【摘 要】文章首先对低温微生物进行了概述，然后探讨了低温微生物适应性的分子机制，最后分析了低温微生物在环境污染物治理方面的应用。
【关键词】低温微生物；环境工程；应用
1 前言
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，还为人类提供了丰富的微生物资源。研究冷适应微生物在基础理论和实际应用中都具有重要的意义。
2 低温微生物的概述
2.1低温微生物的菌种资源
低温微生物在地球上分布广泛，主要分布于海洋、极地环境、冰川、高山冻土等常冷环境中。此外，还存在于常温土壤、人工湿地、河流底泥、低温生物膜、池塘等一般生境。20世纪70年代以来，极端环境微生物已成为微生物学发展的新领域和新的资源库。低温微生物具有广泛的微生物区系，已发现的低温微生物既有真细菌、蓝细菌，又有酵母菌、真菌和藻类，其中以真细菌居多。低温细菌主要涉及6门、30余属种。其中，以变形菌门中γ-变形菌居多。具体情况如下：蓝藻门（1种）、鞘脂杆菌门（1种）、黄杆菌门（1种）、放线菌门（4种）、厚壁菌门（3种）和变形菌门（24种）。另外，酵母也是较常见的低温微生物[21]。
2.2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。
3 低温微生物适应性的分子机制
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α-淀粉酶的三维晶体结构以来，科学家们已经先后对Ca2+-Zn2+金属蛋白水解酶]、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。这些酶均来自南极的嗜冷菌分泌。三维结构表明，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。
4 低温微生物在环境污染物治理方面的应用
4.1对生活污水的生物处理
寒冷地区冬季气温低，低温生活污水的生物处理存在效果差的问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆主要原因是低温时，大多数中温菌已基本失去代谢外源物质的能力。此时耐冷菌在去除污水中的有机物过程中起主要作用。但由于耐冷菌在低温时本身世代时间长等原因不能自然形成优势菌群。因此，可以采用在活性污泥中人工投加耐冷菌的方法来改善冬季低温生活污水的处理效果。研究表明，冬季低温时，在曝气池内投加耐冷菌可以使污水COD去除率由35%提高到89%，为寒冷地区冬季生活污水处理提供了新的方向。
4.2对污水中氮和磷的去除
污水中一般含有较多的氮和磷，它们是导致水体富营养化的主要因素。氮和磷一般都采用生物法处理。但由于低温对微生物的影响，使低温污水中氮和磷的去除变得困难。已经有人从南极和北极分离到耐冷丝状蓝细菌（Cyanobacteria），它们在低温下对氮和磷有较高的去除率，从而为低温污水中氮和磷的去除提供了思路。
4.3对石油烃类的降解
耐冷菌在低温条件下对各种土壤、水域及海洋系统中的石油烃类污染有生物修复作用。石油烃类的污染物中含有许多不溶于水的物质，在低温下甚至呈固态，这阻碍了耐冷菌和嗜冷菌活性的发挥。正常中温微生物在这种较低的环境温度下更难发挥其作用。因此，生物修复这类污染物一直是一个难题。尽管如此，早在20世纪80年代就有人报道可以从土壤、淡水和海洋系统中分离出低温微生物，它们能广谱利用自然环境中存在的各种石油烃类污染物，并将其作为唯一的能源和碳源。在北极中部和北部，嗜冷菌可分解冷环境中的原油。Whyte等分离到一菌株（Rhodococcussp.），这种菌在5℃条件下能高效降解多种短链烷烃及十六烷、二十八烷以及环己烷衍生物等。
4.4对氯酚类物质的降解
氯酚和五氯酚过去常被用作木材防腐剂，它们的使用使众多的地表水和地下水遭受污染。另外，氯酚也是生物或化学降解一些农药的主要中间产物。对氯酚进行生物降解的研究大多数都是在室温（20~30℃）下进行的，但是地表水及地下水的温度通常比室温低。大量的研究表明，耐冷菌中的一些菌种如Pseudomonas等能够降解存在于低温土壤、沉积物和水中各种结构形式的氯酚。Jarvinen等进行了氯酚类的生物降解研究，他们从地下水中分离到的耐冷高效氯酚降解菌用于好氧流化床，净化地下水中的氯酚污染，实验结果表明：在5~7℃下，氯酚负荷为740mg/L•d时，氯酚去除率达99.9%。并且其年运行费用比在中温条件下进行生物降解的费用降低2.5倍。
4.5对芳香烃类的降解
芳香烃类化合物都是苯及苯的衍生物，如酚、甲苯、萘、菲、蒽等。芳香烃类化合物一般都比较难被微生物降解，特别是普遍存在于环境中的多环芳香烃类化合物。但是仍有资料表明这类化合物能被微生物降解。例如：Churchill分离到一种能够降解三环、四环芳香脂肪烃类化合物的耐冷分枝杆菌。Kotturi等证明了在低温下假单胞菌Pseudomonasputida对苯酚有相当的降解能力。另外，有人报道降解多环芳香烃、甲苯有关的基因是位于质粒上的，并且甲苯降解质粒被成功的从嗜温菌转移到耐冷菌中，甲苯降解基因在低温下能够表达，在0℃具有降解甲苯能力。
4.6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。
5 结束语
综上所述，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。因此，新时期下，我们要加大对低温微生物及其在环境工程中的应用分析。
参考文献
[1]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，2013（5）:72-75.
[2]曾胤新，陈波.南极低温微生物研究及其应用前景[J].极地研究，2015(2):143-152
论文作者:黄建斌
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/14
标签：低温论文; 微生物论文; 环境论文; 细菌论文; 污水论文; 分子论文; 甲苯论文; 《低碳地产》2016年13期论文;