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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
一、适冷微生物的适冷机理
1、膜的流动性
适冷微生物在低温条件下会产生更多的不饱和脂肪酸和支链脂肪酸，有利于脂类化合物中短链的形成、脂肪酸甲基分支的增加和环状脂肪酸比例的减少，进而增加微生物细胞内膜的流动性，促进适冷微生物的适冷性。然而，温度的增高会影响脂肪酸的产生，致使适冷微生物不耐高温。
2、DNA的转录和翻译
常温微生物在温度低于 15 ℃以下时，其 DNA 转录酶和翻译酶的活性降低，蛋白质有效折叠减少，DNA和 RNA 二次结构稳定性下降。而适冷微生物体内的核糖体提取物、RNA聚合酶、延伸因子和肽基-脯氨酰基的顺位异构在 0 ℃度左右具有活性，可保持蛋白质折叠率，核酸结合蛋白和 RNA 解旋酶的正常表达，可维持DNA 和 RNA 二次结构低温下的可变性。
3、冷适应酶
Weinstein 对 4 种不同适冷微生物（Desulfotalea、Psychrophila、Colwelliapsychrerythraea、Pseudoal-teromonas Haloplanktis TAC125） 进行了基因测序。
基因组中有冷冲击酶、不饱和脂肪酸化合物酶以及脂酸脱氢酶基因，减少类固醇控制膜流动性的基因。适冷微生物含有在低温下表达的过氧化氢酶基因和超氧化物歧化酶基因。微生物的酶分子内基团之间的相互作用减弱，酶和溶剂分子间的相互作用强化，从而使低温酶分子更具有柔性，强化了酶与底物的作用，降低了反应的活化能，提高了酶的催化活性。
4、防冻蛋白和冷保护物质
防冻蛋白就是通过蛋白表面与冰晶结合产生热滞后现象，致使适冷微生物可以在低温下生长。海藻糖和胞外多糖也是适冷微生物体内重要的防冻物质，海藻糖可以阻止蛋白质变性和聚合，在抗结冰中起到依数性的作用；黏附在细胞表面水中的胞外多糖，可改变适冷微生物细胞内物化反应的环境，利于营养物质的停留和浓缩，维持胞外酶的活性并保护胞外酶不发生冷变性。
二、适冷微生物应用现状
1、冷适应酶的应用
由适冷微生物体内提取出的冷适应酶在生物技术中有着很好的应用前景，冷适应酶在低温下就有很好的催化效能，利用冷适应酶进行的生化反应无需热源及温度控制，同等耗能的情况下可得到更多地反应产物，节约能源。冷适应酶拥有高级别的立体特异性，使某些在高温下才能发生的反应在常温下也能实现。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆冷适应酶对时序过程也是有益的（如分子生物学），当需要在下一步反应没开始之前终止酶促反应时，热钝化比化学提取来得更容易而且更方便，热钝化终止反应的技术在水-有机溶剂混合相中发生的酶催化反应以及在以有机合成为目的的无水溶剂中发生的酶催化反应中都有应用。
除了冷适应酶，适冷微生物也有广泛的示范和潜在的应用价值，尤其是在寒冷地区的污水处理工程中体现出无可比拟的优势。
2、 冷适应微生物在环境工程中的应用
2.1工业废水处理中的应用
（1）硫酸盐废水的处理。SIkaaen 从南极地区和丹麦分离到两种耐冷硫酸盐还原菌，研究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生长温度为 12 ℃，从丹麦分离的耐冷菌最适生长温度为 18.5 ℃，中温硫酸盐还原菌的最适温度一般为 34 ℃。
目前工业应用中处理硫酸盐废水时都需要进行保温或加温，利用这些低温硫酸盐还原菌处理硫酸盐废水无疑可以大大节省污水保温或加温带来的投资和运行管理费用。
（2）屠宰废水和食品工业废水的处理。乳制品、肉类等冷藏食品运输过程中存在分解脂肪和蛋白质的适冷微生物，致使乳制品和肉类易腐变造成经济损失。然而，耐低温的脂肪分解微生物却为寒冷地区屠宰废水和食品工业废水的生物降解提供了可能。Choo、Tan 等已克隆到了冷适应脂肪酶的基因，构建适冷脂肪分解菌并成功应用于屠宰废水和食品工业废水的治理中。
（3）氯酚地下水的处理。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，是地下水和土壤中存在的主要污染物之一，在进行处理时往往需要通过升温等措施。Margesin Rhodococci 等从含烃类污染的高山土壤中分离得到四株能分解高浓度苯酚的冷适 应 菌 （新 酵 母 菌 种、Trichosporon dulcitum 及Rhodococci）。10 ℃生境下，连续培养以苯酚为唯一碳源的苯酚降解菌能够完全降解高达12.5 mmol/L 的苯酚。
2.2城市污水处理中的应用
Head等研究了温度急剧下降对反应器中微生物硝化速率的影响，考察在10 ℃条件下，向 SBR反应器中投加在20 ℃下驯化的硝化菌能否达到理想的硝化效果。低温条件下，当向10 ℃的SBR反应器中接中来自温度稍高环境污泥且反应器的实际污泥龄小于最小污泥龄时，只要保持不断地投加少量的微生物（6.7 mg VSS/L反应器体积）其氨氮几乎能全部被转化，而停止投加将会导致 SBR 反应器中硝化效果的急剧下降。
三、结语
适冷微生物对于低温环境中的污染物降解起着重要的促进作用，从适冷微生物体内得到的脂酶、蛋白酶在食品工业和发酵工业中有巨大的应用潜力，适冷微生物本身在污水处理中也有广阔的应用前景。近年来，人们从不同角度开展了对适冷微生物的研究，通过先进分析方法、分析手段和技术条件的支持，适冷微生物和其相关生物产品显示出了很大的应用价值，在环境工程领域的应用中发挥了巨大作用。可以预见对于适冷微生物的研究，尤其在适冷机理和应用方面的研究将会更加深入。
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论文作者:崔铭
论文发表刊物:《基层建设》2015年18期
论文发表时间:2015/11/5
标签：微生物论文; 低温论文; 硫酸盐论文; 脂肪酸论文; 废水论文; 基因论文; 温度论文; 《基层建设》2015年18期论文;