神秘的海洋微生物，你了解多少？

海洋占據(jù)地球表面積的71%，其生態(tài)環(huán)境極為復雜，孕育著豐富的生物資源。在人類已知的150余萬種微生物中，約7.2萬種存在于陸地的表面（注：2006年數(shù)據(jù)），其他則存在于海洋中。

從海綿（Ircinia）中收集的部分微生物 / wikipedia

為充分了解、利用海洋微生物資源，科學家花費了大量的精力分離海洋微生物。1881年，羅伯特·科赫（Robert Koch）創(chuàng)立固體培養(yǎng)基劃線分離純種法，為微生物培養(yǎng)奠定了堅實的基礎。而后的百年多，科學家在應用中不斷探索新型培養(yǎng)基營養(yǎng)配方，并開發(fā)新型技術(shù)，在實驗室中模擬自然環(huán)境進行微生物培養(yǎng)。

羅伯特·科赫 / wikipedia

培養(yǎng)基 / wikipedia

然而，直到目前仍有許多微生物未被分離。一方面，目前的技術(shù)無法充分模擬自然環(huán)境的基本組分，比如深海環(huán)境、極地環(huán)境，這直接導致在實驗室中進行微生物培養(yǎng)時，微生物生長曲線發(fā)生改變，微生物遲緩期延長，培養(yǎng)時間增加，部分微生物可能需要百年才可形成菌落；另一方面，某些微生物太過稀少，稀釋分離時可能會丟失，導致分離失敗。此外，還有一些微生物對環(huán)境有特定的適應要求，比如季節(jié)等。它們在生長地便長期處于休眠狀態(tài)，偶爾處于活躍狀態(tài)。對于這類微生物，即使我們模擬出了其生長環(huán)境，它們也仍不能很好地生長。

地球上的典型極端環(huán)境：a. 冰川；b. 戈壁；c. 熱泉；d. 鹽湖；e. 海底火山；f. 自然形成的酸性河流

近年來測序技術(shù)日益成熟?，F(xiàn)今高通量測序技術(shù)（NGS）在分析微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進化關系的基礎上，可進一步探究微生物群體功能活性、相互協(xié)作關系及與環(huán)境之間的關系，發(fā)掘潛在的生物學意義。微生物培養(yǎng)的必要性受到了一定的懷疑。

深淵斜坡沉積物中微生物的生態(tài)潛能預測

但是這種看法正在改變，因為高通量測序的局限性已經(jīng)顯現(xiàn)：測序技術(shù)只能對細菌功能進行推測，但其確切的生態(tài)作用和生理作用仍需要通過細菌分離培養(yǎng)來確定。

現(xiàn)在，仍有很多科學家對細菌分離保持熱情，他們也想出很多辦法去解決目前所存在的問題，比如，開發(fā)復蘇促進因子刺激休眠細胞的生長，多種細菌混合培養(yǎng)進一步模擬細菌生長環(huán)境，等等。

隨著科技的進步，細菌培養(yǎng)所遇到的難題可能會得到解決。但考慮到海洋環(huán)境的復雜性和微生物家族的龐大，從海洋環(huán)境中分離培養(yǎng)所有微生物也是不可能的。因此，科學家嘗試先找出與海洋環(huán)境密切相關的微生物進行培養(yǎng)。他們?yōu)檫@些微生物制定了標準：相對豐度較高；在生物地球化學或生物降解中發(fā)揮關鍵作用；具有生產(chǎn)天然產(chǎn)物的潛力；與已培養(yǎng)的微生物類群具有很大差異。

我們相信，在未來的某一天，我們會充分了解海洋微生物在地球生態(tài)環(huán)境中的作用。

最后附上一張微生物的美圖！

微生物作畫（李健豪等，2022）

參考資料：

[1]Da Shuai Mu, Yang Ouyang, Guan Jun Chen, Zong Jun Du. Strategies for culturing active/dormant marine microbes[J]. Marine Life Science & Technology,2020,3(2).

[2]微信公眾號“全國博士生學術(shù)會議”文章《挑戰(zhàn)生命的極限：極端環(huán)境微生物》

[3]微信公眾號“檢驗醫(yī)學科”文章《公衛(wèi)·科普 | 高通量測序技術(shù) —— 打開病原體診斷的“鑰匙”》

[4]Zhou Y L, Mara P, CuiG J. et al. Microbiomes in the Challenger Deep slope and bottom-axis sediments. Nat Commun 13, 1515 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29144-4

(“科普向蔚藍”海洋科普創(chuàng)作大賽獲獎作品)