菌等。
地热泉
不同类群微生物生长的最高温度 微生物类群 生长的最高温度（ ℃ ） ≤65 原生动物 ≤60 藻 ≤62 真菌 ≤73 蓝细菌 ≤73 光合细菌 ≤90 化能自养菌 ≤90 异养菌
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
嗜冷微生物（psychrophiles）
嗜中温微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物
2、微生物种类
嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏 感，分布范围窄)
耐冷菌：芽孢杆菌，节杆菌，假单胞菌
嗜冷菌绝大多数是G-菌
对细胞基因调控和RNA合成的影响
温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧 密于DNA结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停 止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白质和DNA含量不变，但由 于RNA酶失活而导致RNA含量下降
二、低温微生物适应低温的分子机理
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 的冰芯中分离到的活细菌。
极端环境下的微生物
嗜盐菌：生存在高浓度盐分的 环境中的微生物
• 如美国的犹他大盐湖（盐度为2.2%）、死 海（2.5%）、里海（1.7%）、海湾和沿海 的礁石池塘等。在这些环境中仍然存在抗高 渗透压微生物。
• （1）抗盐微生物，最适生长盐浓度低 于0.3mol/LNaCl,可生长的盐浓度小于 1mol/LNaCl，主要为肠道细菌和各种微 藻，如伸长盐单胞菌，绿色杜氏藻。
• 应用：
• 1、一种嗜碱金属还原细菌可修复被金 属污染的碱性环境。
• 2、从碱性富砷的盐湖中分离出可转化 的还原嗜碱菌，它可作为电子受体，改 变砷的价态，来改变它在环境中的分布， 以及砷对其他微生物的毒性影响。
• 嗜压菌：生存在深海、深油井和地下煤 矿等，能在这里生存的的微生物。
• 就深海来说
• 3、发酵工业中，可以利用其耐高温的特性， 提高反应温度，增大反应速度，减少中温型 杂菌污染的机会，极端嗜热菌生产乙醇。
• 4、嗜热菌可用于生产多种酶制剂，例如纤维 素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等
嗜冷菌：0°C以下或3-20°C能生长
• 生存在极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤 等低温环境。
• 水生嗜热杆菌 • 正常生长在55°C左右耐热可至
75~80°C孢子可在PH6.1的溶液中沸 煮24小时而不失活性。
• 当温度超过80°C时，环境中存在的细 菌主要为古细菌。
绝对厌氧的产甲烷菌
• 坎氏甲烷嗜高热菌 • 从海底热火山口分离得到的，它生长最低温是
84°C，最适温度98°C，在110°C下也能 生长。
• 高温对嗜冷菌的影响： • 1、温度升高，细胞膜失去吸收外界营
养物功能
• 2、低温下，低温微生物吸收和氧化外 源葡萄糖的能力最强，温度升高能力下 降。
微生物生态学ppt课件
嗜热菌 嗜冷菌 嗜酸菌 嗜碱菌 嗜盐菌 嗜压菌 抗辐射的微生物
1. 嗜热微生物（嗜热菌） 嗜热微生物主要为嗜热细菌。可分为5类：
耐热菌：最高生长温度45 ~ 55 oC，最低<30 oC； 兼性嗜热菌：最高生长温度50 ~ 65 oC，最低<30 oC； 专性嗜热菌：最适生长温度65 ~ 70 oC，最低42 oC； 极端嗜热菌：最高生长温度>70 oC，最适>65 oC，最低
随着人畜排泄物或病体污物而进入水体的动植物致病 菌，一般难以长期生存，但由于水体的流动，也会造 成病原菌的传播甚至疾病的流行。
较深的湖或淡水等生境中，因光线、溶氧和温度等 的差异，微生物呈明显的垂直分布带： 沿岸区（浅水区）：蓝细菌、藻类和好氧微生物； 深水区：厌氧光合细菌和一些兼性厌氧菌； 湖底区：严重缺氧，只有一些厌氧菌生长。
