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?

到目前为止，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，包括木葡聚糖和木聚糖的降解。孙超岷说，另外有一项研究表明，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海。然而关于深海拟杆菌降解多糖的报道却几乎没有，主要是因为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。

“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。” 孙超岷告诉记者，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。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。

“于是，我们开发了一种有效的分离策略来从深海环境中富集和分离培养拟杆菌，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，命名为Maribelluscomscasis WC007，这种策略在将来可能有助于从其他环境中更容易分离拟杆菌。为了深入了解菌株WC007降解多糖的能力和机制，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，主要是负责降解纤维素、果胶、岩藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖和淀粉等多糖。其中菌株WC007对纤维素的降解效果最为明显，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。

“海藻多糖是一种重要的细菌营养源和海洋食物网的主要成分，也是海洋表面和深海碳循环的关键因素。”孙超岷说，鉴于海藻多糖在海洋碳循环中的重要性，他们团队推测容易降解的多糖被海洋表面的需氧微生物利用，然后这些难降解的多糖聚集形成颗粒碎屑，随后会从透光表面向深海沉积物中沉降。一旦碳水化合物衍生的颗粒到达深海底部，像菌株WC007这样的高效多糖降解菌会首先通过外膜转运蛋白识别胞外多糖或寡糖，然后通过位于细胞质膜上的特定蛋白复合物提供能量，将这些降解物(如寡糖)吸收到周质中。然后，激活并释放碳水化合物酶，将寡糖切割成单糖和二糖，之后将其运输到细胞质中进行代谢和产生能量，以促进细菌生长。同时，一些裂解产物可以供其他细菌吸收利用，这可以极大地促进深层生物圈中的碳和营养元素循环。

“总之，我们对菌株WC007降解多糖的深入研究有助于理解拟杆菌对深海碳和营养元素的生物地球化学循环的贡献。” 孙超岷说。

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?

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, 从而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。孙超岷说，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。

众所周知，浒苔是一类绿藻，而浒苔绿潮在我国黄海已连续暴发多年，成为严重海洋生态灾害。

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。孙超岷告诉记者，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。(科技日报记者 王健高 通讯员 王敏)