魅力无穷的极地微生物研究

罗 玮（中国极地研究中心）

“雪龙”号极地科考船在南极

●在海洋食物链中，微生物本身作为有机物质的初级生产者，成为许多原生动物、浮游动物和底栖动物等的食物，也在海洋生态系统的物质和能量转化、生物地球化学循环中担当着特殊而极其重要的角色；包括极区海洋生态系统的结构与功能，以及海洋生物资源及其可持续发展，愈来愈成为人们普遍关注的问题之一。

人类自南、北极分离出微生物后，各国的微生物学家相继在南、北极地区进行了大量的研究工作，证实了在极地冰、雪、水、土壤及岩石样品中广泛存在着各种类型的微生物。哪怕是最严酷的极地冰雪生态系统，也有丰富的微生物多样性。以极地海冰为例，作为地球上最寒冷的环境之一，其环境温度在0℃到-35℃变动；与淡水冰不同，海冰是个半固体矩阵，冰晶间弥漫着大小不等、充满卤水的孔道网络，在海冰内部形成了温度、盐度和营养盐浓度急剧变化的封闭或半封闭的微生境。在这极端环境中存在着复杂的充满活力的海冰微生物群落，包括游离病毒、细菌、自养藻、原生动物和后生动物；其中包括大量嗜冷和耐冷微生物。

除掉惊人的生物多样性，科学研究同时还证明微生物在南、北极自然环境下的物质循环、生物地球化学过程中担负着重要作用。极区微生物类群不但在极地有机物质的矿化过程中起重要作用，而且在极区其他生境如湖泊、海洋等食物链中本身也是许多原生动物、浮游动物和底栖动物的食物来源。极地微生物通过参与极区陆地及海洋的营养循环过程和生物生产过程，在极地生态与环境系统中具有重要的地位和作用。以海冰细菌为例，不仅作为初级生产者为群落中的原生动物、后生动物提供食物，更重要的是作为分解者在海冰有机物矿化中起着主导作用，据估算海冰初级生产量的20%~30%通过细菌进行物质循环。

极地微生物的生物地理分布

传统的技术，例如分离培养技术和显微镜分类鉴定技术已经无法满足我们在特殊生境中的微生物多样性、微生物区系分子组成以及微生物系统进化等方面的研究要求。首先，由于缺乏细胞表面的形态学特征，一些微型生物，特别是微微型生物（3微米以下）无法通过显微镜技术来鉴定；其次，用来分离培养微生物类群的培养通常具有选择性，而且自然环境中有85%～99.9%的微生物至今还不可纯培养，这就造成了对特殊生境中微生物多样性的低估。

另外，在传统的富集、培养、分离和研究过程中可能造成微生物多样性丢失、种群构成发生变化等弊端。因此，多种不依赖于培养的分子生物学方法促进了我们对微生物生态学的理解。应用分子生物学技术直接从海洋环境中分离微生物的遗传物质，从而为极地微生物生态学注入了新的活力，甚至改变了人们对极地微生物群落多样性的认识。

现代分子生物学技术是在基因水平上研究极地微生物群落组成的多样性及动态性。近年来，中国极地研究中心的科研人员通过不断地参与我国及与各国合作的南、北极科学考察，对极区海洋、海冰、大型冰川、湖泊（包括冰川覆盖下的湖泊）、土壤、极地内陆深冰芯、深海等各个极区生境的微生物多样性进行着调查及研究，尤其是一些需要特殊后勤支持的生态环境样品现场采集和分析，如深冰芯钻探、深海样品采集等，需要多个学科融合的项目支撑开展。通过这些现场采样观测、生物活体分离培养及保藏、基因文库、DGGE、454高通量测序等多种手段对极区微生物的生物地理分布进行研究，不断的有新的种类被发表在各个国际期刊上，极大地拓展了我们对极地微生物多样性，及微生物类群与极地生物地球科学中的重要作用等科学领域的认知水平。

气候变化与极地微生物生态系统

如今，全球气候变暖和各种全球性气候异常现象的加剧，使得人们更加重视对地球各个圈层（即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈）内部变化及其相互作用的研究，逐步揭示全球气候变化及其动因已成为当今地球科学必须面对并解决的重大科学问题。极地是地球冷源之一，是全球气候变化的启动器，它在整个地球系统中占有重要的位置，因而有关极区海洋生态环境的效应及其对全球气候变化的影响和响应、极区海洋生态系统的结构与功能和海洋生物资源及其可持续发展，愈来愈成为人们普遍关注的问题。很多的研究监测表明，正经历着显著变化的极地生境，将对极区各个生态系统产生着深远的影响。

微生物在极区海洋生态系统中占有重要的地位，成为极区海洋生态系统研究的重要组成部分。它们在海洋有机物质的生物地球化学循环中起着重要作用，如分解有机物质并释放出基本要素，在海洋食物链中，它们本身又作为有机物质的初级生产者，成为许多原生动物、浮游动物和底栖动物等的食物，在海洋生态系统的物质和能量转化以及生物地球化学循环中担当特殊而极其重要的角色。例如浮游细菌，能够在远洋生物量中占据优势地位，成为从溶解有机碳到颗粒有机碳这一重要通量的联系纽带，并且在海洋呼吸系统中占据实质性的部分。

