海洋三所研究团队探秘深海微生物纪实

作者:本报记者 兰圣伟  来源:中国海洋报   发布时间:2018-09-26 09:35:46   [打印本页] [关闭窗口]

  深海具有丰富的生物多样性,深海水体、沉积物、海底平原、海沟、冷泉、海山等构成了特殊的生态系统,是巨大的生物基因资源宝库。多年来,自然资源部第三海洋研究所科研人员聚焦国际深海科学前沿,在深海微生物多样性调查、深海生物基因资源库建设、海洋微生物功能研究、深海生物资源开发利用等方面取得了重要成果,逐渐发展成为国际深海微生物研究领域的一支重要力量。


科考队员正在回收深海微生物原位富集装置

  探究极端环境下的生命系统

  深海微生物因生存环境极端特殊,在生命演化过程中,形成了独特的多样性和代谢机制,嗜冷、嗜压、嗜热、嗜碱以及抗重金属等极端微生物资源丰富,是新结构天然活性物质的重要来源。目前,深海极端微生物在医药卫生、生物技术等领域展现出了巨大活力,开展深海生物基因资源勘探和研究已经成为国际社会关注的科学热点。

  早在上世纪70年代,美国“阿尔文”号载人潜水器就发现了深海热液区。但是由于探测手段限制,时至今日人类对深海热液生命系统的认知依然有限,热液活动与地球生命起源的关系依然是未解之谜,人类对深海生态系统的调查研究相对较少,对海底生物生命过程、代谢机制过程与环境贡献更是了解有限。

  科学研究表明,从大洋表层到深海海底,海洋微生物数量庞大,物种多样性极其丰富,不仅在海水表层存在大量的微生物新物种、新基因,而且在2500多米水深甚至更深的海底也有微生物活动,深海新物种的科学价值、环境作用和资源价值尚难以估量。

  在深海洋底搭建实验平台

  正在执行中国大洋50航次科考任务的“向阳红03”船上,有一套橙红色的方形调查设备格外引人注目。这套名为深海微生物原位富集装置的设备,由海洋三所等单位联合研发,可布放于海水与沉积物界面进行微生物原位培养。该设备可帮助科考队员在海底搭建一个深海实验平台,利用深海原位高压、低温、寡营养、黑暗等极端环境,富集和培养在陆地实验室无法培养的微生物。

  今年8月,该设备在西太平洋牛郎海山区完成了为期一年共计8类微生物的原位培养实验,获得了大量高保真的微生物原位富集菌群和环境数据。海洋三所研究团队利用该设备在印度洋、太平洋及南海等海域开展多次深海微生物的原位培养实验,为充实我国深海微生物菌种库提供了重要实验平台。

  这只是我国大洋微生物资源调查的一个缩影。“十五”期间,我国正式启动深海生物及其基因资源研究,依托海洋三所建立了中国大洋生物基因研发基地和我国首个深海微生物资源库。2005年,在国家自然科技资源共享平台支持下,海洋三所建成中国海洋微生物菌种保藏管理中心,主要负责海洋微生物菌种的采集、整理、鉴定、保藏与共享,是我国唯一的海洋微生物菌种保藏机构。

  经过多年积累和发展,海洋三所在极端微生物资源获取、极端酶研究、活性物质筛选和微生物多样性分析等方面取得了重要进展,初步形成了一支集大洋生物基因资源勘探及大洋科学研究于一体的科研团队,调查足迹遍布全球大洋和南北极。

  近年来,随着蛟龙号、“海龙”号和“潜龙”号等深海装备的发展,我国大洋调查获取深海生物样品的可靠性和准确性显著提升。科学家们多次搭乘蛟龙号载人潜水器抵达太平洋多处海山、马里亚纳海沟、冲绳海槽、深海热液区等区域进行海底观测和生物采样,为研究深海生态系统、探索生命演化提供了重要基础材料。

  微生物资源利用走进现实

  经过十多年发展,我国在深海生物资源探测和保藏工作中取得了“后发先至”的显著成效,彻底改变了我国在国际海底基因资源研发领域的落后局面。

  截至去年底,我国科研人员从各种海洋环境中成功分离鉴定了2万多株微生物,海洋微生物菌种保藏管理中心库藏海洋微生物达2.2万株、3900多个种,包括细菌、酵母菌、丝状真菌、古菌等,来源涵盖深海沉积物、红树林土壤、热液羽流、热液烟囱、冰芯、极地冻土等多种生境,初步建立起深海生物基因库,达到国际领先水平。同时,中心共享能力不断提升,目前共对高等院校、科研单位及企业等提供菌株1.2万余株/次,为国家多项重大科技计划提供了重要的菌种资源保障。

  开展深海微生物资源勘探的目的是造福全人类。如今,我国科研人员在深海微生物应用领域开展了一些积极探索和有益尝试,微生物资源的开发利用逐渐走进人们日常生活。

  海洋三所研究团队利用海洋的嗜油微生物,研发出一种石油高效降解菌株。该成果成功应用于厦门观音山海域曾被石油污染的沙滩生态修复工程,取得了良好修复效果;在农业应用领域,海洋三所目前有3类微生物制剂进入田间试验阶段;在药物研发方面,成功从海洋微生物中分离鉴定出近百个具有抗肿瘤、抗衰老、抗菌或抗病毒等功能的活性小分子化合物。

  数据显示,我国目前已经完成5000多株微生物资源在海洋药物、生物农药、环境保护、工业酶应用、生物技术等方面的潜力评估,申请国际国内发明专利200多项,大力推动了深海生物知识产权的保护,有效保障我国在国际海底区域的权益。随着“蛟龙探海”重大工程的实施和我国深海探测技术发展、大洋调查能力提升,预计到“十三五”末,深海微生物资源库保藏量将达到3万多株,深海微生物资源的开发利用将对人们的日常生活产生积极而深远的影响。