關(guān)于中國海洋微生物學(xué)及微生物技術(shù)發(fā)展策略的思考

中國海洋微生物的發(fā)展經(jīng)歷了從內(nèi)涵到內(nèi)涵的不可避免的步驟。長期以來,國內(nèi)“微生物學(xué)”專業(yè)中的“海洋微生物學(xué)或海洋微生物技術(shù)”不是主干分支科目;海洋(水產(chǎn))大學(xué)“海洋生物學(xué)”專業(yè)雖然設(shè)有類似科目的教學(xué)課程,但缺乏微生物學(xué)專業(yè)的主干課程體系支撐。當(dāng)時曾一度跟蹤美國WHOI的海洋微生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì),后來發(fā)現(xiàn)也不景氣,充分體現(xiàn)了海洋微生物學(xué)長期冷門的事實(shí)。我國在“九五”期間于1997年啟動了“863計劃海洋生物技術(shù)領(lǐng)域”,項(xiàng)目指南中增列818(海洋監(jiān)測)和819(海洋生物技術(shù))主題,項(xiàng)目招標(biāo)內(nèi)容涉及到微生物應(yīng)用,吸引了更多學(xué)者進(jìn)入該研究領(lǐng)域。對促進(jìn)該學(xué)科的發(fā)展進(jìn)步起到歷史性的推動作用,但是該計劃局限于起步階段的現(xiàn)實(shí)需要和綜合國力的實(shí)際情況,主要著眼于近岸海域的相關(guān)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的短期效益,依賴于實(shí)用主義的肢解性應(yīng)用開發(fā)為主,卻忽視了扶持建立與之配套的基礎(chǔ)研究體系支撐。因此以往許多學(xué)者根據(jù)微生物學(xué)學(xué)科內(nèi)涵結(jié)合項(xiàng)目指南需求和技術(shù)發(fā)展趨勢提出的帶一定前瞻性的項(xiàng)目申請,往往難以被評審專家們所理解。我們回顧過去10年來的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn),由于缺乏從學(xué)科發(fā)展的高度前瞻性規(guī)劃海洋微生物學(xué)及微生物技術(shù)發(fā)展,結(jié)果不僅海洋生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化程度十分有限,而且與此相關(guān)聯(lián)的海域污染(如“氯霉素事件”)、生物安全(如“SARS危機(jī)”)問題也日益突出。2005年開始醞釀啟動“十一五”期間的“863計劃資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域”項(xiàng)目規(guī)劃,涉及到深海極端環(huán)境微生物的資源研究開發(fā),如何前瞻性考慮海洋生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的深度發(fā)展及所關(guān)聯(lián)的生物污染、生物安全和生態(tài)安全成為迫切需要解決的問題。我們多年來深入跟蹤調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài),規(guī)劃本實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展策略及努力方向,不斷思考和實(shí)踐積累了若干體會,曾經(jīng)在不同學(xué)術(shù)場合與同行學(xué)者們交流并得到他們的認(rèn)同。謹(jǐn)以本文系統(tǒng)綜述我們10年來逐漸形成的學(xué)術(shù)觀點(diǎn),與同行交流討論和供有關(guān)方面參考。1海洋微生物技術(shù)的學(xué)科發(fā)展1999—2000年,我們與粵港臺同行討論交流中國海洋微生物技術(shù)發(fā)展策略問題并取得基本共識:海洋微生物學(xué)長期“冷門”的原因在于自身學(xué)科體系不成熟,研究難度大。現(xiàn)在逐漸成為“熱門”的動力來自于國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。“海洋微生物學(xué)”屬于“微生物學(xué)”或“海洋生物學(xué)”的分支領(lǐng)域;“海洋微生物技術(shù)”則屬于“生物技術(shù)”或“海洋生物技術(shù)”的分支領(lǐng)域。除考慮“海洋”這個特殊環(huán)境外,還要廣泛繼承現(xiàn)代生命科學(xué)和生物技術(shù)的理論和技術(shù)體系,但是在研究對象、研究環(huán)境、研究方法諸方面又將面臨許多新的挑戰(zhàn)。