古细菌的耐热与耐寒机制及研究进展
胡帅∗，张珊，李卓蔚
（西北农林科技大学创新实验学院植物科学与技术091班，咸阳712100）
摘要古细菌是一类很特殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。嗜热菌、嗜冷菌是古细菌中具有耐热耐寒特性的典型代表。本文立足于近年来国内外研究机构对嗜热菌和嗜冷菌的研究成果，分别介绍了嗜热菌、嗜冷菌的耐热和耐寒机制，以期从它们的代谢机理及在工业方面的应用前景等方面予以综述,介绍国内外近年来的研究进展。
关键词嗜热菌；耐热机制；嗜冷菌；代谢机制；应用
The Research of the A rchaeobacteria in Hot and Cold Germ
Mechanism and its Progress
HU Shuai*,ZHANG Shan ,LI Zhuo-Wei
（Plant science and technology ,College of Innovation Experiment,North west A&FUniversity,Xianyang 712100,China ）
Abstract Archaeobacteria is a special kind of bacteria, which living in the extreme environment. Thermophiles and Psychophiles are two typical representative Archaeobacteria .This paper is based on the result of current research, introducing the Thermophiles’heat-proof mechanism and Psychophiles’cold resistance mechanism, expecting from their metabolic mechanism and the application in the industry to make a conclusion, introducing the recent progress at home and abroad.
Keywords Thermophiles ；Heat-proof mechanism ；Psychophiles ；Mechanism ；Application
古细菌(Archaeobacteria)（又可叫做古生菌）是一类很特殊的细菌，自七十年代发现古细菌并把它单独列为一门以后,古细菌很快受到微生物学家的重视。它们多生活在极端的生态环境中。通过对其16SrRNA 的序列分析,发现它们具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸为起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。古细菌主要包括嗜热菌（Themophiles ）、嗜冷菌(Psychophiles) 、嗜盐菌（Halophiles ）、嗜酸菌(Acidophiles)、嗜碱菌（Alkaliphiles ）、产甲烷菌（Metnanogens）（王卫卫等，2000），其中嗜热菌是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。特别是当那些能在水的沸点和沸点以上温度条件下生活的细菌被发现后，很大程度上促进了对嗜热微生物的研究。而嗜冷菌是一类生活在低温环境下，最高生长温度不超过20℃，最适生长温度为15℃，并且在0℃时可生长繁殖的微生物，它们绝大多数为革兰氏阴性菌。已鉴定的嗜冷菌分属于假单胞菌、弧菌、无色杆菌、黄杆菌、嗜纤维菌和螺菌等（李晶等，2007）。这类极端微生物在长∗联系人Tel ：[1**********]；Email ：[email protected]
期适应环境的过程中形成了独特的生理性状，对它们的研究不仅对了解生命的生存极限、进化与分类等方面具有重大理论价值，而且对环境污染的治理、生态环境稳定性的研究、微生物新功能的应用等方面都具有极其重要的实际意义。
1嗜热微生物
1.1嗜热微生物的分类
嗜热菌的系统分类学技术, 是在C. R.Woese 对产甲烷菌的16SrRNA 序列与其他细菌的分析与对比之后才取得突破的。C. R. Woese 根据16S rRNA 序列的分析结果, 在分子水平上将原核生物分为两个不同的类群：真细菌(Eubacteria ) 和古细菌(Archaebacteria ) （欧平，2009）。而嗜热菌就属于古细菌
(Archaebacteria ) ，嗜热菌的种类很多，自从美国科学家Thomas brock 于1969年首次从美国黄石国国家公园分离出第一个严格意义的水生栖热菌(Thermus aquaustic ) 高温菌以来, 人们就陆续得从酸性硫磺区, 淡水温泉和中性、碱性的间歇喷泉, 深海火山口, 甚至常温条件下〔戴玄和唐兵,1997〕，分离到高温菌株。2000年, 有报道称美国科学家J ·Baross 从火山口分离出了一种可以在250℃高温环境中生长的超级细菌(柳耀建等，2000) 。这完全颠覆了传统意义上所认为的生命能够存活的温度极限。1998年初，我国科研人员在云南腾冲地区考察时，在沸泉中发现了一种泉生热孢菌，最适75℃左右生长，这是国际上从未报道过的新菌种（Xue Y et al. ,2001）。到目前为止已有超过30属80种的高温菌菌被发现，近400株高温菌被分离和描述（Boone &Castenholz, 2001）。其中, 绝大多数的高温菌都是在过去二十年中发现的, 但是每年新发现的高温菌的数量在呈逐年增多的趋势。根据嗜热微生物与温度的关系，可把嗜热菌分为三大类，1、耐热微生物：最高生长温度在45℃～50℃之间，低于30℃也能生长；2、兼性嗜热微生物：最高生长温度在50℃～65℃之间，但在室温仍有繁殖能力；3、极端嗜热微生物：最高生长温度为70℃以上，最适温度为65℃～70℃，最低温度在40℃以上。已发现的极端嗜热菌有20多个属, 它们大多数是古细菌, 这些极端嗜热菌主要生活在深海火山喷口附近或其周围区域（Michael &Adams ，1994）。如嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearotkermophilus )、热溶芽孢杆菌(Bacillus caldolyticus )、嗜热解烃细菌（Geobacillus thermodenitrificans ）热自养甲烷杆菌（Methanobacterium thermoautrophicum ）等（曹利群等，2008）。
但是在微生物界也存在着其他的对嗜热菌的分类法则，但究其本质都是根据嗜热菌的耐热程度划分的, 只不过此种分类方法将温度梯度划分的小一些。据此可把嗜热菌分为五个不同的类群（沈萍，2000）。
1、耐热菌：最高生长温度在45℃-55℃之间, 低于30℃也能生长。已经报道的耐热菌细胞的形态有杆形和球形变化的有2个属, 分别是高温神袍菌属和石油神袍菌属, 它们都是革兰氏阴性菌。2、兼性嗜热菌：最高生长温在55℃-65℃之间，可在热泉、油田、堆肥等热环境中都能分离得到（Nazina et al.，2001）。
3、专性嗜热菌：最适生长温度在65℃-70℃之间, 不能在低于40℃-42℃的条件下生长。2006年, 从油田地层水分离获得的嗜热菌BF80在无机盐培养基中, 能以苯酚为唯一碳源良好生长, 经API 系统和16SrDNA 分析,该菌归属嗜热解烃细菌（Geobacillus thermoglucosidasius ），最适生长和降解苯酚温度为60℃-65℃（唐赘等，2006）。4、极端嗜热菌:最高生长温度高于70℃,最适温度高于65℃,最低生长温度高于40℃。到目前为止,已陆续发现的多种能产生热稳定木聚糖酶的嗜热菌,它们主要是高温神孢菌属
（Thermotoga ）的一些种,其中热稳定性较好的是从Thermotoga neapolitana 、Thermotoga maritim e 和
Thermotoga thermarum 分离的酶,它们的稳定性在80℃-105℃。5、超嗜热菌：最高生长温度在80℃-110℃,最低生长温度在55℃左右。现已发现的超嗜热菌,主要包括灼热球(Pyrococcus )、古球菌属
(Archaeoglobus ) 、高温变形球菌属(Thermoproteus ) 、甲烷杆菌属(Methanobacterium ) 、热棒菌属
(Pyrobaculum ) 、硫化叶菌属(Suflolobus )等,大多数属于古细菌(Archaebacteria )（欧平，2009）。以上两种不同的分类方法是现代比较公认的，虽然划分上有所不同，但是他们的本质是一样的。
1.2嗜热微生物的耐热机制
现在普遍认为高温菌耐热性与其生命体的组成生物分子的热不稳定性有关。生物体组成分子有两种:一种胞内小分子物质,如NAD , NADPH , ATP 等（郭春雷等，2003）；一是生物大分子, 主要有细胞膜、蛋白质和酶、遗传物质。
