微生物生态学-3.1极端自然环境中的微生物1

对代谢速率和呼吸酶的影响 呼吸酶对温度敏感 20度便 嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20 嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20度便 失活， 失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温下生 长的原因之一。 长的原因之一。
对蛋白质合成的影响
抑制蛋白质的合成 专性嗜冷菌在22.5度条件下， 22.5度条件下 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、 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， 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， RNA和蛋白质之间的正常结合 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
嗜冷菌绝大多数是G 嗜冷菌绝大多数是 -菌
某些低温环境中的微生物
低温环境 高空 南极上空 冰川， 冰川，山洞 低温湖泊 微生物 芽胞杆菌 丁香假单胞菌 节杆菌，短杆菌 节杆菌， 节杆菌，假单胞菌， 节杆菌，假单胞菌，黄杆菌 -5 ℃～18 ℃ 假单胞菌，弧菌，黄杆菌， 假单胞菌，弧菌，黄杆菌， 不动杆菌和各种粘细菌 生长或生存温度 0℃ -2 ℃
二、低温微生物适应低温的分子机理
P21P21-22
1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境 1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境 通过信号传导
膜蛋白的磷酸化、 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 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
嗜
微生物（mesophilies） 微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物 13～45℃下能生长的微生物
2、微生物种类
长期低温：深海，两极，冰川， 长期低温：深海，两极，冰川，高空 短期低温： 短期低温：冬季 嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌 对高温敏 嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏 分布范围窄) 感，分布范围窄 耐冷菌：芽胞杆菌，节杆菌， 耐冷菌：芽胞杆菌，节杆菌，假单胞菌
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， 芽胞杆菌，微球菌 在1℃下固氮 ℃ -7 ℃
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 万年的南极东方湖（ 万年的南极东方湖 ） 处 的冰芯中分离到的活细菌。 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 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 海水 + + + + + + + + 淡水 + + + + + + +
4.低温微生物通过产生冷冲击蛋白（cold 低温微生物通过产生冷冲击蛋白（ 低温微生物通过产生冷冲击蛋白 shock protein）适应低温环境 ）
当生长温度从21℃降到5℃时 当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母 21℃降到5℃ 能在12 h内合成26种冷冲击蛋白 内合成26种冷冲击蛋白。 能在12 h内合成26种冷冲击蛋白。
胰蛋白酶 β-半乳糖苷酶 柠檬酸合成酶 丙氨酸消旋酶 脂酶
ColwelliaColwellia-like strain ColwelliaColwellia-like strain 南极细菌DS2南极细菌DS23R Bacillus sp. Pseudomonas sp.
12℃ 12℃ 15℃ 15℃ 31℃ 31℃
高低温，强酸碱，高压， 高低温，强酸碱，高压， 高盐，干燥，辐射， 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 ，嗜高温菌 嗜冷菌 ， 盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌 、嗜压菌 盐菌 、 (Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、 、嗜碱菌 以及抗辐射、 以及抗辐射 干燥、 抗低营养浓度和高浓度重金属离子的微生物， 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。 生物具有一般微生物所没有的特殊生理和遗传功能。
生长在5℃的南极好氧菌， 生长在 ℃的南极好氧菌，细胞脂质总脂肪酸中棕榈油 油酸等不饱和脂肪酸的含量超过90％。 酸、油酸等不饱和脂肪酸的含量超过 ％。
3.低温微生物的蛋白质和蛋白质合成 低温微生物的蛋白质和蛋白质合成
嗜冷菌合成大量的低温酶类， 嗜冷菌合成大量的低温酶类，弥补因低温导致的反应速 率下降的问题； 率下降的问题； 嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类（同功酶），在一 嗜冷菌合成产生不同类型的低温酶类（同功酶），在一 ）， 定范围的不同温度下始终保持代谢活力,维持生命现象。 定范围的不同温度下始终保持代谢活力 维持生命现象。 维持生命现象 低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象。 低温酶在低温下具有高催化率和高柔顺分子构象。 嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（ 嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（Vibrio中 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）
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， 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。 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 研究其生理生化特性， 限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值； 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， 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、 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。 油井探矿、纤维素高温发酵酒精等。
