极地微生物低温适应性的分子机制

第15卷第1期极地研究Vol.15,N o.1 2003年3月CHIN ESE JOU RN AL OF PO LAR R ESEAR CH M ar ch2003

极地微生物低温适应性的分子机制

林学政边际何培青

(国家海洋局第一海洋研究所,国家海洋局海洋生物活性物质重点实验室,青岛266061)

提要极地由于其独有的地理及气候特征,生存于其中的微生物具有独特的分子生物学机制和生理生化特性。极地的低温对生存于其中的微生物产生广泛而深刻的影响,人们对于极地微生物对这一环境因子的适应机制研究得也最为详尽。本文从酶分子水平、细胞膜、细胞质等各个角度简述了近年来国内外有关极地微生物低温适应性的分子机制,以期进一步阐述极地微生物对生存环境的适应机制。

关键词极地微生物嗜冷菌适冷菌低温适应性分子机制

1引言

极地具有独特的地理及气候特征,其主要特点是变化极大的光照辐射、季节性的光照时间、常年极低的水温(通常在- 1.8e)2.0e)和高盐度环境(海水中的盐度一般为34j)35j,海冰中的盐囊和盐通道的盐度可达普通海水的5倍),形成了一个酷寒、强辐射和高盐度的自然环境。即使在短暂的夏季,南极大陆周边及环绕的海洋圈气温也只有-10e)5e。

对极地许多环境来说,极端的低温、高盐度及干燥使只有微生物适合于生存其中。由于没有来自于动物的严重摄食压力和其他微生物种类的激烈竞争,在某些区域,某一种微生物可以快速生长繁殖。有研究表明,在南极低温微生物中,大部分为适冷型,小部分为嗜冷型,如Kobori et al.(1984)从南极海水中获取的155株细菌中,77%是适冷菌,23%是嗜冷菌。Morita(1975)根据生长温度的上限不同,对嗜冷菌(psychrophile)和适冷菌(psychrotrophic bacteria)进行了区分。嗜冷菌是指温度低于0e时能缓慢生长,最适生长温度低于15e,高于20e则不能生长的一类微生物;适冷菌是指在0e能够生长,但最适生长温度在20e)30e之间的一类微生物。实际上为了生存,极地微生物需要一系列的耐受性,或者说适应机制来将极端环境所造成的损害减少到最低程度。尽管在温带地区

[收稿日期]2002年8月收到来稿,2002年11月收到修改稿。

[作者简介]林学政,男,1971年生,2000年于青岛海洋大学海洋生命学院获理学博士学位,现为国家海洋局第一海洋研究所副研究员,主要从事极端环境微生物生物活性物质的研究。

[基金项目]大洋协会/十五0计划资助项目(DY105-04-02-03)。

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也可以发现这些细胞和其生活周期机制,但是极地特殊的理化条件造就了一群极其强壮和有韧性的微生物群落。极地的低温对生存于其中的微生物产生广泛而深刻的影响,极地微生物对这一环境因子的适应机制也被研究得最为详尽。

极地包括一些在地球上发现的最寒冷的地区,低温必然对整个地区的微生物生活过程产生最根本的影响。低温通过各种途径影响生命活动:降低细胞的生化反应速率、影响某些细胞组分的稳定性以及冷冻所造成的破裂作用。尽管低温有着强烈的负效应,但极地微生物在低温下却能成功地生长与繁殖,它们因此产生了各种各样的适应机制,主要是在酶分子水平、细胞膜以及细胞质等各个方面发生了精细的组成和结构变化,因此弥补了低温对细胞生长的负面影响。本文将就国内外研究极地微生物低温适应性的分子机制的各个方面作一简单的阐述。

2酶分子水平

目前对极地微生物以低温酶的研究最为广泛与深入,对其低温适应性分子机制的阐述也最为详尽,有关这方面的研究及综述较多(Maria et al.,2000;陈熹兮等,2001;吴虹等,2001;Isaksen and Jorgensen,1996;Fraia et al.,2000;陈秀兰等,2001a),本文就此仅作一简要的论述。

极地微生物由于长期生活在寒冷的环境中,在自然选择的作用下形成一套独特的与低温环境相适应的分子机制。催化生物体内所有生化反应的酶是极地微生物适应低温环境的一种极为重要的因素,它们所产生的酶在低温时有着比中温酶更高的催化效率。根据M argsin等1991年的定义,通常把最适催化温度在30e左右,在0e左右仍有一定催化效率的酶称为低温酶(陈秀兰等,2001b)。与中高温环境比,在低温环境下,水的粘度明显加大,热运动显著降低。在这样的环境下,由于热运动的降低,酶与底物的结合与分离、酶分子构象的改变都比在中高温时困难,酶分子要在这样的环境下有较高的催化效率,必须使分子结构变得更加柔顺,从而增加构象改变的速度。与中温微生物相比,由这些极地微生物分泌的酶分子体现出一种独特的分子适应性:￥它们在0e)30e,K cat值和生理效率(K cat/K m)比来自中温微生物的酶高,有着更高的催化活性。Bentahir et al.(2000)对南极假单胞菌(Pseudomonas sp.)TACII18的磷酸甘油酸激酶的酶动力学研究结果表明,与中温菌酿酒酵母(Sacchaomyces cerevisae)的磷酸甘油酸激酶相比,在25e时对AT P 和3-磷酸甘油酸的K cat/K m值分别增加了2.56倍和1.79倍。|有限的热稳定性,在高温下很快失活,并且对热表现出更强的敏感性。§低温酶的活化能较低。据M argesin 报道,从冰川分离到的3株低温菌所产蛋白酶的活化能为36.9-38.0kJ/mol,而中温蛋白酶的活化能一般在60kJ/mol左右(陈秀兰等,2001a)。

低温酶的这些生理生化特征都是由其结构特征决定的。一般来说,酶的比活性是和其热稳定性密切相关的,蛋白质分子的热稳定性主要来源于分子的刚性。刚性的增强使得酶与底物的相互作用受到影响,从而导致酶活性的下降。相反,柔性的增加使得酶促反应所消耗的能量减少,从而提高酶的催化活力。

自从1996年Aghajari et al.(1996)等第一次阐明来自嗜冷菌的A-淀粉酶的三维晶

体结构以来,科学家们已经先后对来自极地微生物的Ca 2+$Zn 2+金属蛋白水解酶(Villeret et al .,1997)、磷酸丙糖异构酶(Alvarez et al .,1998)、柠檬酸合成酶(Russel,1998)、苹果酸脱氢酶(Kim et al .,1999)、DNA 连接酶(Georlette et al .,2000)、磷酸甘油酸激酶(Bentahir et al .,2000)以及天冬氨酸转氨酶(Leilo et al .,2000)等进行了晶体结构分析。三维结构表明,与那些来自中温微生物的酶比较,这些来自极地微生物的酶只在酶分子的某些部位存在着细微的差别(陈熹兮等,2001):￥与蛋白质折叠和稳定性相关的弱作用(如氢键和盐键)的减少;|以一个低疏水性的疏水区域形成蛋白质的核心;§剔除和替换蛋白质二级结构的环和转角处的脯氨酸;¨通过增加带电荷的侧链以增加溶剂和亲水表面的作用;?在结构功能域附近出现甘氨酸簇;a更广范围内的钙离子配位作用。

根据上述的结构特征,现在普遍认为这些酶分子的低温适应性主要依赖于酶分子内基团之间相互作用的减弱以及酶和溶剂分子的相互作用的增强。这样的分子结构变化使得酶分子更具柔性,增强了其与底物的作用,降低了反应的活化能,从而提高了催化活性。3 细胞膜

众所周知,对细胞的生存和生长来说,有功能的细胞膜是必不可少的。在低温条件下,当细胞膜由液晶相向胶相转变时,冷冻及其引起的脱水作用将对细胞造成损害。极地微生物在低温下能够进行主动运输,也就意味着它的细胞膜构造不同于普通微生物的细胞膜构造,即使低温也不能抑制膜现象的发生。在细胞膜的流动镶嵌模型中,一个有功能的细胞膜必须满足以下两个要求:￥调整膜脂的组成以形成与膜蛋白结合的稳定的脂双层(后来称之为homeophasic 适应);|脂双层必须保持完成各种细胞功能所必需的流动状态(后来称之为homeoviscous 适应)(Nichols et al .,1995)。既然适冷菌和嗜冷菌具有不同的生长温度范围,它们就有可能在改变脂肪酸组成的方式与程度上存在着某些差异。有证据表明,与适冷菌相比,嗜冷菌更有可能通过改变脂肪酸的组成来适应低温,这可能与嗜冷菌在低温比在较高温度时更好地吸收营养物质的能力有关(Fukunaga and Russel,1990)。

