海洋论坛▏王勇等：深海生物原位实验与生态监测研究进展 - 深海生物研究

任光彬 · 发表于海洋科普 2024-4-14 22:25:38

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一、深海生态系统特征

海洋占据了地球表面积的71％，包涵全球97％的水体，其广阔的水体为生命的起源和各种生命形态的蓬勃发展提供了可能。深海通常是指水深超过1000m的区域，一般认为是一个黑暗、高静水压、低温（约4℃，热液除外）和寡营养的极端环境。

在古希腊时期，人们认为深海不存在生命。19世纪的海洋科考不断从深海获取大量生物样本，探明深海存在大量人类未知的生物且具有超出人类想象的生物多样性。20世纪30年代，美国斯科利普斯海洋研究所发现在海床下数厘米至数米的深海沉积物内存在细菌。

自从美国“阿尔文号”深潜器在1977年发现了深海热液生态系统，人们认识到深海不是“生命的荒漠”。因此，现在及可预见的未来，深海生物具有重要的科研和经济价值。“新大洋科学发现计划”（TODP，2012—2023年）将地球深部生命研究（包括深海）作为其四个研究主题之一。深海生态系统同样由生产者和各级消费者构成。深海微生物参与碳、氮、硫等关键元素循环，连接地球深部和海洋表面的物质循环，是生物地球化学循环过程中重要的组成部分，为各级消费者提供营养物质，维持着深海生态系统的正常运转。这些年新型科考船，载人/无人深潜器等先进装备的发展为人类了解深海提供了有力的载体和工具，扩展了人类探索深海的边界，但是目前对深海生态系统和生命过程的一些基础问题仍然难以回答，例如：①深海有机物的来源和主要贡献者；②深海生态系统的时空动态变化规律和调控机制；③深海生物原位活性和生态功能。

对这些问题的探索，有利于我们深刻理解深海生态系统的动态性、深海生命的生理生化状态和物种的演化过程，同时为下一步的研究指明方向。

⒈深海有机物的来源和主要贡献者

在深海，生物的分布受到营养来源、温度等各种环境因子的驱动。一般认为海洋表层初级生产力产生的大量有机质的垂直沉降是深海最重要的有机物来源，但是这些有机质是否足够支持深海远超我们想象的大量生物和生态系统呢？有研究发现在3000m的深海区，维系生态系统的有机物只有约1％来源于海洋表层的有机颗粒物（POC）沉降。那么，深海有机碳的主要来源是什么？化能自养微生物贡献了多大比例？目前我们对此仍然知之甚少。

大量研究也发现微生物在海洋垂直方向不同深度的水层具有迥然不同的分布特征。据估算，海水中原核微生物细胞含量约为1.2×1029个/mL，而黑暗的深海水体中生活着约占全球生物总量65％的微生物。最近的研究表明，二氧化碳不但在海洋表面被光合微生物吸收，也在深海无光层中被水体中的微生物利用于合成有机碳。据估计，大西洋深海无机碳固定的速率为每天1.0～2.5mm0l/m2，占真光层（0～200m）汇入的有机碳的15％～53％。这些由深海化能微生物提供的新鲜有机物支撑了深海生态系统的正常运作，也解释了深海生物在寡营养条件下的生存之谜。

传统认为深海的碳固定与氨氧化过程密切相关，因为二氧化碳固定的主要承担者可能是氨氧化古菌（AOA）。AOA利用氨的有氧氧化产生的还原力，然后通过3⁃羟基丙酸/4⁃羟基丁酸循环（3HP/4⁃HBcycle）途径吸收和固定二氧化碳。AOA将氨转化成亚硝酸盐，而后被亚硝酸盐氧化细菌氧化成硝酸盐。

