一、高温环境中的微生物
一般嗜热菌可以分为三类：
① 专性嗜热菌：最适生长温度在65℃ -70℃之间，当 生长温度低于35℃时，生长便停止。 ② 兼性嗜热菌（耐热菌）：生长温度范围介于嗜热菌和 嗜中温菌生长温度（13℃ -45℃ ）之间，其最适生 长温度在55℃ -65℃之间。 ③ 抗热菌：最适生长温度在20℃ ～50℃之间，但也能 在室温下生长。
一、高温环境中的微生物
嗜热微生物（thermophilic microorganisms） 包括蓝细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、 甲烷菌、甲基营养菌、硫氧化菌、硫还原菌、 假单胞菌、放线菌、原生动物、藻和真菌等。
地热泉
不同类群微生物生长的最高温度 微生物类群 生长的最高温度（ ℃ ） ≤65 原生动物 ≤60 藻 ≤62 真菌 ≤73 蓝细菌 ≤73 光合细菌 ≤90 化能自养菌 ≤90 异养菌
0～5℃可生长繁殖， 最适生长温度可达20℃以上的微生物
嗜冷微生物（psychrophiles）
嗜中温微生物（mesophilies）
13～45℃下能生长的微生物
2、微生物种类
嗜冷菌：噬纤维菌，短杆菌，弧菌(对高温敏 感，分布范围窄)
耐冷菌：芽孢杆菌，节杆菌，假单胞菌
嗜冷菌绝大多数是G-菌

对细胞基因调控和RNA合成的影响
温度升高，嗜冷菌中阻遏蛋白能更加紧 密于DNA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，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RNA含量下降
二、低温微生物适应低温的分子机理
42万年的南极东方湖（Lake Vostok） 3593m处 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 海水 + + + 淡水 + + +
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
+
+ +
+
+
在低温下生长的微生物还有酵母、真菌
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。
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， 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
限，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，使用于 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。
胰蛋白酶 -半乳糖苷酶 柠檬酸合成酶
Colwellia-like strain Colwellia-like strain 南极细菌DS23R
12℃ 15℃ 31℃
丙氨酸消旋酶
脂酶
Bacillus sp.
Pseudomonas sp.
0℃酶活较高， 食品储藏、抗 35℃失活 菌剂 25-35℃ 食品、去污、 化妆品、医药
1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境
P21-22
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 酸化和去磷酸化反应和温度变化有关
2.调整细胞膜脂类的组成维持膜的流动性、通
透性，保证膜的正常生理功能
增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂类处于流动 状态，保持物质转运能力和酶活力（电子传递） （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， 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） 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）
40～68 40～68
35～78
厌氧菌 在厌氧下降解纤维素
在厌氧条件产生乙醇
Thermus: 正常生长在55℃左右，耐热可至 75～80℃，其孢子可在pH6.1的溶液中沸煮24 小时而不失活
水生嗜热杆菌 (Thermus aquaticus)
从海底的热火山口分离得
到的坎氏甲烷嗜高热菌生长 最低温度是84℃，最适温度 是98℃，在110℃下也能生 长（高于水的沸点）。
嗜冷菌中蛋白质以单体和多聚体的形式存在（Vibrio中
异柠檬酸脱氢酶的单体比二聚体对热敏感）
4.低温微生物通过产生冷冲击蛋白（cold
shock protein）适应低温环境
当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母 能在12 h内合成26种冷冲击蛋白。
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
食品发酵工业中的应用 低温发酵生产风味食品，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－半乳糖肝酶在 食品工业和洗涤添加剂中应用 洗衣粉中低温酶开发
7. 低温微生物活性物质的潜在应用 ——环境保护、医药、食品、日化等领域 1)多不饱和脂肪酸（Ployunsaturated Fatty
某些低温环境中的微生物
低温环境 高空 微生物 芽孢杆菌 丁香假单胞菌 南极上空 冰川，山洞 低温湖泊 节杆菌，短杆菌 节杆菌，假单胞菌，黄杆菌 -5℃-18℃ 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 ℃
长期冻结的湖泊 噬纤维菌 地球两极的土壤 固氮菌 芽孢杆菌，微球菌 在1℃下固氮 -7 ℃
说明
嗜酸热硫化叶菌 Sulfolobus acidocaldarius Thermothrix thioparus
Desulfovibrio thermophilus Methanococcus jannaschii 抗高压嗜热菌 Pyrodictium brockii
生长温度（℃） 说明
专性嗜热菌 Bacillus searothermophilis B. acidocaldarius
Thermus adaticus Thermononasspora chromogena Mastigocladus laminosus Synechococcus lividus Mathanobacterium thermoautotrophicum
和藻。
嗜冷菌——雪藻
高温对嗜冷菌的影响
P20-21

对物质运输的影响 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，能力下降 温度升高，细胞膜失去吸收外界环境营 养物功能

对代谢速率和呼吸酶的影响
嗜冷菌的呼吸酶对温度敏感，高于20 度便失活，这是为什么嗜冷菌必须在低温 下生长的原因之一。
热网菌属（Pyrodictium），最低生长温度是82℃， 最适温度是105℃，最高生长温度是110℃。
隐蔽热网（Pyrodictium occultum）
多数嗜热生物属於古菌，很多嗜热生物也可以抵抗其它极端环境， 如高酸度或辐射强度。
微生物
酸热菌
生长温度 （℃） 50~90
55～85 50～85 50～95
第三节
第四节 第五节 第六节 第七节
酸性环境中的微生物
强碱环境中的微生物 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。

特有的物化条件
高低温，强酸碱，高压， 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 盐菌(Halophiles)、嗜压菌(Barophiles)、嗜酸菌 (Acidophiles)、嗜碱菌(Alkophiles)以及抗辐射、干燥、
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 极的土壤，冰川和高空 短期低温：大多数地区的 冬季期间
（红雪现象：嗜寒水藻）
低 0℃以下或3～20℃能生长的微生物， 温 最适生长温度不超过15℃， 微 最高生长温度不超过20℃。 生 物 耐冷菌（psychrotrophs）
Acids, PUFAs）
2)抗紫外线物质
3)抗菌、抗肿瘤物质
4)低温酶
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G905A，经鉴定其结构与肿瘤抗生素 sandramycin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 假单胞菌 20℃
主要应用范围 去污、食品、 皮革、纺织、 分子生物学 医药、去污、 食品 乳品工业 生物转化
生长在5℃的南极好氧菌，细胞脂质总脂肪酸中棕榈油 酸、油酸等不饱和脂肪酸的含量超过90％。
3.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，弥补因低温导致的反应速
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 定范围的不同温度下始终保持代谢活力,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。
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；链球菌可在冷牛 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
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、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3－5度通过产生冰核蛋白 在叶子上形成冰晶引起植物冻害，基因敲除与植物抗冻
30~60
L-乳酸的产生菌 在55℃以上可以产生抗生素 在48℃下可以发酵的酵母菌 酵母菌 从堆肥中得到的真菌 从土壤中得到的真菌