海洋生物学综述

海洋生物学综述

摘 要

生物多样性资源包括生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性三个层次。本文主要关注与海洋生物资源的研究最为密切的物种多样性。目前全世界已知海洋生物约有21万种，其分布具有明显的区域性。文中将分别从海洋微生物，海洋植物，海洋动物三个方面介绍海洋生物多样性。海洋天然产物产自各类海洋动植物及各种海洋微生物。本文对海洋微生物资源产生的生物活性物质研发的基本技术及研究进展进行了综述。

关键词 海洋生物多样性 海洋生物活性物质 开发技术 分离纯化

前 言

海洋是生命的发源地，其生物多样性远远超过陆生生物。海洋生物包括海洋

【1】动物、海洋植物和海洋微生物。海水总体积占地球总水量97%。海洋约占地球

表面积的7l ％，是一个开放、多变、复杂的生态系统。正是海洋特殊的物理、化学因素的复杂性，造就了生命活动的复杂性，物种资源、基因功能和生态功能上的生物多样性。海洋中生物资源极为丰富，生物活性物质种类繁多，并且正在为人类提供着大量的食品，多种材料和原料，具有可再生的特点。已引起世界各国的重视，具有巨大开发潜力。因此应该大力加快海洋生物资源的开发利用研究，

【2】同时进一步加强海洋生物技术的研究和建设。

1 海洋生物多样性

到目前为止已经发现了20万个海洋生物物种，并且依然有很多的海洋生物物种不断地被发现，包括海洋微生物，海洋植物，海洋动物。生物多样性资源包括生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性三个层次。下面将以海洋微生物为重点介绍海洋生物的多样性。

1.1 海洋微生物多样性

来自（或分离自）海洋环境，其正常生长需要海水，并可在寡营养、低温

条件（或高压、高温、高盐等极端环境）下长期存活并能持续繁殖子代的微生物均可称为海洋微生物。据估计，目前未被认识的海洋微生物数量可能在95％以上。其中大部分目前是不可培养的。 特别是深海微生物资源，由于采样和培养的困难，目前开发较少，因而也成为各国开发的热点。

遗传多样性代表有机体种群之内和种群之间的遗传结构的变异。由于海洋微生物的生存环境与陆栖微生物迥异, 他们处在高盐、低温和高压的环境下, 生存竞争特别激烈, 所以产生了一些不同于陆地微生物的变异, 具有很强的防御能力和识别能力, 在遗传型上表现出特异性, 这些遗传差别使得某些微生物能在局部环境中的特定条件下更加成功地生存和繁殖。

1.1.1 海洋微生物多样性研究方法

海洋微生物多样性是指所有海洋微生物种类、种内遗传变异和它们的生存环境的总称。自年等利用核酸序列的测序来研究微生物的进化问题以来, 对微生物的多样性的研究进入了一个崭新的阶段。采用PCR 和与16srRNA 与16srRNA 序列

【5】同源性比较在海洋微生物多样性研究中取得了较大的进展。

1.1.2 海洋微生物种类

属于海洋微生物的有海洋病毒，海洋细菌和海洋真菌三大类。

1.1.2.1 海洋病毒

海洋病毒是海洋环境中土著性的、超显微的、仅含有一种类型核酸（DNA 或RNA ）、专性活细胞内寄生的一类非细胞形态微生物。具有形态多样性和遗传多样性，侵染各种海洋生物。50-60％的海洋异养细菌死亡是由海洋噬菌体裂解引起的。海洋病毒的感染致病给水产养殖业造成巨大损失。

1.1.2.2 海洋细菌

海洋细菌是指那些只能在海洋中生长和繁殖的细菌。至少在开始分离和初期培养时要求生长于海水培养基中；生长环境中需要氯或溴或其中之一元素存在；需生活于镁含量较高的环境中。大多数海洋细菌是兼性厌氧细菌，专性好氧细菌和专性厌氧细菌都比较少见。海洋细菌目前已经发现了很多类型，包括光合细菌；化能自养菌；硫和硫酸盐还原细菌；研究最多的海洋细菌是弧菌；异养菌假单胞菌、假交替单胞菌、交替单胞菌和希瓦氏菌；费氏刺骨鱼；极端嗜热菌，放线菌等类型。

