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【關(guān)鍵詞】深海微生物；,,研究；,,開發(fā)

摘要：深海微生物是地球生物系統(tǒng)的重要組成部分，深海微生物由于其在生態(tài)、資源、環(huán)境等方面的重要性，越來(lái)越受到人們的重視。本文對(duì)深海微生物研究開發(fā)的歷史和進(jìn)展進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞：深海微生物；研究；開發(fā)

Researchanddevelopmentofdeepseamicrobes

ABSTRACTDeepseamicrobesaretheimportantcomponentsofearthbiologicalsystem.Deepseamicrobeshavereceivedmoreandmoreintensiveattentionastheirimportanceintheresearchandapplicationinecology,resources,environments,andsoon.Inthisstudy,thehistoryandmainachievementsindeepseamicrobialresearchanddevelopmentswerebrieflyintroduced.

KEYWORDSDeepseamicrobes;Research;Development

深海的概念通常指1000米以下的海洋，占到海洋總面積的3/4，而其中深海沉積物覆蓋了地球表層的50%以上。深海及深海沉積物中的微生物生存面臨高壓，低溫或高溫、黑暗及低營(yíng)養(yǎng)水平等幾個(gè)主要極端環(huán)境，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是一片“荒蕪的沙漠”。20世紀(jì)中期，深海測(cè)量技術(shù)發(fā)現(xiàn)深海洋底也有高山峻嶺，全世界有8萬(wàn)公里長(zhǎng)的山脊蜿蜒在各個(gè)大洋，大洋中山脊的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到海洋環(huán)境與陸地環(huán)境的統(tǒng)一性。1977年美國(guó)“阿爾文”號(hào)深潛器最早在太平洋上的加拉帕戈斯群島附近2500米的深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)了完全不依賴于光合作用而獨(dú)立生存的獨(dú)立生命體系。位于生命體系金字塔底部的是微生物，能直接利用深?；鹕娇趪姵龅牧蚧?、氮化物、甲烷等低分子化合物作為食物和能源，合成各種生物大分子如蛋白質(zhì)、糖等。位于金字塔上部的是一些大型生物包括長(zhǎng)管蟲、蠕蟲、蛤類、貽貝類，還有蟹類、水母、藤壺等特殊的生物群落。有人將這樣五彩繽紛、生機(jī)勃勃的海底生物世界稱為海底“生命綠洲”。目前已經(jīng)有幾十個(gè)深海熱液區(qū)生物體系被研究，這種依靠地球內(nèi)源能量支持，在深海黑暗和高溫的環(huán)境下，通過(guò)化合作用生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的“黑暗食物鏈”的發(fā)現(xiàn)使人類對(duì)深海環(huán)境以及生物圈有了更進(jìn)一步的了解。在目前已發(fā)現(xiàn)的各種極端環(huán)境中深海蘊(yùn)藏著的生物資源極為豐富，其中最主要的是深海微生物，但這些微生物大部分還鮮為人知。深海環(huán)境下極端微生物的研究不僅是目前生命科學(xué)最前沿的領(lǐng)域之一，也是海底深部生物圈研究和海底流體活動(dòng)研究重要的組成部分。該項(xiàng)研究將回答生命起源、生物進(jìn)化、外太空生命探索等生命科學(xué)的重大問(wèn)題并帶動(dòng)包括21世紀(jì)地球科學(xué)內(nèi)的其它學(xué)科領(lǐng)域的重大發(fā)展。2001年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(NSF)在其題為“OceanScienceattheNewMillenium”的科學(xué)發(fā)展展望報(bào)告中，將海底流體活動(dòng)研究列為海洋科學(xué)今后十年最重要、最有可能取得重大突破和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的前沿研究方向之一，生命科學(xué)與海底地球物理、地球化學(xué)等在上述研究中將占據(jù)重要地位。于2003年10月份開始的整合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)將深部生物圈和洋底、海底列為該計(jì)劃中三大科學(xué)課題之一。深海深部生物圈的發(fā)現(xiàn)是對(duì)“生物圈”廣泛范圍的進(jìn)一步了解。雖然海底采集沉積柱狀樣已經(jīng)有近80年的歷史，大規(guī)模的系統(tǒng)研究開始于1968年的深海鉆探計(jì)劃?！