略论新疆特殊环境微生物资源研究开发意义及建议举措

魏  东

新疆农业科学院微生物研究所  乌鲁木齐  830091

 

随着生命科学的进步和研究手段日臻现代化，近年来，在许多以前被认为是生命禁区的环境，发现了多式多样的具有极强生命力的生物。微生物学称之为极端微生物，亦可以把它们称为特殊环境微生物。这类微生物具有独特的基因类型、生理机制和代谢产物，潜藏着极大的应用价值，深入的研究和大力的开发，将导致生物技术的革新，改变生物工程的面貌。目前，极端微生物已成为国际上研究的热门领域，日本、美国、欧洲发达国家都启动了极端微生物的研究计划，在揭示极端生命形态的奥秘、特殊机制和特殊功能产物等方面相互竞争。中国科学院及有关高校的生命科学研究机构，近年来亦开辟了该领域的研究工作，填补空白，奋力赶超。

1  新疆自然环境的独特性及其丰富多彩的特殊环境微生物蕴藏

如前所述，目前国内外在探讨极端环境里大量存在的极富生命力的那些生命形态方面，正在倾注着很大的努力。那么，作为地处欧亚大陆中心地域、具有独特自然环境甚至包含某些内陆极端环境的新疆，从配合国家寻找这类特殊生命形态、增长自身开拓新的生物技术产业能力方面，该做些什么工作呢？这是摆在我们新疆生物科技工作者面前需要正视并以实际行动应答的问题。

众所周知，占中国陆地面积六分之一的辽阔的新疆（面积达166.49×10⁴km²），由于地处全球最大的陆地板块——欧亚大陆的中心地段，距离海洋最远，加上高大山体环绕，除准噶尔盆地和阿尔泰山西南迎风坡可接受大西洋微弱湿润气流的影响外，其余各方海洋气流皆不可达，至使境内降雨极少，大陆性气候极为显著，整体上是半干旱、干旱、甚至极度干旱交错的区域。又由于巨大的天山山体东西横贯中部，将新疆隔成南北两大盆地，而盆地中又以沙漠和荒漠为主，形成高山、盆地、沙漠和荒漠相间并存的宏观地貌特性，它们之间海拔、气温、干湿度和生物种群变化极大，落差极显。这样复杂多样的大型地貌和生态环境在全国独一无二，在全球亦属典型。南部的喀喇昆仑山、昆仑山、阿尔金山山体和帕米尔高原浑然一体，一般海拔5 000～6 000m，山体高峻，多冰峰雪岭 ，世界第二高峰乔格里峰海拔8 611m。昆仑山区有近期火山活动，温泉众多。这里由于海拔高，终年寒冷，紫外线强烈，空气稀薄，有许多地方是极端恶劣的生境，视为生命“禁区”。中部的天山山体，纵深跨度大，山峦叠嶂，高山终年积雪，多冰川，西段的托木尔峰7 435.3m，一般海拔3 000～5 000m，植被垂直分布明显，山间有众多的盆地和河谷，例如吐鲁番盆地，位于天山中段，是全国陆地海拔最低的地区，盆地中的艾丁湖低于海平面155m，为世界第二低洼地。如果以它的海拔高度和托木尔峰相互参照，落差是7 690.3m，与乔格里峰相互参照，落差是8 766m。吐鲁番盆地还是全国最干旱、夏季最炎热的地区，年降雨量不足4mm，而年蒸发量达2 000mm以上，夏季最高气温可达48℃，地表温度达70～80℃，素有“火洲”之称。如果没有坎儿井引入水源，它不可能成为绿洲。在天山山体和昆仑山山体之间，是辽阔的塔里木盆地，面积达50多万平方公里。由于气候极度干旱，盆地中形成了面积达33.76×10⁴km²的世界第二大流动沙漠——塔克拉玛干沙漠，大部分地区年降水量不足10mm，年蒸发量2 000～3 000mm，可以说“滴水成气”，人称“死亡之海”，生境极端恶劣，也称得上是生命“禁区”。北部的阿尔泰山山体，总体上呈阶梯状升高，海拔2 000～3 000m，纬度偏北，接近北纬50⁰，属高寒山地，通常最低气温零下49.8℃，有的年份极端低温达-50.2℃。与黑龙江省漠河地区同列为我国最寒冷地域。天山山体与阿尔泰山山体之间是新疆又一辽阔的盆地——准噶尔盆地，面积达20×10⁴km²，盆地的中部为古尔班通古特沙漠，面积4.88×10⁴km²，为我国仅次于塔克拉玛干沙漠的第二大沙漠。此外，新疆深居内陆，地表迳流多在境内流经，属内流河川，或流失于盆地沙漠，或积水成咸湖。由于长年累月流水携带的矿物质渗入盆地，加之极度干旱炎热，蒸发量大，土壤矿物质不断提升到地表，因此，全境盐碱土地分布广泛，据统计其数量高达933×10⁴hm²。其中不少是极端盐碱化地域。多种类型的盐湖和温地也不少，有的完全干涸，成了天然地表盐矿。如著名的罗布泊，原是我国最长的内陆河——塔里木河的终端，因气候变迁和上游截水过量而完全干涸，成了一望无际的盐滩。从生态环境的角度看，罗布泊洼地也是一种极端环境，生命的“禁区”。

