【中科院期刊】冰冻圈微生物：机遇与挑战，正在促生新的生物技术产业

【研究前沿】冰冻圈微生物：机遇与挑战，正在促生新的生物技术产业

芦山雪 微生物发酵 今天

近年来，冰冻圈微生物的研究受到广泛重视。冰冻圈的低温和严酷的生存条件，选择了具有独特适应性和多样性的微生物，这些微生物是地球生命系统和生物多样性的独特组分。冰冻圈微生物大多为冷适应微生物；其中，有许多新微生物类群，是极其重要的物种和基因资源。嗜冷微生物是揭示生物冷适应机制的模式生物，其细胞及细胞组分在低温生物工艺上显示出巨大的应用价值。冰冻圈中也封存着一些古老的未知致病性微生物。冰冻圈是地球上对气候变化最为敏感的圈层，地球的升温正加速冰冻圈的退化和消融，冰冻圈微生物赖以生存的生境正在消失，且伴随着微生物的释放。这些微生物的释放可能是人类面临的不可预知的威胁。因此，亟待开展冰冻圈微生物调查与研究，探讨其对全球变化的响应及其适应机制。

冰冻圈有大量的未知的微生物

研究人员已经从冰冻圈中分离到大量的微生物新物种或类群，包括新的古菌、细菌和真菌。随着分子生物学技术的发展，冰冻圈微生物新种的分离和鉴定也在提速，越来越多的新种将被报道。冰冻圈的极端生存条件不仅塑造微生物的类群，也改变着微生物的代谢途径；在进化历程中，这种改变不断增加微生物的环境适应能力。微生物的新代谢产物为人类获得新的生物活性化合物提供了可能，如抗生素等。

冰冻圈的低温环境选择了生存于其中的微生物的冷适应进化——已经分离并进行研究的嗜冷微生物和耐冷微生物都是从冰冻圈获得的。其中，研究较为深入的嗜冷菌包括分离自北冰洋沉积物的 Colwellia psychrerythraea 34H、北极海冰的 Psychromonas ingrahamii、北极湖冰的 Methanococcoides burtonii DSM 6242、北极冻土的 Planococcus halocryophilus、南极土壤的 Arthrobacter sp. TAD20 和 Arthrobacterpsychrolactophilus F2 等[28]。从冰冻圈生境中也分离到了很多的耐冷霉菌和酵母菌。

嗜冷微生物的研究，使我们深入认识了微生物适应冷环境的各种机制；还为我们提供了多种低温菌、低温酶和低温蛋白，而这些菌株、酶和蛋白质已经应用到工业、农业、医疗和环境保护等各个领域，取得了巨大的经济与社会效益；一些冷适应微生物在生物能源方面也展示了良好的前景。例如，从南极冰上分离的Chlamydomonas sp. ICE-L 在 0℃ 和 5℃ 条件下积累脂的量高于 15℃ 条件下的量，在 6℃ 条件下脂类积累量达到 84 μL · L−1 [29]。南极耐冷酵母 Mrakia blollopsisSK-4 在 10℃可高效转化木质纤维素为乙醇[30]。这些嗜冷微生物和冷适应相关基因与生物技术的结合，正在促生新的生物技术产业[31]

危机与挑战

随着环境变暖，冰冻圈不断缩小，大量未知的微生物资源消失，同时也释放很多未知的有害微生物。这对人类的微生物资源开发是一个挑战，对微生物防控是一个危机。