1.5 极地的微生物

低温酷寒、冰雪覆盖是南北极的普遍环境特征，而高盐度、强辐射、寡营养则增加了极地气候环境的多样性，导致了极地微生物在漫长的进化过程中演化出一系列的生物结构和功能来适应这种特殊的极端环境。随着冰下原位探测和微生物取样分析手段技术的不断提高，近些年科学家们已经在极地海水、海冰、沉积物、冻土、苔原、冰芯、岩石中发现了种属各异的极地微生物，其中包括大量的嗜冷和耐冷微生物。作为地球上最寒冷的环境之一，极地环境和海水温度最低可达－35℃，在这种生存环境下，极地微生物不但具有独特的物种多样性，还演化出了应对极端恶劣环境的生存机制，因此极地微生物成为 21 世纪最前沿和火热的科学研究命题之一。

极地环境的低温降低了生化反应速率，对溶质的运输和扩散产生负面影响，并导致了冰的形成和渗透应激。为应对极性应激条件，微生物利用不饱和脂肪酸、冷休克蛋白、色素和多糖等保护策略应对生存问题。Lauritano等发现极地细菌通过调节不饱和脂肪酸的种类和数量，以维持细胞膜的流动性；同时，极地细菌能够上调冷应激反应基因并合成冷活性蛋白质／酶。革兰氏阳性菌中的肽聚糖增厚也有助于避免细胞破裂和渗透失衡；冷适应细菌会产生多糖等物质来降低细胞质渗透压和减少水分散失。

微生物多糖在微生物适应寒冷环境中起重要作用，它不仅是微生物的能量来源和支持性组织结构，也参与细胞内多种生化反应。Koo等研究发现，南极湖泊和土壤微生物群落具有相同的寒冷应激反应，包括胞外多糖基因激活和冷诱导蛋白的产生，这使得它们能够在极端条件下生存。Huan等提出来自北冰洋的Mesonia algae是一种嗜盐嗜冷微生物，其大量细胞外多糖的合成和各种细胞外蛋白酶家族的分泌使得Mesonia algae具备抗寒能力。生物膜形成、共生、结合、孢子形成等活动为细菌生存在地球上最寒冷、最干燥的大陆提供可能性。总而言之，多糖物质能够保持细胞的正常生理活动，而极地微生物的进化机制可能更加保守，非常有利于开展多糖合成机制的深入研究。

1.5.1 极地微生物在低温环境的自我防护

在极地的各个环境中广泛存在着不同种属的微生物，这些微生物大多数能以独特的生理和遗传机制应对极端酷寒的气候环境，称为嗜冷或耐冷微生物。作为地球上最寒冷的区域之一，极地海冰的温度在－50～0℃之间波动。海冰的冰晶之间布满了大小各异的盐水通道，形成了温度、盐度和营养物质浓度急剧变化的环境，尤其是温度和盐度，从寒冷的海冰表层到海水底层逐渐下降。在这样的环境中，大量的嗜冷或耐冷微生物却可以正常生长和代谢。研究发现在冰川环境中，革兰氏阳性菌的比例高达 60％以上。由肽聚糖和磷壁酸组构成的复杂细胞壁为革兰氏阳性菌提供了低温冰冻状态下的生存条件。另外革兰氏阳性菌可以在低温酷寒的恶劣环境中形成孢子，或者直接以休眠的方式进行自我防护，渡过难关。从南北极地区分离得到的假交替单胞菌通过分泌各种生物活性物质应对极地恶劣气候环境。基因组分析结果显示南极地区的假交替单胞菌TAC125 出现密码子选择性偏误，在表型上通过天冬酰胺的环化和脱氨基作用对抗蛋白质老化，对抗给细胞带来刺激和压力的活性氧ROS。假交替单胞菌在基因簇内有着可变性极高的关于生物活性物质合成的操纵子，可以分泌产生耐低温的广谱性抗菌活性物质以应对极地低温气候。在极地的极端酷寒环境中，微生物还要面临一个更为艰难的处境，就是细胞的冻融循环。细胞里含有大量水分，当遇到低温环境时就会结冰形成冰晶，冰晶会严重破坏细胞的结构，动物细胞在结冰融化后无法恢复活性的主要原因就是冰晶破坏了细胞结构。但是极地微生物进化出了多种策略应对冻融循环，例如细胞内含有甘氨酸、甜菜碱、海藻糖等多种兼容性溶质，在细胞结晶时降低渗透压对抗细胞失水，从而保护细胞免受冰晶破坏。还有很多极地微生物能够分泌抗冻蛋白和功能性多糖进行自我防护，从而应对低温酷寒的气候环境。

