近年來有關低溫微生物的研究日趨增多，基礎研究工作主要集中在低溫菌的分佈和降解機制方面，下面是小編蒐集整理的一篇相關論文範文，供大家閱讀檢視。
引言
在自然界中，有些環境是普通生物不能生存的，如高溫、低溫、高酸、高鹼、高鹽、高壓、高輻射等。然而，即便是在這些通常被認為是生命禁區的極端環境中，仍然有些微生物在頑強的生活著，這些微生物叫做極端環境微生物或簡稱為極端微生物。低溫微生物是重要的極端微生物之一，直到 20 世紀 70 年代才被系統地研究與分類。Morita將低溫微生物分為兩類：一類是生活在低溫下且其最高生長溫度不超過 20℃，最適溫度在15℃，在0℃可生長繁殖的微生物稱嗜冷菌;另一類為最高生長溫度高於20℃，最適溫度高於15℃，在0~5℃可生長繁殖的微生物稱耐冷菌[1].
由於耐冷菌比嗜冷菌更能忍受溫度波動，因此其在低溫環境中佔據著獨特的生態位。近年來，低溫微生物在汙水處理領域中的應用逐漸受到重視[2].
1 低溫微生物的菌種資源
低溫微生物在地球上分佈廣泛，主要分佈於海洋、極地環境、冰川、高山凍土等常冷環境中。此外，還存在於常溫土壤、人工溼地、河流底泥、低溫生物膜、池塘等一般生境。20世紀70年代以來，極端環境微生物已成為微生物學發展的新領域和新的資源庫。低溫微生物具有廣泛的微生物區系，已發現的低溫微生物既有真細菌、藍細菌，又有酵母菌、真菌和藻類，其中以真細菌居多。近年已報道的部分低溫微生物的門、屬種、革蘭氏型別、最適生長溫度及其所在生境見表1.低溫細菌主要涉及6門、30餘屬種。其中，以變形菌門中γ-變形菌居多。具體情況如下：藍藻門(1種)、鞘脂桿菌門(1種)、黃桿菌門(1種)、放線菌門(4種)、厚壁菌門(3種)和變形菌門(24種)。另外，酵母也是較常見的低溫微生物[21].
2 低溫微生物的耐冷機制
2.1 細胞膜的適應
低溫主要影響細胞膜中脂質雙分子層對溶質的滲透功能，減弱細胞對營養物質的吸收。耐冷菌在低溫條件下生存，主要依賴於細胞內膜流動性的調節能力，最常見的適應是改變細胞膜中脂肪酸的組成[15,40].飽和脂肪酸在去飽和酶的低溫誘導下會轉化為不飽和脂肪酸，而它的增加會引起脂類熔點的降低，使細胞膜保持良好的流動性，利於耐冷菌生存[41]ell等[15]研究發現當溫度由37℃降至8℃時，厭氧細菌Clostridium botulinum體內不飽和度由27%增長至40%,這是通過增加支鏈脂肪酸、不飽和直鏈脂肪酸的數量，減少環狀脂肪酸的濃度實現的。此外，低溫菌還可通過改變極性頭組的大小和電荷[30]、膜中的蛋白質含量、類胡蘿蔔素的構成[4,42]、短鏈和長鏈脂肪酸的比例[43]、順反式脂肪酸的比例[30],增強膜的流動性。但上述所有的策略並不均具有效性，例如極性頭組的變化對於修改膜流動性的效果不太明顯[44]ch等[45]也研究發現通過改變脂肪酸鏈的長度來增強膜的流動性只可能發生在生長細胞中。此外，低溫菌適應低溫環境也主要取決於由雙組分訊號轉導通路組成的膜感測器和胞質反應調節器參與低溫訊號的感知和轉導能力，達到啟用冷調節基因的目的[46].
