孙万儒   中国科学院微生物研究所研究员

■本报记者 韩天琪

广袤的海面占据地球面积的70.8%，人类很多食物和资源取自海洋，但对海洋既熟悉又陌生，浩瀚的海洋之中生活着多少种生物，至今依然是未解之谜。

海洋是个极为精彩又多样的生物世界。海洋调查发现，神秘的海洋几乎到处都有动物、植物和微生物，构成复杂的生物群落。随着地理位置、海床结构、海洋深度等因素变化，不同环境的海洋中，生物群落的种类、组、结构、数量、个体大小、形态、生理生化特性等都很不同。

不过中国科学院微生物研究所研究员孙万儒坦言，人们在关注海洋生物和环境的时候，往往重视的是动物和植物，而忽略了微生物。“客观地说，海洋微生物是海洋生态系统不可或缺的组成部分。”孙万儒告诉《中国科学报》记者。

海洋微生物——神奇的海洋生物

“0.1毫米以下，只能用显微镜才能看到的生物，称为微生物。微生物的种类有病毒、细菌、真菌、原生虫、藻类和大型真菌。”孙万儒介绍道。

海洋微生物的特点可以用“个子小”“吃得多”“繁殖快”来概括。“最小的病毒有20纳米，最小的细菌有1000纳米。1010个细菌堆在一起的体积只有1立方厘米大小。像大肠杆菌1小时可消耗其体重2000倍的糖。理论上，如果营养充足，1个细菌48小时可变成2.2×1043个，几周后它们的总重量比地球还大。”孙万儒接着解释道。

海洋微生物大多数是生产者，部分是消费者。参与海洋物质生产、消费、传递、沉降、分解和转化的全过程，为海洋动植物的生存提供良好的环境和资源。

除此之外，海洋多数微生物具有分解有机物质的能力，能将有机物分解成氨、硝酸盐、磷酸盐以及二氧化碳等，为海洋植物提供营养物，对海洋无机营养再生起重要作用。海洋中具有光合作用的微生物利用简单无机物合成有机物和氧，有利于其他生物生存。

地球上近乎一半的光合作用由海洋微生物完成。微生物使碳渗透到深层海洋，和大气分离数千年。

孙万儒表示，由此观之，海洋微生物在海洋的物质循环、环境维护和食物链中起到关键作用。

海洋微生物特性

与陆地相比，海洋环境具有高盐、高压、低温、高温和营养稀少的特点，海洋微生物长期在复杂的极端环境繁衍生息，形成了嗜盐性、嗜热性、嗜冷性、嗜压性、低营养性、趋化性、附生性、发光性等独有特性。具有以上特性的微生物称为海洋极端微生物。

“海水平均盐度为3.5%，这就造就了海洋微生物的嗜盐性，没有钾、钠、钙、镁、硫、磷、卤和其他微量元素则不能生长。”孙万儒列举了极端嗜盐菌为例，“极端嗜盐菌在盐浓度为1.5~5.0mol/L时才能生长。最适生长盐浓度3.5~5.0mol/L（29%）。”

由于90%的海洋水温度在5摄氏度以下，多数海洋微生物生活在较低温度下。超过37摄氏度即停止生长或死亡。

在0摄氏度以下能够生长繁殖的微生物称为嗜冷菌，0~5摄氏度生长繁殖的微生物称为耐冷菌。这些嗜冷菌和耐冷菌一般生活在高纬度海洋、极地和深海中。

俄罗斯南极科考站的科学家曾从3500米的冰层中取得冰芯，在严格的无菌条件下分离。发现了细菌、酵母、真菌和藻类，证明在低温环境存在嗜冷的微生物。这些微生物中有许多从融冰和冰层下的岩石及沉积物中获得营养源。

