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

  • 1月28日,国网宝鸡供电公司输电运检中心秦岭输电运维班成员赵鹤在变电站张贴新春对联。陕西省宝鸡市凤县的秦岭深处坐落着一座特殊的“融冰”电站——110千伏秦岭融冰变电站。由于当地处在冷暖气流交汇带,雨雪天气极易导致输电线路覆冰。

  • 1月30日,山东省泰安市高新区北集坡街道组织的“品书香 赏非遗逛大集”活动热闹开集,丰富多彩的文艺节目和便民服务项目吸引周边村镇居民前来逛大集办年货。

独家策划

推荐阅读
为揭示东亚古人类的技术智慧与演化脉络提供了关键证据。
2026-01-30 09:37
中国气象局29日发布《2025年中国风能太阳能资源年景公报》。公报显示:2025年,全国风能资源为正常年景,全国太阳能资源总体为偏小年景。
2026-01-30 03:30
想象一下手电筒的光:柔和而四散,照亮着前方。激光,就像一束训练有素的光——所有光粒子步调一致,朝着同一个方向前进,能量高度集中。这种特性让激光能完成普通光做不到的“精细活”,从超市扫码器到医院手术刀,从光纤通信到舞台灯光秀,背后都有它的身影。
2026-01-30 03:30
激光技术被誉为20世纪“四大科技发明”之一。聚焦真空紫外非线性光学晶体材料领域基础研究和关键核心技术,中国科学院新疆理化技术研究所(以下简称“新疆理化所”)潘世烈团队成功研制出氟化硼酸铵(ABF)晶体,首次实现直接倍频真空紫外激光158.9纳米输出,创造了该领域世界最短输出波长纪录。相关成果于29日在国际学术期刊《自然》发表。
2026-01-30 03:30
开慧镇党委书记杨骏介绍,依托科技小院,全镇形成科技养殖示范点5处、示范户24户,带动村民增收1800余万元,并发展起梅花鹿、鹌鹑等特色养殖产业。在博乐市区西南方向四五公里处的荒漠化草原上,科技小院还开辟了200多亩的试验场,将这里作为科研攻关的第一线。
2026-01-30 09:17
科研人员将种子放入冷库储存。例如,千年种子库与中国西南野生生物种质资源库就通过人员交流、技术培训、资源备份、联合研究等,共同推进生物多样性保护。
2026-01-30 09:16
寒冬时节,云南省元江哈尼族彝族傣族自治县龙潭社区番荔枝种植基地里却热火朝天,一颗颗“冬日限定”的番荔枝被采摘、装箱,销往全国各地。
2026-01-30 09:14
“相对拥有百年历史的《科学》,《工程》才走过第一个十年。未来十年,我们要争取与世界顶级刊群比肩。”周济表示,这条路需要时间,以及学术评价观念、出版生态与国际化运营能力的协同推进。
2026-01-29 02:45
工业和信息化部28日公布,2025年,我国通信业实现平稳增长,产业结构持续优化,用户规模实现量质双升,5G、千兆等新型信息基础设施建设加快部署。
2026-01-29 02:55
中国科学院物理研究所近日发布《2025年度REBCO高温超导带材战略研究报告》(以下简称“报告”),这是国际上首份针对高温超导带材发展的系统性战略报告。
2026-01-29 02:55
2025年,山东省实现地区生产总值10.3万亿元,比上年增长5.5%。亮眼的成绩单,离不开创新动能持续发力。齐鲁大地上,科技创新和产业创新融合发展成果正在厚积薄发,新质生产力加速崛起,转型动能持续增强,高水平创新型省份建设的目标正在逐步实现,向着“十五五”征程稳步进发。
2026-01-29 02:45
近期,多家外国科技公司宣布计划将人工智能及数据中心送往太空,引发了科技界的热烈讨论。这一看似在科幻电影中才会发生的场景,已逐步从设想转变为现实。
2026-01-29 02:55
手机厂商将投入更多精力,通过形态变革、差异化外观设计、联名合作等,更好地满足用户的情绪价值需求,激发消费者购买欲望。
2026-01-29 09:02
截至2025年底,全国累计发电装机容量38.9亿千瓦,同比增长16.1%。2025年,风电光伏累计装机历史性超过火电,截至12月底已超出约3亿千瓦。
2026-01-29 09:01
1月27日上午,中国科学院大学星际航行学院揭牌仪式在中国科学院与“两弹一星”纪念馆举行,标志着该学院正式成立。从“东方红一号”划破天际到“祝融号”漫步火星,中国人的航天梦从未停止。
2026-01-28 02:45
2025年,我国区域科技创新布局更加优化,三大国际科技创新中心建设进入新阶段,区域科技创新中心建设取得新成效。
2026-01-28 02:45
打破产业间的壁垒,鼓励跨领域、跨行业的融合探索,推动资源要素的自由流动与高效配置,不仅能盘活存量资源、激发增量活力,更能催生具有引领性的新产业、新模式、新动能。
2026-01-28 02:45
合肥是儿童文学作家许诺晨的家乡。合肥科学岛,是她所拥有的一座得天独厚的科学和科幻题材的“硬核基地”,由她来写量子少年这个题材,可谓“近水楼台”。《量子女孩》(中国少年儿童新闻出版总社2025年12月出版)是她献给“量子新城”合肥的一部“家乡书”。
2026-01-28 02:55
北京火箭大街展示与运控中心作为商业航天测运控中心、商业航天公共服务平台的空间载体,将为企业提供卫星运控服务和交流推介平台。
2026-01-28 09:15
水稻耐不耐旱,和叶子的厚实程度相关,这是由什么因素决定的?日前,中国农业科学院作物科学研究所水稻分子设计技术与应用创新团队发现,水稻基因组中的三个耐旱基因可以“团队作战”,
2026-01-27 02:50
加载更多