每個方面的突破都會帶來理論和技術(shù)的深刻進(jìn)步。如果僅僅著眼于中、短期效益,依賴實(shí)用主義的肢解性應(yīng)用開發(fā)而缺乏與之配套的基礎(chǔ)研究支撐,就不利于學(xué)科發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,將制約我國海洋資源深度開發(fā)利用和綜合管理。我們必須要從學(xué)科發(fā)展的高度去促進(jìn)海洋微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究和開發(fā)。經(jīng)過交流,認(rèn)為海洋微生物學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵和外延至少應(yīng)該體現(xiàn)在以下幾個方面。1.1可預(yù)期海洋生物學(xué)的基礎(chǔ)研究從海洋微生物的進(jìn)化先鋒作用、海洋古細(xì)菌、現(xiàn)代“生命三域”學(xué)說及“內(nèi)共生起源”假說等多角度,可預(yù)期海洋微生物學(xué)的基礎(chǔ)研究將積累豐富成果并改寫生命科學(xué)教科書。1.2全局變化的角度從生物地質(zhì)化學(xué)效應(yīng)、生態(tài)學(xué)效應(yīng)(多樣性調(diào)節(jié)、抗性、溶源性、遺傳交換)等全局性變化角度,可以系統(tǒng)認(rèn)識海洋微生物所扮演的中心調(diào)節(jié)功能,是理解和維護(hù)及適度開發(fā)利用海洋微生物資源的理論基礎(chǔ)。1.3海洋生命數(shù)據(jù)安全海洋微生物醫(yī)學(xué)(含醫(yī)學(xué)生態(tài)學(xué))的重要性體現(xiàn)在3個方面:海洋野生生物資源保護(hù),沿海人工增養(yǎng)殖水產(chǎn)生物病害防治基礎(chǔ),水陸兩棲人畜共患的烈性傳染病病原菌(含可移動毒力因子遺傳元件)及耐藥性菌群(含可移動耐藥性因子遺傳元件)的富集擴(kuò)散和監(jiān)控治理。海洋生命系統(tǒng)安全研究將成為新世紀(jì)多學(xué)科、多界面、多層次科學(xué)大會戰(zhàn)的主戰(zhàn)場之一。向海洋微生物要新特藥,無論采用基因工程途徑和微生物工程表達(dá)生產(chǎn)稀有生物資源活性物質(zhì),還是微生物本身產(chǎn)生豐富活性物質(zhì)潛力,都決定海洋微生物不可替代的主力軍地位。1.4海洋微生物的保護(hù)與繁殖行業(yè)和水體環(huán)境的重要性海水增養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)與水體環(huán)境保護(hù)有直接的互動因果關(guān)系。海洋微生物特殊類群的污染檢測、擴(kuò)散監(jiān)控和生物凈化方法學(xué)研究,是學(xué)科發(fā)展的新制高點(diǎn)。1.5環(huán)境微生物治理隨著海洋生物技術(shù)開發(fā)深度和廣度不斷拓展,海洋微生物在許多方面將展示特殊魅力。包括極端環(huán)境微生物資源、非常規(guī)微生物的分離培養(yǎng)技術(shù)、極端環(huán)境微生物生理學(xué)、附著與反附著、腐蝕與防腐蝕、表面活性劑、石油污染治理、核輻射監(jiān)控和治理、生物遙感感應(yīng)器、生物毒素、重金屬污染、有機(jī)農(nóng)藥污染、治理富營養(yǎng)化水體與控制赤潮爆發(fā)性危害等。2強(qiáng)化“東南角”的海洋生物學(xué)研究分析國際海洋微生物學(xué)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀,結(jié)合中國綜合國力情況,我們在許多學(xué)術(shù)場合一貫主張“由近及遠(yuǎn)、由淺及深、由特殊目標(biāo)及一般原理”的定位策略。現(xiàn)階段我國海洋微生物學(xué)及技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)該圍繞國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求,解決“家門口”的迫切難題。同時,頂層設(shè)計規(guī)劃少數(shù)已具備條件的國家隊(duì)開展深海微生物研究,為國家儲備戰(zhàn)略資源和知識積累。