深海的生命環(huán)境與深海調(diào)查工具

深度通常指的是深度超過海洋平均深度（約38萬米）的海域，其中約一半的是地球表面。直到近代人們對深海的了解還十分有限。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,深海才剛剛被探索和研究。已有的發(fā)現(xiàn)表明,與陸地世界相比較,深海世界有四個突出的特征。其一是高壓化,水深每增加10m,其靜壓力約增加1大氣壓,所以深海海底要承受400以上大氣壓的靜壓力,而在馬里亞納海溝(水深為10924m),靜壓力超過了1000大氣壓,可謂超高壓。在巨大的靜壓力下,深海的洋床,即使是沉積物也堅實得近乎巖石一般。其二是深海的世界一片黑暗,光線早在距洋面幾十米深的水體中就被迅速吸收掉了。如果深海里有生命存在,那么已無法靠光合作用提供能量和養(yǎng)分;其三是深海世界大部分處于低溫之中(1～4℃),但也有一些地方有熱泉噴出口,不斷噴出的熱泉,使周圍形成中心水溫高達(dá)300～400℃的高溫環(huán)境。在這個環(huán)境里,圍繞噴口生長著噴口動物群(如1976年首次發(fā)現(xiàn)位于東太平洋加拉帕戈斯深海的裂谷熱泉噴口,水溫高達(dá)300～350C,周圍生長著貽貝、蛤類和管蟲類)。迄今為止,已發(fā)現(xiàn)和報道了20多個分布點(diǎn);其四是深海世界具有高度凈化能力,原來人們以為陸地世界和海洋本身的生命活動,長年累月排放出的巨大數(shù)量的垃圾、各種污染物,最終都排向、并累積在深海海底?？墒聦嵣线@里還是清凈之所在,顯示了深海具有高度的自凈能力。以上特征,意味著深海可能是生命的極限環(huán)境,隨著發(fā)達(dá)國家不載人和載人潛水調(diào)查器(船)的研制和使用,人們開始有計劃地探索深海環(huán)境,特別是深海中的微生物王國。值得指出的是,近年來日本已擁有載人潛水調(diào)查器“深海2000”和“深海6500”號(可載3人潛至6500m深的海底進(jìn)行觀測和采樣);還擁有不載人潛水調(diào)查器“海豚3K”和“海溝11000”號(可遙控潛至11000m海淵進(jìn)行觀測和采樣),可稱調(diào)查工具方面獨(dú)一無二的實力;日本政府和產(chǎn)業(yè)界也正在投入實施“深海環(huán)境調(diào)查科技高級研究計劃”(即DEEPSTAR-深海之星計劃,第一階段10年,預(yù)算50億日元)。依靠這兩方面的雄厚資本,日本海洋科技界在廣泛地開展深海微生物的搜集、分離、保存、基因研究和開發(fā)應(yīng)用工作,在深海中嗜壓、嗜冷、超高溫和石油分解微生物等方面的研究,取得了開創(chuàng)性的突破進(jìn)展,使人們看到了深海微生物在開發(fā)新產(chǎn)物方面的巨大潛力和廣闊的應(yīng)用前景。下面就近年來微生物應(yīng)用開發(fā)研究方面的背景和進(jìn)展做一概述。1嗜壓微生物的分離與保護(hù)嗜壓微生物(barophiles)是指那些生存繁衍有賴于高靜壓力的獨(dú)特細(xì)菌。顯然,如果深海不是其唯一的,也必定是其主要的棲息場所。也正因為如此,它們應(yīng)當(dāng)是適應(yīng)于低溫的一類微生物。由于必須在高靜壓力和低溫下采集樣品、分離和培養(yǎng)微生物,并進(jìn)行特征研究,可以想像其技術(shù)難度相當(dāng)大,所以至今已分離和研究的菌株還不多。從已有的資料來看,嗜壓微生物可以分為二類。一類是在常壓(1大氣壓或0.1MPa)和高壓(600大氣壓或60MPa)下均能生長的微生物,稱為耐壓微生物。