1.2.1嗜热菌细胞膜耐热机制一般细胞膜由双层类脂构成,而古细菌的细胞膜中存在着独特上的单分子层或单双分子混合层。研究发现嗜热菌的双层类脂是以共价交联的形式存在的。嗜热菌细胞膜的脂双分子层中有很多结构特殊的复合类脂,主要是甘油脂肪酰二酯,甘油分子为D型,C2和C3上各以醚键连一
多支链的C20植烷,Cl 上连极性基团。此二植烷基甘油二醚再以尾对尾碳碳相连的方式成为双二植烷基(C40) 甘油四醚,形成两面都是亲水基团的单层脂,细胞膜这样的存在形式保持了完整的疏水内层,极大程度地增强了其耐热性（郦惠燕等，2000）。随着温度的升高, 复合类脂中烷基链彼此间隔扩大, 而极性部分作为膜的双层结构则保持整齐液晶状态（Melchior ，1982；Jack &Vossenberg. ，1998）。再加上嗜热菌细胞质膜的化学成分, 随环境温度的升高类脂总含量增加, 而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加, 即长链饱和脂肪酸增加, 不饱和脂肪酸减少。这样就使得嗜热菌的膜脂具有大量的高度饱和的脂肪酸，可以形成强度很大的疏水键，并且其细胞膜外有多个隐窝，使细胞膜在高温环境下仍然能够保持稳定性和功能性。
1.2.2嗜热菌蛋白质和酶的耐热机理蛋白质的稳定作用和非稳定作用共同决定了蛋白质的稳定性（吴军林，2002），稳定作用或非稳定作用的细微改变都会导致蛋白质稳定性的较大变化, 较少数的特殊盐桥、疏水作用或氢键就能给予蛋白质很大程度的稳定性，因此, 极端稳定的蛋白质与普通蛋白在结构上差别不大（Matthews ，1993）。研究表明在嗜热菌蛋白质的一级结构中, 个别氨基酸的改变会引起离子键、氢键和疏水作用的变化, 从而大大增加整体的热稳定性, 这是氢基酸的应对高温的一种突变适应(Julie&Susan ，1999) 。而在二级结构中，稍长的螺旋结构, 三股链组成的BO 折叠结构, C 末端和N 末端氨基酸残基间的离子作用以及较小表面环的改变共同使其中的蛋白质形成非常紧密而有韧性的结构, 从而增加了其热稳定性(任红妍,1995；徐恒平等，1997) 。嗜热菌的蛋白与常温菌蛋白在大小、亚基结构、螺旋程度、极性大小和活性中心上都极为相似,但构成蛋白质高级结构的非共价力、结构域的包装、亚基与辅基的聚集,以及糖基化作用、磷酸化作用等等却不尽相同（Rainer ，1996）, 就是这么一点点的差别，就是决定嗜热菌的蛋白能够适应高温而不失活的关键因素。
酶的紧密度、离子对的最优化、疏水表面积的最小化、DNA 螺旋稳定性及亚基的装配（Vieille. et al,1996）是构成酶的基本稳定因素。这些基本要素最后决定着酶的耐高温性质。对于高温谷氨酸脱氢酶和柠檬酸合成酶这两种酶系，嗜热酶在离子偶联的数量和程度上都胜过嗜温酶, 而且柠檬酸合成酶嗜热酶还包括亚单位的相互作用和羧基端氨基酸残基的作用（Russell. et al ，1997）。但是, 高温稳定性和离子相互作用的正比关系并不是绝对的，从一些嗜热菌中分离得到的谷氨酸脱氢酶则有较少的离子偶联但
是却有较强的疏水相互作(Knapp.et al ，1997) 。这可能由于细菌和古细菌在耐热机制上的差异造成的. 至今还没有一个普遍的机理可以解释蛋白质的耐热性, 而且, 目前大部分的研究都是定性的, 有关嗜热酶稳定性结构因素的定量研究还很少。金属离子的化学修饰作用对提高酶的热稳定性也有很大贡献。例如，Ca 、Mg 、Zn 等对蛋白质空间结构都能起到一定的稳定作用。Ca 2+2+2+2+能提高许多酶的热稳定性作用是普遍存在的：和激烈热球菌(Pyrococcus furiosus ) 相比, 从嗜热细菌Thermotoga marit 的耐热性来看，几乎一半以上的嗜热碱性蛋白酶在Ca 2+存在下的条件下能在65℃的环境中维持15分钟仍具有活性。嗜热中性蛋白酶的耐热性更加依赖于Ca 2+（石宣明等，2004）。金城等人对菌号为HY-69的耐热菌进行研究，发现其产生的一种中性蛋白酶的热稳定性随着Ca 浓度的下降而明显降低（曹利群等，2008）。某些底物分子也可以通过稳定酶分子的活性位点来使其适应高温环境（WILQUETV. et al,1998）。另外当环境温度达到嗜热菌的最高生长温度并接近胞内蛋白质与酶的变性温度时, 重新折叠的分子伴侣通会来保护其他蛋白质及酶的活性和稳定性(EVERLY. et al ，2000) 。
由此可见蛋白质和酶能在高温下保持稳定性，是在多种因素的共同作用下的结果。
1.2.3嗜热菌的遗传物质根据经验公式：（G+C）%=（T m -69.3）×2.44可知，大多数嗜热微生物生长2+上限温度和遗传物质中的（G+C）％之间存在正相关关系。嗜热菌DNA 结构中G+C百分含量高，通常为53.2%，在嗜热栖热菌（Thermus thermophilus ）中这一比例更是达到60％～70％，在DNA 中碱基G 和C 是以三个结氢键结合的，也就是说DNA 中G+C百分含量越高，氢键的数量就会越多，维持DNA 稳定的氢键和碱基堆积力就会越大，解链所需的温度就越高。并且嗜热菌tRNA 中G+C的含量高，热稳定性大；嗜热菌的tRNA 周转速度快，使重要代谢产物能迅速合成，能够保护热不稳定的代谢物。此外，RNA 螺旋侧面突起的碱基和近端酯键之间的配对结构能避免结构上的不稳定性（曹利群等，2008）。2嗜冷微生物
2.1嗜冷微生物的分类
嗜冷微生物是一类适合在低温环境中生活的极端微生物。这类微生物在温度低于0℃时能缓慢生长。它们的最适生长温度低于15℃，而在温度高于20℃时就不能生长。微生物适应于异常环境，是自然选择的结果。为了适应生存，极端环境中的微生物逐步形成了独特的结构、机能和遗传因子，以应答相应的强烈限制性因子(胁迫因子) 。异常环境所具备的生态条件，实际上正是这种环境中的优势微生物所要求的。嗜冷微生物就是适应低温环境生存的结果。
2.1.1专性嗜冷菌专性嗜冷菌适应在温度低于20℃以下的环境中生活，高于20℃即死亡。有一种专性嗜冷菌，在温度超过22℃时，其蛋白质的合成就会停止。专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质。而兼性嗜冷菌生长的温度范围较宽，最高温度达到30℃时还能生活。
2.1.2冷育微生物冷育微生物(psychrotrophs ) 是指在5℃或更低温度下有生长能力者，不考虑其最适和最高生长温度。中科院微生物所从存放在冰箱内的豆制品、猪肉、蔬菜等食品中分离到34株产生不良气味的细菌，它们都可在5℃以下生长，故都是冷育细菌。经气相色谱分析，产生不良气味的原因是在细菌生长过程中，产生了硫化氢、氨气和一些挥发性有机酸等代谢产物（郝涤非，2007）。
2.2嗜冷微生物的嗜冷代谢机制
适冷微生物能够适应低温特殊的生态环境，是因为有适应低温的特殊结构和各种代谢机制。通常，在低于0℃(包括0℃) 条件下嗜冷菌表现出比中温菌更慢的代谢速率，但能表达出所有在较高温度条件下存在的明显的生化活力。
2.2.1嗜冷菌细胞膜耐冷机制嗜冷微生物(Psychrophilic microorganisms ) 细胞壁厚。细胞膜含有较高的不饱和脂肪酸，故在低温下，细胞膜保持着半流动性。专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且其含量会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性。这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质（唐兵等，2002）。中温微生物在低于5℃时一般就不能吸收代谢外源物质而只能代谢内源物质，这可能是致使其能在低温下生长的原因之一。而适冷微生物由于其膜在0℃甚至0℃以下仍具有流动性，它们在0℃甚至0℃以下仍可吸收胞外营养物质。Morton 等研究了嗜冷、中温和嗜热的球拟酵母属（Torulopsis ）酵母对胞外葡萄糖的转运能力，发现只有嗜冷酵母能够在2℃的低温下运转葡萄糖。Herbert 等研究比较嗜冷的弧菌和耐冷的假单胞菌在不同温度下对葡萄糖和乳糖的吸收速度，发现嗜冷弧菌吸收和利用葡萄糖和乳糖在0℃时最快，而在15～20℃时降低；而耐冷假单胞菌在20℃时吸收葡萄糖和乳糖最快．由此可见，嗜冷菌在低温下膜运转和吸收营养物质的能力很强。嗜冷菌这种能够在低温下保持膜对胞外营养物质的运转和吸收的能力，为其在低温下的正常生长提供了物质基础。
2.2.2嗜冷菌蛋白质和酶的耐冷机理嗜冷菌通过产生冷活性酶来调节它们的代谢活动并以此来适应低温环境。Morita及合作者最早从嗜冷菌中研究冷活性酶，他们报道了海产弧菌(Vibfio marinus )苹果酸脱氢酶，该酶在15～20℃具有活性，而超过20℃时则很快失活。现已对许多嗜冷菌所产生的冷活性酶进行了研究，如产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes )的葡聚糖酶，嗜冷细菌的硝酸酶等(表