由于氨氧化古菌在海洋中的数量高于亚硝酸氧化菌（NOB），传统认为前者固定的二氧化碳通量高于后者。但是，最近的原位碳固定实验发现伴随亚硝酸氧化过程，NOB固定的二氧化碳通量明显高于AOA，最高占深海固碳量的45％。这些参与硝化过程的自养微生物占深海微生物群落不足10％，丰度低于AOA，但是却充当着深海初始生产者的重要角色。近期的研究发现属于变形菌纲的一些种属，比如SAR 324，可以利用核酮糖1，5⁃二磷酸羧酶/加氧酶和硫化物氧化耦合来固定二氧化碳，说明依赖于硝化作用和硫氧化作用的化能自养型和混合营养型微生物在深海生物地球化学循环过程中也发挥着重要作用，被认为是深海有机碳来源的另一重要途径。这些深海自养菌和兼性自养菌可以吸收和利用异养型微生物产生的二氧化碳，形成深海内部的碳循环，同时也可以吸收大量经过海水垂向循环输送到深海的二氧化碳。深海异养型微生物以变形杆菌和绿弯菌为主，代表了深海最丰富的微生物类群，参与降解难降解有机质（DOM）并释放二氧化碳。从深渊原位转录组研究获知，绿弯菌门的SAR202是深海和深渊最活跃的微生物，对于有机物的降解和再利用起到至关重要的作用。

深海细菌SAR11和SAR406，可能参与有机物降解和硫元素循环。在冷泉和热液喷口附近，来自地球深部和沉积物底部埋藏的水合物释放了大量还原性物质（如氢气、甲烷和硫化氢等）。这些物质的扩散导致化能自养微生物介导的有机物合成异常活跃，形成了局部繁盛的深海生态系统。在大型生物体内［如贻贝和管虫］也含有大量利用还原性物质进行固碳的共生微生物。深海微生物利用深海还原性物质固定二氧化碳能力为贫瘠的深海提供了丰富的营养来源，同时提示深海具有巨大的碳埋藏潜力，对实现全球碳中和目标有着重大的应用前景。因此，对深海固碳类群和固碳过程的精细量化和调控机制的探索，对进一步全面理解深海固碳过程有重要意义。

⒉深海生物时空分布规律

几乎所有的有机体，从单细胞的蓝藻到结构复杂的哺乳动物，都具有一套感知环境变化的生物节律系统，控制着机体的行为、生理活动，使之更好的适应环境。由于缺乏相关的研究，目前人们认为深海是不存在类似的节律性。但是最近对深海冷泉贻贝相关基因的研究表明，深海生物具有节律性的生物学基础，可能受到深海潮汐的影响。

在海洋表层，光照的昼夜变化直接调节了初级生产力的速率，构建了海洋表层生物的昼夜节律。但在深海，海洋表面的初级生产力对超过3000m的深海影响轻微。但长期来看，由于沉降带来的有机物和宏生物（如鱼类）垂直周期洄游活动带来的有机物，使深海间接受到海洋表面光合生产力的影响。已有研究发现，深海微生物受到大洋环流等环境变化影响，存在明显的季节性变化，但对深海微生物昼夜节律变化鲜有报道。对中国南海北坡海洋中层带鱼类栖息环境中微生物群落结构研究表明，由于受到海洋鱼类垂直周期洄游活动的影响，该鱼类栖息环境中微生物群落结构也具有明显的昼夜群落结构变化。影响深海生态系统的节律因素必然与能量转换和物质循环密切相关，因此探究深海生物的节律规律对进一步理解深海物质循环有重要意义。

研究在深海不同层次和生境条件下，生物进化出何种节律特征，需要对深海进行大范围和连续时空的生态观测数据收集和统计分析。而目前主流的研究方法和手段只能获得大洋某个深度和时间点的观测数据，无法满足我们对深海生态系统的动态规律研究。

二、深海生态系统原位观测

⒈深海研究的挑战和技术瓶颈

人类对海洋的研究虽然经历了一个多世纪的坚持不懈的努力，但我们对深海生态系统的理解仍然不完整。国际上，“TARA”和国际黄昏带研究计划（JETZON）计划完成了对全球海洋0～1000m的生物调查和相关环境因子的采集，实现了对不同大洋站位的海洋表面和黄昏带的覆盖。中国科学家已经完成了针对挑战者深渊的大量生物学调查和研究。目前对深海生态系统的研究和调查正在从某个时间点在单个站位取样进行研究，逐渐过渡到连续时空观测阶段。然而在深海实现对不同站位和时间季节的连续观测和调查难度极高；深达万米的高静水压对装置的耐压性能和自动化程度要求甚高；长时间连续观测对装置的能源供给和水下通讯提出了巨大的考验。

这些瓶颈问题的解决需要深海工程技术方面的配合和同步推进，而目前相关技术的研发基础较为薄弱，限制了海洋学家对深海生物和生态系统的进一步探索。进入新世纪后，伴随着国家深海战略发展的需要，相关深海原位监测技术取得了长足的进步。比如，万米载人深潜器，达到了世界先进水平，给我国科学家提供了在万米深海长时间直接观察深海生物的机会。

