陳拓:冰凍圈微生物,機遇與挑戰

本文刊載於《中國科學院院刊》2020年第4期

專刊：冰凍圈科學與可持續發展

陳拓1*張威2劉光琇2李師翁2,3

1 中國科學院西北生態環境資源研究院 冰凍圈科學國家重點實驗室

2 中國科學院西北生態環境資源研究院 甘肅省極端環境微生物資源與工程重點實驗室

3 蘭州交通大學 環境與市政工程學院

冰凍圈（cryosphere）是地球表層連續分布且具一定厚度的負溫圈層，其組成要素包括冰川（含冰蓋）、積雪、凍土、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山，以及大氣圈內的凍結狀水體，是地球上獨特而極端的生物生境。

冰凍圈科學和生命科學技術的進步與融合，促進了冰凍圈微生物研究，拓展了生命科學研究與應用的領域，豐富了地球生態系統的多樣性。

冰凍圈微生物譜，特別是冰芯微生物譜保存著古氣候的信息，是研究全球氣候變化的重要生物學信息寶庫。全球變暖的提速，冰凍圈微生物活動對冰凍圈的反饋及其在冰凍圈溫室氣體排放中的作用，是當今全球變化不可忽視的重大科學問題。

現今地球冰凍圈，特別是冰芯、冰下湖等生境，與生命起源早期的地球有些許的相似之處；冰凍圈微生物的生命過程及特徵，可能為我們深入了解生命的起源和生命的低溫適應極限，提供某些啟示。冰凍圈被認為是地球上類似於火星、木衛二、木衛三、木衛四和木衛六等星球的環境，冰凍圈微生物的線索有望為地外生命的探索提供啟示。

1

冰凍圈微生物的研究概況

冰凍圈微生物的研究伴隨著人類對極地、高山的探險和科學考察而開始，至今已開展了 100 多年的研究，經歷了大致 3 個發展階段：微生物形態學研究、微生物生理學研究和微生物組學研究。冰凍圈微生物研究範圍涵蓋了冰凍圈的主要要素——凍土、冰川、雪和海冰等；研究人員已經從冰凍圈各要素中發現並分離到多樣性豐富的微生物類群，包括古菌、細菌和真菌等。最近一項權威的關於冰凍圈各生境中微生物細胞數量及總量的分析數據見表 1。

表 1 冰凍圈生境中微生物細胞數量

凍土中的細菌和真菌

凍土佔地球陸地面積的 25%，是地球冰凍圈中微生物重要的棲息場所，主要分布在南極、北極和高山等。凍土微生物的研究很早就受到廣泛重視，大量研究表明，凍土中生存著密度約為 105—108cells/g 的多樣性的微生物。由於凍土的深度具有年代屬性，可從中分離到不同年代的細菌，如：在西北利亞東北部約 10 萬年凍土層中檢測到1×107cells/g活體微生物，在北極 100萬—300 萬年的凍土層檢測到 102—108cells/g活的細菌。

在凍土中，真菌主要以孢子形式存在，其數量遠低於原核微生物細胞。其中，北極凍土可培養酵母數量為 103—104CFU/g，隸屬於隱球酵母屬（Cryptococcus）、紅酵母屬（Rhodotorula）、酵母屬（Saccharomyces）和擲孢酵母屬（Sporobolomyces）；子囊菌門（Ascomycota）的地絲黴屬（Geomyces）、枝孢黴屬（Cladosporium）、青黴屬（Penicillium）和麴黴屬（Aspergillus）則是最常見的絲狀真菌類群。

相比之下，南極凍土中可培養酵母和絲狀真菌數量往往很低，隱球酵母屬和木克拉酵母屬（Mrakia）為主要真菌類群。在海冰中的真菌主要類群為硅藻，僅在北極地區就已鑑定了超過 550 種硅藻，包括 446 種殼縫羽紋硅藻（Pinnularia）和 122 種環紋硅藻（Centricdiatom）。

雪冰中的細菌和真菌

由於雪易取樣，科研人員對其開展了較深入的微生物分析。對南極、北極和高山雪中微生物的分析表明，季節性雪中微生物細胞密度為 102—105cells /mL，但其中微生物新種類較少。這主要是因為雪中微生物間接來源於土壤，大氣輸送決定了雪中微生物的來源與種類 。

冰凍圈冰由冰川、極地冰架和海冰等組成。起初人們認為極地冰中沒在微生物生存，但大量的分析表明各種類型的冰中都有微生物生長繁殖，其種類和細胞數量隨冰的深度增加而減少。例如，表層冰中微生物細胞密度為 104—108cells / mL，冰川內部則下降到 10—1000 cells/mL 。

