深海与极地微生物种类多样性

在南北极、深海等特殊环境中已发现了种类繁多的可培养低温微生物，包括真细菌、蓝细菌、真菌、藻类和古菌等（表7-1）；其中以真细菌的种类和数量最多，革兰氏阴性细菌分布较广的是假交替单胞菌属（Pseudoalteromonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、嗜冷杆菌属（Psychrobacter）、希瓦氏菌属（Shewanella）、莫拉氏菌属（Moraxella）和科尔韦尔氏菌属（Colwellia）等；革兰氏阳性细菌有节杆菌属（Arthrobacter）、芽孢杆菌属（Bacillus）和微球菌属（Micrococcus）等。此外，由于海底热泉的存在，深海中也存在着嗜热/超嗜热微生物，如嗜热球菌属（Thermococcus）、甲烷火菌属（Methanopyrus）、热球菌属（Pyrococcus）、硫化杆菌属（Sulfobacillus）和热厌氧杆菌属（Thermoanaerobacter）等。

表7-1　部分来源于深海与极地的可培养的低温微生物属

续表

从南北极的冰芯、雪样、水样、土壤、沉积物、岩石及海洋生物等各类样品中发现了数量与种类众多的微生物，其中以嗜冷/适冷微生物为优势种群。同时，南北极的一些高盐（海冰、盐湖）、高温（火山口）、酸性（湖泊）及高压（深海、深冰芯）等特殊生境的存在，极大地丰富了极地微生物种质资源的多样性。此外，两极地区特别是南极因其独特的地理位置及严酷的自然环境条件，还未受到大规模人类活动的污染，较好地保留了原始状态。两极地区不但成为记录地球系统历史演变过程的重要场所，也成为寻找微生物新物种的资源宝库。据不完全统计，1996～2006年期间在期刊International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology上发表的71个嗜冷菌新种、18个新属中，有55个新种、15个新属来源于极地环境。科研人员甚至在南极大陆最古老的冰层中发现了封存800万年、却仍然具有活性的远古微生物。根据菌落形态学特征，有人利用Zobell 2216E培养基和涂布平板法从59个站点的北极海洋沉积物样品中共分离纯化获得570株细菌，分别属于细菌域的4个门、5个纲、12个目、23个科、47个属、102个种，其中γ-Proteobacteria占大多数；有14株菌株与模式菌株的16S rRNA基因序列相似性＜97%，为6个潜在的新种。

广布于南北两极的海冰是地球上几种主要的特殊生境之一。海冰结构与淡水冰不同，海冰是个半固体矩阵，冰晶间弥漫着大小不等且充满卤水的孔、道网络（盐囊和盐通道），在海冰内部形成了微生物赖以生存的不同温度、盐度和营养盐浓度的微生境。海冰中的细菌最初来源于海洋浮游细菌、藻类、原生动物和小型后生动物等生物体表附着细菌以及海底沉积细菌，随着温度的逐渐降低和海冰的不断生长，这些细菌被逐步筛选，最终形成了适应海冰这一独特生境的细菌群落。研究表明，海冰细菌约有一半的种类属于嗜冷菌，其余为适冷菌。已有的研究表明，海冰细菌主要从属于四大类：变性杆菌门（Proteobacteria）、CFB细菌群（Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroide）、低G＋C含量革兰氏阳性菌群（lowmole percent G＋C gram-positive bacteria）和高G＋C含量革兰氏阳性菌群（highmole percent G＋C gram-positive bacteria）。

自从1908年Ekelof首次报道在南极分离出微生物后，各国的微生物学家相继在南极地区进行了大量的研究工作，证实了在南极冰、雪、水、土壤及岩石样品中广泛存在着各种类型的微生物。而后随着分子生物学技术的快速发展，如限制性内切酶酶切片段长度多态性分析（PCR-RFLP）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、荧光原位杂交（FISH）、流式细胞术、单链构象多态性分析（SSCP）、质粒指纹图谱分析和低相对分子质量RNA分布图等技术，为南北极极端环境下微生物的多样性研究开辟了新的途径。PCR-RFLP研究表明，南极阿德雷岛沉积物中的细菌多样性丰富，分属于8个类群，以CFB菌群和β、γ-变形杆菌纲为主；在7cm左右深度的沉积物中，可培养微生物和16S rDNA序列多样性与其他深度的沉积物有明显不同，推测可能与环境的变化有关。利用16S rRNA技术对7个采自南极和1个采自北极的海冰微生物样品进行的比较研究表明，8个样品均由细菌和真核微生物组成，其中细菌种群主要集中在 γ-、α-Proteobacteria、CFB分支及革兰氏阳性细菌、衣原体目的Chlamydiales和Verrucomicrobiales；而真核微生物属于自养型和异养型微型浮游生物。在南极地区，具有适冷性的古菌Methanogenium frigidum、Methanococcoides burtonii 和Halorubrum lacusprofundi也被分离出来。在极地和深海中分离到一些种类的病毒，这些病毒也具有冷适应性。在南极海冰中发现一种壳体直径大于110～424nm的病毒。有研究表明，生长在南极干燥峡谷地区多孔岩石晶体间的微生物，不但能够忍受南极夏季0℃～－15℃的低温，甚至在经历了南极冬季－60℃的极端温度后仍能存活。

