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摘要：长期处在低温环境中的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, 从低温得到的脂酶、蛋白酶在食品工业和洗涤剂添加剂中有很大的应用潜力。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。但是, 低温微生物的抗低温机制还没有被完全解释清楚, 和嗜热菌比较, 低温微生物及其低温酶在生产中达到实际应用的实例很少。值得高兴的是, 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生物工程技术的结合, 会使低温微生物的应用更加广泛。本文论述了低温微生物生态及分子适应性，探讨了低温微生物的冷适应机理，并对其在环境工程领域的应用进行了介绍。
关键词：低温微生物；环境工程；生态分布；应用
中图分类号：B819文献标识码： A
低温环境是一种极端环境, 在这些低温环境中存在着大量的低温微生物。低温微生物由于长期生活在寒冷的环境中, 在自然选择的作用下形成一套独特的与低温环境相适应的分子机制。这些由低温微生物分泌的酶分子体现出一种独特的分子适应性，低温微生物在生态环境系统中占有重要的地位和作用。
一、关于低温微生物的生态分布
Forster于1887年首次从冻贮的鱼身上分离出有生命的低温菌, 自此之后, 很多学者相继从土壤、深海、冰川和积雪等低温环境中分离出低温微生物。嗜冷菌主要分布于常冷的环境中, 耐冷菌则分布范围较广, 从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到。已发现的低温微生物有真细菌、蓝细菌、酵母菌、真菌及藻类等多种微生物类群。在真细菌中, 有自养的和异养的, 好氧的和厌氧的, 光合自养型和非光合自养型等。尽管分离到的低温细菌种类繁多, 但是革兰氏阴性低温菌的种类和数量大大超过革兰氏阳性菌。
二、关于低温微生物分子适应性
低温微生物由于长期生活在寒冷的环境中, 在自然选择的作用下形成一套独特的与低温环境相适应的分子机制. 与嗜中温性的微生物相比, 这些由低温微生物分泌的酶分子体现出一种独特的分子适应性: 它们在0-30℃有着更高的催化活性, 并且对热表现出更强的敏感性。一般来说, 酶的比活性是和其热稳定性密切相关的. 蛋白分子的热稳定性主要来源于分子的刚性. 刚性的增强使得酶与底物的相互作用受到影响, 从而导致了酶活性的下降。相反, 柔性的增加使得酶促反应时的能量消耗减少, 提高酶的催化活力。自1996年Aghajari等第一次阐明来自嗜冷菌的- 淀粉酶的三维晶体结构以来, 科学家们已经先后对磷酸丙酮酸异构酶、柠檬酸合成酶以及苹果酸脱氢酶进行了晶体结构分析。与那些来自嗜中温性的微生物的分泌酶不同, 这些来自嗜冷菌的分泌酶只在蛋白质的某些部位存在着下述细微的差别:与蛋白质折叠和稳定性相关的弱作用( 如氢键和盐键) 的减少；以一个低疏水性的疏水区域形成蛋白质的核心；删除和替换蛋白质二级结构的环和转角处的脯氨酸；通过增加带电荷的侧链以增加溶剂和亲水表面的作用；在结构功能域附近出现甘氨酸簇；更广范围的钙离子配位作用.