对饮用水来说，更重要的指标是其中微生物的种 类。因此，在饮用水的微生物学检验中，不仅要检查
其总菌数，还要检查其中所含的病原菌数。
由于水中病原菌的含量总是较少，难以直接找到，
但只要通过检查水样中的指示菌——E．coli数即可
知道该水源被粪便污染程度，从而间接推测其他病
原菌存在的概率。检验E．coli可用以前介绍过的伊
集到处在同温层和大气中层的微生物，其中包括两种细菌
和四种真菌，（藤黄分枝杆菌），（蝇卷霉），（黑曲
霉），（点青霉），后来，又从85km的高空找到了微生 物。这是目前所知道的生物圈的上限。
为防止空气中的杂菌对微生物培养物或发酵罐内 的纯种培养物的污染，可用棉花、纱布（8层以上）、 石棉滤板、活性炭或超细玻璃纤维过滤纸进行空气过
微生物在空气传播的距离是无限的，因而其分布 是世界性的。
第章微生物的生态总结ppt课件
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海水微生物的特点
1）嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生 长的。
2）耐冷, 低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中 发现的细菌多为嗜冷菌。
3）具运动能力, 大多数海洋细菌为G—细菌4）耐高压（特别 是生活在深海的细菌）。
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主要的微生物群落
细菌：如假单胞菌、弧菌，还有黄杆菌、螺旋菌、产 碱杆菌、生丝微菌、嗜纤维菌属、微环菌属和放线菌。 在海洋沉积泥还有厌氧脱硫弧菌、产甲烷细菌。化能 自养细菌如硝化细菌和亚硝化细菌。
皮肤、鼻和鼻咽： 表皮葡萄球菌、金黄葡萄球菌、疮疱 丙酸杆菌、类白喉棒杆菌等。
口腔： 表皮葡萄球菌、链球菌、乳杆菌、衣氏放线菌、 白色假丝酵母、口腔拟杆菌等等。
大肠：大肠杆菌、色杆菌、变形杆菌、链球菌、梭菌、 螺旋体、乳杆菌；
泌尿道：乳杆菌、棒杆菌、葡萄球菌、链球菌。
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人肠道内的菌群：
土。 在适宜季节形成绿、红斑点。 藻类增加土壤有机质、改善土壤通气条件。 藻类残体是土壤其他微生物重要营养来源。 常见种类有:衣藻、小球藻、绿藻属、丝藻等
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6 原生动物
原生动物数量在104～105/g土，多集中在有机质和微 生物丰富的表层土壤中.
主要受水分、温度和通气性的影响。 优势种类是鞭毛虫，其次是肉足虫和纤毛虫。以有机 质残体、各种微生物及其孢子为食物，对土壤微生物尤其 是细菌的种类和数量起着调节作用.
放线菌：链霉菌、游动放线菌等
•真菌：如霉菌和酵母菌等。
•藻类和原生动物。
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水体的自净作用
天然水体污染后，无人为干涉，水体自身能力使 污染物消除，主要是细菌对有机物降解造成。
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和藻。
嗜冷菌——雪藻
高温对嗜冷菌的影响
对物质运输的影响
低温下，低温微生物吸收和氧化外源葡萄 糖的能力最强，温度升高，能力下降 温度升高，细胞膜失去吸收外界环境营养 物功能
对代谢速率和呼吸酶的影响
嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20度便 失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温下生 长的原因之一。
对蛋白质合成的影响
一般嗜热菌可以分为三类：
二、高温环境中的微生物
①专性嗜热菌：最适生长温度在65℃ ～70℃之 间，当生长温度低于35℃时，生长便停止。
②兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜 热菌和嗜中温菌生长温度（13℃ ～45℃ ）之 间，其最适生长温度在55℃ ～65℃之间。 ③抗热菌：最适生长温度在20℃ ～50℃之间， 但也能在室温下生长。 在55℃或55℃以上生长的微生物都叫做嗜热菌。