海洋古菌细胞较小，对于其他生物来说极其恶劣的生境条件下，如盐湖，温泉，极地海域等往往能发现大量的古菌存在。甚至作为优势种群，其生态地位

3不言而喻。古菌的发现有赖于分子生物学技术的发展, 迄今所认可的古菌只不过【】

99属, 这是因为它们难以用传统细菌学方法分离培养, 并且古菌常生存在人迹罕至

【4】之处。海洋古菌主要包括广域古菌门、泉生古菌门、初生古菌门和纳米古菌门，其中包含多种在极端环境中生存的古菌类群。

1.1.2.3 海洋真核微生物

海洋真菌是一类具有真核结构、能形成孢子、营腐生或寄生生活的海洋生物，包括海洋酵母菌和海洋霉菌。有木生真菌，附生藻类真菌，红树林真菌，海草真菌，寄生动物真菌等几种生态类型。

1.1.3 海洋微生物在海洋生态系统中的作用及资源的利用

海洋中的各种微生物在生物地化循环中期了非常重要的作用。

由于海洋环境的特性, 物种间密切的生态关系, 因此海洋微生物中相当普遍存在某些有特殊作用的生物活性物质, 而且其活性一般大大超过陆栖微生物。海洋微生物的多样性为人类提供了种类繁多、分子结构新颖、化学组成复杂和生理活性特异的海洋天然产品, 它是药物、保健食品和生物材料的巨大宝库。所以开发利用海洋微生物多样性具有重大的意义【5】

1.2 海洋植物多样性

海洋植物（marine plants）是海洋中利用叶绿素进行光合作用以生产有机物的自养型生物。海洋植物比陆生植物种类少，但种类丰富资源量大。从低等的无真细胞核藻类（即原核细胞的蓝藻门和原绿藻门），到具有真细胞核（即真核细胞）的红藻门、褐藻门和绿藻门，及至高等的种子植物等13个门，共 1万多种。

【6】

海洋植物主要包括海藻，海草，盐沼植物和红树林。海藻在海洋中广泛分布，种类繁多，包括单细胞的原核生物和孢子植物。海草生活于热带和温带海域浅水的单子叶植物。盐沼植物生长在温带海区沼泽地的植物。红树林生长在热带、亚热带海区的潮间带上部至潮下带浅水沼泽泥沙质地带的单子叶或双子叶乔木和灌木。

1.3 海洋动物多样性

地球上动物界物种多样性远高于植物界。海洋更是动物的世界，海洋生境比陆地淡水生境具有更多的陆地门类和特有门类。在动物界的34个门类中，有33个门分布在海洋中其中15个门市还养生境所特有，19个门分布在陆地仅1门为陆地生境所特有。

海洋动物门类繁多，各门类的形态结构和生理特点可以有很大差异。以摄食

植物、微生物和其他动物为生。估计有16～20万种，微小的有单细胞原生动物，大的有长可超过30米、重超过190吨的蓝鲸。全球海洋的水体及其上空，从海上至海底，从岸边至最深的海沟底，都有海洋动物。海洋动物可分为海洋无脊椎动物、海洋原索动物和海洋脊椎动物等3类。原索动物亚门是海洋生物特有的种类，在陆地生物钟不存在。

2 海洋生物资源及其开发与利用

2.1 海洋生物活性物质的多样性

海洋天然产物产自海藻、海绵、腔肠动物、软体动物、棘皮动物等各类海洋动植物及各种海洋微生物。它们除了可以向人们提供优质食品资源外，还是种类繁多，结构独特，活性特异的海洋天然产物及生物活性物质的巨大宝库。海洋微生物由于其高盐、高压、低温、低光照和寡营养的特殊的生存环境，从而可合成一些结构新颖的陆生微生物所不具备的生物活性物质【7】。本文中将主要介绍海洋活性物质的研发技术。

根据化合物的种类可将其分为蛋白质和肽类，多糖类，酯类，萜类，生物碱类，聚醚类，大环内酯类，糖蛋白类，海胆蛋白等。根据活性物质的功能性质，可将其分为抗肿瘤，抗病毒、抗菌、抗炎、免疫调节、抗心血管疾病，抗氧化、作用于神经系统等类型的活性物质。

2.2 海洋生物资源研究方法及开发技术

海洋生物活性物质的初始来源大部分甚至全部来自低等海洋生物如藻类及其共生菌类而应用生物培养，基因工程，DNA 重组，生化工程，酶工程和发酵技术等生物技术生产生物活性物质对于低等生物来说要比直接从高等生物中提取更易于实现。