另一類是在高壓下生長更好,稱為嗜壓微生物。已經(jīng)從琉球海溝、日本海溝采集的海泥里,分離到一批嗜壓細(xì)菌和耐壓細(xì)菌,均為適應(yīng)低溫環(huán)境的細(xì)菌。有些嗜壓細(xì)菌還能產(chǎn)生蛋白酶,所產(chǎn)生的蛋白酶,能被高靜壓力所活化,因而顯示出特強(qiáng)的酶活力?，F(xiàn)在已從嗜壓微生物的DNA里,把依賴壓力的發(fā)現(xiàn)因子基因克隆,進(jìn)行深入研究。迄今已分離到的還都是嗜壓的革藍(lán)氏陰性假單孢菌,還沒有分離到嗜壓的放線菌,不過試驗已表明:在壓力罐的靜壓力相當(dāng)于2000m水深壓力的高壓下,放線菌仍能生長,但當(dāng)壓力提高至相當(dāng)于3000m水深處高壓時,放線菌死亡。為了分離到更多的嗜壓微生物,日本海洋科學(xué)技術(shù)中心投入巨資(約7億多日元),由三菱重工等合作開發(fā)“深海微生物實驗系統(tǒng)”。它能再現(xiàn)水深達(dá)6800m的深海海底之壓力、溫度等環(huán)境條件,并在此條件下,稀釋海泥、分離、純化和培養(yǎng)嗜壓微生物,并進(jìn)行其特性的研究。2嗜冷-嗜堿微生物最宜生長于寒冷環(huán)境中的微生物叫做嗜冷微生物(alkalopsychrophiles)。專性嗜冷微生物則是指在0℃附近也能生長,最適生長溫度不高于15℃,最高生長溫度不超過20℃的微生物。以前只報道其棲息于南北極地、冰川凍土地帶,現(xiàn)在則查明其廣泛地分布于大洋深處,甚至淺海和海灣中。浜本已分離到十多株的嗜冷細(xì)菌,其中有數(shù)株能產(chǎn)生淀粉酶。如果嗜冷微生物同時也適于生長在堿性的pH環(huán)境里,那么這就是嗜冷-嗜堿微生物。顯然其分離到的機(jī)率比嗜冷微生物還要低得多。去年,作者在日本海洋科學(xué)技術(shù)中心訪問時,從幾份日本海溝(水深6500m)調(diào)查所采集的海泥中,先后分別分離到100多株嗜冷-嗜堿微生物,其中有20多株能分別產(chǎn)生蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶;還有5株在有上述三種酶的誘導(dǎo)物均存在時,能同時產(chǎn)生三種酶。它們所產(chǎn)生的酶,都具有耐受高pH值(在pH=10時,酶的活性最強(qiáng)),和在低溫(0～10℃)時酶活性特別強(qiáng)的獨(dú)特性能。隨后經(jīng)進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn),僅20多株產(chǎn)酶的嗜冷嗜堿微生物中,就有14株的代謝產(chǎn)物具有明顯的抗革藍(lán)氏陽性或陰性細(xì)菌的作用,也就是能產(chǎn)生抗生素樣的生物活性物質(zhì)。表1列出了一些深海嗜冷-嗜堿微生物的有關(guān)特征。顯而易見,深海嗜冷-嗜堿微生物將是各種具有特異性能的酶和生物活性物質(zhì)的豐富源泉。以其所產(chǎn)生的酶為例,不難推測將是低溫生物合成、醫(yī)藥品加工、食品處理和低溫環(huán)境保護(hù)的強(qiáng)有力工具。在抓緊對這類微生物的開發(fā)應(yīng)用的同時,海洋微生物學(xué)家還從基因的角度去解明深海中的嗜冷-嗜堿微生物對低溫環(huán)境和堿性環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理,進(jìn)而利用基因重組技術(shù)進(jìn)行有用微生物的培育。