对嗜冷微生物细胞膜组成成分的研究表明,它们含有较高含量的不饱和脂肪酸,这些不饱和脂肪酸使细胞膜在低温下也能保持半流动状态(主要由饱和脂肪酸组成的膜在较低的温度下将变成蜡状且失去正常的细胞功能)。某些嗜冷细菌的膜脂类组成中也含有多不饱和脂肪酸和含有多个双键的碳氢化合物。现在已从几种生存于南极的细菌脂类组分中鉴别出了含有9个双键的碳氢化合物(C 31:9)(马迪根等,2001)。Weinstein et al.(2000)的研究也表明,在5e 培养同在15e 培养时相比,嗜冷真菌H um icola mar vinii 细胞膜脂肪酸的不饱和指数(unsaturation index)增加,而平均链长度(average chain length)几乎不变;Mor tier ella elongata 尽管不饱和指数和平均链长度无明显变化,却产生了新的多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs))))十八四烯酸(stearidonic acid,18:4X 3),该脂肪酸在自然界比较罕见,主要存在于寒冷地带的植物以及南极和其它寒冷海洋环境的微生物中,因此18:4X 3可能具有有益于在低温环境下保持细胞膜功能的特性。适冷菌可能具有在非常低的温度下就可以发生相变的膜脂。许多微生物细胞通过改77第1期 林学政等:极地微生物低温适应性的分子机制

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变细胞膜的脂肪酸组成来保持细胞膜在低温时的流动性。最常见的反应是增加去饱和酶的活力,以降低脂双层中饱和脂肪酸对不饱和脂肪酸的比例,即增加不饱和脂肪酸的含量。另一反应是缩短脂肪酸酰基链的长度、增加支链脂肪酸的比例或降低环状脂肪酸的比例,这对改善细胞膜的流动性具有相似的效果(Vincent,1988)。Fukunaga and Russell (1990)的研究证实了这一观点。作者对从南极分离的两种嗜冷菌(CR3/F/w/1/15和CR3/F/w/2/10)的膜脂组成的研究表明,当培养温度降低时,菌株CR3/F/w/1/15如在丰富培养基培养,脂肪酸平均链长度缩短,而在营养贫乏培养基培养时,直链脂肪酸、饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸减少,而支链脂肪酸增加。而菌株CR3/F/w/2/10在低温条件下,无论在丰富还是在营养贫乏培养基中培养,都将导致脂肪酸不饱和指数的增加。这表明极地微生物对低温的适应机制不仅与菌种有关,而且与培养基的成分也有着直接的关系。

许多年来,人们一直认为非光合细菌缺少产生PUFAs的生物合成能力。实际上现在越来越多的研究表明,在某些环境下,较广泛地存在着具有合成PUFAs,如20:5X3能力的细菌。尤其值得一提的是,据报道南极细菌与海洋中温菌相比,产生PU FAs的机率要高的多:约有13%的南极细菌至少可以产生痕量的20:5X3,尽管所占比例不大,但同海洋中温细菌产20:5X3的比例相比(1.5%) 1.7%)还是大得多(Nichols et al.,1995)。

为何嗜冷菌以PUFAs作为其各种膜脂的酰基成分,而其他同样适于在低温下生长的细菌却不呢?答案之一是海洋嗜冷菌,特别是那些生存在海冰中的嗜冷菌,常年生活在极低的温度下(- 1.8e)。实际上该观点忽视了并不是所有的海洋嗜冷菌都含PUFAs,同样也不能解释PUFAs对细胞膜结构和稳定性的功能显著性。

PUFAs在细胞膜膜脂中的比例随生长温度的变化而改变,可能在最低生长温度时达到最高,这就意味着这可能是hom eoviscous适应反应,从而达到调整细胞膜流动性的目的(H amamto et al.,1994)。然而,用脂系统模型(model lipid system)已经证明在膜脂中引入超过两个以上的双键对降低液晶相向胶相转变的温度并没有额外的影响,即使在细菌细胞膜常见的单不饱和磷脂在零下几度也能保持液态。实际上,多个双键的引入限制了酰基链的旋转,产生了一个影响酰基链堆积次序(stocking order)的结构元件。因为每一个双键都使酰基链/弯曲0,所以具有4或5个双键的脂肪酸分子形成一个/发夹结构0,从而降低链的有效长度。PUFAs中的多个双键允许分子充分的运动,并且由于酰基链分子堆积的破坏降低了液晶相向胶相转变的相变温度,因而使细胞膜保持流动状态,但由于同单不饱和残基相比,酰基链程度的缩短伴随着更高程度的堆积次序,这防止了形成非双层相,既/缝合0了脂双层,又使细胞膜在低温下有合适的通透性(Russell and Nichols,1999)。

上述观点与所谓的Cevec(1991)的/有效链长度(effective chain leng th)0模型和Hazel (1995)的/能动相行为(dy nam ic phase behaviour)0模型相吻合。简言之,Cevec认为不饱和脂肪酸酰基链对膜脂增加流动性、由胶相向液晶相转变的影响可以由它们在脂双层结构的有效链长度来解释。他认为,对单不饱和酰基链来说,由于双键靠近分子的两个末端之一,因而两个酰基链节段较短的一个通常保持永久的流动,因此只有较长的酰基链节段表现出有效链长度。H azel(1995)认为细胞膜调节的关键因素不仅仅是单一特性(如流动性),而在于调整膜脂的组成以平衡各种因素:一方面使膜脂由胶相向液晶相转变,另一方

面有利于双层相向非双层相转变,后者可能参与膜的生长和细胞分裂等功能。因此仅仅将酰基链的变化对细胞膜流动性的影响考虑在内可能产生误导作用。

综上所述,对绝大多数极地微生物来说,细胞膜脂肪酸组成对低温环境的适应机制可以归结如下:￥增加单个脂肪酸的不饱和度或者增加不饱和脂肪酸的比例;|降低脂肪酸的碳链长度;§增加甲基支链脂肪酸,尤其是anteiso 支链脂肪酸的比例。

对南极嗜冷细菌来说,脂肪酸的不饱和化看起来象是其生理适应的关键因素(Nichols,1995)。

4 细胞质

细胞的酶反应需要合适的外部环境,当细胞处于极地的寒冷温度下,极地微生物作为单细胞生物,其细胞内外温度相差无几,此时细胞内的细胞质分子热运动大大降低,如没有其他化合物进一步降低其冰点,则可能严重影响酶的活力,甚至导致细胞质处于冰冻状态。尽管低温防护剂,如多元醇和海藻糖的低温防护作用在昆虫中得到了证实,但其对嗜冷/适冷菌的细胞防护作用研究的很少,有关低温防护剂的低温防护机理的研究将有助于更全面地了解极地微生物的低温适应机制。

在极地的极端环境下,低温甚至细胞外水环境的结冰将对细胞造成脱水和渗透压胁迫等损害,这就意味着多元醇可能作为低温防护剂发挥着重要的作用。多元醇(开链式糖醇)在细胞中可能起着以下的作用:碳水化合物贮存物、转运化合物以及参与渗透压调节与辅酶调节。尽管多元醇能通过降低细胞内细胞质的冰点来减轻低温对细胞造成的损害,由低温引起的干燥与渗透压胁迫也可导致可混溶溶质(compatible solute)的合成以进一步保护酶活力。在所有的多元醇中,甘油对酶功能的抑制作用最小,因而被认为是最有效的可混溶溶质。实际上,在冷冻时糖类尤其是海藻糖是最有效的低温防护剂,它能通过稳定细胞膜而降低由于膜的脂相变化速率不同而造成的损害,从而保持细胞膜的完整和功能(Weinstein et al .,2000)。