海洋微生物的研究主要有以下几种方法：研究深海微生物代谢机制主要采用原位研究方法。主要是比较深海微生物在深海和在实验室1个大气压低温条件下的生长，对C,N 的利用，转化速率等。将玻片等装置置入海底进行原位培养是研究深海微生物种类常用的方法。在实验室内对从深海采集的样品在常压下和高压下进行分离培养，不仅可以了解深海中存在的微生物种类而且可以随时观察温度和压力对深海微生物的影响。随着分子生物学的发展，分子生物方法在分类上的应用日益广泛，特别是PCR 扩增和16S DNA序列同源性比较的应用。利用分子生

物学方法研究深海微生物发现在深海环境中微生物的种类数目要比传统的分离培养方法分离到的种类要广泛得多，而且大多数种类是不可培养的和没有鉴定。

【8】

2.2.1 分离纯化的基本原理

现有各种分离纯化方法的基本原理可以概括为两类：一方面利用混合物中的不同组分分配系数的差别，将它们分配至可用机械方法分离的两个或几个物相中（如有机溶剂抽提、盐析、沉淀、层析和结晶等）；另一方面将混合物置于某一单一物相中（主要是液相），外加一定作用力，使各组分分配到不同区域，从而达到分离目的（如电泳、超离心超滤等）。一种活性物质的精制，常常要根据它的各种理化性质和生物学特性，采用以上各种方法进行有机结合，才能达到预期目的。

2.2.2 海洋生物资源研究开发策略

海洋生物资源研究的基本程序是：原料的采集和保存，生物种类的鉴定（一般采用测定16srDNA 序列的方法，进行序列比对，鉴定可能的属。再结合形态和生理生化测定，确定属）以及生物活性物质的获得。同时又包括活性检测，活性物质纯化，化学结构的检测，活性评价，化学修饰等多方面研究。

2.2.2.1 海洋生物材料的预处理

原料的预处理是提取海洋生物活性物质的第一步，其目的是将目标成分从起始原料中释放出来，同时保护成分的生物活性，出去颗粒性杂质，制备澄清的初级提取液。往往还需要对初级提取液进行必要的稀释或者浓缩以利于下一步加工处理。原材料的预处理主要是粉碎或匀浆，冷冻干燥粉碎技术是目前比较先进的粉碎技术，对于一些植物性物料由于它们具有较坚硬的细胞壁，需要对其进行细

【9】 胞破碎的操作，有机械破碎和非机械破碎两种方法。

2.2.2.2 海洋生物活性物质的提取，分离与纯化

通过筛选获知某些海洋生物中含有所需要的活性物质，需要进行进一步的提取和分离纯化。主要包括水提取体系和有机溶剂提取体系。从海洋生物中提取活性物质常用的方法包括溶剂提取法、水蒸气蒸馏法，超临界流体萃取法、固相萃取法等。分离方法可分为经典分离方法和色谱分离方法。随着科学技术的发展，特别是高效液相色谱（HPLC ）、液-质联用（LC-MS ）、液相色谱与核磁共振

【9】（LC-NMR ）等现代分离技术的应用，大大提高了分离纯化的技术和水平。然

而，即使在分离技术不断发展的今天，海洋生物活性物质的分离纯化仍是一项非常繁琐耗时的工作，寻求高效成本低的分离仍然十分重要。

由粗提取物得到纯化合物往往需要经过许多纯化步骤，分离纯化应尽可能在

温和条件下进行，避免高温，曝光以及酸碱等条件。

2.2.2.3 海洋生物活性物质的结构鉴定

海洋生物活性物质的结构鉴定是研究海洋生物活性物质的另一项重要任务。以前主要用化学方法来确定，消耗的样品量较多，操作较麻烦，时间也较长。随着现代科学分析仪器的飞速发展，现代波普技术成为测定分子结构的强有力的工具，这些方法具有选择性强、灵敏度高、样品用量少和快速简便等优点。