2.2 冷適應酶
在低溫環境下，菌體細胞內的化學反應速率會降低，此時低溫菌體內會合成具有較高催化效率的冷適應酶，以維持足夠的代謝通量[47].迄今為止，獲得的冷適應酶主要有核糖核酸酶[24],RNA聚合酶[29],鐵超氧化物歧化酶[35],鹼性磷酸酶[48],酪氨酸磷酸酶[49],α-澱粉酶、β-半乳糖苷酶[50],氨肽酶[51],琥珀酸脫氫酶[52],穀氨酸脫氫酶、葡萄糖脫氫酶、木聚糖酶、胰蛋白酶[53]等。Zheng等[35]研究發現耐冷菌Marinomonas sp. NJ522能產生耐冷型鐵超氧化物歧化酶(Fe-SOD)，分子量約48kDa,該酶在pH 8~10、40℃時活性最大，在0℃時能保持最大活性的35%.辛明秀等[52]分離到一種具有催化活性的琥珀酸脫氫酶，該酶的最適反應溫度為20℃，但在0℃仍可保持酶活性的20%.
2.3 冷應激蛋白質。
當溫度突然降低時，低溫菌會相應誘導表達多種蛋白，最主要的一類稱為冷休克蛋白(CSPs)[54].低溫時，CSPs 可優先結合單鏈 RNA和 DNA,並作為轉錄催化劑或 mRNA 分子伴侶參與細胞內的轉錄、翻譯、蛋白摺疊以及調控膜的流動性[55]的基因同系物也已經在幾種南極細菌中發現[56],其中最主要的一類冷休克蛋白為g等[57]研究發現CspA在低溫時可作為RNA的分子伴侶並參與hrs和gyr A兩種冷休克基因的轉錄調節。低溫菌在低溫環境連續生長期間產生第二類永久性蛋白，稱為冷適應蛋白(CAPs)，它的存在確保了低溫時細胞內蛋白質的正常合成[58],保護細胞週期及菌體的生長。Kawahara 等[32]在一株冰核菌 Pantoea ananasKUIN-3體內發現了一種冷適應蛋白Hsc 25,該酶在分別經過熱、冷和鹽酸胍處理使其變性後均能夠重摺疊酶結構。
2.4 抗凍蛋白
抗凍蛋白(AFPs)是一個結構多元化的蛋白質集團，具有修改冰晶體結構的能力[59],抑制細胞外冰晶體的重結晶[60]普遍存在於長期生活在冷水裡的魚體內，防止魚體內血液的凝固。
Yamashita等[39]於2002年發現了第一例產AFP的南極菌株Moraxella spGilbert等[36]在從南極冰湖中分離獲得的11株細菌體內均發現含有AFPs, 其中Marinomonas primoryensis產生一種Ca2+依賴型AFPs[61],一般的AFPs具有較差的冰點下降活性，而Ca2+依賴型AFPs具有較好的冰點下降活性，可使冰點下降超過2℃，在熱滯後過程中不會產生明顯的冰晶。因此，AFPs對於長期生活在極端寒冷環境中的微生物具有不可替代的重要性。
2.5 冷凍保護劑
冷凍保護劑是一類化學物質，而低溫菌先天具備合成各種不同冷凍保護劑的能力，如糖類、氨基酸、甜菜鹼等，它們的存在一方面能夠阻止蛋白質的低溫誘導聚合。另一方面冷凍保護劑能夠維護膜的最佳流動性[62].海藻糖是對抗熱衝擊和滲透脅迫的一種重要保護劑[63],通過更換細胞中的水分保持細胞膜和蛋白質的穩定性，同時保護細胞內的水結構[64].外源海藻糖有助於保護有機體，使其免遭凍結，當海藻糖剛好處於細胞膜兩側時，對細胞會產生最大程度的保護功能[65].
Ko 等[66]證實了低溫時三甲基甘氨酸對 Listeriamonocytogenes具有促生長的作用。Angelidis等[13]在生存於低溫環境下的食物病原體Listeria monocytogenes中發現了甜菜鹼這種冷凍保護劑，但尚未弄清甜菜鹼的作用機理，可能是作為化學伴侶蛋白，防止細胞蛋白質在壓力條件下的聚合。
2.6 RNA的降解
降解體是多種核糖核酸蛋白絡合物，是保持細胞RNA穩定性的決定要素。南極細菌Pseudomonas syringae的降解體中包含核糖核酸內切酶RNAse E、核糖核酸外切酶RNAse R及RNA解旋酶，其中RNAse R 可以降解大量的RNA二級結構，減少了ATP的消耗，從而在低溫時幫助細胞儲存能量，而RNAse E與RNAse R之間的作用相關性尚未明確[67].