虽然人们认识到深海生物/微生物巨大的应用和科研价值，然而深海生物由于其独特的生存环境，使得对其取样、培养和研究整个过程都存在极大挑战。深海的有机物相对匮乏，使得深海生物进化出各种探测环境变化的器官和胞外传感系统。深海生物，尤其是微生物对环境因素变化（氧含量变化、压力变化等）的响应十分敏锐，相关表达系统可以快速响应并触发相关功能基因的表达，尤其是涉及有机物合成必需的二氧化碳、甲烷和氨气等。

因此，通过对这些相关基因表达变化进行检测，可以以此作为衡量深海环境变化的天然指标。然而传统采样使用水样瓶将深海海水带到船载实验室过滤，这一过程中的压力、温度和气体成分发生明显改变，进而导致部分菌群快速增殖和发生应激性改变，使得原位基因表达信息丢失（图1）。这样的样品在后续的实验室研究中会产生很多不合理的假象，因而影响对生物学上相关指标（DNA、RNA和蛋白质等物质的含量与组成，及各种功能基因的量化指标）的精确测量。传统采样方式对深海生物样品影响较大，限制了对深海极端环境下生命过程和适应机制的研究，甚至带来错误的认知。其次，深海微生物所处环境的特殊性使在实验室实现高仿真模拟培养变得几乎不可能。

图1 传统深海生物采样过程对深海生物样品的潜在影响

尽管利用深海环境模拟进行生物培养工作难度较大，但仍然是国际上微生物地球化学研究领域的一种重要方法。在深海微生物培养系统研制方面比较先进的主要有美国明尼苏达大学地质地球物理系、加州大学伯克利分校，伍兹霍尔研究所以及日本海洋科学研究中心。国内在实验室模拟培养方面的研究起步较晚。这些可培养微生物在实验室条件下，由于生存条件改变，连续的传代培养会产生“驯化效果”。培养基中添加有机碳源最终会导致化能自养菌基因组渐渐发生变化，出现异养性基因横向转移，变成兼性菌。因此，实验室培养菌株很难真实反映其原位生境的真实代谢状况。模拟培养可以解决微生物基础生理特性等问题，但无法完成对微生物原位生态功能和动态变化的监测和评估。因此，深海原位研究在生态学上有更重要的意义。

浙江大学等相关单位合作成功研制了我国首个深海水体原位微生物培养系统，由控制室、培养室、浮力材等组成。国家海洋局与杭州电子科技大学联合研制的一套能够在深海原位环境下独立开展工作的深海原位生物实验平台，主体由16个培养仓、原位环境监测传感器、声学释放器、浮力材料和重力锚等组成。系统设计最大工作水深6000m，可布放到海水与沉积物界面处，进行深海微生物的原位长期培养。

随着深海宏生物采样和观测手段的进步，依靠国内外不断增加的海洋科考航次，我们对深海生态系统的认识在不断加深和完善。由于技术条件限制，对深海宏生物的早期研究主要使用拖网等传统方法，但捕获的生物个体少且多数情况下难以获得完整样本。近年来依靠载人潜器和深潜机器人的发展，研究人员获得高质量的生物样品和原位实证资料（照片、视频等），使人类对深海生态系统的基本构成和分布规律有了直观的初步了解。例如，科学家发现，深海宏生物远比想象的丰富，深海狮子鱼最深分布于8250m左右，而钩虾和海参可生活在挑战者深渊的最深处。冷泉附近聚集了大量的甲壳类和管虫等生物。由于深海与科考船或岸上巨大的静水压差，多数生物从深海到实验室发生明显的形态变化（图1）。具体而言，对多数宏生物，巨大的气压差异，使细胞和组织发生爆裂，无法还原样品原位环境下功能基因的表达信息和蛋白活性特征；海参等生物会发生自融；深渊狮子鱼柔软的表层皮肤会剥离（图1）。

总之，尽管深海生物调查与研究已经开展了多年，目前所有深海典型生境的生态学研究结果也只能反映某个时间点的静态状况，对于深海生物的繁殖、进化、生理特性、种群演替和生态系统（种群间）物质能量传递交换知之甚少。实验室难以模拟深海生物生长所占据的环境独特特征（高静水压、独特的营养构成）。为了能够更加准确、全面的认知深海环境中独特的生态系统和生命过程，进行深海生物原位光学成像观测和功能基因检测几乎是唯一可行的、有效的、高保真的技术手段。