作為欠發(fā)達(dá)國家,在發(fā)展深海和極端環(huán)境海洋微生物學(xué)研究開發(fā)過程中鼓勵多學(xué)科交叉背景團(tuán)隊(duì)“專業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)、資源共享、平臺互用”的發(fā)展策略。3全球科學(xué)問題3.1生物廢水處理及微生物技術(shù)等原則1999年我們提出研究開發(fā)海洋微生物資源的幾個研究策略建議:非常規(guī)微生物資源的分離純化和培養(yǎng)若干技術(shù)難題;高密度養(yǎng)殖水體生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)、建立疫情爆發(fā)的預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)和生態(tài)防治系統(tǒng);海洋生物廢棄資源轉(zhuǎn)化微生物技術(shù);海洋微生物資源多樣性與新型藥物開發(fā)中的微生物細(xì)胞分子篩選模型。3.2海洋微生物的重要方面研究2000年我們評述學(xué)科內(nèi)涵和外延,從學(xué)科建設(shè)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展層面上重點(diǎn)評述幾個重要方面的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向:海洋微生物的生命科學(xué)基礎(chǔ)研究意義;海洋微生物生物地質(zhì)化學(xué)與生態(tài)學(xué)意義;海洋微生物醫(yī)學(xué)與藥學(xué)意義;海洋微生物與增養(yǎng)殖水產(chǎn)業(yè)及水體環(huán)境保護(hù)意義;海洋其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的微生物技術(shù)問題。3.3立地條件的多界面約束公民公共防疫2004年我們在“香山科學(xué)會議第225次學(xué)術(shù)討論會”專題評述報告提出“海洋-陸地界面(近岸帶)生態(tài)系統(tǒng)”概念(指海岸線上陸地和水體縱深100km范圍內(nèi)相互作用的微生物生態(tài)系統(tǒng)),強(qiáng)調(diào)近岸海域的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化不僅是中國海洋生物技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn),而且是落腳點(diǎn)。呼吁關(guān)注近岸海域增養(yǎng)殖作業(yè)區(qū)和富營養(yǎng)化水域等關(guān)鍵海域,因其關(guān)系到“海洋-陸地-人群社會”多界面上多環(huán)節(jié)、多向性動態(tài)生態(tài)鏈,也是以往公共防疫醫(yī)學(xué)微生物學(xué)研究的薄弱環(huán)節(jié)。隨著海洋開發(fā)向深度和廣度發(fā)展,由這個特定生態(tài)界面所關(guān)聯(lián)的人民公共防疫和國家安全相關(guān)的重大烈性病原微生物“負(fù)向”基因資源系列問題正逐漸突顯出來,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般養(yǎng)殖生物病害診治范疇,而是在微生物分子遺傳學(xué)層面發(fā)生重大烈性病原菌(由可移動毒力元件和大片段基因組元件)引發(fā)的基因水平轉(zhuǎn)移、介導(dǎo)水陸兩棲人畜共患的烈性病原菌的宿主范圍躍遷等重大問題已成為公共防疫、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全相關(guān)的科學(xué)關(guān)鍵問題。這類“負(fù)向”微生物基因資源,經(jīng)過安全性轉(zhuǎn)化后又將是最終防范特定敏感海域重大疫情爆發(fā)或國際反生物恐怖的關(guān)鍵資源。及早整合力量深入研究分子機(jī)制,積累關(guān)鍵基因資源,對實(shí)施國家生物安全資源戰(zhàn)略儲備具有現(xiàn)實(shí)意義,也是適合國家頂層設(shè)計的戰(zhàn)略問題。3.4海洋微生物研究的原則和環(huán)境2004年我們在“香山科學(xué)會議第231次學(xué)術(shù)討論會”上評述發(fā)展深海和極端環(huán)境海洋微生物研究應(yīng)該注意的4個原則問題,已形成會議紀(jì)要。3.4.1異養(yǎng)性微生物群地球的海洋和生命是最大的科學(xué)主題,容納了多學(xué)科多領(lǐng)域的前沿科學(xué)命題。