1)。嗜冷菌细胞中的酶其最适和最高温度要比来自中温菌和高温菌的同类酶低，具较低的最适反应温度。如辛明秀等认为嗜冷菌细胞中的代谢酶类在低温(0—30℃)范围内表现出最大活性，与中温菌的相对酶类比较，嗜冷菌细胞中的代谢酶类在温度活性范围内偏向低温，如嗜冷酵母的己糖激酶、醛缩酶和琥珀酸脱氢酶与中温的酿酒酵母细胞中同类酶相比，其最大活性温度分别降低5℃、5-10℃和20℃，嗜冷菌细胞中的有些代谢酶类在低温下具有较强的底物亲和力。嗜冷酶在嗜冷菌对于低温环境的适应中起着重要的作用。
Table 1Psychrophile and its
Enzyme（李晶等，2007）
适冷微生物一些酶的产生是由生长温度调节的。在低温下，嗜冷微生物会产生更多的酶以补偿低温下酶活性较低的缺陷，保证其高效率的利用低温环境中的营养物质（辛明秀等，2000）。一些研究表明，嗜冷菌能够产生不同类型的同工酶，这些同工酶的热稳定性不同。Brenchley等发现一株嗜冷菌产生的β-半乳糖苷冷酶同工酶具有不同的最适温度。产生不同类型的同工酶可能是嗜冷微生物适应低温的方式之一。
嗜冷酶在低温下能保持酶催化的高效性。冷活性酶具有较低的最适反应温度，在低温范围具有很高的活性。如产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succmogenes )的冷活性葡聚糖酶，其最适反应温度为25℃，在0℃能保持最高活性的70％，而中温菌的同一个酶的最适反应温度为35℃，在0℃的最高活性只有18％。我们从嗜冷酵母中分离纯化的琥珀酸脱氢酶其最适反应温度为20℃，在0℃能保持最高活性的60％(辛明秀等，2000)。冷活性酶在低温条件下与底物结合能力及催化活性很强。这种催化活性是通过高的转换数(Kcat )实现的。如在4℃时冷活性酶比中温性酶的转换数(Kcat )高33倍。在推测的催化残基的周围只存在少量氨基酸被认为增加了酶的柔韧性，从而增加了酶在低温条件下的催化活性（Iyo . et al ，1999）。冷活性酶在低温下能保持结构的稳定性从而保持很高的催化活性。当温度升高乃至室温时冷活性酶即表现出对热的敏感性。如海产弧菌细胞中的苹果酸脱氢酶于30℃处理10min 酶活力完全丧失。丙酮酸脱羧酶在35℃处理30min，酶活力损失90％（Rentier. et al ，1993）。嗜冷酶在低温下的高催化效率反映了它们对低温环境的适应。提高酶在低温下的催化效率也是适冷微生物适应低温环境的途径之一。
嗜冷菌的最适生长温度低于15℃，蛋白质的迅速转换是嗜冷菌节省能量的途径之一，特别是在寡营养的情况下，加快蛋白质降解可以迅速为蛋白质的合成提供氨基酸，而在低温生态环境下，寡营养环境普遍存在。冷激蛋白，也有学者称做冷休克蛋白，是嗜冷菌适应低温的另一机制。冷激蛋白对低温的生理适应过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母（Trichosporon pullulans ）的冷休克反应，发现冷刺激后冷激蛋白在很短时间内大量产生，并且温度变化越大，产生的冷激蛋白就越多（李晶等，2007）。冷激蛋白的生成出现在滞后期和指数生长期。但并不是只有嗜冷菌才产生应激蛋白，当生长温度突然降低时，无论是适冷微生物还是中温微生物都会被诱导产生冷激蛋白，只不过适冷微生物产生的更多。冷激蛋白和冷适应蛋白可能在嗜冷菌对低温的生理适应过程中发挥着重要作用，但其具体机制尚不清楚（唐兵等，2002）。
3应用与前景
3.1嗜热微生物的应用与前景
高温菌具有广泛的用途，如高温菌酶，目前的工作重点仍然是放在对高温菌酶的热活性和热稳定性的鉴定（Michael. &Robert ,1998）、石油开采、生物能源以及废水处理等方面。利用高温菌处理有机废液具有快速生物降解、污泥量小、去除病原菌效果好等优点，应用前景很广阔。由此可见在不久的将来，嗜热菌无论在工业生产、食品加工、环境保护、人类疾病和基因调控方面都有广阔的应用前景。
3.1.1嗜热微生物在高温环境中降解工业污染物工业产生的废水多为经过反应的高温废液，一般采用物化方法对其进行处理，但成本较高。若采用微生物对其进行处理，则微生物难以在高温条件下完成其反应机制，因此，嗜热微生物渐渐进入人们的视线。例如利用红色栖热菌（Thermus ruber ) 处理有机废液
（曹井国等，2006）。
近年来，我国大多数油田都已进入中后期开采阶段，注水采油已成为油田采油主要工艺，部分油田采出液含水达百分之九十以上，油田外排水量明显增加油田外排废水成分复杂，除含有可溶性盐类和重金属、悬浮乳化原油、固体颗粒和硫化氢等天然物质外，还含有化学添加剂，以及注入地层的酸类、除氧剂、杀菌剂、防垢剂、润滑剂等。在油田的采油过程中，采出原油经破乳、电脱盐脱水工艺后，脱出水温度大多在80到90度，经自然冷却后，外排水温度仍然高达60到80摄氏度，同时由于外排水量大，强制冷却降温成本较高，给常规的生物处理带来较大困难。针对高温外排废水，采用嗜热生物处理工艺对高温外排水进行处理，由于其具有嗜热微生物好氧处理系统而具有独特的优越性。
3.1.2嗜热菌在产生耐高温酶方面的应用许多生物活性酶在高温下会失活，利用嗜热菌产生的耐高温酶可以解决这个问题。例如，在洗涤、造纸、饲料工业中利用纤维素酶对纤维素的降解不仅可以减少对环境的污染, 而且还可以降低成本（BhatM K. ，2000），利用嗜热菌产生的耐高温纤维素酶作为生物催化剂不仅稳定性好，生产成本低，而且在高温下进行酶解反应能增加纤维素的溶解性和可利用性（李淑彬,2003）。但是在目前的技术条件下嗜热微生物很难在实验室中培养，所以嗜热微生物用于大规模工业化生产耐高温纤维素酶还有一系列的技术问题需要解决，尤其是培养工艺问题。研究发现将海栖热袍菌（thermotoga maritima ）的一个纤维素酶基因在热激表达载体上进行表达, 对重组酶进行纯化后发现，最适反应温度在85℃，相对酶活性在80%以上（乐易林等，2009），这为高温纤维素酶的大规模生产提供了可能。
3.2嗜冷微生物的应用与前景
嗜冷微生物也有其广阔的利用空间。我国正加紧实施极地微生物的研究。嗜冷菌在食品工业、污水处理等方面均有很大的潜力，其资源的开发和应用将会前景广阔（李子东等，2004）。
3.2.1嗜冷微生物在能源方面的应用细菌是海底沉积物中最为丰富的微生物类群，它们对维持沉积物中的生态平衡起着重要的作用。从北极白令海沉积物中分离筛选了嗜冷细菌，并对它们进行了种属鉴定和系统发育分析，以期为全面了解该区域的生物多样性及物质能量循环状况提供参考依据。根据嗜冷微生物在海底沉淀物的分布，可以判断海底石油资源的分布情况，有利于人类对其进行进一步的勘探。
废弃物厌氧消化产生沼气有三方面作用：产生甲烷作为能源、污染物减排以保护环境、产生的固体可作为肥料。甲烷作为能源、污染物减排以保护环境、产生的固体可作为肥料。现有的厌氧消化工艺大多在中温和高温范围内进行，而工业废水通常是常温或低温的，需对废水与废物进行加热预处理，这要耗费大量热能。如果嗜冷厌氧消化(在低于25℃的条件下)切实可行，那将是一个低成本、易操作的吸引人的技术。低温产甲烷技术可以应用在寒冷地区，以解决在低温环境下产甲烷的问题。
冷产甲烷菌在厌氧生物处理中的应用展望厌氧生物处理技术具有较低的建设和运行成本，同时，在处理过程中可回收清洁能源——沼气，是一种可持续的生物处理技术。
现有的厌氧生物处理工艺大多要求在中温或高温的范围内进行，通常要对废水与废物进行加热，这种作法消耗能源，削弱了厌氧生物处理的优越性。因此，开展低温下高效厌氧生物处理技术的研究，对于拓展厌氧生物处理技术的应用范围，降低废水、废物的处理成本具有十分重要的意义。目前，对低温厌氧生物处理技术的研究已经引起众多学者的兴趣，但很多研究结果表明，温度的降低会导致厌氧工艺启动时间显著延长，处理负荷和处理效率的大幅降低。造成这种不良后果的重要原因之一是现有低温厌
氧处理工艺研究没有重视微生物接种物的选择。嗜温厌氧微生物尤其是嗜温产甲烷菌在低温条件下所需适应期长，活性也会明显下降，这使得低温厌氧工艺去除效果显著降低；同时，处在食物链末端的产甲烷菌活性的下降，会导致整个厌氧微生物种群之间的平衡关系遭到不可逆转的破坏，使得反应器酸化，最终导致运行失败。从上述研究成果中可以看出，各种低温环境中广泛存在着在低温下具有较高活性的嗜冷产甲烷菌，如果能够利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程，则完全有可能从本质上突破低温厌氧工艺的技术瓶颈。因此，寻找并利用嗜冷产甲烷菌是实现低温下高效厌氧生物处理技术的关键之一。
3.2.2嗜冷微生物在环境保护方面的应用在寒冷环境下污染物生物降解能力的提高，可通过低温微生物特有的冷适应酶来实现，这一方法不但可使大规模的牲畜粪便厌氧耐冷分批消化成为可行，同时也使低温下鱼类加工厂中大量油渣以及寒冷地区污染物的生物降解都成为可能（郝涤非，2007）。嗜冷微生物现在被人们用来修复低温地区被石油等物质污染的地区，这些微生物可以迅速地降解污染物。参考文献(References )
曹利群，叶磊，张惟广.嗜热微生物的耐热机制及应用.山东食品发酵研究报告，2008,151：24-25.