以上阐述的新疆独特的自然环境，不仅在全国独一无二，而且在全球范围内它的某些方面也有典型性。有极端干旱炎热的全球第二大沙漠，有全国海拔最低、夏季气温最高的盆地，有全国最大面积的盐碱土和干涸盐滩，有全国最高寒的巨大山体，有紫外线照射最强烈的高原。这些极端恶劣的自然环境，虽然比不上地球上的极地，但毕竟是我国寻找极端环境里的生物种群，特别是寻找具有特殊生命力的微生物种群的场所，是研究生命奥秘的源头。在上述各种类型的极端恶劣的自然环境里蕴藏着丰富的相应特殊功能的微生物，如嗜热微生物（包括耐高温微生物）、嗜冷微生物（包括耐低温微生物）、嗜盐微生物（包括耐盐微生物）、嗜碱微生物（包括耐碱微生物）、嗜金属微生物（包括耐金属微生物）、嗜酸微生物（包括耐酸微生物）、耐干旱微生物、耐辐射微生物等等。因此，从研究生命奥秘、物种的特殊性和多样性角度看，新疆的自然环境，在全国具有特殊的地位，是我区的一大优势和宝库。我们应当珍惜它，并努力研究和利用它。

2  研究开发特殊环境微生物的重要意义及潜在价值

1908年Ekelof在南极分离出嗜低温微生物，从而引发了科学工作者对特殊环境微生物研究的兴趣。目前，在地球的南北极、垂直极（高峰和海底）、火山口、温泉、金属矿床、盐湖、重度盐碱土、高硫矿区等这类特殊环境里都分离出了特殊环境微生物，并进行了深入研究。结果表明，这类微生物不但具有特殊的细胞结构与生理机制，还能够产生具有特殊功能的产物。这些功能产物，特别是具有特殊功能的酶，在解决生产中的一些关键问题上具有重要的应用开发价值。

目前，对特殊环境微生物的研究开发主要集中在以下两个方面：

2.1  寻找新的物种和特殊功能产物基因

在生物学的发展过程中，发现和挖掘自然界新物种，揭示生命的本质始终是生物学研究的主要内容之一。特别是分子遗传学建立后，在分子水平上揭示物种的基因类型和遗传特性，并在此基础上探讨生命的起源、进行系统进化研究，乃是当代生物学研究的前沿。而特殊环境微生物是这一研究中必不可少的研究内容。

在现代分子生物学研究中，获得外源基因并导入受体菌，构建基因工程菌株，生产人类所需的特殊功能产物是人们开发、利用生物基因资源的有效手段。作为特殊环境里的生存者，具有适应其环境的特殊的生理代谢特性和功能产物，与之相应的是特殊的功能基因。因此，特殊环境微生物资源同时也是特殊功能基因资源，对其研究不但能大量收集生物资源，深入的了解生命本质，更能为现代生物学研究提供丰富多样的研究材料，开发出具有特殊性能的生物产品，服务于社会。

