海洋微生物研究

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海洋微生物研究范文第1篇

前言

天然产物是指动物、植物提取物、或昆虫、海洋生物及微生物体内的组成成分或其次级代谢产物的统称。主要包括蛋白质、多肽、氨基酸、各种酶、单糖、寡糖、多糖、微生物、萜类、生物碱及抗生素等多种天然存在的化学成分。抗生素是微生物在新陈代谢过程中产生的以低微浓度抑制他种微生物生长、甚至可以杀死他种微生物的化学物质。在人类预防和治疗微生物感染疾病方面具有非常重要的作用。自青霉素发现以来，利用微生物开发天然产物作为临床用药，广泛用以抗真菌、抗细菌、抗肿瘤。

1.微生物中天然产物发掘策略

微生物作为天然产物的重要来源，具备以下优势：1，资源丰富，挖掘潜力大，发现新药效率高；2，独特的骨架使得化学合成难度大；3，生长周期短，易于操作控制，工业化潜力大；4，可通过阐明的生物合成途径定向改造以提升产率及新药的衍生。然而，目前仅有总数1%的微生物被人们认知且在实验条件下可培养，这就意味着更多的微生物有待科研工作者去开发和研究。微生物中天然产物的发掘策略主要通过两种途径：传统天然产物发现策略和基于基因组的发掘策略。前者主要通过对微生物的菌种及培养条件的变化来刺激微生物产生不同的天然产物，这种策略的缺点在于具有一定的盲目性，完全为非靶向，无法预知产物的类型。后者随着基因测序技术的发展，现已成为微生物天然产物发现的主要方法，通过生物信息学分析基因组序列及控制天然产物合成的基因簇并对其进行基因水平改造以产出预期的天然产物，并阐明其生物合成途径。该策略靶向发现，高效合成，具有非常好的发展前景。

1.1 传统天然产物发掘策略

该策略主要基于活性导向、质谱导向等天然产物的传统手段分离，原理是菌种及培养基水平的变化引起次级代谢产物的变化。无需基因测序及复杂的遗传操作，该策略在发掘微生物天然产物初期取得了非常显著的成效，然而随着大量微生物资源的被开发，产物的重复分离愈发常见。目前通过该方法仍可发现一些新颖活性的天然产物。

1.1.1 新的微生物物种

微生物存在于地球的各个角落，在一些极端特殊环境中存在着嗜热、嗜冷、抗酸、耐盐碱等特殊细菌，独特的生长环境意味着不同的代谢机制产生不同于其他环境的次级代谢产物，具有发现新颖结构的潜力。

1.1.2 OSMAC筛选策略

OSMAC （one strain many compounds）策略通过改变培养基的类型、发酵条件（温度、pH值）、添加小分子等方法，以期望改变微生物的代谢方式进而产生不同的次级代谢产物。其原理是通过改变可能对微生物代谢产生影响的条件，但缺点在于盲目性较强，代谢方向无法控制，其具体原理机制无法阐明。但由于某些沉默基因簇可在特殊条件下表达或者过表达，因此OSMAC策略可筛选出用于基因组指导下的天然产物。

1.1.3 活性导向和高通量筛选

高通量筛选主要为了从大量微生物资源中筛选出具有研究意义的菌株，然而随着微生物资源的开发，大部分含量高且易获得的活性物质已被分离鉴定且其合成路径也已有较为深入的研究。针对其他含量较低、不易发现且活性较好的新成分就需要用到更加灵敏的技术。LC-MS技术及LC-NMR技术的出现可为其提供方便，前期可通过活性导向或紫外光谱技术对其粗提物进行初筛，后续利用LC-MS及LC-NMR对粗提物进行分析，并利用生物信息学网站例如GNP对其结果进行分析，并对其中活性物质进行靶向分离鉴定。该方法目的性较强，避免低含量活性物质的遗漏，近几年已取得较好的研究成果。

1.1.4 共生培养

微生物共培养是一种有效增加次级代谢产物多样性的策略。共培养条件下，微生物分泌抗生素、激素分子、分泌物之间相互影响对新化合物的产生及控制化合物合成的基因簇的代谢均有影响。

1.2 基于基因组的发掘策略

1.2.1 生物信息学分析预测产物和底物结构

生物信息学工具是分析基因组序列信息以及鉴定基因簇功能信息不可缺少的工具，经过16S rDNA测序并进行BLAST分析，Mega 软件构建进化树鉴定微生物的菌种信息，生物合成基因及基因簇分析常用工具为antiSMASH在线分析网站。通过比较目标基因簇与已知基因簇相似性，同源性较高的可预测其产物的大致结构类型，提高分离效率。分析目标基因簇可预测底物类型，可通过添加同位素标记底物追踪该基因簇合成的化合物。

1.2.2 体外重构合成

体外重构即底物与一个或者几个合成酶体外反应从而获得相应的代谢产物的方法。仅适用于相对简单的生物合成途径，不适用于多合成基因控制的复杂合成途径。

1.2.3 基因敲除与异源表达

对于那些与已知基因簇相似度较低的目标基因簇往往可能控制合成结构新颖的化合物，因此可通过基因敲除或异源表达比较其代谢谱图的差异，例如构建基因失活菌株阻断其产物的合成相同条件下与野生菌株HPLC谱图的差异，对其差异物进行追踪鉴定。而异源表达则是比较转入外源基因的宿主菌与原始菌株代谢谱图的差异。该方法仅适用于低相似性、较高表达的基因簇，不适用于沉默基因簇。