吧詈ｃ@探(DSDP，1968～1983)”、“大洋鉆探(ODP，1985～2003)”和“綜合大洋鉆探(IODP，2003～至今)”等深海研究的三部曲，是國(guó)際地球科學(xué)歷時(shí)最長(zhǎng)、規(guī)模最大，也是成績(jī)最為突出的合作研究計(jì)劃。大洋鉆探計(jì)劃ODP以獨(dú)特的視角為我們呈現(xiàn)出另外一個(gè)生命世界――掩埋在洋底沉積物中和地殼中的生物圈。在數(shù)千米深海海底存在著由微小的原核生物組成，數(shù)量極大的生物群，有人估計(jì)其生物量相當(dāng)全球地表生物總量的1/10。與熱液口“自養(yǎng)”的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地層里的有機(jī)物實(shí)行“異養(yǎng)”。深海大洋中生物圈的發(fā)現(xiàn)，讓人類認(rèn)識(shí)到地球生態(tài)系統(tǒng)的真正基礎(chǔ)在于原核生物。正是這些原核生物多種多樣的新陳代謝過(guò)程，產(chǎn)生了多種多樣生物地球化學(xué)效果，在此基礎(chǔ)上建立了地球的生態(tài)系統(tǒng)。微生物總是出現(xiàn)在它們能夠生存的一切物理、化學(xué)、地質(zhì)環(huán)境中，這似乎是一條基本規(guī)律。那些在極端環(huán)境中生長(zhǎng)并通常需要這種極端環(huán)境正常生長(zhǎng)的微生物被統(tǒng)稱為極端微生物。極端環(huán)境涵蓋了物理極端環(huán)境(如溫度、輻射、壓力、磁場(chǎng)、空間、時(shí)間等)、化學(xué)極端(如干燥、鹽度、酸堿度、重金屬濃度、氧化還原電位等)和生物極端(如營(yíng)養(yǎng)、種群密度、生物鏈因素等)，海底被認(rèn)為是上述極端環(huán)境中的極端。在深海環(huán)境中廣泛存在著嗜酸(pH3以下)、嗜堿(pH10以上)、嗜鹽(25mol/L以上)、嗜冷(可達(dá)0℃以下)、嗜熱(120℃以上)、嗜壓(500大氣壓以上)微生物。深海環(huán)境下極端生物特征的研究也為生命極限的研究提供了良好的生物材料并對(duì)外太空生命探索不斷提供新的線索和依據(jù)?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想：既然在如此嚴(yán)酷的極端環(huán)境下微生物還能很好地生存，那么在火星上也會(huì)有生命存在。深海微生物學(xué)的建立應(yīng)該追溯到上世紀(jì)70年代，美國(guó)Scripps海洋研究所Yayanos教授設(shè)計(jì)、改進(jìn)高壓培養(yǎng)罐并于1979年首先分離出深海嗜壓菌，1989年Bartlett首先分離出壓力調(diào)控的外膜蛋白(OmpH)。1990年日本三菱重工和三洋公司開始為日本海洋科學(xué)技術(shù)中心研制深海微生物高溫/高壓培養(yǎng)系統(tǒng)，1994年才完成，耗資七億五千萬(wàn)日元。該系統(tǒng)的建設(shè)和深潛、采樣系統(tǒng)的建設(shè)極大地推動(dòng)了深海生物圈的研究進(jìn)步。1995年Kato等分析了一個(gè)壓力調(diào)控基因簇，1999年Nogi等從馬里亞納海溝分離、鑒定出極端嗜壓菌Moritellayayanosii［1～3］；2003年日本、美國(guó)和意大利相繼展開了深海嗜壓菌ShewanellaviolaceaDSS12和PhotobacteriumprofundumSS9全基因組測(cè)序［4，5］；2005年3月P.profundumSS9全基因組序列及初步分析在Science上發(fā)表［6，7］。除了巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，深海微生物研究還具有極大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值而引起廣泛的關(guān)注。深海生物處于獨(dú)特的物理、化學(xué)和生態(tài)環(huán)境中，在高靜水壓、劇變的溫度梯度、極微弱的光照條件和高濃度的有毒物質(zhì)包圍下，它們形成了極為特殊的生物結(jié)構(gòu)、代謝機(jī)制系統(tǒng)。由于這種極端的環(huán)境，深海生物體內(nèi)的各種活性物質(zhì)，特別是酶，具有高度的溫度耐受性，高度的耐酸堿性、耐鹽性及很強(qiáng)的抗毒能力。這些特殊的生物活性物質(zhì)是深海生物資源中最具應(yīng)用價(jià)值的部分。除了發(fā)展、改進(jìn)海洋微生物的分離培養(yǎng)方法獲得新的海洋微生物，篩選活性物質(zhì)外，應(yīng)用基因組學(xué)研究方法，構(gòu)建海洋微生物基因組文庫(kù)，通過(guò)研究，操作海洋微生物遺傳基因，來(lái)獲得新的海洋微生物活性物質(zhì)，這是探索海洋特別是深海微生物資源，研究開發(fā)海洋新藥物的必然而有效的選擇，也是目前深海微生物資源開發(fā)的熱點(diǎn)。概括來(lái)說(shuō)，深海生物在以下幾個(gè)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值：