Weinstein et al.(2000)研究生长温度对分离自南极寒漠的真菌H umicola mar vinii ,Geomyces p annor um ,Mortierella elongata 的可溶性糖和脂类的影响时发现,每一种真菌对亚适(suboptimal)生长温度的反应截然不同:在低温时,H .marv inii 积累低温防护剂(在细胞内为海藻糖,而胞外为甘油);G.p annor um 增加不饱和脂肪酸含量和总的不饱和指数;对M .elongata 来说,在低温下生长能力的特征包括:麦角固醇的消失,出现18:4(stearidonic acid)以及增加细胞内海藻糖的含量。H .m arv inii 在5e 生长与其在15e 生长相比,可溶性糖含量降低40%,与此相反,当G.p annorum 生长温度由15e 降到5e 时,可溶性糖的含量没有显著变化,而M .elongata 的可溶性糖含量增加50%。分析细胞内可溶性糖单一组分变化则可以发现,H .m arv inii 在5e 生长与其在15e 生长相比,甘露醇的含量减少50%以上,而海藻糖、甘油、阿拉伯糖醇和赤藓糖醇的含量显著增加;而G.p annorum 可检测到的糖类含量变化是甘露醇增加了近90%,而M .elongata 中的海藻糖含量增加了75%。因此,所有的种类生长在较低温度时菌伴随着海藻糖或者甘露醇的显著增长,尽管在H.m arv inii 中海藻糖含量增加而甘露醇含量降低。79第1期 林学政等:极地微生物低温适应性的分子机制

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姜英辉(2001)*在研究南极冰藻的低温适应性时也发现,对南极冰藻Pyr ami-monas sp.来说,随着温度的降低,细胞内的脯氨酸含量迅速增加,例如在-5e,48h细胞内脯氨酸含量是处理前的6.5倍,在0e,48h细胞内脯氨酸含量是处理前的4.8倍。细胞内可溶性糖的含量随着温度的降低而增加。脯氨酸在冰藻低温生存的作用可能有以下几方面:￥冰藻细胞内重要的渗透调节剂;|脯氨酸可以保护细胞内的生物聚合体的结构,使之不受温度变化的影响;§脯氨酸可与细胞内的一些化合物形成聚合物,具有降低细胞质冰点的作用;¨脯氨酸具有羟基自由基清除剂的作用,能够清除低温下产生的活性氧,保护细胞膜免受破坏。

V incent(1988)认为,极地微生物抵御冷冻能力存在着很大的差异,一系列的适应机制减少在冷冻过程中对细胞造成的伤害:￥产生某些胞外物质减少或防止非常靠近细胞的冰晶核的形成,从而防止冷冻对细胞的损害。蓝细菌和某些硅藻可能采取此防护机制。|增加细胞内溶质的浓度从而降低细胞质的冰点。因为此生理特征能减少冷冻时因维持渗透压平衡而造成的细胞失水的量,因而能减轻冷冻对细胞的损害。比如,在特定温度细胞外冷冻时,细胞内的溶质浓度加倍,细胞因维持渗透压平衡而损失的水将减半。糖和糖醇在某些生物体如南极的苔藓和地衣看起来是特别有效的防护剂,能够积累到很高的浓度。

5其他

尽管极地微生物为适应极地的低温在酶分子结构、细胞膜、细胞质的组成上发生了很大的变化,但是仍有一些微生物种类以对极端环境具有高抵抗力的芽孢来渡过寒冷的冬季。如某些冰藻的接合子,可能比营养细胞具有更大的冷冻抵抗力。对某些细菌来说,由于在内生孢子的形成过程中造成细胞的部分脱水因而使细胞免遭冷冻的损害。在内生孢子的形成过程中,水分子从细胞的主体(main body)(在这里冷冻对细胞的损害极大)转移到外层的肽聚糖复合物上,在这里水分子被COO-基团所固定。此时,细胞也产生海藻糖来防止蛋白质变性和细胞膜发生相变(Vincent,1988)。

对嗜冷菌来说,各种冷激蛋白(cold-shock protein)对其环境适应性都是有用的分子伴侣。在低温下连续培养,嗜冷菌合成了各种冷积累蛋白,而且冷激蛋白和冷积累蛋白(cold-acclimation protein)的合成量随培养温度的降低而增加。对几种南极嗜冷菌的CSpA(一种低分子量(7.4kDa)的正转录调节子)的研究表明,CSpA基因在研究的绝大多数嗜冷菌中都存在。在4e培养和与22e培养时相比,CSpA基因的表达大量增加;研究结果也表明,CSpA可能起着抗冻蛋白的作用,尽管它的组成型水平非常低。同样,有研究报道适冷菌在4e生长时Csp7.0和Csp8.0的合成非常活跃,作者认为这些蛋白可能是低温生长所必须的调节因子。然而仍不清楚的是,这些蛋白是否在极地微生物在低温生长时一直保持一定水平,从而有利于蛋白的合成、防止某些蛋白的冷变性以及有利于它们在低温下的折叠(Feller et al.,1996)。

*姜英辉(2001):南极冰藻的分离、培养及低温适应性的研究,青岛海洋大学。

6 结语

综上所述,极地微生物的低温适应性体现在细胞组成的各个层次:

￥极地微生物产生在低温下有较高催化活性的低温酶。由于酶分子结构的变化使得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增强,从而使低温酶分子更具有柔性,增强了酶与底物的作用,降低了反应的活化能,提高了催化活性。

|极地微生物为保持细胞膜在低温下正常的生理功能,膜脂的脂肪酸组成也发生相应的变化,如降低脂肪酸酰基链的链长度、增加脂肪酸的不饱和指数、增加支链脂肪酸的比例等。

§细胞内可溶性糖和多元醇含量的增加一方面可降低细胞质的冰点,另一方面能减少冷冻时因维持渗透压平衡而造成的细胞脱水的量,因而减轻冷冻对细胞的伤害。

¨某些极地微生物以高抵抗力的芽孢来渡过寒冷的冬季。只有各个细胞组分的协同作用才能使极地微生物适应极地的低温环境。

?冷激蛋白和冷积累蛋白的表达对极地微生物的低温生存发挥着重要的作用。

另外,极地微生物的低温适应性还体现在本文尚未涉及的DNA 拓扑学、tRNA 和rRNA 核苷酸组成及二级结构的冷适应变化等方面,这些因素对极地微生物的生长与生存均起着至关重要的作用。

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MOLECULAR MECHANISM OF COLD-ADAPTATION

OF POLAR MICROOR GAN ISMS

Lin Xuezheng,Bian Ji and He Peiqing

(First Insti tute of Oceanography,S OA,Qingdao266061,Chi na)

Abstract

Polar microorg anisms possess specially genetic,physiolog ical and biochemical properties for the uniquely g eographic and climatic features in Antarctic and Arctic.The cold tempera-ture of polar environment has a w ide-ranging influence on all of the microbial ecosystems of this reg ion.Adaptation mechanisms of polar microorg anisms for this env ironmental factor are studied in detail in recent years.This paper briefly describes the advances in molecular mech-anism of cold-adaptation of polar microorganism in aspects including low-temparature en-zy mes,cell membrane,cytoplast and so on.