1.2.4 沉默基因簇的激活

以上策略适用于能够转录表达的生物合成基因簇代谢产物的发现，对于基因簇低表达或者不表达的情况下，则需要不同的挖掘策略。通过替换启动子，比较与原始代谢图谱的差异获得相应的代谢产物，该方法需要准确鉴定天然启动子的位置。过量表达正向调控基因或者敲除负调控基因也可能激活沉默的基因簇，次级相应的次级代谢产物的产生。真菌中沉默基因的激活可通过添加组蛋白去乙酰化酶抑制剂或DNA甲基转移酶抑制剂改变染色质构型从而激活沉默基因簇的表达。

2.生物合成途径

微生物来源的天然产物主要由聚酮合酶（polyketide synthase, PKS）和非核糖体多肽类化合物（nonribosomal peptide synthase, NRPS）以及PKS/NRPS杂合的代谢途径形成的。

2.1 PKS

PKS生物合成途径中聚酮合酶的催化过程与脂肪酸合酶的催化过程类似，目前主要分为三种类型的PKS。

2.1.1 PKS Ⅰ型

PKS Ⅰ型合酶，又称为模块式合酶，一般具有多个模块且每个模块在合成过程中不重复使用。模块中基本结构域包括：酮基合酶结构域（ketosynthase, KS），酰基转移酶结构域（acyltransferase, AT）和酰基载体蛋白结构域（acylcarrier protein, ACP），其中AT负责底物的识别，KS负责底物与上一步ACP上的聚酮链进行克莱森缩合反应，进行碳链的进一步延伸，延伸完成后转移到该步的ACP结构域，完成一轮碳链延伸。此外，该模块中可能含有其他修饰酶如：KR、ER、DH、MT等在加载到KS结构域时对碳链进行修饰。当聚酮链完成所有延伸后，硫脂酶结构域（TE）进行反应终止和产物的释放，再经过环化或修饰成为最终的代谢产物。

2.1.2 PKS Ⅱ型

PKS Ⅱ型合酶，又称为迭代式，产物多为芳香族化合物，含有多个单功能酶，是一类多功能酶复合体，每个酶在合成过程中都可以重复使用，至少包括KSα、KSβ和ACP三个功能结构域。其中KSα表现出缩合反应活性，KSβ作为链长起始因子，ACP仍为酰基载体蛋白。多由乙酰CoA作为起始单元经过重复催化形成β-酮乙基聚合链，再经过KR、芳香化酶或环化酶催化形成结构多样性的产物。目前并未发现负责将聚合链从模块上脱落的TE酶。

2.1.3 PKS Ⅲ型

该类型的研究相对较少，这类型的合酶是一种可重复利用的同源二聚体酶，在缺乏ACP的情况下直接催化泛肽辅酶A之间的脱羧缩合反应。

2.2 NRPS

非核糖体多肽类化合物的生物合成途径多以非蛋白质氨基酸为底物，经过NRPS催化形成非核糖体肽类化合物。NRPS合成酶类似PKS Ⅰ合酶催化机制，含有多个模块，每个模块含有三个基本的功能结构域：缩合结构域（C domain）、腺苷酰化结构域（A domain）和肽酰基载体蛋白结构域（PCP，又称为巯基化结构域，T domain）。A负责氨基酸底物的识别，活化并转移至PCP形成氨酰硫脂。C结构域负责将其与上游模块中PCP结构域中的肽链进行缩合形成肽键。有些模块中还含有异构化酶结构域（epimerization, E）、环化酶结构域（cyclization, Cy）和甲基化结构域（methyltransferase, MT）等对增加的氨基酸进行修饰。主要合成过程为起始氨基酸经起始模块A-PCP加载至NRPS上经过延伸模块C-A-PCP将氨基酸底物与上游PCP上的氨酰硫脂进行缩合形成肽键，最终由TE或其他结构域完成产物的解离释放，再经过环化修饰形成最终的NRP产物。

海洋微生物研究范文第2篇

摘要：深海微生物是地球生物系统的重要组成部分，深海微生物由于其在生态、资源、环境等方面的重要性，越来越受到人们的重视。本文对深海微生物研究开发的历史和进展进行概述。

关键词：深海微生物；研究；开发

Researchanddevelopmentofdeepseamicrobes

ABSTRACTDeepseamicrobesaretheimportantcomponentsofearthbiologicalsystem.Deepseamicrobeshavereceivedmoreandmoreintensiveattentionastheirimportanceintheresearchandapplicationinecology,resources,environments,andsoon.Inthisstudy,thehistoryandmainachievementsindeepseamicrobialresearchanddevelopmentswerebrieflyintroduced.

