7月初，《環(huán)境微生物》報道了中國科學(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降解藻類多糖促進深海營養(yǎng)和碳循環(huán)的最新研究成果，為進一步了解深海微生物介導(dǎo)的物質(zhì)能量代謝和碳元素生物地球循環(huán)研究提供了研究范例。

纖維素、果膠、褐藻多糖等海藻多糖是一類重要的細菌營養(yǎng)源，也是海洋食物網(wǎng)的主要成分，是驅(qū)動海洋表面和有機碳等深海物質(zhì)能量循環(huán)的重要因素。擬桿菌被認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)過程中扮演著重要角色。

然而，由于采樣困難和純培養(yǎng)菌株的缺乏，人們對深海擬桿菌降解多糖及其參與碳元素循環(huán)的機制等問題知之甚少。這其中包括深海的物質(zhì)能量代謝和碳循環(huán)是怎樣的機制，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?該菌株降解藻類多糖的機制是什么?深海冷泉擬桿菌除了降解藻類多糖，如何在促進深海營養(yǎng)循環(huán)中發(fā)揮作用?孫超岷課題組此次對深海冷泉擬桿菌的研究是通過怎樣的形式進行的?等等熱點問題。7月12日，帶著這些疑問，科技日報記者采訪了孫超岷課題組。

深海的物質(zhì)能量代謝和碳循環(huán)是怎樣的機制，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?

微生物介導(dǎo)是深海冷泉形成單質(zhì)硫的新途徑。這是孫超岷課題組關(guān)于深海冷泉環(huán)境細菌氧化硫代硫酸鈉形成單質(zhì)硫新型途徑的研究成果。孫超岷告訴記者，去年，國際生物學(xué)權(quán)威期刊ISME J報道了這項成果，為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質(zhì)的成因提供了重要理論依據(jù)。

“全球初級生物質(zhì)凈產(chǎn)量的大約一半來自海洋，主要是由小型海洋浮游植物貢獻的。”孫超岷說，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(CO2的固定以及O2的產(chǎn)生)。

孫超岷課題組研究認為，二氧化碳進入海水體系后，浮游植物通過光合作用，吸收海水中的二氧化碳進而生長繁殖，將其由無機碳轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的有機碳，作為初級生物質(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源，它們大多以多糖的形式存在。

其中，海藻中多糖含量非常高，將近50%的成分都是多糖，多糖是細胞壁和細胞內(nèi)能量儲存化合物的結(jié)構(gòu)成分，是深海碳循環(huán)的重要組成部分。大量含有各種多糖的藻類植物和動物殘骸從上層海洋沉降下來直至深海底部。孫超岷解釋說，在沉積過程中，部分顆粒有機碳經(jīng)上層微生物的分解又轉(zhuǎn)化為水中的有機碳，進入海洋再循環(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、纖維素和包括巖藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖、葡聚糖、阿拉伯半乳聚糖等半纖維素。” 孫超岷說，因此，微生物介導(dǎo)的多糖降解是海洋碳循環(huán)中的一個重要過程。

此次對深海冷泉擬桿菌的研究是通過怎樣的形式進行的?該菌株降解藻類多糖的機制是什么?

孫超岷告訴記者，關(guān)于多糖降解一直以來都受到人們的廣泛關(guān)注，其中有一類微生物(擬桿菌)被認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、海洋沉積物和其它環(huán)境中，在高分子量碳水化合物的降解中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

據(jù)報道，擬桿菌門的很多成員具有較強的多糖降解能力，推測可能是因為在擬桿菌中存在一種獨特的多糖降解機制，即在它們的基因組中含有大量的多糖利用位點(PULs，polysaccharide utilization loci)。

“在大部分擬桿菌門的基因組中，碳水化合物降解酶排列在PULs的基因簇中。第一個含有淀粉利用系統(tǒng)(Sus)的PUL是在人類腸道細菌Bacteroidesthetaiotaomicron中發(fā)現(xiàn)的，而且Sus操縱子被認為是多糖降解所必需的。”孫超岷說，在這個操縱子中，蛋白因子SusC和SusD的同源物(SusC：轉(zhuǎn)運蛋白;SusD：碳水化合物結(jié)合蛋白)是必不可少的，被認為是PUL的標志物。PULs中含有許多編碼碳水化合物酶的基因，這些酶可分為糖苷水解酶、糖苷轉(zhuǎn)移酶、碳水化合物結(jié)合模塊、碳水化合物酯酶、多糖裂解酶、硫酸酯酶(主要針對硫酸化多糖)和其它各種輔助酶。