曹井国，赵树欣，Mojmoir Ryehtera . 高温好氧处理有机废液. 天津科技大学学报, 2006,21(1)：7-8.
戴玄,唐兵.产高温蛋白酶微生物菌种资源的研究[J].微生物学杂志,1997，17(3)：25-29.
郭春雷,彭谦.高温菌研究进展.生物学杂志,2003,20（4）：1-2.
郝涤非.嗜冷微生物与食品加工.农产品加工·学刊.2007，106（7）：1671—9646(2007)07-0087—02.
李晶，王继华，崔迪，邸娜，王金娜等.嗜冷菌适冷代谢机制的研究.哈尔滨师范大学自然科学学报.2007,23(5)：V01.23，№.5：90-91.柳耀建,林影,吴晓英.极端微生物的研究概况.工业微生物,2000，30(3)：53-54.
郦惠燕，邵靖宇.嗜热菌的耐热分子机制.生命科学，2000,12（1）：30-31.
李淑彬,陆广欣,林如妹等.嗜热菌:工业用酶的新来源[J].中国生物工程杂志,2003,23(7):67271.
李大平，何晓红，田崇民，王晓梅，彭世群，王春明.嗜热微生物处理油田外排水中试研究.环境科学.第25卷第4期2004年7月
林曦，杨祥胜，曾润颖.北极深海沉积物中嗜冷细菌的系统发育分析.厦门大学学报(自然科学版)Journalof Xiamen University(NaturalScience)V01．46No．May 2007
乐易林,邵蔚蓝.极端耐热纤维素酶Cel74的表达、纯化与特性.生物加工过程，2009,7（3）：66-67.
李子东，藏立华，孟双，向凤，夏光敏.极端微生物：一种新型的酶资源.微生物学杂志. 2004V01．24No．5
欧平.嗜热菌的研究进展.贺州学院学报，2009,25（4）：136-138.
任红妍.嗜热微生物.生物学通报,1995,30(5):18.
沈萍.微生物学[M].北京:高等教育出版社,2000, 36.
石宣明，刘淑珍，黄玉碧.嗜热酶耐热机制的研究进展.科学技术与工程,2004,4(9)：807.
唐赘,刘沐之,梁凤来等.一株嗜热菌的分离鉴定及其苯酚降解特性[J].生物学通报,2006, 33(5):39–44.
唐兵，唐晓峰，彭珍荣.嗜冷菌研究进展.微生物学杂志.2002Vol.22No.1：51-52.
韦革宏，王卫卫.微生物学[M].北京：科学出版社，2007：168-169
吴军林，林炜铁，杨继国.嗜高温酶的研究及应用.广州食品工业科技,2002,19（1）：60.
王昕，刘晓晴.嗜热菌Lon 蛋白酶的功能分析.首都师范大学学报(自然科学版).2009,30(5)
徐金利，吕明生,王淑军,李华钟,孙玉英,房耀维.嗜热古菌Thermococcus sp .HJ21产高温普鲁兰酶条件和酶学性质.食品与生物技术学报,2009,28(2)：244.
辛明秀等. 冷适应微生物产生的冷活性酶.微生物学报，2000，40(6)：661—664．
袁敏，胡国全中国沼气China Biogas，2009，27(3)
左剑恶，邢薇.嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用,应用生态学报2007年9月第18卷第9期
郑洲，刘芳明,张波涛,徐庆龙,缪锦来.南极石油烃降解嗜冷菌的筛选及其降解特性的研究.海洋科学进展.2007，25（3）：167126647(2007)0320311206
Boone D R. , Castenholz R. , Bergey. s mannual of systematic bacteriology, 2th ed. Volume one:The archaea and the deeply branching and phototrophic bacteria[M]. Springer, 2001.
BhatM K. Cellulases and related enzymes in biotechnology [J].B iotechnology Advances,2000,18:3552383.
Chung C H. , Goldberg A L. The product of the lon (capR)gene in Escherichia coli is the ATP2dependent protease, protease La[J]. Proc Natl Acad Sci, 1981, 78:4931-4935.
EVERLY C, ALBERTO J.Stressors, stress and surviva:loverview[J].Front Bioscien, 2000, 5:780-786
Fu G K, Smith M J, Markovitz DM. Bacterial protease Lon is a site2specific DNA2binding protein[J]. J Biol Chem, 1997,272:534-538.
Gottesman S, Maurizi MR. Regulation by proteolysis:energy2dependent proteases and their targets[J]. Microbiol Rev, 1992,56:592-621.
Iyo A H,Forsberg C W. Appl Environ Microbiol,1999,65(3):995～8.
Jack L C M, Vossenberg V d. The essence of being extremophilic:the role of t he unique ar chaeal membrane lipids[J].Extremophiles,1998,2(3):163-170. Julie.H,SusanM.Structural distribution of stability in at hermophilic enzyme[J]. PNAS,1999,96(24):13674-13678.
Knapp S, de Vos W M, Rice D,et al. Crystal structure of glutamate dehydrogenase from the hyperthermophilic eubacterium Thermotoga maritima at 3.0resolut ion[J]. J Mol Biol 1997, 267:916~932.
Melchior D L. Lipid phase transitions and regulation of membrane fluidity in prokar yotes[J].CurrTop Membrane Transp,1982,17:263-316.
Matthews BW. Annu Rev Biochem,1993,62:139-160
Michael W.W.adams and Robert M. Kelly.Finding and using hyperthermophilic enzymes[J].Trendsin Biotechnology , 1998,16(8):329-332
Mi L, Fatima R, Edward E M, et al. Maurizi and Alexander W. Crystal structure of the N2terminal domain of E. coli Lon protease. Protein Science[J], 2007, 28(2) :2895-2900.
Nazina T N. Tourova T P. Poltaraus A B, et a1. T axonomic study of aerobic thermophilic bacilli:descriptions of Geobacillus subterr aneus gen nov. , sp. nov. and Geobacillus uzenensis sp. nov fr om petroleum reservoirs and transfer of Bacillu stear othermophilus. Bacillus thermocatenulatus, Bacillus thermoleovorans, Bacillus kaustophilus, Bacillus thermoglucosidasius and Bacillust hermodenitrificans to Geobacillus as the new combinations G stearot hermophilus, G. thermocatenulatus, G. thermoleovorans, G.kaustophilus, G. thermoglucosidasius and G.thermodenitrificans[J]. Int J Syst Evo Microbiol, 2001, 51:433-446
Rainer J. The FASEB Journal[J].Jan,1996,10:84-92.
Russell R J M, Ferguson J M C, Hough D W, et al . The crystal structure of citrate synthase from the hyperthermophilic
1.9! resolution [J].Biochemistry, 1997,36(9)
Rentier D F, Mande S C, Moyens S, et al. J Mol Biol, 1993,229:85～93.
Vieille C et al. Trends Biotechnol, 1996, 14:18
WILQUETV, GASPAR JA, VANDE LANDEM, et al Purification and characterization of recomb inant Thermotoga mariti2ma dihydrofolate reductase[J].EurJ Biochem, 1998, 255(3):628-637.