1工業(yè)應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)常常要求一些特殊的反應(yīng)溫度、酸堿度并加入一些有機(jī)溶劑，在這種條件下，普通酶無(wú)法保持活性，因此，依賴酶的工業(yè)必須花費(fèi)大量資金采取特殊的工藝以保持這些酶的活性，從而大大提高了成本，而極端酶在普通酶失活的條件下仍然能保持較高的活性，所以在工業(yè)上有著廣泛的的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)有高溫聚合酶、糖酶、淀粉酶、蛋白酶等幾種極端酶開始工業(yè)化生產(chǎn)，并且已經(jīng)創(chuàng)造了數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)效益。

2醫(yī)藥應(yīng)用

從生物體內(nèi)研制藥物治療人類的各種疾病由來(lái)已久。由于越來(lái)越多的病原菌或病毒對(duì)目前的藥物產(chǎn)生了抗藥性，并且不斷產(chǎn)生新的疾病。因此從海洋中篩選新的生物藥物成為海洋藥物研究開發(fā)的方向。深海生物由于環(huán)境的獨(dú)特性而成為新型特效藥物、抗腫瘤、抗病毒、降壓降脂等藥物的來(lái)源。目前國(guó)際上在深海藥物的篩選方面還未見太多報(bào)道，但是可以預(yù)料它的前景將是十分廣闊的。

3環(huán)境保護(hù)

