点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:你肠道中的这些微生物 竟与深海碳循环有关
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

你肠道中的这些微生物 竟与深海碳循环有关

来源:科技日报2021-07-22 09:46

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  微生物驱动的深海碳循环是各元素生物地球化学循环的核心部分,主要包括碳固定、碳降解、甲烷循环及其他碳循环途径等,其中有机碳的降解是促进全球碳循环的重要途径。

  孙超岷 中国科学院海洋研究所研究员

  纤维素、果胶、褐藻多糖等海藻多糖是一类重要的细菌营养源,也是海洋食物网的主要成分,是驱动海洋表面和有机碳等深海物质能量循环的重要因素。拟杆菌被认为是藻类多糖的主要降解者,在海洋碳元素生物地球化学循环过程中扮演着重要角色。

  7月初,《环境微生物》期刊发表了中国科学院海洋研究所研究员孙超岷课题组关于深海冷泉拟杆菌可通过降解藻类多糖促进深海营养和碳循环的最新研究成果。

  深海微生物是如何在物质能量代谢和碳元素生物地球循环中发生作用的?深海冷泉拟杆菌降解藻类多糖的机制是什么?除了降解藻类多糖,深海冷泉拟杆菌如何在促进深海营养循环中发挥作用?

  7月12日,带着这些疑问,科技日报记者采访了孙超岷课题组。

  多糖是深海碳循环重要组成部分

  “全球初级生物质净产量的大约一半来自海洋,主要是由小型海洋浮游植物贡献的。”孙超岷说,海洋浮游植物只占全球植物生物量的1%,但却完成了全球一半的光合作用。

  孙超岷课题组研究认为,二氧化碳进入海水体系后,浮游植物通过光合作用,吸收海水中的二氧化碳进而生长繁殖,将其由无机碳转化为生物体内的有机碳。作为初级生物质,复合碳水化合物是陆地和海洋生态系统中微生物的普遍能量来源,它们大多以多糖的形式存在。

  多糖是细胞壁和细胞内能量储存化合物的结构成分,是深海碳循环的重要组成部分。海藻中将近50%的成分都是多糖。大量含有各种多糖的藻类植物和动物残骸会从上层海洋沉降下来直至深海底部。孙超岷解释,在沉积过程中,部分颗粒有机碳经上层微生物的分解又转化为水中的有机碳,进入海洋再循环,大部分则被沉积埋藏在深海里,为深海沉积物中的多糖降解微生物提供了重要的有机碳源。

  “这些沉积在海洋深层地下的复杂多糖大多是难以降解的多糖,例如果胶、纤维素和半纤维素。”孙超岷说,因此,微生物介导的多糖降解是海洋碳循环中的一个重要过程。

  拟杆菌被认为是多糖主要降解者

  拟杆菌被认为是多糖的主要降解者,它们广泛地分布于人类肠道、近岸海域、海洋沉积物和其他环境中。

  以往研究者推测,拟杆菌的多糖降解能力,可能来源于其中的一种独特的多糖降解机制,即在它们的基因组中含有大量的多糖利用位点(PULs,polysaccharide utilization loci)。

  “在大部分拟杆菌门成员的基因组中,碳水化合物降解酶排列在PULs的基因簇中。第一个含有淀粉利用系统(Sus)的PUL是在人类肠道细菌多形拟杆菌中发现的,而Sus操纵子被认为是多糖降解所必需。”孙超岷说,在这个操纵子中,蛋白因子转运蛋白和碳水化合物结合蛋白的同源物必不可少,被认为是PUL的标志物。PULs中含有许多编码碳水化合物酶的基因。

  这些PULs还包含一个编码表面多糖结合蛋白和一个转运蛋白的串联基因。孙超岷认为,在它们共同作用下,多糖最初结合到外膜蛋白上,并被胞外碳水化合物酶切割成寡糖,寡糖通过外膜转运蛋白从外膜转运到周质中。在周质中,寡糖受到保护,免受其他细菌的利用,并进一步降解为单糖,然后由特异的转运蛋白运输并穿过细胞质膜进入细胞质被利用。