鉴定程序大致如下:经过薄层色谱或或熔点或高效液相色谱法证实被分离的化合物是单一化合物后，先经（高分辨）质谱或元素分析测定，确定其分子式，再测定其红外光谱、紫外光谱、氢谱、碳谱和旋光光谱。分析时先从红外光谱入手，查验有关红外光谱图是否是已知化合物，再看氢谱，从氢谱中可以看出该化合物的复杂程度，又从红外数据中可以知道该化合物属于何种类型的化合物。如果氢谱共振信号不多，暗示着该化合物的结构比较简单，通过质朴数据库检索出他的对应结构，同时找出他的氢谱碳谱的一一归属。在与红外、紫外、旋光光谱数据对照，如果数据都吻合，则可以确定该化合物为已知结构的化合物。如果碳谱等数据找不出相应的结构时，证明该化合物可能是一个未知化合物，再经核磁共振谱的DEPT 和2D NMR不能确定该化合物的绝对构型，可以通过CD 光谱确定其绝对构型。当未知物的分子量较大，结构极其复杂时，可以将该化合物制备成单晶，通过X 射线单晶衍射法来确定该化合物的立体构型（绝对构型）。如果该化合物不能制备成单晶，使用适当的互学方法使之降解成多个较小的分子，分别

【9】鉴定每个小分子的结构，再拼出该未知物的完整结构。

总之，海洋天然有机化合物的结构鉴定通常单靠一种光谱法来确定一个未知物的结构式困难啊的，往往需要二、三种光谱法来进行互补，查阅大量有关文献，综合分析才能获得正确的结论。

2.2.2.4 海洋生物活性物质的化学修饰

海洋生物活性物质的研究不仅包括从海洋生物中提取分离出有效成分，测定有效成分的化学结构和生理活性，还包括海洋生物活性物质的有机合成研究。如有机合成的化学方法，结构修饰和全合成等有机合成研究。另外及已知结构的海

【9】洋生物活性物质，推断并合成预期结构和活性类似的系列同系物。

大多数海洋活性物质具有比较复杂的化学结构，可将复杂的的样品水解再根据氧化断裂，氧化还原，甲基化等有机原理使之变成较简单的化合物，通过测定这些化合物结构确定水解前元化合物结构。

2.2.3 应用实例：深海适冷菌 Pseudoalteromonas sp. SM9913分泌的胞外多糖的研究。

主要技术路线如下：首先对产多糖的微生物进行发酵；然后进行初步纯化和产量测定(分别采用离子交换色谱，凝胶过滤色谱，高压液相纯度鉴定的方法对多糖组分进行纯化，用HRMS spectrum 进行化学组分分析，用500 M

(DRX-500) Bruker NMR spectrometer 进行结构分析）；确定其结构之后又对多糖功能进行了研究，发现分离的到的这种多糖EPS-D Ⅱ对蛋白酶MCP-01的稳定性有很大作用，同时对蛋白酶MCP-01在30℃时自我讲解有一定的影响，对营养物质同样有一定的富集作用；最后对胞外多糖进行生物合成，对分泌基因簇进行克隆，采用常规PCR 和TAIL-PCR 技术，与染色体步移技术相结合，通过反复克隆验证，最后完成了全长13062 bp、平均GC 含量为35.71 %的胞外多糖生物合成基因簇的全序列克隆，并提交到GenBank 。采用同源性分析和序列比对等方法，对基因序列的功能进行注释分析。

3 前景展望

海洋是生命的发源地，其牛物多样性远远超过陆生生物。海洋生物包括海洋动物、海洋植物和海洋微牛物海洋生物活性物质的研究除了认识这些物质的本质外，最直接的目的就是寻找海洋药物，海洋功能食品与海洋医用或其他功能材料。因此，海洋药物、海洋功能食品、海洋医用材料、海洋功能制品的开发是海洋生物活性物质研究的出发点和落脚点。为了这个目的，一些含量低生物资源不够丰富的生物活性物质正在通过生物技术和生物工程的方法和手段解决药源问题，一些活性低毒性强的活性物质可以通过分子修饰的方法提高其活性或降低毒副作用，结构简单物质的人工合成研究其目的也是为了解决药源不足问题。海洋生物产生的有效次级代谢产物正成为人们开发新药的新的资源。大量的海洋生物活性物质有待于人们去研究。