世界56%的海洋环境处于100~1100大气压下，嗜压是海洋微生物独有的特性。浅海微生物一般只能耐受较低的压力，而深海嗜压真菌只能在高压环境生长。

海水营养物质稀薄，大部分海洋微生物不能培养，少部分需在营养贫乏的培养基上培养；在营养丰富培养基上有的根本不能生长。

“不过即便如此，海洋中的固体表面仍吸附和聚集着较丰富的营养物。多数海洋微生物具沿某种物质浓度梯度运动的能力，这称为趋化性。微生物附着在海洋其他生物或非生物物体表面，形成薄膜。为其他生物附着创造条件，形成特定的附生生物系统。”孙万儒接着说。

多数海洋微生物能够在pH2~5环境下很好生长，而在pH高于5.5环境下生长不好。

怎样利用海洋微生物特性造福人类

“嗜热菌通常被用于生产乙醇。”孙万儒介绍道，这项技术通常有以下应用：用热纤梭菌和乙醇嗜热厌氧菌混合发酵生产乙醇；将嗜热芽孢杆菌敲除乳酸脱氢酶基因，用于高温乙醇发酵。

此外，极端嗜酸和嗜热菌可用于去除煤炭中有机和无机硫化物，减少煤炭燃烧产生的二氧化硫，减少空气污染和酸雨酸雾的影响。

在石油开采方面，一般石油开采的采出率只有30%~40%，而将具有分解石蜡能力的嗜热、耐压、嗜盐、厌氧菌的培养物与水，或菌剂与营养物及水一同注入油井中，可使石油采出率增产50%。

正是这一特点使得嗜压菌可以应用于石油开采。“嗜压菌可以产酸，增加岩石空隙和渗透性；可以产生H2、N2、H2S、CO2、H4C等气体，从而提高地下压力、降低原油黏度、提高原油渗透力；产生表面活性物质和乳化剂，降低岩石—水—油表面张力，形成原油—水乳浊液；产生聚合物，封堵高深层，提高水驱油效率，降低水—油比；产醇、酮、醛，溶解岩石空隙中的原油，降低原油黏度。”孙万儒解释道。

面对日益增加的海洋石油污染风险，海洋微生物还能发挥降解石油，解除污染的作用。能够降解石油的微生物有200多种，分属于70多个属，其中细菌约占40个属，在海洋生态系统中占主导地位。

嗜酸菌能够将硫化物或硫氧化成硫酸，硫酸即可以将矿石中的铁、铜、钴、镍、锌、锡、铀等金属溶解提取出来，进行回收。嗜酸菌的这一“冶金”特性对贫矿和多组分矿的综合利用做出了贡献。同理，嗜酸菌还可以处理重金属污染的土壤。据孙万儒介绍，铜、锌、镍、镉的去除率可达80%以上，成本比传统的酸处理法低得多。

嗜盐古菌的紫视红质具有光致变色、光电响应、质子传输等性能，是构建光存储、光学信息处理、光接收器、人工视觉、光电子传感器、全息干涉器等生物分子器件的最佳材料。极端嗜盐菌产生的生物可降解生物材料有可能取代不可生物降解的化学合成材料。

在农业方面，将极端微生物的耐冷、耐盐、耐碱、耐干旱等极端环境的特殊功能基因转入农作物，使其具有耐寒、抗旱和耐盐碱等独特性能，可用于盐碱地生物改造，提高农作物产量，有利于农业的可持续发展。极端微生物的生物催化剂因具有耐高压、高温、低温、高盐碱或有机溶剂等特性，有望使工业生物催化过程发生巨变。

孙万儒还提到，在过去几十年间，学术界相继展开了海洋微生物抗肿瘤、抗病毒、抗心血管病、抗艾滋病等活性成分研究，从中发现了6000多种产物。事实证明，海洋微生物将成为开发新型药物的重要资源。

海洋微生物能够适应环境的多样性，孙万儒相信这将为缓解资源、环境压力，保障社会可持续发展提供有效途径，特别是深海极端微生物已经成为当今科学家关注和研究的重点。

“随着生物学及其他科学和技术的不断进步，将为海洋微生物及极端微生物的研究开创更好的条件，会进一步促进海洋微生物的研究和发展。”孙万儒最后总结道。