1.5.2 极地微生物分泌的冰结构蛋白

南北极的嗜冷微生物和耐冷微生物备受研究人员的关注，不仅因为它们在极地生态系统中作为初级生产者为群落中其他动物提供食物，还因为它们能够降解和氧化海冰下沉积的矿物质。对极地微生物进一步研究发现，它们能够分泌独特的冰结构蛋白，用以对抗极端酷寒的气候及冻融循环对细胞结构的致命损伤。冰结构蛋白属于多肽类蛋白质，包括抗冻蛋白和冰核蛋白。

抗冻蛋白是一种能改变冰晶生长形态且抑制冰晶生长的多肽蛋白质。第一次在微生物中发现抗冻蛋白是 1993 年，在嗜冷微球菌和红串红球菌中分离得到，但直到现在也没有将其分子结构表征出来。后来又从加拿大北极地区的恶臭假单胞菌中分离得到了一种糖蛋白结构的抗冻蛋白，这些多肽类蛋白质的分子量大多在 25～34 kDa。研究者们认为抗冻蛋白依靠一种吸附-抑制机制结合到小冰晶上，进而抑制细胞结晶和冰晶的生长。与汽车抗冻剂乙二醇不同，抗冻蛋白不是按照依数性起作用，它降低冰点与浓度高低没有直接关系，少量的抗冻蛋白就能够降低细胞水溶液中冰晶的生长点温度，却对冰晶熔点温度的影响非常小，且对渗透压的影响也很小。水溶液中冰晶的熔点温度和冰点温度之间产生差异的现象称为热滞后现象，极地微生物的抗冻蛋白结合到细胞的冰晶上能够引发热滞后和抑制冰晶生长，从而在极地酷寒环境中有效自我防护，以正常生长和繁殖。抗冻蛋白特殊的生理功能归因于它们在特定的冰晶表面上的结合能力，早期研究者认为它们是通过范德华力与冰晶表面结合的，近年来的研究结果显示疏水作用才应该是主要的结合原因。极地微生物分泌的抗冻蛋白在生物医药、冷冻食品、农业、养殖业等多个领域都有广阔的应用前景。比如抗冻蛋白可以强化医学中组织和血液的保存效果，还可以延长冷冻食品的保质期，还能够在严寒地区提高农作物或渔业的收成，对于人类开发极地微生物的生物活性物质具有重大的意义。不同的抗冻蛋白见表 1-1。

冰核蛋白是一种附着于细胞膜上的糖脂蛋白复合物，广泛存在于耐低温微生物及其他生物的细胞中。首次发现冰核蛋白是 1972 年，是从腐烂的植物叶片中分离得到的丁香假单胞菌中产生的。冰核蛋白最大的作用就是诱导形成冰晶凝结核物质，而冰核作为晶核可以凝结水分子，调节水分子按照一定顺序整齐排列，进而诱发结冰现象。极地微生物为何会在漫长的岁月中进化出调控结冰的蛋白质呢？实际上，冰核蛋白的产生本质上是一种抗冻手段，主要用来对抗冻融现象，因为冻融将带走细胞内大量的热量，且会严重破坏细胞结构。冰核蛋白的肽链较短，只有几十个氨基酸，但多个蛋白聚合在一起可以形成一种冰核活性很强的蛋白复合物。不同微生物的冰核蛋白有相似的一级结构，包括中心高度重复的 48 个氨基酸肽链，与细胞膜结合的球形、疏水N-端结构域，以及高度亲水的C-端结构域。冰核蛋白通过这种分子结构捕获水分子并以 48个氨基酸的肽链为模板来产生冰胚，从而形成规则、细小的冰晶。冰核蛋白在多个领域具有广泛的应用潜力。在食品工业领域，冰核蛋白可以提高冷冻食品的过冷点，使待处理的食品在较高的温度下就能发生冻结，从而缩短冷冻时间，节约大量能源。在农业领域，可以利用冰核蛋白杀灭农作物害虫，既不污染环境，也不会影响农作物的品质。冰核蛋白还可以在人工降雪、滑雪场等领域进行应用，不仅能够提高人造雪的质量，延长雪的寿命，还能够节约能源，保护环境免受污染。冰核蛋白的功能如图 1-1 所示。