Key words polar microorganism,psychrophile,psychrotrophic bacteria,cold-adaptation, molecular mechanism

可持续发展需要文化适应性进化

可持续发展需要文化适应性进化 孙家驹 2012年03月05日14:13 来源：《学习时报》 人类是生物进化和文化进化的产物，近一万年来特别是近两千年来，随着环境变化的加快，人类的生物学进化在加快，文化进化则更快。但是，当代人类文化进化与以往不同，它主要不是表现在量的激增和形式的多样化，而是表现在纵向的科学去魅与复魅（去魅一般指的是对于科学和知识的神秘性、神圣性、魅惑力的消解，复魅则指的是科学和知识在新的条件下的统合，恢复科学原有的魅力）、横向的生态化统合。 可持续发展要求文化适应性进化 当代人类之所以提出要转向可持续发展，就是因为现行的发展方式不可持续，但是，转变发展方式并不是人们所想象的那么简单，并不是仅靠推行一套规划安排、环保法规、产业政策、适用技术等就能解决好。自1972年联合国召开人类环境会议，发表《只有一个地球》研究报告和《人类环境宣言》，1987年联合国笫38届大会发表《我们共同的未来》研究报告，提出实施可持续发展的“全球变革日程”以来，人类的环境意识有了空前的觉醒，科学家和学者们提供了大量的研究成果，各国政府在相关规划、法规、政策的制定和新技术推广等方面作出了很大的努力，全球社会转换发展方式取得了多方面的进展。但是，我们努力的成效赶不上资源环境恶化的速度，地球在1966年时还有生态盈余，到2007年，人类生态足迹增长了1倍，已超出地球生态承载力的50％，地球生命力正面临着被耗竭的威胁。 为什么会是这样？最深层的原因还要到人类的文化中去寻找。如果认为人类是地球的主宰、征服者，人类又怎么可能会敬畏自然，与自然和谐相处？如果认为生物之间都是吃与被吃的关系，人类又怎么会去保护生物多样性和告别同类相残？如果社会两极分化不是缩小而是扩大，一个富人的资源能源消耗超过几十、几百个穷人，又怎能要求穷人饿着肚子而不去竭地而耕、竭草而牧？如果发达国家封锁先进技术并拒绝带头减少污染气体排放，又怎能要求发展中国家放弃发展而去减排？如果强权政治横行无忌，西方列强对别的主权国家暗中策反、公开干预、发动战争无所不用其极，国际政治环境恶化，又怎能使宝贵的资源用于长远的可持续发展，而不是用于应对当前的生死安危需求？如果高喊自由、平等、博爱、人权、人道主义、公平正义，却把物种大灭绝、气候恶化、荒漠蔓延、洪水地震、疫病流行、社会动乱视为趁火打劫的“机遇”，大发饥荒财、军火财、战争财，人们又怎能相信可持续发展不会像自由、平等、博爱、人权、人道主义、公平正义一样被利己主义、自我中心主义、强权政治所异化？如此等等，无情的事实反复地表明，没有整个人类文化的适应性进化，没有人与人和人与自然关系的根本性变革，可持续发展就只能是镜花水月。

温度对微生物的影响

实验三十五温度对微生物的影响 一、目的要求 了解不同微生物对高温的抵抗力以及同一微生物在不同的温度下对其生长的影响。 二、基本原理 温度是影响微生物生长与存活的重要因素之一。当微生物处于最适生长温度时，有刺激生长的作用；不适宜的温度可以导致细菌的形态和代谢的改变或使微生物的蛋白质凝固变性而导致死亡。不同的微生物对温度的抵抗力不同，如大肠杆菌在60℃10分钟内致死，而枯草芽孢杆菌在100℃ 6-17分钟内才能致死，这是因为芽孢不仅含水量低，有厚而致密的壁，而且还含有特殊的物质——吡啶二羧酸，所以芽孢杆菌的抗热能力比大肠杆菌强。 三、器材 大肠杆菌，枯草芽孢杆菌； 肉膏蛋白胨液体培养基试管16支，吸管，恒温水浴，温度计等。 四、操作步骤 1．将培养48小时的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌斜面加入无菌生理盐水各5ml，用接种环刮下菌体，制成菌悬液。 2．取肉膏蛋白胨液体培养基试管16支，从1至16编号并注明各管所接菌种的名称和处理的温度及时间。 3．在单号1、3、5、7、9、11、13、15管中各接入大肠杆菌悬液0.2ml，在双号2、4、6、8、10、12、14、16管中各接入枯草芽孢杆菌悬液0.2ml。 4．将已接种的1-8管同时放入50℃水浴中，10分钟后取出第1-4管。再过10分钟（即处理20分钟）后取出第5-8管；同法将接过菌种的第9-16管同时放入100℃水浴中，10分钟后取出第9-12管。再过10分钟（即20分钟）后取出第13-16管。 5．上述各管取出后，立即用冷水冲凉，然后置37℃恒温室内培养24小时后，观察生长情况。 五、实验报告 1．结果

比较大肠杆菌和枯草芽孢杆菌对高温的抵抗能力。生长情况用“-”表示不生长；“+”表示生长较差，“++”表示生长一般；“+++”表示生长良好。将结果记录于下表中。 2．思考题 实验结果说明哪种微生物对高温抵抗能力强？为什么

微生物多样研究—关联分析及系统发生进化关系

微生物多样研究—关联分析及系统发生进化关系 展开全文 一、关联分析 1.RDA/CCA分析 RDA或者CCA是基于对应分析发展而来的一种排序方法，将对应分析与多元回归分析相结合，每一步计算均与环境因子进行回归，又称多元直接梯度分析。 此分析是主要用来反映菌群与环境因子之间关系。RDA是基于线性模型，CCA是基于单峰模型。分析可以检测环境因子、样本、菌群三者之间的关系或者两两之间的关系。 1）RDA或CCA模型的选择原则：先用species-sample数据（97%相似性的样本OTU表）做DCA分析，看分析结果中

Lengthsof gradient 的第一轴的大小，如果大于4.0，就应该选CCA，如果3.0-4.0之间，选RDA和CCA均可，如果小于3.0，RDA的结果要好于CCA。 2）通过bioenv函数判断环境因子与样本群落分布差异的最大Pearson相关系数，通过最大相关系数得到环境因子子集。3）将样本物种分布表与环境因子或环境因子子集分别做CCA或者RDA分析。 4）通过类似于ANOV A的permutest分析来判断CCA或者RDA分析的显著性。 注：图中数字表示样本名，不同颜色或形状表示不同环境或条件下的样本组；箭头表示环境因子；图中蓝色倒三角表示不同的细菌类型；物种与环境因子之间的夹角代表物种与环境因子间的正、负相关关系（锐角：正相关；钝角：负相关；直角：无相关性）；由不同的样本向各环境因子做垂线，投影点越相近说明样本间该环境因子属性值越相似，即环境因子对样本的影响程度相当。 2.OTU共表达网络分析 生态学中一般认为功能上关系密切的群落往往表现出丰度的“同升同降”，根据微生物群落丰度信息计算样本中物种之间的相关性，并据此划分不同的共变化组（Co-abundancegroup，CAG）。

环境因素对微生物生长的影响

实验六环境因素对微生物生长的影响 一、实验目的： （1）掌握物理因素、化学因素、生物因素对微生物生长的影响的原理。 （2）掌握微生物的接种方法。 二、实验原理： 微生物的生命活动是由其细胞内外一系列物化环境系统统一体所构成的，除营养条件外，影响微生物生长的环境因素，包括物理因素、化学因素和生物因素对微生物的生长繁殖、生理生化过程均能产生很大影响，总之一切不良的环境条件均能使微生物的生长受抑制，甚至导致菌体死亡。物理因素如温度，渗透压，紫外线等，对微生物的生长繁殖新陈代谢过程产生重大影响，甚至导致菌体的死亡。不同的微生物生长繁殖所需要的最适温度不同，根据微生物生长的最适温度的范围，分为高温菌，中温菌和低温菌。 自然界中绝大多数微生物中属于中温菌。不同的微生物对高温的抵抗力不同，芽孢杆菌的芽孢对高温有较强的抵抗能力。渗透压对微生物的生长有重大的影响。等渗溶液适合微生物的生长，高渗溶液可使微生物细胞脱水发生质壁分离，而低渗溶液则会使细胞吸水膨胀，甚至可能使细胞破裂。紫外线主要作用于细胞内的DNA，使同一条链的DNA 相邻嘧啶间形成的腺嘧啶二聚体。引起双链结构的扭曲变形，阻碍剪辑的正常配对，从而抑制DNA的复制，轻则使微生物发生突变，重则造成微生物的死亡。紫外线照射的量与所用紫外灯光的功率、照射距离和照射时间有关。紫外线光灯照射距离固定、照射的时间越长，则照射剂量越高。紫外线透过物质的能力弱，一层纸足以挡住紫外线的透过。 环境因素中的化学因素和生物因素，如化学药品、PH、氧、微生物间的拮抗作用和噬菌体，对微生物的生长有不同的影响化学药品中的抑菌剂或杀菌剂，有抑菌作用或杀菌作用。本实验选数种常用的药物，以实验其抑菌效能和同一药物对不同的抑制效力。 微生物作为一个群体，其生长的PH范围很广，但绝大多数种类都在PH5~9之间，而每种微生物都有生长的最高、最低和最适PH。根据微生物对氧的需求，可把微生物分为需氧微生物和厌氧微生物量大类。在半固体深层培养基管中，穿刺接种上述对氧需求不同的细菌，适温培养后，各类细菌在半固体深层培养基中的生长情况各有不同。需氧微生物生长在表面厌氧微生物生长在培养基广的底部，兼性微生物按照其好氧的程度生长在培养基的不同深度。 物理因素——PH通过影响细胞质膜的通透性，膜结构的稳定性和物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收，从而影响微生物的生长速率。 化学因素——结晶紫（染料） 通过诱导细胞裂解的方式杀死细胞。 生物因素——土霉素（抗生素）能抑制微生物生长或杀死微生物的化合物，它们主要通过抑制细菌细胞壁合成，破坏细胞质膜，作用于呼吸链以干扰氧化磷酸化，抑制蛋白质和核酸合成等方式来抑制微生物的生长或杀死微生物。 三、实验材料： （1）菌种：大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌 （2）培养基：肉高蛋白胨东培养基 （3）仪器和其他物品：培养皿、移液管、紫外线灯、水浴恒温培养箱、试管、接种环、无菌水、无菌滤纸、无菌滴管。土霉素、新洁尔灭、复方新诺明、汞溴红 红药水、碘酒、结晶紫。 四、实验内容 1紫外线对微生物的影响 （1）取无菌肉高蛋白胨培养基平板3个、分别在培养皿底部表明 （2）分别取培养24小时的大肠杆菌，枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌菌液，加 在相应的平板上，再用无菌涂棒涂布均匀，然后用无菌黑纸遮盖部分平板。