研究成果可以大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物
技术等领域的应用。
第一节 低温环境中的微生物
低 温 微 生 物
嗜冷菌（psychrophiles）
0℃以下或3～20℃能生长的微生物， 最适生长温度不超过15℃， 最高生长温度不超过20℃。
耐冷菌（psychrotrophs）
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
微生物
抗热菌 Bacillus licheniformis B. subtilis
生长温度
说明
20~50
在90℃以上淀粉酶仍有活 力
其遗传背景很清楚，是克 隆其它嗜热杆菌基因的良 好宿主，兼性嗜热菌 L-乳酸的产生菌 在55℃以上可以产生抗生 素 在48℃下可以发酵的酵母 菌
B. coagulans 30~60 Streptomyces thermoviolanceus Kluyveromyces marxianus 25～50
酶种类 蛋白酶
已被研究的微生物低温酶类 来源菌株 酶的最适反应 温度 假单胞菌 20℃
主要应用范围 去污、食、 皮革、纺织、 分子生物学 医药、去污、 食品 乳品工业 生物转化
胰蛋白酶 -半乳糖苷酶 柠檬酸合成酶
Colwellia-like strain Colwellia-like strain 南极细菌DS23R
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 的冰芯中分离到的活细菌。
分离自淡水湖及海湾水中的耐冷细菌群 细菌群 Azotobacter sp. 反硝化菌 蛋白质分解菌 海水 + + + 淡水 + + +
紫色非硫细菌
绿色硫细菌
+
+
+
+
硫酸盐还原菌
硫氧化菌 纤维分解菌
+
+ +
+
+
在低温下生长的微生物还有酵母、真菌
低 0℃以下或3～20℃能生长的微生物， 温 最适生长温度不超过15℃， 微 最高生长温度不超过20℃。 生 物 耐冷菌（psychrotrophs）
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
嗜冷微生物（psychrophiles）
嗜中温微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物
三、低温微生物的潜在应用
应对全球变化可能对人类的危害
冰箱中低温微生物的生长对食品防腐的挑战 葡萄球菌在低温下产生毒素；链球菌可在冷牛 奶中产酸;变形杆菌在低温下引起鸡蛋变黑
为研究生物的进化提供材料 为古气候的重建提供信息 为探索诸如火星等外星生命存在的可能性提 供线索
低温微生物对受污染环境的原位清洁作用 泄漏于土壤、海洋中的原油、废弃物等的生物 降解 耐冷菌能矿化甲苯等多种污染物 抗冻基因的获取与应用 植物病原菌假单胞菌在零下3－5度通过产生冰 核蛋白在叶子上形成冰晶引起植物冻害，基因 敲除与植物抗冻 食品发酵工业中的应用 节约能源并减少中温菌污染 从低温微生物中得到脂酶、蛋白酶和－半乳 糖肝酶在食品工业中应用 洗衣粉中低温酶开发
深海热泉
Morning Glory Pool温泉最大的特点是 它们的颜色随着水温的变化而不同。
从1999年5月起，中国科学家联合起来，开始测 定这种嗜热菌的全基因组DNA（脱氧核糖核酸） 序列。 科研人员从培养的细于组装、注释、寻找基因的软件。 在基因测序中，获得了单机日产、序列读长、准 确率等指数与国际同行并驾齐驱的好结果。 科研人员已测定这个微生物基因组的260多万个 碱基对，基因组的准确率达到99.99％以上，从 而获取了国内第一张微生物基因组的“完成图”。 科学家已发现了2808个基因，其中1481个是 功能已知的基因，另外1327个基因的功能还不 清楚。这标志着我国基因组研究又向前迈出重要 一步。据悉，这是迄今为止中国人首次破译微生 物的遗传密码，嗜热菌也成为除病毒外国内第一 个遗传密码被破译的微生物。
12℃ 15℃ 31℃
丙氨酸消旋酶
脂酶
Bacillus sp.
Pseudomonas sp.