微生物的生命活動很可能是連接有光食物鏈和黑暗食物鏈的主導(dǎo)生物過程。在微生物學(xué)教科書中有描述:依賴光能的光能自養(yǎng)類型與依賴化學(xué)能的化能自養(yǎng)類型的微生物類群,是能量的捕獲、富集和生產(chǎn)者,而異養(yǎng)性微生物類群則是通過氧化有機(jī)物釋放二氧化碳來完成這2種能量主導(dǎo)的生命過程。地球早期是無氧的還原狀態(tài),主要由化能自養(yǎng)型微生物來完成能量轉(zhuǎn)化過程。稍后出現(xiàn)不放氧的光合作用微生物類型,再晚些時候出現(xiàn)可以放氧的光合作用類型微生物(如藍(lán)細(xì)菌)?，F(xiàn)代地球是由放氧光合作用生物來維持的氧化狀態(tài)。深海等極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)微生物的休眠態(tài)是意料之中事。微生物有特別強(qiáng)的休眠能力和相應(yīng)休眠結(jié)構(gòu)體。重要的是如何將深海極端微生物從休眠態(tài)激活為可生長狀態(tài),可能是在同幾千萬年前的微生物生命體對話了。最近美國科學(xué)家在深海2400m下發(fā)現(xiàn)一類特殊微生物,能夠利用深海溫泉口附近的微弱光線開展光合作用。已知深海200m以下就沒有一絲太陽光線,這一重大發(fā)現(xiàn)改寫了教科書上關(guān)于光合作用必須依賴太陽光的定義。深入系統(tǒng)的研究成果,必將孕育人類探索其他星球生命現(xiàn)象和開發(fā)新型能源的巨大產(chǎn)業(yè)鏈。3.4.2確立的研究意義發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌是近年研究的最新進(jìn)展之一。雖然目前在生命樹上該菌的分枝較小,但不能認(rèn)為就是種類少。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建過程,決定了依賴對具體屬種描述記載才能通過聚類方法展示在已有系統(tǒng)樹中。事實(shí)上目前關(guān)于古細(xì)菌具體屬種的微生物學(xué)特征描述極少,因而當(dāng)出現(xiàn)依據(jù)新序列數(shù)據(jù)分析而不能給出常規(guī)屬種比對歸宿時,很可能這就是一個以往不清楚的古細(xì)菌。從微生物生理學(xué)功能角度看,目前已知的古細(xì)菌是從產(chǎn)甲烷類古細(xì)菌開始的,關(guān)于甲烷合成機(jī)制已有清楚描述。但是現(xiàn)在來自深海的另一類古細(xì)菌能夠反過來氧化甲烷就是很有趣的生命過程。對深海極端微生物生命過程研究將有可能極大地改寫生命科學(xué)教科書。這是深海極端微生物研究的基礎(chǔ)科學(xué)意義所在。利用這些奇特的生命過程將是深海微生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化取得優(yōu)先突破的預(yù)期領(lǐng)域。3.4.3培養(yǎng)生物是儲糧深海探索過程中還應(yīng)該關(guān)注生物安全性。深海中微生物經(jīng)過了幾億年進(jìn)化,對陸地環(huán)境適應(yīng)性本身是科學(xué)屏障。不容易取來在陸地上培養(yǎng)是天理。如果人為地打破這個屏障,使其在陸地環(huán)境下任意放大培養(yǎng),對現(xiàn)有的人類控制措施構(gòu)成挑戰(zhàn),構(gòu)成生物安全性威脅。美國考慮火星計劃的重點(diǎn)在于如何控制地球微生物對星際造成污染,如何控制來自星際的微生物對地球造成污染,這些值得深海極端環(huán)境探索活動借鑒。3.4.4如何有效共享重在研究進(jìn)展地學(xué)領(lǐng)域?qū)W者擅長于野外考察和資源收集,生命科學(xué)學(xué)者擅長于實(shí)驗(yàn)室研究。來自地學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的同行們應(yīng)該揚(yáng)長避短發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ),共同承擔(dān)國家重大科技攻關(guān)任務(wù),而不是一方試圖取代另一方。如何有效共享呢?需要同行學(xué)者共同思考。比如功能基因研究,我國經(jīng)過“863計劃”等連續(xù)建設(shè)已經(jīng)形成了陸地研究平臺,分布在有關(guān)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu),是國家大平臺。