除了底物特異性碳水化合物酶的基因，這些PULs還包含一個編碼表面多糖結(jié)合蛋白和一個轉(zhuǎn)運蛋白的串聯(lián)基因。孫超岷認為，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，然后寡糖通過外膜轉(zhuǎn)運蛋白從外膜轉(zhuǎn)運到周質(zhì)中。在周質(zhì)中，寡糖受到保護，免受其他細菌的利用，并進一步降解為單糖，然后由特異的轉(zhuǎn)運蛋白運輸并穿過細胞質(zhì)膜進入細胞質(zhì)被利用。因此，PULs中基因組成的特征為擬桿菌降解不同類型的多糖提供了線索。

到目前為止，擬桿菌降解不同多糖的機制已經(jīng)在人類腸道中進行了研究，包括木葡聚糖和木聚糖的降解。孫超岷說，另外有一項研究表明，人類腸道細菌可以從海洋細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原因。

“擬桿菌門是繼變形菌門和藍細菌門之后最豐富的海洋細菌群，是藻類衍生碳水化合物最重要的分解者，積極驅(qū)動海洋碳和營養(yǎng)循環(huán)海。然而關(guān)于深海擬桿菌降解多糖的報道卻幾乎沒有，主要是因為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)物來進一步研究它們在深海碳元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中所起的作用。”孫超岷說。

深海冷泉中富含硫化氫、甲烷、其他碳氫化合物和含有各種多糖的動物殘骸，在這些極端條件的驅(qū)動下，冷泉環(huán)境中形成了一個獨特的微生物群落，其中包含多種多樣的古菌和細菌。

“因此，研究深海冷泉中擬桿菌降解多糖的機制具有重要意義。” 孫超岷告訴記者，在本研究中，他們團隊首先通過擴增子測序分析了深海冷泉中擬桿菌的豐度，發(fā)現(xiàn)與其他環(huán)境類似，擬桿菌是深海表層沉積物的主要類群。擬桿菌門中的細菌編碼碳水化合物酶的基因數(shù)量明顯高于變形菌門和綠彎菌門中的細菌，表明擬桿菌門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，然而很少有從深海環(huán)境中獲得的純培養(yǎng)物。

“于是，我們開發(fā)了一種有效的分離策略來從深海環(huán)境中富集和分離培養(yǎng)擬桿菌，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)的單個菌落。” 孫超岷說，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被鑒定為一個新物種，命名為Maribelluscomscasis WC007，這種策略在將來可能有助于從其他環(huán)境中更容易分離擬桿菌。為了深入了解菌株WC007降解多糖的能力和機制，對菌株WC007基因組進行了PULs的預(yù)測和注釋，發(fā)現(xiàn)基因組中存在大量多糖降解利用位點，主要是負責降解纖維素、果膠、巖藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖和淀粉等多糖。其中菌株WC007對纖維素的降解效果最為明顯，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對纖維素的降解和利用機制。

“海藻多糖是一種重要的細菌營養(yǎng)源和海洋食物網(wǎng)的主要成分，也是海洋表面和深海碳循環(huán)的關(guān)鍵因素。”孫超岷說，鑒于海藻多糖在海洋碳循環(huán)中的重要性，他們團隊推測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，隨后會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深海底部，像菌株WC007這樣的高效多糖降解菌會首先通過外膜轉(zhuǎn)運蛋白識別胞外多糖或寡糖，然后通過位于細胞質(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，之后將其運輸?shù)郊毎|(zhì)中進行代謝和產(chǎn)生能量，以促進細菌生長。同時，一些裂解產(chǎn)物可以供其他細菌吸收利用，這可以極大地促進深層生物圈中的碳和營養(yǎng)元素循環(huán)(圖1)。

“總之，我們對菌株WC007降解多糖的深入研究有助于理解擬桿菌對深海碳和營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)的貢獻。” 孫超岷說。

除了降解藻類多糖，深海冷泉擬桿菌如何在促進深海營養(yǎng)循環(huán)中發(fā)揮作用?

研究認為，微生物可以通過固定或者釋放CO、CO2、CH4以及對各種有機碳的降解與轉(zhuǎn)化作用, 從而直接控制全球碳源的轉(zhuǎn)換和碳形態(tài)的轉(zhuǎn)化,進而影響氮、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，其中有機碳的降解是促進全球碳循環(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擬桿菌的糖類和氨基酸代謝，還可以促進其尿素循環(huán)和甲烷代謝。孫超岷說，因此，多糖可能是深海沉積物中多糖降解細菌的主要營養(yǎng)來源，這些異養(yǎng)微生物降解多糖是深海碳循環(huán)的一個關(guān)鍵過程。

眾所周知，滸苔是一類綠藻，而滸苔綠潮在我國黃海已連續(xù)暴發(fā)多年，成為嚴重海洋生態(tài)災(zāi)害。

從2008年6月中旬開始，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)量更是達到了近年來的一個新頂點。孫超岷告訴記者，考慮到滸苔是一類飄浮型藻類以及海洋的開放性環(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。(記者 王健高 通訊員 王敏)