0℃酶活较高， 食品储藏、抗 35℃失活 菌剂 25-35℃ 食品、去污、 化妆品、医药
第二节 高温环境中的微生物
自然界中存在许多自然和人工的高温环境
•正在喷发的火山（1000℃）、流出的火山岩浆（在 500℃以上）、在这些火山周围的土壤和水 •深海中地热区 •沸腾的温泉（93℃～109℃）、非沸腾的温泉 •受太阳光直接辐射的物体表面（60℃～70℃） •工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水 •堆肥等
嗜冷菌绝大多数是G-菌
某些低温环境中的微生物
低温环境 微生物 生长或生存温度
高空
南极上空 冰川，山洞 低温湖泊
芽胞杆菌
丁香假单胞菌 节杆菌，短杆菌
0℃
-2 ℃
节杆菌，假单胞菌，黄杆菌 -5 ℃～18 ℃ 假单胞菌，弧菌，黄杆菌， 不动杆菌和各种粘细菌
长期冻结的湖泊 噬纤维菌 地球两极的土壤 固氮菌 芽胞杆菌，微球菌 在1℃下固氮 -7 ℃
Torula thermophila Aspergillus fumigatus
酵母菌 从堆肥中得到的真菌
微生物 专性嗜热菌 Bacillus searothermophilis B. acidocaldarius Thermus adaticus Thermononasspora chromogena
对细胞分裂、基因调控和RNA合成的影 响
温度升高，嗜冷菌细胞分裂受到影响 温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA 结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白 质和DNA含量不变，但由于RNA酶失活而导致 RNA含量下降
二、低温微生物适应低温的分子机理
1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境
膜蛋白的磷酸化、去磷酸化反应来感应温度变化
耐冷菌Pseudomonas syringae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
2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通
透性，保证膜的正常生理功能（膜的改变）
增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动 状态，保持物质转运能力和酶活力 增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸 的合成 缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支链的比例， 减少环状脂肪酸的比例等 （有利于膜脂熔点的降低并在低温下保持液晶态） 脂含量升高、膜面积增大 （有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）
生长温度（℃） 说明 >35 40～80 孢子热稳定 耐热嗜酸菌 45～79 37～65 在基因放大过程（PCR）中 所用的Tag聚合酶 在堆肥中常见的放线菌
Mastigocladus laminosus
Synechococcus lividus
35～64
55～74
蓝细菌
蓝细菌
Mathanobacterium thermoautotrophicum
抑制蛋白质的合成 专性嗜冷菌在22.5度条件下，蛋白质的 合成停止 各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相 当敏感 破坏核糖体的结构和功能 温度升高，影响核糖体结构和功能，影 响核糖体RNA和蛋白质之间的正常结合，核糖 体的天然结构发生改变
对细胞结构的影响
破坏细胞壁 Vibrio psychroerythrus 在37度下2h，细胞壁 分解 细胞的正常形状 30度处理异常芽孢杆菌时，细胞分裂所影响变成 丝状 正常的细胞表面电荷 热处理Vibrio psychroerythrus，细胞膜的磷脂 被释放到环境中，增加电泳泳动速度 细胞的渗透性 热处理嗜冷菌时，渗透压发生变化引起细胞裂解
抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物，这些微
生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。
研究极端环境中微生物的意义
研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答因子， 对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。
研究其生理生化特性，可用于量度地球上生命生存的理化极
限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值； 可探索出新的生理途径，生产新酶和新的生物制剂，使用于 特殊环境条件，如煤脱硫、冶炼金属、处理有毒废水、高压深 油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。
第四节 第五节 第六节 第七节
酸性环境中的微生物
强碱环境中的微生物 高盐环境中的微生物 高压环境中的微生物 高辐射环境中的微生物
极端自然环境
指存在有某些特有物理和化学条件以及某些 特有微生物的自然环境。
特有的物化条件
高低温，强酸碱，高压， 高盐，干燥，辐射，低营养等
