孫萬儒 中國科學院微生物研究所研究員
■本報記者 韓天琪
廣袤的海面佔據地球面積的70.8%，人類很多食物和資源取自海洋，但對海洋既熟悉又陌生，浩瀚的海洋之中生活著多少種生物，至今依然是未解之謎。
海洋是個極為精彩又多樣的生物世界。海洋調查發現，神秘的海洋幾乎到處都有動物、植物和微生物，構成複雜的生物群落。隨著地理位置、海床結構、海洋深度等因素變化，不同環境的海洋中，生物群落的種類、組、結構、數量、個體大小、形態、生理生化特性等都很不同。
不過中國科學院微生物研究所研究員孫萬儒坦言，人們在關注海洋生物和環境的時候，往往重視的是動物和植物，而忽略了微生物。「客觀地說，海洋微生物是海洋生態系統不可或缺的組成部分。」孫萬儒告訴《中國科學報》記者。
海洋微生物——神奇的海洋生物
「0.1毫米以下，只能用顯微鏡才能看到的生物，稱為微生物。微生物的種類有病毒、細菌、真菌、原生蟲、藻類和大型真菌。」孫萬儒介紹道。
海洋微生物的特點可以用「個子小」「吃得多」「繁殖快」來概括。「最小的病毒有20納米，最小的細菌有1000納米。1010個細菌堆在一起的體積只有1立方釐米大小。像大腸桿菌1小時可消耗其體重2000倍的糖。理論上，如果營養充足，1個細菌48小時可變成2.2×1043個，幾周後它們的總重量比地球還大。」孫萬儒接著解釋道。
海洋微生物大多數是生產者，部分是消費者。參與海洋物質生產、消費、傳遞、沉降、分解和轉化的全過程，為海洋動植物的生存提供良好的環境和資源。
除此之外，海洋多數微生物具有分解有機物質的能力，能將有機物分解成氨、硝酸鹽、磷酸鹽以及二氧化碳等，為海洋植物提供營養物，對海洋無機營養再生起重要作用。海洋中具有光合作用的微生物利用簡單無機物合成有機物和氧，有利於其他生物生存。
地球上近乎一半的光合作用由海洋微生物完成。微生物使碳滲透到深層海洋，和大氣分離數千年。
孫萬儒表示，由此觀之，海洋微生物在海洋的物質循環、環境維護和食物鏈中起到關鍵作用。
海洋微生物特性
與陸地相比，海洋環境具有高鹽、高壓、低溫、高溫和營養稀少的特點，海洋微生物長期在複雜的極端環境繁衍生息，形成了嗜鹽性、嗜熱性、嗜冷性、嗜壓性、低營養性、趨化性、附生性、發光性等獨有特性。具有以上特性的微生物稱為海洋極端微生物。
「海水平均鹽度為3.5%，這就造就了海洋微生物的嗜鹽性，沒有鉀、鈉、鈣、鎂、硫、磷、滷和其他微量元素則不能生長。」孫萬儒列舉了極端嗜鹽菌為例，「極端嗜鹽菌在鹽濃度為1.5~5.0mol/L時才能生長。最適生長鹽濃度3.5~5.0mol/L（29%）。」
由於90%的海洋水溫度在5攝氏度以下，多數海洋微生物生活在較低溫度下。超過37攝氏度即停止生長或死亡。
在0攝氏度以下能夠生長繁殖的微生物稱為嗜冷菌，0~5攝氏度生長繁殖的微生物稱為耐冷菌。這些嗜冷菌和耐冷菌一般生活在高緯度海洋、極地和深海中。
俄羅斯南極科考站的科學家曾從3500米的冰層中取得冰芯，在嚴格的無菌條件下分離。發現了細菌、酵母、真菌和藻類，證明在低溫環境存在嗜冷的微生物。這些微生物中有許多從融冰和冰層下的巖石及沉積物中獲得營養源。
世界56%的海洋環境處於100~1100大氣壓下，嗜壓是海洋微生物獨有的特性。淺海微生物一般只能耐受較低的壓力，而深海嗜壓真菌只能在高壓環境生長。