⒉深海原位生物研究策略和装备研发

深海生物的新陈代谢、适应性和生物多样性是国内外海洋研究的前沿课题。由于生态胁迫作用，深海生物在适应深海的极端环境过程中，必定产生了有着特殊功能的基因、蛋白和次级代谢产物。为深入研究深海生态系统构成、演化和功能等重要科学问题，我们急需新的研究平台和技术，其中深海原位生物研究和探测是重点突破方向，它涵盖了深海原位光学成像，理化因素检测，生物原位采样和基因活性测定等，将引领深海生命科学研究跨入一个新阶段。

尽管国内外已经开发了一些深海微生物原位保压取样装置，但由于保压取样器容量小、不保温等因素，深海特有基因和生命过程的研究仍无法进行。2007年，美国蒙特利湾水族馆研究所和伍兹霍尔海洋研究所实验室的海洋学家研发了1000m级环境样品处理器（ESP），对海洋微生物和毒性物质进行了原位基因芯片检测。2010年，他们还成功地利用4000m级环境样品处理器（D⁃ESP）进行了深海甲烷氧化基因pmoA的定量PCR扩增（qPCR）实验，对目标基因的表达量和特定菌群的丰度进行了实时检测，而且利用生物基因探测到的甲烷浓度低于化学传感器的检测限。这些原位基因检测都是依赖原位微生物的富集、过滤、裂解和核酸纯化过程［图2（a）、（c）］。原位过滤后的海水中的物质还通过D⁃ESP集成的深海质谱仪进行了检测。这一整套装置已经应用于4000m深的海底和800m深的甲烷渗漏区的原位检测，并接入MBARI的MARS海底观测网络。2014年，美国夏威夷大学利用ESP系统发现了海洋表面微生物存在短周期节律性过程。总的来说，ESP的相关成果极大促进了科学家对深海原位观测的重视。

（a）环境样品处理器；（b）、（c）深海升级版D⁃ESP

图2 美国蒙特利湾研究所的环境样品处理器和深海升级版D⁃ESP

⒊深海原位组学研究进展

深海原位组学是使用新一代测序技术对深海原位提取核酸和固定样品进行高通量测序和组学分析，为全面准确地揭示深海微生物在深海的适应机制、物质循环和动态变化规律提供了可行性。深海生物转录组的瓶颈问题是RNA分子容易降解，半衰期最多只有12min。对RNA分子进行原位固定或者提取，防止生物在回收过程中RNA出现变化和降解是研究深海生物原位活性和生理代谢特征的前提。通过利用深海原位提取的RNA进行宏转录组分析，我们可以在转录层面定量或半定量地揭示哪些微生物以何种方式参与深海碳、氮、硫循环，它们的贡献率是多少，能够更精细地量化深海物质循环过程。同时，深海的有机物相对匮乏，使得深海微生物进化出各种探测环境变化的跨膜传感系统，对环境的响应十分敏锐。原位宏转录组学或许能捕捉到深海微生物对环境响应的即时变化。为了准确地探知深海生物功能基因的表达和作用机制，发掘深海生物的未知功能基因，原位生物样品处理与探测关键技术研发势在必行。

深海原位宏转录组数据分析离不开相应的深海宏基因组作为本底参照。后者利用高通量测序和生物信息学方法对深海环境样品DNA直接测序，通过组装和分拣，获得同一类群微生物的基因组草图（MAG），进而对其MAG的分类地位、新陈代谢方式进行解析。目前由于大多数微生物不可培养，对基因组草图的研究是深海微生物研究的主要手段。通过这种方法，近些年来报告了大量海洋广泛分布的氨氧化古菌SAR202和SAR406等类群的基因组及其特征。通过相关算法，可以把宏转录组的表达谱和宏基因组中获得的MAG联系起来，进而揭示深海原位微生物类群中活跃的微生物，同时可以定量或半定量研究微生物的代谢过程。然而，深海原位宏基因组研究难点在于复杂生态环境中难以分离到高质量的MAG，其主要原因是目前技术手段得到的总DNA量较低且质量不高，并且群落复杂。这样的深海DNA可通过加大二代高通量Illumina测序深度等手段进行补救，但难以用于三代高通量测序获得长片段基因组序列。这一瓶颈问题可以通过深海原位大体积微生物过滤和固定装置解决。

