微生物驅(qū)動(dòng)的深海碳循環(huán)是各元素生物地球化學(xué)循環(huán)的核心部分，主要包括碳固定、碳降解、甲烷循環(huán)及其他碳循環(huán)途徑等，其中有機(jī)碳的降解是促進(jìn)全球碳循環(huán)的重要途徑。

孫超岷 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員

纖維素、果膠、褐藻多糖等海藻多糖是一類重要的細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)源，也是海洋食物網(wǎng)的主要成分，是驅(qū)動(dòng)海洋表面和有機(jī)碳等深海物質(zhì)能量循環(huán)的重要因素。擬桿菌被認(rèn)為是藻類多糖的主要降解者，在海洋碳元素生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色。

7月初，《環(huán)境微生物》期刊發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員孫超岷課題組關(guān)于深海冷泉擬桿菌可通過(guò)降解藻類多糖促進(jìn)深海營(yíng)養(yǎng)和碳循環(huán)的最新研究成果。

深海微生物是如何在物質(zhì)能量代謝和碳元素生物地球循環(huán)中發(fā)生作用的？深海冷泉擬桿菌降解藻類多糖的機(jī)制是什么？除了降解藻類多糖，深海冷泉擬桿菌如何在促進(jìn)深海營(yíng)養(yǎng)循環(huán)中發(fā)揮作用？

7月12日，帶著這些疑問(wèn)，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了孫超岷課題組。

多糖是深海碳循環(huán)重要組成部分

“全球初級(jí)生物質(zhì)凈產(chǎn)量的大約一半來(lái)自海洋，主要是由小型海洋浮游植物貢獻(xiàn)的。”孫超岷說(shuō)，海洋浮游植物只占全球植物生物量的1%，但卻完成了全球一半的光合作用。

孫超岷課題組研究認(rèn)為，二氧化碳進(jìn)入海水體系后，浮游植物通過(guò)光合作用，吸收海水中的二氧化碳進(jìn)而生長(zhǎng)繁殖，將其由無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的有機(jī)碳。作為初級(jí)生物質(zhì)，復(fù)合碳水化合物是陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中微生物的普遍能量來(lái)源，它們大多以多糖的形式存在。

多糖是細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)能量?jī)?chǔ)存化合物的結(jié)構(gòu)成分，是深海碳循環(huán)的重要組成部分。海藻中將近50%的成分都是多糖。大量含有各種多糖的藻類植物和動(dòng)物殘骸會(huì)從上層海洋沉降下來(lái)直至深海底部。孫超岷解釋，在沉積過(guò)程中，部分顆粒有機(jī)碳經(jīng)上層微生物的分解又轉(zhuǎn)化為水中的有機(jī)碳，進(jìn)入海洋再循環(huán)，大部分則被沉積埋藏在深海里，為深海沉積物中的多糖降解微生物提供了重要的有機(jī)碳源。

“這些沉積在海洋深層地下的復(fù)雜多糖大多是難以降解的多糖，例如果膠、纖維素和半纖維素。”孫超岷說(shuō)，因此，微生物介導(dǎo)的多糖降解是海洋碳循環(huán)中的一個(gè)重要過(guò)程。

擬桿菌被認(rèn)為是多糖主要降解者

擬桿菌被認(rèn)為是多糖的主要降解者，它們廣泛地分布于人類腸道、近岸海域、海洋沉積物和其他環(huán)境中。

以往研究者推測(cè)，擬桿菌的多糖降解能力，可能來(lái)源于其中的一種獨(dú)特的多糖降解機(jī)制，即在它們的基因組中含有大量的多糖利用位點(diǎn)（PULs，polysaccharide utilization loci）。

“在大部分?jǐn)M桿菌門(mén)成員的基因組中，碳水化合物降解酶排列在PULs的基因簇中。第一個(gè)含有淀粉利用系統(tǒng)（Sus）的PUL是在人類腸道細(xì)菌多形擬桿菌中發(fā)現(xiàn)的，而Sus操縱子被認(rèn)為是多糖降解所必需。”孫超岷說(shuō)，在這個(gè)操縱子中，蛋白因子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和碳水化合物結(jié)合蛋白的同源物必不可少，被認(rèn)為是PUL的標(biāo)志物。PULs中含有許多編碼碳水化合物酶的基因。

這些PULs還包含一個(gè)編碼表面多糖結(jié)合蛋白和一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的串聯(lián)基因。孫超岷認(rèn)為，在它們共同作用下，多糖最初結(jié)合到外膜蛋白上，并被胞外碳水化合物酶切割成寡糖，寡糖通過(guò)外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從外膜轉(zhuǎn)運(yùn)到周質(zhì)中。在周質(zhì)中，寡糖受到保護(hù)，免受其他細(xì)菌的利用，并進(jìn)一步降解為單糖，然后由特異的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸并穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)被利用。

擬桿菌降解不同多糖的機(jī)制已經(jīng)在人類腸道中進(jìn)行了研究，孫超岷說(shuō)，另有研究表明，人類腸道細(xì)菌可以從海洋細(xì)菌中獲得編碼碳水化合物酶的基因，這可能是人類腸道微生物碳水化合物酶多樣性的一個(gè)原因。

“擬桿菌門(mén)是繼變形菌門(mén)和藍(lán)細(xì)菌門(mén)之后最豐富的海洋細(xì)菌群，是藻類衍生碳水化合物最重要的分解者，積極驅(qū)動(dòng)海洋碳和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。然而之前深海擬桿菌的純培養(yǎng)物很少。因此我們需要獲得深海擬桿菌的純培養(yǎng)物，來(lái)進(jìn)一步研究它們?cè)谏詈Ｌ荚氐纳锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)中所起的作用。”孫超岷說(shuō)。

