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。
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（Sulfolobus），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。
嗜酸菌分布在酸性矿水、酸性热泉等地区，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（Thiobacillus ferrooxidans）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，还存在能够氧化铁的钩端螺旋菌（Leptospira）。嗜酸硫杆菌（Thiobacillus acidophilus）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。在酸性环境中，还生活着一些嗜酸嗜热的芽孢杆菌（Bacillus），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。在酸热环境中生长繁殖的一种最异常的微生物是嗜酸热原体（Thermoplasma acidophilum），它的最适生长温度为59℃，最适pH为2左右，无细胞壁，对营养要求相当复杂，必需利用酵母膏作为营养基质，但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（Cephalosporium），能在浓度为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。多年来，一些嗜酸细菌被广泛用于铜等金属的细菌浸出。另外，人们也在尝试利用硫杆菌分解磷矿粉医学`教育网搜集整理，通过提高其溶解度来增加磷矿粉的肥效。
在碱湖及一些碱性环境中，甚至在一些中性环境中，可分离出嗜碱微生物。专性嗜碱微生物可在pH11—12的条件下生长，但在中性pH条件下却不能生长。例如巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasturii）、嗜碱芽孢杆菌（Bacillus alcalophilus）等细菌即是如此。在高pH的碱水泉中，曾分离出一种黄杆菌（Flavobacterium），它在pH11.4的条件下生长良好。在石灰湖出现富营养化的水体中，许多蓝细菌也是嗜碱菌，它们最适的生长pH值在9—10之间，有一种藻类甚至能在pH13的强碱条件下生长，这是迄今发现的抗碱值最高的微生物。近年来，人们还发现了嗜碱的能进行光合作用的细菌。嗜碱菌在发酵工业中，可作为许多种酶制剂的生产菌。例如嗜碱芽孢杆菌产生的弹性蛋白酶适宜作用弹性蛋白，而且在高pH条件下裂解该种蛋白质的活性可以大大提高。由嗜碱细菌产生的蛋白酶具有碱性条件下催化活力高、热稳定性强之优点，常作为洗涤剂的添加剂。由嗜碱芽孢杆菌产生的木聚糖酶能够水解木聚糖产生木糖和寡聚糖，因此可用来处理人造纤维废物，而碱性β甘露聚糖酶降解甘露聚糖产生的寡糖可作为保健品的添加剂。
嗜盐菌通常分布在晒盐场、盐湖、腌制品中以及世界上著名的死海中。嗜盐菌能够在盐浓度为15—20%的环境中生长，有的甚至能在32%的盐水中生长。极端嗜盐菌有盐杆菌（Halobacterium）和盐球菌（Halococcus），属于古菌。盐杆菌细胞含有红色素，所以在盐湖和死海中大量生长时，会使这些环境出现红色。一些嗜盐细菌的细胞中存在有紫膜，膜中含有一种蛋白质，叫做细菌视紫红质，能吸收太阳光的能量。嗜盐菌能引起食品腐败和食物中毒，副溶血弧菌（Vibrio parahaemolyticus）是分布极广的海洋细菌，也是引起食物中毒的主要细菌之一，通过污染海产品、咸菜、烤鹅等致病。嗜盐菌可用于生产胞外多糖、聚羟基丁酸（PHB）、食用蛋白、调味剂、保健食品强化剂、酶保护剂、计算机存储器等，还可用于海水淡化、盐碱地改造利用以及能源开发等。