Xue Y, Xu Y, Liu Y, et al. Thermoanaerobacter tengcongensis sp. nov. , a novel anaeorbic, saccharolytic, thermophilicbacterium isolated from a hot spring in Tengcong, China[J]. I nt J Syst Evol Microbiel, 2001, 51(4) :1335-1341. Archaeon Pyrococcus furiosus at
古细菌的耐热与耐寒机制及研究进展
胡帅∗，张珊，李卓蔚
（西北农林科技大学创新实验学院植物科学与技术091班，咸阳712100）
摘要古细菌是一类很特殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。嗜热菌、嗜冷菌是古细菌中具有耐热耐寒特性的典型代表。本文立足于近年来国内外研究机构对嗜热菌和嗜冷菌的研究成果，分别介绍了嗜热菌、嗜冷菌的耐热和耐寒机制，以期从它们的代谢机理及在工业方面的应用前景等方面予以综述,介绍国内外近年来的研究进展。
关键词嗜热菌；耐热机制；嗜冷菌；代谢机制；应用
The Research of the A rchaeobacteria in Hot and Cold Germ
Mechanism and its Progress
HU Shuai*,ZHANG Shan ,LI Zhuo-Wei
（Plant science and technology ,College of Innovation Experiment,North west A&FUniversity,Xianyang 712100,China ）
Abstract Archaeobacteria is a special kind of bacteria, which living in the extreme environment. Thermophiles and Psychophiles are two typical representative Archaeobacteria .This paper is based on the result of current research, introducing the Thermophiles’heat-proof mechanism and Psychophiles’cold resistance mechanism, expecting from their metabolic mechanism and the application in the industry to make a conclusion, introducing the recent progress at home and abroad.
Keywords Thermophiles ；Heat-proof mechanism ；Psychophiles ；Mechanism ；Application
古细菌(Archaeobacteria)（又可叫做古生菌）是一类很特殊的细菌，自七十年代发现古细菌并把它单独列为一门以后,古细菌很快受到微生物学家的重视。它们多生活在极端的生态环境中。通过对其16SrRNA 的序列分析,发现它们具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸为起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。古细菌主要包括嗜热菌（Themophiles ）、嗜冷菌(Psychophiles) 、嗜盐菌（Halophiles ）、嗜酸菌(Acidophiles)、嗜碱菌（Alkaliphiles ）、产甲烷菌（Metnanogens）（王卫卫等，2000），其中嗜热菌是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。特别是当那些能在水的沸点和沸点以上温度条件下生活的细菌被发现后，很大程度上促进了对嗜热微生物的研究。而嗜冷菌是一类生活在低温环境下，最高生长温度不超过20℃，最适生长温度为15℃，并且在0℃时可生长繁殖的微生物，它们绝大多数为革兰氏阴性菌。已鉴定的嗜冷菌分属于假单胞菌、弧菌、无色杆菌、黄杆菌、嗜纤维菌和螺菌等（李晶等，2007）。这类极端微生物在长∗联系人Tel ：[1**********]；Email ：[email protected]
期适应环境的过程中形成了独特的生理性状，对它们的研究不仅对了解生命的生存极限、进化与分类等方面具有重大理论价值，而且对环境污染的治理、生态环境稳定性的研究、微生物新功能的应用等方面都具有极其重要的实际意义。
1嗜热微生物
1.1嗜热微生物的分类
嗜热菌的系统分类学技术, 是在C. R.Woese 对产甲烷菌的16SrRNA 序列与其他细菌的分析与对比之后才取得突破的。C. R. Woese 根据16S rRNA 序列的分析结果, 在分子水平上将原核生物分为两个不同的类群：真细菌(Eubacteria ) 和古细菌(Archaebacteria ) （欧平，2009）。而嗜热菌就属于古细菌
(Archaebacteria ) ，嗜热菌的种类很多，自从美国科学家Thomas brock 于1969年首次从美国黄石国国家公园分离出第一个严格意义的水生栖热菌(Thermus aquaustic ) 高温菌以来, 人们就陆续得从酸性硫磺区, 淡水温泉和中性、碱性的间歇喷泉, 深海火山口, 甚至常温条件下〔戴玄和唐兵,1997〕，分离到高温菌株。2000年, 有报道称美国科学家J ·Baross 从火山口分离出了一种可以在250℃高温环境中生长的超级细菌(柳耀建等，2000) 。这完全颠覆了传统意义上所认为的生命能够存活的温度极限。1998年初，我国科研人员在云南腾冲地区考察时，在沸泉中发现了一种泉生热孢菌，最适75℃左右生长，这是国际上从未报道过的新菌种（Xue Y et al. ,2001）。到目前为止已有超过30属80种的高温菌菌被发现，近400株高温菌被分离和描述（Boone &Castenholz, 2001）。其中, 绝大多数的高温菌都是在过去二十年中发现的, 但是每年新发现的高温菌的数量在呈逐年增多的趋势。根据嗜热微生物与温度的关系，可把嗜热菌分为三大类，1、耐热微生物：最高生长温度在45℃～50℃之间，低于30℃也能生长；2、兼性嗜热微生物：最高生长温度在50℃～65℃之间，但在室温仍有繁殖能力；3、极端嗜热微生物：最高生长温度为70℃以上，最适温度为65℃～70℃，最低温度在40℃以上。已发现的极端嗜热菌有20多个属, 它们大多数是古细菌, 这些极端嗜热菌主要生活在深海火山喷口附近或其周围区域（Michael &Adams ，1994）。如嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearotkermophilus )、热溶芽孢杆菌(Bacillus caldolyticus )、嗜热解烃细菌（Geobacillus thermodenitrificans ）热自养甲烷杆菌（Methanobacterium thermoautrophicum ）等（曹利群等，2008）。
但是在微生物界也存在着其他的对嗜热菌的分类法则，但究其本质都是根据嗜热菌的耐热程度划分的, 只不过此种分类方法将温度梯度划分的小一些。据此可把嗜热菌分为五个不同的类群（沈萍，2000）。
1、耐热菌：最高生长温度在45℃-55℃之间, 低于30℃也能生长。已经报道的耐热菌细胞的形态有杆形和球形变化的有2个属, 分别是高温神袍菌属和石油神袍菌属, 它们都是革兰氏阴性菌。2、兼性嗜热菌：最高生长温在55℃-65℃之间，可在热泉、油田、堆肥等热环境中都能分离得到（Nazina et al.，2001）。
3、专性嗜热菌：最适生长温度在65℃-70℃之间, 不能在低于40℃-42℃的条件下生长。2006年, 从油田地层水分离获得的嗜热菌BF80在无机盐培养基中, 能以苯酚为唯一碳源良好生长, 经API 系统和16SrDNA 分析,该菌归属嗜热解烃细菌（Geobacillus thermoglucosidasius ），最适生长和降解苯酚温度为60℃-65℃（唐赘等，2006）。4、极端嗜热菌:最高生长温度高于70℃,最适温度高于65℃,最低生长温度高于40℃。到目前为止,已陆续发现的多种能产生热稳定木聚糖酶的嗜热菌,它们主要是高温神孢菌属
（Thermotoga ）的一些种,其中热稳定性较好的是从Thermotoga neapolitana 、Thermotoga maritim e 和
Thermotoga thermarum 分离的酶,它们的稳定性在80℃-105℃。5、超嗜热菌：最高生长温度在80℃-110℃,最低生长温度在55℃左右。现已发现的超嗜热菌,主要包括灼热球(Pyrococcus )、古球菌属
(Archaeoglobus ) 、高温变形球菌属(Thermoproteus ) 、甲烷杆菌属(Methanobacterium ) 、热棒菌属