  拟杆菌降解不同多糖的机制已经在人类肠道中进行了研究,孙超岷说,另有研究表明,人类肠道细菌可以从海洋细菌中获得编码碳水化合物酶的基因,这可能是人类肠道微生物碳水化合物酶多样性的一个原因。

  “拟杆菌门是继变形菌门和蓝细菌门之后最丰富的海洋细菌群,是藻类衍生碳水化合物最重要的分解者,积极驱动海洋碳和营养循环。然而之前深海拟杆菌的纯培养物很少。因此我们需要获得深海拟杆菌的纯培养物,来进一步研究它们在深海碳元素的生物地球化学循环中所起的作用。”孙超岷说。

  深海冷泉中富含硫化氢、甲烷、其他碳氢化合物和含有各种多糖的动物残骸,在这些极端条件的驱动下,冷泉环境中形成了一个独特的微生物群落,其中包含多种多样的古菌和细菌。

  “因此,研究深海冷泉中拟杆菌降解多糖的机制具有重要意义。”孙超岷说,在本研究中,他们团队首先通过扩增子测序分析了深海冷泉中拟杆菌的丰度,发现与其他环境中类似,拟杆菌是深海表层沉积物的主要类群。拟杆菌门中的细菌编码碳水化合物酶的基因数量明显高于变形菌门和绿弯菌门中的细菌,表明拟杆菌门是碳水化合物降解甚至深海冷泉环境中碳循环的主要参与者。

  许多拟杆菌已经从普通环境中分离出来,然而很少有从深海环境中获得的纯培养物。

  “我们将深海沉积物样品接种到添加各种多糖的基础培养基中,并在28℃恒温培养箱中厌氧富集一个月,然后将富集的样品转接到含有固体培养基的厌氧管中,挑选并培养具有不同形态的单个菌落。”孙超岷说,不出所料,大多数培养的菌落被鉴定为拟杆菌,其中菌株WC007被鉴定为一个新物种。这种策略在将来可能有助于从其他环境中分离拟杆菌。为了深入了解菌株WC007降解多糖的能力和机制,研究团队对菌株WC007基因组进行了PULs的预测和注释,发现基因组中存在大量多糖降解利用位点,之后利用基因组学、转录组学和代谢组学深入研究了菌株WC007对纤维素的降解和利用机制。

  “海藻多糖是一种重要的细菌营养源和海洋食物网的主要构成部分,也是海洋表面和深海碳循环的关键因素。”孙超岷说,鉴于海藻多糖在海洋碳循环中的重要性,他们团队推测容易降解的多糖被海洋表面的需氧微生物利用,然后这些难降解的多糖聚集形成颗粒碎屑,从透光表面向深海沉积物中沉降。一旦碳水化合物衍生的颗粒到达深海底部,像菌株WC007这样的高效多糖降解菌会首先通过外膜转运蛋白识别胞外多糖或寡糖,然后通过位于细胞质膜上的特定蛋白复合物提供能量,将这些降解物(如寡糖)吸收到周质中。然后,激活并释放碳水化合物酶,将寡糖切割成单糖和二糖,之后将其运输到细胞质中进行代谢和产生能量,以促进细菌生长。同时,一些裂解产物可以供其他细菌吸收利用,这可以极大地促进深层生物圈中的碳和营养元素循环。

  将藻类变废为宝

  研究认为,微生物可以通过固定或者释放CO、CO2、CH4以及对各种有机碳的降解与转化作用, 直接控制全球碳源的转换和碳形态的转化,进而影响氮、硫、磷等其他元素的生物地球化学循环。孙超岷介绍,微生物驱动的深海碳循环是各元素生物地球化学循环的核心部分,主要包括碳固定、碳降解、甲烷循环及其他碳循环途径等,其中有机碳的降解是促进全球碳循环的重要途径。

