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。

孫超岷 中國科學(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。

7月初，《環(huán)境微生物》期刊發(fā)表了中國科學(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。

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制是什么？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？

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。

多糖是深海碳循環(huán)重要組成部分

“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。

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。

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。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物殘骸會從上層海洋沉降下來直至深海底部。孫超岷解釋，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。

擬桿菌被認為是多糖主要降解者

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、海洋沉積物和其他環(huán)境中。

以往研究者推測，擬桿菌的多糖降解能力，可能來源于其中的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。第一個含有淀粉利用系統(tǒng)（Sus）的PUL是在人類腸道細菌多形擬桿菌中發(fā)現(xiàn)的，而Sus操縱子被認為是多糖降解所必需。”孫超岷說，在這個操縱子中，蛋白因子轉(zhuǎn)運蛋白和碳水化合物結(jié)合蛋白的同源物必不可少，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，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。

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，孫超岷說，另有研究表明，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)。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。”孫超岷說，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)境中類似，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。

“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。這種策略在將來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制，研究團隊對菌株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，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，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，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)。

將藻類變廢為寶

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, 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。“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。”孫超岷說。

滸苔是一類綠藻，而滸苔綠潮在我國黃海已連續(xù)爆發(fā)多年，成為嚴重的海洋生態(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。孫超岷說，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。