特有的微生物 嗜冷菌(Psychrophiles)，嗜高温菌(Termophiles)，嗜 盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌 (Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、
嗜冷菌——雪藻
高温对嗜冷菌的影响
对物质运输的影响
低温下，低温微生物吸收和氧化外源葡萄 糖的能力最强，温度升高，能力下降 温度升高，细胞膜失去吸收外界环境营养 物功能
对代谢速率和呼吸酶的影响
嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20度便 失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温下生 长的原因之一。
对蛋白质合成的影响
一般嗜热菌可以分为三类：
二、高温环境中的微生物
①专性嗜热菌：最适生长温度在65℃ ～70℃之 间，当生长温度低于35℃时，生长便停止。
②兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜 热菌和嗜中温菌生长温度（13℃ ～45℃ ）之 间，其最适生长温度在55℃ ～65℃之间。 ③抗热菌：最适生长温度在20℃ ～50℃之间， 但也能在室温下生长。 在55℃或55℃以上生长的微生物都叫做嗜热菌。
研究成果可以大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物
技术等领域的应用。
第一节 低温环境中的微生物
低 温 微 生 物
嗜冷菌（psychrophiles）
0℃以下或3～20℃能生长的微生物， 最适生长温度不超过15℃， 最高生长温度不超过20℃。
耐冷菌（psychrotrophs）
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
微生物
抗热菌 Bacillus licheniformis B. subtilis
生长温度
说明
20~50
在90℃以上淀粉酶仍有活 力
其遗传背景很清楚，是克 隆其它嗜热杆菌基因的良 好宿主，兼性嗜热菌 L-乳酸的产生菌 在55℃以上可以产生抗生 素 在48℃下可以发酵的酵母 菌
B. coagulans 30~60 Streptomyces thermoviolanceus Kluyveromyces marxianus 25～50
酶种类 蛋白酶
已被研究的微生物低温酶类 来源菌株 酶的最适反应 温度 假单胞菌 20℃
主要应用范围 去污、食、 皮革、纺织、 分子生物学 医药、去污、 食品 乳品工业 生物转化
胰蛋白酶 -半乳糖苷酶 柠檬酸合成酶
Colwellia-like strain Colwellia-like strain 南极细菌DS23R
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 的冰芯中分离到的活细菌。
分离自淡水湖及海湾水中的耐冷细菌群 细菌群 Azotobacter sp. 反硝化菌 蛋白质分解菌 海水 + + + 淡水 + + +
紫色非硫细菌
绿色硫细菌
+
+
+
+
硫酸盐还原菌
硫氧化菌 纤维分解菌
+
+ +
+
+
在低温下生长的微生物还有酵母、真菌
低 0℃以下或3～20℃能生长的微生物， 温 最适生长温度不超过15℃， 微 最高生长温度不超过20℃。 生 物 耐冷菌（psychrotrophs）
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
嗜冷微生物（psychrophiles）
嗜中温微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物
三、低温微生物的潜在应用
应对全球变化可能对人类的危害
冰箱中低温微生物的生长对食品防腐的挑战 葡萄球菌在低温下产生毒素；链球菌可在冷牛 奶中产酸;变形杆菌在低温下引起鸡蛋变黑
为研究生物的进化提供材料 为古气候的重建提供信息 为探索诸如火星等外星生命存在的可能性提 供线索
低温微生物对受污染环境的原位清洁作用 泄漏于土壤、海洋中的原油、废弃物等的生物 降解 耐冷菌能矿化甲苯等多种污染物 抗冻基因的获取与应用 植物病原菌假单胞菌在零下3－5度通过产生冰 核蛋白在叶子上形成冰晶引起植物冻害，基因 敲除与植物抗冻 食品发酵工业中的应用 节约能源并减少中温菌污染 从低温微生物中得到脂酶、蛋白酶和－半乳 糖肝酶在食品工业中应用 洗衣粉中低温酶开发
深海热泉
Morning Glory Pool温泉最大的特点是 它们的颜色随着水温的变化而不同。
从1999年5月起，中国科学家联合起来，开始测 定这种嗜热菌的全基因组DNA（脱氧核糖核酸） 序列。 科研人员从培养的细于组装、注释、寻找基因的软件。 在基因测序中，获得了单机日产、序列读长、准 确率等指数与国际同行并驾齐驱的好结果。 科研人员已测定这个微生物基因组的260多万个 碱基对，基因组的准确率达到99.99％以上，从 而获取了国内第一张微生物基因组的“完成图”。 科学家已发现了2808个基因，其中1481个是 功能已知的基因，另外1327个基因的功能还不 清楚。这标志着我国基因组研究又向前迈出重要 一步。据悉，这是迄今为止中国人首次破译微生 物的遗传密码，嗜热菌也成为除病毒外国内第一 个遗传密码被破译的微生物。
12℃ 15℃ 31℃
丙氨酸消旋酶
脂酶
Bacillus sp.
Pseudomonas sp.