深海冷泉中富含硫化氫、甲烷、其他碳?xì)浠衔锖秃懈鞣N多糖的動(dòng)物殘骸，在這些極端條件的驅(qū)動(dòng)下，冷泉環(huán)境中形成了一個(gè)獨(dú)特的微生物群落，其中包含多種多樣的古菌和細(xì)菌。

“因此，研究深海冷泉中擬桿菌降解多糖的機(jī)制具有重要意義。”孫超岷說(shuō)，在本研究中，他們團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)擴(kuò)增子測(cè)序分析了深海冷泉中擬桿菌的豐度，發(fā)現(xiàn)與其他環(huán)境中類似，擬桿菌是深海表層沉積物的主要類群。擬桿菌門(mén)中的細(xì)菌編碼碳水化合物酶的基因數(shù)量明顯高于變形菌門(mén)和綠彎菌門(mén)中的細(xì)菌，表明擬桿菌門(mén)是碳水化合物降解甚至深海冷泉環(huán)境中碳循環(huán)的主要參與者。

許多擬桿菌已經(jīng)從普通環(huán)境中分離出來(lái)，然而很少有從深海環(huán)境中獲得的純培養(yǎng)物。

“我們將深海沉積物樣品接種到添加各種多糖的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中，并在28℃恒溫培養(yǎng)箱中厭氧富集一個(gè)月，然后將富集的樣品轉(zhuǎn)接到含有固體培養(yǎng)基的厭氧管中，挑選并培養(yǎng)具有不同形態(tài)的單個(gè)菌落。”孫超岷說(shuō)，不出所料，大多數(shù)培養(yǎng)的菌落被鑒定為擬桿菌，其中菌株WC007被鑒定為一個(gè)新物種。這種策略在將來(lái)可能有助于從其他環(huán)境中分離擬桿菌。為了深入了解菌株WC007降解多糖的能力和機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)菌株WC007基因組進(jìn)行了PULs的預(yù)測(cè)和注釋，發(fā)現(xiàn)基因組中存在大量多糖降解利用位點(diǎn)，之后利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)深入研究了菌株WC007對(duì)纖維素的降解和利用機(jī)制。

“海藻多糖是一種重要的細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)源和海洋食物網(wǎng)的主要構(gòu)成部分，也是海洋表面和深海碳循環(huán)的關(guān)鍵因素。”孫超岷說(shuō)，鑒于海藻多糖在海洋碳循環(huán)中的重要性，他們團(tuán)隊(duì)推測(cè)容易降解的多糖被海洋表面的需氧微生物利用，然后這些難降解的多糖聚集形成顆粒碎屑，從透光表面向深海沉積物中沉降。一旦碳水化合物衍生的顆粒到達(dá)深海底部，像菌株WC007這樣的高效多糖降解菌會(huì)首先通過(guò)外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白識(shí)別胞外多糖或寡糖，然后通過(guò)位于細(xì)胞質(zhì)膜上的特定蛋白復(fù)合物提供能量，將這些降解物（如寡糖）吸收到周質(zhì)中。然后，激活并釋放碳水化合物酶，將寡糖切割成單糖和二糖，之后將其運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中進(jìn)行代謝和產(chǎn)生能量，以促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)。同時(shí)，一些裂解產(chǎn)物可以供其他細(xì)菌吸收利用，這可以極大地促進(jìn)深層生物圈中的碳和營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)。

將藻類變廢為寶

研究認(rèn)為，微生物可以通過(guò)固定或者釋放CO、CO2、CH4以及對(duì)各種有機(jī)碳的降解與轉(zhuǎn)化作用, 直接控制全球碳源的轉(zhuǎn)換和碳形態(tài)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響氮、硫、磷等其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。孫超岷介紹，微生物驅(qū)動(dòng)的深海碳循環(huán)是各元素生物地球化學(xué)循環(huán)的核心部分，主要包括碳固定、碳降解、甲烷循環(huán)及其他碳循環(huán)途徑等，其中有機(jī)碳的降解是促進(jìn)全球碳循環(huán)的重要途徑。

相應(yīng)地，孫超岷課題組還發(fā)現(xiàn)纖維素不僅可以促進(jìn)擬桿菌的糖類和氨基酸代謝，還可以促進(jìn)其尿素循環(huán)和甲烷代謝。“因此，多糖可能是深海沉積物中多糖降解細(xì)菌的主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，這些異養(yǎng)微生物降解多糖是深海碳循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。”孫超岷說(shuō)。

滸苔是一類綠藻，而滸苔綠潮在我國(guó)黃海已連續(xù)爆發(fā)多年，成為嚴(yán)重的海洋生態(tài)災(zāi)害。

從2008年6月中旬開(kāi)始，大量滸苔從黃海中部海域漂移至青島附近海域，而今年滸苔的爆發(fā)量更是達(dá)到了近年來(lái)的一個(gè)新頂點(diǎn)。孫超岷說(shuō)，考慮到滸苔是一類飄浮型藻類以及海洋的開(kāi)放性環(huán)境，要想采用諸如除草劑之類的藥物防治滸苔難度極大。

“除了從根本上改善水質(zhì)，從源頭上減少滸苔的生物量，還要積極發(fā)展?jié)G苔的高值化利用。鑒于滸苔含有大量的碳水化合物，我們將嘗試用分離到的擬桿菌去降解滸苔多糖，以期產(chǎn)生有抗菌、抗腫瘤等特殊生物學(xué)功能的寡糖衍生物，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的多糖降解工具酶，從而將滸苔變廢為寶。”孫超岷說(shuō)。