海水營養物質稀薄，大部分海洋微生物不能培養，少部分需在營養貧乏的培養基上培養；在營養豐富培養基上有的根本不能生長。
「不過即便如此，海洋中的固體表面仍吸附和聚集著較豐富的營養物。多數海洋微生物具沿某種物質濃度梯度運動的能力，這稱為趨化性。微生物附著在海洋其他生物或非生物物體表面，形成薄膜。為其他生物附著創造條件，形成特定的附生生物系統。」孫萬儒接著說。
多數海洋微生物能夠在pH2~5環境下很好生長，而在pH高於5.5環境下生長不好。
怎樣利用海洋微生物特性造福人類
「嗜熱菌通常被用於生產乙醇。」孫萬儒介紹道，這項技術通常有以下應用：用熱纖梭菌和乙醇嗜熱厭氧菌混合發酵生產乙醇；將嗜熱芽孢桿菌敲除乳酸脫氫酶基因，用於高溫乙醇發酵。
此外，極端嗜酸和嗜熱菌可用於去除煤炭中有機和無機硫化物，減少煤炭燃燒產生的二氧化硫，減少空氣汙染和酸雨酸霧的影響。
在石油開採方面，一般石油開採的採出率只有30%~40%，而將具有分解石蠟能力的嗜熱、耐壓、嗜鹽、厭氧菌的培養物與水，或菌劑與營養物及水一同注入油井中，可使石油採出率增產50%。
正是這一特點使得嗜壓菌可以應用於石油開採。「嗜壓菌可以產酸，增加巖石空隙和滲透性；可以產生H2、N2、H2S、CO2、H4C等氣體，從而提高地下壓力、降低原油黏度、提高原油滲透力；產生表面活性物質和乳化劑，降低巖石—水—油表面張力，形成原油—水乳濁液；產生聚合物，封堵高深層，提高水驅油效率，降低水—油比；產醇、酮、醛，溶解巖石空隙中的原油，降低原油黏度。」孫萬儒解釋道。
面對日益增加的海洋石油汙染風險，海洋微生物還能發揮降解石油，解除汙染的作用。能夠降解石油的微生物有200多種，分屬於70多個屬，其中細菌約佔40個屬，在海洋生態系統中佔主導地位。
嗜酸菌能夠將硫化物或硫氧化成硫酸，硫酸即可以將礦石中的鐵、銅、鈷、鎳、鋅、錫、鈾等金屬溶解提取出來，進行回收。嗜酸菌的這一「冶金」特性對貧礦和多組分礦的綜合利用做出了貢獻。同理，嗜酸菌還可以處理重金屬汙染的土壤。據孫萬儒介紹，銅、鋅、鎳、鎘的去除率可達80%以上，成本比傳統的酸處理法低得多。
嗜鹽古菌的紫視紅質具有光致變色、光電響應、質子傳輸等性能，是構建光存儲、光學信息處理、光接收器、人工視覺、光電子傳感器、全息幹涉器等生物分子器件的最佳材料。極端嗜鹽菌產生的生物可降解生物材料有可能取代不可生物降解的化學合成材料。
在農業方面，將極端微生物的耐冷、耐鹽、耐鹼、耐乾旱等極端環境的特殊功能基因轉入農作物，使其具有耐寒、抗旱和耐鹽鹼等獨特性能，可用於鹽鹼地生物改造，提高農作物產量，有利於農業的可持續發展。極端微生物的生物催化劑因具有耐高壓、高溫、低溫、高鹽鹼或有機溶劑等特性，有望使工業生物催化過程發生巨變。
孫萬儒還提到，在過去幾十年間，學術界相繼展開了海洋微生物抗腫瘤、抗病毒、抗心血管病、抗愛滋病等活性成分研究，從中發現了6000多種產物。事實證明，海洋微生物將成為開發新型藥物的重要資源。
海洋微生物能夠適應環境的多樣性，孫萬儒相信這將為緩解資源、環境壓力，保障社會可持續發展提供有效途徑，特別是深海極端微生物已經成為當今科學家關注和研究的重點。
「隨著生物學及其他科學和技術的不斷進步，將為海洋微生物及極端微生物的研究開創更好的條件，會進一步促進海洋微生物的研究和發展。」孫萬儒最後總結道。
《中國科學報》 (2015-09-18 第7版 科普)