低温菌及其在环境工程中的应用金铁军

低温菌及其在环境工程中的应用金铁军

金铁军

（哈尔滨泽源环保科技工程有限公司，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：现阶段，我国的经济发展迅速，科学技术的发展也日新月异。温度是微生物生命活动中重要的环境因子。根据生长温度特性,微生物大致可分为3类:高温菌、中温菌和低温菌。根据Morito的定义,其中低温菌通常又被细分为两类:一类是必须生活在低温条件下,其最高生长温度不超过20℃,在0℃可生长繁殖的微生物称嗜冷菌(Psychrophilies);另一类其最高生长温度高于20℃,在0～5℃可生长繁殖的微生物称为耐冷菌(Psychrotrophs)。研究低温微生物不仅有重要的理论意义,而且在生产实际和环境保护方面具有重要的应用价值,同时这类微生物是生物技术的重要基因资源。国内外对低温菌及其应用已有了较系统的研究,而国内对这项工作的研究还不多见。为此,本文综述了低温微生物的生态分布、适冷机制、冷活性酶、嗜冷菌的分子生物学以及在环境工程中的应用等的研究进展。

关键词：低温菌；环境工程；应用

1低温微生物的生态分布

在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。

2低温微生物适应性的分子机制

2.1细胞膜和养分摄取

通过对嗜冷菌、中温菌和嗜热菌的对比研究发现:只有嗜冷菌能在2℃运转葡萄糖。中温微生物在低于5℃时不能代谢外源物质。微生物能否在低温条件下生长,限制因素之一是在低温时细胞是否具有转运外源营养物质进入细胞的能力。细胞膜中脂类的组成提供了膜流动和相结构的前提条件,从而保证了膜中镶嵌的蛋白质发挥正常的功能,如离子和营养的吸收、电子转移等。因此,当温度改变时,微生物必须调节脂类的组成,从而调节膜的流动性和相结构,以适应环境温度的变化。最重要的膜脂质的改变是脂肪酸组成,这种改变包括含有不饱和脂肪酸比例的增加。生长温度的降低有助于短链形成、脂肪酸甲基分支的增加、支链脂肪酸比例的增加和环状脂肪酸比例的减少。在37℃生长的E.coli的酰基脂中有15%～20%的脂肪酸是不饱和的,而且当温度低时这个百分比增加。耐冷菌Micrococuscryophilus膜的脂相在温度低至-30℃还保持流体。=在日本的研究组提出:蓝细菌Anacystisnidu-lans对冷的敏感程度可以通过引入克隆C12去饱和酶基因提高它的合成不饱和脂肪酸的能力来得到增加。因此,当温度突然下降时,膜脂质通过大比例改变脂肪酸组成来恢复它的流动特性。例如对一些杆菌随温度变化的反应说明:随温度降低的最早变化是去饱和酶的引入改变了膜脂质的不饱和性;随后有一个更漫长的反应,是脂肪酸合成改变了它的产物模式,使脂肪酸的链长和甲基支链发生变化。这些变化对于低温时维持膜的流动性具有重要意义。革兰氏阴性菌倾向于改变饱和度和甲基链长度,而革兰氏阳性菌更多是改变甲基链的类型和数目。

