0 引言
在自然界中，有些环境是普通生物不能生存的，如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压、高辐射等。然而，即便是在这些通常被认为是生命禁区的极端环境中，仍然有些微生物在顽强的生活着，这些微生物叫做极端环境微生物或简称为极端微生物。低温微生物是重要的极端微生物之一，直到 20 世纪 70 年代才被系统地研究与分类。Morita将低温微生物分为两类：一类是生活在低温下且其最高生长温度不超过 20℃，最适温度在15℃，在0℃可生长繁殖的微生物称嗜冷菌；另一类为最高生长温度高于20℃，最适温度高于15℃，在0~5℃可生长繁殖的微生物称耐冷菌[1].
由于耐冷菌比嗜冷菌更能忍受温度波动，因此其在低温环境中占据着独特的生态位。近年来，低温微生物在污水处理领域中的应用逐渐受到重视[2].
1 低温微生物的菌种资源
低温微生物在地球上分布广泛，主要分布于海洋、极地环境、冰川、高山冻土等常冷环境中。此外，还存在于常温土壤、人工湿地、河流底泥、低温生物膜、池塘等一般生境。20世纪70年代以来，极端环境微生物已成为微生物学发展的新领域和新的资源库。低温微生物具有广泛的微生物区系，已发现的低温微生物既有真细菌、蓝细菌，又有酵母菌、真菌和藻类，其中以真细菌居多。近年已报道的部分低温微生物的门、属种、革兰氏类型、最适生长温度及其所在生境见表1.低温细菌主要涉及6门、30余属种。其中，以变形菌门中γ-变形菌居多。具体情况如下：蓝藻门（1种）、鞘脂杆菌门（1种）、黄杆菌门（1种）、放线菌门（4种）、厚壁菌门（3种）和变形菌门（24种）。另外，酵母也是较常见的低温微生物[21].
2 低温微生物的耐冷机制
2.1 细胞膜的适应
低温主要影响细胞膜中脂质双分子层对溶质的渗透功能，减弱细胞对营养物质的吸收。耐冷菌在低温条件下生存，主要依赖于细胞内膜流动性的调节能力，最常见的适应是改变细胞膜中脂肪酸的组成[15,40].饱和脂肪酸在去饱和酶的低温诱导下会转化为不饱和脂肪酸，而它的增加会引起脂类熔点的降低，使细胞膜保持良好的流动性，利于耐冷菌生存[41].Russell等[15]研究发现当温度由37℃降至8℃时，厌氧细菌Clostridium botulinum体内不饱和度由27%增长至40%,这是通过增加支链脂肪酸、不饱和直链脂肪酸的数量，减少环状脂肪酸的浓度实现的。此外，低温菌还可通过改变极性头组的大小和电荷[30]、膜中的蛋白质含量、类胡萝卜素的构成[4,42]、短链和长链脂肪酸的比例[43]、顺反式脂肪酸的比例[30],增强膜的流动性。但上述所有的策略并不均具有效性，例如极性头组的变化对于修改膜流动性的效果不太明显[44].Denich等[45]也研究发现通过改变脂肪酸链的长度来增强膜的流动性只可能发生在生长细胞中。此外，低温菌适应低温环境也主要取决于由双组分信号转导通路组成的膜传感器和胞质反应调节器参与低温信号的感知和转导能力，达到激活冷调节基因的目的[46].
2.2 冷适应酶
在低温环境下，菌体细胞内的化学反应速率会降低，此时低温菌体内会合成具有较高催化效率的冷适应酶，以维持足够的代谢通量[47].迄今为止，获得的冷适应酶主要有核糖核酸酶[24],RNA聚合酶[29],铁超氧化物歧化酶[35],碱性磷酸酶[48],酪氨酸磷酸酶[49],α-淀粉酶、β-半乳糖苷酶[50],氨肽酶[51],琥珀酸脱氢酶[52],谷氨酸脱氢酶、葡萄糖脱氢酶、木聚糖酶、胰蛋白酶[53]等。Zheng等[35]研究发现耐冷菌Marinomonas sp. NJ522能产生耐冷型铁超氧化物歧化酶（Fe-SOD），分子量约48kDa,该酶在pH 8~10、40℃时活性最大，在0℃时能保持最大活性的35%.辛明秀等[52]分离到一种具有催化活性的琥珀酸脱氢酶，该酶的最适反应温度为20℃，但在0℃仍可保持酶活性的20%.
