深海微⽣物为啥能在物质代谢中起到重要作⽤？
深海微⽣物为啥能在物质代谢中起到重要作⽤？
兼容模式微⽣物驱动的深海碳循环是各元素⽣物地球化学循环的核⼼部分，主要包括碳固定、碳降解、甲烷循环及其他碳循环途径等，其中有机碳的降解是促进全球碳循环的重要途径。
孙超岷中国科学院海洋研究所研究员
纤维素、果胶、褐藻多糖等海藻多糖是⼀类重要的细菌营养源，也是海洋⾷物⽹的主要成分，是驱动海洋表⾯和有机碳等深海物质能量循环的重要因素。拟杆菌被认为是藻类多糖的主要降解者，在海洋碳元素⽣物地球化学循环过程中扮演着重要⾓⾊。
7⽉初，《环境微⽣物》期刊发表了中国科学院海洋研究所研究员孙超岷课题组关于深海冷泉拟杆菌可通过降解藻类多糖促进深海营养和碳循环的最新研究成果。
深海微⽣物是如何在物质能量代谢和碳元素⽣物地球循环中发⽣作⽤的？深海冷泉拟杆菌降解藻类多糖的机制是什么？除了降解藻类多糖，深海冷泉拟杆菌如何在促进深海营养循环中发挥作⽤？
7⽉12⽇，带着这些疑问，科技⽇报记者采访了孙超岷课题组。
多糖是深海碳循环重要组成部分
“全球初级⽣物质净产量的⼤约⼀半来⾃海洋，主要是由⼩型海洋浮游植物贡献的。”孙超岷说，海洋浮游植物只占全球植物⽣物量的1%，但却完成了全球⼀半的光合作⽤。
孙超岷课题组研究认为，⼆氧化碳进⼊海⽔体系后，浮游植物通过光合作⽤，吸收海⽔中的⼆氧化碳进⽽⽣长繁殖，将其由⽆机碳转化为⽣物体内的有机碳。作为初级⽣物质，复合碳⽔化合物是陆地和海洋⽣态系统中微⽣物的普遍能量来源，它们⼤多以多糖的形式存在。乒乓球知识
多糖是细胞壁和细胞内能量储存化合物的结构成分，是深海碳循环的重要组成部分。海藻中将近50%的成分都是多糖。⼤量含有各种多糖的藻类植物和动物残骸会从上层海洋沉降下来直⾄深海底部。孙超岷解释，在沉积过程中，部分颗粒有机碳经上层微⽣物的分解⼜转化为⽔中的有机碳，进⼊海洋再循环，⼤部分则被沉积埋藏在深海⾥，为深海沉积物中的多糖降解微⽣物提供了重要的有机碳源。
油菜花作文“这些沉积在海洋深层地下的复杂多糖⼤多是难以降解的多糖，例如果胶、纤维素和半纤维素。”孙超岷说，因此，微⽣物介导的多糖降解是海洋碳循环中的⼀个重要过程。
拟杆菌被认为是多糖主要降解者
拟杆菌被认为是多糖的主要降解者，它们⼴泛地分布于⼈类肠道、近岸海域、海洋沉积物和其他环境中。
以往研究者推测，拟杆菌的多糖降解能⼒，可能来源于其中的⼀种独特的多糖降解机制，即在它们的基因组中含有⼤量的多糖利⽤位点（PULs，polysaccharide utilization loci）。
“在⼤部分拟杆菌门成员的基因组中，碳⽔化合物降解酶排列在PULs的基因簇中。第⼀个含有淀粉利⽤系统（Sus）的PUL是在⼈类肠道细菌多形拟杆菌中发现的，⽽Sus操纵⼦被认为是多糖降解所必需。”孙超岷说，在这个操纵⼦中，蛋⽩因⼦转运蛋⽩和碳⽔化合物结合蛋⽩的同源物必不可少，被认为是PUL的标志物。PULs中含有许多编码碳⽔化合物酶的基因。
新年爱情祝福语这些PULs还包含⼀个编码表⾯多糖结合蛋⽩和⼀个转运蛋⽩的串联基因。孙超岷认为，在它们共同作⽤下，多糖最初结合到外膜蛋⽩上，并被胞外碳⽔化合物酶切割成寡糖，寡糖通过外膜转运蛋⽩从外膜转运到周质中。在周质中，寡糖受到保护，免受其他细菌的利⽤，并进⼀步降解为单糖，然后由特异的转运蛋⽩运输并穿过细胞质膜进⼊细胞质被利⽤。
拟杆菌降解不同多糖的机制已经在⼈类肠道中进⾏了研究，孙超岷说，另有研究表明，⼈类肠道细菌可以从海洋细菌中获得编码碳⽔化合物酶的基因，这可能是⼈类肠道微⽣物碳⽔化合物酶多样性的⼀个原因。