(Pyrobaculum ) 、硫化叶菌属(Suflolobus )等,大多数属于古细菌(Archaebacteria )（欧平，2009）。以上两种不同的分类方法是现代比较公认的，虽然划分上有所不同，但是他们的本质是一样的。
1.2嗜热微生物的耐热机制
现在普遍认为高温菌耐热性与其生命体的组成生物分子的热不稳定性有关。生物体组成分子有两种:一种胞内小分子物质,如NAD , NADPH , ATP 等（郭春雷等，2003）；一是生物大分子, 主要有细胞膜、蛋白质和酶、遗传物质。
1.2.1嗜热菌细胞膜耐热机制一般细胞膜由双层类脂构成,而古细菌的细胞膜中存在着独特上的单分子层或单双分子混合层。研究发现嗜热菌的双层类脂是以共价交联的形式存在的。嗜热菌细胞膜的脂双分子层中有很多结构特殊的复合类脂,主要是甘油脂肪酰二酯,甘油分子为D型,C2和C3上各以醚键连一
多支链的C20植烷,Cl 上连极性基团。此二植烷基甘油二醚再以尾对尾碳碳相连的方式成为双二植烷基(C40) 甘油四醚,形成两面都是亲水基团的单层脂,细胞膜这样的存在形式保持了完整的疏水内层,极大程度地增强了其耐热性（郦惠燕等，2000）。随着温度的升高, 复合类脂中烷基链彼此间隔扩大, 而极性部分作为膜的双层结构则保持整齐液晶状态（Melchior ，1982；Jack &Vossenberg. ，1998）。再加上嗜热菌细胞质膜的化学成分, 随环境温度的升高类脂总含量增加, 而且细胞中的高熔点饱和脂肪酸也增加, 即长链饱和脂肪酸增加, 不饱和脂肪酸减少。这样就使得嗜热菌的膜脂具有大量的高度饱和的脂肪酸，可以形成强度很大的疏水键，并且其细胞膜外有多个隐窝，使细胞膜在高温环境下仍然能够保持稳定性和功能性。
1.2.2嗜热菌蛋白质和酶的耐热机理蛋白质的稳定作用和非稳定作用共同决定了蛋白质的稳定性（吴军林，2002），稳定作用或非稳定作用的细微改变都会导致蛋白质稳定性的较大变化, 较少数的特殊盐桥、疏水作用或氢键就能给予蛋白质很大程度的稳定性，因此, 极端稳定的蛋白质与普通蛋白在结构上差别不大（Matthews ，1993）。研究表明在嗜热菌蛋白质的一级结构中, 个别氨基酸的改变会引起离子键、氢键和疏水作用的变化, 从而大大增加整体的热稳定性, 这是氢基酸的应对高温的一种突变适应(Julie&Susan ，1999) 。而在二级结构中，稍长的螺旋结构, 三股链组成的BO 折叠结构, C 末端和N 末端氨基酸残基间的离子作用以及较小表面环的改变共同使其中的蛋白质形成非常紧密而有韧性的结构, 从而增加了其热稳定性(任红妍,1995；徐恒平等，1997) 。嗜热菌的蛋白与常温菌蛋白在大小、亚基结构、螺旋程度、极性大小和活性中心上都极为相似,但构成蛋白质高级结构的非共价力、结构域的包装、亚基与辅基的聚集,以及糖基化作用、磷酸化作用等等却不尽相同（Rainer ，1996）, 就是这么一点点的差别，就是决定嗜热菌的蛋白能够适应高温而不失活的关键因素。
酶的紧密度、离子对的最优化、疏水表面积的最小化、DNA 螺旋稳定性及亚基的装配（Vieille. et al,1996）是构成酶的基本稳定因素。这些基本要素最后决定着酶的耐高温性质。对于高温谷氨酸脱氢酶和柠檬酸合成酶这两种酶系，嗜热酶在离子偶联的数量和程度上都胜过嗜温酶, 而且柠檬酸合成酶嗜热酶还包括亚单位的相互作用和羧基端氨基酸残基的作用（Russell. et al ，1997）。但是, 高温稳定性和离子相互作用的正比关系并不是绝对的，从一些嗜热菌中分离得到的谷氨酸脱氢酶则有较少的离子偶联但
是却有较强的疏水相互作(Knapp.et al ，1997) 。这可能由于细菌和古细菌在耐热机制上的差异造成的. 至今还没有一个普遍的机理可以解释蛋白质的耐热性, 而且, 目前大部分的研究都是定性的, 有关嗜热酶稳定性结构因素的定量研究还很少。金属离子的化学修饰作用对提高酶的热稳定性也有很大贡献。例如，Ca 、Mg 、Zn 等对蛋白质空间结构都能起到一定的稳定作用。Ca 2+2+2+2+能提高许多酶的热稳定性作用是普遍存在的：和激烈热球菌(Pyrococcus furiosus ) 相比, 从嗜热细菌Thermotoga marit 的耐热性来看，几乎一半以上的嗜热碱性蛋白酶在Ca 2+存在下的条件下能在65℃的环境中维持15分钟仍具有活性。嗜热中性蛋白酶的耐热性更加依赖于Ca 2+（石宣明等，2004）。金城等人对菌号为HY-69的耐热菌进行研究，发现其产生的一种中性蛋白酶的热稳定性随着Ca 浓度的下降而明显降低（曹利群等，2008）。某些底物分子也可以通过稳定酶分子的活性位点来使其适应高温环境（WILQUETV. et al,1998）。另外当环境温度达到嗜热菌的最高生长温度并接近胞内蛋白质与酶的变性温度时, 重新折叠的分子伴侣通会来保护其他蛋白质及酶的活性和稳定性(EVERLY. et al ，2000) 。
由此可见蛋白质和酶能在高温下保持稳定性，是在多种因素的共同作用下的结果。
1.2.3嗜热菌的遗传物质根据经验公式：（G+C）%=（T m -69.3）×2.44可知，大多数嗜热微生物生长2+上限温度和遗传物质中的（G+C）％之间存在正相关关系。嗜热菌DNA 结构中G+C百分含量高，通常为53.2%，在嗜热栖热菌（Thermus thermophilus ）中这一比例更是达到60％～70％，在DNA 中碱基G 和C 是以三个结氢键结合的，也就是说DNA 中G+C百分含量越高，氢键的数量就会越多，维持DNA 稳定的氢键和碱基堆积力就会越大，解链所需的温度就越高。并且嗜热菌tRNA 中G+C的含量高，热稳定性大；嗜热菌的tRNA 周转速度快，使重要代谢产物能迅速合成，能够保护热不稳定的代谢物。此外，RNA 螺旋侧面突起的碱基和近端酯键之间的配对结构能避免结构上的不稳定性（曹利群等，2008）。2嗜冷微生物
2.1嗜冷微生物的分类
嗜冷微生物是一类适合在低温环境中生活的极端微生物。这类微生物在温度低于0℃时能缓慢生长。它们的最适生长温度低于15℃，而在温度高于20℃时就不能生长。微生物适应于异常环境，是自然选择的结果。为了适应生存，极端环境中的微生物逐步形成了独特的结构、机能和遗传因子，以应答相应的强烈限制性因子(胁迫因子) 。异常环境所具备的生态条件，实际上正是这种环境中的优势微生物所要求的。嗜冷微生物就是适应低温环境生存的结果。
2.1.1专性嗜冷菌专性嗜冷菌适应在温度低于20℃以下的环境中生活，高于20℃即死亡。有一种专性嗜冷菌，在温度超过22℃时，其蛋白质的合成就会停止。专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质。而兼性嗜冷菌生长的温度范围较宽，最高温度达到30℃时还能生活。
2.1.2冷育微生物冷育微生物(psychrotrophs ) 是指在5℃或更低温度下有生长能力者，不考虑其最适和最高生长温度。中科院微生物所从存放在冰箱内的豆制品、猪肉、蔬菜等食品中分离到34株产生不良气味的细菌，它们都可在5℃以下生长，故都是冷育细菌。经气相色谱分析，产生不良气味的原因是在细菌生长过程中，产生了硫化氢、氨气和一些挥发性有机酸等代谢产物（郝涤非，2007）。
2.2嗜冷微生物的嗜冷代谢机制
适冷微生物能够适应低温特殊的生态环境，是因为有适应低温的特殊结构和各种代谢机制。通常，在低于0℃(包括0℃) 条件下嗜冷菌表现出比中温菌更慢的代谢速率，但能表达出所有在较高温度条件下存在的明显的生化活力。
2.2.1嗜冷菌细胞膜耐冷机制嗜冷微生物(Psychrophilic microorganisms ) 细胞壁厚。细胞膜含有较高的不饱和脂肪酸，故在低温下，细胞膜保持着半流动性。专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且其含量会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性。这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质（唐兵等，2002）。中温微生物在低于5℃时一般就不能吸收代谢外源物质而只能代谢内源物质，这可能是致使其能在低温下生长的原因之一。而适冷微生物由于其膜在0℃甚至0℃以下仍具有流动性，它们在0℃甚至0℃以下仍可吸收胞外营养物质。Morton 等研究了嗜冷、中温和嗜热的球拟酵母属（Torulopsis ）酵母对胞外葡萄糖的转运能力，发现只有嗜冷酵母能够在2℃的低温下运转葡萄糖。Herbert 等研究比较嗜冷的弧菌和耐冷的假单胞菌在不同温度下对葡萄糖和乳糖的吸收速度，发现嗜冷弧菌吸收和利用葡萄糖和乳糖在0℃时最快，而在15～20℃时降低；而耐冷假单胞菌在20℃时吸收葡萄糖和乳糖最快．由此可见，嗜冷菌在低温下膜运转和吸收营养物质的能力很强。嗜冷菌这种能够在低温下保持膜对胞外营养物质的运转和吸收的能力，为其在低温下的正常生长提供了物质基础。
2.2.2嗜冷菌蛋白质和酶的耐冷机理嗜冷菌通过产生冷活性酶来调节它们的代谢活动并以此来适应低温环境。Morita及合作者最早从嗜冷菌中研究冷活性酶，他们报道了海产弧菌(Vibfio marinus )苹果酸脱氢酶，该酶在15～20℃具有活性，而超过20℃时则很快失活。现已对许多嗜冷菌所产生的冷活性酶进行了研究，如产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes )的葡聚糖酶，嗜冷细菌的硝酸酶等(表