3 低溫微生物在汙水處理中的應用
一般認為，利用生物法處理汙水時占主導地位的是中溫菌，其最適生長溫度為25~37℃，但在汙水溫度一般為5~10℃的寒冷地區，中溫菌的`活性大大降低，使得汙水處理效果差，出水無法達標排放[68],然而由於耐冷菌具有特殊的生理特徵、低溫催化活性，利用其對寒冷地區汙水進行治理，已引起研究者們的興趣，近年來相關的實驗研究報道也較多[14,69-71].
3.1 對COD、氮磷廢水的降解
常見汙染物一般指汙水中含有的COD、氮和磷。汙水中一般含有較多的氮和磷。這三類汙染物一般均採用生物法處理。Chevalier等[3]分離到4株耐冷絲狀藍細菌，該類菌在低溫環境時對氮和磷均有較高的去除率。李荷等[22]篩選到耐冷有機磷農藥降解菌Plesiomonas -8,利用其降解甲基對硫磷，在最適溫度20℃時降解率高達93%,當溫度位於 10℃時，降解率也可達到66.2%.李明堂等[38]研究了土著反硝化菌Acinetobacter johnsonii DBP-3對低溫富營養化水體中典型營養鹽的去除特徵，結果表明，在避光、10℃和靜置條件下培養，菌株對模擬系統中的氮磷和溶解性有機碳具有明顯的去除作用。徐巧等[72]篩選出1株耐冷菌，在5℃曝氣8 h條件下，對接種廢水的COD、氨氮去除率均在90%以上。李慧峰等[73]研究了2株耐冷細菌對汙水CODCr的降解效果，去除率分別達23%和53%.孫靜等[74]篩選出1株耐冷菌，在 8℃條件下，該菌株對模擬汙水中的COD、總磷和氨氮的降解率分別達 62.92%、56.42%和50.63%.
3.2 對石油烴類廢水的降解
石油烴類汙染物中含有大量不溶於水的物質，在低溫下時常呈固態存在，加大了降解難度。中溫微生物無法在低溫環境下發揮作用，而從各種土壤、淡水和海洋系統中分離的低溫微生物能高效利用自然環境中存在的各種石油烴類汙染物，並將其作為惟一的能源和碳源[75,76].
Whyte 等[20]分離到菌株 Rhodococcus sp.Q15,該菌在 5℃條件下能高效降解多種短鏈烷烴及十六烷、二十八烷以及環己烷衍生物等。Lin等[31]分離到石油烴降解細菌Pseudoalteromonas sp. P29,該菌在5℃條件下具有對混合油和真空油作為唯一碳源和能源的能力，並對混合油顯示出更高的利用率。
3.3 對芳香烴類廢水的降解
芳香烴類化合物是苯及其衍生物，如苯酚、甲苯、萘、菲等，一般難以被微生物降解，但仍有研究表明能夠分離到具有較高降解該類汙染物效率的耐冷菌。Churchill等[8]分離到耐冷分支桿菌Mycobacterium,該菌可降解三環、四環芳香脂肪烴類化合物。Chauret等[25]篩選出反硝化耐冷細菌Pseudomonas fluorescens,該菌可在低於10℃的條件下降解鄰苯二甲酸;Robert等[77]分離到1株能夠降解高分子多環芳香烴的耐冷菌。Margesin等[21]從受到烴類汙染物汙染的高山土壤中分離到4株低溫微生物，2株Rhodococcus sp.,2株Basidiomycetous yeasts,均可降解高含量苯酚。其中，1株酵母屬從屬於鏽菌綱，它可能代表著一個新物種，在溫度高於20℃時不能生長，在1℃時降解含量為 5 mM 的苯酚，速率高於兩種耐冷細菌在10℃時的。
3.4 對氯酚類廢水的降解