在海底，由于動(dòng)物尸體聚集、火山噴發(fā)等原因造成有毒物質(zhì)及硫化物等對(duì)陸地生物有害物質(zhì)的濃度較高，而生存在這里的微生物能分解這些物質(zhì)并以其為能源繁衍生息，因此，這些生物在清除地球表面的重金屬、石油等污染物方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前日本科學(xué)家已經(jīng)從深海中篩選到具有較高的石油分解能力的菌株，并已開展了應(yīng)用研究。從20世紀(jì)后期開始，隨著深海技術(shù)能力的提高，越來(lái)越多的國(guó)家投身于深海研究的前沿領(lǐng)域。目前的深海載人潛器下潛深度達(dá)到6500m，無(wú)人纜控潛器ROV則可達(dá)到11000m水深，并獲得最深處馬里亞納海溝深海沉積物樣本，研究發(fā)現(xiàn)其微生物含量達(dá)到103～104/g的水平。實(shí)驗(yàn)室深海環(huán)境模擬也取得突破進(jìn)展，已分離鑒定出嗜壓、嗜堿、嗜酸、嗜鹽、嗜冷、嗜熱等極端微生物。目前國(guó)際上進(jìn)行深海微生物研究的國(guó)家主要分布在歐洲，美洲及亞洲，其中美國(guó)、日本、德國(guó)和法國(guó)都是深海微生物研究的主力軍。目前，在深海微生物的分離培養(yǎng)、多樣性調(diào)查、功能基因研究和適應(yīng)性機(jī)制研究(如深海嗜壓菌的嗜壓機(jī)制)等方面取得了一定的進(jìn)展；各類極端微生物在工業(yè)用酶、工具酶、環(huán)境修復(fù)以及生物活性物質(zhì)等方面的開發(fā)應(yīng)用也有了突破，使人們看到了深海微生物開發(fā)的巨大潛力和廣闊的應(yīng)用前景。深海生物資源尤其是微生物資源越來(lái)越得到人類的重視。隨著科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，水下工程技術(shù)和探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和完善，人類對(duì)深海微生物的研究和開發(fā)有了更大的空間和可能性。我國(guó)深海生物基因的系統(tǒng)研究起步時(shí)間較晚，從本世紀(jì)初開始主要得到了國(guó)家科技部和中國(guó)大洋專項(xiàng)的資助。中國(guó)大洋協(xié)會(huì)依托國(guó)家海洋局第三海洋研究所成立了中國(guó)大洋生物基因研究開發(fā)基地，研制、配備了一批船載和實(shí)驗(yàn)室深海微生物培養(yǎng)專用設(shè)備。在深海設(shè)備的支持下，真正意義的深海微生物研究得以開展。到目前為止，基礎(chǔ)研究主要開展了深海微生物在物質(zhì)循環(huán)中的作用；極端微生物分離、培養(yǎng)；微生物遺傳、代謝研究，深海極端環(huán)境下微生物適應(yīng)性機(jī)理的研究等。成功分離、鑒定出各類深海嗜壓、嗜熱、嗜冷、嗜鹽、嗜堿、嗜酸微生物，從中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)未經(jīng)報(bào)道的新種。以此為基礎(chǔ)，正在建設(shè)國(guó)內(nèi)第一個(gè)深海微生物菌株資源庫(kù)?？寺×硕喾N深海極端酶基因，進(jìn)行了基因表達(dá)和分析。深海微生物抗菌、抗腫瘤活性物質(zhì)篩選工作也已經(jīng)開展。深海耐壓菌ShewanellacomraWP3已基本完成全基因組序列測(cè)定，正在開展后基因組研究。開展了深海沉積物宏基因組文庫(kù)的構(gòu)建，成功構(gòu)建了一個(gè)深海5000米水深沉積物的cosmid基因文庫(kù)，通過(guò)對(duì)克隆子的分析發(fā)現(xiàn)文庫(kù)中微生物來(lái)源主要是一些不可培養(yǎng)的微生物新種，部分克隆子序列測(cè)定發(fā)現(xiàn)克隆子上大部分基因是新基因。目前已篩選到多個(gè)能表達(dá)生物活性物質(zhì)的克隆子，正在進(jìn)行序列測(cè)定。總之，深海生物研究是一個(gè)依賴于工程技術(shù)的高投入項(xiàng)目，我國(guó)深海生物基因資源開發(fā)利用研究的快速發(fā)展還需要更多資金和人才的不斷投入。

參考文獻(xiàn)

［1］IshiiA,NakasoneK,SatoT,WachiM,etal.IsolationandcharacterizationofthedcwclusterfromthepiezophilicdeepseabacteriumShewanellaviolacea［J］.JBiochem,2002,132(2):183