2.2  研究和开发具有特殊功能的新产品、新工艺

前面已经谈到，从特殊环境里分离到的特殊环境微生物都具有适应相应环境的生理机制、基因和代谢产物，为开阔某些新的生物技术手段和生产新的产品提供了源泉，是开发高效率、低成本生物技术新工艺的基础。例如，自然界存在不少高温环境。这些地方均有耐高温微生物生存(广义上，最适生长温度大于45℃的菌称为嗜热菌)。这类特殊微生物，如果作为某些产品的生产菌，可以在高温下操作，其生产过程中不易出现染菌现象。一些菌已被开发为适应矿井油层高温环境的微生物采油菌剂，有效增加油层压力或降低油层界面张力，从而提高石油开采率。又如自然界低温环境普遍都存在低温微生物，或称嗜冷菌。其根本的特性是在低温的环境下生存，其特殊的功能酶类具有较好的生物学活性。如果能将这类微生物很好的开发利用，可解决一些生物技术不能在寒冷地区使用问题，如生物法污水处理技术，以及工业生产中因加热导致的高能耗和环境污染问题等。再如嗜盐菌在高盐条件下形成的特殊机能，有广泛的这pH值和温度适应幅度，其蛋白质高分子结构是未来制造生物芯片（最高级的计算机芯片）的理想材料。还可用于盐渍化土壤改良。另外，嗜碱菌、嗜酸菌、嗜盐菌等可用于环境工程研究，同时也能提供特殊的功能基因用于分子生物学的研究开发。如此等等不胜枚举。

国外一些系统研究极端环境微生物的国家除了在世界极地和最极端环境里分离筛选特殊环境微生物外，还比较深入地研究它们的特殊产物，特别是在生物酶方面。大家都知道，生物的新陈代谢过程，无论是同化过程还是异化过程都有酶的参与。特殊环境微生物的产生的酶能适应特殊环境条件，因此才能使生命体在特殊环境生长繁殖。这些酶的结构与功能都与常温下同类物种相应的同类酶有所不同，具有独特性。嗜热菌产生的酶耐热性强，嗜冷菌产生的酶耐低温，嗜盐菌产生的酶能适应高浓度的盐溶液，嗜碱菌产生的酶能耐高pH值（碱性）环境，嗜酸菌产生的酶在低pH值（酸性）环境中起作用等等。这些酶具有的特殊的性质在工业化生产应用中具有极其重要的价值。

以上所述的研究开发特殊环境微生物的两大主攻方向，目的还是为了挖掘蕴藏在微生物资源中的价值，促进经济发展和科技进步。目前，酶的研究不断向满足特殊化应用的要求发展，如耐高温酶、低温酶等这类特殊酶种在工业化生产过程中往往是降低能耗、节约成本、改善生产条件、提高产品品质的关键因素。在这一领域的研究中我们与国外存在较大的差距。这类特殊的酶类通常来自于象嗜热菌、嗜酸菌等特殊环境微生物，通过基因工程菌构建、发酵生产才能获得。我国在这一研究领域内尚不能解决菌种问题，因而在开发应用上无从着手。因此，要进一步振兴我国的发酵工业，还要加强基础性研究。这是一项必须的、连续性的工作，是在生物技术领域缩小我国与世界的差距，发展自主的生物技术产业的必需途径。

就我国目前的微生物工业的整体水平而言，与先进国家还有相当大的差距，除传统的酒类、酱油和醋，以及酒精、味精、柠檬酸、乳酸、各类抗菌素、糖化酶、碱性蛋白酶、淀粉酶等现代产品具有较大的产量外，还有许多微生物工业产品，特别是技术含量高的制品，我国至今不能生产。究其原因，是我国微生物工业的菌种落后，缺乏创新，不能发现新的微生物菌种。已知存在于生物体内的酶有数千种，目前国内外能生产应用的酶有上百种。但国内现能生产的酶制剂品种很少，要依赖进口满足需要。总体来说，国内对特殊环境微生物资源的应用开发研究处于起步阶段，可供利用的产物（除高温淀粉酶、低温蛋白酶、环糊精酶外以及我公司研究成功的高温蛋白酶）尚不具产业化条件。国内的工作无论在深度和广度上与国际研究水平还有较大的差距。