环境微生物学6-(补充)系统发育树

测序结果分析 ?获得基因序列 将所测得的DNA序列，利用Ribosomal Database ProjectII软件Classifier对分离的菌株进行分类，在GenBank上注册得到注册编号，通过Blast检索，与GenBank中的已知菌株的序列进行同源性分析，确定与鉴定菌株同源性程度最高的序列。 ?全序列菌种鉴定 给定结果中已经确定菌株种类Dear Dr. Li: We have received the following 9 sequence submissions from you: BankIt1464287 ,BankIt1464297 , BankIt1464298 , BankIt1464299 , BankIt1464300 , BankIt1464301,BankIt1464302 , BankIt1464303 ,BankIt1464304 Please provide the following information about your sequence submissions: [1] Are these sequences from: a) pure culture: a culture that contains only one microbial species or b) enrichment culture: use of selective culture media to enrich for a set of microorganisms with a particular phenotypic property, resulting in a partially purified, mixed culture. Please do not choose this option for purified strains or c) bulk environmental DNA: PCR-amplified directly from source/host DNA using: i) universal primers or ii) species-specific primers [2] You have not provided valid organism names. You have simply listed the isolation source. Please provide more detailed organism name if possible. For example are these from uncultured bacterium, uncultured fungus, etc. [3] Provide unique names (such as clone, isolate, strain, or laborator designation) that we can use to distinguish the separate sequence submissions. For a more detailed explanation, see below. [4] Provide additional details describing the environmental conditions and geographic location where these sequences or organisms were isolated. Please provide this as a spreadsheet or tab-delimited table: If you submitted using BankIt:bankitno. sequenceID identifier environment bankit123456 Seq1 abc1 soil ,bankit123457 Seq2 def2 ocean water If you submitted using sequin:SeqID identifier environment AB1 abc1 soil, CD2 def2 ocean water For your reference, please find your preliminary flatfiles below with the information we currently have. Sincerely, Linda Frisse, PhD 基因序号的获得 Dear Dr. Linda Thank you for your letter. I'll give you more information about the 9 sequence submissions. [1] All the sequences are from enrichment culture. [2] From your letter, I can't understand clearly what is organism names. So I as I understand provides all names. If you have any problem you can ask me. The organism names about the bacteriais following: BankIt1464287 Staphylococcus. YA1, BankIt1464297 Pseudomonas. YA6 BankIt1464298 Aeromonas. SB9, BankIt1464299 Sphingobacterium. BB11 BankIt1464300 Aeromonas. TB13, BankIt1464301 Staphylococcus. JB17 BankIt1464302 Comamonas. CB22, BankIt1464303 Arthrobacter. JB18 BankIt1464304 Galactomyces geotrichum. SE3 [3] unique names are all strain. [4] All enviroment informations are shown in following table bankitno. name environment BankIt1464287 YA1 Sludge from Songjiang sewage treatment plant aeration anaerobic zone BankIt1464297 YA6 Sludge from Songjiang sewage treatment plant aeration anaerobic zone BankIt1464298 SB9 Activated sludge from Songjiang sewage treatment plant second pond BankIt1464299 BB11 Soil from cabbage fields in Songjiang BankIt1464300 TB13 Soil from Songjiang University city’s refectory BankIt1464301 JB17 Soil from gas station beside the university subway station BankIt1464302 CB22 Songjiang sewage treatment plant effluent BankIt1464303 JB18 Soil from gas station beside the university subway station BankIt1464304 SE3 Activated sludge from Songjiang sewage treatment plant second pond Sincerely, Shan Li Dear GenBank Submitter: Thank you for your direct submission of sequence data to GenBank. We have provided GenBank accession numbers for your nucleotide sequences: BankIt1464287 BankIt1464287 JN226389, BankIt1464297 BankIt1464297 JN226390 BankIt1464298 BankIt1464298 JN226391, BankIt1464299 BankIt1464299 JN226392 BankIt1464300 BankIt1464300 JN226393, BankIt1464301 BankIt1464301 JN226394 BankIt1464302 BankIt1464302 JN226395, BankIt1464303 BankIt1464303 JN226396 BankIt1464304 BankIt1464304 JN226397 We strongly recommend that these GenBank accession numbers appear in any publication that reports or discusses these data, as they give the community unique labels with which they may retrieve your data from our on-line servers. Sincerely, Linda Frisse, PhD The GenBank Direct Submission Staff Bethesda, Maryland USA

温度对微生物发酵的影响及其控制

温度对微生物发酵的影响及其控制 一、温度对发酵的影响 微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～40℃。在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长和代谢产物的生成顺利地进行。 温度对发酵有很大的影响。它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（温度每升高10℃，化学反应速度所增加的倍数）来表示。在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是2～3。而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律，也就是说，在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力会下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。 有人考察了不同温度(13～35℃)对青霉菌的生长速率、呼吸强度和青霉素生成速率的影响，结果是，温度对这三种代谢的影响是不同的。按照阿伦尼乌斯方程计算，青霉菌生长的活化能E=34kJ／mol，呼吸活化能

E=71kJ／mol，青霉素合成的活化能E=112kJ／mol。从这些数据得知：青霉素生成速率对温度的影响最为敏感，微小的温度变化，就会引起生成速率产生明显的改变，偏离最适温度就会引起产物产量发生比较明显的下降，这说明次级代谢发酵温度控制的重要性。因此，温度对菌体的生长和合成代谢的影响是极其复杂的，需要考察它对发酵的影响。 温度还能改变菌体代谢产物的合成方向。如在高浓度Cl-和低浓度Cl-的培养基中利用金霉素链霉菌NRRLB-1287进行四环素发酵过程中，发酵温度愈高，愈有利于四环素的合成，30℃以下时合成的金霉素增多，在35℃时就只产四环素，而金霉素合成几乎停止。 温度变化还对多组分次级代谢产物的组分比例产生影响。如黄曲霉产生的多组分黄曲霉毒素，在20℃、25℃和30℃下发酵所产生的黄曲霉毒素(aflatoxin)G1与B1的比例分别为3:1、1:2、1:1。又如赭曲霉在1 0～20℃发酵时，有利于合成青霉素，在28℃时则有利于合成赭曲霉毒素A。这些例子，都说明温度变化不仅影响酶反应的速率，还影响产物的合成方向（当然，这也是酶反应）。据报道，温度还能影响微生物的代谢调控机制，在氨基酸生物合成途径中的终产物对第一个合成酶的反馈抑制作用，在20℃低温时就比在正常生长温度37℃时抑制更严重。 除上述直接影响外，温度还对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收