在深海这样一个拥有深水底流、诸多海山、海沟和地壳运动、火山喷发等环境因素综合作用的特殊黑暗世界里，隐含着各种各样的特殊生境。从深海钻探岩芯中大量微生物的发现到深海科学探险多处热液区以化能自养微生物为初级生产者，从多金属结核和甲烷水合物的微生物成因证据的提出到深海不同深度微生物的分离，无不使人确信深海生物圈的存在。孙凤芹等从南沙海域22个站位的海域沉积物样品中获得349株细菌，分属于87个种；产芽孢的细菌（Bacillus、Halobacillus、Brevibacillus、Paenibacillus、Pontibacillus和Thalassobacillus）分布最广，并在10个站点的分离株中占多数，其中芽孢杆菌属（Bacillus）菌株无论在数量上还是种类上都最多，分别属于34个种，其中有8个可能为新种；此外，γ-Proteobacteria是分离率较高的另一亚群，假单胞菌（Pseudomonas）、海杆菌（Marinobacter）和食烷菌（Alcanivorax）属的细菌最多；在水深750～2000m之间的区域，低G＋C含量的细菌最丰富，而2000m以深的区域时，分离株则全部为γ-Proteobacteria。

利用非培养技术对西沙海槽表层沉积物微生物群落的研究表明，扩增到的古菌的16S rRNA基因序列属于泉古生菌（Crenarchaeota）和广古生菌（Euryarchaeota）两大类，以Marine Crenarchaeotic Group I（49.2%）和Terrestrial Miscellaneous Euryarchaeotal Group（16.9%）为主要类群；细菌克隆子多样性明显高于古菌的，分属于变形杆菌门（Proteobacteria，30.5%）、浮霉菌门（Planctomycetes，20.3%）、放线菌门（Actinobacteria，14.4%）、厚壁菌门（Firmicutes，15.3%）和屈桡杆菌门（Chloroflexi，8.5%）等，以变形杆菌为优势类群（包括α-和δ-Proteobacteria）；多数克隆子为未培养细菌和古菌。

传统培养方法与分子生物学方法相结合的研究表明，西太平洋暖池区上5个位点的深海细菌群落结构相似，15种类型主要归属于变形杆菌门（Proteobacteria）的γ-、α-、β-和δ-亚群，其中与硫代谢相关的克隆子数可达14.03%，说明该海域的硫代谢活动较活跃；用培养法共获得32株细菌，归属于变形细菌的γ-、β-变形杆菌纲，革兰氏阳性菌；两种方法均表明γ-Proteobacteria为沉积物中的优势类群，说明其在太平洋海域有广泛的分布。分离到的菌株大多能在低温下产生水解大分子物质的酶类，这表明所调查海域有比较活跃的物质代谢活动。

通过提取环境总基因组DNA和构建16S rRNA基因文库，对太平洋多金属结核区东区2个站点沉积物的细菌群落结构分析表明，2个文库共93个克隆分属13个类群，包括α-、β-、γ-和δ-变形杆菌纲、浮霉菌门、酸杆菌门、噬纤维菌 — 黄杆菌 — 拟杆菌群、硝化螺旋菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、异常球菌 — 栖热菌门和OPI1类群。其中，γ-变形菌纲在2个站点的沉积物中均是优势种群，变形菌纲、浮霉菌门、放线菌门、噬纤维菌 — 黄杆菌 — 拟杆菌群、硝化螺旋菌门是2个站点共有的细菌类群。DOTUR和LIBSHUFF分析表明，2个站点的沉积物均具有丰富的细菌多样性，并且物种组成具有显著性差异。