新疆具有得天独厚的自然条件，拥有发展生物技术产业的资源优势，挖掘新疆特殊环境微生物资源，对我国的生物技术产业发展壮大、自主创新，具有现实而又深远的意义。为了加速发展，我们在加大引进、消化、吸收区外的先进技术的同时，更要调动区内科技、经济、产业界的积极性，自主创新地研究开发，不但在这个高科技领域能占有一席之地，而且力争把新疆的生物技术产业做大做强。

3  新疆研发特殊环境微生物的现状及建议举措

我们知道，国际上欧、美、俄等国研究极端环境微生物的工作开始得较早，至目前已经在多个领域走在前列。我国在上世纪五、六十年代有零星的特殊环境下微生物区系分布研究。九十年代初，中国科学院微生物研究所率先组建极端环境微生物研究队伍，系统展开国内极端环境（也就是相对特殊环境）微生物的分离、筛选和生理功能的科研工作。近年来中科院微生物所的科研人员已将新疆、内蒙古一些特殊环境作为他们寻找我国特殊环境微生物的主要源头，多次组队来新疆采集样品。根据报道，他们已从新疆、内蒙古盐碱土壤中分离到一批嗜盐菌或嗜碱菌。为探讨这类微生物的类型、功能和应用，打下了一定的基础。

新疆的微生物科技工作者凭借在新疆这块独特多样的地理和气候环境里多年工作积累的认识，从二十世纪七十年代后期便开展了新疆某些特殊环境微生物的分离和筛选工作。例如新疆农业科学院微生物应用研究所，七十年代末开展的《新疆豆科植物根瘤菌资源调查和分类研究》，采集土壤样品的地域遍布南、北疆的各种生态环境。分离到138株根瘤菌，发现55个结瘤豆科植物种。在分离出的根瘤菌中有30%左右的菌株具有抗逆特性，为国内首次报导。新发现了一个根瘤菌属，由国内权威部门命名为“中华根瘤菌属”，被纳入联合国菌种目录库。又如中国科学院新疆生态与地理研究所于上世纪九十年代初着手从吐鲁番火焰山的极度干旱特殊环境中采样分离耐高温微生物。1995年新疆农科院微生物所与他们合作，通过进一步筛选，从中定向选出了一株高温中性蛋白酶产生菌，经鉴定为耐热芽孢杆菌，编号是XJT9503。这株菌的特性是具有在超过常温（25℃～37℃）的条件下能向胞外分泌具有适应较高温度的蛋白酶。这种酶在70℃时还保持大部分活性，而一般蛋白酶在这种温度下会全部失活。它的作用最适温度是45℃～65℃。这类特性的蛋白酶研究，国际上只有德国获得专利及产品，具有很高的应用价值。例如在大量应用蛋白酶的食品、制革、洗涤工业上，一般都是超过常温的工艺环境，使用普通蛋白酶必须降温，要消耗更多的能源和时间，增加成本，影响效率。而使用高温中性蛋白酶，在70℃的条件下便可操作,能显著降低能耗和成本,提高生产效率,很有开发价值。1998年新疆农科院微生物所将该项实验室成果申报国家“863”计划中试项目，获得批准资助。经数年中试摸索，取得了重要成果，在10t发酵罐上发酵酶活达14 960u/ml，是德国产品酶活的两倍，并制备了工业级、食品级、医用级的酶制剂样品，完成了100t以上工业化生产设计。2001年8月通过了由国家生物工程开发中心组织的专家验收鉴定。一致认为该项成果填补了我国空白，处于国内外领先水平。在组建以生物工程为依托的高新技术企业——“新疆威仕达生物工程股份有限公司”时，新疆农科院以其发酵中试基地和高温中性蛋白酶等成果无形资产注入公司。