KEYWORDSDeepseamicrobes;Research;Development

深海的概念通常指1000米以下的海洋，占到海洋总面积的3/4，而其中深海沉积物覆盖了地球表层的50%以上。深海及深海沉积物中的微生物生存面临高压，低温或高温、黑暗及低营养水平等几个主要极端环境，长期以来一直被认为是一片“荒芜的沙漠”。20世纪中期，深海测量技术发现深海洋底也有高山峻岭，全世界有8万公里长的山脊蜿蜒在各个大洋，大洋中山脊的发现使人们认识到海洋环境与陆地环境的统一性。1977年美国“阿尔文”号深潜器最早在太平洋上的加拉帕戈斯群岛附近2500米的深海热液区发现了完全不依赖于光合作用而独立生存的独立生命体系。位于生命体系金字塔底部的是微生物，能直接利用深海火山口喷出的硫化物、氮化物、甲烷等低分子化合物作为食物和能源，合成各种生物大分子如蛋白质、糖等。位于金字塔上部的是一些大型生物包括长管虫、蠕虫、蛤类、贻贝类，还有蟹类、水母、藤壶等特殊的生物群落。有人将这样五彩缤纷、生机勃勃的海底生物世界称为海底“生命绿洲”。目前已经有几十个深海热液区生物体系被研究，这种依靠地球内源能量支持，在深海黑暗和高温的环境下，通过化合作用生产有机质的“黑暗食物链”的发现使人类对深海环境以及生物圈有了更进一步的了解。在目前已发现的各种极端环境中深海蕴藏着的生物资源极为丰富，其中最主要的是深海微生物，但这些微生物大部分还鲜为人知。深海环境下极端微生物的研究不仅是目前生命科学最前沿的领域之一，也是海底深部生物圈研究和海底流体活动研究重要的组成部分。该项研究将回答生命起源、生物进化、外太空生命探索等生命科学的重大问题并带动包括21世纪地球科学内的其它学科领域的重大发展。2001年美国国家科学基金(NSF)在其题为“OceanScienceattheNewMillenium”的科学发展展望报告中，将海底流体活动研究列为海洋科学今后十年最重要、最有可能取得重大突破和科学发现的前沿研究方向之一，生命科学与海底地球物理、地球化学等在上述研究中将占据重要地位。于2003年10月份开始的整合大洋钻探计划(IODP)将深部生物圈和洋底、海底列为该计划中三大科学课题之一。深海深部生物圈的发现是对“生物圈”广泛范围的进一步了解。虽然海底采集沉积柱状样已经有近80年的历史，大规模的系统研究开始于1968年的深海钻探计划。“深海钻探(DSDP，1968～1983)”、“大洋钻探(ODP，1985～2003)”和“综合大洋钻探(IODP，2003～至今)”等深海研究的三部曲，是国际地球科学历时最长、规模最大，也是成绩最为突出的合作研究计划。大洋钻探计划ODP以独特的视角为我们呈现出另外一个生命世界――掩埋在洋底沉积物中和地壳中的生物圈。在数千米深海海底存在着由微小的原核生物组成，数量极大的生物群，有人估计其生物量相当全球地表生物总量的1/10。与热液口“自养”的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地层里的有机物实行“异养”。深海大洋中生物圈的发现，让人类认识到地球生态系统的真正基础在于原核生物。正是这些原核生物多种多样的新陈代谢过程，产生了多种多样生物地球化学效果，在此基础上建立了地球的生态系统。微生物总是出现在它们能够生存的一切物理、化学、地质环境中，这似乎是一条基本规律。那些在极端环境中生长并通常需要这种极端环境正常生长的微生物被统称为极端微生物。极端环境涵盖了物理极端环境(如温度、辐射、压力、磁场、空间、时间等)、化学极端(如干燥、盐度、酸碱度、重金属浓度、氧化还原电位等)和生物极端(如营养、种群密度、生物链因素等)，海底被认为是上述极端环境中的极端。在深海环境中广泛存在着嗜酸(pH3以下)、嗜碱(pH10以上)、嗜盐(25mol/L以上)、嗜冷(可达0℃以下)、嗜热(120℃以上)、嗜压(500大气压以上)微生物。深海环境下极端生物特征的研究也为生命极限的研究提供了良好的生物材料并对外太空生命探索不断提供新的线索和依据。科学家们设想：既然在如此严酷的极端环境下微生物还能很好地生存，那么在火星上也会有生命存在。深海微生物学的建立应该追溯到上世纪70年代，美国Scripps海洋研究所Yayanos教授设计、改进高压培养罐并于1979年首先分离出深海嗜压菌，1989年Bartlett首先分离出压力调控的外膜蛋白(OmpH)。1990年日本三菱重工和三洋公司开始为日本海洋科学技术中心研制深海微生物高温/高压培养系统，1994年才完成，耗资七亿五千万日元。该系统的建设和深潜、采样系统的建设极大地推动了深海生物圈的研究进步。1995年Kato等分析了一个压力调控基因簇，1999年Nogi等从马里亚纳海沟分离、鉴定出极端嗜压菌Moritellayayanosii［1～3］；2003年日本、美国和意大利相继展开了深海嗜压菌ShewanellaviolaceaDSS12和PhotobacteriumprofundumSS9全基因组测序［4，5］；2005年3月P.profundumSS9全基因组序列及初步分析在Science上发表［6，7］。除了巨大的科学研究价值，深海微生物研究还具有极大的经济、社会价值而引起广泛的关注。深海生物处于独特的物理、化学和生态环境中，在高静水压、剧变的温度梯度、极微弱的光照条件和高浓度的有毒物质包围下，它们形成了极为特殊的生物结构、代谢机制系统。由于这种极端的环境，深海生物体内的各种活性物质，特别是酶，具有高度的温度耐受性，高度的耐酸碱性、耐盐性及很强的抗毒能力。这些特殊的生物活性物质是深海生物资源中最具应用价值的部分。除了发展、改进海洋微生物的分离培养方法获得新的海洋微生物，筛选活性物质外，应用基因组学研究方法，构建海洋微生物基因组文库，通过研究，操作海洋微生物遗传基因，来获得新的海洋微生物活性物质，这是探索海洋特别是深海微生物资源，研究开发海洋新药物的必然而有效的选择，也是目前深海微生物资源开发的热点。概括来说，深海生物在以下几个方面具有潜在的应用价值：

1工业应用

工业生产常常要求一些特殊的反应温度、酸碱度并加入一些有机溶剂，在这种条件下，普通酶无法保持活性，因此，依赖酶的工业必须花费大量资金采取特殊的工艺以保持这些酶的活性，从而大大提高了成本，而极端酶在普通酶失活的条件下仍然能保持较高的活性，所以在工业上有着广泛的的应用前景。目前已经有高温聚合酶、糖酶、淀粉酶、蛋白酶等几种极端酶开始工业化生产，并且已经创造了数十亿美元的经济效益。

2医药应用

从生物体内研制药物治疗人类的各种疾病由来已久。由于越来越多的病原菌或病毒对目前的药物产生了抗药性，并且不断产生新的疾病。因此从海洋中筛选新的生物药物成为海洋药物研究开发的方向。深海生物由于环境的独特性而成为新型特效药物、抗肿瘤、抗病毒、降压降脂等药物的来源。目前国际上在深海药物的筛选方面还未见太多报道，但是可以预料它的前景将是十分广阔的。