冰芯微生物主要來源於陸地塵土、洋面氣溶膠和火山灰，其豐度與年降雪量相關，降雪越多的年份，冰芯中的微生物細胞數越多。從年代約 200 年的亞洲古裡雅冰帽（Guliya Ice Cap）冰芯中檢測到 180 CFU / mL 細菌細胞；年代約1800年的南極泰勒冰穹（Taylor Dome）冰芯中檢測到 0—10 CFU / mL細菌細胞。格陵蘭島冰芯鑽探項目（Greenland Ice Sheet Project，GISP2）鑽取了深達 3 042.80 m 冰芯，檢測到冰芯融水含有 6.1×107—9.1×107cells /mL微生物細胞。

冰穴（cryoconite hole）是冰架和冰川上冰的局部消融而形成的微生境，其微生物群落具有獨特性——其相對較高的豐度和活性，對冰川的消融和冰川上碳循環有重要影響 。

海冰儘管具有較高的鹽分，但也檢測到微生物細胞密度為 102—105 cells · mL-1。南極和北極冰下封存了數十萬年的冰下湖是冰凍圈中更為獨特的生境，其中也檢測到密度為 102—105 cells · mL-1 微生物細胞 。

近年來，從雪冰中分離到種類豐富的真菌；其中，從斯瓦爾巴特島冰川冰芯中檢測到 3×103—1×104 CFU · mL-1 酵母細胞，從阿爾卑斯山冰川冰中分離到許多喜冷和嗜冷的酵母菌。

冰凍圈病毒

冰凍圈生境營養水平低，生物鏈很短，因而，病毒對冰凍圈生態系統和物質循環具有重要影響。病毒通過裂解宿主細胞，控制細菌和真菌的多樣性和豐富度，並可向環境中釋放有機物質；通過基因水平轉移，影響宿主細菌演化與進化。

近年來，隨著病毒宏基因組技術的成熟，冰凍圈病毒的研究成為熱點，特別是對南北兩極冰川 、冰架、湖水、土壤和海冰等，進行了較廣泛和深入地研究。至今，在南極和北極的各種生境中檢測到相對高豐度和多樣性病毒，包括噬菌體、環狀單鏈 DNA 病毒、雙鏈 DNA 病毒、浸染藻類的phycoDNAviruses 和噬病毒體（virophages）等 DNA 病毒，以及 Picornavirales 等 RNA 病毒。

在南極 Taylor Valley 冰穴鑑定到歸屬於 Microviridae 科 DNA 病毒。計算機分析估計在南極冰層湖泊中存在大約 10 000 種病毒，遠高於北美湖泊中的約 800 種病毒。南極和北極海冰中類病毒粒子（virus-like particles）的密度達到105—108mL-1 ；在南極海冰冰芯中類病毒粒子平均豐度 10.9×105mL-1，平均病毒-細菌比（virus-to-bacteria ratio）5.3 。平均病毒-細菌比是了解冰凍圈中病毒豐度及其與宿主關係的指標，儘管不同生境中這一數據變化較大，但是已經收集到的數據表明，南極和北極的冰及冰穴中具有很高的病毒-細菌比（表 2）。

表 2 冰凍圈生境中的病毒-細菌比

近年來隨著相關研究範圍的擴大，對冰凍圈中病毒的相關認知不斷加深。通過對青藏高原古裡雅冰川距今 520 年和 1.5 萬年的冰芯中相關病毒的基因組分析，發現了屬於 33 種不同的病毒遺傳信息，這些病毒可歸類為 4 個已知屬、28 個未知屬。基因預測分析結果顯示，其中 18 個病毒種與冰芯中多種細菌數量密切相關，這表明病毒在冰芯中宿主多樣化。西伯利亞凍土中分離出的 3 萬年前的巨病毒，仍具有感染目標宿主的活性。阿拉斯加凍土中亦發現了大量的病毒，其主要分布於凍土的未凍結水中。

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冰凍圈中的微生物資源

冰凍圈中的新微生物

冰凍圈中微生物的進化受其環境的獨特性影響，其中適應性強的微生物物種和類群逐漸成為各個冰凍圈要素中的優勢類群。經過數千乃至數百萬年的進化與演化，形成了穩定的微生物群落和生態系統。近百年中，研究人員已經從冰凍圈中分離到大量的微生物新物種或類群，包括新的古菌、細菌和真菌。隨著分子生物學技術的發展，冰凍圈微生物新種的分離和鑑定也在提速，越來越多的新種將被報導。今後，我們面臨的任務，就是要趕在某一冰凍圈生境消失前，最大限度地將其中的新微生物分離並保存，為進一步研究和利用保存微生物資源。