以上工作说明，新疆的微生物科研和开发单位涉足特殊环境微生物，在时间上是比较早的，在应用上也是初见成效的，并具有鲜明的实用性。当然，我区微生物科技工作者涉足特殊环境微生物的当初，并没有建立极端微生物系统理念，只是凭借地区特色、从解决生产中的实际问题和需要出发，选择恶劣环境分离特殊功能微生物菌种而开展科研工作的。进入本世纪以来，新疆的科研单位才有了系统开展极端环境（特殊环境）微生物研究的强烈理念，从而投入了更多的力量，但毕竟离发展需要相差甚远。近年来，特殊环境微生物的系统研究得到了自治区领导的高度重视，成立了以基础研究和应用基础研究为主的新疆特殊环境微生物重点开放实验室。同时，以应用研究和开发研究为主的新疆特殊环境微生物工程技术研究中心正在组建中。我们通过以上的分析，认为在新疆系统拓展特殊环境微生物的研究和开发，是非常必要的，是十分有意义的。新疆不仅有得天独厚的自然条件，而且我们自身的工作基础在国内同行中并不落后，还处于先进水平。但是，我们毕竟力量单薄，投入不足，与国际先进水平和实际需要差距甚大。

为实施资源转换战略，挖掘微生物资源宝库以振兴新疆的生物技术产业，建议采取以下举措：

（1）新疆地域辽阔，地理地貌独特，气候差异显著，这样的特殊环境下蕴育着大量丰富的微生物资源，目前还没有被社会广泛重视，同新疆的矿产资源、动植物资源一样，新疆的微生物资源是一种非常重要的原始状态的资源，实施这类资源的转化和开发，将产生巨大的社会经济效益。因此，这类资源应给予相当的重视，建议自治区相关部门将微生物资源的转化和开发纳入自治区发展规划和相应的科技计划。加大投入该领域的研究和开发，为改变现有微生物工程的产业现状，解决人类面临的能源、环境、食品、健康和疾病等问题作出应有的贡献。

（2）新疆独特的微生物资源开发前景是巨大的，掌握了这些资源就掌握了我国生物科技发展的主动权和竞争优势。然而，至今尚未得到大力开发。建议自治区对目前特殊环境微生物资源研究开发的专业机构，加大基础条件建设力度，积极营造良好的科研环境和工作氛围，吸引社会科技人才投身新疆特殊环境微生物资源的转化和开发。自治区在相关计划、政策、配套资金上给予重点倾斜，及时进行沟通、交流，鼓励和吸引企业参与新疆特殊环境微生物资源的转化和开发。

（3）新疆特殊环境微生物工程技术研究中心作为自治区由企业组建的研究开发特殊环境微生物的专业化平台，主要开展相关生物技术的研究开发和引进技术的二次组装配套工作，促进关键性技术的解决、成果转化和技术扩散。自治区可赋予新疆特殊环境微生物工程技术研究中心的公益性专业职能和社会职能，并给予大力支持。

（4）建立特殊环境微生物资源库及功能基因库，作为中心的重要组成部分，长期保藏这些珍稀特殊微生物物种基因，奠定今后深入研究和开发的种质基础。

（5）在科技规划中，建议设立“新疆特殊环境微生物资源发展专项资金”，以长期支持在新疆特殊环境微生物资源调查研究、基因库的建设、设备购置、维护、更新和人才培养。

（6）新疆特殊环境微生物资源的研究开发是一个漫长的过程，包括资源调查，微生物菌种的筛选和分离，实验室研究和中试研究，技术成果的转化和产业化开发等，因此在自治区各项科技计划中，给予重点支持课题立项，以确保研发工作有序开展。

参考文献：（略）

作者简介  魏东，男，37岁，新疆农业科学院微生物所所长，新疆威仕达生物工程股份有限公司董事长兼总经理，新疆微生物学会理事长。乌鲁木齐市南昌路38号，830091。电话（0991）4546798， westar_weidong@yahoo.com.cn