1.5.3 极地微生物在强紫外辐射环境的自我防护

1985 年科学家在南极上空发现由大气污染导致的臭氧层空洞，后来臭氧层破坏连年加剧，南极和北极上空均出现了臭氧层空洞。由于极地的紫外线辐射水平本来就高于地球上其他区域，臭氧层的严重破坏更是将直接影响到极地生态系统。与其他真核生物相比，微生物的细胞小、比表面积大，DNA在细胞中占的比重高，因此更容易受到紫外辐射的伤害。紫外辐射会诱变微生物的DNA进而抑制其生长，同时降低微生物的新陈代谢和生理活性。其中波长为 280～320 nm的中紫外波UA-B最为引人关注，它会对微生物的DNA直接造成损伤，导致环丁烷嘧啶二聚体和 6-4 嘧啶酮的生成。但是极地微生物可以通过多种方式针对紫外辐射进行自我防护。有的微生物可以合成抗紫外线物质来吸收过多的紫外线，从而减轻对细胞的损害；有的微生物具有DNA损伤的修复机制，可以通过光裂合酶、转移酶和氧化脱烷基酶等功能酶直接切除损坏的碱基；还有的微生物可以通过提高氧化还原酶NAD（P）H的活性来增强自身的抗氧化性，从而抵御极地的强紫外辐射。这些功能性酶在人类生物医药及民生健康领域均有着巨大的开发潜能。

1.5.4 极地微生物对服役材料的影响

微生物腐蚀是对极地服役材料破坏较为严重的一种腐蚀形式。由于微生物具有生命活性，其对材料的腐蚀过程和腐蚀机制是动态的、不可逆的，结合其他腐蚀因素，往往会造成较为严重的后果，带来一系列的安全隐患和经济损失。例如一旦船用钢失去了涂层的防护而暴露在海水环境中，海洋微生物腐蚀就会成为腐蚀损坏的一种主要形式。近年来海洋微生物腐蚀研究已经取得了诸多突破性的进展，但由于海洋微生物具有分布广泛、数量巨大、种属多样等特点，因此其研究难度也较大。当船舶航行在海水中时，船体表面不光滑的金属材料恰好为微生物提供了附着位点，引起微生物的聚集，从而进一步造成船舶材料的腐蚀破坏。尤其是在极地环境中，极端的低温、高盐度、强辐射造就了一群极其强壮和有韧性的微生物群落，由于没有来自其他物种的竞争，很多种属的微生物能够快速生长繁殖。极地微生物为了生存，发展出了一整套适应机制来应对极端环境所造成的损害，包括增加细胞内抗冻蛋白、可溶性多糖及酶分子的含量，以及分泌具有腐蚀性质的色素物质来抵御严寒的环境。极地微生物所具有的新颖性、独特性与多样性，使其在科学研究、应用开发等方面具有重要价值。但是国内外关于极地微生物对金属材料的腐蚀机制研究尚处于起步阶段，这些极地极端环境下的微生物及产生的特殊胞外分泌物会对船用钢的腐蚀及后续的摩擦磨损造成怎样的影响还未可知，因此急需开展相关的研究工作，积累研究成果和科学数据。

