低温对微生物的影响及其适冷机制

2023-10-13 17:55阅读：

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污水处理系统中不可避免存在着低温环境，低温是如何影响微生物而微生物是如何补偿低温对生命活动带来的负效应呢？下面就让我们来一探究竟吧。
一、低温微生物
低温微生物是指能够长期生活在低温环境中,并正常生长繁殖的细菌、真菌等。它们能生存于这样的环境中与其长期适应低温形成的独特的细胞组成及分子机制密切相关。

低温对微生物的影响及其适冷机制

通常温度低于15便是低温，低温微生物主要分为两类：一类是最适生长温度在15以下、在 0可以生长繁殖，称为嗜冷菌（psychrophiles），最常见的品种有耶氏菌、李斯特菌和假单胞菌；另一类是最适生长温度高于15、在0～5可生长繁殖，称为耐冷菌（psychrotrophs），已发现的耐冷菌主要菌属有假单细胞菌属，动性球菌属、微球菌属、生丝单细胞菌属和盐单胞菌属等。

二、低温对微生物的影响
低温是一种物理压力，它会极大地改变活细胞的物理和化学参数，其物化性质的变化直接影响微生物的生化反应。温度可以从许多方面影响生化反应，例如反应速率、反应途径、微生物产量和死亡率等，从而影响生物体的竞争力。因此长期的低温环境非常不利于微生物的生长代谢和水中污染物的去除。
1、影响酶的活性

l 微生物反应过程的本质是复杂的酶反应体系，温度会影响细胞内参与催化作用的相关酶活性。
2、影响微生物生长繁殖
l 代谢过程中各种生化反应速度减慢，因此微生物生长繁殖受到抑制，使菌株代谢速率下降。
3、影响微生物细胞
l 影响细胞膜的流动性、酰基链的长短、不饱和脂肪酸含量等；
l 造成微生物吸收营养物质困难、转运速率减慢；
l 造成蛋白质合成受阻。
4、影响基因
l 影响相关功能基因的诱导和表达。
5、影响微生物群落结构
l 低温会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成，以及各种物质在水中的溶解度，这些变化产生的影响直接反映在微生物的群落结构组成上。
6、影响污泥沉降性
l 与常温运行时相比,低温运行时活性污泥所携带的负电荷少而具有更高的亲水性；低温活性污泥的胞外分泌物含有更多的粘性物质,使得污泥难于压缩、沉降。
三、低温微生物适冷机制
低温微生物通过激活一系列涉及各种分子适应、细胞代谢和能量产生的细胞机制来适应自身在低温下的生存。包括通过脂质成分的变化来调节细胞膜流动性，合成抗应激或冷适应蛋白的特殊分子等，这些都是低温微生物在低温环境中有效地进行主体生化反应的明显特征。
1、EPS
胞外多糖(exopolysaccharides，EPS)也是一种低温保护剂。嗜冷菌在低温下可以产生大量的 EPS，EPS 可降低水的凝固点和冰核形成的温度，锁住水分、营养物质、离子并且提高细胞表面粘度，还可保护胞外酶，这有利于微生物的聚集和生物膜的形成，从而为低温环境中的微生物创造有利的生存环境。
2、PHB
在各种各样的PHA中，聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate, PHB）是研究最为广泛的，有研究发现，分离自南极极端寒冷条件下的菌株能产生大量的PHB，而 PHB 正是其对抗包括寒冷在内的各种胁迫的功能性多聚物。
3、调整氨基酸组成
蛋白质作为生命活动的主要承担者，它是如何在低温下保持活性呢？研究发现，通过改变特定氨基酸的比例可改变蛋白质的热稳定性和底物亲和力，从而维持其在低温下的活性。如降低精氨酸(arginine)和脯氨酸(proline)含量，可减少氢键和盐桥，增强蛋白质构象的柔性，提高酶在低温下的活性。
4、合成冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白(cold shock protein)。在环境温度急剧下降时，细胞会诱导合成大量的冷休克蛋白。目前普遍认为在低温微生物面对低温环境时，冷休克蛋白可作为RNA的分子伴侣，与mRNA结合，在低温条件下稳定mRNA，促进翻译，从而保护低温微生物。
5、维持低温下细胞膜的流动性
低温对微生物的一个显著影响是降低细胞膜的流动性。细胞膜内部的脂类组成可以提高膜的流动性，从而运输外源营养物质。如果温度出现了明显变化，微生物会通过增加不饱和脂肪酸含量、改变脂肪酸组成类型、降低脂肪酸的极性以及反式异构向顺式异构转变来维持细胞膜流动性。
6、调节渗透压
低温导致的细胞质中的水分形成冰晶，直接损伤细胞并引起渗透压失衡。嗜冷菌通过吸收甘氨酸、甜菜碱和蔗糖等相容性溶质降低细胞内的凝固点，同时还可以抵御脱水和高渗透压从而获得低温下保持活性的能力。

低温对微生物的影响及其适冷机制

低温微生物细胞结构

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