低温微生物的适冷性及其应用

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对污染物的生物降解作用,讨论了低温微生物在污水处理中的应用,对环境保护具有一定的理论意义。
[ 关键词] 低温微生物;适冷性;污水处理
[ 中图分类号] Q 93
[ 文献标识码] A
[ 文章编号] 1003-5095(2009)02-0007-03
1 低温微生物分布与分类 温度是影响微生物生命活动的重要环境因子,根
为环境微生物学。
起始或翻译速率实现的。体外实验表明,在同样低温 条件下低温微生物体外蛋白质翻译的错误率最低。当 温度降低,蛋白质“紧密在一起”,从而失去活性。根据
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河北化工
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证实,疏水键在高温下是稳定的,推测出氢键和离子 键是低温蛋白稳定的原因。通过对低温微生物乳酸脱 氢酶基因的克隆及分析已经证实了这一点[9]。另一方 面,低温微生物中的蛋白质是以单体和多聚物形式存 在的,温度还通过影响核糖体上蛋白质的翻译速率或 是某种专一 mRNA 翻译的起始或翻译的速率,来影响 合成蛋白总量或特定蛋白的相对量。Szer 等 证 [10,11] 实:在适冷性假单抱杆菌中蛋白合成同中温菌相比, 同种状态下错配率非常低。因此很明显,低温微生物 的一个适应性就是在它们的翻译机理中,具有在低温 下保持有效启动的特殊能力,而在中温微生物和高温 微生物系统中没有。 2. 3 冷体克蛋白
表 1 低温微生物的分布与分类
名称 上限生长温度 TU/℃ 最适生长温度 Ta/℃ 下限生长温度 Td/℃ 分布情况
种类
已发现的低温微生物 真细菌:核线菌属、水节霉属、
耐冷菌 TU>20 0≤Ta≤5
Tห้องสมุดไป่ตู้≤0
嗜冷菌 TU≤20
Ta≤15
Td≤0
分布较广,常冷到不
稳定的低温环境中 真细菌
均有发现
蓝细菌
第 32 卷第 2 期 2009 年 02 月
河北化工
Vol.32 No.2 Feb . 2009
低温微生物的适冷性及其应用
隋天娥,陶征义
(贵州大学资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550003)
[ 摘 要] 对低温微生物的概念、分布与分类进行了介绍,主要从低温微生物的适冷性方面综述了其生理特性,在低温环境下
度<15 ℃时硝化速度明显下降,硝化细菌的活性也 大幅度降低;张代钧等 研 [14] 究发现:当温度为 0~ 10 ℃时,温度条件对硝化作用有非常大的影响,而当 温度>10 ℃后,其对硝化作用的影响已不明显,但温 度在 0~30 ℃时,出水总氮浓度又随温度升高而逐 渐降低。因此在低温地区处理生活污水方面耐冷菌有 很大的研究空间。 3. 2 处理硫酸盐废水
低温微生物广泛分布于地球上,它们在生态系统 中发挥着重要作用,从微生物多样性考虑,这些低温 微生物是重要的微生物和基因资源,低温微生物对于 净化环境中的污染物和保持环境的生态平衡起着很 重要的作用,也为人类提供了丰富的资源。近年来对 于低温微生物的研究日益增多。随着研究的深入以及 与工程技术的结合,会使低温微生物在废水处理中的 应用更加广泛。
Isakaen 对两种分别从常冷的南极地区和温度 季节性交替的丹麦分离到的耐冷硫酸盐还原菌进行 了研究,结果发现,两种菌均具有在低温环境下还原 硫酸盐的能力,其中从南极分离的耐冷菌最适温度为 12 ℃ , 从 丹 麦 分 离 的 耐 冷 菌 最 适 生 长 温 度 为 18.5 ℃,而中温硫酸盐还原菌的最适温度一般为 34 ℃,因此,一般在处理硫酸盐废水时都需要进行保 温或加温,如果能利用这些低温硫酸盐还原菌处理硫 酸盐废水,可以节省污水保温或加温投资和运行费 用。 3. 3 处理屠宰废水和食品工业废水
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克 蛋白(CSP)。当温度突然降低,细胞中会产生一种冷休 克反应,即一种特殊形式的基因表达使细胞适应这一 急剧降低的低温环境。冷休克蛋白首先在大肠杆菌中 发现,将大肠杆菌从 37 ℃突然转移到 10 ℃时细胞 中会诱导合成一组冷休克蛋白(CSPA),它们对低温的 生理适应过程中发挥着重要作用,当冷刺激后冷休克 蛋白在很短时间内大量产生。低温微生物由于生活在 温度波动的环境中,它们必须忍受温度的快速降低, 这与它们产生的冷休克蛋白是密切相关的。除冷刺激 蛋白之外,还存在第二类蛋白,称为冷适应蛋白 (CAPS),同冷刺激蛋白相比,CAPS 在低温环境中是对 应温度生长速度连续合成的。冷体克蛋白在原核生物 和真核生物中普遍存在[13]。 3 低温微生物在污水处理中的应用 3. 1 低温微生物在处理生活废水中的应用
[ 参 考 文 献]
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保证膜中镶嵌的蛋白质发挥正确的功能。当温度下降 升高、膜面积增大也是一调节机制,这样有利于提高
时膜的流动性会减弱,因此微生物必须调节脂类的组 菌体细胞对营养物质的吸收能力[8]。
成,从而调节膜的流动性和相结构以适应环境的变 化[6,7]。低温微生物中含有较多的直链和支链不饱和
2. 2 蛋白质的合成 低温微生物在他们的生长温度范围内有 10%~
常冷环境:如南北两 酵母霉 极地区、冰窟、常年积 菌藻类
雪的高山、土壤和深
毛霉属、青霉菌属等 细菌:假单抱菌属、弧菌属、 不动杆菌属、气单抱菌属、 色杆菌属、耶尔森氏菌属、节杆菌属、 棒杆菌属、黄杆菌属、沙雷氏菌属等 蓝细菌:念珠藻属 藻类:脆杆菌属、短壳缝属、
