海洋微生物資源的應用進展研究

郝亞南

(河北科技大學生物科學與工程學院,河北 石家莊 050018)

1 引言

海洋中蘊藏著巨大的微生物資源。據估計,海洋微生物數量可達0.1～2.0億種。迄今為止,人類發現的微生物大約有150萬種,除了7.2萬種存在于陸地外,其余都存在于海洋之中,而目前所研究和鑒別過的海洋微生物還占不到海洋微生物總量的5%。如此可見海洋微生物資源尚有待開發。

2 海洋微生物在醫藥學方面的應用

2.1 抗腫瘤生物活性物質研究

癌癥,一直威脅著人類的健康,抗癌藥物的研究已成為世界人民關注的焦點。科學家預言,最有前途的抗癌藥物將來自海洋。從海洋細菌、放線菌、絲狀真菌中都能提取到具有抗癌作用的生物活性物質。如來自海洋污泥的芽孢桿菌(PhM 2PhD2090)發酵液中分離到新isocoumarin化合PM294128(8),能抑制DNA及蛋白質合成,對多種腫瘤細胞均具有明顯的細胞毒性。杜希萍等對福建海域的7株海洋真菌(4株紅樹真菌和3株海藻共附生真菌)的次級代謝產物進行了研究,從其發酵產物中分離鑒定了61個化合物,對其中部化合物的生物活性進行了檢測,發現新化合物 D23、D28、B3和已知化合物B1的抗腫瘤活性很強,并且B1和B3在一定濃度下能誘導Hela細胞發生顯著凋亡,具有潛在的應用前景。

2.2 抗氧化生物活性物質研究

近年來,隨著海洋生物研究的深入開發和研究技術的提高,不斷從海洋生物中發現一些具有抗氧化活性的化合物。海洋生物抗氧化物質可通過各種途徑清除內源性和外源性自由基,具有抗氧化作用強、種類多、結構復雜、副作用低等特點。這些抗氧化活性物質主要是通過清除自由基或阻斷自由基產生或將已經形成的自由基逆轉為原來的生物大分子而體現活性。采用化學發光法對81株分離自深海沉積物的真菌和93株紅樹林的內生真菌進行抗氧化活性物質的篩選,結果表明：供測菌株中有7株深海真菌和1株紅樹林內生真菌對于活性氧具有抑制作用,這也許是海洋真菌,為適應有氧的培養環境,對抗氧化損傷而采取的一種自我保護途徑,海洋真菌具有生產新型抗氧化活性物質的潛力,值得進一步研究。

2.3 抗細菌抗病毒活性物質的研究

首先在抗菌抗病毒類藥物的開發和應用方面,它是陸棲微生物藥物研究開發的延續和擴展。海洋細菌、放線菌、真菌、海洋藻類中都能提取到抗菌抗病毒的活性物質。Burkholder等從海洋含溴假單胞菌(Pseudomonas bromoutilis)中分離到抗生素硝吡咯菌素pyrolnitrin,掀開了海洋微生物活性物質研究的序幕,隨后有多種海洋微生物所產生的抗生素被發現。2009年E.Dilipde Silva從新澤西海域分離的真菌Penicillium sp.的代謝產物中分離到化合物PF 1140和Akanthomyc in,前者對枯草桿菌和白色念球菌有抗性,后者對金黃色葡萄球菌具有活性。Custalson等從海洋細菌中分離得到的大環內酯類化合物具有抗病毒、抗腫瘤及細胞毒性。

2.4 抗心腦血管疾病等方面活性物質的研究

現已證明,β290063可以顯著抑制人類和大鼠的內皮素轉化酶,這種抑制劑可能用于高血壓和血管病的防治。以DHA和EPA為代表的高不飽和脂肪酸(PUFA)具有抗血栓、降血脂和舒張血管等功能,海洋微生物富含高不飽和脂肪酸的主要是微藻中的金藻、甲藻、隱藻和硅藻,以及真菌中的破囊壺菌和裂殖壺菌。利用微生物生產DHA在國內還是一個嶄新的領域,國外有數家公司已經進行了工業化生產,如美國的Martek公司利用Cryp thecodinium異養培養生產DHA,產量達到1.2 g/(L od-1),藻體生物量達到40 g/L的高密度。現在人們正致力于研究與DHA合成有關的代謝。克隆相關的酶的基因,然后轉入易培養的微生物,來獲得大量DHA。同時,不斷改進微生物的培養方式,增加單位體積的數量,才能使利用微生物大規模生產DHA真正得以實現。

2.5 抗炎活性物質的研究

炎癥介質參與了許多疾病的發病過程,目前,臨床應用較為廣泛的抗炎藥物主要為非甾體類抗炎藥物。然而非甾體類抗炎藥物由于抑制COX-1的合成,具有胃腸道毒性。所以尋找副作用少的抗炎藥物顯得尤為重要。中國學者從圣地亞哥附近海域采集的細菌中分離得到3個新的具有生物活性的代謝物cyclomarinA,B,C,其均為環七肽類化合物。體內體外實驗顯示,cyclomarin A具有顯著的抗炎活性,在佛波脂(PMA)誘導的大鼠耳部水腫測定實驗中,以標準測試劑量50mg/ear,cyclomarin A對水腫有92%的抑制性,相同方法下,cyclomarin A顯示有較強的體內活性(以30mg/kg為給藥劑量,腹腔內注射,對水腫有45%的抑制性)顯示cyclomarins具有潛在的抗炎藥物應用前景。中科院上海有機所的研究人員對cyclomarin C進行了合成的研究。目前已經進入臨床前研究階段。