第10章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定

第10章微生物的进化、系统发育和分类鉴定 重点、难点剖析 学习本章的目的是：①掌握有关微生物分类学的一些基本概念，了解分类学目前的整体发展水平；②认识生物大分子被用作系统发育研究的原理，rRNA，尤其是16(18)SrRNA 被挑选作为主要研究对象的原因；③掌握分类命名的基本常识，认识分类鉴定特征的分类学意义，了解分类鉴定方法的发展；④了解“伯杰氏手册”的分类概况，重点是知道运用包括“手册”在内的分类学资料，选择适当的特征测定方法进行微生物分类鉴定。 1．rRNA序列与微生物系统发育、系统树及三域理论的提出。仅仅根据表型特征来推测微生物的进化谱系和进行系统分类其结果往往是不够准确的。在当代，主要是通过分析和比较微生物大分子的一级结构特征，即比较蛋白质、RNA或DNA的分子序列特征作为判断微生物进化谱系和进行系统分类的主要特征。通过比较大分子序列进行谱系分析的理论基础是：这些大分子序列进化变化的显著特点是进化速度相对恒定。这就意味着，分子序列进化的改变量(氨基酸或核苷酸的替换数或替换百分率)与分子进化的时间成比例。因此，我们就可以通过比较不同类群生物大分子序列的改变量来确定它们系统发育相关性或进化距离。 目前，把rRNA特别是16(18)SrRNA作为微生物系统发育研究的主要对象，主要是因为：①它普遍存在于各类原核和真核生物中，在生物进化历程中，其功能重要而稳定，而且在分子中存在高度保守序列区域又有中度保守和高度变化的序列区域，这样就有利于对亲缘关系远近不同的各类生物进行比较；②相对分子质量大小适中，这样在技术上既便于序列测定也有利于序列资料的比较分析。 目前，主要用全序列分析法测序，取得原始的序列资料，然后用计算机进行排序，使所比较的分子序列同源位点一一对应，并两两进行比较，统计两序列同源位点之间碱基的异(不匹配)同(匹配)数值。通常用相似性系数或表示距离的数值来表示微生物之间亲缘关系的远近，还可以通过寻找印迹序列来进行分类鉴定。构建系统树是系统学的重要任务。伍斯等根据16(18)SrRNA序列比较所绘制的、涵盖所有生物各大门类的“全生命”系统树，是近年这一领域有影响的重要成果。我们应看懂这个图，但不能认为这就是最后结论，一方面它只是根据对一些代表生物的研究提出的，随着研究的进一步扩展和深入，还会进一步修改；另方面，也许生物的系统发生比目前我们所认识的要复杂得多。 三域理论是伍斯通过16(18)SrRNA序列比较提出的，随后其他方面的研究也在一定程度上支持了这一理论，目前已得到较广泛的认同。将古生菌与细菌分开单独作为一域，除了因为它们的16SrRNA缺乏作为细菌特征的那些序列外，它们还具有下列突出特征区别于细菌：①细胞壁无胞壁酸；②有醚键分支链的膜脂；③tRNA的T或TΨС臂没有胸腺嘧啶；④特殊的RNA聚合酶；⑤核糖体的组成和形状也不同。古生菌具有与细菌和真核生物相似的特征又具有显著区别的特征。因而认为，在生物进化的历史中，它们是根源深远的一支进化主干。 2. 菌株、种及命名模式。在涉及微生物菌种的工作中，操作实体不是“种”而是菌株。同一种不同菌株的某些生物学性状(其中有的性状可能对生产或研究十分重要)往往有重要区别。所以，我们不仅仅要注意种名，还应注意菌株名称。种作为分类的基本单元是应用极其广泛的概念，对于缺乏有性生殖的细菌(原核生物)，其物种的定义不能用高等生物所用的“生殖隔离”的标准来界定。种的学名用双名法命名，即由：属名+种名加词两部分构成，这就决定了任何一个种在系统分类中一定归属于某一个属。亚种名为三元式组合，由种的学

微生物的适应性进化

微生物的适应性进化 适应进化又称定向进化"实验室进化或驯化，是目前备受瞩目的菌种改良技术，能够使菌株在较短的时间内有效地改变菌株的某些表型或生理特性（如菌体生长速度，底物消耗速度，耐受高温高低pH值以及不同有机溶剂等），并且基本不会影响除目的表型外的其他优良性状。目前实验室最常用的适应进化方法是在特定条件（给予选择压力）下将微生物连续传代培养，通过菌株自发突变的不断富集，获得适应特定条件的表型或生理性能。 在微生物进化过程中，选择压力的存在可以保证微生物在与选择压力的相互作用下，菌种的随机变异实现定向淘汰，与环境相适应的基因型得以保存，特别是在人工选育过程中，通过人工施加定向的选择压力，使微生物沿着所需的方向的进化，从而获得目标性状的菌种。乙酸作为细胞毒素经常在很多生物过程中作为副产物不断积累，乙酸浓度逐渐升高的环境压力存在于许多工业微生物领域。以生物乙醇的生产为例，副产物乙酸会严重抑制乙醇的生产，Peter Steiner 等人将不耐受乙酸的野生型 Acetobacter aceti 进行适应性进化实验，将逐渐提高浓度的乙酸作为选择压力，经过 240 代的适应性进化，获得了能够耐受50g/L 浓度的乙酸的菌株。Hillesland 和 Stahl 首次将脱硫弧菌和产甲烷菌混合培养300 代来研究混菌体系的进化历程，脱硫弧菌为产甲烷菌提供氢离子，产甲烷菌通过消耗氢离子为脱硫弧菌提供适宜生存的条件，两者通过代谢产物的交流实现专性的互利关系。虽然两种菌株都是从共生微生物体系中分离，但是它们是从不同的环境中分离出来，而且单独培养。将这一严格互利共生的混菌体系进行适应性进化实验，其实验核心就是将体系中的一种微生物作为另一微生物的选择压力进行了实验设计，这种生物选择压力的存在能够使适应彼此物质代谢交流的菌种得以保存和扩大种群优势，进化后的混菌体系生长速率提高了80%，生物量提高了30%。 单菌多次级代谢产物策略在“沉默代谢途径”的应用 在非自然条件下，微生物中很多编码次级代谢产物的基因簇是保持沉默的。在细菌和真菌中有关次级代谢产物合成的基因簇数目远远大于实验室条件下实际合成的天然产物的数目[29]。毫无疑问，这些沉默的基因簇是发现活性药物组分的巨大资源库，如何激活这些未表达或者表达量比较低沉默基因将是我发现新

环境微生物学讲稿-第二章 微生物的起源与进化

第二章微生物的起源与进化 第一节微生物的起源与化学进化 Oparin-Haldane生命起源假说 原始的地球呈熔化状态。当逐渐冷却时则形成地核、地幔和地壳。地球冷却时，二氧化碳、甲烷、氨、氮气、氢气、硫化氢、水蒸气等气体被挤压出地壳表面，形成地球周围的大气圈。水蒸气的冷凝还形成了地壳表层的水圈。地壳表面的水圈和大气圈与生命的起源密切相关。 Oparin-Haldane生命起源假说由俄罗斯科学家Oparin于1925年和英国科学家Haldane1930年独立提出 生命起源假说的实验证据 Stanley L. Miller和Harold C.Urey 用来证明非生命合成有机物包括 氨基酸和核酸碱基的实验装置 整个装置内充满还原性气体，烧瓶加热 产生水蒸汽，并在另一端冷凝。在这个 装置里，两个电极放电作为有机物合成 的能量来源。 在Miller和Urey的实验中，首先由甲烷转化成甲醛和氰化氢，接着这些化合物结合产生尿素和甲酸，最后产生氨基酸（包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸、脯氨酸、天冬氨酸）。在液态下，氨基酸形成蛋白质不易进行，在粘土的表面则易进行，粘土具有吸附性能和原始催化性能。在外部化学条件或类似蛋白质的催化下，一些蛋白质可进行自我复制。随后是碱基的合成；核酸的合成；核酸的转化等。 第二节微生物细胞的进化] 将磷脂放入水中，也可自发形成团聚体，呈双分子层，类似细胞膜。这种团聚体能够吸收外面的液体而生长，并能缢断凸出物而形成新的团聚体，后者很像酵母菌的芽殖。这些团聚体具有一细胞器如酶、电子载体、叶绿体等的功能，可进行代谢、电子传递或光能作用。由这些蛋白所形成的微球具有有限的催化能力和自我复制能力，更加接近化学进化产生细胞的中间形态。在没有核酸时，能够自我复制的蛋白质微球可看成是最原始的细胞（朊病毒就只有蛋白质一种成份）。这些最原始的细胞称为始祖生物（progenote）。 核酸的获得和利用促进了细胞结构与功能的发展。细胞先利用核糖核酸（RNA），后来利用核糖核酸和脱氧核糖核酸（DNA）作为模板合成蛋白质。细胞膜、酶活性和核酸组织在一起，导致了原始原核生物（eugenote）的产生。 有关微生物进化的化石证据不完整。