中国科学院深海科学与工程研究所（深海所）自主研发了一套可在全海深环境下自动完成海水中微生物过滤和RNA固定的装置（ISMIFF），可以最大程度上避免了压力和温度等环境因子骤变对核酸的破坏。

深海微生物原位核酸提取装置（MISNAC）是由深海所自主研发的一套可在深海环境下自动完成海水过滤、微生物裂解和核酸提取的深海原位生物实验装置［图3（a）、（b）］。该装置安装于“凤凰”号深海原位生物研究平台上，最多可以完成9个不同时间序列的核酸样品采集，而且所有步骤均自动完成［图3（c）至（e）］。该平台不仅可以用于研究不同时间段微生物群落变化，还可以开展微生物定向富集培养，研究不同底物作用下的原位微生物生理代谢活性。

（a）、（b）为工作原理图；（c）至（e）为深海原位工作图

图3 深海原位微生物核酸提取装置工作原理图和安装于“凤凰”号的深海原位生物实验平台的深海原位工作图

2019年的“凤凰”号海试中，MISNAC获得的连续时段微生物核酸揭示了深海1000m水深的微生物群落结构。最近，基于原位获得的核酸进行的组学研究发现：相对于传统采样方式使用的Niskin瓶，MISNAC可以最大程度地还原深海原位的群落结构和原位微生物基因表达活性，可以对连续昼夜条件下的微生物动态变化进行深入解析。通过对MISNAC装置和Niskin水样瓶获得样品的比较发现，真核和原核微生物群落结构都具有明显差异。Niskin采水瓶样品中含有大量MISNAC原位样品中很少的厚壁菌，且在转录组中没有活性，表示这些菌在大量增殖后变成了休眠的孢子［图4（a）］；Niskin水样瓶样品还含有MISNAC原位样品中很少出现的子囊菌门和刺胞动物门。通过比较原位宏基因组和宏转录组中的真核生物群落，我们发现MISNAC样品中较少的纤毛亚门，却是转录组中最活跃的，而占真核微生物群落42％的有孔虫门几乎没有转录活性，暗示这些深海的有孔虫是休眠或死掉的生物［图4（b）］。这些结果在不同时间段的样品分析中重复出现，可信度很高，说明基于深海宏基因组的相关分析很可能无法真实反映深海生物原位的生态贡献。

MISNAC和Niskin获得的南海1000m水深环境样品的宏基因组和宏转录组中基于原核生物16Ｓ核糖体（a）和真核生物18S核糖体片段（b）的群落结构比较分析。小类（＜2％）进行了合并处理

图4 不同采样方式对群落结构的影响

MISNAC可以对数天内若干个小的时间间隔（几个小时到几十分钟）的微生物的基因表达和群落变化进行连续、比较精确的定量或半定量研究。在更长的时间尺度上，深海原位研究可联合物理、化学传感器提供的长期连续观测数据，基于各种算法挖掘出与微生物的群落或微生物参与的某些代谢特征的相关痕迹，即通过多参数进行数据耦合，才能实现对某目标海域微生物介导的物质循环进行连续动态观测和量化分析。中科院南海海洋研究所已经完成了“深海紫外激光微生物检测仪”的研制和海试，通过对不同深海细菌的紫外光谱可以辨别出主要深海类群的特征谱峰，可以实现较长时间范围内对微生物主要类群的检测。

⒋深海原位生态监测和原位生物实验室构想

对深海进行原位、实时和连续的生态监测是未来揭示深海生物适应机制和深海物质循环的重要手段，各国深海科学研究机构都开始致力于探索和发展深海原位技术。原位生物实验室，简单来说，就是能够在深海自动完成原位光学成像观测、样品采集、分离、处理和检测等流程的综合实验体系。它包括了光学成像系统、实验分析测试系统和支撑实验室长期连续工作的数据传输、能源、电气系统等（图5），可以记录样品采集和实验过程中的环境要素信息（温度、盐度和溶解氧等），把微生物样品分离成单细胞，或者直接裂解后提取高纯度核酸和蛋白质，甚至得到基因组测序数据和基因定量PCR数据。