同時近年來“中國大洋協(xié)會”支持啟動開展深海微生物資源項(xiàng)目,已經(jīng)獲得一些有價值的深海資源。大家充分共享這些平臺和資源,加快我國研究開發(fā)深海極端微生物資源的國際競爭步伐,多學(xué)科團(tuán)隊(duì)研究還能保障兼顧資源開發(fā)、生物安全和生態(tài)安全。4界面生態(tài)系統(tǒng)概念及應(yīng)用2004年我們在“香山科學(xué)會議第225次學(xué)術(shù)討論會”專題評述報告,圍繞我們提出的“海洋-陸地界面(近岸帶)生態(tài)系統(tǒng)”概念,全面介紹“界面生態(tài)系統(tǒng)微生物基因資源研究框架”頂層設(shè)計,引起同行們的廣泛興趣和高度認(rèn)同。具體包括3個方面內(nèi)容。4.1可移動遺傳元件抑制劑致海洋病原細(xì)菌致病性和耐藥性因子大規(guī)?；蛩睫D(zhuǎn)移國際海洋微生物學(xué)及微生物技術(shù)研究領(lǐng)域的3個熱點(diǎn)主題是公共健康、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全。美國北部馬里蘭海洋生物技術(shù)研究中心對切薩皮克灣(ChesapeakeBay)和南部南佛羅里達(dá)大學(xué)對墨西哥灣(MexicoGulf)的系統(tǒng)研究,揭示了微生物可移動遺傳元件介導(dǎo)的海洋病原細(xì)菌致病性和耐藥性因子大規(guī)?；蛩睫D(zhuǎn)移。美國10個部委聯(lián)合啟動“迎戰(zhàn)微生物抗性公共健康行動計劃”,已納入美國國家科學(xué)議程優(yōu)先資助領(lǐng)域。討論海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究特別是海洋噬菌體的中心調(diào)節(jié)作用,長期是《科學(xué)》和《自然》等雜志特色專欄的主題內(nèi)容。4.2海洋產(chǎn)業(yè)潛在重大國際爭端解決對策結(jié)合近年來具體示例,全面分析海洋生物養(yǎng)殖業(yè)主要作業(yè)區(qū)(近岸帶)面臨的履行國際道義之機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的5個方面問題:海域養(yǎng)殖業(yè)安全之可持續(xù)發(fā)展、WTO后綠色貿(mào)易之國際制裁、人民公共防疫之縱深難題、國家生物安全之反國際生物恐怖、維護(hù)世界海洋大國之國際道義形象等。指出解決海洋產(chǎn)業(yè)潛在重大國際爭端的幾個重要方面,迫切需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究積累。倡議將近岸帶海域作為關(guān)鍵區(qū)域示范,圍繞幾個中心議題開展系統(tǒng)研究(圖1)。著眼點(diǎn)和落腳點(diǎn)應(yīng)該是建立生物安全保障服務(wù)體系、儲備戰(zhàn)略資源、特殊生態(tài)系統(tǒng)的生命過程及調(diào)控監(jiān)測機(jī)制、促進(jìn)發(fā)展新產(chǎn)業(yè)鏈所需求的核心技術(shù)體系。具體內(nèi)容應(yīng)該包括:(1)保障300萬km2專屬海域健康開發(fā)的國家發(fā)展策略;(2)確保與敏感海域相關(guān)聯(lián)的重大潛在爭端問題上國家科學(xué)立場的主動權(quán);(3)提高國家安全和公共防疫能力的生物安全資源戰(zhàn)略儲備;(4)啟動敏感海域生物安全監(jiān)控和生物預(yù)警系統(tǒng)等基礎(chǔ)研究和技術(shù)儲備。這些倡議得到丹麥科學(xué)家訪問團(tuán)等國際同行的充分肯定,認(rèn)為這是高度依賴增養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的欠發(fā)達(dá)國家共同面臨著的全球性重大科學(xué)和社會經(jīng)濟(jì)難題,值得下大力氣開展工作。4.3南海珠江口地區(qū)近8年來,本實(shí)驗(yàn)室圍繞上述問題已在南海珠江口海域(約10000km2)開展研究工作?？蚣軆?nèi)容包括:(1)一片區(qū)域(南海珠江口);(2)二類資源(病原細(xì)菌/噬菌體);(3)三層安全(基因-基因島-基因組/分子-細(xì)胞-群體);(4)四類應(yīng)用(健康養(yǎng)殖/公共防疫/新藥篩選/國家安全)。目前取得階段性進(jìn)展,加入多種國際科學(xué)合作組織(BEG、ROAR、APUA)并成為區(qū)域聯(lián)絡(luò)人,在國內(nèi)外