随着全球气候的急剧变化，极区微生物及其对温度的敏感性成为当今各类监测研究、生态模型构建中的一大亮点。由于极区比其他地区更持续快速的升温，冰盖的逐渐消失和海水持续增温,使得海洋浮游生态系统中这些较低等群落已成为微食物环中最脆弱的一环。在南、北极高纬地区，微生物群落组成结构将有何种变化、丰度和时空分布特点在快速变化的海洋生态环境中扮演何种角色，已成为极区深入开展微生物生态学研究的关键问题之一，亦是极区生态系统中对全球气候变化快速响应的先驱类群。

极区微生物抗逆性及其应用前景

极地独特的地理及气候特征，形成了一个干燥、酷寒、强辐射的自然环境，生存于其中的微生物具备了相对独特的分子生物学机制和生理生化特性，如嗜冷和耐冷特性、抗强辐射等。同时，其他一些耐盐微生物、中温及嗜热微生物的发现，也大大丰富了极地微生物资源的多样性。南、北极是一个潜在的、重要的微生物资源库，它不仅是微生物新种属的生存繁衍地，也是具有独特生态系统微生物的生存繁衍地，更是产生新型生物活性物质和先导化合物(如酶、抗生素、多糖及脂类等)微生物株系的潜在种源地。

自从1985年在南极发现臭氧层空洞以来，大气平流层臭氧层破坏已经成为人们最为关心的全球问题之一。破毁臭氧层的主要原因是氟氯烃化合物和哈龙等卤族化合物的大量使用。近年来，这些物质对臭氧层的破坏速度大大加快，在南极和北极上空形成了臭氧层空洞。由于臭氧层的变薄，极地的UV-B水平高于温带、热带和亚热带纬度区。而极地臭氧层变化则更为敏感，对极地的生态系统也将产生不可推测的影响。

由于臭氧层的严重破坏，人们非常重视紫外线辐射（UVR，200nm～400nm）对生态系统可能造成的影响，以中间波长280nm～320nm的紫外线UV-B辐射最为引人关注。以极地微藻对UV-B的增强效应研究为例，UV-B辐射增强对微藻细胞内大分子物质、核酸的合成、及藻类多糖含量造成影响。UVB辐射可使某些藻体中的孢子花粉素（sporopollenin）、三苯甲咪唑氨基酸（MAAs）等 UV-B 吸收物质增加。有些藻类在强UV-B环境中，能合成抗UV-B的同功能物质以适应这种环境。

位于上海浦东新区的中国极地研究中心

极地微藻被证明含有DNA损伤的修复机制，还可以合成抗紫外线物质来吸收紫外线，使得一定强度内的UV-B不会对微藻细胞造成伤害。此外，UV-B还可以影响微藻的保护酶系统、影响自由基的产生速率。对极地藻类抗UV-B辐射的物质研究主要集中在类胡萝卜素、多糖和UV吸收色素。这些极地微生物对不同强度UV-B辐射的反应，将为深入了解极地微型生物对UV-B辐射的敏感程度，以及目前强UV-B辐射下的极区水生态系统构建基础。

在严酷的极地环境中，低温是一个非常重要的环境因素，极地的低温环境对生存于其中的微生物产生了深刻而广泛的影响。低温通过各种途径影响生命活动：降低细胞的生化反应速率、影响某些细胞组分的稳定性以及冷冻所造成的破裂作用。尽管低温有着很强烈的副作用，但是极地的微生物为了生存，需要一系列的耐受低温的特性，或者说适应性来将极端环境所造成的损伤降低到最低限度。

尽管在温带地区也能够发现这些细胞及其生命活动的机理，然而，极地的特殊理化条件造就了一群非常强壮和有韧性的微生物群落。由于低温微生物具有抗低温特性，能在低温条件下生长、繁殖，由此在酶分子水平、细胞膜以及细胞质等各个方面引发了精细组成和结构方面的变化，因而弥补了低温对细胞生长的消极影响，这在工业生产，特别是在食品工业中有重要价值。

应用低温微生物可以提供许多可能性：在可防止微生物污染 (尤其是在连续运转系统中)的0℃～20℃温度范围内 (此时同源的嗜温型酶不活泼)，低温微生物具有高生长速率、高酶活力及高催化效率，可大大缩短处理过程的时间并省却昂贵的加热／冷却系统，因而在节能方面有相当大的进步：经过温和的热处理即可使低温酶的活力丧失，而且低温或适温处理不会影响产品的品质。

在低温酶类中，脂酶和蛋白酶具有相当大的潜力，许多微生物都产生这两种酶：其中脂酶可作为食品的风味改变酶、去污剂添加物或立体特异性催化剂等，而蛋白酶也可被大量应用于食品工业(啤酒的处理、面包店中的应用、发酵食品的生产、奶酪生产中的加速成熟作用)、洗衣业、皮革鞣制以及对X光胶片上银的回收等。低温微生物亦可作为生产医疗用途产品的潜在的适宜工具：如适冷性类流感病毒被认为是对付这种感染的有效疫苗。

随着对极地微生物研究的不断拓展，人们对“漠漠荒原”的极地生态系统，尤其是肉眼不能见的微型生物生态系统有了更深入的了解。就像轻轻推开一扇门，那里蕴藏着一个丰富无垠的、崭新的生物世界。