参考文献

【1】雷呈祥，海洋微生物资源的研究与开发应用，中国航海医学与高气压医学杂志2009年

10月第16卷第5期257-259

【2】王长海，海洋生化概论，化学工业出版社2004年9月

【3】潘晓驹，焦念志，海洋古菌的研究进展，科学视野，海洋科学2001年第25卷第2期

【4】孙丕喜，陈皓文，王波，海洋的古菌Chinese Journal of N ature V ol. 31 No. 2

【5】孙昌魁, 冯静, 马桂荣，海洋微生物多样性的研究进展，chinese bulletin of life science,2001年6月，第13卷，第3期

【6】http://baike.baidu.com/view/135513.htm

【7】焦炳华，穆军，许强芝，缪辉南，抗感染药学Anti- infection pharmacy 2004年6月第1卷第1期海洋微生物来源新抗生素的研究

【8】陈秀兰，张玉忠，高培基，深海微生物研究进展，Marine Science,Vol.28 No.1,2004

【9】李八方，生物活性物质，中国海洋大学出版社，2007年，424-525页

海洋生物学综述

摘 要

生物多样性资源包括生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性三个层次。本文主要关注与海洋生物资源的研究最为密切的物种多样性。目前全世界已知海洋生物约有21万种，其分布具有明显的区域性。文中将分别从海洋微生物，海洋植物，海洋动物三个方面介绍海洋生物多样性。海洋天然产物产自各类海洋动植物及各种海洋微生物。本文对海洋微生物资源产生的生物活性物质研发的基本技术及研究进展进行了综述。

关键词 海洋生物多样性 海洋生物活性物质 开发技术 分离纯化

前 言

海洋是生命的发源地，其生物多样性远远超过陆生生物。海洋生物包括海洋

【1】动物、海洋植物和海洋微生物。海水总体积占地球总水量97%。海洋约占地球

表面积的7l ％，是一个开放、多变、复杂的生态系统。正是海洋特殊的物理、化学因素的复杂性，造就了生命活动的复杂性，物种资源、基因功能和生态功能上的生物多样性。海洋中生物资源极为丰富，生物活性物质种类繁多，并且正在为人类提供着大量的食品，多种材料和原料，具有可再生的特点。已引起世界各国的重视，具有巨大开发潜力。因此应该大力加快海洋生物资源的开发利用研究，

【2】同时进一步加强海洋生物技术的研究和建设。

1 海洋生物多样性

到目前为止已经发现了20万个海洋生物物种，并且依然有很多的海洋生物物种不断地被发现，包括海洋微生物，海洋植物，海洋动物。生物多样性资源包括生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性三个层次。下面将以海洋微生物为重点介绍海洋生物的多样性。

1.1 海洋微生物多样性

来自（或分离自）海洋环境，其正常生长需要海水，并可在寡营养、低温

条件（或高压、高温、高盐等极端环境）下长期存活并能持续繁殖子代的微生物均可称为海洋微生物。据估计，目前未被认识的海洋微生物数量可能在95％以上。其中大部分目前是不可培养的。 特别是深海微生物资源，由于采样和培养的困难，目前开发较少，因而也成为各国开发的热点。

遗传多样性代表有机体种群之内和种群之间的遗传结构的变异。由于海洋微生物的生存环境与陆栖微生物迥异, 他们处在高盐、低温和高压的环境下, 生存竞争特别激烈, 所以产生了一些不同于陆地微生物的变异, 具有很强的防御能力和识别能力, 在遗传型上表现出特异性, 这些遗传差别使得某些微生物能在局部环境中的特定条件下更加成功地生存和繁殖。

1.1.1 海洋微生物多样性研究方法

海洋微生物多样性是指所有海洋微生物种类、种内遗传变异和它们的生存环境的总称。自年等利用核酸序列的测序来研究微生物的进化问题以来, 对微生物的多样性的研究进入了一个崭新的阶段。采用PCR 和与16srRNA 与16srRNA 序列

【5】同源性比较在海洋微生物多样性研究中取得了较大的进展。

1.1.2 海洋微生物种类

属于海洋微生物的有海洋病毒，海洋细菌和海洋真菌三大类。

1.1.2.1 海洋病毒

海洋病毒是海洋环境中土著性的、超显微的、仅含有一种类型核酸（DNA 或RNA ）、专性活细胞内寄生的一类非细胞形态微生物。具有形态多样性和遗传多样性，侵染各种海洋生物。50-60％的海洋异养细菌死亡是由海洋噬菌体裂解引起的。海洋病毒的感染致病给水产养殖业造成巨大损失。