高温对微生物的影响

温度对微生物的影响及微生物在食品工业中的应用 温度对微生物的影响是广泛的，改变温度必然会影响微生物体内所进行的多种生物化学反应。适宜的温度能刺激生长，不适的温度会改变微生物的形态、代谢、毒力等，甚至导致死亡。不同的微生物都有自己的最适生长温度。以下是高温和低温情况下对微生物的影响。 高温对微生物的影响：微生物在高于生物动力区的温度，即高于100℃会被杀死，实际上，就大多数微生物来讲，在温度高于大约50℃条件下即引起死亡。有机体的生命活动主要是由酶催化的，酶又是由易发生热变性的蛋白质构成的，所以，微生物的热致死多是因细胞酶的热钝化所引起的。已知呼吸酶，特别是在催化三羧酸循环反应中的那些酶对热变性是特别敏感的，这些呼吸酶的变性能导致生物体的死亡。另外，微生物在高温下死亡也很可能起因于部分RNA热钝化以及损坏原生质膜所引起。一般来说当温度升高到破坏呼吸酶的程度时，细菌即不能生长。 低温对微生物的影响：随着温度降低，微生物细胞内的酶的活性随之下降，使得物质代谢过程中各种生化反应速度减慢，因而微生物的繁殖速度也随之减慢。在正常情况下，微生物细胞内的各种生化反应总是相互协调一致的。但在降温时，各种生化反应按照其各自的温度系数减慢，破坏了各种生化反应的协调一致性，从而破坏了微生物细胞内的新陈代谢，使微生物细胞内的原生质勤度增加，胶体吸水性下降，蛋白质分散度改变，并最终导致不可逆的蛋白质凝固，破坏其物质代谢的正常运行，对细胞造成严重的损害。 当食品冻结时，冰晶体的形成会使得微生物细胞内的原生质或胶体脱水，细胞内溶质浓度的增加常会促使蛋白质变性。同时，冰晶体的形成还会使微生物受到机械性的破坏。因此，冻藏可抑制食品中所有微生物的生长，延长食品的储藏期。 微生物学原理在食品生产中的应用非常广泛，比如说酿醋，酿酒，氨基酸发酵，乳制品发酵等等。在这里我就只介绍一下乳制品的发酵。 发酵乳制品 发酵乳制品是指良好的原料乳经过杀菌作用接种特定的微生物进行发酵作用，产生具有特殊风味的食品，称为发酵乳制品。它们通常具有良好的风味、较

低温对于生物处理效果影响的试验研究

低温对于生物处理效果影响的试验研究 韩洪军、马文成 哈尔滨工业大学市政环境工程学院（150090） E-mail：han1955@https://www.wendangku.net/doc/7a5960091.html, 摘要：我国北方地区冬季时污水处理系统普遍存在处理效果差，处理水难以达标等问题。本文通过模拟自然降温过程，针对温度降低所引起得活性污泥系统的吸附、降解和沉降性能的变化进行研究。试验结果表明：与常温相比温度降低至5℃时活性污泥系统的COD去除率大幅度降低；温度降低对活性污泥初期吸附作用影响较大，温度越低越明显；低温时活性污泥的沉降性明显低于常温。 关键词：低温；活性污泥；吸附性能；沉降性能；冷适微生物 1.引言（四号，宋体，加粗） 我国北方地区冬季气候十分寒冷，冰冻期长达3～6个月之久，最低气温在-30℃以下，冬季的平均水温一般不超过10℃。寒冷的气候条件导致了污水处理系统中微生物的数量和活性急剧下降，严重地影响了污水厂的生物处理效果【1】，【2】。研究表明，当温度下降到10℃以下时，起主要降解作用的中温菌已经失去了降解有机物的能力，而冷适微生物由于世代时间较长，并且受自身生理特性和各种生态因子的抑制作用，在数量上不能达到一定的程度，从而导致了生物处理效果的降低【3】。目前的工程中一般采用降低污泥负荷、增加污泥回流量、增长水力停留时间甚至对池体做升温或保温等措施，以保证污水厂在冬季时的正常运行，但这不仅会增加工程的投资和运行费用，还会带来污泥膨胀等一系列问题。本文通过模拟自然降温过程，对低温条件下活性污泥有机物降解能力、吸附性能、沉降性能变化及其机理进行研究。 2.试验装置与方法 2.1 试验装置 本试验采用圆柱型有机玻璃反应器，内径14cm，高60cm，有效容积8.6L，放置于低温生化培养箱中，实验温度控制在5～15℃，水温由测温仪在线测定。采用微孔曝气管布气，鼓风机供气，并由转子流量计控制气量，反应器中溶解氧的测定采用溶解氧仪在线测定。实验装置见图1。 2.2 试验用水和污泥 本实验用水一部分取自家属区的生活污水:COD Cr=230～350 mg/L，BOD=160～250 mg/L，pH=6.5～7.4;另一部分采用按BOD5:N:P=100:5:1的比例在自来水中投加啤酒、尿素和磷酸二氢钾而获得。种泥来源于校内家属区化粪池的底泥，底泥经过滤、沉淀、淘洗后投 11本课题得到国家高技术研究发展专项经费资助（项目编号：2003AA601090） - 1 -

卫生微生物学笔记

卫生微生物学笔记

负责整理者：李江恒 同组者：童柏铭黎智斌潘永帅周守林 注：“”标记的为必须掌握的重点 “”标记的为掌握和注意的知识点 “（）”括号内的为解释说明作用，多了解即可 其他未做任何标记的为熟悉或了解知识点 卫生微生物学 第一章绪论 第一节卫生微生物的发展史（了解） 一、启蒙时期对病原的认识 包括文明古国对病原的认识、卫生学的启蒙和早期对微生物的认识。 二、微生物学的初创和奠基时期 （一）、微生物的发现：17世纪，荷兰人列文·虎克利用自制显微镜，第一次看到微小生物，开创了用实验的方法研究微生物的先河。 （二）、微生物学学科的形成：巴斯德和郭霍是微生物学的奠基人。巴斯德的成就:①“巴氏消毒法”应用于各种食物和饮料消毒；② 发现并根除一种侵害蚕卵的细菌，拯救了丝绸工业；③意识到许多疾病由微生物引起，建立了微生物理论。郭霍的成就：创用了固体培养基，从环境和病人标本中分离纯化培养和鉴定细菌，为病原体的发现提供了重要的实验手段。 三、近代与现代微生物学时期 包括疾病预防的卫生学起源和卫生学学科的形成。 第二节卫生微生物学的定义 一、定义（掌握） 卫生微生物学（sanitary microbiology）：是研究微生物与其环境相互作用的规律、对人类健康的影响以及应对方略的科学。 二、卫生微生物学定义的范畴（掌握） 广义从上讲，卫生微生物包括存在于自然界的所有微生物，包括致病微生物（较少）和非致病微生物（较多）；从狭义上讲，卫生微生物不包括引起传染病流行的病原微生物；卫生微生物的定义是广义的。

