1、环境工程中低温微生物的应用摘要：本文介绍了环境工程中低温微生物的应用原理和应用范围，对现有的环境工程中低温微生物的应用技术作出了分析阐述，有一定参考价值。 关键词：环境共成；低温微生物；应用 中图分类号：Q93 文献标识码： A 文章编号： 1 适冷微生物的适冷机理 1.1 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。 1.2 DNA 的转录和翻译 常温微生物在温度低于 15 以
2、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。 1.3 冷适应酶 Weinstein 对 4 种不同适冷微生物（Desulfotalea、Psychrophila、Colwelliapsychrerythraea、Pseudoalteromonas Haloplanktis TAC125） 进行了基因测序。 基因组中有冷
3、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。 1.4 冷适应蛋白 热应激蛋白质和冷应激蛋白质存在于诸如转录、翻译、蛋白质折叠等许多不同的细胞反应中，温度的变化会影响适冷微生物中热应激蛋白质和冷应激蛋白质的快速表达。常温微生物没有的冷适应蛋白(冷积累蛋白)，受低温冲击时不会产生冷应激蛋白，而适冷微生物会产生大量的冷应激蛋白。这种差异的产生可能
4、是由于低温微生物细胞膜中的温度感知系统的感应造成的。 目前，Peter G 运用蛋白质组学方法已成功从适冷微生物中提取和鉴别了超过 30 种能在低温生境表达的蛋白质。4 条件下，科研人员在 Methanococcoides burtoni 中发现了能量代谢、转录和翻译过程涉及的蛋白质，此外 Shewanella sp.中也鉴别出有辅胺酰基（蛋白质折叠中起作用的基团）的异构体，对冷适应微生物在低温下维持蛋白质活性有着重要作用。 1.5 防冻蛋白和冷保护物质 Julseth 证实一种存在于南极湖的海洋单细胞细菌中存在防冻蛋白，含有丰富的钙离子，具有较高活性，通过合成抗冻糖蛋白或多肽，降低其体液或细
5、胞水分的冰点。 实质上，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。 2 适冷微生物应用现状 2.1 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
6、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。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。 果聚酶蔗糖酶、有机磷酸酶、-葡糖苷酶、琼脂糖酶和果糖二磷酸醛缩酶的应用实例在文献中均可以找到。日本北海道民族工业学院的研究人员已经从寒冷土壤和水中分离出能产生冷适应酶的 Pseudomonas.sp. PL-4 和能产生冷适应脂肪酶的 Typhiciaishibariens
7、is。 挪威的 ASA 公司在北海附近开拓了基地用以分离冷适应酶。提取出的酶包括虾碱性磷酸酶、尿嘧啶糖基化酶、鳕鱼胃蛋白酶、溶菌酶和一种从乌贼表皮中分离出的一种酶。欧盟第四框架研究项目赞助了一个检测来自南极洲的酶的项目，其中一些酶具有一定的商业潜力。这项工作研究的酶包括 -淀粉酶（用作面包制作、纺织业、酿造和洗涤剂制造） ，纤维素酶（用于纺织业和造纸业） ，-牛乳糖（可以用作消除牛奶中的乳糖） ，脂肪酶（用于洗涤剂、调味料） ，蛋白酶（用作洗涤剂和肉类加工）和木聚糖酶（做面包） 。 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。
8、2.2 冷适应微生物在环境工程中的应用 2.2.1 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
9、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
10、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。 （4）石油化工废水的处理。石油化工废水中含有大量烃类物质，不溶于水，低温呈固态，大大阻碍了微生物对此类物质的降解。中温微生物无法在低温下对烃类物质进行降解，而适冷微生物在低温条件下对各种淡水水域和海洋系统中的石油烃类物质都具有一定的降解能力。Atlas Bossert 发现的适冷烷烃降解菌甚至能够在 0 条件下降解烃类物质。 赵立军等从活性污泥中分离得到 12 株适冷脱酚菌和 18 株苯胺降解菌用于降解石化废水，利用 A/O 工艺进行中试试验，20 d 后出水完全达标，出水烃类化合物也由进水 68 种减少到
11、31 种。 （5）含表面活性剂废水的处理。合成阴离子表面活性剂(如 SDS)广泛地应用于工业生产中，造成了严重的环境污染，对人体以及水生 生物危害的短期效应和长期效应都不容忽视。Margesin 等利用耐冷菌在 10 下降解 SDS，实验测定了 SDS 浓度(1 0002 000 mg/L)和培养时间对降解效果的影响，结果发现 7 h 后 SDS 含量几乎无检出。 2.2.2 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
12、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。 3 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。 参考文献 1 陈贵元, 魏云林. 冷适应微生物的研究现状与应用前景J.大理学院学报, 2008(4): 82-85. 2林学政,边际,何培青,等.极地微生物低温适应性的分子机制J.极地研究, 2003, 15(1): 75-82.
