中國網/中國發展門戶網訊 冰凍圈（cryosphere）是地球表層連續分布且具一定厚度的負溫圈層，其組成要素包括冰川（含冰蓋）、積雪、凍土、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山，以及大氣圈內的凍結狀水體，是地球上獨特而極端的生物生境。冰凍圈科學和生命科學技術的進步與融合，促進了冰凍圈微生物研究，拓展了生命科學研究與應用的領域，豐富了地球生態系統的多樣性。冰凍圈微生物譜，特別是冰芯微生物譜保存著古氣候的信息，是研究全球氣候變化的重要生物學信息寶庫。全球變暖的提速，冰凍圈微生物活動對冰凍圈的反饋及其在冰凍圈溫室氣體排放中的作用，是當今全球變化不可忽視的重大科學問題。

現今地球冰凍圈，特別是冰芯、冰下湖等生境，與生命起源早期的地球有些許的相似之處；冰凍圈微生物的生命過程及特征，可能為我們深入了解生命的起源和生命的低溫適應極限，提供某些啟示。冰凍圈被認為是地球上類似于火星、木衛二、木衛三、木衛四和木衛六等星球的環境，冰凍圈微生物的線索有望為地外生命的探索提供啟示。 

冰凍圈微生物的研究概況

冰凍圈微生物的研究伴隨著人類對極地、高山的探險和科學考察而開始，至今已開展了?100?多年的研究，經歷了大致?3?個發展階段：微生物形態學研究、微生物生理學研究和微生物組學研究。冰凍圈微生物研究范圍涵蓋了冰凍圈的主要要素——凍土、冰川、雪和海冰等；研究人員已經從冰凍圈各要素中發現并分離到多樣性豐富的微生物類群，包括古菌、細菌和真菌等。最近一項權威的關于冰凍圈各生境中微生物細胞數量及總量的分析數據見表?1。

表 1 冰凍圈生境中微生物細胞數量

凍土中的細菌和真菌

凍土（permafrost）占地球陸地面積的?25%，是地球冰凍圈中微生物重要的棲息場所，主要分布在南極、北極和高山等。凍土微生物的研究很早就受到廣泛重視，大量研究表明，凍土中生存著密度約為?105—108 cells·g-1?的多樣性的微生物。由于凍土的深度具有年代屬性，可從中分離到不同年代的細菌，如：在西北利亞東北部約?10?萬年凍土層中檢測到1×107 cells·g-1?活體微生物，在北極?100萬—300?萬年的凍土層檢測到?102—108 cells·g-1?活的細菌。

在凍土中，真菌主要以孢子形式存在，其數量遠低于原核微生物細胞。其中，北極凍土可培養酵母數量為?103—104 CFU·g-1，隸屬于隱球酵母屬（Cryptococcus）、紅酵母屬（Rhodotorula）、酵母屬（Saccharomyces）和擲孢酵母屬（Sporobolomyces）；子囊菌門（Ascomycota）的地絲霉屬（Geomyces）、枝孢霉屬（Cladosporium）、青霉屬（Penicillium）和曲霉屬（Aspergillus）則是最常見的絲狀真菌類群。相比之下，南極凍土中可培養酵母和絲狀真菌數量往往很低，隱球酵母屬和木克拉酵母屬（Mrakia）為主要真菌類群。在海冰中的真菌主要類群為硅藻，僅在北極地區就已鑒定了超過?550?種硅藻，包括?446?種殼縫羽紋硅藻（Pinnularia）和?122?種環紋硅藻（Centricdiatom）。

雪冰中的細菌和真菌

由于雪易取樣，科研人員對其開展了較深入的微生物分析。對南極、北極和高山雪中微生物的分析表明，季節性雪中微生物細胞密度為?102—105 cells?·?mL-1 ，但其中微生物新種類較少。這主要是因為雪中微生物間接來源于土壤，大氣輸送決定了雪中微生物的來源與種類?。

冰凍圈冰由冰川、極地冰架和海冰等組成。起初人們認為極地冰中沒在微生物生存，但大量的分析表明各種類型的冰中都有微生物生長繁殖，其種類和細胞數量隨冰的深度增加而減少。例如，表層冰中微生物細胞密度為?104—108 cells?·?mL-1，冰川內部則下降到?101—103 cells?·?mL-1。冰芯微生物主要來源于陸地塵土、洋面氣溶膠和火山灰，其豐度與年降雪量相關，降雪越多的年份，冰芯中的微生物細胞數越多。從年代約?200?年的亞洲古里雅冰帽（Guliya Ice Cap）冰芯中檢測到?180 CFU?·?mL-1?細菌細胞；年代約1800年的南極泰勒冰穹（Taylor Dome）冰芯中檢測到?0—10 CFU?·?mL-1?細菌細胞。格陵蘭島冰芯鉆探項目（Greenland Ice Sheet Project，GISP2）鉆取了深達?3?042.80?m?冰芯，檢測到冰芯融水含有?6.1×107—9.1×107 cells?·?mL-1?微生物細胞。冰穴（cryoconite hole）是冰架和冰川上冰的局部消融而形成的微生境，其微生物群落具有獨特性——其相對較高的豐度和活性，對冰川的消融和冰川上碳循環有重要影響?。海冰盡管具有較高的鹽分，但也檢測到微生物細胞密度為?102—105 cells?·?mL-1 。南極和北極冰下封存了數十萬年的冰下湖是冰凍圈中更為獨特的生境，其中也檢測到密度為?102—105 cells?·?mL-1?微生物細胞。近年來，從雪冰中分離到種類豐富的真菌；其中，從斯瓦爾巴特島冰川冰芯中檢測到?3×103—1×104 CFU?·?mL-1?酵母細胞，從阿爾卑斯山冰川冰中分離到許多喜冷和嗜冷的酵母菌。

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