实验室所需装备（比如通用测序系统、基因检测系统、化学物质检测系统）的深海转移应用需要对其进行改装，使其小型化和低能耗，适合深海高压环境下自动化作业和数据自行处理。同时利用声学、激光等海洋通讯技术，结合船载和卫星通讯技术，可以将观测数据和实验数据传回到岸基数据中心。利用高机动载体构建深海原位生物实验室水下网络，实现深海原位生物实验室数据实时化、在线化。

图5 深海原位生物实验室设想

⑴深海实时生态观测及数据传输系统利用智能深海平台的长期连续工作能力，深海生物小型化实时光学观测装置可以用于深海各深度的生态观测和统计。深海影像技术是深海原位生物实验室的重要应用领域，可开展远程监测、远程直播，甚至远程实验操控等应用前景。1992年美国伍兹霍尔海洋研究所提出了浮游生物录像机（VPR），成为了现代浮游生物原位探测系统的先驱。伴随着半导体技术的突飞猛进，浮游动物水下摄像机探测技术得到迅速发展，出现了多种基于水下摄像机的浮游动物探测成像系统，如UVP、VPRⅠ/Ⅱ/Ⅲ以及ISIIS等。

2015年2月，欧盟UTOFIA计划启动了用于渔业资源评估的“下一代水下摄像机”的研制工作，由欧洲不同国家的7个单位参与。UTOFIA摄像机具备视频帧频三维成像功能，相比于传统水下成像，探测距离提高2～3倍。由中国科学院半导体研究所研制的深海原位生物三维成像系统“凤眼”，以“凤凰”号为载体，可在水下构建非机械光立体采样区，并同时获取高分辨率的生物二维强度图像和三维图形图像，从而利用三维图像中目标间的空间差异，提高交叠目标的数量统计准确度，结合光立体采样区的体积信息还可反演出生物丰度信息等。“凤眼”系统最大工作深度3000m，是国际上首次将激光选通三维成像技术用于深海宏生物探测。

利用海底观测网和海底光电缆可以实现我国南海从浅海到4000m深海的实时播放，对研究我国南海海域的生态系统特征、冷泉区演变过程以及海底生态年际变化等重大科学问题提供数据和样品方面的需求。2020年11月，中国科学院等多家机构联合研制的“奋斗者”载人潜水器和深海视频着陆器“沧海”和“凌云”在马里亚纳海沟进行了联合作业，实现了全海深4Ｋ超高清视频拍摄传输和全球首次万米海底电视直播，对于实现深海生态的长期原位观测验证了技术上的可行性。

⑵深海生物样品处理和通用测序系统随着基因测序技术的发展，以纳米孔测序为主的高通量且小型化的新一代单分子测序平台逐渐成为主流，为其深海原位应用提供了可操作性。在已有的深海原位样品富集、细胞裂解和核酸收集装置的基础上，我们可以进一步扩展下游核酸纯化技术，整合实现深海原位条件下的一体化测序平台。同时，在平台上游，配套利用流式细胞仪对深海微生物和幼虫进行原位分拣，亦或通过微液滴包埋分拣技术进行微生物高通量化的分拣和原位培养，实现对深海生物的隔离检测，提高检测的定向性（图5）。

⑶深海生物原位基因检测系统深海原位基因检测系统是通过构建深海生物保守的核糖体RNA基因片段和深海微生物物质循环关键功能基因（氨氧化、反硝化、产甲烷和硫还原等）的探针序列，集成高通量基因芯片技术作为深海生物原位核酸纯化装置的下游配套设备，实现不经测序的基因检测和物种鉴定，以实时动态监测深海原位微生物的类群组成和功能基因代谢活性。

⑷深海生物代谢物检测系统深海的高静水压给生命相关物质的检测构成了巨大的挑战。拉曼光谱是研究生命相关物质的有效方法之一，其通过对分子官能团震动模式的测量，得到具有指纹特性的震动光谱，从而反映分子的精细结构，可在接近自然状态下研究生物大分子的结构及其变化。利用紫外拉曼和电化学传感器等新兴的物质检测技术，建立深海生物代谢物质数据库，将设备封装应用于深海，实现原位条件下实时的代谢物质检测，以利于还原深海生物真实的物质代谢类别和水平，整合利用多波段的激光检测仪器可实现物质间的交差检测。