  相应地,孙超岷课题组还发现纤维素不仅可以促进拟杆菌的糖类和氨基酸代谢,还可以促进其尿素循环和甲烷代谢。“因此,多糖可能是深海沉积物中多糖降解细菌的主要营养来源,这些异养微生物降解多糖是深海碳循环的一个关键过程。”孙超岷说。

  浒苔是一类绿藻,而浒苔绿潮在我国黄海已连续爆发多年,成为严重的海洋生态灾害。

  从2008年6月中旬开始,大量浒苔从黄海中部海域漂移至青岛附近海域,而今年浒苔的爆发量更是达到了近年来的一个新顶点。孙超岷说,考虑到浒苔是一类飘浮型藻类以及海洋的开放性环境,要想采用诸如除草剂之类的药物防治浒苔难度极大。

  “除了从根本上改善水质,从源头上减少浒苔的生物量,还要积极发展浒苔的高值化利用。鉴于浒苔含有大量的碳水化合物,我们将尝试用分离到的拟杆菌去降解浒苔多糖,以期产生有抗菌、抗肿瘤等特殊生物学功能的寡糖衍生物,并开发相应的多糖降解工具酶,从而将浒苔变废为宝。”孙超岷说。

  王健高

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 粤港澳大湾区首台“华龙一号”核电机组投产发电

  • 第二十七届中国(寿光)国际蔬菜科技博览会开幕

独家策划

推荐阅读
记者从生态环境部获悉:近日,我国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将高精度温室气体综合探测卫星发射进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2026-04-21 10:34
中医药是中国古代科学的瑰宝,凝聚着中华民族几千年来的健康养生理念及实践经验。“十五五”规划明确提出,要“推进中医药传承创新”,法治作为治国理政的基本方式,能够为中医药传承创新提供坚实保障。要充分发挥法治的固根本、稳预期、利长远作用,以高水平法治赋能中医药传承创新,让中医药这一千年瑰宝在时代浪潮中焕发新的生机与活力,为健康中国建设注入强劲动能。
2026-04-21 10:31
当下,春播春管自南向北次第展开,正是决定一年收成的重要时节。广袤田畴上,各地各部门抢抓农时促生产,科技气息漫遍阡陌,一幅生机盎然的春景图全面铺展。向科技要产能,以智慧启春耕,农业新质生产力在田野间落地生势,成为做好春播春管的底气。
2026-04-21 10:29
网络上针对牛奶到底能不能空腹喝的讨论从不曾停止。如果你空腹喝牛奶后,半小时到两小时内出现腹胀、肚子咕咕叫、排气、腹泻,那很可能是乳糖不耐受。空腹喝牛奶不会“伤胃”,反而可能“养胃”。
2026-04-21 10:26
安徽合肥的科大国盾量子技术股份有限公司内,展出了各类量子移动安全应用产品。合肥近年来不断强化“沿途下蛋”机制,通过企业、资本、科技的融合,助力大科学装置诞生科技成果,并让其孵化走向市场。
2026-04-21 10:25
正值春耕关键期,河南滑县的万亩麦田里,种粮大户不再需要徒步巡查耕地,只需轻点手机,卫星遥感图便将田块边界、墒情分布与作物长势清晰呈现。
2026-04-20 09:51
在苏州大学江苏省先进负碳技术重点实验室,纳米科学技术学院博士生郁操正操作X射线光电子能谱仪,分析一块特殊的测试样品。张晓宏表示,学校将继续深化“学术大师+创新团队”模式,完善交叉课程体系,培养出更多能服务地方产业、对接国家战略、为新质生产力助力的拔尖创新人才。
2026-04-20 09:47
绿色设计不仅是实现碳达峰、碳中和目标的关键工具,更是推动产业转型升级、培育新质生产力的源头性驱动力。“十五五”规划纲要明确提出:“鼓励企业提高绿色设计和制造水平,降低产品全生命周期能源资源消耗和生态环境影响。
2026-04-20 09:44