0℃酶活较高， 食品储藏、抗 35℃失活 菌剂 25-35℃ 食品、去污、 化妆品、医药
第二节 高温环境中的微生物
自然界中存在许多自然和人工的高温环境
•正在喷发的火山（1000℃）、流出的火山岩浆（在 500℃以上）、在这些火山周围的土壤和水 •深海中地热区 •沸腾的温泉（93℃～109℃）、非沸腾的温泉 •受太阳光直接辐射的物体表面（60℃～70℃） •工业和家庭热水器具和工业排出的冷却水 •堆肥等
嗜冷菌绝大多数是G-菌
某些低温环境中的微生物
低温环境 微生物 生长或生存温度
高空
南极上空 冰川，山洞 低温湖泊
芽胞杆菌
丁香假单胞菌 节杆菌，短杆菌
0℃
-2 ℃
节杆菌，假单胞菌，黄杆菌 -5 ℃～18 ℃ 假单胞菌，弧菌，黄杆菌， 不动杆菌和各种粘细菌
长期冻结的湖泊 噬纤维菌 地球两极的土壤 固氮菌 芽胞杆菌，微球菌 在1℃下固氮 -7 ℃
Torula thermophila Aspergillus fumigatus
酵母菌 从堆肥中得到的真菌
微生物 专性嗜热菌 Bacillus searothermophilis B. acidocaldarius Thermus adaticus Thermononasspora chromogena
对细胞分裂、基因调控和RNA合成的影 响
温度升高，嗜冷菌细胞分裂受到影响 温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA 结合，阻碍酶的形成 温度升高，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白 质和DNA含量不变，但由于RNA酶失活而导致 RNA含量下降
二、低温微生物适应低温的分子机理
1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境
膜蛋白的磷酸化、去磷酸化反应来感应温度变化
耐冷菌Pseudomonas syringae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
2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通
透性，保证膜的正常生理功能（膜的改变）
增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动 状态，保持物质转运能力和酶活力 增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸 的合成 缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支链的比例， 减少环状脂肪酸的比例等 （有利于膜脂熔点的降低并在低温下保持液晶态） 脂含量升高、膜面积增大 （有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）
生长温度（℃） 说明 >35 40～80 孢子热稳定 耐热嗜酸菌 45～79 37～65 在基因放大过程（PCR）中 所用的Tag聚合酶 在堆肥中常见的放线菌
Mastigocladus laminosus
Synechococcus lividus
35～64
55～74
蓝细菌
蓝细菌
Mathanobacterium thermoautotrophicum
抑制蛋白质的合成 专性嗜冷菌在22.5度条件下，蛋白质的 合成停止 各种诱导酶、发光酶和蛋白酶对温度相 当敏感 破坏核糖体的结构和功能 温度升高，影响核糖体结构和功能，影 响核糖体RNA和蛋白质之间的正常结合，核糖 体的天然结构发生改变
对细胞结构的影响
破坏细胞壁 Vibrio psychroerythrus 在37度下2h，细胞壁 分解 细胞的正常形状 30度处理异常芽孢杆菌时，细胞分裂所影响变成 丝状 正常的细胞表面电荷 热处理Vibrio psychroerythrus，细胞膜的磷脂 被释放到环境中，增加电泳泳动速度 细胞的渗透性 热处理嗜冷菌时，渗透压发生变化引起细胞裂解
抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物，这些微
生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。
研究极端环境中微生物的意义
研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答因子， 对阐明物种起源、生物进化具有重要意义。
研究其生理生化特性，可用于量度地球上生命生存的理化极
限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值； 可探索出新的生理途径，生产新酶和新的生物制剂，使用于 特殊环境条件，如煤脱硫、冶炼金属、处理有毒废水、高压深 油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。
第四节 第五节 第六节 第七节
酸性环境中的微生物
强碱环境中的微生物 高盐环境中的微生物 高压环境中的微生物 高辐射环境中的微生物
极端自然环境
指存在有某些特有物理和化学条件以及某些 特有微生物的自然环境。
特有的物化条件
高低温，强酸碱，高压， 高盐，干燥，辐射，低营养等
特有的微生物 嗜冷菌(Psychrophiles)，嗜高温菌(Termophiles)，嗜 盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌 (Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、