一株南极稀有放线菌的发酵液中分离到具有抗肿瘤 活性的物质G 活性的物质 905A，经鉴定其结构与肿瘤抗生素 ， sandramycin相同。 相同。 相同
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 20℃ 20℃ 假单胞菌
主要应用范围 去污、食品、 去污、食品、 皮革、纺织、 皮革、纺织、 分子生物学 医药、去污、 医药、去污、 食品 乳品工业 生物转化
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、 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 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， 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β 从低温微生物中得到脂酶、蛋白酶和β－半乳 糖肝酶在食品工业中应用 洗衣粉中低温酶开发
第一节 低温环境中的微生物
一、低温环境中的微生物
1、低温环境
长期低温：深海，地球两 长期低温：深海， 极的土壤， 极的土壤，冰川和高空 短期低温： 短期低温：大多数地区的 冬季期间
（红雪现象：嗜寒水藻） 红雪现象：嗜寒水藻）
低 温 微 生 物
嗜冷微生物（psychrophiles） 嗜冷微生物（psychrophiles）
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 低温环境中的微生物 高温环境中的微生物 酸性环境中的微生物 强碱环境中的源自文库生物 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。 特有微生物的自然环境。
特有的物化条件
7. 低温微生物活性物质的潜在应用 ——环境保护 医药、食品、 ——环境保护、医药、食品、日化等领域 环境保护、 1)多不饱和脂肪酸（Ployunsaturated Fatty 多不饱和脂肪酸（ 多不饱和脂肪酸 Acids, PUFAs） ） 2)抗紫外线物质 抗紫外线物质 3)抗菌、抗肿瘤物质 抗菌、 抗菌 4)低温酶 低温酶
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； 葡萄球菌在低温下产生毒素；链球菌可在冷牛 奶中产酸; 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
对细胞分裂、基因调控和RNA RNA合成的影 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， 温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA 温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧密于DNA 结合， 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，嗜冷菌和耐冷菌RNA合成停止 温度升高，耐冷菌Micrococcus cryophilus中蛋白 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 含量不变， 质和DNA含量不变，但由于RNA酶失活而导致 RNA含量下降 RNA含量下降
极端环境中的微生物
生命的极限记录 温度： 121 ℃（菌株121） 菌株121） 温度： 在零下二十摄氏度的环境中细菌仍然能够存活 盐浓度: 盐浓度: 5.5 M NaCl (32%) （嗜盐菌） 嗜盐菌） pH: pH 1.0-1.7（阿曼嗜酸亚铁原体） 1.0-1.7（阿曼嗜酸亚铁原体）
第三章 极端自然环境中的微生物P19
2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通 2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、 调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性 透性，保证膜的正常生理功能 透性，
增加不饱和脂肪酸比例， 增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动 不饱和脂肪酸比例 状态， 状态，保持物质转运能力和酶活力 增加不饱和脂肪酸的组入， 增加不饱和脂肪酸的组入，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， 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） （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、 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） （有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力）
0℃以下或3～20℃能生长的微生物， 0℃以下或3 20℃能生长的微生物， 以下或 能生长的微生物 最适生长温度不超过15℃ 15℃， 最适生长温度不超过15℃， 最高生长温度不超过20 20℃ 最高生长温度不超过20℃。
耐冷菌（psychrotrophs） 耐冷菌（psychrotrophs）
可生长繁殖， 0～5 可生长繁殖， 最适生长温度可达20 最适生长温度可达20 以上的微生物
对细胞结构的影响
破坏细胞壁 37度下2h， 度下2h 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 度处理异常芽孢杆菌时， 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， 热处理Vibrio psychroerythrus，细胞膜的磷脂 被释放到环境中， 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， 热处理嗜冷菌时，渗透压发生变化引起细胞裂解
在低温下生长的微生物还有酵母、 在低温下生长的微生物还有酵母、真菌 和藻。 和藻。
嗜冷菌——雪藻 雪藻 嗜冷菌
高温对嗜冷菌的影响
P20P20-21
对物质运输的影响 低温下， 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， 糖的能力最强，温度升高，能力下降 温度升高， 温度升高，细胞膜失去吸收外界环境营养 物功能