9.4：温度和微生物生长
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- 200523
学习目标
- 说明并简要描述生长的最低、最佳和最高温度要求
- 识别和描述具有生长温度要求的不同类别的微生物：psychrophile、psychrotrophs、mesophile、thermophile、hyperthermophile
- 举例说明每种耐温类别中的微生物
当惠兰斯湖的探索开始在南极洲时，研究人员没想到会找到太多生命。 持续的零度以下温度和缺乏明显的营养来源似乎不是支持生态系统蓬勃发展的条件。 令他们惊讶的是，从湖中提取的样本显示出丰富的微生物生命。 在不同但同样恶劣的环境中，细菌在海底的海口生长（图\(\PageIndex{1}\)），那里的温度可以达到 340 °C（700 °F）。
微生物可以根据它们可以生长的温度范围进行大致分类。 在生物体的最佳生长温度下，生长速度最高。 生物可以存活和复制的最低温度是其最低生长温度。 生长可以发生的最高温度是其最大生长温度。 以下允许生长温度范围仅为近似值，可能因其他环境因素而异。
被归类为嗜温生物（“中等爱好者”）的生物适应中等温度，最佳生长温度从室温（约20°C）到大约 45 °C 不等。正如人体核心温度 37 °C（98.6 °F）、正常的人类微生物群和病原体（例如大肠杆菌、沙门氏菌属和乳酸杆菌属）是嗜温细胞。
被称为 psychrotrophs 的生物也被称为 psychrotrophs，它们更喜欢凉爽的环境，从 25 °C 的高温到大约 4 °C 的制冷温度。它们存在于许多温带气候的自然环境中。 它们还对冷藏食品变质负有责任。
临床重点：分辨率
杰尼血液中存在李斯特菌表明她的症状是由李斯特菌病引起的，李斯特菌病是一种由单核细胞增生杆菌引起的感染。 李斯特菌病是一种严重的感染，死亡率为20％，对杰尼的胎儿尤其危险。 从羊水中提取的存在李斯特菌的样本得出的结果为阴性。 由于没有生物体并不排除感染的可能性，因此进行了基于李斯特菌16S核糖体RNA的核酸扩增的分子检测，以确认没有细菌穿过胎盘。 幸运的是，分子测试的结果也为阴性。
杰尼被送进医院接受治疗和康复。 她静脉注射了两周的高剂量的两种抗生素。 治疗李斯特菌病的首选药物是氨苄青霉素或青霉素G和氨基糖苷类抗生素。 在李斯特菌中，对常见抗生素的耐药性仍然很少见，抗生素治疗通常是成功的。 一周后，她被送往家庭护理，并从感染中完全康复。
单核细胞增生杆菌是一种革兰氏阳性短棒，存在于土壤、水和食物中。 它被归类为嗜冷剂，具有耐光性。 它在制冷温度（4—10 °C）下的繁殖能力以及对高浓度盐（高达 10% 的氯化钠 [NaCl]）的耐受性使其成为食物中毒的常见来源。 由于李斯特菌可以感染动物，因此它经常污染肉类、鱼类或乳制品等食物。 商业食品的污染通常可以追溯到未充分清洁的制造设备上形成的持久性生物膜。
李斯特菌感染在孕妇中相对常见，因为孕激素水平的升高会降低免疫系统的调节，使她们更容易受到感染。 病原体可以穿过胎盘感染胎儿，常导致流产、死产或致命的新生儿感染。 因此，建议孕妇避免食用软奶酪、冷藏冷盘、烟熏海鲜和未经巴氏消毒的乳制品。 由于李斯特菌很容易与白喉（另一组常见的革兰氏阳性棒）混淆，因此当怀疑有李斯特菌病时，务必提醒实验室。
从惠兰斯湖等北极湖泊中回收的生物被认为是极端的嗜冷者（喜欢寒冷）。 Psychrophiles 是可以在 0 °C 及以下生长、最佳生长温度接近 15 °C 且通常无法在高于 20 °C 的温度下存活的微生物。它们存在于永久寒冷的环境中，例如海洋深水。 由于它们在低温下活跃，psychrophiles 和 psychrotrophs 在寒冷的气候中是重要的分解物。
在 50 °C 至最高 80 °C 的最佳温度下生长的生物被称为嗜热生物（“热爱高温”）。 它们在室温下不会繁殖。 嗜热生物广泛分布在温泉、地热土壤和人造环境中，例如花园堆肥堆，微生物在这些环境中分解厨房残渣和植物材料。 嗜热生物的例子包括 Thermus aquaticus 和 Geobacillus spp。 在极端温度尺度上，我们发现了超嗜热生物，其特点是生长范围从80°C到最高110°C不等，还有一些极端的例子可以在高于121°C（高压灭菌器的平均温度）的温度下存活。 海底的热液喷口是极端环境的典型例子，温度估计达到340°C（图\(\PageIndex{1}\)）。 从喷口分离出来的微生物在高于 100 °C 的温度下实现最佳生长。值得注意的例子是 Pyrobolus 和 Pyrodictium，它们在 105 °C 下生长并能在高压灭菌下存活。 该图\(\PageIndex{2}\)显示了我们所讨论的微生物类别的温度依赖性生长的典型偏斜曲线。
