低温对细菌生长的影响开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1、研究背景

温度是影响微生物生长繁殖最重要的因素之一。当温度降低时，微生物的生长速率降低，当温度降低到-10C时，大多数微生物会停止繁殖。

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)。低温菌在自然界的分布非常广泛，低温菌由于具有特殊的遗传背景和代谢途径，能够产生适合低温环境且具有特殊功能的各种酶类及其它活性物，从而使低温菌在寒冷环境条件下表现出其他微生物无法替代的生物活性^[1]。

目前，国内外在低温菌的分子生物学研究领域研究较多，而在低温菌在污染物去除的工程应用方面研究相对较少。研究低温菌对污染物的去除不仅具有一定的理论意义，同时更为低温菌的进一步开发及其在污水处理中的工程应用提供广阔的前景^[2]。

2、低温微生物的分布

耐冷菌在自然界中分布十分广泛，从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到，即使在南北两极终年常冷的环境中，也可以分离到耐冷菌^[3]。而嗜冷菌大多分布在高山上、极地地区，以及大洋深等长冷的低温环境中。耐冷菌可以忍受短暂的温度波动，因此耐冷菌的生态分布比嗜冷菌更加广泛，从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到 ^[4]。

3、低温菌的适冷机制

低温菌在低温下能够生长繁殖，是因为它们的细胞膜、蛋白质和酶分子等发生了组成和结构的变化。在长期生物进化过程中，低温菌形成了一系列适应低温的机制，这些机制使其表现出顽强的生命力。

（1）细胞膜的适冷机制

Murata^[5]在日本的研究组提出:蓝细菌Anacystis nidu-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^[6]。研究还表明同为不饱和脂肪酸为主的革兰氏阴性菌呈现了不同的适冷机理。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^[7]。

（2）酶的适冷机制

现在普遍认为,低温酶通过特定区域或整个蛋白结构柔顺性的提高,降低了自身的活能, 才能在低温下表现出高催化效率^[8]。同时，这也导致酶的稳定比同类型的中温酶与高温酶的稳定性差。例如：低温丝氨酸碱性蛋白酶在 5-15e ,酶活力比中温酶高5 倍,

活化能更低, 但稳定性远不如中温酶^[9]。与中温酶相比, 低温酶的共同特征是 :盐桥的数量减少,疏水核内芳香环的相互作用减弱,脯氨酸与精氨酸残基数量减少,酶的疏水性减弱 。使酶与溶剂的相互作用增强 。这些结构的改变都有利于酶分子柔顺性的增加^[10]。

在低温蛋白酶中 ,结构研究得比较清楚的是枯草芽孢杆菌素(subtilisin)S41^{[ 11]} 。此酶由从南极分离的嗜冷菌 Bacillus TA41分泌。对这个酶进行氨基酸序列分析与结构分析表明, 有两个氨基酸残基在酶的底物结合部位被取代 ,S41 缺少 Pro ,在所有的中温蛋白酶中Pro的作用是限制底物结合环的运动。在酶分于的 104位上,丙氨酸取代了脂肪族或芳香族侧链的氨基酸残基,从而活性部位入口的空间位阻。这两个氨基酸取代使酶分子变得柔顺,降低了催化过程中构象改变所耗费的能量。另外,在S41中 ,盐桥与芳香族相互作用的减少也使酶分子的柔顺性增加。在S41 酶分子表面有四个长链的氨基酸残基以及大量的极性氨基酸残基, 主要是天冬氨酸,这使酶分子表面的长度与极性增加, 从而增强酶分子与溶剂的相互作用,降低酶分子的紧密度 ,也降低了酶分子的稳定性。Ca ² 能够结合在蛋白酶分子上, 增加酶分子的热稳定性,但降低酶分子的柔顺性。在S41中, 钙结合部位 Asn 27 被 Thr 取代 , 从而使 Ca ² 的结合减弱，使低温酶对热敏感，柔顺性增加^[12]。

从上述S41的这些结构特征可以看出,酶分子结构发生了一系列适应低温的改变, 是为了适应低温的环境 , 增加酶分子的柔顺性, 从而使构象能迅速改变 ,降低反应活化能,但热稳定性降低。因为热稳定性对于长期处于低温环境下的低温菌没有必要作用。

4、低温菌的应用

（1）去除水中污染物

面对水体污染的加剧，保护水质、防治水体污染已成为当今水利工作的主要内容之一^［13］。合理的水利开发是既要发挥水资源的综合效益，又要减少或消除不利于环境的影响，因此环境水利的研究日益引起学者的重视^［14］。因此，利用低温菌降解水中污染物为防治水体污染逐渐受到关注。

通常情况下，污水中的氮和磷是导致水体富营养化的主要原因。目前生物方法依然是去除污水中氮和磷的主要方法。大量的研究结果表明，硝化细菌最适宜的生长温度为 25~30 ℃。当温度小于 15 ℃时硝化速度明显下降，硝化细菌的活性也大幅度降低^[15]；重庆大学环境科学系的张代钧等^[16]研究发现：当温度为 0~10 ℃时，温度条件对硝化作用有非常大的影响，而当温度大于 10℃后，其对硝化作用的影响已不明显，但温度在 0~30 ℃时，出水总氮浓度有随温度升高而逐渐降低。对于磷的去除方面，广州市市政工程设计研究院的陈贻龙^[17]研究认为：温度对除磷的影响主要是影响发酵菌的产酸。在低温环境条件下，虽然积磷菌生长速率会减慢，但温度对生物除磷影响较小。在 8~13 ℃低温的条件下，低分子有机碳源的可获得性是影响生物除磷系统启动和处理效果的关键因素。当污水中挥发性脂肪酸 80 mg/L 时可以快速启动生物除磷系统，当挥发性脂肪酸 50 mg/L 时可以维持生物除磷系统的正常运行^[18]，正是由于低温对细菌活性的影响，使低温环境下氮和磷的去除变得尤为困难。 2000年Chevalier ^[19]成功地从南极和北极分离到 4 株耐冷的丝状蓝细菌（cyanobacteria），该菌在低温环境条件下对氮和磷有较高的去除率，从而为低温环境下污水中氮和磷的去除提供了新的思路^[2]。

另外，在一些寒冷地区的石油开采过程中，石油烃污染事故增加，这使低温菌降解石油烃逐渐受到关注。目前，许多研究者已经从极地、深海等低温海域中筛选到许多海洋低温石油降解菌。例如：Lo Giudice等人在南极海水表层海水中以柴油为碳源筛选出了253株能在4℃条件下降解石油烃的细菌^[20]。Cavanagh等从南极海水中筛选出可以降解烷烃和低环芳香烃的细菌^[21]。由此可见，低温菌的发现和应用为解决石油污染问题提供了较好的思路和方法。

（2）控制食品腐败

一些低温菌在低温状况下繁殖期很短(最短的4h)。这些低温菌还会破坏乳成分,产生不良效果的蛋白酶、脂肪酶和磷脂酶。热处理可以破坏微生物,但在生长过程中所产生的耐热胞外酶却保持其活性,终在乳中产生不良影响。蛋白分解酶通过消化酪蛋白后导致了苦味^[22]。在食物中表现为各种难闻气味，如:乳酪味、鱼味、麦芽味、腐烂味、肥皂味、不洁味或酵母味等等。

下表对新鲜牛奶中的低温菌检验方法进行探讨,并初步了解到低温菌的存在对鲜牛奶保质期的影响^[23]。

表1鲜奶中低温菌的检验结果^[23]

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.研究目的：

筛选具有环境治理潜力的可耐受低温微生物，进行纯化后，观察生长动力学。

2.研究方法：