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深海探“微”——海洋三所海洋微生物资源研究应用纪实

2020-05-15 14:27:00    来源: 中国自然资源报    作者:赵宁

海洋基因资源是抗病毒化合物的丰富来源,能产生可用于病毒检测试剂盒的酶。近日,世界资源研究所专门召开了网络研讨会,探讨“海洋基因组:挑战与机遇”。

众所周知,深海具有特殊的生态系统和丰富的生物多样性,是巨大的生物基因资源宝库。多年来,自然资源部第三海洋研究所科研人员聚焦国际深海科学前沿,在深海微生物多样性调查、深海生物基因资源库建设、海洋微生物功能研究、深海生物资源开发利用等方面取得了重要成果,逐渐发展成为国际深海微生物研究领域的一支重要力量。

“小不点儿”作用大 

海洋中数量最多的生物,不是自由穿梭的鱼类,也不是随波摇曳的植物,而是我们肉眼看不到的微生物。这些不起眼的“小不点儿”,要用显微镜才能看到,但在海洋生态环境中发挥着非常重要的作用。

“在深海,由于环境的独特性,蕴藏着丰富的极端微生物。它们往往产生具有独特活性的生物大分子(极端酶)与小分子,与陆源生物活性物质结构、功能迥异。”海洋三所研究员邵宗泽说。

据介绍,目前陆地微生物中发现的化合物超过95%是已知化合物,新化合物发现率不到5%。邵宗泽说,作为药物的创新源头,陆地生物的新活性化合物资源面临“枯竭”态势。此外,深海生物病毒及其安全性评估也具有重要的创新科研价值。因此,利用新技术从深海中开发新的生物资源、从技术和资源的源头创新研究,既是国际上新资源研究与开发的前沿方向,也是各海洋强国进军深海的重要关切。

深海微生物资源包括物种资源、基因资源和产物资源,是社会发展的重要战略资源。目前,我国深海微生物资源在深海低温酶、高温酶、防生物附着、生物多糖、生物修复、生物农药、生物冶金、新型生物活性物质等方面的应用已取得长足进展。巨大的潜在商业价值将引领深海微生物资源的研究开发活动,并带来难以估量的社会效益。

近20年来,我国积极推动深海微生物资源的应用潜力评价,获得了在新药创制、工业制造、绿色农业、生物环保、生物能源等方面有重要应用价值的菌种、基因、酶和化合物,并实现了资源共享,推动了深海微生物知识产权保护,快速提升了我国深海微生物专利的拥有量。财政部大洋专项成果统计显示, “十二五”期间申请专利90项, 已获得授权68项; “十三五”期间,已申请专利64项。“十二五”和“十三五”期间发表研究论文400多篇。此外,在深海生物取样、实验室分离培养等部分技术、装备领域也取得了较大进展。

深耕微生物科研沃土 

在海洋三所,有一个独特的微生物“宝库”——中国海洋微生物菌种资源库,堪称世界藏量最大、种类最多。截至2019年,资源库保藏了3000余份大洋生物样品、2.6万株海洋微生物菌种,并面向全国开放共享。到2019年底,中心共为300多家高等院校、科研单位、医院、政府部门及企业提供了菌种资源15000余株/次共享服务,为我国深海微生物研究与开发提供重要的支撑。

这只是我国海洋微生物资源科研平台建设的一个缩影。中国大洋生物基因研发基地、国家海洋微生物资源平台、海洋药源生物种质资源库、中国大洋样品馆生物样品馆……一系列用于海洋生物资源保藏和开发的设施平台相继在海洋三所建成,一大批具有自主知识产权和广阔市场前景的海洋科技成果,在经济社会发展中日益展现出无限的魅力。

海洋三所自1998年开展深海微生物研究以来,培育了一支从事深海生物及其遗传资源研究开发的科研团队,逐渐将原本荒芜的深海生物资源研究“处女地”,变为了我国海洋科技研发的“沃土”,在极端微生物资源获取、极端酶研究、活性物质筛选和微生物多样性分析等方面取得了重要进展。

随着蛟龙号、“海龙”号和“潜龙”号等深海装备的发展,我国大洋调查获取深海生物样品的可靠性和准确性显著提升。科学家们多次搭乘蛟龙号载人潜水器抵达太平洋海山、马里亚纳海沟、深海热液区等区域进行海底观测和生物采样,为研究深海生态系统、生物多样性与资源获取等提供了重要样品。

成果转化建“奇功” 

近年来,海洋三所系统开展了深海微生物资源的应用潜力评估,获得了一批深海生物基因资源专利,在医药、环保、工业、农业等领域展现了良好的应用前景,并建立了海洋微生物发酵与下游开发中试平台。多项研究成果已经完成应用示范,并同国内企业实现了产业化对接,部分实现了产业化应用。

随着海洋石油勘探与运输活动日益频繁,石油污染检测与治理成为海洋环境保护的重要内容。“生物修复技术是利用微生物的代谢作用将油污染物彻底分解、矿化,是环境污染治理的国际发展趋势。”邵宗泽说。

2003年,邵宗泽带领团队开启对深海微生物烃降解菌的探究。十几年间,从近海、深海、大洋到极地环境,他们在各类海洋环境中采样、分析烃类降解菌的多样性分布特征,利用海洋中的嗜油微生物,最终研发出了石油高效降解菌株。该成果成功应用于厦门观音山海域曾被石油污染的沙滩生态修复工程,取得了良好修复效果。

地处重庆东南边陲的酉阳县花田乡是远近闻名的“贡米之乡”。当地出产的贡米获得国家地理标志和有机双认证。但当地气温较低,土壤中的微生物对农家肥的分解效率较低,严重限制了有机水稻的产量。如何在符合有机标准的前提下,实现水稻增产,提高抗病虫害能力?最终,由海洋三所研发的海藻寡糖生物肥为花田乡提供了解决方案。使用这种肥料,不仅大幅提高了产量,而且进一步提升了稻米的品质。

“我们所用的是一种以龙须菜为原料、利用微生物进行酶解发酵制备的海藻寡糖生物肥。”海洋三所研究员曾润颖告诉记者,“这种肥料中的主要成分——海藻寡糖在生产过程中没有使用传统的化学方法,绿色无污染,产物稳定,能有效被农作物,以及土壤中的微生物等利用,从而提高农作物产量,增强农作物抗病虫害的能力。”目前这种肥料已在重庆、福建、四川、广西、海南等地广泛应用。

就在前不久,曾润颖团队的《一种龙须菜琼胶寡糖及其制备方法与应用》专利成果转化为“抗疫产品”,这也是该项成果成功转化的第9款产品。这是一款抑菌润护免洗洗手露,它有效发挥了琼胶寡糖的成膜、保湿特性,在抑菌的同时,为皮肤额外提供了一层保护膜,增强了防护、养护的效果。这为即将建成的年产吨级琼胶寡糖生产线提供了一种新的使用场景。该产品目前已进行中试生产,各项指标经内部检测全部合格,并开始产品备案。

“曾经鲜为人知的深海生物研究,由于诸多成果的应用,如今已经成为广受关注的热点话题。”曾润颖表示,随着海洋科技水平的不断提升,深海微生物研究必将涌现出越来越多的实用化成果,为改善人们生产生活作出更大贡献。

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