根据上述的结构特征, 现在普遍认为这些酶分子的冷适应性主要依赖于酶分子内基团之间相互作用的减弱以及酶和溶剂分子的相互作用的增强. 这样的分子结构变化使得酶分子更具有柔性, 增强了其与底物的作用, 降低了反应的活化能, 从而提高了催化活性。Emmaneul 等利用了定点突变的方法对一株采自南极的嗜冷菌(枯草杆菌)分泌的蛋白酶进行了分析。结果表明,当对蛋白分子的钙离子配体T85D进行修饰后,可以使酶的热稳定性与嗜中温的枯草杆菌蛋白酶相同,并且保持催化活性高出20倍。这一发现说明,在某些嗜冷微生物的分泌蛋白中热稳定性与高催化活性可能存在于不同的活性部位。通过基因工程的方法可以使这些蛋白质在保持高催化活性的前提下提高其分子的热稳定性。这一研究成果将大大推动低温微生物在纺织、食品及生物治污等行业的开发和利用。
三、关于低温微生物在环境污染物治理中的应用
1.降解表面活性剂。合成的阴离子表面活性剂(如SDS)广泛地应用于工农业生产中, 比如洗涤剂和农用化学喷雾, 因而在环境中存在着大量的表面活性剂, 以致造成日益严重的环境污染。同时, 表面活性剂对人体以及水生生物危害的短期效应和长期效应都不容忽视。因此, 表面活性剂已是污水处理的一大课题，大多数表面活性剂降解实验的实验温度都比自然条件下的温度要高, 因此筛选到的都是一些嗜温微生物。但是在诸如北极、高山这样的低温环境中, 表面活性剂的污染是很常见的。因此低温微生物的研究势在必行。R.Margesin等利用耐冷型降解柴油微生物在10下对SDS进行降解。29种培养物中16种96h内能够完全降解500-1000mg/L的SDS, 而其中只有三种不能降解2000mg/L的SDS。实验选定了其中的六种培养物, 测定SDS浓度(1000-2000mg/L) 和培养时间对降解效果的影响, 结果发现72h后SDS含量极低, 已无法检出. 温度实验的结果表明培养物RM8/11在5-30范围内可完全降解2000 mg/L的SDS. 作者还研究SDS含量对脱氢酶活性的影响, 当SDS含量时, 脱氢酶活性受到抑制, 因此可利用脱氢酶活性测试来监测环境中的阴离子表面活性剂的污染情况。
2.降解废水中微量油脂。含油废水是一种量大而面广的污染源, 世界上每年至少有5×107-10×107 L的油类通过各种途径进入水体。如何经济、快速、合理地处理油脂废水, 解决环境污染问题, 已成为一个亟待解决的社会问题。目前常用的处理方法是用物理、化学方法分离和回收废水中的油脂, 但无法彻底消除废水中的油脂. 为了在低温下(低至5℃) 亦能快速处理家庭废水中的微量油脂, 上海交通大学生命科学技术学院与日本日立化成公司合作, 从5种活性污泥或土壤中驯化分离了6种菌, 考查它们在低温下( 5-10℃)对含低浓度( 100×10-6)植物类油脂的降解能力。各种菌的降解能力不一, 其中编号为C2和X1的两种菌在24 h 内的去除率分别可达到92.80% 和95.49%. 菌株C2可生长条件为pH为6-9, 温度为0-35℃；生长适宜条件为: pH 7-8, 温度15-30℃. 菌株X1可生长条件为pH为6-9, 温度为0-40℃；生长适宜条件为: pH7-8, 温度15-35℃，进一步的研究还在进行中。
3.对脂肪类物质的降解。冷适应微生物最初是由于在食品的低温保鲜过程中能使食品腐败而引起人们的注意，并从冷藏食品中分离到能够降解脂肪类物质的耐冷菌。由于这类耐冷菌能在低温下降解脂肪，这就启发了环境工程领域的研究者利用这种微生物来处理低温的屠宰厂废水和食品生产厂废水，并且可能得到较好的处理效果。已经有人分离到能在低温下降解甘油三羧酸酯的假单胞菌，并且克隆了所编码的脂肪酶基因，在大肠杆菌中得到表达。
四、结束语
近年来关于低温微生物的研究日趋增多, 低温微生物在环保领域中的应用也越来越引起人们的关注. 随着基础研究的持续深入以及生物工程技术的广泛利用, 低温微生物的开发和应用将会出现更诱人的前景。
参考文獻：
[1]陈贵元, 魏云林. 冷适应微生物的研究现状与应用前景[J].大理学院学报, 2008(4): 82-85.