3海底中的超高溫微生物超高溫微生物(hyperthermophiles)指的是生長的最適溫度在80℃以上的微生物的總稱?，F(xiàn)已查明,除了個別的例外,這類微生物之大多數(shù)屬于古細(xì)菌屬,是現(xiàn)存的生物當(dāng)中最接近原始生命體的生物。它們棲息于自深海海底噴出的、處于適度還原狀態(tài)的熱水中,被認(rèn)為相當(dāng)真實地反映了原始地球的環(huán)境。因此,研究深海熱水環(huán)境中棲息的超高溫微生物,是解開地球生命誕生之迷的一個捷徑;另一方面,超高溫微生物也是各種超高溫酶類的來源,因此吸引著許多海洋微生物學(xué)家投身于此研究。已有的研究成果表明,能適應(yīng)海洋環(huán)境的超高溫微生物多種多樣,其中大多數(shù)是古細(xì)菌屬有代表性的菌株,僅少數(shù)歸類于甲烷球菌或其它細(xì)菌屬。其中像Pyrodictium和Methanopyrus屬菌株,最高的生長溫度已達(dá)110℃,最適生長溫度也在100℃附近,低于82℃則不能生長,但并不死亡,即使在常溫下還能存活數(shù)年。前者的細(xì)胞是盤狀,通常以超薄空心纖維網(wǎng)連接在一起,利用氫分子還原硫獲得能量;后者是桿狀的,是嚴(yán)格的化能無機(jī)自養(yǎng)的產(chǎn)甲烷細(xì)菌(表2)。深海中的超高溫菌的發(fā)現(xiàn),表明生命能適應(yīng)的溫度上限仍然不能確定。既然在溫度超過100℃時,生物分子的穩(wěn)定性會急劇地下降,那么微生物生命的最高生長溫度可能處于110～150℃之間的某一處,在這里對熱敏感的生物分子的破壞和再合成處于某種的平衡。顯然,如何去分離和培養(yǎng)這樣的微生物,是對現(xiàn)代微生物學(xué)家的一個挑戰(zhàn)。4海洋黃桿菌對磷系碳?xì)浠衔锏慕到饽芰热簧詈Ｓ懈叨鹊淖詢裟芰?那么這種自凈能力應(yīng)主要?dú)w功于深海微生物的分解活動?；诖嗽O(shè)想,日本海洋科學(xué)技術(shù)中心近年投入大量的人力和物力,把過去從陸地土壤分離石油分解細(xì)菌的探索,引向深海海底。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)與陸地土壤相比,從深海海泥分離到耐有機(jī)溶媒的微生物的機(jī)率要高出100倍以上;(2)以往從陸地土壤中,最好情況下只分離到能耐甲苯的微生物,這種微生物在溶媒毒性更大的苯里則不能生存;現(xiàn)在從深海海泥里已分離到許多耐苯的微生物,可以應(yīng)用于重油的分解,也可以用于在有機(jī)溶媒存在的條件下,使水中不溶或難溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水可溶性物質(zhì)方面。表3對來自深海和陸地的石油分解細(xì)菌降解碳?xì)浠衔锬芰M(jìn)行簡要比較。由表3可見。來自海洋的黃桿菌菌株分解石油的能力要強(qiáng)得多,基本上能將重油中正烷烴分解掉,但對芳香烴還缺乏分解能力。因此正在篩選分解能力更強(qiáng)的新菌株;同時利用生物技術(shù),改良或培育新菌株的工作也在加緊進(jìn)行。海洋黃桿菌菌株在生長時能在菌體外產(chǎn)生大量的類似于界面活性劑的物質(zhì),此物質(zhì)不溶于水,對熱和堿穩(wěn)定,能使重油的油滴分散,使油滴的直徑變小,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可溶性的。已查明這種活性與一種糖和蛋白質(zhì)的復(fù)合體相關(guān),二價的金屬離子能提高其