冰凍圈的極端生存條件不僅塑造微生物的類群，也改變著微生物的代謝途徑；在進化歷程中，這種改變不斷增加微生物的環境適應能力。微生物的新代謝產物為人類獲得新的生物活性化合物提供了可能，如抗生素等。例如，近年來，筆者實驗室從青藏高原凍土中分離了多株具有抗超級細菌——MRSA（methicillin-resistant Staphylococcus aureus）活性的鏈黴菌新種；對這些鏈黴菌次生代謝產物的分離分析表明，一些新的化合物具有作為抗生素的應用前景。目前，這項研究正在進行之中。

冰凍圈中的嗜冷微生物

冰凍圈的低溫環境選擇了生存於其中的微生物的冷適應進化——已經分離並進行研究的嗜冷微生物和耐冷微生物都是從冰凍圈獲得的。其中，研究較為深入的嗜冷菌包括分離自北冰洋沉積物的 Colwellia psychrerythraea 34H、北極海冰的 Psychromonas ingrahamii、北極湖冰的 Methanococcoides burtonii DSM 6242、北極凍土的 Planococcus halocryophilus、南極土壤的 Arthrobacter sp. TAD20 和 Arthrobacter psychrolactophilus F2 等。從冰凍圈生境中也分離到了很多的耐冷黴菌和酵母菌。

嗜冷微生物的分離、培養、研究和利用為冰凍圈微生物資源開發提供了重要的菌株資源。嗜冷微生物的研究，使我們深入認識了微生物適應冷環境的各種機制；還為我們提供了多種低溫菌、低溫酶和低溫蛋白，而這些菌株、酶和蛋白質已經應用到工業、農業、醫療和環境保護等各個領域，取得了巨大的經濟與社會效益；一些冷適應微生物在生物能源方面也展示了良好的前景。例如，從南極冰上分離的Chlamydomonas sp/ICE 在 0℃ 和 5℃ 條件下積累脂的量高於 15℃ 條件下的量，在 6℃ 條件下脂類積累量達到 84 μL / L 。南極耐冷酵母 Mrakia blollopsis SK-4 在 10℃ 可高效轉化木質纖維素為乙醇。這些嗜冷微生物和冷適應相關基因與生物技術的結合，正在促生新的生物技術產業。

圖片源自sohu.com

冰凍圈中基因資源

儘管冰凍圈可能蘊藏著大量的具有重要應用價值的微生物物種，但只有很小比例的微生物能夠在實驗室分離並培養，這極大地限制了冰凍圈微生物的研究與利用。宏基因組學技術為我們提供了一個全新的策略：通過全面測定環境中微生物的 DNA 序列信息，並組裝環境樣本中的基因組和基因，不僅可以揭示其中微生物的系統和代謝多樣性及其環境適應性，還能夠鑑定相關的功能基因，進而開展基因功能的深入分析和異源表達，獲得相應的蛋白質。例如，宏基因組研究揭示了德國 Schneeferner 冰川冰中存在與冷適應相關的基因，包括冷保護劑（cryoprotectants）合成和多不飽和脂肪酸合成相關的基因。

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冰凍圈退化帶來的微生物挑戰

全球變暖正在改變冰凍圈生態系統

當今，人類面臨的最大挑戰之一就是全球變暖。冰凍圈是地球上對全球變化最敏感的圈層；地球變暖正在導致冰凍圈的快速減少，包括冰川退縮和凍土消融。然而，冰凍圈的退縮將對其中的微生物生物多樣性，以及下遊生態系統及其生物多樣性產生何種影響，人們仍然一無所知。佔地球陸地面積約 1/4 的凍土是地球重要的碳庫。全球溫升將加速凍存於凍土中的有機碳和營養物質微生物轉化，導致溫室氣體 二氧化碳、甲烷和 一氧化二氮釋放。約佔地球陸地面積 10% 的冰川退縮，將直接導致長時期儲存於其中的無機物和有機物（包括汙染物）釋放。埋藏於冰中的各種營養物質釋放，將影響下遊水系和陸地生態系統及其生物多樣性。

冰凍圈退化加速冰凍圈微生物生境的消失

長期的低溫選擇了適冷性冰凍圈微生物，造就了冰凍圈微生物的獨特性。多數的冰凍圈微生物種類只能生存於冰凍圈生境，而冰凍圈消融將對其中微生物產生災難性影響，特有種類將從此消失。一項研究表明，在所有對冰川退縮發生響應的生物類群中，約6%—11% 的物種成為響應的失敗者，而 19%—26% 成為響應的勝利者。大部分的失敗者是冰川生境的特有類群，其中一些類群只能生存在冰川生態系統。而響應的勝利者則是廣布類群或入侵類群，通常能在冰川下遊生境定居。在凍土中，存在以休眠狀態封存於其中數千年甚至數百萬年的微生物，這其中有大量的種類為未知種類。凍土的消融將導致其生境的改變，使這些未知的微生物種類在被認知前就已消失。

