综述：从黑暗到发现：深海可培养与不可培养微生物多样性的全面综述

这篇综述深入探讨了深海极端环境中微生物的多样性及其适应机制，涵盖了可培养（culturable）和不可培养（non-culturable）微生物的研究进展。通过宏基因组学（metagenomics）和环境DNA（eDNA）测序技术，揭示了深海微生物在高压、低温、高盐等极端条件下的代谢策略（如硫氧化、甲烷氧化）及其在生物地球化学循环中的作用。文章强调非培养方法对挖掘微生物资源（如极端酶extremozymes）和生态功能的重要性，为生物技术和环境管理提供新视角。

　　

引言

微生物是地球上最顽强的生命形式之一，能够适应从极地冰盖到深海热液喷口的极端环境。深海作为最严酷的栖息地之一，具有高压（>1000倍大气压）、低温（接近冰点）和营养匮乏等特点，却孕育着高度特化的微生物群落。传统培养技术仅能捕获约1%的微生物多样性，而宏基因组学和环境DNA测序等非培养方法的突破，揭示了深海微生物的“暗物质”及其在碳、氮、硫循环中的关键作用。

深海可培养微生物

传统培养方法依赖2216E和R2A等培养基，但多数深海微生物因营养需求复杂或生长缓慢难以分离。创新技术如“培养上清液添加法”（SCM）利用Ca. Bathyarchaeia代谢产物，成功分离了Planctomycetota和Deinococcota等罕见类群，将新菌株比例从10%提升至35%。例如，从南大西洋3000米深处分离的57株细菌中，γ-变形菌（Gammaproteobacteria）和放线菌（Actinobacteria）占主导，而南海沉积物中发现的真菌（如Ascomycetes）甚至存活于43万年前的古老沉积层。

深海不可培养微生物研究

“存活但不可培养”（VBNC）状态是深海微生物的常见生存策略。宏基因组分析显示，Guaymas盆地热液羽流中，古菌（如Poseidoniia类群）作为代谢“接受者”依赖细菌（如Gammaproteobacteria）提供的底物。马里亚纳海沟沉积物中发现的新型奇古菌（Thaumarchaeota Group-3.unk）具有完整的乙醛酸循环，可能参与芳香族化合物降解，填补了深海碳循环的认知空白。

极端环境适应机制

深海微生物通过遗传和表观调控实现适应性进化：

• 结构修饰：嗜压菌（piezophiles）通过膜脂饱和化维持细胞完整性；
• 代谢灵活性：热球菌（Thermococcus peptonophilus）在高温下激活DNA修复蛋白；
• 协作网络：化能自养菌（如硫氧化SUP05）与异养菌（Alteromonas）形成代谢互作，驱动元素循环。

微生物互作与生态功能

深海无脊椎动物（如管栖蠕虫Riftia pachyptila）与硫氧化内共生菌的协作尤为典型：

• 能量获取：细菌通过卡尔文循环或反向TCA循环固定CO₂；
• 宿主适应：贻贝（Bathymodiolus）通过碳酸酐酶（CA）调节共生菌的碳供应，同时利用双共生系统（硫氧化+甲烷氧化）拓展生态位。

病毒与微生物动态

深海病毒（如肌尾噬菌体Myoviridae）通过水平基因转移（HGT）塑造宿主进化。例如，南海病毒组中93%的vOTUs与已知病毒无同源性，而南极沉积物中发现的RNA病毒可能影响深部碳通量。病毒裂解释放的有机质（如尿素）甚至支持了30%的深部固碳过程。

结论

深海微生物研究正从单一物种培养转向多组学整合（如meta-proteomics）。未来需开发原位培养技术，并探索微生物在生物修复（如石油降解）和极端酶开发中的应用潜力。标准化采样（如图1所示的海洋学流程）和跨学科协作将是解锁深海“生命黑箱”的关键。