魅力無(wú)窮的極地微生物研究

羅 瑋（中國(guó)極地研究中心）

“雪龍”號(hào)極地科考船在南極

●在海洋食物鏈中，微生物本身作為有機(jī)物質(zhì)的初級(jí)生產(chǎn)者，成為許多原生動(dòng)物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物等的食物，也在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化、生物地球化學(xué)循環(huán)中擔(dān)當(dāng)著特殊而極其重要的角色；包括極區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，以及海洋生物資源及其可持續(xù)發(fā)展，愈來(lái)愈成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題之一。

人類自南、北極分離出微生物后，各國(guó)的微生物學(xué)家相繼在南、北極地區(qū)進(jìn)行了大量的研究工作，證實(shí)了在極地冰、雪、水、土壤及巖石樣品中廣泛存在著各種類型的微生物。哪怕是最嚴(yán)酷的極地冰雪生態(tài)系統(tǒng)，也有豐富的微生物多樣性。以極地海冰為例，作為地球上最寒冷的環(huán)境之一，其環(huán)境溫度在0℃到-35℃變動(dòng)；與淡水冰不同，海冰是個(gè)半固體矩陣，冰晶間彌漫著大小不等、充滿鹵水的孔道網(wǎng)絡(luò)，在海冰內(nèi)部形成了溫度、鹽度和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度急劇變化的封閉或半封閉的微生境。在這極端環(huán)境中存在著復(fù)雜的充滿活力的海冰微生物群落，包括游離病毒、細(xì)菌、自養(yǎng)藻、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物；其中包括大量嗜冷和耐冷微生物。

除掉驚人的生物多樣性，科學(xué)研究同時(shí)還證明微生物在南、北極自然環(huán)境下的物質(zhì)循環(huán)、生物地球化學(xué)過(guò)程中擔(dān)負(fù)著重要作用。極區(qū)微生物類群不但在極地有機(jī)物質(zhì)的礦化過(guò)程中起重要作用，而且在極區(qū)其他生境如湖泊、海洋等食物鏈中本身也是許多原生動(dòng)物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物的食物來(lái)源。極地微生物通過(guò)參與極區(qū)陸地及海洋的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)過(guò)程和生物生產(chǎn)過(guò)程，在極地生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)中具有重要的地位和作用。以海冰細(xì)菌為例，不僅作為初級(jí)生產(chǎn)者為群落中的原生動(dòng)物、后生動(dòng)物提供食物，更重要的是作為分解者在海冰有機(jī)物礦化中起著主導(dǎo)作用，據(jù)估算海冰初級(jí)生產(chǎn)量的20%~30%通過(guò)細(xì)菌進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)。

極地微生物的生物地理分布

傳統(tǒng)的技術(shù)，例如分離培養(yǎng)技術(shù)和顯微鏡分類鑒定技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足我們?cè)谔厥馍持械奈⑸锒鄻有浴⑽⑸飬^(qū)系分子組成以及微生物系統(tǒng)進(jìn)化等方面的研究要求。首先，由于缺乏細(xì)胞表面的形態(tài)學(xué)特征，一些微型生物，特別是微微型生物（3微米以下）無(wú)法通過(guò)顯微鏡技術(shù)來(lái)鑒定；其次，用來(lái)分離培養(yǎng)微生物類群的培養(yǎng)通常具有選擇性，而且自然環(huán)境中有85%～99.9%的微生物至今還不可純培養(yǎng)，這就造成了對(duì)特殊生境中微生物多樣性的低估。

另外，在傳統(tǒng)的富集、培養(yǎng)、分離和研究過(guò)程中可能造成微生物多樣性丟失、種群構(gòu)成發(fā)生變化等弊端。因此，多種不依賴于培養(yǎng)的分子生物學(xué)方法促進(jìn)了我們對(duì)微生物生態(tài)學(xué)的理解。應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)直接從海洋環(huán)境中分離微生物的遺傳物質(zhì)，從而為極地微生物生態(tài)學(xué)注入了新的活力，甚至改變了人們對(duì)極地微生物群落多樣性的認(rèn)識(shí)。

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)是在基因水平上研究極地微生物群落組成的多樣性及動(dòng)態(tài)性。近年來(lái)，中國(guó)極地研究中心的科研人員通過(guò)不斷地參與我國(guó)及與各國(guó)合作的南、北極科學(xué)考察，對(duì)極區(qū)海洋、海冰、大型冰川、湖泊（包括冰川覆蓋下的湖泊）、土壤、極地內(nèi)陸深冰芯、深海等各個(gè)極區(qū)生境的微生物多樣性進(jìn)行著調(diào)查及研究，尤其是一些需要特殊后勤支持的生態(tài)環(huán)境樣品現(xiàn)場(chǎng)采集和分析，如深冰芯鉆探、深海樣品采集等，需要多個(gè)學(xué)科融合的項(xiàng)目支撐開(kāi)展。通過(guò)這些現(xiàn)場(chǎng)采樣觀測(cè)、生物活體分離培養(yǎng)及保藏、基因文庫(kù)、DGGE、454高通量測(cè)序等多種手段對(duì)極區(qū)微生物的生物地理分布進(jìn)行研究，不斷的有新的種類被發(fā)表在各個(gè)國(guó)際期刊上，極大地拓展了我們對(duì)極地微生物多樣性，及微生物類群與極地生物地球科學(xué)中的重要作用等科學(xué)領(lǐng)域的認(rèn)知水平。