冰凍圈消融釋放未知的微生物

如前文所述，冰凍圈中生存著許多未知的微生物類群，這些新的未知的微生物必然對下遊生態系統乃至人類社會產生重大影響。長期封存於冰凍圈內的微生物中是否有新的致病微生物，包括動物、植物和人類的致病微生物；特別是冰凍圈病毒，其釋放後將帶來何種影響，是一個嚴峻的挑戰。顯然，對這一問題目前還缺乏研究。一項對冰凍圈病毒的研究表明，每年約有 3.15×1021 個細菌和古菌細胞從北極冰川冰中釋放到下遊環境中。按照冰川中平均病毒-細菌比為 30∶1 計算，那麼每年將有 1023 個病毒從北極冰川釋放到下遊環境。在這過程中，被困於冰凍圈中幾萬到數十萬年的細菌和病毒會直接釋放到環境中，這對人類生存產生潛在危害。

2016 年，西伯利亞爆發了炭疽熱，2 000 多頭馴鹿因此死亡，並使得 96 人住院。相關研究表明，此次疫情是由於多年凍土的融化使得一具感染了炭疽芽孢的鹿屍解凍而引起的。此外，相關研究自西伯利亞凍土中復活了一種具有 3 萬年歷史的巨病毒，並發現這種病毒仍可感染它的靶標——單細胞變形蟲。隨著全球變暖的加劇，冰凍圈釋放未知的微生物進程將提速，將有更多的病毒隨著極地和高山冰川融水而進入下遊海洋和河流。如此巨量的病毒粒子將要在新的生態系統中傳播和生存，並具備侵染完全不同宿主的可能性，這將對新的宿主生態系統產生重大影響。

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展望

冰凍圈微生物，特別是冰凍環境如冰川和凍土中的微生物，越來越受到關注。冰凍圈對地球氣候變化的敏感性使我們認識到弄清楚冰凍圈微生物及其作用的迫切性。新技術的快速出現及其與傳統技術的結合與互補，有力地促進了冰凍圈微生物研究的發展，特別是在微生物基因和潛在功能基因及其表達，以及微生物的原位代謝活性研究等方面，已經取得了重要進展。

DNA 測序成本的下降和比較基因組分析手段的提升，有助於更好地揭示冰凍圈微生物的冷適應特徵與進化，查清微生物類群專一性的冷適應特徵與機制，這些研究也將促進冷適應微生物及其細胞組分的生物技術應用。全球變化節奏的加快，迫切要求我們加快對冰凍圈微生物及其響應全球變化的研究。為此，需要在以下 4 個方面深入開展工作。

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加強全球變化背景下冰凍圈微生物生態學研究

當前，我們對冰凍圈微生物研究還局限於以實驗室研究為主，特別是在冰凍圈微生物生態學研究中，運用數學生態模型預測微生物群落的動態及其功能對全球變化的響應的研究還很少，因此加強多學科理論整合與實驗研究的結合，是今後需要提升的方向；氣候變化威脅冰凍圈微生物多樣性，迫切需要了解冰凍圈生物多樣性與氣候和功能間的聯繫；與氣候變暖（如冰川退縮和凍土消融）相關的冷適應微生物的功能與行為，將怎樣響應氣候變化；未來的研究需要多學科的綜合視角，在時間與空間維度上，綜合考察化學、物理、生物和環境的因素之間的相互作用與反饋。

2

冰凍圈病毒的研究是另一個日益受到重視的領域

目前，有關冰凍圈病毒群落及其適應極端環境的科學研究資料還很有限。通過病毒宏基因組分析鑑定病毒基因編碼的生物功能，了解其與病毒對極端環境適應性的關係，進而揭示病毒在冰凍圈中的作用。

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迫切需要加強對冰凍圈微生物的培養研究，為後續的研究與利用，獲得和保存儘可能多的冰凍圈可培養微生物資源

深入了解各種冰凍圈生境中潛在的動、植物致病性微生物，特別是封存於其中的古老的、尚未發現的新致病性微生物，也是今後的重要任務。

4

青藏高原是冰凍圈微生物研究值得重點關注的區域之一

我國境內分布有地球中緯度區面積最大、數量最多的冰川和凍土，而青藏高原是地球兩極之外最大的冰凍圈生境。近年來，我國科學工作者在青藏高原上已經開展了大量的微生物研究，但這些研究主要集中在微生物生態學與微生物自然地理學等領域。加強全球變化背景下冰凍圈微生物與氣候、環境間的相關性研究工作，是我國冰凍圈微生物研究者的使命。

陳 拓中國科學院西北生態環境資源研究院研究員、博士生導師。主要從事環境生物學方面的研究。

文章源自：

陳拓,張威,劉光琇,李師翁.冰凍圈微生物：機遇與挑戰.中國科學院院刊,2020,35(4):434-442.

總監製：楊柳春

責任編輯：張帆

助理編輯、校對：PAN

排版：江淼

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