三、卫生微生物学的研究内容（熟悉） （一）、研究微生物在环境中的分布消长规律 1.空间分布 2.时间分布 3.不同环境的消长规律 4.不同环境中的种类分布 5.不同环境的生存能力 6.不同环境的致病能力 （二）、环境因素在微生物传播疾病中的作用 （三）、研究卫生微生物的检验技术和方法 检验的目的：对微生物进行定性、定量、来源分析 检验方法：浓缩（提高检出率）、免疫学（增强特异性）、各种标记（增加能见度）、分子生物学方法（增加准确度）。 （四）、研究和制定卫生微生物标准 为卫生微生物监督工作提供理论依据。 （五）、研究利用微生物解决卫生学问题 1、微生物检测环境污染：沙门氏菌致突变试验（Ame test）检测污染物的致突变性；发光细菌检测污染物的急性、毒性。 2、微生物治理污染-环境生物技术 第三节卫生微生物与相关学科的关系（理解） 一、卫生微生物学与医学微生物学 卫生微生物学与医学微生物学的区别（熟悉）

细菌16S rDNA序列比对进化树构建

细菌16S rDNA序列比对进化树构建 生物科学131班 13213103王馨悦 一、实验目的 学习并掌握使用MEGA软件构建细菌16S rDNA的进化树 二、实验原理 1、细菌识别与鉴定手段的发展 1）传统的表型观察：群体（菌落）、个体 2）生理生化分类：如格兰仕阳性或阴性细菌的鉴定 3）分子水平鉴定：如（G+C）mol%、16SrDNA等，具有耗时短，成本低， 准确性高的优点 2、rRNA的特性 1）具有重要且恒定的生理功能； 2）约占细胞中RNA含量的90%，易于提取 3、细菌中包括三种rRNA，分别为5S rRNA、16S rRNA、23S rRNA 1）5S rRNA核苷酸太少，没有足够的遗传信息用于分类研究 2）23S rRNA核苷酸数几乎是16S rRNA的两倍，分析较困难 3）16S rRNA适于作为序列分析对象的依据 a.在16S rRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度保守和高度 变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的各类生物亲缘关系的研究； b.16S rRNA分子分子量大小适中，约1540bp，便于序列分析； c. 16S rRNA普遍存在于真核生物和原核生物中（真核生物中其同源分子是18S rRNA）。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。 三、实验步骤 1、NCBI序列下载 根据实验中老师提供的Genbank登录号（EF012357，AF506513，AB017203）在NCBI上 (https://www.wendangku.net/doc/7a5960091.html,/blast/Blast.cgi)下载菌株的序列 2、Eztaxon序列比对 将前一步所得的菌株序列在Eztaxon网站进行序列比对，并下载亲缘关系 较近的模式菌株序列如图（https://www.wendangku.net/doc/7a5960091.html,/eztaxon）

环境对微生物生长的影响

环境对微生物生长的影响 一.实验目的： 1. 了解温度对微生物生长的影响； 2.了解渗透压对微生物的影响； 3. 了解某一抗生素（链霉素）的抗菌范围，学习抗菌谱试验的基本方法。 二.实验原理： 1. 温度: 温度是影响微生物生长与存活的最重要因素。自然界的微生物可根据对温度的适应性分为低温型、中温型和高温型。但不管哪一种温度型的微生物，都有生长温度范围。分为最高、最适和最低生长温度。在最适宜温度里生长良好：超过最高温度细胞死亡；低于最低温度细胞被抑制或死亡。 温度对微生物影响的实际应用：应用上利用高温进行杀菌；低温抑制微生物；最适温度培养微生物的活动。 高温加热灭菌法有火焰灼烧；煮沸消毒；干热空气灭菌；高压蒸汽灭菌等。高温 干热致死机理：主要由于细胞内蛋白质受热变性，蛋白质结构发生变化而凝固等。高温热致死的影响因素有致死温度、高温时间和微生物的耐热性能。一般情况下，病原微生物细胞最不耐热，而霉菌和放线菌的孢子、细菌芽孢最耐热。 低温下多数微生物处于被抑制状态。病原菌和一些微生物在低温下也易死亡。其致死机理为细胞内外水份结成冰，冰晶对细胞造成损伤破坏作用。因此，应用上低温可以用来保存食品，和在有一定措施条件下进行保存菌种。 2.渗透压的影响：在等渗溶液中，（环境渗透压和细胞内渗透压相同或相近，细胞在等渗环境中生长好，如0.85％氯化钠——生理盐水），微生物正常生长。在高渗溶液（如高盐、高糖溶液中），细胞失水收缩，从而抑制了微生物体内的生理生化反应，抑制其生长繁殖。而在低渗溶液中，由于细胞壁的保护作用，微生物受低渗的影响不大。 不同类型的微生物对渗透压变化的适应能力不尽相同，大多数微生物在0.5％3％的盐浓度范围内可正常生长，10～15％的盐浓度能抑制大部分微生物的生长，但对嗜盐细菌而言，在低于15％的盐浓度环境中不能生长，而某些极端嗜盐菌可在盐浓度高达30％的条件下生长良好。 本实验选择了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作为实验菌种，其中大肠杆菌耐高渗透压的能力较差，在3%以下的NaCl下能正常生长，以5%的NaCl下即受到抑制；

温度对微生物的影响研究和应用

温度对微生物的影响 ：金成专业：环境工程学号： 摘要 温度对微生物各种的影响是广泛的，改变温度必然会影响微生物体所进行的多种生物化学反应，从而影响微生物各种生理特性的表达。每一种微生物都有一定的生物动力区温度，包括最低生长温度和最高生长温度以及最适生长温度。最适生长温度能刺激生长，不适的温度会改变微生物的形态、代、毒力等，甚至导致死亡。本论文还从垃圾效率中温度对微生物的影响的实验为例，着重说明温度因子对微生物特性表达所起的重要作用。 关键词温度微生物堆肥效率

温度对微生物的影响是广泛的，改变温度必然会影响微生物体所进行的多种生物化学反应。适宜的温度能刺激生长，不适的温度会改变微生物的形态、代、毒力等，甚至导致死亡。 一般来说，温度能影响微生物的地理分布，而对种类分布影响并不明显。例如，高温细菌一般可从热带土壤、温泉、酸败的食品罐头中分离到，但也可从非热带土壤中分离到。由于温度对微生物有重要影响，所以微生物分类学上常用“最适生长温度”、“最高生长温度”，“最低生长温度”及温度存活试验作为鉴定菌种的一项生理特征，配合其它形态与生理特性，以区别不同温度围的种、属。 温度是影响微生物生长的重要因素。一方面，在一定围随着温度的上升，酶活性提高，细胞的生物化学反应速度和生长速度加快，一般温度每升高10℃，生化反应速率增加一倍，同时营养物质和代产物的溶解度提高，细胞膜的流动性增大，有利于营养物质的吸收和代产物的排出；另一方面，机体的重要组成，如核酸、蛋白质等对温度较敏感，随着温度的升高可遭受不可逆的破坏。各种微生物都有其生长繁殖的最低温度、最适温度、最高温度和致死温度。微生物能进行繁殖的最低温度界限称为最低生长温度。低于此温度微生物不能生长。使微生物生长速率最高的温度叫最适生长温度。不同微生物的最适生长温度不同。微生物生长繁殖的最高温度界限叫最高生长温度。超过这个温度会引起细胞成分不可逆地失去活性而导致死亡。 一，微生物的生长温度类型 不同微生物的最适生长温度差异很大，根据微生物的最适生长温度，可将它们分成低温微生物、中温微生物和高温微生物。如下表1所示。 （1）低温微生物又称嗜冷微生物，能在O℃下生长，可分为专性嗜冷和兼性嗜冷两种。专性嗜冷微生物的最适生长温度为巧℃左右，最高生长物温度为20。兼性嗜冷微生物生长的温度围较广，但最适生长温度仍以20℃左右为好，最高生长温度为35℃左右。嗜冷微生物如假单胞菌、乳酸杆菌和青霉等多分布在海洋、深湖、冷泉和冷藏库中，分解其中的有机物。 根据研究，嗜冷微生物能在低温下生长主要由于嗜冷微生物的酶在低温下能更有效地起催化作用，而高温达30一40℃时会使酶失去活性;嗜冷微生物的细胞膜含不饱和脂肪酸较高，能在低温下保持膜的半流动性，从而保证了膜的通透性， 有利于微生物的生长。 （2）中温型微生物又称嗜温型微生物，绝大多数微生物属于这一类。其最适生长温度为20-40℃，最低生长温度为10-20℃，最高生长温度为40-50℃。土壤、植物、温血动物及人体中的微生物大部分属于这一类。它们又可分为温室性微生物和体温性微生