氣候變化與極地微生物生態(tài)系統(tǒng)

如今，全球氣候變暖和各種全球性氣候異常現(xiàn)象的加劇，使得人們更加重視對(duì)地球各個(gè)圈層（即大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈）內(nèi)部變化及其相互作用的研究，逐步揭示全球氣候變化及其動(dòng)因已成為當(dāng)今地球科學(xué)必須面對(duì)并解決的重大科學(xué)問(wèn)題。極地是地球冷源之一，是全球氣候變化的啟動(dòng)器，它在整個(gè)地球系統(tǒng)中占有重要的位置，因而有關(guān)極區(qū)海洋生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)及其對(duì)全球氣候變化的影響和響應(yīng)、極區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能和海洋生物資源及其可持續(xù)發(fā)展，愈來(lái)愈成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。很多的研究監(jiān)測(cè)表明，正經(jīng)歷著顯著變化的極地生境，將對(duì)極區(qū)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。

微生物在極區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位，成為極區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)研究的重要組成部分。它們?cè)诤Ｑ笥袡C(jī)物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用，如分解有機(jī)物質(zhì)并釋放出基本要素，在海洋食物鏈中，它們本身又作為有機(jī)物質(zhì)的初級(jí)生產(chǎn)者，成為許多原生動(dòng)物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物等的食物，在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化以及生物地球化學(xué)循環(huán)中擔(dān)當(dāng)特殊而極其重要的角色。例如浮游細(xì)菌，能夠在遠(yuǎn)洋生物量中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，成為從溶解有機(jī)碳到顆粒有機(jī)碳這一重要通量的聯(lián)系紐帶，并且在海洋呼吸系統(tǒng)中占據(jù)實(shí)質(zhì)性的部分。

隨著全球氣候的急劇變化，極區(qū)微生物及其對(duì)溫度的敏感性成為當(dāng)今各類監(jiān)測(cè)研究、生態(tài)模型構(gòu)建中的一大亮點(diǎn)。由于極區(qū)比其他地區(qū)更持續(xù)快速的升溫，冰蓋的逐漸消失和海水持續(xù)增溫,使得海洋浮游生態(tài)系統(tǒng)中這些較低等群落已成為微食物環(huán)中最脆弱的一環(huán)。在南、北極高緯地區(qū)，微生物群落組成結(jié)構(gòu)將有何種變化、豐度和時(shí)空分布特點(diǎn)在快速變化的海洋生態(tài)環(huán)境中扮演何種角色，已成為極區(qū)深入開(kāi)展微生物生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一，亦是極區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)全球氣候變化快速響應(yīng)的先驅(qū)類群。

極區(qū)微生物抗逆性及其應(yīng)用前景

極地獨(dú)特的地理及氣候特征，形成了一個(gè)干燥、酷寒、強(qiáng)輻射的自然環(huán)境，生存于其中的微生物具備了相對(duì)獨(dú)特的分子生物學(xué)機(jī)制和生理生化特性，如嗜冷和耐冷特性、抗強(qiáng)輻射等。同時(shí)，其他一些耐鹽微生物、中溫及嗜熱微生物的發(fā)現(xiàn)，也大大豐富了極地微生物資源的多樣性。南、北極是一個(gè)潛在的、重要的微生物資源庫(kù)，它不僅是微生物新種屬的生存繁衍地，也是具有獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)微生物的生存繁衍地，更是產(chǎn)生新型生物活性物質(zhì)和先導(dǎo)化合物(如酶、抗生素、多糖及脂類等)微生物株系的潛在種源地。

自從1985年在南極發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞以來(lái)，大氣平流層臭氧層破壞已經(jīng)成為人們最為關(guān)心的全球問(wèn)題之一。破毀臭氧層的主要原因是氟氯烴化合物和哈龍等鹵族化合物的大量使用。近年來(lái)，這些物質(zhì)對(duì)臭氧層的破壞速度大大加快，在南極和北極上空形成了臭氧層空洞。由于臭氧層的變薄，極地的UV-B水平高于溫帶、熱帶和亞熱帶緯度區(qū)。而極地臭氧層變化則更為敏感，對(duì)極地的生態(tài)系統(tǒng)也將產(chǎn)生不可推測(cè)的影響。