3 海洋微生物在環境污染與治理方面的應用

3.1 海洋微生物在治理赤潮方面的應用

韓國科學家于1996年首次在海洋中發現可以用來治理赤潮的微生物,并在國際學術會議上將它命名為哈赫拉,對其基因組測序分析后發現,它能產生可清除赤潮的靈菌紅素。將靈菌紅素撒在赤潮中,只需要1/109的濃度,1h后就能導致赤潮的浮游生物大部分殺死。目前,對于赤潮災害生物修復的研究主要包括2個方面：在赤潮藻藻體及其爆發的海區分離能夠抑制其生長的微生物,分離抑藻物質,闡明其抑藻機理;克隆微生物中與抑藻物質相關的基因,通過基因工程構建海洋抑藻工程菌,進行大量生產。

3.2 海洋微生物在治理石油污染中的應用

近年來,隨著海上油運及海洋石油開采的發展,溢油事故頻頻發生.石油污染已成為一個世界性的污染問題。采用海洋微生物修不但能有效的清除海洋石油污染,而且費用低,最重要的是不會影響海洋環境中原有的生物多樣性。實驗表明,A-11-3對烷烴的降解范圍較寬,能以C8～ C36的烷烴為唯一碳源和能源生長;在7d內該菌對柴油的降解率達到49.5%。

3.3 海洋微生物在降解有機磷農藥方面的應用

甲胺磷(methamidophos,MAP),化學名稱為O,S-二甲基硫代磷酰胺,是一種高效、內吸、觸殺、低殘留、廣譜性有機磷殺蟲劑,施用于農田中的殺蟲劑,僅有1%作用于靶標,30%殘留于植物,其余的則進入土壤和包括淺層地下水在內的江河湖海等水系,大量未經吸收利用的農藥隨降雨等地表徑流進入海洋水體中,造成近岸海水有機磷污染。金等從被有機磷污染的海水樣中分離,經過以有機磷為唯一碳源的反復馴化,分離篩選出一株高效降解甲胺磷的菌株M-1,并對其降解能力進行了測試,實驗結果表明菌株M-1屬于臘樣芽胞桿菌。菌株M-1最適生長溫度和p H 分別為25℃°和8.0,并得出結論海洋微生物在甲胺磷污染的海水養殖區自凈中起著重要的作用。對M-1產生的有機磷降解酶進行分離純化及酶學性質研究,補充現有的有機磷降解微生物的種子庫,為海洋微生物有機磷降解酶的進一步研究應用奠定了基礎。

3.4 海洋微生物在天然水合物勘察與識別以及在油氣勘查中的應用

精細的海洋微生物識別技術對于海洋天然氣水合物復雜的成藏系統有著非常重要的作用。從2009年在德國召開的IODP大會INVEST會議白皮書可知,海洋深部生物圈的研究仍將是未來新國際大洋鉆探計劃中的一個重要研究領域。其中有一個重要的方面涉及水合物與微生物研究,即微生物在天然氣水合物形成和分布及其分解和成礦乃至氣候變化等方面的作用。微生物與天然氣水合物的主要關系表現在兩個方面：提供生物成因來源氣體;對水合物或甲烷進行分解。

3.5 海洋微生物在源生物農藥方面的應用

現代農業發展與人類健康、生態環境保護和農業可持續發展緊密聯系,而高效生物農藥的研究則成為新型農藥研究的熱點。隨著陸生生物資源的減少,人們開始把目光轉向海洋生物系統。國內外關于從海洋微生物代謝產物中分理處活性物質的報道越來越多。其中許多海洋生物代謝產物具有殺滅害蟲、除雜草、抗農林業病原菌等多種作用,可用于生物農藥的開發。

3.6 海洋微生物在其它方面的應用

水養殖、食品、飼料、醫藥、洗滌清潔劑,化妝海洋微生物的代謝產物活性肽和蛋白在海品,紡織等眾多領域,也有及其重要的作用。例如開發海洋抗菌肽,不僅可以提高水產養殖生物的抗病能力,而且有望使抗菌肽替代抗生素作為一種無毒副、無殘留、無致細菌耐藥性的環保型制劑,從而推動綠色養殖業的發展。海洋生物活性酶作為海洋細菌的代謝產物,在食品,飼料,醫藥,洗滌清潔劑,化妝品等行業有著廣泛的應用前景。

[1]鄭明剛,劉 峰,王 玲,等.海洋微生物資源的開發與應用研究[J].海洋開發與管理,2010,27(9)：161～162.

[2]劉春亮,焦吉祥.抗腫瘤海洋生物的研究進展[J].安徽醫藥,2009,13(10)：37～ 38.