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，我们将这些微生物叫做极端环境微生物或简称为极端微生物。
嗜冷菌
在地球的南北极地区、冰窖、终年积雪的高山、深海和冻土地区，生活着一些嗜冷微生物。专性嗜冷菌适应在低于20℃以下的环境中生活，高于20℃即死亡。
有一种专性嗜冷菌，在温度超过22℃时，其蛋白质的合成就会停止。专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质。兼性嗜冷菌生长的温度范围较宽，最高温度达到30℃时还能生活。嗜冷微生物是导致低温保藏食品腐败的根源。
嗜热菌
嗜热菌俗称高温菌，广泛分布在温泉、堆肥、地热区土壤、火山地区以及海底火山地等。兼性嗜热菌最适宜生长温度在50~65℃之间，专性嗜热菌最适宜生长温度则在65~70℃之间。
在冰岛，有一种嗜热菌可在98℃的温泉中生长。在美国黄石国家公园的含硫热泉中，曾经分离到一株嗜热的兼性自养细菌——酸热硫化叶菌，它们可以在高于90℃的温度下生长。近年来，这种细菌已受到了广泛重视，可用于细菌浸矿、石油及煤炭的脱硫。
在一些污泥、温泉和深海地热海水中，生活着能产甲烷的嗜热细菌，生活的环境温度高，盐浓度大，压力也非常高，在实验室很难分离和培养。嗜热真菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高温环境中，有助于一些有机物的降解。
在发酵工业中，嗜热菌可用于生产多种酶制剂，例如纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等，由这些微生物中产生的酶制剂具有热稳定性好、催化反应速率高，易于在室温下保存。近年来，嗜热菌研究中最引人注目的成果之一就是将水生栖热菌中耐热的Taq DNA聚合酶用于基因的研究和遗传工程的研究以及基因技术的广泛应用中。
嗜酸菌
嗜酸菌分布在酸性矿水、酸性热泉等地区。其中，嗜酸硫杆菌是一种能进行化能自养和化能异养生长的细菌，最适生长pH值在3.0~3.5之间的环境中。如氧化硫硫杆菌在pH值低于0.5的环境中仍能存活，专性自养嗜酸的氧化亚铁硫杆菌能氧化硫和铁，并产生硫酸，这两种细菌都是极端嗜酸菌
在酸性环境中，还生活着一些嗜酸嗜热的芽嗜酸硫杆菌，在60~65℃、pH3~4的条件下，生长速率达到最大。这种细菌能利用碳水化合物或氨基酸作为营养源。同样在酸热环境中生长繁殖的还有一种微生物，它叫做嗜酸热原体，最适生长温度为59℃，最适pH为2左右，无细胞壁，对营养要求相当复杂，必须利用酵母膏作为营养基质，还必须有天然的有机营养才能生长。
此外，在酸性环境中，还生活着许多嗜酸的真核微生物，如椭圆酵母、红酵母等。有一种头孢霉，需要在浓度为10%以上的硫酸中生长，并要求培养基中含有4%的硫酸铜，它是迄今发现的抗酸能力最强的微生物。
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