由于臭氧層的嚴(yán)重破壞，人們非常重視紫外線輻射（UVR，200nm～400nm）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)可能造成的影響，以中間波長(zhǎng)280nm～320nm的紫外線UV-B輻射最為引人關(guān)注。以極地微藻對(duì)UV-B的增強(qiáng)效應(yīng)研究為例，UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)微藻細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)、核酸的合成、及藻類多糖含量造成影響。UVB輻射可使某些藻體中的孢子花粉素（sporopollenin）、三苯甲咪唑氨基酸（MAAs）等 UV-B 吸收物質(zhì)增加。有些藻類在強(qiáng)UV-B環(huán)境中，能合成抗UV-B的同功能物質(zhì)以適應(yīng)這種環(huán)境。

位于上海浦東新區(qū)的中國(guó)極地研究中心

極地微藻被證明含有DNA損傷的修復(fù)機(jī)制，還可以合成抗紫外線物質(zhì)來(lái)吸收紫外線，使得一定強(qiáng)度內(nèi)的UV-B不會(huì)對(duì)微藻細(xì)胞造成傷害。此外，UV-B還可以影響微藻的保護(hù)酶系統(tǒng)、影響自由基的產(chǎn)生速率。對(duì)極地藻類抗UV-B輻射的物質(zhì)研究主要集中在類胡蘿卜素、多糖和UV吸收色素。這些極地微生物對(duì)不同強(qiáng)度UV-B輻射的反應(yīng)，將為深入了解極地微型生物對(duì)UV-B輻射的敏感程度，以及目前強(qiáng)UV-B輻射下的極區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)。

在嚴(yán)酷的極地環(huán)境中，低溫是一個(gè)非常重要的環(huán)境因素，極地的低溫環(huán)境對(duì)生存于其中的微生物產(chǎn)生了深刻而廣泛的影響。低溫通過(guò)各種途徑影響生命活動(dòng)：降低細(xì)胞的生化反應(yīng)速率、影響某些細(xì)胞組分的穩(wěn)定性以及冷凍所造成的破裂作用。盡管低溫有著很強(qiáng)烈的副作用，但是極地的微生物為了生存，需要一系列的耐受低溫的特性，或者說(shuō)適應(yīng)性來(lái)將極端環(huán)境所造成的損傷降低到最低限度。

盡管在溫帶地區(qū)也能夠發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞及其生命活動(dòng)的機(jī)理，然而，極地的特殊理化條件造就了一群非常強(qiáng)壯和有韌性的微生物群落。由于低溫微生物具有抗低溫特性，能在低溫條件下生長(zhǎng)、繁殖，由此在酶分子水平、細(xì)胞膜以及細(xì)胞質(zhì)等各個(gè)方面引發(fā)了精細(xì)組成和結(jié)構(gòu)方面的變化，因而彌補(bǔ)了低溫對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的消極影響，這在工業(yè)生產(chǎn)，特別是在食品工業(yè)中有重要價(jià)值。

應(yīng)用低溫微生物可以提供許多可能性：在可防止微生物污染 (尤其是在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中)的0℃～20℃溫度范圍內(nèi) (此時(shí)同源的嗜溫型酶不活潑)，低溫微生物具有高生長(zhǎng)速率、高酶活力及高催化效率，可大大縮短處理過(guò)程的時(shí)間并省卻昂貴的加熱／冷卻系統(tǒng)，因而在節(jié)能方面有相當(dāng)大的進(jìn)步：經(jīng)過(guò)溫和的熱處理即可使低溫酶的活力喪失，而且低溫或適溫處理不會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

在低溫酶類中，脂酶和蛋白酶具有相當(dāng)大的潛力，許多微生物都產(chǎn)生這兩種酶：其中脂酶可作為食品的風(fēng)味改變酶、去污劑添加物或立體特異性催化劑等，而蛋白酶也可被大量應(yīng)用于食品工業(yè)(啤酒的處理、面包店中的應(yīng)用、發(fā)酵食品的生產(chǎn)、奶酪生產(chǎn)中的加速成熟作用)、洗衣業(yè)、皮革鞣制以及對(duì)X光膠片上銀的回收等。低溫微生物亦可作為生產(chǎn)醫(yī)療用途產(chǎn)品的潛在的適宜工具：如適冷性類流感病毒被認(rèn)為是對(duì)付這種感染的有效疫苗。

隨著對(duì)極地微生物研究的不斷拓展，人們對(duì)“漠漠荒原”的極地生態(tài)系統(tǒng)，尤其是肉眼不能見(jiàn)的微型生物生態(tài)系統(tǒng)有了更深入的了解。就像輕輕推開(kāi)一扇門(mén)，那里蘊(yùn)藏著一個(gè)豐富無(wú)垠的、嶄新的生物世界。