1.1.2.2 海洋细菌

海洋细菌是指那些只能在海洋中生长和繁殖的细菌。至少在开始分离和初期培养时要求生长于海水培养基中；生长环境中需要氯或溴或其中之一元素存在；需生活于镁含量较高的环境中。大多数海洋细菌是兼性厌氧细菌，专性好氧细菌和专性厌氧细菌都比较少见。海洋细菌目前已经发现了很多类型，包括光合细菌；化能自养菌；硫和硫酸盐还原细菌；研究最多的海洋细菌是弧菌；异养菌假单胞菌、假交替单胞菌、交替单胞菌和希瓦氏菌；费氏刺骨鱼；极端嗜热菌，放线菌等类型。

海洋古菌细胞较小，对于其他生物来说极其恶劣的生境条件下，如盐湖，温泉，极地海域等往往能发现大量的古菌存在。甚至作为优势种群，其生态地位

3不言而喻。古菌的发现有赖于分子生物学技术的发展, 迄今所认可的古菌只不过【】

99属, 这是因为它们难以用传统细菌学方法分离培养, 并且古菌常生存在人迹罕至

【4】之处。海洋古菌主要包括广域古菌门、泉生古菌门、初生古菌门和纳米古菌门，其中包含多种在极端环境中生存的古菌类群。

1.1.2.3 海洋真核微生物

海洋真菌是一类具有真核结构、能形成孢子、营腐生或寄生生活的海洋生物，包括海洋酵母菌和海洋霉菌。有木生真菌，附生藻类真菌，红树林真菌，海草真菌，寄生动物真菌等几种生态类型。

1.1.3 海洋微生物在海洋生态系统中的作用及资源的利用

海洋中的各种微生物在生物地化循环中期了非常重要的作用。

由于海洋环境的特性, 物种间密切的生态关系, 因此海洋微生物中相当普遍存在某些有特殊作用的生物活性物质, 而且其活性一般大大超过陆栖微生物。海洋微生物的多样性为人类提供了种类繁多、分子结构新颖、化学组成复杂和生理活性特异的海洋天然产品, 它是药物、保健食品和生物材料的巨大宝库。所以开发利用海洋微生物多样性具有重大的意义【5】

1.2 海洋植物多样性

海洋植物（marine plants）是海洋中利用叶绿素进行光合作用以生产有机物的自养型生物。海洋植物比陆生植物种类少，但种类丰富资源量大。从低等的无真细胞核藻类（即原核细胞的蓝藻门和原绿藻门），到具有真细胞核（即真核细胞）的红藻门、褐藻门和绿藻门，及至高等的种子植物等13个门，共 1万多种。

【6】

海洋植物主要包括海藻，海草，盐沼植物和红树林。海藻在海洋中广泛分布，种类繁多，包括单细胞的原核生物和孢子植物。海草生活于热带和温带海域浅水的单子叶植物。盐沼植物生长在温带海区沼泽地的植物。红树林生长在热带、亚热带海区的潮间带上部至潮下带浅水沼泽泥沙质地带的单子叶或双子叶乔木和灌木。

1.3 海洋动物多样性

地球上动物界物种多样性远高于植物界。海洋更是动物的世界，海洋生境比陆地淡水生境具有更多的陆地门类和特有门类。在动物界的34个门类中，有33个门分布在海洋中其中15个门市还养生境所特有，19个门分布在陆地仅1门为陆地生境所特有。

海洋动物门类繁多，各门类的形态结构和生理特点可以有很大差异。以摄食

植物、微生物和其他动物为生。估计有16～20万种，微小的有单细胞原生动物，大的有长可超过30米、重超过190吨的蓝鲸。全球海洋的水体及其上空，从海上至海底，从岸边至最深的海沟底，都有海洋动物。海洋动物可分为海洋无脊椎动物、海洋原索动物和海洋脊椎动物等3类。原索动物亚门是海洋生物特有的种类，在陆地生物钟不存在。

2 海洋生物资源及其开发与利用

2.1 海洋生物活性物质的多样性

海洋天然产物产自海藻、海绵、腔肠动物、软体动物、棘皮动物等各类海洋动植物及各种海洋微生物。它们除了可以向人们提供优质食品资源外，还是种类繁多，结构独特，活性特异的海洋天然产物及生物活性物质的巨大宝库。海洋微生物由于其高盐、高压、低温、低光照和寡营养的特殊的生存环境，从而可合成一些结构新颖的陆生微生物所不具备的生物活性物质【7】。本文中将主要介绍海洋活性物质的研发技术。

根据化合物的种类可将其分为蛋白质和肽类，多糖类，酯类，萜类，生物碱类，聚醚类，大环内酯类，糖蛋白类，海胆蛋白等。根据活性物质的功能性质，可将其分为抗肿瘤，抗病毒、抗菌、抗炎、免疫调节、抗心血管疾病，抗氧化、作用于神经系统等类型的活性物质。