极端环境中的生活引发了关于大分子适应和新陈代谢过程的有趣问题。 极低的温度会以多种方式影响细胞。 膜失去流动性并因冰晶形成而受损。 化学反应和扩散速度大大减慢。 蛋白质变得过于坚硬而无法催化反应，并可能发生变性。 在温度谱的另一端，热会使蛋白质和核酸变性。 流动性增加会损害膜中的代谢过程。 热对微生物的破坏性影响的一些实际应用是通过蒸汽消毒、巴氏杀菌和焚烧接种回路。 与来自嗜冷生物的同源蛋白相比，嗜冷分子中的蛋白质通常富含疏水性残留物，灵活性增加，次级稳定键的数量也较少。 降低细胞质冷冻温度的防冻蛋白和溶质很常见。 膜中的脂质往往不饱和以增加流动性。 生长速度比中等温度下的增长速度慢得多。 在适当的条件下，嗜温生物甚至嗜热生物都可以在冰冻后存活。 细菌的液体培养物与无菌甘油溶液混合，然后冷冻至−80°C，以便作为库存长期储存。 培养物可以承受冷冻干燥（冻干），然后作为粉末储存在密封的安培中，以便在需要时与肉汤一起重组。
嗜热生物和超嗜热生物中的大分子与在嗜热生物中观察到的大分子显示出一些明显的结构差异。 饱和脂质与多不饱和脂质的比例增加，以限制细胞膜的流动性。 它们的DNA序列显示鸟嘌呤-胞嘧啶含氮碱的比例更高，它们由三个氢键结合在一起，而腺嘌呤和胸腺嘧啶在双螺旋中通过两个氢键连接在一起。 额外的次级离子键和共价键，以及替代关键氨基酸以稳定折叠，有助于蛋白质抵抗变性。 从嗜热生物中纯化的所谓热酶具有重要的实际应用。 例如，聚合酶链反应 (PCR) 中核酸的扩增取决于从 T. a quaticus 中分离出来的 T aq 聚合酶的热稳定性。 来自嗜热生物的降解酶作为成分添加到热水洗涤剂中，从而提高了其有效性。
练习\(\PageIndex{1}\)
- 大多数细菌人类病原体对温度有何要求？
- 嗜热生物表现出什么样的 DNA 适应性？
人造肥料已成为全球粮食生产的重要工具。 他们为20世纪所谓的绿色革命带来了许多成果，这场革命使地球能够养活70多亿人口中的许多人。 人造肥料为农作物植物提供氮和磷，这是限制作物生长的关键营养素，消除了原本会限制生长速度的正常屏障。 因此，施肥作物的生长速度要快得多，使用肥料的农场可以产生更高的作物产量。
但是，事实证明，粗心使用和过度使用人造肥料会对淡水和海洋水生生态系统产生重大的负面影响。 在不恰当的时间施用或用量过多的肥料会使氮和磷化合物逃脱农作物的使用并进入排水系统。 在住宅环境中不当使用肥料也会增加养分负荷，而养分会流入湖泊和沿海海洋生态系统。 随着水温变暖和营养充足，微观藻类会开花，由于细胞密度高，经常会改变水的颜色。
大多数藻华对人类或野生动物没有直接危害；但是，它们可以间接造成伤害。 随着藻类种群的增加然后死亡，它为生活在深水中的细菌提供了大量的有机物。 有了如此大量的营养供应，非光合微生物的种群就会爆炸，消耗可用的氧气，形成动物生命几乎消失的 “死区”。
水中氧气的消耗并不是某些藻华的唯一破坏性后果。 在墨西哥湾产生赤潮的藻类 Karenia brevis 会分泌强效毒素，这些毒素可以杀死鱼类和其他生物，还会积聚在贝类中。 食用受污染的贝类会导致人类出现严重的神经系统和胃肠道症状。 必须定期监测贝类床中是否存在毒素，而且捕捞通常在有毒素时关闭，这会给渔业造成经济损失。 蓝细菌可以在海洋和淡水生态系统中形成花朵，产生称为微囊藻毒素的毒素，在饮用水中或游泳时摄入会导致过敏反应和肝损害。 由于毒素含量不可接受，伊利湖反复出现的蓝细菌藻华（图\(\PageIndex{3}\)）迫使市政当局连续数天发布饮用水禁令。
这只是藻华、赤潮和死亡区负面影响的一小部分。 然而，农作物肥料——这种花朵的主要原因——的好处不容置疑。 这个难题没有简单的解决办法，因为禁止使用化肥在政治上或经济上都不可行。 取而代之的是，我们必须倡导在农业和住宅环境中进行负责任的使用和监管，并恢复湿地，因为湿地可以在多余的肥料到达湖泊和海洋之前吸收它们。
该视频更深入地讨论了藻华和死区。
关键概念和摘要
- 微生物在很宽的温度范围内茁壮成长；它们在不同的自然环境中定植并适应了极端温度。 极端的寒冷和高温都需要对大分子和生物过程进行进化调整。
- P@@ sychrophiles 在 0—15 °C 的温度范围内生长得最好，而 p sychrotrophs 在 4 °C 至 25 °C 之间茁壮成长。
- 嗜中微生物在 20 °C 至 45 °C 的中等温度下生长得最好。病原体通常是嗜温生物。
- 嗜热生物和嗜热生物适应温度高于 50 °C 的生活。
- 适应低温和高温需要改变膜脂质和蛋白质的组成。