当前,全球具身智能产业进入从实验室研发到产业化落地的关键跃升期,成为大国科技博弈的重点领域。具身智能产业横跨人工智能、高端制造、新材料、电子信息等多元领域,唯有系统集成、协同创新才能释放最大效能。
2026-04-20 09:43
飞机即将着陆,一位怀抱婴儿的年轻妈妈突然求助——她头晕、想吐。这本书是谭先杰沉淀十多年的健康传播实践心得,也是他投身医学科普以来,对“如何做好健康科普”进行的系统性梳理。
2026-04-20 09:54
4月10日,国家网信办、国家发展改革委、工业和信息化部、公安部、市场监管总局联合公布《人工智能拟人化互动服务管理暂行办法》,自2026年7月15日起施行。”  郑庆华表示,同济大学正在推进人工智能伦理、算法治理与安全测评研究,重点攻坚用户极端情境识别、情感边界引导、未成年人身份识别等关键技术。
2026-04-20 09:47
4月19日7时30分,2026北京亦庄半程马拉松暨人形机器人半程马拉松鸣枪开跑,人形机器人与人类跑者同时从起点出发。也有专家提醒,人形机器人正步入以场景落地为核心的攻坚期,大规模量产与普及仍面临诸多挑战。
2026-04-20 09:45
记者16日从中国科学院国家空间科学中心获悉,来自该中心等单位的科研人员,通过三维数值模拟首次揭示,月球内部的金属月核在“感受”到太空磁场突变时,会像电磁感应一样产生感应电流和感应磁场,这股力量会挤压月球周围的太阳风,在月球两侧边缘形成一道特殊的“压缩带”。这项研究不仅揭示了月球导电内核在太阳风与月球相互作用中的重要作用,也为未来探测月球内部结构提供了新依据。
2026-04-17 10:30
据中国载人航天工程办公室消息,北京时间2026年4月17日01时36分,经过约5.5小时的出舱活动,神舟二十一号乘组航天员张陆、武飞、张洪章密切协同,在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下,圆满完成空间碎片防护装置安装、舱外设备设施巡检等任务。
2026-04-17 10:30
今年4月17日是第三十八个世界血友病日,主题为“诊断是关怀工作的第一步”。我国血友病患者诊疗现状如何?如何早识别、早干预?患者在日常生活中如何做好管理和防护?
2026-04-17 10:21
截至2026年3月31日,29个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团共154个统筹地区完成上年度医保基金清算,覆盖率达全国统筹区总数的39%,超额完成试点任务。其中,吉林白山、浙江宁波等43个非试点地区主动对标试点标准同步完成清算任务。山东、宁夏、北京、河北、海南、天津、河南等7地完成全省(自治区、直辖市)清算。
2026-04-17 10:20
商务部新闻发言人何亚东在16日举行的新闻发布会上表示,外资研发中心是我国创新体系的重要组成部分。2月,财政部、商务部等部门共同印发了有关通知,继续对外资研发中心进口有关科研用品免征进口关税和进口环节增值税、消费税。
2026-04-17 10:13
中国科学院微小卫星创新研究院15日发布轻舟试验飞船首批科学成果:关键技术验证方面,飞船测试了密封结构、推进、惯性测量、热控环控等核心系统。
2026-04-16 09:24
此次飞行对多项关键技术进行在轨考核,同时搭载27项科学试验载荷,还携带近300件青少年科普作品和一件《马踏雄风》瓷马进入太空。
2026-04-16 09:22
15日9时50分,由中国航空工业集团自主研制的HH-200航空商用无人运输系统,在航空工业民机试飞中心渭南运营基地平稳降落,圆满完成首飞。
2026-04-16 09:21
加载更多