2.2 海洋生物资源研究方法及开发技术

海洋生物活性物质的初始来源大部分甚至全部来自低等海洋生物如藻类及其共生菌类而应用生物培养，基因工程，DNA 重组，生化工程，酶工程和发酵技术等生物技术生产生物活性物质对于低等生物来说要比直接从高等生物中提取更易于实现。

海洋微生物的研究主要有以下几种方法：研究深海微生物代谢机制主要采用原位研究方法。主要是比较深海微生物在深海和在实验室1个大气压低温条件下的生长，对C,N 的利用，转化速率等。将玻片等装置置入海底进行原位培养是研究深海微生物种类常用的方法。在实验室内对从深海采集的样品在常压下和高压下进行分离培养，不仅可以了解深海中存在的微生物种类而且可以随时观察温度和压力对深海微生物的影响。随着分子生物学的发展，分子生物方法在分类上的应用日益广泛，特别是PCR 扩增和16S DNA序列同源性比较的应用。利用分子生

物学方法研究深海微生物发现在深海环境中微生物的种类数目要比传统的分离培养方法分离到的种类要广泛得多，而且大多数种类是不可培养的和没有鉴定。

【8】

2.2.1 分离纯化的基本原理

现有各种分离纯化方法的基本原理可以概括为两类：一方面利用混合物中的不同组分分配系数的差别，将它们分配至可用机械方法分离的两个或几个物相中（如有机溶剂抽提、盐析、沉淀、层析和结晶等）；另一方面将混合物置于某一单一物相中（主要是液相），外加一定作用力，使各组分分配到不同区域，从而达到分离目的（如电泳、超离心超滤等）。一种活性物质的精制，常常要根据它的各种理化性质和生物学特性，采用以上各种方法进行有机结合，才能达到预期目的。

2.2.2 海洋生物资源研究开发策略

海洋生物资源研究的基本程序是：原料的采集和保存，生物种类的鉴定（一般采用测定16srDNA 序列的方法，进行序列比对，鉴定可能的属。再结合形态和生理生化测定，确定属）以及生物活性物质的获得。同时又包括活性检测，活性物质纯化，化学结构的检测，活性评价，化学修饰等多方面研究。

2.2.2.1 海洋生物材料的预处理

原料的预处理是提取海洋生物活性物质的第一步，其目的是将目标成分从起始原料中释放出来，同时保护成分的生物活性，出去颗粒性杂质，制备澄清的初级提取液。往往还需要对初级提取液进行必要的稀释或者浓缩以利于下一步加工处理。原材料的预处理主要是粉碎或匀浆，冷冻干燥粉碎技术是目前比较先进的粉碎技术，对于一些植物性物料由于它们具有较坚硬的细胞壁，需要对其进行细

【9】 胞破碎的操作，有机械破碎和非机械破碎两种方法。

2.2.2.2 海洋生物活性物质的提取，分离与纯化

通过筛选获知某些海洋生物中含有所需要的活性物质，需要进行进一步的提取和分离纯化。主要包括水提取体系和有机溶剂提取体系。从海洋生物中提取活性物质常用的方法包括溶剂提取法、水蒸气蒸馏法，超临界流体萃取法、固相萃取法等。分离方法可分为经典分离方法和色谱分离方法。随着科学技术的发展，特别是高效液相色谱（HPLC ）、液-质联用（LC-MS ）、液相色谱与核磁共振

【9】（LC-NMR ）等现代分离技术的应用，大大提高了分离纯化的技术和水平。然

而，即使在分离技术不断发展的今天，海洋生物活性物质的分离纯化仍是一项非常繁琐耗时的工作，寻求高效成本低的分离仍然十分重要。

由粗提取物得到纯化合物往往需要经过许多纯化步骤，分离纯化应尽可能在

温和条件下进行，避免高温，曝光以及酸碱等条件。

2.2.2.3 海洋生物活性物质的结构鉴定

海洋生物活性物质的结构鉴定是研究海洋生物活性物质的另一项重要任务。以前主要用化学方法来确定，消耗的样品量较多，操作较麻烦，时间也较长。随着现代科学分析仪器的飞速发展，现代波普技术成为测定分子结构的强有力的工具，这些方法具有选择性强、灵敏度高、样品用量少和快速简便等优点。