近年来关于微生物对金属材料腐蚀机制的研究主要聚焦于其胞外分泌物，尤其是胞外多糖对材料腐蚀的影响。新喀里多尼亚弧菌产生的胞外多糖可有效防止碳钢在人造海水和酸性介质中的腐蚀，其抑制作用随着多糖的浓度增加而增加；Guo等发现解脂假交替单胞菌纤维素过量分泌突变株△17125 有利于生物矿化膜的形成，能有效抑制金属腐蚀；而突变株△bcs由于缺乏纤维素多糖，无法形成生物矿化膜，从而无法抑制金属的腐蚀，这说明细菌纤维素在生物膜形成和生物矿化过程中起重要作用。而某些多糖可能促进金属材料表面腐蚀的发生。脂多糖能够和钛发生相互作用，改变其耐腐蚀性，造成腐蚀；硫酸盐还原菌等革兰氏阴性菌外膜中的脂多糖能与亚铁离子（Fe ^2＋ ）发生特异反应，加速钢材表面的腐蚀。细胞表面产生荚膜多糖，有助于细胞的黏附、减毒和逃逸，猜测产生荚膜多糖的细菌能够在复杂的海水环境中维持自身的生存，促进细菌与金属基质的黏附，提高菌落形成的效率。硫酸盐还原菌和铁氧化细菌由于多糖的作用会加速金属的腐蚀，推测其原因是碳水化合物中阴离子基团螯合金属的能力增加，促使腐蚀发生。此外，革兰氏阳性菌等嗜盐产硫细菌通过代谢多糖物质产生硫化物和醋酸盐，会对管道的基础设施造成点蚀。多糖、EPS、生物膜关系链逐级累加，其对金属材料的腐蚀也逐渐复杂。不同细菌形成的生物膜特征有所改变。枯草芽孢杆菌和解脂假单胞菌的生物膜分别抑制和促进低合金钢的腐蚀，前者致密且疏水，对于金属材料具有保护作用；后者松散且亲水，容易引起金属材料的点蚀现象。而上文中提到生物膜形成的前提是EPS的合成，EPS在金属腐蚀中的作用取决于官能团与金属离子相互作用的程度和组分参加电子转移的能力。随着国家南北极开发战略的推进，破冰船和极地科考站的研究日益重要，这些海洋设备的材料对于极低温下耐腐蚀性提出了更高的要求，因此，极地微生物产生的多糖对金属材料的腐蚀研究是重要的研究方向。

温度是影响多糖的分泌和活性的重要因素，作者团队研究发现叶氏假交替单胞菌在 4℃与 20℃的总糖含量分别 5.67 mg／g与 3.27 mg／g，证明低温环境确实促进了极地微生物多糖的分泌。而多糖总量的提高可以有效抑制金属材料的腐蚀。Hassan等研究发现多糖对于金属材料表面腐蚀的作用受温度影响比较明显，果胶酸盐作为一种水溶性天然多糖对于金属铝的腐蚀具有抑制作用，而其抑制效率随着温度的升高而降低，说明在低温条件下多糖能够更大程度地抑制金属表面腐蚀。极地微生物为保证生存，低温下多糖分泌量增加，大大提高了生物膜的形成速度。极地微生物的多糖含量一般较高，例如，来自南极的掷孢酵母的胞外多糖最大产量为 5.64 g／L，加之上文中我们提到极地微生物多糖的结构也发生一定改变，故我们推测极地微生物分泌多糖对于金属材料的腐蚀会有比较明显的作用，目前Toshkova等利用南极链霉菌分离出链霉菌杂多糖，其对于生物体炎症反应有比较好的效果，是良好的免疫调节生物活性物质。Hao等也提出来自南极的假交替单胞菌的胞外多糖EPS-II是一种能够降低早期炎症的天然减毒剂。目前极地微生物多糖的腐蚀研究相对欠缺，但是极地微生物多糖对金属材料腐蚀意义重大。该领域的研究可以丰富现有的微生物腐蚀机制、开发绿色缓蚀剂、提高极地微生物资源的利用率等（图 1-2）。微生物多糖、生物膜、金属材料腐蚀三者构成沙漏状关系，不同种微生物多糖通过生物膜作为连接点，促进或抑制金属材料表面的腐蚀，在此基础上，进一步探索极地微生物多糖的腐蚀机制对于未来极地服役材料的耐腐蚀性研究十分重要。