［2］HorikoshiK,Tsujii.Extremophilesindeepseaenvironments［M］.Tokyo:SpringerVerlag,1999:91

［3］KatoC,NogiY.CorrelationbetweenphylogeneticstructureandfunctionexamplesfromdeepseaShewanella［J］.FEMSMicrobiolEcol.,2001,35(3):223

［4］BidleKA,BartlettDH.RNAarbitrarilyprimedPCRsurveyofgenesregulatedbyToxRindeepseabacteriumPhotobacteriumprofundumstrainSS9［J］.JBacteriol,2001,183(5):1688

［5］NakasoneK,IkegamiA,KatoC,etal.AnalysisofciselementsupstreamofthepressureregulatedoperoninthedeepseabarophilicbacteriumShewanellaviolaceastrainDSS12［J］.FEMSMicrobiolLett,1999,176:351

［6］VezziA,CampanaroS,D′AngeloM,etal.Lifeatdepth:Photobacteriumprofundumgenomesequenceandexpressionanalysis［J］.Science,2005,307(5714):1459

［7］CampanaroS.VezziA,D′AngeloM,etal.LaterallytransferredelementsandhighpressureadaptioninPhotobacteriumprofundumstrains［J］.BMCGenomics,2005,6:122

［8］VetrianiC,JannaschHW,MacgregorBJ,etal.Populationstructureandphylogeneticcharacterizationofmarinebenthicarchaeaindeepseasediments［J］.ApplEnvironMicrobiol,1999,65(10):4375

［9］PriestFG,GoodfellowM.Appliedmicrobialsystematics［M］.Dordrecht:KluwerAcademicPublishers,2000

［10］ReysenbachAL,VoytekM,MancinelliR.Thermophilesbiodiversity,ecology,andevolution［M］.NewYork:KluwerAcademic/PlenumPublishers,2001

［11］BullAT,WardAandGoodfellowM.Searchanddiscoverystrategiesforbiotechnology:theparadigmshift［J］.MicrobiolMolBiolRev,2000,64(3):573

［12］AkerleyBJ,RubinEJ,CamilliA,etal.Systematicidentificationofessentialgenesbyinvitromarinermutagenesis［J］.ProcNatlAcadSciUSA,95(15):8927

［13］BernanVS,GreensteinMandMaieseWM.Marinemicroorganismsasasourceofnewnaturalproducts［J］.AdvApplMicrobiol,1997,43:57

［14］StoreyKB,StoreyJ.Environmentalstressorsandgeneresponses［M］.ElsevierScienceB.V.2000:277

［15］AbeF,KatoC,HorikoshiK.Pressureregulatedmetabolisminmicroorganisms［J］.TrendsMicrobiol,1999,7(11):447

［16］YamadaM,NakasoneK,TamegaiH,etal.PressureregulationofsolublecytochromescinadeepSeapiezophilicbacterium,Shewanellaviolacea［J］.JBacteriol,2000,182(10):2945

［17］KatoC,QureshiMH.Pressureresponseindeepseapiezophilicbacteria［J］.JMolMicrobiolBiotechnol,1999,1(1):87

［18］LiS,XiaoX,LuoJ,etal.IdentificationofgenesregulatedbychangingsalinityinthedeepseabacteriumShewanellasp.WP3usingRNAarbitrarilyprimedPCR［J］.Extremophiles,2005,publishedonline

［19］WangF,WangP,ChenM,etal.IsolationofextremophileswiththedetectionandretrievalofShewanellastrainsindeepseasedimentsfromthewestPacific［J］.Extremophiles,2004,8(2):165

［20］WangP,WangF,XuM,etal.MolecularphylogenyofmethylotrophsinadeepseasedimentfromatropicalwestPacificwarmPool［J］.FEMSMicrobiolEcol.,2004,47:77