3环境保护

在海底，由于动物尸体聚集、火山喷发等原因造成有毒物质及硫化物等对陆地生物有害物质的浓度较高，而生存在这里的微生物能分解这些物质并以其为能源繁衍生息，因此，这些生物在清除地球表面的重金属、石油等污染物方面具有重要的应用价值。目前日本科学家已经从深海中筛选到具有较高的石油分解能力的菌株，并已开展了应用研究。从20世纪后期开始，随着深海技术能力的提高，越来越多的国家投身于深海研究的前沿领域。目前的深海载人潜器下潜深度达到6500m，无人缆控潜器ROV则可达到11000m水深，并获得最深处马里亚纳海沟深海沉积物样本，研究发现其微生物含量达到103～104/g的水平。实验室深海环境模拟也取得突破进展，已分离鉴定出嗜压、嗜碱、嗜酸、嗜盐、嗜冷、嗜热等极端微生物。目前国际上进行深海微生物研究的国家主要分布在欧洲，美洲及亚洲，其中美国、日本、德国和法国都是深海微生物研究的主力军。目前，在深海微生物的分离培养、多样性调查、功能基因研究和适应性机制研究(如深海嗜压菌的嗜压机制)等方面取得了一定的进展；各类极端微生物在工业用酶、工具酶、环境修复以及生物活性物质等方面的开发应用也有了突破，使人们看到了深海微生物开发的巨大潜力和广阔的应用前景。深海生物资源尤其是微生物资源越来越得到人类的重视。随着科学的发展进步，水下工程技术和探测技术的改进和完善，人类对深海微生物的研究和开发有了更大的空间和可能性。我国深海生物基因的系统研究起步时间较晚，从本世纪初开始主要得到了国家科技部和中国大洋专项的资助。中国大洋协会依托国家海洋局第三海洋研究所成立了中国大洋生物基因研究开发基地，研制、配备了一批船载和实验室深海微生物培养专用设备。在深海设备的支持下，真正意义的深海微生物研究得以开展。到目前为止，基础研究主要开展了深海微生物在物质循环中的作用；极端微生物分离、培养；微生物遗传、代谢研究，深海极端环境下微生物适应性机理的研究等。成功分离、鉴定出各类深海嗜压、嗜热、嗜冷、嗜盐、嗜碱、嗜酸微生物，从中发现了多个未经报道的新种。以此为基础，正在建设国内第一个深海微生物菌株资源库。克隆了多种深海极端酶基因，进行了基因表达和分析。深海微生物抗菌、抗肿瘤活性物质筛选工作也已经开展。深海耐压菌ShewanellacomraWP3已基本完成全基因组序列测定，正在开展后基因组研究。开展了深海沉积物宏基因组文库的构建，成功构建了一个深海5000米水深沉积物的cosmid基因文库，通过对克隆子的分析发现文库中微生物来源主要是一些不可培养的微生物新种，部分克隆子序列测定发现克隆子上大部分基因是新基因。目前已筛选到多个能表达生物活性物质的克隆子，正在进行序列测定。总之，深海生物研究是一个依赖于工程技术的高投入项目，我国深海生物基因资源开发利用研究的快速发展还需要更多资金和人才的不断投入。

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海洋微生物研究范文第3篇

国家重点基础领域项目部署和进展

“十一五”期间,国家“973”计划在海洋生物资源领域在资源环境领域、农业领域和重要交叉前沿领域部署项目,重点关注海水养殖中的病害生物学、基因组学和分子育种,近海生态系统安全(赤潮、水母、藻华等)和近海生态食物产出,以及海洋微生物次生代谢产物和活性物质等科学问题。这些项目关注海洋生物领域基础性科学问题的解决,促进了我国海水养殖产业的品种优化、病害防治、增产增收等产业关键问题的解决,保障了我国近海生态安全并促进近海食物产出和环境安全,为开发海洋生物活性物质进而获得海洋食品、功能食品、海洋药物提供了重要的理论基础。表1为“十一五”期间国家“973”计划海洋生物领域部分立项项目清单。国家“973”计划海洋领域项目取得了重要研究成果。例如,“重要海水养殖动物病害发生和免疫防治的基础研究”项目,由中国科学院海洋研究所等单位承担,项目聚焦于我国重要的海水养殖动物对虾和鱼类疾病产生和防治的各个环节,包括病原学、病原入侵、宿主免疫反应机制、免疫防治的途径等。通过调查主要病原的流行病学特点和感染宿主的机制,并以之为基础,对对虾和鱼类不同的免疫系统特点提出了针对性的免疫防治策略。项目申请国家发明专利56项,已获授权25项;获得国家技术发明奖二等奖2项,省部级奖8项;项目取得的原创性成果达到国际领先水平,并培养了一批在国内外颇有影响力的中青年学科带头人。“养殖贝类重要经济性状的分子解析与设计育种基础研究”和“海洋微生物次生代谢的生理生态效应及其生物合成机制”等项目,重点关注我国海洋养殖贝类、微生物等生物资源的遗传育种和活性物质开发方面的基础性科学问题,为我国海洋生物资源利用的发展提供了重要的基础。