近些年，我国多个科研团队基于该技术在深海化学物质探测上取得了突破。中国科学院海洋研究所利用我国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统在深海热液区（1400m）发现了具有超临界二氧化碳流体喷发的热液喷口，同时借助该工具首次在深海热液区发现气态水。“深海原位探测深紫外激光拉曼光谱仪”由中国科学院大连化学物理研究所自主研发，在深海原位环境下深紫外拉曼光谱仪器完美解决了常规拉曼光谱易受海洋微生物及有机质荧光干扰的问题，并克服了深海高压和着陆冲击等困难，成功于南海获得DNA分子信号，为进一步探究深海环境中存在的生物大分子信息提供了新的途径。深海生物细胞内物质的原位紫外拉曼检测方法和深海培养菌株的拉曼光谱数据库也逐渐成熟。

三、深海原位生物实验室的应用前景

和展望

⒈深海原位微生物固碳与碳中和

针对地球二氧化碳浓度不断升高，全球提出了“碳中和”目标，这是本世纪中叶各个国家重要的控制目标。其中对碳汇研究方面，即碳固定方面，深海微生物丰富高效的碳固定途径已经引起很多研究者的注意。深海1000m以下的微生物在全球碳吸收和控制温室气体排放方面可能具有不可估量的作用，但是深海固碳能力的评估和实现途径依赖于人们对深海的认识，其中深海原位微生物无机碳吸收过程和量化的研究尚处于起步阶段。

Jiao等（2010）提出的“微型生物碳泵（MCP）指明了深海碳循环的可能机制，解释了海洋巨大溶解有机碳库的来源，得到国际同行的广泛关注和认同。为了响应国家的“碳中和”计划，基于MCP理论的“海洋负排放”机制和技术实现是目前的研究热点，但是目前对海洋储碳机制还有很多问题需要研究，尤其是深海微生物原位固碳能力和机制资料较少，很多基本问题尚未解答，例如深海参与固碳的微生物有哪些？通量是多少？其代谢机制受到哪些因素调控？氨氧化古菌和细菌在深海固碳过程中，互作机制是什么？二氧化碳如何输送到深海？这些问题的回答都需要长期、多学科交叉的持续研究。这些问题都需要深海原位生物实验室提供长期、连续和第一手的资料为“碳中和”的“海洋负排放”机制和技术可行性、经济性和可选路径提供最基础的数据支撑。这些凸显出深海原位生物实验室研发的重要性和必要性。

⒉深海基因资源的挖掘和利用

深海环境原位宏基因组和宏转录组数据的获得，将有助于我们发现更多新的深海微生物类群和深入探究深海“暗物质”微生物的生理特征。同时深海微生物生命过程的原位观测，有助于深入探讨海洋环境中微生物的生态功能，精细量化其物质通量，揭示海洋环境物质循环和能量流动的分子机制和规律。随着生物信息学分析、三代测序技术及分子生物学技术的发展，结合新型原位实验设备的研制，我们不仅能通过分离培养获得更多的深海微生物类群，还可以利用分子生物学技术，通过过表达细胞内目的基因、抑制和敲除等分子手段，探究大量未知基因的功能，挖掘和利用深海生物基因资源。

⒊推动海洋高端装备产业

工程技术与生物学研究的需求相结合将会产生更多功能强大的采样设备。相关设备的研制可以带动我国深海原位检测和研究设备的研发和关键技术的突破。例如我国万米载人深潜器“奋斗者”号的研制成功，不仅实现了相关产业和技术的国产化替代，同时培养了一大批相关产业技术团队和公司，为国内深海装备的产业化带来了示范效应。深海原位生物实验室的研发同样需要材料、设备制造和配套软件等相关产业的协同发展，对我国海洋产业走向深海、走向高端和产生高附加值是一个重要机会。

综上所述，深海原位生物实验室及其配套技术的发展是科学研究走向深海的必经之路，同时也为我国社会科技和经济的发展提供了新的契机。

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【作者简介】文/王勇郑鹏飞贺丽生李俊陈俊高兆明李文莉张艾群，分别来自中国科学院深海科学与工程研究所和清华大学深圳国际研究生院。第一作者王勇，1973出生，博士，教授。本文为基金项目，国家重点研发计划专项资助项目（2016YFC 0302500）、中国科学院特别研究助理资助项目、海南省自然科学基金面上资助项目（420MS077）、三亚市科技资助项目（2019YD03，2020KS01）。文章来自《应用海洋学学报》（2022年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归期刊及作者所有，转载也请备注由”溪流之海洋人生“微信公众平台编辑与整理。

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海洋论坛▏王勇等：深海生物原位实验与生态监测研究进展 - 深海生物研究

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