海洋微生物工程的研究现状与发展趋势

20世纪90年代以后，海洋微生物学研究逐步进入到工程化研究时期。研究人员从海洋微生物中发现了大量具有特殊生理活性的天然化合物，如抗生素、生物毒素、酶抑制剂、酶、多糖、氨基酸、不饱和脂肪酸、维生素、色素以及具有抗病毒、抗肿瘤活性的物质等，对其工程化研究和应用的工作也如火如荼地展开了。

现已发现，众多的海洋微生物可产生抗生素，其中包括链霉菌属（Streptomyces）、别单胞菌属（Alteromonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、黄杆菌属（Flavobacterium）、微球菌属（Micrococcus）、着色菌属（Chromatium）、钦氏菌属（Chainia）、芽孢杆菌属（Bacillus）等菌及许多未定菌，产生的抗生素包括吡咯类、酯类、糖苷、醌类、缩肽类、萜类和生物碱类等，有些结构类型从未在陆生菌中见过。日本发现约27%种属的海洋微生物具有抗菌活性。有人发现，海洋微生物中14.1%的细菌、44.0%的放线菌、11.5%的真菌都具有不同程度的拮抗性。海洋动植物体内也含有多种以共生或互生方式生活的微生物。苏联学者发现，20%～50%的海鞘、海参体内的微生物可产生具有细胞毒性和杀菌活性的化合物。有人估计，海绵中的共生微生物约占海绵体积的40%，可从中获取多种生物活性物质。例如，Kobayashi M.等从海绵体内分离出一株弧菌，能够产生一种新型的吲哚三聚体抗生素trisindoline；分离自海绵Stylotello agminata的水溶性六环二胍抗生素palaúamine，对链球菌、杆菌的作用明显。Ayer等从贻贝组织匀浆液中分离到木霉属真菌，能产生有抗菌活性的多肽类物质peptaibols。

海洋微生物产生的抗病毒、抗肿瘤物质也得到了广泛深入的研究。Custafson等从海洋细菌中分离出一种大环内酯类化合物madolactin，具有抗菌、抗病毒及抗癌作用。日本从海藻上分离到一株湿润黄杆菌（Flavobacterium uliginosum），能产生对小鼠肉瘤180有明显抑制作用的胞外多糖marinactam（MACT），其作用机制主要是激活巨噬细胞。分离自日本3000多米深海底底泥的Alteromonas haloplanktis在含有沙丁鱼和鱿鱼粉的海水培养基中产生活性物质—一种离子载体类产物bisucaberin，该产物在很小剂量（10mg/mL）的情况下，与巨噬细胞、纤维肉瘤1023等肿瘤细胞一起培养时，溶瘤细胞作用明显。另外，海绵中存在有复杂的微生物群落，海绵中的抗癌物质是由海绵中共生或共栖的细菌所产生的，已报道从这些细菌中可以分离出抗白血病、鼻咽癌的活性成分；从海鱼胃内容物、海葵体内等也分离出能够产生抗肿瘤成分的链霉菌。

除分离出药物先导化合物以外，海洋微生物还是开发新型酶制剂、生物材料等的重要来源。研究工作者已经从海洋微生物中发现了几丁质酶、褐藻胶裂合酶、琼胶酶、卡拉胶酶等海洋多糖降解酶，以及低温蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶等。海洋生态环境差异很大，有高温的深海热液喷口，有低温的南北两极，此外海底还有一些高酸碱的区域，加之深海的静压，使这些极端环境微生物能够产生出不同于陆地微生物的特有酶类。

随着海洋资源得到逐渐深入的开发和利用，许多海洋毒素得到分离和纯化。由于海洋毒素毒性较大，真正应用到临床医药上的尚不多，但实验证明，海洋毒素具有广阔的应用前景和开发价值。过去人们从海绵、海藻、海洋动物体内提取的毒素，已发现有相当一部分的真正来源是海洋微生物，如河鲀毒素、海葵毒素、石房蛤毒素、辛骏河毒素等。