国家高技术研究领域项目部署和进展

“十一五”期间,国家“863”计划海洋技术领域在海洋生物资源方面的研究目标是研制50个海洋创新药物与海洋生物制品等产品。部署了“抗肿瘤海洋药物的研究开发”、“抗心脑血管疾病海洋药物的研究开发”、“抗神经系统疾病海洋药物的研究开发”、“海洋生物功能基因工程产品关键技术研究”、“海洋微生物产品的中试研究”、“新型海洋生物制品研究开发”、“海洋滩涂耐盐植物开发及集成应用技术研究”等多项重点项目。部署了“海洋生物资源开发利用技术”专题项目,其中目标导向类项目4项,重点关注资源利用、病害防治、创新药物等方向;探索导向类项目43项,研究对象包括珊瑚、红树林、海藻、海绵、海蛇、海星、对虾、微生物等,通过分子生物学、基因组学、细胞生物学、发育生物学等学科技术手段,研究海洋生物资源开发利用中重要的过程和机理,研制获得海洋生物活性肽、海洋药物先导化合物等。承担单位主要分布在中国科学院相关研究所(中国科学院海洋研究所、上海药物研究所、微生物研究所、水生生物研究所、大连化学物理研究所等)、教育部高校(中国海洋大学、中山大学、北京大学、山东大学等)、国家海洋局第三海洋研究所、中国人民第二军医大学等。通过国家“863”计划重点项目和专题项目的实施,对解决海洋生物资源利用领域的动植物微生物资源现状、天然产物和活性物质开发、产品加工关键技术、系列生物制品研制等产业链的核心科学问题具有重要作用。表2为“十一五”期间国家高技术研究发展计划海洋技术领域海洋生物资源开发利用技术部分重点项目和专题项目。

国家“863”计划海洋生物领域项目取得了重要研究成果。以“新型海洋生物制品研究开发”重点项目为例,该项目以海洋生物资源为原料,结合现代生物工程及生物化工等技术,重点突破了生物酶制剂、生物材料及生物农药等生物制品的规模化生产的关键技术,获得一批具有自主知识产权的原创性成果,建立我国海洋生物制品的创新体系,建立了我国海洋生物制品产业发展作用的研发基地,提升了我国海洋生物资源的综合开发能力。

国家科技支撑领域项目部署和进展

“十一五”期间,国家科技支撑计划在海洋生物资源领域部署了“海洋食品精深加工技术研究与产业化示范”、“海洋生物毒素药源高纯度规模化关键技术研究与应用开发示范”、“西沙群岛珊瑚礁生态恢复与特色生物资源增殖利用关键技术与示范”等多项支撑计划项目。国家科技支撑计划海洋生物资源领域项目的实施,显著提升了海洋生物资源利用的研究能力和技术水平,丰富拓展了海洋生物资源产品,增强了相关企业创新能力及产品市场竞争力,进一步拉动了海洋渔业上游产业链,为我国海洋食品现代加工技术创新体系建设和海洋产业可持续发展提供了有力支撑。

国家科技支撑计划项目在海洋生物资源利用领域取得了一批重要的科技创新成果。例如,“海洋食品精深加工技术研究与产业化示范”是迄今为止海洋食品领域最大的国家科技项目,突破了大宗低值鱼类蛋白的化加工、海洋食品原料功效因子的高效制备、海藻新型综合利用技术及海洋水产品质量与安全控制等4项海洋食品加工的重大技术;开发了低温组合干燥等10项海洋食品与功能食品产业制造技术;研制了低盐鱼酱油、脱敏鲐鱼等80种新型海洋食品及营养与功能食品(基料);建立了海洋大宗低值鱼类精深加工、海洋食品生物活性物质高效制备、高品质海藻胶加工等产业化示范基地7个,中试生产线11条,产业化示范生产线32条。“海洋生物毒素药源高纯度规模化关键技术研究与应用开发示范”项目主要开展了海洋生物毒素药源高纯度、规模化重大关键共性技术的突破与攻关,攻克了海洋生物药源高纯度规模化生产过程中的高精度检测技术、全程工艺设计、示范生产线建设、新药制剂学研究、新药临床前研究等关键技术及设备选型、设备安装调试、配套设施建设、操作人员培训等工作,建成了海洋生物毒素药源高纯度规模化生产线。“西沙群岛珊瑚礁生态恢复与特色生物资源增殖利用关键技术与示范”项目主要针对西沙群岛珊瑚礁人为损毁、特色海洋生物资源破坏和珊瑚敌害长棘海星及病原微生物危害严重,亟须珊瑚礁生态恢复技术、特色海洋生物资源增殖技术和珊瑚病敌害防控技术等重大问题,开展珊瑚礁结构生态修复与造礁石珊瑚增殖、特色生物资源增殖与珊瑚病敌害防控等关键技术研究,进行珊瑚礁生态增殖恢复技术集成与应用示范,促进珊瑚礁生态系统功能的有效恢复和珊瑚礁特色生物资源的生态增殖,转变渔民生产生活方式,发展珊瑚礁生态增殖产业,促进珊瑚礁生态系统的可持续利用。目前,该项目已经运行两年并取得了重要的阶段性进展。

其他

自2007年开始,财政部会同国家海洋局和科技部启动了公益性海洋行业科研专项,该专项支持了“贝类高值化利用技术中试研究与示范”等多项海洋生物资源利用项目。国家海洋局2010年启动了海洋可再生能源专项,部署了海洋能源微藻项目,开展海洋微藻在制备能源方面的高值化利用研究与示范。国家自然科学基金委生命学部、地学部等在海洋生物活性物质开发、海洋微生物等方面部署了多项青年基金和面上项目。中国科学院“创新三期”资源环境领域在海洋生物活性物质开发、海洋微生物资源利用、海水养殖产业链构建等方面部署了一批重要方向项目(群),其中包括“海洋生物活性物质高值利用技术”和“海洋微生物活性物质及其组合物合成技术”重要方向项目,以及“重要海水养殖动物绿色产业链构建原理与关键技术”项目群和“影响我国近海生物资源变动的关键生态与环境过程”项目群。表3为“十一五”期间中国科学院海洋生物领域重要方向项目立项项目清单。

我国海洋生物资源领域科技发展的制约因素

海洋生物资源的开发利用是我国战略性新兴产业重要的突破口,极有可能成为海洋产业发展的重要经济增长点。在取得所述创新科技成果的同时,也存在一些制约该领域发展的瓶颈问题。

