深海冷泉拟杆菌可促进深海营养和碳循环 降解藻类多糖机制是什么?

7月初，《环境微生物》报道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，为进一步了解深海微生物介导的物质能量代谢和碳元素生物地球循环研究提供了研究范例。

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。

然而，由于采样困难和纯培养菌株的缺乏，人们对深海拟杆菌降解多糖及其参与碳元素循环的机制等问题知之甚少。这其中包括深海的物质能量代谢和碳循环是怎样的机制，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?该菌株降解藻类多糖的机制是什么?深海冷泉拟杆菌除了降解藻类多糖，如何在促进深海营养循环中发挥作用?孙超岷课题组此次对深海冷泉拟杆菌的研究是通过怎样的形式进行的?等等热点问题。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。

深海的物质能量代谢和碳循环是怎样的机制，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?

微生物介导是深海冷泉形成单质硫的新途径。这是孙超岷课题组关于深海冷泉环境细菌氧化硫代硫酸钠形成单质硫新型途径的研究成果。孙超岷告诉记者，去年，国际生物学权威期刊ISME J报道了这项成果，为解释我国南海冷泉喷口广泛分布硫单质的成因提供了重要理论依据。

“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(CO2的固定以及O2的产生)。

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。

其中，海藻中多糖含量非常高，将近50%的成分都是多糖，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。大量含有各种多糖的藻类植物和动物残骸从上层海洋沉降下来直至深海底部。孙超岷解释说，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。

“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、纤维素和包括岩藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖、葡聚糖、阿拉伯半乳聚糖等半纤维素。” 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。

此次对深海冷泉拟杆菌的研究是通过怎样的形式进行的?该菌株降解藻类多糖的机制是什么?

孙超岷告诉记者，关于多糖降解一直以来都受到人们的广泛关注，其中有一类微生物(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、海洋沉积物和其它环境中，在高分子量碳水化合物的降解中发挥着关键作用。

据报道，拟杆菌门的很多成员具有较强的多糖降解能力，推测可能是因为在拟杆菌中存在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Bacteroidesthetaiotaomicron中发现的，而且Sus操纵子被认为是多糖降解所必需的。”孙超岷说，在这个操纵子中，蛋白因子SusC和SusD的同源物(SusC：转运蛋白;SusD：碳水化合物结合蛋白)是必不可少的，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，这些酶可分为糖苷水解酶、糖苷转移酶、碳水化合物结合模块、碳水化合物酯酶、多糖裂解酶、硫酸酯酶(主要针对硫酸化多糖)和其它各种辅助酶。

除了底物特异性碳水化合物酶的基因，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，然后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。因此，PULs中基因组成的特征为拟杆菌降解不同类型的多糖提供了线索。