張偲（中國科學院南海海洋研究所，510301）

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藍色經(jīng)濟的綠色發(fā)展，海洋微生物技術可先行

張偲
（中國科學院南海海洋研究所，510301）

張偲 海南文昌人，海洋生態(tài)工程專家，中國工程院院士?，F(xiàn)任中國科學院南海海洋研究所所長。主要研究方向為熱帶海洋微生物多樣性的觀測、認知和利用。

人類文明從農業(yè)經(jīng)濟、工業(yè)經(jīng)濟跨越到了信息經(jīng)濟時代，并將迎來生物經(jīng)濟時代，從而開創(chuàng)綠色未來。綠色發(fā)展是海洋藍色經(jīng)濟的必然趨勢，海洋生物經(jīng)濟必然是生物經(jīng)濟的主體，海洋微生物技術必然是先行者。占地球表面積71%的海洋，蘊藏著巨大的資源。隨著陸地資源的日益緊缺，對海洋資源的開發(fā)利用成為解決人類生存和可持續(xù)發(fā)展的重要出路。

浩瀚的海洋具有與陸地截然不同的生態(tài)環(huán)境，為眾多奇妙獨特的生物提供了棲息地。至今已描述的海洋動植物約20萬種，科學家們估計至少仍有75萬個物種尚未描述。以多樣性的海洋生物資源為基礎，在生物技術的強勁推動下，海洋生物經(jīng)濟已成為現(xiàn)代藍色經(jīng)濟的戰(zhàn)略性產業(yè)。20世紀90年代開始，美、日、英、法、俄等沿海國家分別推出了“海洋生物技術計劃”“海洋藍寶石計劃”“海洋生物開發(fā)計劃”等，著力發(fā)展海洋生物技術。目前，海洋生物資源的高效、深層次開發(fā)利用已形成了激烈的國際競爭態(tài)勢，各國紛紛瞄準前沿技術，搶占科技競爭制高點。

我國位于太平洋西岸，瀕臨黃海、渤海、東海、南海及臺灣以東海域，跨越溫帶、亞熱帶和熱帶。大陸海岸線長達1.8萬km，位居世界第四，管轄的海域面積約300萬km2。雖然我國是世界上利用海洋最早的國家，鄭和七下“西洋”的壯舉也遠遠超過當時的西方；然而由于錯失發(fā)展時機，我國的海洋科技和產業(yè)發(fā)展與美國、日本等海洋強國相比仍有較大差距。作為發(fā)展中的海洋大國，我國十二五規(guī)劃將海洋經(jīng)濟提到了國家戰(zhàn)略高度，并在《生物產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出“加強海洋生物資源開發(fā)利用”。2014年，我國海洋生產總值5.99萬億元，比上年增長7.7%，占國內生產總值的9.4%，其中海洋生物經(jīng)濟增加值約占海洋產業(yè)總增加值的18.1%。

除了海洋動植物外，在海洋中存在著一類“肉眼不可見”的資源——海洋微生物。從河口到遠洋，從表層水到深海沉積物，從熱液口到海冰，微生物的身影無處不在。它們是海洋中的主要生命形式，約占海洋總生物量的90%，基于分子特征的海洋微生物種類約有10億種。微生物的物種和生理代謝多樣性遠遠大于動植物，而它們與其他生命體的相互作用也更為復雜。正因如此，微生物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演著多重“角色”——它既是海洋生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈的始端，作為初級生產者同化環(huán)境中營養(yǎng)物質，為大型生物提供營養(yǎng)；同時也是食物鏈的終端，作為分解者分化有機碎屑，成為海洋環(huán)境的清道夫，為海洋植物提供無機營養(yǎng)。地球上生態(tài)系統(tǒng)的維系以及人類生存與海洋微生物的活動息息相關。

正是由于海洋微生物特殊的生理生化及遺傳屬性，為提高海洋生物資源綜合利用水平，加快海洋生物活性物質的開發(fā)，發(fā)展工業(yè)用酶、醫(yī)用功能材料、創(chuàng)新藥物、生物新材料、生物化工、綠色農用生物制劑等海洋生物新產品奠定了基礎。微生物技術必然是首當其沖的先行者。

海洋藥物是世界海洋大國開發(fā)研究的熱點。海洋微生物因其產生大量結構新穎、活性顯著的代謝產物，被認為是極具開發(fā)前景和可持續(xù)性利用的新藥源。人們所熟知的頭孢菌素就來源于海洋微生物。近年來有7個海洋藥物上市，處于臨床I、II、III期的共有25個，其中確認及可能來源于微生物的有19個。研究同時表明，與海洋動植物共生的海洋微生物往往是藥效成分的真正生產者，這無疑為活性代謝產物開發(fā)開辟了一條綠色途徑。此外，通過闡明海洋微生物代謝途徑及其生物合成基因簇，充分挖掘海洋微生物作為“藥物工廠”的遺傳本質，利用組合生物合成技術、代謝工程技術和體外酶學技術來創(chuàng)造新結構和新活性的海洋微生物藥物是一個重要且活躍的發(fā)展方向。

海洋微生物往往擁有優(yōu)良特性的新穎生物酶。特別是深海、熱液或冷泉等極端環(huán)境，是嗜極微生物的棲居之地，孕育著嗜熱、嗜冷、嗜壓、嗜酸等微生物。從嗜極微生物中尋找突破傳統(tǒng)酶催化功能極限、具有良好的催化效果的極端酶是當前的研究熱點，是實現(xiàn)高效綠色工業(yè)過程的重要途徑。

海洋微生物的初生代謝產物，如糖類、脂類、蛋白質、特殊氨基酸等，往往具有顯著的生理活性，是開發(fā)海洋生物制品的物質基礎。利用海洋微生物及其代謝產物的病蟲害防治功能，開發(fā)海洋微生物源殺蟲劑、殺菌劑以及農用抗生素前景廣闊。海洋微生物漁用疫苗和微生態(tài)調節(jié)劑具有優(yōu)越的高效性和安全性，已成為國內外水產養(yǎng)殖應用研發(fā)的熱門領域，也是未來綠色養(yǎng)殖業(yè)的重要發(fā)展方向。此外，海洋微生物為仿生和納米技術提供了無限的源泉，例如基于細菌鞭毛的特征，通過工程技術構建微型馬達系統(tǒng)，可應用于靶向給藥系統(tǒng)的建立。

伴隨著經(jīng)濟發(fā)展，海洋環(huán)境承受著污染壓力，生態(tài)安全受到威脅。海洋微生物具有極強的適應環(huán)境能力和極快的繁殖速度，具備降解或生物轉化污染物的巨大潛力，已在污染物降解、生態(tài)修復等方面表現(xiàn)出了優(yōu)秀的能力，是污染環(huán)境治理的主力軍。

海洋環(huán)境中超過99%的微生物尚未能人工培養(yǎng)，因此建立非常規(guī)的海洋微生物分離培養(yǎng)技術是海洋微生物技術中的關鍵問題之一。大量新的獨特的海洋微生物遺傳信息尚需揭示，而組學技術的發(fā)展正在推動人類最大限度地開發(fā)利用未培養(yǎng)微生物的功能基因，為產出具有應用價值的基因產物奠定了基礎。

在海洋學、生物組學、病原生物及免疫學、天然產物化學、合成生物學及環(huán)境生物學等學科的前沿科學技術護航之下，海洋微生物技術將不斷拓展，必將在藍色經(jīng)濟綠色發(fā)展中大放異彩。

—— 摘自《科技導報》2016年 第4期 第1頁