2.3 冷应激蛋白质。
当温度突然降低时，低温菌会相应诱导表达多种蛋白，最主要的一类称为冷休克蛋白（CSPs）[54].低温时，CSPs 可优先结合单链 RNA和 DNA,并作为转录催化剂或 mRNA 分子伴侣参与细胞内的转录、翻译、蛋白折叠以及调控膜的流动性[55].CSPs的基因同系物也已经在几种南极细菌中发现[56],其中最主要的一类冷休克蛋白为CspA.Jiang等[57]研究发现CspA在低温时可作为RNA的分子伴侣并参与hrs和gyr A两种冷休克基因的转录调节。低温菌在低温环境连续生长期间产生第二类永久性蛋白，称为冷适应蛋白（CAPs），它的存在确保了低温时细胞内蛋白质的正常合成[58],保护细胞周期及菌体的生长。Kawahara 等[32]在一株冰核菌 Pantoea ananasKUIN-3体内发现了一种冷适应蛋白Hsc 25,该酶在分别经过热、冷和盐酸胍处理使其变性后均能够重折叠酶结构。
2.4 抗冻蛋白
抗冻蛋白（AFPs）是一个结构多元化的蛋白质集团，具有修改冰晶体结构的能力[59],抑制细胞外冰晶体的重结晶[60].AFPs普遍存在于长期生活在冷水里的鱼体内，防止鱼体内血液的凝固。
Yamashita等[39]于2002年发现了第一例产AFP的南极菌株Moraxella spGilbert等[36]在从南极冰湖中分离获得的11株细菌体内均发现含有AFPs, 其中Marinomonas primoryensis产生一种Ca2+依赖型AFPs[61],一般的AFPs具有较差的冰点下降活性，而Ca2+依赖型AFPs具有较好的冰点下降活性，可使冰点下降超过2℃，在热滞后过程中不会产生明显的冰晶。因此，AFPs对于长期生活在极端寒冷环境中的微生物具有不可替代的重要性。
2.5 冷冻保护剂
冷冻保护剂是一类化学物质，而低温菌先天具备合成各种不同冷冻保护剂的能力，如糖类、氨基酸、甜菜碱等，它们的存在一方面能够阻止蛋白质的低温诱导聚合。另一方面冷冻保护剂能够维护膜的最佳流动性[62].海藻糖是对抗热冲击和渗透胁迫的一种重要保护剂[63],通过更换细胞中的水分保持细胞膜和蛋白质的稳定性，同时保护细胞内的水结构[64].外源海藻糖有助于保护有机体，使其免遭冻结，当海藻糖刚好处于细胞膜两侧时，对细胞会产生最大程度的保护功能[65].
Ko 等[66]证实了低温时三甲基甘氨酸对 Listeriamonocytogenes具有促生长的作用。Angelidis等[13]在生存于低温环境下的食物病原体Listeria monocytogenes中发现了甜菜碱这种冷冻保护剂，但尚未弄清甜菜碱的作用机理，可能是作为化学伴侣蛋白，防止细胞蛋白质在压力条件下的聚合。
2.6 RNA的降解
降解体是多种核糖核酸蛋白络合物，是保持细胞RNA稳定性的决定要素。南极细菌Pseudomonas syringae的降解体中包含核糖核酸内切酶RNAse E、核糖核酸外切酶RNAse R及RNA解旋酶，其中RNAse R 可以降解大量的RNA二级结构，减少了ATP的消耗，从而在低温时帮助细胞保存能量，而RNAse E与RNAse R之间的作用相关性尚未明确[67].
3 低温微生物在污水处理中的应用
一般认为，利用生物法处理污水时占主导地位的是中温菌，其最适生长温度为25~37℃，但在污水温度一般为5~10℃的寒冷地区，中温菌的活性大大降低，使得污水处理效果差，出水无法达标排放[68],然而由于耐冷菌具有特殊的生理特征、低温催化活性，利用其对寒冷地区污水进行治理，已引起研究者们的兴趣，近年来相关的实验研究报道也较多[14,69-71].
3.1 对COD、氮磷废水的降解
常见污染物一般指污水中含有的COD、氮和磷。污水中一般含有较多的氮和磷。这三类污染物一般均采用生物法处理。Chevalier等[3]分离到4株耐冷丝状蓝细菌，该类菌在低温环境时对氮和磷均有较高的去除率。李荷等[22]筛选到耐冷有机磷农药降解菌Plesiomonas sp.SA-8,利用其降解甲基对硫磷，在最适温度20℃时降解率高达93%,当温度位于 10℃时，降解率也可达到66.2%.李明堂等[38]研究了土着反硝化菌Acinetobacter johnsonii DBP-3对低温富营养化水体中典型营养盐的去除特征，结果表明，在避光、10℃和静置条件下培养，菌株对模拟系统中的氮磷和溶解性有机碳具有明显的去除作用。徐巧等[72]筛选出1株耐冷菌，在5℃曝气8 h条件下，对接种废水的COD、氨氮去除率均在90%以上。李慧峰等[73]研究了2株耐冷细菌对污水CODCr的降解效果，去除率分别达23%和53%.孙静等[74]筛选出1株耐冷菌，在 8℃条件下，该菌株对模拟污水中的COD、总磷和氨氮的降解率分别达 62.92%、56.42%和50.63%.
3.2 对石油烃类废水的降解
石油烃类污染物中含有大量不溶于水的物质，在低温下时常呈固态存在，加大了降解难度。中温微生物无法在低温环境下发挥作用，而从各种土壤、淡水和海洋系统中分离的低温微生物能高效利用自然环境中存在的各种石油烃类污染物，并将其作为惟一的能源和碳源[75,76].