1理论体系不完善

当前,海洋生物领域的部分科技成果浮于表面,对基础性科学问题和重大理论突破的关注度不够,对制约行业领域发展的重大技术问题和关键设备的解决缺乏有效的方法,一些研究思路和技术方案存在“炒概念”的嫌疑,科学研究对产业的技术支撑能力薄弱。科学研究的原始创新和突破能力不足,尚存在着上游和下游分离的问题,基础研究的科学家关注高水平研究论文的发表,产品开发的技术专家专注于有市场潜力的产品开发,上游的高技术和下游的产业化之间的有机链条需要巩固和加强。

2稳定经费投入不足

近年来,我国逐步开始高度重视海洋科学的发展,海洋生物资源领域的科技投入比例也在逐年增加。但相对于我国海洋生物制品、海洋药物、海洋食品等领域的巨大科研需求和重大经济效益产出,我国在该领域的科技投入比例尚需进一步加强。大部分海洋生物领域的科学家已经摆脱了缺乏稳定的经费来源开展研究工作的窘境,但是还存在科学家到处争取不同类别项目经费进行研究的情况。需要国家自然科学基金、“973”计划、“863”计划、科技支撑计划等从科学思想的培育、重大基础科学问题解决、关键技术问题解决、产业化支撑体系等各方面给予长期稳定的支持。

3科研平台支撑能力薄弱

海洋生物利用的科学研究和产业化开发都离不开科研条件平台的支持。当前,我国在海洋生物领域的科研条件平台建设较为薄弱。目前尚无海洋生物领域的国家重点实验室,仅拥有国家海藻工程技术研究中心等为数不多的工程中心,省部级重点实验室、技术转移转化中心等平台也需要加强支持。同时,产业化开发的体制机制方面尚存在不顺畅的环节,需要政府部门、企业单位、高校、科研机构的有机集合,从理论体系建设到技术支撑能力的提升各个层面协同发展。

4人才队伍培养力度不强

当前,我国的海洋生物资源可持续利用领域的科研骨干主要来源于海洋化学、食品科学、水产品加工等传统学科的延伸,真正从事该领域的理论研究和产业化开发的科研人才队伍亟待加强。海洋生物资源可持续利用作为一门重要的交叉学科,需要大量具备海洋生物学、水产科学、食品科学、生物化学、临床医学等多学科知识背景的综合人才队伍,需要同时具备基础科研能力和较强的产业化开发能力的复合型人才,需要科研院所和高校采取有效措施不断加大综合型人才的培养力度。

5产品集成开发亟待提升

科学技术的发展最终要转化为有效的生产力才能发挥作用,海洋生物制品开发需要重大产品的开发和技术集成创新能力的提升。当前,我国食品安全问题日益突出,陆源食品的安全问题受到巨大挑战。海洋生物产品具有与生俱来的优越性,陆源食品的令人担忧的安全性和海洋食品的绿色、无污染、安全等形成了鲜明的对比,人们更愿意接受新型的海洋生物制品。但是我国生物制品开发的重大产品较少,技术集成创新能力略显不足,如何开展重大产品开发和进行技术集成研究,推广应用海洋生物制品,是摆在相关企业面前的重要考验,海洋生物制品发展机遇与挑战并存。

我国海洋生物资源领域科技发展战略对策和建议

1关注重大基础性科学问题和技术问题

基础性科技问题的提出和解决,是海洋生物资源利用科学研究的核心推动。提出和解决制约领域科技进步和产业发展的基础性科技问题,将科学技术研究和产业化开发有机结合,解决我国海洋生物产业发展中存在的瓶颈问题,提高利用的研究和技术水平,为海洋产业发展、科技成果产出、企业技术进步、市场经济发展提供强有力的科技支撑。

2加大科技投入和提高利用效率

长期稳定的科技投入,是海洋生物资源利用科学研究的力量源泉。整合利用国家层面、部委层面、研究机构层面的国家科技资源,加大经费支持力度,延长稳定支持年限。开展海洋生物利用国家科技专项研究计划,集中全国优势力量开展技术攻关研究。加强资源和数据信息整合,提高资金、设备、平台和数据等集成作用。最大限度的发挥科研经费的作用,提高科技投入资源的使用效率,促进我国海洋生物技术领域重大科技成果产出。

3重视科研条件平台建设

强有力的科研条件平台是海洋生物资源利用的科学研究的物质基础。有效整合现有海洋生物资源利用的科技平台资源,集中建设一批国家重点实验室、国家工程(技术)中心、省市级重点实验室、企业技术中心、技术转移转化中心、产业示范基地等;建立健全理论体系突破、技术路线可行、产品安全有效、市场高度认可的“官产学研——政府部门、企业单位、高校、科研机构”的有机结合机制,促进理论体系突破和技术支撑能力提升。

4引进高水平领军人才和培养中青年科研骨干

稳定的高水平人才队伍是海洋生物资源利用科学研究的根本保障。大力培养具备海洋生物学、水产科学、食品科学、生物化学、临床医学等学科基础的综合性人才,引导相关领域人员专职从事海洋生物资源可持续利用的研究。加强技术人员的培养和引进,提高海洋生物科学领域整体技术水平。注重引进国际高水平领军人才,重视培养本土领军人才,加强中青年骨干人才的稳定支持力度,培养造就具备科学研究、技术攻关和产业化开发的综合性高水平人才队伍。

5重视新型海洋生物制品的研发和宣传

市场广阔的海洋生物制品是开展海洋生物资源利用科学研究的最终出路。吸取陆源食品安全问题的经验教训,集中力量提高新型海洋生物制品的科技含量。开发重大新型海洋生物制品,重点开发深海微生物活性物质、新型海洋生物医用材料、临床肠内营养制剂、海洋生物酶制剂等国家迫切需求的科技产品,重点关注技术集成创新能力的提升。有序开展科普宣传,树立海洋生物制品的良好的市场形象,为科学技术转化为生产力提供良好的社会氛围。