海等
绿球藻属、柱抱藻属
酵母:假丝酵母属、隐球酵母属、红酵
氯酚类物质是生物或化学法降解多种农药的主 要中间产物,过去也常被用作木材防腐剂,是我国很
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隋天娥 陶征义:低温微生物的适冷性及其应用
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多地区地下水和土壤中存在的主要污染物之一,属于 较难降解的有机物,加之地下水一般温度要低于室 温,在进行处理时往往需要通过升温等措施,处理效 果不理想。耐冷菌中的一些菌种能够降解存在于低温 地下水中各种构型的氯酚类物质。Jarvinen 等从 1988 年开始研究氯酚类物质的好氧和厌氧生物降解 情况。他们从一些长期处于低温下的分批培养箱中分 离出了几株耐冷高效氯酚降解菌用于好氧流化床系 统,并将其应用于净化地下水中的氯酚类污染物。实 验 结 果 表 明 , 在 5 ~7 ℃ 条 件 下 , 氯 酚 负 荷 为 740 mg/(L·d)时,氯酚去除率达 99.9%,且其年运行 费用要比中温条件下进行生物降解的费用降低 2.5 倍以上。 4结语
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石油化工废水中含有大量不溶于水的烃类物质, 在低温时还时常呈固态存在,阻碍了微生物降解进 程。中温微生物无法在低温环境下对烃类物质进行降 解,而低温微生物在低温条件下对各种淡水水域和海 洋系统中的石油烃类物质都具有一定的降解能力[20]。 根据研究,有一类耐冷烷烃降解菌甚至能够在 0 ℃ 条件下降解烃类物质[21],20 世纪 80 年代初,有研究 表明:从土壤、淡水和海洋系统中分离的微生物能利 用自然环境中存在的各种石油烃类污染物,并将其作 为惟一的能源和碳源,Westlake 等的研究则表明,在 北极中部和北部,部分低温微生物在低温环境中可分 解原油。 3. 5 处理含氯酚地下水
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脂肪酸,增加不饱和脂肪酸的比例是最常见的变化, 15%的细胞内蛋白是通过积极的调节机制合成的,温
不饱和脂肪酸的增加会引起脂类熔点的降低,使细胞 度影响细胞总蛋白质的合成是通过影响核糖体上蛋
膜在低温条件下保持良好的流动性,有利于微生物的 白质的翻译速率或是通过影响某种特异 mRNA 翻译的
[ 收稿日期] 2008-11-17 [ 作者简介] 隋天娥(1982-),女,在读硕士研究生,研究方向
L-Lactate dehydrogenases from thermophilic,Neophilic
and psychophilic bacteria,identification,isolation and
nucleotide sequence of two L-lactaed dehydrogenase
母属等
2 低温微生物冷适应性原理
生存。除了不饱和脂肪酸的改变外,还有其他变化如
2. 1 调节膜脂组成
脂肪酸链长度缩短、增加甲基分支、减少环状脂肪酸
膜脂的组成提供了膜流动和相结构的前提条件, 的比例,这些变化对微生物在低温条件下保持膜脂液
对营养物质的吸收和对细胞内离子组成的调节,从而 晶态,维持膜的流动性都具有重要意义。此外脂含量
据其生长温度特性可分为高温微生物、中温微生物和 低温微生物三类。低温微生物就是指那些生活在低温 环境下仍具有生长能力的微生物,它们具有独特的生
理机制以及特殊的代谢产物。 根据 Morito 的定义,把微生物中的低温微生物
又细分为两类:一类是嗜冷菌(Psychrophilies),另 一类是耐冷菌(Psychrotrophs) [1-4]。具体见表 1。
因为人类最初是在乳制品和肉类冷藏贮存过程 中发现低温微生物,低温微生物一方面能够分解有机 物,能使乳制品和肉类变质从而造成损失;另一方面 却为我们处理屠宰厂废水和食品工业废水提供了很 好的原料。大量实验证实,低温微生物在低温下对脂 肪的分解能力很强,而且已经有研究者克隆到了冷适 应脂肪酶的基因[19]。将耐冷脂肪分解菌应用于屠宰废 水和食品工业废水具有很好的开发前景。 3. 4 处理石油化工废水
incorpora-tion a cell-free System from psychrophilic
Pseudomouas sp[J].412.Eur J Biolchem,1967,(2):250-256.
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genes of the paychophilic bacterium Bruillu.sp.s chro.
生活污水中一般含有较多的氮、磷和 COD,目前, 城市污水一般采用生物法处理。研究发现,很多低温 微生物对于含氮和磷的有机物都具有很强的降解能 力。如 Chevalier 从南极和北极分离到四株耐冷的丝 状蓝细菌,它们在低温(0~5 ℃)下对氮和磷均具有 较高的去除率[14]。
郑耀通[15]等从下水道中分离出对生活污水中有 机污染物有降解能力的耐冷菌,并且采用耐冷复合菌 群处理低温生活污水。研究结果表明:由于菌群中各 菌种协同作用的结果,使耐冷复合菌群比单一菌具有 更高的 COD 去除率,并且其抗冲击负荷的能力也增 强。冬季低温时,在曝气池内投加耐冷复合菌群可以 使 COD 去除率由 35%提高到 89%。大量的研究结果表 明,硝化细菌最适宜的生长温度为 25~30 ℃。当温
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