[2]贾贞，王廷璞,安建平,等.低温微生物的研究及应用［J］.天水师范学院学报,2003,23（5）.
[3]李田,刘光,安黎哲. 低温微生物的适冷特性研究进展及其应用前景［J］.冰川冻土，2006,3（28）：450- 455.
关键词：低温微生物；环境工程；生态分布；应用
中图分类号：B819文献标识码： A
低温环境是一种极端环境, 在这些低温环境中存在着大量的低温微生物。低温微生物由于长期生活在寒冷的环境中, 在自然选择的作用下形成一套独特的与低温环境相适应的分子机制。这些由低温微生物分泌的酶分子体现出一种独特的分子适应性，低温微生物在生态环境系统中占有重要的地位和作用。
一、关于低温微生物的生态分布
Forster于1887年首次从冻贮的鱼身上分离出有生命的低温菌, 自此之后, 很多学者相继从土壤、深海、冰川和积雪等低温环境中分离出低温微生物。嗜冷菌主要分布于常冷的环境中, 耐冷菌则分布范围较广, 从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到。已发现的低温微生物有真细菌、蓝细菌、酵母菌、真菌及藻类等多种微生物类群。在真细菌中, 有自养的和异养的, 好氧的和厌氧的, 光合自养型和非光合自养型等。尽管分离到的低温细菌种类繁多, 但是革兰氏阴性低温菌的种类和数量大大超过革兰氏阳性菌。
二、关于低温微生物分子适应性
低温微生物由于长期生活在寒冷的环境中, 在自然选择的作用下形成一套独特的与低温环境相适应的分子机制. 与嗜中温性的微生物相比, 这些由低温微生物分泌的酶分子体现出一种独特的分子适应性: 它们在0-30℃有着更高的催化活性, 并且对热表现出更强的敏感性。一般来说, 酶的比活性是和其热稳定性密切相关的. 蛋白分子的热稳定性主要来源于分子的刚性. 刚性的增强使得酶与底物的相互作用受到影响, 从而导致了酶活性的下降。相反, 柔性的增加使得酶促反应时的能量消耗减少, 提高酶的催化活力。自1996年Aghajari等第一次阐明来自嗜冷菌的- 淀粉酶的三维晶体结构以来, 科学家们已经先后对磷酸丙酮酸异构酶、柠檬酸合成酶以及苹果酸脱氢酶进行了晶体结构分析。与那些来自嗜中温性的微生物的分泌酶不同, 这些来自嗜冷菌的分泌酶只在蛋白质的某些部位存在着下述细微的差别:与蛋白质折叠和稳定性相关的弱作用( 如氢键和盐键) 的减少；以一个低疏水性的疏水区域形成蛋白质的核心；删除和替换蛋白质二级结构的环和转角处的脯氨酸；通过增加带电荷的侧链以增加溶剂和亲水表面的作用；在结构功能域附近出现甘氨酸簇；更广范围的钙离子配位作用.