1)。嗜冷菌细胞中的酶其最适和最高温度要比来自中温菌和高温菌的同类酶低，具较低的最适反应温度。如辛明秀等认为嗜冷菌细胞中的代谢酶类在低温(0—30℃)范围内表现出最大活性，与中温菌的相对酶类比较，嗜冷菌细胞中的代谢酶类在温度活性范围内偏向低温，如嗜冷酵母的己糖激酶、醛缩酶和琥珀酸脱氢酶与中温的酿酒酵母细胞中同类酶相比，其最大活性温度分别降低5℃、5-10℃和20℃，嗜冷菌细胞中的有些代谢酶类在低温下具有较强的底物亲和力。嗜冷酶在嗜冷菌对于低温环境的适应中起着重要的作用。
Table 1Psychrophile and its
Enzyme（李晶等，2007）
适冷微生物一些酶的产生是由生长温度调节的。在低温下，嗜冷微生物会产生更多的酶以补偿低温下酶活性较低的缺陷，保证其高效率的利用低温环境中的营养物质（辛明秀等，2000）。一些研究表明，嗜冷菌能够产生不同类型的同工酶，这些同工酶的热稳定性不同。Brenchley等发现一株嗜冷菌产生的β-半乳糖苷冷酶同工酶具有不同的最适温度。产生不同类型的同工酶可能是嗜冷微生物适应低温的方式之一。
嗜冷酶在低温下能保持酶催化的高效性。冷活性酶具有较低的最适反应温度，在低温范围具有很高的活性。如产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succmogenes )的冷活性葡聚糖酶，其最适反应温度为25℃，在0℃能保持最高活性的70％，而中温菌的同一个酶的最适反应温度为35℃，在0℃的最高活性只有18％。我们从嗜冷酵母中分离纯化的琥珀酸脱氢酶其最适反应温度为20℃，在0℃能保持最高活性的60％(辛明秀等，2000)。冷活性酶在低温条件下与底物结合能力及催化活性很强。这种催化活性是通过高的转换数(Kcat )实现的。如在4℃时冷活性酶比中温性酶的转换数(Kcat )高33倍。在推测的催化残基的周围只存在少量氨基酸被认为增加了酶的柔韧性，从而增加了酶在低温条件下的催化活性（Iyo . et al ，1999）。冷活性酶在低温下能保持结构的稳定性从而保持很高的催化活性。当温度升高乃至室温时冷活性酶即表现出对热的敏感性。如海产弧菌细胞中的苹果酸脱氢酶于30℃处理10min 酶活力完全丧失。丙酮酸脱羧酶在35℃处理30min，酶活力损失90％（Rentier. et al ，1993）。嗜冷酶在低温下的高催化效率反映了它们对低温环境的适应。提高酶在低温下的催化效率也是适冷微生物适应低温环境的途径之一。
嗜冷菌的最适生长温度低于15℃，蛋白质的迅速转换是嗜冷菌节省能量的途径之一，特别是在寡营养的情况下，加快蛋白质降解可以迅速为蛋白质的合成提供氨基酸，而在低温生态环境下，寡营养环境普遍存在。冷激蛋白，也有学者称做冷休克蛋白，是嗜冷菌适应低温的另一机制。冷激蛋白对低温的生理适应过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母（Trichosporon pullulans ）的冷休克反应，发现冷刺激后冷激蛋白在很短时间内大量产生，并且温度变化越大，产生的冷激蛋白就越多（李晶等，2007）。冷激蛋白的生成出现在滞后期和指数生长期。但并不是只有嗜冷菌才产生应激蛋白，当生长温度突然降低时，无论是适冷微生物还是中温微生物都会被诱导产生冷激蛋白，只不过适冷微生物产生的更多。冷激蛋白和冷适应蛋白可能在嗜冷菌对低温的生理适应过程中发挥着重要作用，但其具体机制尚不清楚（唐兵等，2002）。
3应用与前景
3.1嗜热微生物的应用与前景
高温菌具有广泛的用途，如高温菌酶，目前的工作重点仍然是放在对高温菌酶的热活性和热稳定性的鉴定（Michael. &Robert ,1998）、石油开采、生物能源以及废水处理等方面。利用高温菌处理有机废液具有快速生物降解、污泥量小、去除病原菌效果好等优点，应用前景很广阔。由此可见在不久的将来，嗜热菌无论在工业生产、食品加工、环境保护、人类疾病和基因调控方面都有广阔的应用前景。
3.1.1嗜热微生物在高温环境中降解工业污染物工业产生的废水多为经过反应的高温废液，一般采用物化方法对其进行处理，但成本较高。若采用微生物对其进行处理，则微生物难以在高温条件下完成其反应机制，因此，嗜热微生物渐渐进入人们的视线。例如利用红色栖热菌（Thermus ruber ) 处理有机废液
（曹井国等，2006）。
近年来，我国大多数油田都已进入中后期开采阶段，注水采油已成为油田采油主要工艺，部分油田采出液含水达百分之九十以上，油田外排水量明显增加油田外排废水成分复杂，除含有可溶性盐类和重金属、悬浮乳化原油、固体颗粒和硫化氢等天然物质外，还含有化学添加剂，以及注入地层的酸类、除氧剂、杀菌剂、防垢剂、润滑剂等。在油田的采油过程中，采出原油经破乳、电脱盐脱水工艺后，脱出水温度大多在80到90度，经自然冷却后，外排水温度仍然高达60到80摄氏度，同时由于外排水量大，强制冷却降温成本较高，给常规的生物处理带来较大困难。针对高温外排废水，采用嗜热生物处理工艺对高温外排水进行处理，由于其具有嗜热微生物好氧处理系统而具有独特的优越性。
3.1.2嗜热菌在产生耐高温酶方面的应用许多生物活性酶在高温下会失活，利用嗜热菌产生的耐高温酶可以解决这个问题。例如，在洗涤、造纸、饲料工业中利用纤维素酶对纤维素的降解不仅可以减少对环境的污染, 而且还可以降低成本（BhatM K. ，2000），利用嗜热菌产生的耐高温纤维素酶作为生物催化剂不仅稳定性好，生产成本低，而且在高温下进行酶解反应能增加纤维素的溶解性和可利用性（李淑彬,2003）。但是在目前的技术条件下嗜热微生物很难在实验室中培养，所以嗜热微生物用于大规模工业化生产耐高温纤维素酶还有一系列的技术问题需要解决，尤其是培养工艺问题。研究发现将海栖热袍菌（thermotoga maritima ）的一个纤维素酶基因在热激表达载体上进行表达, 对重组酶进行纯化后发现，最适反应温度在85℃，相对酶活性在80%以上（乐易林等，2009），这为高温纤维素酶的大规模生产提供了可能。
3.2嗜冷微生物的应用与前景
嗜冷微生物也有其广阔的利用空间。我国正加紧实施极地微生物的研究。嗜冷菌在食品工业、污水处理等方面均有很大的潜力，其资源的开发和应用将会前景广阔（李子东等，2004）。
3.2.1嗜冷微生物在能源方面的应用细菌是海底沉积物中最为丰富的微生物类群，它们对维持沉积物中的生态平衡起着重要的作用。从北极白令海沉积物中分离筛选了嗜冷细菌，并对它们进行了种属鉴定和系统发育分析，以期为全面了解该区域的生物多样性及物质能量循环状况提供参考依据。根据嗜冷微生物在海底沉淀物的分布，可以判断海底石油资源的分布情况，有利于人类对其进行进一步的勘探。
废弃物厌氧消化产生沼气有三方面作用：产生甲烷作为能源、污染物减排以保护环境、产生的固体可作为肥料。甲烷作为能源、污染物减排以保护环境、产生的固体可作为肥料。现有的厌氧消化工艺大多在中温和高温范围内进行，而工业废水通常是常温或低温的，需对废水与废物进行加热预处理，这要耗费大量热能。如果嗜冷厌氧消化(在低于25℃的条件下)切实可行，那将是一个低成本、易操作的吸引人的技术。低温产甲烷技术可以应用在寒冷地区，以解决在低温环境下产甲烷的问题。
冷产甲烷菌在厌氧生物处理中的应用展望厌氧生物处理技术具有较低的建设和运行成本，同时，在处理过程中可回收清洁能源——沼气，是一种可持续的生物处理技术。
现有的厌氧生物处理工艺大多要求在中温或高温的范围内进行，通常要对废水与废物进行加热，这种作法消耗能源，削弱了厌氧生物处理的优越性。因此，开展低温下高效厌氧生物处理技术的研究，对于拓展厌氧生物处理技术的应用范围，降低废水、废物的处理成本具有十分重要的意义。目前，对低温厌氧生物处理技术的研究已经引起众多学者的兴趣，但很多研究结果表明，温度的降低会导致厌氧工艺启动时间显著延长，处理负荷和处理效率的大幅降低。造成这种不良后果的重要原因之一是现有低温厌
氧处理工艺研究没有重视微生物接种物的选择。嗜温厌氧微生物尤其是嗜温产甲烷菌在低温条件下所需适应期长，活性也会明显下降，这使得低温厌氧工艺去除效果显著降低；同时，处在食物链末端的产甲烷菌活性的下降，会导致整个厌氧微生物种群之间的平衡关系遭到不可逆转的破坏，使得反应器酸化，最终导致运行失败。从上述研究成果中可以看出，各种低温环境中广泛存在着在低温下具有较高活性的嗜冷产甲烷菌，如果能够利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程，则完全有可能从本质上突破低温厌氧工艺的技术瓶颈。因此，寻找并利用嗜冷产甲烷菌是实现低温下高效厌氧生物处理技术的关键之一。
3.2.2嗜冷微生物在环境保护方面的应用在寒冷环境下污染物生物降解能力的提高，可通过低温微生物特有的冷适应酶来实现，这一方法不但可使大规模的牲畜粪便厌氧耐冷分批消化成为可行，同时也使低温下鱼类加工厂中大量油渣以及寒冷地区污染物的生物降解都成为可能（郝涤非，2007）。嗜冷微生物现在被人们用来修复低温地区被石油等物质污染的地区，这些微生物可以迅速地降解污染物。参考文献(References )
曹利群，叶磊，张惟广.嗜热微生物的耐热机制及应用.山东食品发酵研究报告，2008,151：24-25.