Whyte 等[20]分离到菌株 Rhodococcus sp.Q15,该菌在 5℃条件下能高效降解多种短链烷烃及十六烷、二十八烷以及环己烷衍生物等。Lin等[31]分离到石油烃降解细菌Pseudoalteromonas sp. P29,该菌在5℃条件下具有对混合油和真空油作为唯一碳源和能源的能力，并对混合油显示出更高的利用率。
3.3 对芳香烃类废水的降解
芳香烃类化合物是苯及其衍生物，如苯酚、甲苯、萘、菲等，一般难以被微生物降解，但仍有研究表明能够分离到具有较高降解该类污染物效率的耐冷菌。Churchill等[8]分离到耐冷分支杆菌Mycobacterium,该菌可降解三环、四环芳香脂肪烃类化合物。Chauret等[25]筛选出反硝化耐冷细菌Pseudomonas fluorescens,该菌可在低于10℃的条件下降解邻苯二甲酸；Robert等[77]分离到1株能够降解高分子多环芳香烃的耐冷菌。Margesin等[21]从受到烃类污染物污染的高山土壤中分离到4株低温微生物，2株Rhodococcus sp.,2株Basidiomycetous yeasts,均可降解高含量苯酚。其中，1株酵母属从属于锈菌纲，它可能代表着一个新物种，在温度高于20℃时不能生长，在1℃时降解含量为 5 mM 的苯酚，速率高于两种耐冷细菌在10℃时的。
3.4 对氯酚类废水的降解
氯酚类物质是重要化工原料，具有抗菌和消毒功能，被广泛用于农药、防腐和造纸工业中，属于较难降解的有机物且水溶性较高，导致了许多河流、土壤等自然生态系统受到污染。大量研究表明，耐冷菌中的一些菌种能够降解存在于低温土壤、沉积物和水体中各种构型的氯酚类物质。
Zilouti等[78]从受到五氯苯酚污染和农药污染的土壤中分离到几株耐冷高效氯酚降解菌并接种到流化床和生物反应器中，净化地下水中的氯酚污染，结果表明：这2种反应器分别在14℃和（23±1）℃下，氯酚负荷为11 mg/L·h时，氯酚去除率均能达到99%以上。
3.5 对表面活性剂废水的降解
表面活性剂废水中含有的首要污染物LAS属于生物难降解物质，我国环境标准中把它列为第二类污染物质，若不经处理直接排入水体，将造成湖泊、河流等水体的富营养化问题[79].胡浩等[16]分离到苍白杆菌Ochrobactrum sp.T-1和伯克霍尔德菌Burkholderia B-2,并利用这2株菌进行对TritonX-100和Brij-35的降解实验，结果表明：T-1的最适生长和降解温度为25℃，但低温对菌株的影响较小，其降解率在15℃时可达到80%;B-2的最适生长和降解温度为30℃，低温会抑制菌株生长，但对降解率的影响很小。
4 固定化微生物处理废水
由于低温环境使得大部分微生物的新陈代谢处于抑制状态，利用悬浮态耐冷菌群降解水中的污染物质，效果不是很明显[80],并且在实际应用中抗冲击性较差，达不到理想效果。固定化技术能使生物量在处理装置内维持高浓度，提高处理负荷，并且抗毒物毒性强，对水质及pH的变化有较好的抗冲击性[81].关于固定化微生物的应用研究，国内外已有报道基本集中在工业废水和城市污水的处理研究领域，并且国内对这方面的实验研究较多[82-85].
Jae-Koan[86]等的研究结果表明，固定化微生物在30~40 d的操作过程中，对NH3-N的去除达到了100%.贲岳等[87]为确保寒冷地区污水生物处理系统的有效运行，接种耐冷微生物在6~10℃时处理生活污水，COD的去除率达到86.7%.叶姜瑜等[88]分离到可低温降解植物油的菌株，使用泥炭和木屑作为固定化载体，在5℃条件下对模拟含油废水进行处理，结果表明 3 d 后降解率达到77.34%,5 d后达到85.22%.褚可成[89]利用聚氨酯泡沫作为固定化载体并投加到原污水中处理10d,污水中COD、SS和BOD的去除率分别达到了75.7%、87.1%、55.6%.徐成斌等[90]研究了颗粒活性炭固定鲍氏不动杆菌对硝基苯的降解情况，结果表明固定化生物活性炭可在84 h基本完全降解浓度为400 mg/L的硝基苯。耿振香等[91]采用聚乙烯醇-硼酸包埋固定硝化菌和反硝化菌，对生活污水进行硝化反硝化工艺处理，最终氨氮去除率高达96%.魏小娜等[92]将固定化微生物颗粒按20%的填充率装填到自制反应器中处理模拟污染地表水，最终COD去除率达到62.3%,氨氮去除率高于90.6%.
5 结语
近年来有关低温微生物的研究日趋增多，基础研究工作主要集中在低温菌的分布和降解机制方面。低温微生物的研究不仅拓宽了人们对低温微生物的认识，也丰富了微生物资源。但是低温微生物的抗低温机制目前尚不完全清楚，有待于进一步深入地研究。低温微生物的应用研究相对较少。相信随着研究持续深入以及固定化生物工程技术的充分利用，低温微生物在污水处理的应用将有广阔的前景。
参考文献：
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