“拟杆菌门是继变形菌门和蓝细菌门之后最丰富的海洋细菌群，是藻类衍⽣碳⽔化合物最重要的分解者，积极驱动海洋碳和营养循环。然⽽之前深海拟杆菌的纯培养物很少。因此我们需要获得深海拟杆菌的纯培养物，来进⼀步研究它们在深海碳元素的⽣物地球化学循环中所起的作⽤。”孙超岷说。
深海冷泉中富含硫化氢、甲烷、其他碳氢化合物和含有各种多糖的动物残骸，在这些极端条件的驱动三大炮
下，冷泉环境中形成了⼀个独特的微⽣物群落，其中包含多种多样的古菌和细菌。
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“因此，研究深海冷泉中拟杆菌降解多糖的机制具有重要意义。”孙超岷说，在本研究中，他们团队⾸先通过扩增⼦测序分析了深海冷泉中拟杆菌的丰度，发现与其他环境中类似，拟杆菌是深海表层沉积物的主要类群。拟杆菌门中的细菌编码碳⽔化合物酶的基因数量明显⾼于变形菌门和绿弯菌门中的细菌，表明拟杆菌门是碳⽔化合物降解甚⾄深海冷泉环境中碳循环的主要参与者。
导引法许多拟杆菌已经从普通环境中分离出来，然⽽很少有从深海环境中获得的纯培养物。
“我们将深海沉积物样品接种到添加各种多糖的基础培养基中，并在28℃恒温培养箱中厌氧富集⼀个⽉，然后将富集的样品转接到含有固体培养基的厌氧管中，挑选并培养具有不同形态的单个菌落。”孙超岷说，不出所料，⼤多数培养的菌落被鉴定为拟杆菌，其中菌株WC007被鉴定为⼀个新物种。这种策略在将来可能有助于从其他环境中分离拟杆菌。为了深⼊了解菌株WC007降解多糖的能⼒和机制，研究团队对菌株WC007基因组进⾏了PULs的预测和注释，发现基因组中存在⼤量多糖降解利⽤位点，之后利⽤基因组学、转录组学和代谢组学深⼊研究了菌株WC007对纤维素的降解和利⽤机制。
将藻类变废为宝
研究认为，微⽣物可以通过固定或者释放CO、CO2、CH4以及对各种有机碳的降解与转化作⽤, 直接
控制全球碳源的转换和碳形态的转化，进⽽影响氮、硫、磷等其他元素的⽣物地球化学循环。孙超岷介绍，微⽣物驱动的深海碳循环是各元素⽣物地球化学循环的核⼼部分，主要包括碳固定、碳降解、甲烷循环及其他碳循环途径等，其中有机碳的降解是促进全球碳循环的重要途径。
相应地，孙超岷课题组还发现纤维素不仅可以促进拟杆菌的糖类和氨基酸代谢，还可以促进其尿素循环和甲烷代谢。“因此，多糖可能是深海沉积物中多糖降解细菌的主要营养来源，这些异养微⽣物降解多糖是深海碳循环的⼀个关键过程。”孙超岷说。
浒苔是⼀类绿藻，⽽浒苔绿潮在我国黄海已连续爆发多年，成为严重的海洋⽣态灾害。
浒苔是⼀类绿藻，⽽浒苔绿潮在我国黄海已连续爆发多年，成为严重的海洋⽣态灾害。
从2008年6⽉中旬开始，⼤量浒苔从黄海中部海域漂移⾄青岛附近海域，⽽今年浒苔的爆发量更是达到了近年来的⼀个新顶点。孙超岷说，考虑到浒苔是⼀类飘浮型藻类以及海洋的开放性环境，要想采⽤诸如除草剂之类的药物防治浒苔难度极⼤。
“除了从根本上改善⽔质，从源头上减少浒苔的⽣物量，还要积极发展浒苔的⾼值化利⽤。鉴于浒苔含有⼤量的碳⽔化合物，我们将尝试⽤分离到的拟杆菌去降解浒苔多糖，以期产⽣有抗菌、抗肿瘤等特殊⽣物学功能的寡糖衍⽣物，并开发相应的多糖降解⼯具酶，从⽽将浒苔变废为宝。”孙超岷说。
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本⽂来⾃：科技⽇报数字报