海洋微生物研究范文第4篇

【关键词】红树林；生物碱；微生物；开发利用

1 红树林生态系统

1.1 红树林概况

红树林是生长在热带、亚热带近海海岸潮间带，受周期性潮水浸淹，以红树植物为主体的潮滩湿地生物群落。红树林生态系统是指以红树植物为主的常绿灌木、乔木、藤本及草本植物以及原生动物、无脊椎动物、爬行动物、鸟类、哺乳动物和微生物所形成的生态系统。红树林生态环境具有较高的生产力，同时也具有较高的分解能力，我国红树林主要分布于海南、广东、广西、福建、浙江沿海、香港、澳门及台湾等地。红树林是海洋和陆地的过渡带，兼具二者特点的同时也有自身特性，红树林土壤截留了大量的陆源有机物颗粒，含有红树落叶及其它悬浮物，营养丰富，同时具有盐度和氧气梯度。

1.2 红树林生态系统中的微生物类群

红树林土壤中含有丰富的细菌、真菌、放线菌等微生物类群，包括有降解污染物能力和海洋修复的类群，有溶磷固氮能力的类群及能产生各种生理活性物质的类群。红树林区的微生物丰度、分离率及物种多样性远高于其他非红树林环境。对广东湛江地区的红树林土壤微生物进行研究，发现红树林土壤中的微生物数量明显多于非红树环境土壤。红树林细菌对于碳氮等营养元素的循环具有重要的作用，Gina等研究了参与红树林系统物质循环的微生物，发现固氮菌、溶磷菌、光合细菌、硫酸盐还原菌及产甲烷菌较活跃。Routray等人对印度红树林的研究发现，红树林地区的氨氧化细菌、硝化细菌及反硝化细菌的数量远高于非红树林地区，表明红树林地区的物质循环更迅速。

2 生物碱

2.1 生物碱定义

生物碱广泛存在于植物、动物、微生物中的一类除蛋白质、肽类、氨基酸及维生素B以外的含氮有机化合物，大部分生物碱含有较复杂的氮杂环结构，并有各种生理活性。自古以来，人们就懂得用各种动植物作为中草药治疗各种疾病，其中大部分中草药的有效成分为生物碱类化合物。直到19世纪才提出了生物碱的概念。目前，公认生物碱应该有以下几个特点：（1）含有氮原子，具有中性或碱性；（2）不包含大分子量多肽（不包含大于1.5千道尔顿）；（3）氮原子源于嘌呤母核或甾体与萜类的氨基化；（4）除上述标准外的其他化合物。

2.2 生物碱的分类

生物碱来源各异，结构多样，分类学上很难有统一的分类标准，目前的分类方法主要有按照来源分类，按照化学结构分类。

2.2.1 按照来源分类

根据生物碱来源的不同，可分为罂粟科生物碱、木兰科生物碱、茄科生物碱、石蒜科生物碱等多种。这种分类方法相对比较概括，并不能准确反应出化学结构与用途的联系。

2.2.2 按照化学结构分类

这种分类方法是根据生物碱的化学结构进行分类，如氮原子的位置及与环的结合方式，是目前应用最多，也是相对比较合理的一种分类方法。根据化学机构，可将生物碱分为以下几类：（1）有机胺类生物碱，（2）吡咯类生物碱，（3）六元氮杂环生物碱，（4）其他结构生物碱。

2.3 生物碱的生理活性

2.3.1 抗肿瘤活性

抗肿瘤一直是医学研究的热点。研究表明，长春花类生物碱、喜树类生物碱及二萜类生物碱等具有良好的抗肿瘤活性。

2.3.2 对心血系统的作用

生物碱在这方面的活性包括抗心律失常、降压、抗凝血和降血糖等。

2.3.3 对神经系统作用

士的宁生物碱具有提高中枢神经系统的作用，能提高大脑皮质的感觉功能，且毒副作用较低。

2.3.4 抗菌作用

博洛回碱、学根碱具有广谱抑菌作用，对大肠杆菌、枯草杆菌、铜绿假单胞菌、四连球菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌等具有抑制作用。

2.3.5 其他活性

Ferreira等人从花椒中提取了生物碱，发现该生物碱可以有效杀灭小鼠克氏锥虫。汤俊从蚬壳花椒中分离到的生物碱4-甲氧基-1-2-喹诺酮具有内酰胺结构，经过活性测定，发现其可能具有抗老年痴呆症活性。庞辉等人提取了两面针中的总生物碱，经动物实验，发现两面针总生物碱对大鼠胃溃疡具有防御和治疗作用。龙德清等人对魔芋生物碱进行了开发利用，发现魔芋生物碱有利于糖尿病的治疗。

3 海洋环境中的生物碱

随着研究的不断深入，从陆生生物中发现新种类生物碱及药理活性较好的生物碱类化合物的几率越来越小，难度越来越大。于是，研究人员把目光转向了海洋环境。

海洋蕴藏有丰富的生物资源，且具有高盐、低/低温、高压、低光照等极端条件，独特的生存环境使海洋生物可能进化出特殊的代谢途径，产生独特的代谢产物。目前，已从海洋中筛选到了相当数量的活性物质，特别是从海绵、海鞘及藻类中得到了一系列具有抗肿瘤、抗病毒活性的天然生物活性物质。

从海鞘中分离到的新型海洋生物碱的具有良好的抗肿瘤活性的，细胞实验结果表明，其对乳腺癌、肺癌结肠癌等有明显抑制的作用。 四氢异哇啉生物碱Ecteinascidin 743分离自白海鞘Teinascidiaturbinata，能烷基化DNA小沟中的鸟嘌呤残基，干扰核酸能与核酸蛋白相互作用，对L1210白血病细胞和小鼠P388细胞有较强抑制作用，临床试验结果表明对软组织瘤和乳腺癌有很好的疗效。