曹井国，赵树欣，Mojmoir Ryehtera . 高温好氧处理有机废液. 天津科技大学学报, 2006,21(1)：7-8.
戴玄,唐兵.产高温蛋白酶微生物菌种资源的研究[J].微生物学杂志,1997，17(3)：25-29.
郭春雷,彭谦.高温菌研究进展.生物学杂志,2003,20（4）：1-2.
郝涤非.嗜冷微生物与食品加工.农产品加工·学刊.2007，106（7）：1671—9646(2007)07-0087—02.
李晶，王继华，崔迪，邸娜，王金娜等.嗜冷菌适冷代谢机制的研究.哈尔滨师范大学自然科学学报.2007,23(5)：V01.23，№.5：90-91.柳耀建,林影,吴晓英.极端微生物的研究概况.工业微生物,2000，30(3)：53-54.
郦惠燕，邵靖宇.嗜热菌的耐热分子机制.生命科学，2000,12（1）：30-31.
李淑彬,陆广欣,林如妹等.嗜热菌:工业用酶的新来源[J].中国生物工程杂志,2003,23(7):67271.
李大平，何晓红，田崇民，王晓梅，彭世群，王春明.嗜热微生物处理油田外排水中试研究.环境科学.第25卷第4期2004年7月
林曦，杨祥胜，曾润颖.北极深海沉积物中嗜冷细菌的系统发育分析.厦门大学学报(自然科学版)Journalof Xiamen University(NaturalScience)V01．46No．May 2007
乐易林,邵蔚蓝.极端耐热纤维素酶Cel74的表达、纯化与特性.生物加工过程，2009,7（3）：66-67.
李子东，藏立华，孟双，向凤，夏光敏.极端微生物：一种新型的酶资源.微生物学杂志. 2004V01．24No．5
欧平.嗜热菌的研究进展.贺州学院学报，2009,25（4）：136-138.
任红妍.嗜热微生物.生物学通报,1995,30(5):18.
沈萍.微生物学[M].北京:高等教育出版社,2000, 36.
石宣明，刘淑珍，黄玉碧.嗜热酶耐热机制的研究进展.科学技术与工程,2004,4(9)：807.
唐赘,刘沐之,梁凤来等.一株嗜热菌的分离鉴定及其苯酚降解特性[J].生物学通报,2006, 33(5):39–44.
唐兵，唐晓峰，彭珍荣.嗜冷菌研究进展.微生物学杂志.2002Vol.22No.1：51-52.
韦革宏，王卫卫.微生物学[M].北京：科学出版社，2007：168-169
吴军林，林炜铁，杨继国.嗜高温酶的研究及应用.广州食品工业科技,2002,19（1）：60.
王昕，刘晓晴.嗜热菌Lon 蛋白酶的功能分析.首都师范大学学报(自然科学版).2009,30(5)
徐金利，吕明生,王淑军,李华钟,孙玉英,房耀维.嗜热古菌Thermococcus sp .HJ21产高温普鲁兰酶条件和酶学性质.食品与生物技术学报,2009,28(2)：244.
辛明秀等. 冷适应微生物产生的冷活性酶.微生物学报，2000，40(6)：661—664．
袁敏，胡国全中国沼气China Biogas，2009，27(3)
左剑恶，邢薇.嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用,应用生态学报2007年9月第18卷第9期
郑洲，刘芳明,张波涛,徐庆龙,缪锦来.南极石油烃降解嗜冷菌的筛选及其降解特性的研究.海洋科学进展.2007，25（3）：167126647(2007)0320311206
Boone D R. , Castenholz R. , Bergey. s mannual of systematic bacteriology, 2th ed. Volume one:The archaea and the deeply branching and phototrophic bacteria[M]. Springer, 2001.
BhatM K. Cellulases and related enzymes in biotechnology [J].B iotechnology Advances,2000,18:3552383.
Chung C H. , Goldberg A L. The product of the lon (capR)gene in Escherichia coli is the ATP2dependent protease, protease La[J]. Proc Natl Acad Sci, 1981, 78:4931-4935.
EVERLY C, ALBERTO J.Stressors, stress and surviva:loverview[J].Front Bioscien, 2000, 5:780-786
Fu G K, Smith M J, Markovitz DM. Bacterial protease Lon is a site2specific DNA2binding protein[J]. J Biol Chem, 1997,272:534-538.
Gottesman S, Maurizi MR. Regulation by proteolysis:energy2dependent proteases and their targets[J]. Microbiol Rev, 1992,56:592-621.
Iyo A H,Forsberg C W. Appl Environ Microbiol,1999,65(3):995～8.
Jack L C M, Vossenberg V d. The essence of being extremophilic:the role of t he unique ar chaeal membrane lipids[J].Extremophiles,1998,2(3):163-170. Julie.H,SusanM.Structural distribution of stability in at hermophilic enzyme[J]. PNAS,1999,96(24):13674-13678.
Knapp S, de Vos W M, Rice D,et al. Crystal structure of glutamate dehydrogenase from the hyperthermophilic eubacterium Thermotoga maritima at 3.0resolut ion[J]. J Mol Biol 1997, 267:916~932.
Melchior D L. Lipid phase transitions and regulation of membrane fluidity in prokar yotes[J].CurrTop Membrane Transp,1982,17:263-316.
Matthews BW. Annu Rev Biochem,1993,62:139-160
Michael W.W.adams and Robert M. Kelly.Finding and using hyperthermophilic enzymes[J].Trendsin Biotechnology , 1998,16(8):329-332
Mi L, Fatima R, Edward E M, et al. Maurizi and Alexander W. Crystal structure of the N2terminal domain of E. coli Lon protease. Protein Science[J], 2007, 28(2) :2895-2900.
Nazina T N. Tourova T P. Poltaraus A B, et a1. T axonomic study of aerobic thermophilic bacilli:descriptions of Geobacillus subterr aneus gen nov. , sp. nov. and Geobacillus uzenensis sp. nov fr om petroleum reservoirs and transfer of Bacillu stear othermophilus. Bacillus thermocatenulatus, Bacillus thermoleovorans, Bacillus kaustophilus, Bacillus thermoglucosidasius and Bacillust hermodenitrificans to Geobacillus as the new combinations G stearot hermophilus, G. thermocatenulatus, G. thermoleovorans, G.kaustophilus, G. thermoglucosidasius and G.thermodenitrificans[J]. Int J Syst Evo Microbiol, 2001, 51:433-446
Rainer J. The FASEB Journal[J].Jan,1996,10:84-92.
Russell R J M, Ferguson J M C, Hough D W, et al . The crystal structure of citrate synthase from the hyperthermophilic
1.9! resolution [J].Biochemistry, 1997,36(9)
Rentier D F, Mande S C, Moyens S, et al. J Mol Biol, 1993,229:85～93.
Vieille C et al. Trends Biotechnol, 1996, 14:18
WILQUETV, GASPAR JA, VANDE LANDEM, et al Purification and characterization of recomb inant Thermotoga mariti2ma dihydrofolate reductase[J].EurJ Biochem, 1998, 255(3):628-637.
Xue Y, Xu Y, Liu Y, et al. Thermoanaerobacter tengcongensis sp. nov. , a novel anaeorbic, saccharolytic, thermophilicbacterium isolated from a hot spring in Tengcong, China[J]. I nt J Syst Evol Microbiel, 2001, 51(4) :1335-1341. Archaeon Pyrococcus furiosus at