鉴定程序大致如下:经过薄层色谱或或熔点或高效液相色谱法证实被分离的化合物是单一化合物后，先经（高分辨）质谱或元素分析测定，确定其分子式，再测定其红外光谱、紫外光谱、氢谱、碳谱和旋光光谱。分析时先从红外光谱入手，查验有关红外光谱图是否是已知化合物，再看氢谱，从氢谱中可以看出该化合物的复杂程度，又从红外数据中可以知道该化合物属于何种类型的化合物。如果氢谱共振信号不多，暗示着该化合物的结构比较简单，通过质朴数据库检索出他的对应结构，同时找出他的氢谱碳谱的一一归属。在与红外、紫外、旋光光谱数据对照，如果数据都吻合，则可以确定该化合物为已知结构的化合物。如果碳谱等数据找不出相应的结构时，证明该化合物可能是一个未知化合物，再经核磁共振谱的DEPT 和2D NMR不能确定该化合物的绝对构型，可以通过CD 光谱确定其绝对构型。当未知物的分子量较大，结构极其复杂时，可以将该化合物制备成单晶，通过X 射线单晶衍射法来确定该化合物的立体构型（绝对构型）。如果该化合物不能制备成单晶，使用适当的互学方法使之降解成多个较小的分子，分别

【9】鉴定每个小分子的结构，再拼出该未知物的完整结构。

总之，海洋天然有机化合物的结构鉴定通常单靠一种光谱法来确定一个未知物的结构式困难啊的，往往需要二、三种光谱法来进行互补，查阅大量有关文献，综合分析才能获得正确的结论。

2.2.2.4 海洋生物活性物质的化学修饰

海洋生物活性物质的研究不仅包括从海洋生物中提取分离出有效成分，测定有效成分的化学结构和生理活性，还包括海洋生物活性物质的有机合成研究。如有机合成的化学方法，结构修饰和全合成等有机合成研究。另外及已知结构的海

【9】洋生物活性物质，推断并合成预期结构和活性类似的系列同系物。

大多数海洋活性物质具有比较复杂的化学结构，可将复杂的的样品水解再根据氧化断裂，氧化还原，甲基化等有机原理使之变成较简单的化合物，通过测定这些化合物结构确定水解前元化合物结构。

2.2.3 应用实例：深海适冷菌 Pseudoalteromonas sp. SM9913分泌的胞外多糖的研究。

主要技术路线如下：首先对产多糖的微生物进行发酵；然后进行初步纯化和产量测定(分别采用离子交换色谱，凝胶过滤色谱，高压液相纯度鉴定的方法对多糖组分进行纯化，用HRMS spectrum 进行化学组分分析，用500 M

(DRX-500) Bruker NMR spectrometer 进行结构分析）；确定其结构之后又对多糖功能进行了研究，发现分离的到的这种多糖EPS-D Ⅱ对蛋白酶MCP-01的稳定性有很大作用，同时对蛋白酶MCP-01在30℃时自我讲解有一定的影响，对营养物质同样有一定的富集作用；最后对胞外多糖进行生物合成，对分泌基因簇进行克隆，采用常规PCR 和TAIL-PCR 技术，与染色体步移技术相结合，通过反复克隆验证，最后完成了全长13062 bp、平均GC 含量为35.71 %的胞外多糖生物合成基因簇的全序列克隆，并提交到GenBank 。采用同源性分析和序列比对等方法，对基因序列的功能进行注释分析。

3 前景展望

海洋是生命的发源地，其牛物多样性远远超过陆生生物。海洋生物包括海洋动物、海洋植物和海洋微牛物海洋生物活性物质的研究除了认识这些物质的本质外，最直接的目的就是寻找海洋药物，海洋功能食品与海洋医用或其他功能材料。因此，海洋药物、海洋功能食品、海洋医用材料、海洋功能制品的开发是海洋生物活性物质研究的出发点和落脚点。为了这个目的，一些含量低生物资源不够丰富的生物活性物质正在通过生物技术和生物工程的方法和手段解决药源问题，一些活性低毒性强的活性物质可以通过分子修饰的方法提高其活性或降低毒副作用，结构简单物质的人工合成研究其目的也是为了解决药源不足问题。海洋生物产生的有效次级代谢产物正成为人们开发新药的新的资源。大量的海洋生物活性物质有待于人们去研究。

参考文献

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