2.2低温菌的蛋白质合成

中温菌,尤其是嗜热菌是冷不稳定的,它们在低温下活性降低甚至失去活性。经研究认为造成这种不稳定的原因是:嗜热蛋白质的蛋白内部具有多余的疏水键,有利于其在高温下形成相对疏松而有弹性的结构,而当温度降低,蛋白质“紧密在一起”,从而失去活性。已经证实疏水键在高温下是稳定的,因此推测氢键和离子键更象是低温蛋白稳定的原因。通过对嗜冷菌乳酸脱氢酶基因的克隆及分析已经证实了这一点。另一方面,嗜冷菌中的蛋白质是以单体和多聚物形式存在的,例如,嗜冷菌Vibrosp.的异柠檬酸脱氢酶的单聚体明显是嗜冷性的,它在15℃以上失活,而当温度降至0℃时又快速恢复活性。此外,温度还通过影响核糖体上蛋白质的翻译速率或是通过影响某种专一mRNA翻译的起始或翻译的速率,来影响合成蛋白总量或特定蛋白的相对量。在嗜冷性假单孢杆菌中蛋白合成同中温菌和嗜热菌相比,在同样低温下有非常低的错配率。因此很明显,低温菌的一个适应性就是在它们的翻译机理中,具有在低温下保持有效启动的特殊能力,而在中温菌和嗜热菌系统中没有。据报道,当嗜冷性微生物生长在它们底线温度时,蛋白质含量增多。研究组用中温菌E.coli通过放射性标记细胞蛋白来判断生长在不同温度下的细胞蛋白的分离程度,发现当生长温度接近上限和下限时,蛋白组成有一些差异。这些蛋白在生长范围的中间部分是很稳定的,但当温度接近13.5℃和46℃时,蛋白质水平有所改变。

3嗜冷菌的分子生物学研究

3.1基因的克隆

同嗜热菌相比较,对嗜冷菌的分子基因研究很少。耐冷性酶α-淀粉酶、蛋白酶、脂酶、乳酸脱氢酶、丙糖磷酸异构酶和β-半乳糖苷酶等几种耐冷酶的基因已经被克隆并序列化。某研究小组证实了蓝细菌C12去饱和酶的活性和耐冷菌在低温下生长之间的关系,他们从耐冷菌Synechocystis还克隆了C12去饱和酶desA基因,并且把它转到常温菌Anacystisnidulans中,使它具有活性去合成饱和脂肪酸(主要是C9、C12),同时能适应低温环境。甲苯降解质粒从嗜热菌P.putide中转移到耐冷菌P.putide中后,甲苯降解基因在低温下能够表达,在0℃可以生物降解甲苯。至今为止,分子生物学研究的方向是分离出足够的蛋白,测序并进行蛋白晶体的研究。关于耐冷蛋白的生成和翻译规则方面还有待进一步的研究。

3.2冷激蛋白

当温度突然降低,细胞中会产生一种冷休克反应,即一种特殊形式的基因表达使细胞适应这一急剧降低的低温环境。观察将大肠杆菌从37℃突然转移到10℃时,会产生一种冷休克蛋白,主要的冷休克蛋白是CSPA,它结合于本身基因的启动子上,作为转座因子对冷诱导基因的表达起作用。在其它细菌中已经发现了它的同源蛋白,主要是在B.subtilis中发现的CspB蛋白,与CSPA有61%的相似性。现已发现冷休克蛋白在原核和真核微生物中普遍存在,冷刺激的幅度越大产生的冷休克蛋白就越多。以大肠杆菌的CSPA为探针,检测了分离自南极的耐冷菌中冷休克基因的存在及表达,发现有些耐冷菌在22℃和4℃时冷休克基因能经常表达,有些耐冷菌当温度从22℃突然降到4℃,1h后CSPA表达量最大。除冷刺激蛋白之外,还存在第二类蛋白,称为冷适应蛋白CAPS,同冷刺激蛋白相比,CAPS在低温环境中是对应温度生长速度连续合成的。耐冷菌由于生活在温度波动的环境中,它们必须忍受温度的快速降低,这与它们生产的冷休克蛋白是密切相关的。冷休克蛋白不仅在原核生物和真核生物中广泛存在,并且发现它与真核生物的DNA结合蛋白具有很高的相似性。其详细功能有待于进一步阐明。在冷适应期间,至少有15种不同的冷休克蛋白被诱导合成。

4结语

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,可以明确地说,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。

参考文献

[1]辛明秀,周培瑾.温度对嗜冷酵母代谢途径某些关键酶的活性效应.微生物学报,2015,40(5):518～522