根据上述的结构特征, 现在普遍认为这些酶分子的冷适应性主要依赖于酶分子内基团之间相互作用的减弱以及酶和溶剂分子的相互作用的增强. 这样的分子结构变化使得酶分子更具有柔性, 增强了其与底物的作用, 降低了反应的活化能, 从而提高了催化活性。Emmaneul 等利用了定点突变的方法对一株采自南极的嗜冷菌(枯草杆菌)分泌的蛋白酶进行了分析。结果表明,当对蛋白分子的钙离子配体T85D进行修饰后,可以使酶的热稳定性与嗜中温的枯草杆菌蛋白酶相同,并且保持催化活性高出20倍。这一发现说明,在某些嗜冷微生物的分泌蛋白中热稳定性与高催化活性可能存在于不同的活性部位。通过基因工程的方法可以使这些蛋白质在保持高催化活性的前提下提高其分子的热稳定性。这一研究成果将大大推动低温微生物在纺织、食品及生物治污等行业的开发和利用。
三、关于低温微生物在环境污染物治理中的应用
1.降解表面活性剂。合成的阴离子表面活性剂(如SDS)广泛地应用于工农业生产中, 比如洗涤剂和农用化学喷雾, 因而在环境中存在着大量的表面活性剂, 以致造成日益严重的环境污染。同时, 表面活性剂对人体以及水生生物危害的短期效应和长期效应都不容忽视。因此, 表面活性剂已是污水处理的一大课题，大多数表面活性剂降解实验的实验温度都比自然条件下的温度要高, 因此筛选到的都是一些嗜温微生物。但是在诸如北极、高山这样的低温环境中, 表面活性剂的污染是很常见的。因此低温微生物的研究势在必行。R.Margesin等利用耐冷型降解柴油微生物在10下对SDS进行降解。29种培养物中16种96h内能够完全降解500-1000mg/L的SDS, 而其中只有三种不能降解2000mg/L的SDS。实验选定了其中的六种培养物, 测定SDS浓度(1000-2000mg/L) 和培养时间对降解效果的影响, 结果发现72h后SDS含量极低, 已无法检出. 温度实验的结果表明培养物RM8/11在5-30范围内可完全降解2000 mg/L的SDS. 作者还研究SDS含量对脱氢酶活性的影响, 当SDS含量时, 脱氢酶活性受到抑制, 因此可利用脱氢酶活性测试来监测环境中的阴离子表面活性剂的污染情况。
2.降解废水中微量油脂。含油废水是一种量大而面广的污染源, 世界上每年至少有5×107-10×107 L的油类通过各种途径进入水体。如何经济、快速、合理地处理油脂废水, 解决环境污染问题, 已成为一个亟待解决的社会问题。目前常用的处理方法是用物理、化学方法分离和回收废水中的油脂, 但无法彻底消除废水中的油脂. 为了在低温下(低至5℃) 亦能快速处理家庭废水中的微量油脂, 上海交通大学生命科学技术学院与日本日立化成公司合作, 从5种活性污泥或土壤中驯化分离了6种菌, 考查它们在低温下( 5-10℃)对含低浓度( 100×10-6)植物类油脂的降解能力。各种菌的降解能力不一, 其中编号为C2和X1的两种菌在24 h 内的去除率分别可达到92.80% 和95.49%. 菌株C2可生长条件为pH为6-9, 温度为0-35℃；生长适宜条件为: pH 7-8, 温度15-30℃. 菌株X1可生长条件为pH为6-9, 温度为0-40℃；生长适宜条件为: pH7-8, 温度15-35℃，进一步的研究还在进行中。
3.对脂肪类物质的降解。冷适应微生物最初是由于在食品的低温保鲜过程中能使食品腐败而引起人们的注意，并从冷藏食品中分离到能够降解脂肪类物质的耐冷菌。由于这类耐冷菌能在低温下降解脂肪，这就启发了环境工程领域的研究者利用这种微生物来处理低温的屠宰厂废水和食品生产厂废水，并且可能得到较好的处理效果。已经有人分离到能在低温下降解甘油三羧酸酯的假单胞菌，并且克隆了所编码的脂肪酶基因，在大肠杆菌中得到表达。
四、结束语
近年来关于低温微生物的研究日趋增多, 低温微生物在环保领域中的应用也越来越引起人们的关注. 随着基础研究的持续深入以及生物工程技术的广泛利用, 低温微生物的开发和应用将会出现更诱人的前景。
参考文獻：
[1]陈贵元, 魏云林. 冷适应微生物的研究现状与应用前景[J].大理学院学报, 2008(4): 82-85.
[2]贾贞，王廷璞,安建平,等.低温微生物的研究及应用［J］.天水师范学院学报,2003,23（5）.
[3]李田,刘光,安黎哲. 低温微生物的适冷特性研究进展及其应用前景［J］.冰川冻土，2006,3（28）：450- 455.