海绵是海洋活性物质的重要来源，从中分离到的生物碱多是结构新颖，生理活性较好的化合物。Cytarabine是分离自海绵的生物碱，用于淋巴瘤和急性白血病的治疗，已于1995年批准上市。Makaluvamine 是吡咯吲哚苯醌类生物碱，具有细胞毒活性，通过抑制DNA拓扑异构酶II活性，导致DNA双链断裂，从而抑制癌细胞的生长，达到治疗结肠癌的效果。

从海洋微生物（真菌、放线菌、细菌）代谢物中分离的吲哚类生物碱，具有较好的抗肿瘤生物活性。

4 展望

红树林分布在热带和亚热带海岸，具有高分解率、高归还率和高生产力等特点。红树林土壤处于咸淡水交界的滩涂区，且交替性的受到海水浸泡，微生物在适应独特的生境时有可能产生特殊的代谢产物。红树林微生物在适应特殊环境的过程中，有可能获得特殊的代谢途径、产生特殊的代谢产物，红树林来源微生物的生物碱等次级代谢产物在抗菌、抗肿瘤、抗氧化和细胞毒性等方面也有可能发挥更大作用。

【参考文献】

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海洋微生物研究范文第5篇

【关键词】微生物群落 宏基因组 时间序列

高通量测序方法的改进使得关于各种环境下微生物群落随时间变化情况的纵向研究大大增加。这些时间序列研究可以提供对于微生物群落稳定性的独特生态见解，同时也能了解无法以其他方式获得的微生物群落应对扰动的响应。

1通过时间序列数据了解微生物

在近期的纵向研究中，大约一半的微生物群落有负斜率时间衰减曲线，也就是说，这些微生物群落间的不同随时间增加为增加。此外，微生物群落多样性随时间变化的情况与环境有关，在相同的环境下，其多样性差异不大，在不同的环境中，微生物群落多样性差异很大。例如，土壤和酿酒厂废水中微生物多样性最低，然而人类手掌和婴儿肠道的微生物多样性最高。对海洋微生物进行的长期研究表明，相对与其他因素，微生物群落中的个别成员会受到季节变化的强烈影响。同时，另一些微生物群落在定殖后会经过一系列的可预测状态，例如在牙斑的形成过程中，耐氧菌的生存为厌氧菌提供环境。在某些情况下，例如婴儿肠道菌群的定植，虽然微生物群落在初始阶段变化连续变化，但最终会稳定在类似的状态。

微生物群落往往演变成一个稳定的组合状态，这一状态会受到外界因素的变化而变化，例如抗生素或益生菌治疗会影响肠道微生物群落的组合状态。微生物彼此之间及微生物与环境之间的复杂相互作用是影响微生物生态的主要贡献者，目前探索上述关系的方法主要是网络推断技术。

2微生物时间序列网络

近期的研究提供了许多可以从时间序列数据构建共生网络的方法，从结合置换检验的相关性分析[1]到基于超几何分布的相似性评估[2]，以及分析影响类群丰度多因素的多元回归分析[3]。这些静态网络推断技术可应用于构造动态模型。例如，微生物群落的动态变化在数学上往往符合广义的Lotka-Volterra方程，其将微生物丰度的变化作为分类群生长率和微生物间相互作用强度的函数。方程中的参数可以利用对时间序列数据进行多元回归确定。

然而，上述方法忽略了时间序列提供的时间点排序和依赖性的附加信息。这些特性只能通过动态的方式加以利用。

局部相似性分析（LSA）采用动态规划算法，在最大限度上确定两个序列的相似性得分，以判断两个序列的相似关系，同时LSA还可以检测两个时间序列之间关系的滞后。例如，LSA被用于预测噬菌体和他们的宿主之间的关系。动态贝叶斯网络在模型中将每个变量的当前值作为其父变量之前时间点的函数。因此，动态贝叶斯网络可检测包括循环在内的动态相关性， 相比标准贝叶斯网络，动态贝叶斯提供了更强大的建模框架，尽管它增加了计算成本，可扩展性有限，然而在识别正确模型时其对数据的解释良好。另一组的动态网络推断技术基于交叉预测，它对如何通过同一系统内的其它时间序列预测某一的时间序列的将来这一问题进行量化，这类方法包括Granger因果关系[4]和新型聚合杂交映射。

上面提到的所有方法在推断物种相互作用时都从整个时间序列出发构造单一网络。然而，物种之间的相互作用可能随时间改变， 因此其网络结构也会随之变化。时变网络推断技术的目的就是研究变化发展的网络结构，非平稳和随时间变化的动态贝叶斯网络，可用于推断在网络结构随时间发生的变化。

3结语

在微生物时间序列分析中，时间间隔的长短会影响微生物关联关系，纵向分析中的许多方法需要短期和定期采样间隔长的时间序列，目前可用的宏基因组时间序列往往很短（几个时间点），跳空（失踪的时间点），稀疏（零富）和嘈杂，因此需要进行预处理，包括：规范，插值和去趋势，使时间点等距等方法。因此如何更好的选取取样间隔是一个需要解决的问题。网络结构对状态转换的影响的研究尚处于起步阶段。未来的研究方向是探索随时间变化的网络是否有“预警”的属性，即网络结构可以预测某种转变是否发生。

尽管面临挑战，微生物时间序列的研究已经提供了一套丰富的分析工具，有助于了解系统动力学和应对扰动，构建预测模型。应用这些强大的技术于微生物学和宏基因组学，在解决遇到的纵向时间序列和相关建模难题上时有很大的帮助。

参考文献：

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