氯酚類物質是重要化工原料，具有抗菌和消毒功能，被廣泛用於農藥、防腐和造紙工業中，屬於較難降解的有機物且水溶性較高，導致了許多河流、土壤等自然生態系統受到汙染。大量研究表明，耐冷菌中的一些菌種能夠降解存在於低溫土壤、沉積物和水體中各種構型的氯酚類物質。
Zilouti等[78]從受到五氯苯酚汙染和農藥汙染的土壤中分離到幾株耐冷高效氯酚降解菌並接種到流化床和生物反應器中，淨化地下水中的氯酚汙染，結果表明：這2種反應器分別在14℃和(23±1)℃下，氯酚負荷為11 mg/L·h時，氯酚去除率均能達到99%以上。
3.5 對錶面活性劑廢水的降解
表面活性劑廢水中含有的首要汙染物LAS屬於生物難降解物質，我國環境標準中把它列為第二類汙染物質，若不經處理直接排入水體，將造成湖泊、河流等水體的富營養化問題[79].胡浩等[16]分離到蒼白桿菌Ochrobactrum sp.T-1和伯克霍爾德菌Burkholderia B-2,並利用這2株菌進行對TritonX-100和Brij-35的降解實驗，結果表明：T-1的最適生長和降解溫度為25℃，但低溫對菌株的影響較小，其降解率在15℃時可達到80%;B-2的最適生長和降解溫度為30℃，低溫會抑制菌株生長，但對降解率的影響很小。
4 固定化微生物處理廢水
由於低溫環境使得大部分微生物的新陳代謝處於抑制狀態，利用懸浮態耐冷菌群降解水中的汙染物質，效果不是很明顯[80],並且在實際應用中抗衝擊性較差，達不到理想效果。固定化技術能使生物量在處理裝置內維持高濃度，提高處理負荷，並且抗毒物毒性強，對水質及pH的變化有較好的抗衝擊性[81].關於固定化微生物的應用研究，國內外已有報道基本集中在工業廢水和城市汙水的處理研究領域，並且國內對這方面的實驗研究較多[82-85].
Jae-Koan[86]等的研究結果表明，固定化微生物在30~40 d的操作過程中，對NH3-N的去除達到了100%.賁嶽等[87]為確保寒冷地區汙水生物處理系統的有效執行，接種耐冷微生物在6~10℃時處理生活汙水，COD的去除率達到86.7%.葉姜瑜等[88]分離到可低溫降解植物油的菌株，使用泥炭和木屑作為固定化載體，在5℃條件下對模擬含油廢水進行處理，結果表明 3 d 後降解率達到77.34%,5 d後達到85.22%.褚可成[89]利用聚氨酯泡沫作為固定化載體並投加到原汙水中處理10d,汙水中COD、SS和BOD的去除率分別達到了75.7%、87.1%、55.6%.徐成斌等[90]研究了顆粒活性炭固定鮑氏不動桿菌對硝基苯的降解情況，結果表明固定化生物活性炭可在84 h基本完全降解濃度為400 mg/L的硝基苯。耿振香等[91]採用聚乙烯醇-硼酸包埋固定硝化菌和反硝化菌，對生活汙水進行硝化反硝化工藝處理，最終氨氮去除率高達96%.魏小娜等[92]將固定化微生物顆粒按20%的填充率裝填到自制反應器中處理模擬汙染地表水，最終COD去除率達到62.3%,氨氮去除率高於90.6%.
5 結語
近年來有關低溫微生物的研究日趨增多，基礎研究工作主要集中在低溫菌的分佈和降解機制方面。低溫微生物的研究不僅拓寬了人們對低溫微生物的認識，也豐富了微生物資源。但是低溫微生物的抗低溫機制目前尚不完全清楚，有待於進一步深入地研究。低溫微生物的應用研究相對較少。相信隨著研究持續深入以及固定化生物工程技術的充分利用，低溫微生物在汙水處理的應用將有廣闊的前景。
參考文獻：
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