此外，利用海洋微生物处理海洋环境污染也取得了很大的进展，特别是在海洋石油污染的生物修复方面，国外在20世纪40年代就开展了细菌降解油污的研究，我国这方面的研究始于20世纪70年代末期。研究表明，在海洋中存在着大量能够降解石油的微生物，它们的种类组成和土壤、淡水中降解石油微生物有很大不同。已报道能够降解海洋石油污染物的微生物有200多种，分属于70个属，其中细菌有40个属。能够降解石油烃的细菌有假单胞菌属（Pseudomonas）、弧菌属（Vibrio）、不动杆菌属（Acinetobacter）、黄杆菌属（Flavobacterium）、气单胞菌属（Aeromonas）、无色杆菌属（Achromobacter）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、棒杆菌属（Coryhebacterium）、节杆菌属（Arthrobacter）、芽孢杆菌属（Bacillus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、微球菌属（Micrococcus）、乳杆菌属（Lactobacillus）、诺卡氏菌属（Nocardia）等。能够降解石油烃的酵母菌有假丝酵母属（Candida）、红酵母属（Rhodotorula）、毕赤酵母属（Pichia）等。海洋中能够降解石油烃的霉菌数量要少于细菌和酵母菌，主要有青霉属（Penicillium）、曲霉属（Aspergillus）、镰孢霉属（Fusarium）等。20世纪80年代末美国在Exxon Vadez 油轮石油泄漏的生物修复项目中，短时间内清除了污染，治理了环境，是生物修复成功应用的开端，同时也开创了生物修复在治理海洋污染物中的应用。

自20世纪70年代以来，人们将目光进一步投向广阔大洋的深水和海底及沉积物或岩石中、下层的地壳圈，并成为海洋生命科学和环境科学的焦点之一。一系列成果的取得使人们认识到海底广阔领域—由表层沉积物几米到表面下800m的沉积物中均有生物存在。对这一范围的探索及对一些迹象的推断，使人们大胆地提出了海底深部生物圈（Subseafloor deep biosphere，缩写为SFDB）这一概念，并使该生物圈年龄可上溯到1500万年前。SFDB是深海微生物学研究的主要内容和领域之一。它的重中之重是由深海（洋）地学和深海（洋）微生物学等生物学科相交叉而形成的边缘科学，即深海（洋）地微生物学（deep sea geomicrobiology）。迄今相关研究及其前景吸引并推动多学科学者的热烈参与。

海洋微生物作为一种重要的生物资源，在研究与开发生物活性物质和海洋药物方面具有明显的优势：① 来源于海洋的微生物具有特异的遗传和代谢特性，容易产生新的活性物质；② 来源于陆地的海洋微生物经过长期的环境适应过程，其生理和代谢特征也发生了明显的变化，因而能够产生陆地微生物所不能产生的新型活性物质；③ 海洋微生物往往与海洋动植物存在共生或共栖关系，为提高宿主在海洋环境中的适应性和生存力，常常产生抑制宿主竞争对手的次生物质，这类微生物产生抗生素的能力远远高于非附生海洋微生物和陆地微生物；④ 与海洋动植物相比，海洋微生物具有生长周期短、代谢易于控制、菌种易于选育及可通过大规模发酵实现工业化生产的优势；⑤ 海洋微生物的开发不至于导致海洋生态环境失衡，更具有自然资源的可持续利用性。

虽然海洋微生物学的研究历史较短，而以海洋微生物天然产物开发为主体的海洋微生物工程的研究仍处于起步阶段，但是近年来已经成为世界各国开发的热点，有关海洋微生物及其代谢产物在活性天然产物利用、食品工程、新能源开发、生态修复等领域的研究报道层出不穷，展现出巨大的发展潜力。海洋微生物资源非常丰富，但是国内外在海洋微生物工程领域的总体研究水平尚存在不足，相信随着细胞工程、发酵工程、基因工程、分离工程等技术的发展应用，海洋微生物工程领域的研究一定会取得迅猛发展，为蓝色经济建设产生强劲的助推力。

【注释】

[1]本章由牟海津编写。